» » Значение скорости и направления охлаждения слитка
04.02.2017

Все металлы и сплавы по влиянию на них скорости охлаждения слитка можно разделить на четыре группы.
A. В первую группу войдут сплавы, в которых ни в литом, ни в пластически и термически обработанном состоянии не присутствуют хрупкие фазы в заметном количестве.
К этой группе относятся пластичные металлы: алюминий, медь, никель, олово, свинец и др.; пластичные твердые растворы: медь-никель при любом содержании компонентов, медь-цинк при содержании меди от 65 до 100% и др.; пластичные сплавы эвтектического типа: серебро-медь при любом содержании компонентов, олово-свинец, по-видимому, также в любых соотношениях и др.; расслаивающиеся сплавы, компоненты которых обладают близкими прочностью и пластичностью, например, кадмий-алюминий.
Б. Ко второй группе могут быть отнесены сплавы, которые в литом состоянии представляют пластичную и достаточно прочную основу — в ней в виде включений присутствует значительное количество хрупких составляющих, которые пластической и термической обработкой могут быть переведены в твердый раствор.
В эту группу входят такие сплавы, как бериллиевая бронза с содержанием 2% Be, алюминиевомагниевый сплав с содержанием 10% Mg и др.
B. К третьей группе могут быть причислены сплавы, которые в литом состоянии тоже представляют пластичную и достаточно прочную основу — в ней присутствуют хрупкие составляющие, но в отличие от сплавов второй группы эти хрупкие составляющие под влиянием пластической и термической обработки (закалки) могут быть переведены в твердый раствор лишь частично. Значительное количество хрупких составляющих все же остается в свободном виде и после пластической обработки и закалки.
К этой группе принадлежат сплавы меди с бериллием при содержании 2,5—3°/о Be, большинство практически применяемых дуралюминов — сплавов на алюминиевой основе, содержащих медь, магний, марганец и кремний.
Г. К четвертой группе могут быть отнесены сплавы, которые в литом состоянии тоже состоят из пластичной и достаточно прочной основы — в ней имеются хрупкие включения в значительном количестве; но в отличие от сплавов третьей группы, в данном случае эти хрупкие составляющие практически не переходят в твердый раствор под влиянием пластической и термической обработки.
В эту группу входят сплавы меди с висмутом, алюминия с железом, никелем или марганцем и др.
Приведенная классификация построена по типу классификации, предложенной В.А. Ливановым для алюминиевых сплавов, но с некоторыми исправлениями. Так, например, в первую группу могут быть отнесены не только однофазные сплавы, как это делается по указанной классификации Ливанова. К ней с успехом могут быть причислены также я двухфазные сплавы (а вероятно и многофазные), в которых структурные составляющие имеют близкие механические свойства.
Предлагаемая классификация тоже не вполне строга. Так, например, алюминиевая бронза, содержащая железо (АЖ9-4), имеет в структуре хрупкую фазу, которую обычно считают химическим соединением (FeAl3), однако влияние скорости охлаждения при кристаллизации на такой сплав невелико.
Тем не менее такая классификация полезна для того, чтобы яснее представить себе влияние скорости охлаждения при кристаллизации слитков на свойства последних, обусловливающие беспрепятственную пластическую обработку.
Если сопоставить механические свойства сплавов различных групп, например пластичность, выразив ее в процентах от наибольшей пластичности данного сплава, которая может быть достигнута в пластически обработанном сплаве, находящемся в гомогенизированном и закаленном состоянии, и изобразить их в зависимости от скорости охлаждения, то получаются четыре диаграммы (рис. 158). Сплошные линии на диаграммах изображают пластичность деформированного, гомогенизированного и закаленного сплава, а пунктирные линии — пластичность того же сплава в литом состоянии. В обоих случаях свойства показаны в зависимости от скорости охлаждения слитков, из которых готовились образцы для испытаний. Во всех случаях предполагается, что слитки получены без значительной пористости — газовой или усадочной, а также без шлаковых и других неметаллических включений.
Значение скорости и направления охлаждения слитка

При таком сопоставлении сплавы первой группы обнаруживают близкую пластичность в литом и закаленном состоянии, причем в зависимости от скорости охлаждения исходного слитка она тоже почти не меняется (рис. 158, а).
Сплавы второй группы показывают в литом состоянии заметное повышение свойств по мере увеличения скорости охлаждения слитка, но все же их пластичность не достигает пластичности того же сплава, подвергнутого пластической и термической обработке. Последний же практически не меняет пластичности в зависимости от скорости охлаждения слитков, из которых он приготовлен (рис. 158,б).
В сплавах третьей группы кривая пластичности литых образцов имеет тот же характер, что и в сплавах второй группы. Кривая пластичности обработанных (пластически и термически) образцов располагается выше соответствующей кривой для литых образцов, причем в зависимости от скорости охлаждения слитка их пластичность повышается (рис. 158, в).
Сплавы четвертой группы показывают зависимость пластичности литых образцов от скорости охлаждения слитка, аналогичную зависимости в случае сплавов третьей группы. Кривая свойств пластически обработанных и закаленных образцов показывает значительную зависимость от скорости охлаждения слитков, а кроме того, она идет на очень близком расстоянии от кривой, показывающей пластичность литых образцов (рис. 158, г).
Диаграммы, полученные для сплавов третьей и четвертой группы, показывают, что в случае применения высокой скорости охлаждения слитка механические свойства сплава (то, что показано для пластичности, в значительной мере может быть отнесено и к прочности) в литом состоянии могут быть получены более высокие, чем получает сплав после пластической и термической обработки, но изготовленный из слитка, который кристаллизовался при меньших скоростях охлаждения.
Этот результат был предсказан почти сто лет назад нашим великим соотечественником Д.К. Черновым.
Сплавы третьей и четвертой групп (а литые сплавы и второй группы) обнаруживают зависимость механических свойств oт скорости охлаждения слитка, потому что они содержат хрупкие фазы, которые при более быстром охлаждении кристаллизуются в виде более мелких включений.
Пагубное влияние крупных хрупких включении в сплаве, будут ли это элементарные включения, как висмут в меди, или твердый раствор, как в сплавах алюминия с кремнием, или, наконец, химическое соединение, как CuAl2 в алюминиевых сплавах, совершенно очевидно.
Если при создании напряжений в образце хрупкое включение разрушается уже при малой деформации, то в остальной части образца сразу увеличиваются напряжения из-за уменьшения рабочего сечения. Кроме того, по местам образования трещин в хрупких включениях при их разрушении создается повышенная концентрация напряжений, и трещина распространяется дальше и дальше по образцу до полного его разрушения. Иллюстрацией того, как меняются абсолютные значения механических свойств литого дуралюмина в закаленном и состаренном состоянии в зависимости от скорости кристаллизации может служить диаграмма, полученная В.А. Ливановым (рис. 159).
Значение скорости и направления охлаждения слитка

Под скоростью кристаллизации в данном случае не совсем правильно понимается автором, по-видимому, скорость затвердевания слитка или приращение затвердевшей части слитка в единицу времени, тогда как, вообще говоря, под скоростью кристаллизации принято понимать приращение величины кристалла в определенном направлении в единицу времени.
При малой скорости затвердевания слитка, характеризующейся приращением затвердевшего слитка, равным 2 мм*мин-1, предел прочности образца получен 21 кг/мм2 и удлинение 0,5%. При скорости затвердевания, выражаемой в 100 мм-мин-1, предел прочности и удлинение повышаются соответственно до 42 кг/мм2 и 9%.
Если скорость охлаждения, а следовательно, и затвердевания, имеет большое значение для сплавов второй — четвертой групп, то направление охлаждения слитка чрезвычайно важно для любого металла и сплава.
При кристаллизации слитка следует охлаждение создавать таким образом, чтобы слиток затвердевал постепенно снизу вверх.
Такое направление охлаждения способствует тому, что над кристаллизующимся металлом все время остается расплавленный. Если металл содержит в растворе газ, то во время его выделения при охлаждении пузырьки легко выйдут вверх через расплавленный металл и в слитке не останутся. Точно так же и газ, захваченный струей металла во время литья, не останется в слитке, а выйдет через расплавленный металл в атмосферу.
Направление затвердевания слитка снизу вверх позволяет легче освобождаться также и от не растворимых в металле твердых окислов, обладающих меньшим удельным весом по сравнению с удельным весом расплавленного металла, а также от удельно более легких шлаков и других неметаллических включений.
Наконец, при затвердевании слитка снизу вверх расположенный над кристаллизующимся металлом расплавленный металл служит для питания, когда при переходе в твердое состояние уменьшается объем. Иначе говоря, при охлаждении слитка снизу вверх в значительной мере устраняются усадочные раковины и усадочная пористость в слитке.
При фасонном литье иногда пользуются питанием отливок снизу, но все же этот способ следует считать вынужденным, так как при нем могут быть устранены только чисто усадочные раковины и пористость. При одновременном же присутствии газа этот способ оказывается неприменимым. Кроме того, этот способ непригоден также и для устранения только усадочных дефектов в отливках тяжелых сплавов при большой их высоте. Так, например, бронзовая отливка при высоте около 1,5 м уже не может быть напитана таким путем.
Для осуществления направленной кристаллизации применяются следующие приемы:
1) расположение массивных частей изложницы в нижней части;
2) устройство теплых насадок для замедления охлаждения верхней части слитка;
3) непрерывное или полунепрерывное литье с непосредственным охлаждением слитка водой;
4) применение уменьшенной скорости литья при одновременном повышении температуры литья.
Иногда при использовании последнего из перечисленных способов скорость литья уменьшают настолько, что она становится равной скорости затвердевания слитка. Так, например, при отливке бронзы ОФ6,5—0.4 (6,5% Sn; 0,4% Р; остальное медь) и применении скорости литья в вертикальную медную изложницу 11,5 мм/сек слитки размерами 20х120х250 мм были получены даже с чистой поверхностью.
Этот способ, однако, применим только для слитков малого размера, так как при больших размерах скорость литья должна быть снижена настолько, что поверхность слитка получается недоброкачественной.