» » Усадочные раковины и усадочная пористость в слитках
04.02.2017

Усадочные полости в слитках могут быть или крупные, сконцентрированные в местах слитка, которые кристаллизуются последними, или мелкие, рассеянные по большей части слитка. Как показал акад. А.А. Бочвар, проявление усадочных полостей в виде концентрированных усадочных раковин или в форме рассеянной пористости зависит от температурного интервала кристаллизации.
В случае сплавов, имеющих диаграмму состояний в виде эвтектики двух ограниченных твердых растворов, общая усадка может меняться почти пропорционально составу. Суммарный объем усадочных раковин и рассеянной пористости имеет закономерность изменения в зависимости от состава, несколько отличную от характера изменения общей усадки от состава сплава. Разность ординат между этими двумя кривыми I и II будет представлять наружную усадку. Она приблизительно в три раза больше линейной усадки. Концентрированная усадочная раковина получается наибольшей у сплавов, имеющих малый интервал кристаллизации, в данном случае у чистых компонентов и сплавов эвтектического состава. Наименьшую концентрированную усадочную раковину показывают сплавы, имеющие наибольший интервал кристаллизации. В данном случае это сплавы, соответствующие предельному составу твердых растворов при эвтектической температуре. К этому составу сплава от металлов и сплавов, кристаллизующихся при одной температуре, кривая объема концентрированной усадочной раковины переходит плавно и постепенно (см. рис. 186, кривая II). Разность ординат между ординатами кривых II и III представляет собой величину рассеянной усадочной пористости. Она оказывается в рассматриваемой системе наименьшей у сплавов, кристаллизующихся при одной температуре, и наибольшей у сплавов с большим интервалом кристаллизации.
Под влиянием повышения давления при кристаллизации увеличивается наружная объемная усадка, уменьшается концентрированная усадочная раковина и в еще большей степени уменьшается рассеянная усадочная пористость. По мере повышения внешнего давления при кристаллизации сначала полностью устраняется рассеянная пористость даже у сплавов с большим интервалом кристаллизации. После того как давление повысится настолько, что будет превзойден предел текучести, устраняется также и концентрированная усадочная раковина, которая заполняется металлом вследствие его пластического течения.
Путем применения большой скорости охлаждения снизу вследствие увеличения градиента температур на границе кристаллизующегося сплава рассеянная пористость в слитке заменяется концентрированной усадочной раковиной.
Причина образования концентрированной усадочной раковины в слитках металлов и сплавов, кристаллизующихся при одной температуре, в рассеянной пористости в слитках сплавов с большим интервалом кристаллизации заключается в следующем.
При затвердевании слитка металла или сплава, кристаллизующегося при одной температуре между твердым остовом и жидкой частью, граница представляет собой сплошную, более или менее извилистую поверхность. Затвердевание происходит последовательными слоями без образования промежуточного, кашеобразной консистенции, сплава (рис. 209).
Усадочные раковины и усадочная пористость в слитках

При охлаждении сплава, имеющего большой интервал кристаллизации, вначале переходит в твердое состояние более тугоплавкий сплав, а более легкоплавкая жидкая часть сплава располагается вблизи образовавшегося кристалла, обычно вершины растущего дендрита. Так как температура кристаллизации сплава среднего исходного состава выше чем температура кристаллизации лидировавшего вблизи растущего' кристалла сплава, то при недостаточной скорости конвекции в сплаве среднего состава зародится новый кристалл, который в виде дендрита и будет расти в глубь жидкого сплава (рис. 209, б). Так как и в этом случае из сплава среднего (исходного) состава закристаллизуется более тугоплавкий сплав, а жидкость останется более легкоплавкой, то и этот кристалл будет отделен от сплава среднего состава легкоплавкой прослойкой, за которой зародится новый кристалл и т. д. В этом случае отливка во всем объеме будет пронизана твердыми кристаллами, обычно в виде дендритов, между которыми будет располагаться жидкий сплав. Пo мере затвердевания сплава дендриты растут и переплетаются ветвями все больше и больше, а жидкий сплав остается в виде включений, разобщенных друг от друга. Когда температура понизится настолько, что перейдут в твердое состояние оставшиеся включения легкоплавкого сплава, на заполнение объема, который эти включения занимали в жидком виде, не хватит материала, поэтому в каждом из них образуется отдельная маленькая усадочная раковина. В результате образуется усадочная пористость, рассеянная по всему объему отливки, включая и прибыльную часть. Прибыль в этом случае не выполнит своей роли в достаточной степени, так как расплавленный сплав из прибыли не в состоянии пройти во все части отливки для питания и восполнения образующихся мелких усадочных раковин, рассеянных по отливке.
Известен целый ряд попыток математического вычисления объема усадочной раковины. При этом обычно определяется суммарный объем усадочных раковин и рассеянной пористости. Для практики же важнее обычно знать характер усадочных дефектов, чем абсолютное или относительное значение их суммарного объема.
Однако раздельного расчета усадочной раковины и усадочной пористости пока не разработано.
Расположение и характер усадочных раковин в слитках в зависимости от условий литья, конструкции изложницы свойств сплава могут быть различны.
По месту расположения усадочные раковины могут быть: верхние, нижние, а кроме того, и те и другие могут быть внутренние и наружные.
Усадочные раковины и усадочная пористость в слитках

В горизонтальных слитках чаще всего наблюдаются верхние усадочные раковины внутренние или наружные. Внутренние наблюдаются в тех случаях, когда затвердевание слитка идет в двух основных направлениях — снизу вверх и сверху вниз. Усадочная раковина в этом случае располагается преимущественно в тех местах, где металл кристаллизуется последним. Усадочная пористость наблюдается даже при литье сплавов, обладающих малым интервалом кристаллизации, главным образом в той части слитка, которая затвердевает в направлении сверху вниз, причем в зоне крупных столбчатых кристаллов пористость обнаруживается в большей степени. Наружные усадочные раковины в горизонтальных слитках образуются в тех случаях, когда кристаллизация идет от нижней стороны слитка до верхней поверхности в одном направлении (рис. 210). В этом случае кристаллизация заканчивается у самой поверхности слитка и для питания нижележащих частей его металл берется из верхних слоев. Усадочная раковина при этом располагается по большей части на некотором расстоянии от края слитка и несколько на, большем расстоянии от средины слитка по его верхней поверхности. Обычно она концентрируется на небольшом участке поверхности слитка и располагается на ней более или менее случайно в одном из мест кольца, где металл кристаллизуется последним. В зависимости от свойств сплава усадочная раковина может в этом случае от верхней поверхности проникать в глубь слитка, например толщиной 120 мм, на 10—30 мм, а при кристаллизации металлов, особо склонных к образованию длинных дендритов, например цинка, междендритная усадочная раковина может проходить на глубину половины толщины слитка.
Нижние усадочные раковины в горизонтальных слитках могут получаться только в том случае, если охлаждение сверху превалирует над охлаждением снизу. В этом случае последний кристаллизующийся металл будет располагаться ближе к нижней поверхности слитка или выходить на самую нижнюю сторону; в зависимости от этого будут получаться внутренние или наружные усадочные раковины. Случаи образования нижних усадочных раковин в горизонтальном слитке редки, так как всегда стремятся направить затвердевание снизу вверх, а не наоборот.
Верхние наружные усадочные раковины образуются при обычном литье вертикальных слитков, когда настыли при кристаллизации слитка, начинаясь в нижней части, постепенно доходят до верхнего конца. В нормальных условиях литья, по мере понижения уровня металла в такого рода усадочной раковине, убыль металла постепенно восполняется путем доливки новых порций металла. При этом следят, чтобы не было обнажения затвердевшей части слитка, так как иначе поверхность обнаженной настыли может окисляться, вновь поступающие порции металла могут не свариться с основной твердой массой и в слитке получится пробка, которая при дальнейшей пластической обработке отделится от слитка и, таким образом, увеличит количество отходов. Такая поздно долитая усадочная раковина показана на фотографии (рис. 211).
Усадочные раковины и усадочная пористость в слитках

При отливке слитков стараются создать условия, при которых усадочная раковина полностью устраняется или выводится на верхнюю поверхность слитка, откуда при отрезке верхнего конца слитка она будет удаляться в отход. При наиболее удачных условиях литья слитки доливаются так, что в отход идет ничтожная часть слитка. Теплые насадки, часто применяющиеся при отливке стали, способствуют перемещению усадочной раковины в прибыльную часть слитка. Теплые насадки при литье цветных металлов и сплавов также обеспечивают повышение качества слитков и способствуют ускорению разливки металла по изложницам. Улучшение качества слитков обусловливается невозможностью перерыва питания при применении теплых насадок, в чем нет гарантии при ручной доливке слитков.
Внутренняя верхняя усадочная раковина образуется в тех случаях, когда охлаждение происходит и снизу и, хотя и в меньшей степени, но все же достаточно интенсивно сверху.
Усадочные раковины и усадочная пористость в слитках

Настыли в этом случае будут образовываться по всем поверхностям слитка, а металл будет находиться внутри твердой оболочки, где он займет положение в нижней части. При вертикальном литье, как только образуется поверхностная корка, уровень расплавленного металла вследствие усадки отойдет от верхней корки. Между ними образуется полость, которая и представляет собой верхнюю часть усадочной раковины. При дальнейшем охлаждении, если теплота от верхней части продолжает отниматься достаточно интенсивно, может образоваться новая горизонтальная корка, положение которой соответствует положению уровня металла в этот момент. Таких внутренних горизонтальных или наклонных перекрытий может образоваться несколько. В результате усадочная раковина получится да несколько этажей. Такие усадочные раковины часто наблюдаются при отливке крупных слитков тугоплавких сплавов в условиях, когда усадочная раковина не доливается; при отливке стали это обычное явление (рис. 212). Вследствие постепенного отступания металла от верхней корки, при одновременном интенсивном охлаждении последней, внутри усадочной раковины создаются условия, благоприятные для образования длинных столбчатых кристаллов, растущих сверху вниз. После образования поверхностной корки твердые кристаллы, внесенные струей, отсаживаются в нижнюю часть слитка, а вверху остается освобожденный от твердых кристаллов металл. Столбчатые кристаллы при этом не получаются полногранными, а остаются в виде скелетообразных дендритов, висящих на верхней корке внутри усадочной раковины. Примером таких кристаллов является известный кристалл Чернова.
Нижние внутренние усадочные раковины в вертикальных слитках часто образуются при сифонном литье при малом поперечном сечении слитков. Поступающий в нижнюю часть изложницы металл по мере подъема вверх вследствие соприкосновения со стенками изложницы охлаждается. По этой причине верхняя часть слитка закристаллизуется раньше, чем нижерасположенные его части, что обусловит расположение усадочной раковины в нижней части слитка. При больших поперечных сечениях слитка, а также при применении теплых насадок горячий металл, поступивший в изложницу последним, успеет подменяться местами с более холодными, а потому более тяжелым металлом, залитым вначале. В этом случае получится нормальная верхняя усадочная раковина.
Образование нижних усадочных раковин наблюдается при литье в разъемные вертикальные изложницы, если не приняты меры, предотвращающие изгиб изложница при одностороннем нагреве ее от слитка. В этом случае, вследствие разогревания поверхностных слоев изложницы, обращенных к слитку, будут происходить их расширение и деформация изложницы. При литье плоских слитков половинки изложницы будут более тесна соприкасаться со средней частью слитка, а потому отводить от нее и большее количество теплоты. Последовательные поверхности раздела твердой и жидкой фаз будут иметь выпуклость внутри в средней части с обеих сторон, которые через некоторое время образуют перехват, ниже которого, а также в верхней части останется более горячий металл. Деформация изложницы имеет место и в поперечном направлении, поэтому при малых соотношениях между высотой и шириной слитка последний, оставшийся жидким металл будет иметь форму подковы, а не эллипсоида. Таким образом, при применении сильно деформирующейся в процессе литья изложницы последние порции затвердевающего металла расположатся как в верхней, так и в нижней частях слитка, почему и усадочные раковины окажутся тоже в верхней и нижней частях слитка. Верхняя усадочная- раковина может быть долита, тогда как доступ к нижней отсутствует вследствие перехвата в средней части. Нижние усадочные раковины труднее предотвращаются, чем верхние. При отливке слитков в неразъемные вертикальные изложницы деформация наблюдается в значительно меньшей степени, почему возможность образования нижних усадочных раковин в этом случае тоже несравненно меньшая.
В тех случаях, когда металл не содержит газа, а охлаждение слитка идет достаточно медленно, образовавшаяся вначале твердая корка по поверхности соприкосновения залитого металла с изложницей будет продолжительное время находиться при температурах, близких к температуре плавления. При образовании усадочной раковины вследствие отсутствия газа, будет получаться вакуум. Под действием давления атмосферы на нагретую затвердевшую корку металла происходит ее прогиб, усадочная раковина заполняется металлом, а снаружи остается углубление, соответствующее объему бывшей усадочной раковины. При продавливании твердого поверхностного слоя могут образоваться трещины. Такого рода углубления на поверхности слитка являются особым видом наружных усадочных раковин. Они могут иметь место по поверхности как вертикальных слитков, так и горизонтальных, причем и располагаются они в различных участках слитков, т. е. могут быть верхними, нижними и промежуточными.
Усадочные раковины и усадочная пористость в слитках

Такого же рода наружные усадочные раковины получаются при отливке плоских вертикальных слитков малой толщины в не слишком массивную изложницу, в случае, если отливаемый металл не имеет в растворе газа, который при выделении во время кристаллизации уменьшал бы вакуум. Так, например, при отливке латунных слитков в виде плит толщиной 30 мм в изложницу с толщиной стенок около 50 мм, при условии только частичного заполнения изложницы, образуются наружные усадочные раковины такого типа. Вблизи верхней поверхности залитой го металла в этом случае будут располагаться не соприкасающиеся с металлом слитка верхние концы изложницы. Теплота от верхней части слитка уходит в прилегающие части изложницы, а оттуда в концы ee, расположенные над поверхностью уровня металла (рис. 213, а). Так как дальнейшее охлаждение, вследствие наличия между слитком и изложницей малотеплопроводного остатка смазки и образования зазора замедляется, то в верхней части слитка образуется усадочная раковина своеобразного вида. Затвердевшая поверхностная корка вследствие наличия вакуума внутри и давления атмосферы снаружи, прогибается внутрь слитка, В наибольшей степени прогибаются те части поверхностных корок, которые обладают меньшей прочностью. Если принять во внимание, что нижележащая часть слитка раньше получит достаточную жесткость вследствие охлаждения, после нее жесткость приобретут углы верхней части слитка, то станет понятным, почему в верхней части поверхности появится продолговатая лунка, а также образуются вдавленные участки на каждой из вертикальных поверхностей слитка (рис. 213, б).
При отливке слитков концентрированные усадочные раковины сравнительно легко могут быть выведены в прибыльные части слитка или устранены путем доливки горячим металлом. Борьба с межкристаллической усадочной пористостью затруднена, так как даже значительных размеров прибыль часто не в состоянии устранить такого рода пористость.
Усадочные раковины и усадочная пористость в слитках

В особенности легко усадочная пористость образуется при отливке слитков из сплавов, обладающих большим интервалом кристаллизации. Однако межкристаллическая усадочная пористость получается также и в слитках, отлитых из металла или из сплава, кристаллизующегося при одной температуре. В этом случае чаще усадочная пористость получается у тех металлов и сплавов, которые имеют большую разность в теплопроводности по разным направлениям в кристалле и потому образуют ветвистые с большой извилистой поверхностью дендриты. Между отдельными дендритами или между ветвями одного дендрита в этом случае могут образоваться замкнутые полости, куда не проникнет металл из прибыли (рис. 214). Если эти усадочные поры не содержат газа, окислов или других посторонних включений, то при дальнейшей пластической обработке в нагретом состоянии или в холодном состоянии с промежуточными отжигами они заполняются металлом, завариваются и исчезают. Если же в порах присутствуют какие-либо посторонние вещества в твердом или газообразном состоянии, то заварка может не произойти в полной мере. Усадочные поры не будут устранены также в том случае, если в результате шабровки или строжки поверхности слитка они вскрыты и потому оказались подвергнутыми действию воздуха.
Слитков, совершенно свободных от усадочных пор, в обычных условиях получить не удается, тогда как материал, полученный из них в результате пластической обработки, практически пор не имеет. Следовательно, как правило, поры, имеющие малые размеры, чистую внутреннюю поверхность и не содержащие посторонних веществ, при пластической обработке с одновременным или промежуточными отжигами завариваются и на качество изделия заметного влияния не оказывают.
При непрерывном литье слитков усадочная раковина, разумеется, отсутствует, так как в процессе литья в верхней части слитка сохраняется с лунке расплавленный металл, который питает слиток во время его кристаллизации. Отрезаемые в процессе литья мерные заготовки от непрерывно отливаемого слитка не могут содержать усадочной раковины, так как она может быть только в последнем остатке, когда литье прекращается.
При полунепрерывном литье каждый слиток может иметь усадочную раковину, но в случае литья с малой скоростью она будет иметь малый объем, во-первых, потому, что она образуется лишь при кристаллизации того объема металла, который находится в лунке, а во-вторых, потому, что она может быть долита при окончании литья.
Усадочная пористость в слитках непрерывного и полунепрерывного литья присутствует, но в значительно меньшей степени, чем в слитках, отлитых в изложницы обычным методом. Межкристаллическая пористость при непрерывном литье развита в большей степени в слитках, отлитых из сплавов, имеющих большой интервал кристаллизации. Кроме того, такая пористость чаще присутствует в слитках, отлитых без применения непосредственного охлаждения водой, или при недостаточной подаче воды на поверхность слитка для охлаждения. Наконец, она чаще обнаруживается в слитках, отлитых при большей скорости литья.