» » Усадочные трещины
04.02.2017

Усадочные трещины в слитках образуются вследствие торможения усадки в процессе охлаждения. В одних случаях сокращению слитка при охлаждении препятствуют внешние причины — выступы или шероховатость изложницы, деформация последней, образование заливов в трещины или щели по месту разъема, а также сопротивление стержней, изготовленных из металла или из мало податливой стержневой смеси при отливке полых слитков. В других случаях сокращению отдельных участков слитка препятствуют ранее затвердевшие его части. Они к данному моменту приобрели уже достаточную жесткость и сопротивляются деформации в большей степени, чем разогретые до более высоких температур участки, в которых и образуются трещины.
Часто усадочные трещины делят на «горячие» и «холодные»; при этом под горячими трещинами понимают такие, которые образуются при температурах выше температуры солидуса, а под холодными, которые появляются в то время, когда сплав полностью закристаллизовался. Вряд ли такое деление имеет смысл.
На образование трещин оказывают влияние не только свойства сплава, но также и внешние условия охлаждения, конструкция и свойства материала изложницы и т. д.
С одной стороны, если препятствия сокращению слитка в размерах в определенных его участках большие при высоких температурах, то трещины образуются при этих температурах. Наоборот, если значительные препятствия сокращению при охлаждении возникают только при низких температурах, то трещины окажутся «холодными».
С другой стороны, если, например, латунь Л68 в каких-либо условиях образует трещины при температуре 850°, то эти трещины должны быть названы «холодными», так как латунь этого состава имеет конец кристаллизации при температуре 905°. Если же эта латунь содержит 0,1% Pb, то в случае образования трещин при температуре, например, 600°, они должны быть названы «горячими», так как температура конца кристаллизации в этом случае соответствует температуре 326° — на 1° ниже температуры кристаллизации свинца. Таким образом, весьма близкие по составу сплавы дают холодные трещины при более высокой температуре в одном случае, чем горячие трещины при значительно более низкой температуре — в другом. Поэтому предпочтительнее говорить о литейных трещинах, не разделяя их на горячие и холодные, во избежание недоразумений, аналогичных приведенным.
Для сплавов эвтектического типа акад. А.А. Бочваром показан характер зависимости склонности к образованию литейных трещин от состава (рис. 215). Чистые компоненты обладают некоторой, сравнительно небольшой, склонностью к образованию литейных трещин. По мере увеличения интервала кристаллизации вследствие образования твердого раствора, склонность к образованию трещин возрастает. Максимального значения она достигает при составе сплава, соответствующем предельной концентрации твердого раствора при эвтектической температуре, иначе говоря, — при составе сплава, обладающего наибольшим интервалом кристаллизации. При появлении в структуре сплава эвтектики склонность к образованию литейных трещин начинает уменьшаться. При содержании эвтектики, отвечающем началу линейной усадки при эвтектической температуре, наблюдается резкое снижение склонности к образованию литейных трещин. При содержании эвтектики в сплавах от 15—25 до 100% возможность образования литейных трещин минимальная.
Усадочные трещины

Образование литейных трещин зависит от величины усадки сплава и от закономерности изменения усадки от температуры. В справочниках обычно усадка приводится полная в интервале температур от температуры отвердевания до комнатной. На склонность же сплавов к образованию литейных трещин оказывает влияние главным образом величина усадки при температурах вблизи температуры солидуса, так как при них сплавы обычно обладают малой пластичностью. Кривая усадки, в зависимости от понижения температуры, может иметь различный вид. От температуры отвердевания усадка может сразу резко возрастать (кривая верхняя), или, наоборот, она может увеличиваться медленно (кривая нижняя). В последнем случае резкое увеличение усадки падает на более низкие температуры, когда сплав приобретает уже достаточную пластичность и прочность. Сплавы, показывающие такой вид кривой усадки, при прочих равных условиях будут обладать меньшей склонностью к образованию литейных трещин. Наоборот, сплавы, имеющие первого типа кривую усадки, будут в большей степени склонны к образованию литейных трещин. В промежуточных случаях, когда линейная усадка пропорциональна температуре, при прочих равных условиях, склонность к образованию литейных трещин приобретает промежуточные значения.
Вторым фактором, оказывающим влияние на возможность образования литейных трещин, является пластичность (и эластичность) сплавов при температурах тотчас после температуры отвердевания. Чем пластичнее (и эластичнее) при растяжении сплав при этих температурах, тем меньше его склонность к образованию литейных трещин, также, разумеется, при прочих равных условиях.
Прочность сплава при температурах отвердевания, которой иногда придают значение, оказывает меньшее влияние на склонность к образованию литейных трещин. В случае малой пластичности напряжения в сплаве при затрудненной усадке возрастают настолько быстро, что даже значительная прочность окажется недостаточной, чтобы отливка осталась свободной от трещин. Наоборот, при самой малой прочности сплава, но достаточной пластичности, возникающие напряжения настолько быстро будут сниматься вследствие пластического растяжения, что сплав трещин не даст.
Эластичность сплава при высоких температурах также может способствовать снижению склонности сплава к образованию литейных трещин, но это может иметь существенное значение лишь при сравнительно низких температурах, так как при высоких температурах упругость сплава близка к нулю. При низких температурах, чем ниже модуль упругости, т. е. чем больше упругое удлинение при определенном напряжении, тем сплав окажется менее склонным к образованию литейных трещин. В качестве примеров образования литейных трещин можно привести следующие.
В случае литья медных слитков в горизонтальные изложницы на поддон, имеющий поверхность недостаточно ровную, и в особенности имеющий глубокие и широкие трещины, куда может заливаться металл, на нижней стороне слитка легко образуются трещины. Металл слитка при охлаждении сокращается в размерах, тогда как металл поддона, нагреваясь от слитка, расширяется (рис. 216). При этом могут иметь место два вида деформаций: или слиток должен растянуться под действием (расширяющегося поддона или, наоборот, должно произойти смятие металла у краев трещин в поддоне под действием сжимающих усилий охлаждающегося слитка. Совершенно очевидно, что будет происходить первое, а не второе. Слиток сразу после образования твердого скелета уже начинает уменьшаться в размерах. При температурах непосредственно после затвердевания прочность и, в особенности, пластичность, материала мала, поэтому слиток не будет пластически деформироваться, а будет давать трещины. Образовавшись в первые моменты после того, как металл перешел в твердое состояние, трещины при дальнейшем охлаждении еще больше увеличиваются в размерах.
Усадочные трещины

Поддон имеет низкую температуру, и верхняя его поверхность находится под действием сжимающих усилий, поэтому он почти не деформируется, так как медь при низких температурах сопротивляется сжатию лучше, чем растяжению при температурах непосредственно после затвердевания.
Иногда при первых проходах во время прокатки слитков, отлитых в горизонтальную изложницу, на поверхности, соответствующей нижней поверхности слитка, образуются трещины. Если они направлены не под углом 90° к направлению наибольшей деформации при прокатке, можно с уверенностью сказать, что это трещины литейного происхождения: они имелись уже в слитке, но могли быть пропущены при осмотре. При прокатке они только раскрылись (рис. 217).
Усадочные трещины

В некоторых случаях причиной образования трещин на нижней поверхности горизонтальных медных слитков являлись заливы в зазор между рамкой изложницы и поддоном. Эти заливы охлаждались быстрее слитка и сразу приобретали значительную прочность, поэтому, несмотря на малую толщину, они служили причиной трещин по нижней поверхности слитка (рис. 218).
При отливке сплавов, склонных к образованию литейных трещин (дуралюмин, в особенности Д16, алюминий, недостаточно хорошо отрафинированный от натрия и других примесей, латунь, содержащая свинец и т. п.), в вертикальные или наклонные изложницы, подверженные деформации вследствие разогревания слоев, обращенных к слитку, в последнем могут образовываться трещины. В этом случае форма слитка по причине деформации изложницы может получиться искаженной: нижняя и верхняя части слитка могут оказаться более толстыми по сравнению со срединой. При дальнейшем прогревании изложницы деформация ее (рис. 219) уменьшится и даже может получить обратный знак, поэтому слиток может оказаться захваченным по концам и при дальнейшем сокращении вследствие охлаждения в нем могут появиться трещины.
Сплавы, склонные к образованию литейных трещин, могут обусловить растрескивание в слитках не только вследствие торможения усадки изложницей. При отливке плоских слитков наиболее быстро охлаждаются кромки и углы, откуда теплота отводится не только в основные грани изложницы, но также и в ее нижнюю и боковые стенки. После этого, в случае деформации изложницы, интенсивно начинает охлаждаться средина главных плоскостей слитка. Как уже было указано ранее, наиболее нагретый металл остается, во-первых, вблизи верхней кромки слитка, а во-вторых, в нижней части слитка в объеме, имеющем форму подковы. При охлаждении ранее затвердевающих частей слитка, в них возникает пластическая деформация сжатия. При дальнейшем охлаждении в слитке появляются растягивающие напряжения, которые при переходе за предел прочности и соответствующий ему предел пластичности вызывают образование трещин в частях слитка, охлаждающихся последними (рис. 220).
Усадочные трещины
Усадочные трещины

Латунь ЛС59-1 является сплавом, склонным к образованию литейных трещин. При литье цилиндрических слитков из этой латуни в вертикальные разъемные изложницы нередко наблюдаются случаи образования продольных трещин в нижней части (рис. 221). Явление в этом случае представляется в следующем виде. После того как залитый в изложницу металл образовал с поверхности тонкую корку затвердевшего сплава, произошло разогревание поверхности, соприкасающейся со слитком, и изгиб створок изложницы. Средина слитка стала соприкасаться с изложницей более плотно, почему затвердевание металла в средней части слитка пошло быстрее. В некоторый момент времени в средней зоне слитка металл закристаллизовался по всему сечению, тогда как вверху и внизу он еще внутри затвердевшей оболочки сохранился жидким вследствие отхода концов изложницы от слитка. Наличие воздушной прослойки в зазоре замедляет передачу теплоты. Верхняя часть слитка пополняется горячим металлом при доливке. Нижняя часть оказывается лишенной питания, поэтому при продолжающемся затвердевании внутри будет образовываться вакуум. Атмосферное давление снаружи действует на ту часть затвердевшей корки слитка, которая находится еще при высокой температуре и вдавливает ее внутрь. При этом корка окажется под действием растягивающих напряжений и даст трещины, так как сплав при этих температурах обладает малой пластичностью.
Усадочные трещины

Если металл заливается в зазор по линии разъема изложницы, то через заливы будет происходить более интенсивное охлаждение. Последовательные настыли металла в поперечном сечении нижней части слитка будут иметь вид лемнискат (рис. 222). Последним металл будет кристаллизоваться вблизи образующих цилиндрического слитка, расположенных по радиальным плоскостям, нормальным к плоскости разъема изложницы. В этих местах и будут образовываться трещины, так как закристаллизовавшийся вначале остов будет являться растягивающим каркасом, вызывающим образование трещин в более горячих местах слитка. Такого же рода трещины могут образоваться в слитке в местах, расположенных против участков изложницы, в которые ударялась струя во время литья и разогревала их (рис. 223).
Трещины в слитках могут образовываться не только по наружной поверхности, но также и в центральных его зонах. Такого рода трещины наблюдаются даже в слитках такого пластичного в обычных условиях металла, как медь. В особенности часто внутренние трещины наблюдаются в слитках больших поперечных сечений.
Усадочные трещины

Причина образования внутренних трещин та же, что и причина их появления на наружных поверхностях. В этом случае только каркасом, вызывающим растягивающие напряжения во внутренних зонах слитков, служит наружная настыль, которая закристаллизовалась и охладилась до сравнительно низких температур. При уменьшении объема наружной корки вследствие усадки при охлаждении внутренняя часть не оказывает значительного сопротивления, так как вначале она находится, в жидком состоянии, а при дальнейшем охлаждении в твердом, но пластичном состоянии. Постепенно наружная оболочка приобретает жесткость вследствие охлаждения. Когда и внутренняя часть станет охлаждаться и по температуре приближаться к наружной, то внутренняя зона будет уменьшаться в объеме в большей степени, чем наружная, ввиду ее более высокой температуры вначале. Под влиянием усадки во внутренних частях слитка возникнут растягивающие напряжения, которые могут вызвать образование трещин.
Трещины в цилиндрических слитках вначале распространяются более или менее прямолинейно (рис. 224, а). После того как под влиянием усадки полость трещины (в разрезе) из прямолинейной станет чечевицеобразной (рис. 224, б), поверхность трещины стягивает свои концы (кривая линия между двумя точками длиннее прямой).
По этой причине в местах окончания трещины возникнут растягивающие напряжения е направлении перпендикулярном распространению первоначальной трещины. В этих местах начнется отрыв материала в поперечном направлении (рис. 224, в). При дальнейшем сокращении вследствие усадки эти поперечные трещины распространяются дальше (рис. 224, г).
Такой вид трещин нередко наблюдается в практике непрерывного литья слитков с непосредственным охлаждением водой (рис. 225).
Усадочные трещины

Возможность образования трещин тем больше, чем больше разность в скоростях охлаждения наружных и внутренних зон слитка, чем больше поперечное сечение слитка, чем больше скорость, литья и, следовательно, чем меньше направленность охлаждения снизу вверх. Kpoмe того, трещины образуются легче при отсутствии возможности получения плотной, хорошо напитанной во время кристаллизации сердцевины, обладающей большей пластичностью.
В особенности часто внутренние трещины наблюдаются при литье в изложницы, охлаждаемые водой, слитков больших диаметров, например 400—500 мм.
При литье сплавов, склонных к образованию литейных трещин, внутренние разрывы образуются также часто, даже если другие факторы способствуют получению слитков без трещин.
При непрерывном литье цилиндрических слитков технического алюминия и алюминиевых сплавов с непосредственным охлаждением водой также нередко наблюдаются внутренние трещины. В поперечном сечении они иногда имеют вид диаметральных, несколько изогнутых линий, в других случаях от такой сравнительно короткой диаметральной трещины отходят в обе стороны поперечные ответвления, которые иногда доходят до поверхности слитка. Добаткин приводит следующие зависимости возможности образования трещин в цилиндрических слитках непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой от параметров литья.
1. По мере увеличения скорости литья увеличиваются внутренние напряжения и возможность образования трещин в слитке.
Это, невидимому, справедливо для тех сплавов и диаметров слитков, с которыми экспериментировал автор. Распространять такое заключение на все случаи литья вряд ли возможно.
2. По мере увеличения высоты изложницы возможность образования трещин уменьшается.
3. Уменьшение интенсивности охлаждения слитка также уменьшает возможность образования трещин в слитках.
4. Для каждого диаметра слитка существует определенная скорость литья, соответствующая началу возникновения трещин (табл. 15).
5. По мере повышения температуры литья возможность образования трещин возрастает.
6. Недостаточное центрирование поступления расплавленного металла в лунку вызывает несимметричность строения слитка, что увеличивает возможность образования трещин.
7. Недостаточное центрирование усилия, вытягивающего слиток из изложницы, также приводит к увеличению возможности образования трещин.
8. Неравномерное поступление воды на поверхность слитка, которое может быть вызвано засорением отверстий, подающих волу на слиток, тоже увеличивает возможность образования трещин в слитке.
Усадочные трещины

Утверждение, что в цилиндрических слитках, отлитых непрерывным методом без непосредственного охлаждения водой, трещины образуются только в случае неравномерного охлаждения, не всегда оправдывается. При литье меди и некоторых медных сплавов возможно образование трещин и при достаточно равномерном поступлении воды для охлаждения слитка.
При отливке плоских слитков из сплавов, обладающих склонностью к образованию литейных трещин, полунепрерывным способом подбор условий литья и охлаждения представляет большие трудности, чем при отливке цилиндрических слитков. При введении этого способа литья, когда подбирались оптимальные условия получения доброкачественных слитков, нередко наблюдались случаи, когда слиток, уже закристаллизованный на длине 600—700 мм, с громким звуком давал продольные трещины. При дальнейшем литье эти трещины становились все больше и больше (рис. 226) и приводили слиток в полную негодность. В дальнейшем были подобраны условия литья плоских слитков полунепрерывным способом для большинства ходовых технических сплавов, при которых, хотя напряжения в слитках и оставались достаточно большие, все же они не вызывали разрушения слитков. Нет сомнении, что путем подбора оптимальных условий литья и охлаждения слитков могут быть получены слитки без трещин из большинства технических сплавов непрерывным или полунепрерывным способов.
По вопросу о том, какой из этих двух последних способов представляет преимущества, мнения расходятся. Одни считают неудобства резки слитка в процессе литья настолько значительными, что предпочитают пользоваться полунепрерывным способом, хотя несомненно слитки при непрерывном методе получаются более однородными и более доброкачественными. Представляется, что трудности резки слитка в процессе литья преувеличиваются. Непрерывное литье может быть осуществлено без особых затруднении. С другой стороны, это несомненно поведет к повышению качества слитка.
Интересный вид трещин в плоских слитках полунепрерывного литья обнаруживается при отливке алюминия особо высокой степени чистоты марки ABO (99,99% A1). Этот металл затвердевает в виде чрезвычайно крупных кристаллов, которые по поверхности слитка нередко достигают длины нескольких сот миллиметров. Кристаллы растут в направлении, обратном движению слитка при литье. Особенно легко такие длинные кристаллы растут при малой скорости литья. Трещины образуются между этими длинными кристаллами. По-видимому, причина образования трещин между длинными кристаллами кроется в весьма большой устойчивости пространственной решетки алюминия высокой степени чистоты при отсутствии дислокаций, вызываемых присутствием примесей. Соседние кристаллы растут по направлениям, почти совпадающим друг с другом, но все же несколько отличающимся. В начале роста кристаллов расстояния между атомами соседних кристаллов невелики и эти расстояния не нарушаются возникающими, пока еще небольшими, усадочными напряжениями. По мере кристаллизации и расстояния между соседними атомами могут постепенно увеличиваться ввиду значительно большего взаимодействия между атомами в пространственной решетке одного кристалла по сравнению с взаимодействием между атомами соседних кристаллов. Появлению трещин способствуют усадочные напряжения в слитке, которые в определенный момент охлаждения имеют положительный знак, т. е. являются растягивающими. Эти две причины и вызывают появление трещин по поверхности плоских слитков алюминия высокой степени чистоты.
Для их предотвращения приходится несколько отходить от некоторых преимуществ непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой, например применять большей высоты изложницу, уменьшать подачу воды на слиток и т. д.
Таким образом, пользуясь легко регулируемыми параметрами: температурой металла, скоростью охлаждения, скоростью литья, направлением охлаждения и т. п., удается при любом способе литья получать слитки без трещин. Математические приемы подсчета напряжений и возможности образования трещин еще не достигли того уровня, когда они могли бы заменить собой экспериментальные результаты.