» » Объемная усадка отливок
22.04.2015

Подавляющее большинство металлов и сплавов при кристаллизации уменьшается в объеме на несколько процентов (см. табл. 1). Исключение составляют галлий, висмут, сурьма, германий, кремний и сплавы на их основе. Эти металлы и сплавы при кристаллизации увеличиваются в объеме.
Уменьшение объема при кристаллизации называется объемной усадкой. В ходе затвердевания отливки объемная усадка проявляется в виде крупных пустот (усадочных раковин) и многочисленных мелких пор (усадочной пористости).
Вначале необходимо рассмотреть объемную усадку в отливках из чистых металлов и сплавов без интервала кристаллизации. Расплав залит в форму с некоторым перегревом до уровня 0 (рис. 23). В течение некоторого времени, прежде чем начнется кристаллизация, расплав будет охлаждаться. Происходящее при этом уменьшение объема жидкости выразится в понижении уровня с 0 до 1. Чем вышe начальная температура расплава, тем значительнее это понижение уровня. Если считать, что тепло отводится только стенками формы, то именно около них произойдет возникновение твердой корки, начиная с положения 1. Через небольшой промежуток времени образуется твердая корка толщиной х. Образование кристаллов связано с уменьшением объема. Это вызывает понижение уровня расплава до 2. Затем происходит следующий этап затвердевания, толщина корки становится 2х и уровень расплава станет 3. Таким образом, начинает возникать усадочная раковина. Так как в действительности процесс кристаллизации и понижение уровня расплава в форме идут непрерывно, никаких ступенек на поверхности усадочной раковины не образуется. В затвердевшей отливке усадочная раковина имеет вид конуса с обращенной вниз вершиной и гладкой поверхностью. Вся объемная усадка отливки полностью сосредоточилась в этой одной раковине. Непременным условием ее является послойный характер затвердевания сплава в отливке. Поскольку отливки из чистых металлов и из сплавов без интервала кристаллизации при любых условиях охлаждения затвердевают послойно, путем постепенного нарастания сплошной твердой корки на стенках формы, усадка в них проявляется только в виде сосредоточенных раковин.
Объемная усадка отливок

Появление в отливке усадочной раковины, ее форма и величина зависят от внешних условий: силы тяжести, направления охлаждения, внешнего давления. Сила тяжести определяет направление перемещения остающейся жидкости и тем самым обусловливает место проявления усадочной раковины. Если форму, изображенную на рис. 23, а, после заполнения закрыть малотеплопроводным материалом и затем повернуть на 90° (рис. 23, б), то условия охлаждения сохраняются прежними, а направление силы тяжести изменяется. Пользуясь уже примененным методом, легко найти форму и положение усадочной раковины. Как видно, она существенно отличается от прежней
Если охлаждение той же отливки вести с четырех сторон (рис. 23, е), то вначале на всей поверхности отливки, в том числе и сверху, образуется корка. Затем из-за объемной усадки расплав отходит от корки, возникшей на верхней стороне отливки. Охлаждение расплава с этой стороны резко замедляется. Дальнейший ход образования усадочной раковины не отличается от изображенного на рис. 23, а. В конечном итоге образуется закрытая усадочная раковина. В высоких отливках и особенно слитках нередко обнаруживается несколько усадочных раковин, разделенных перемычками плотного металла, так называемыми мостами.
Если в примере, приведенном на рис. 23, а, сохранить направление действия силы тяжести, не меняя положения отливки изменить направление охлаждения и вести его не с трех сторон, а только снизу, то проявление объемной усадки резко изменится. Теперь усадка в течение всего процесса затвердевания выразится только в понижении уровня расплава в форме. В итоге усадочной раковины в отливке не будет, но размер отливки по высоте уменьшится.
Объемная усадка в отливках из сплавов с интервалом кристаллизации проявляется не только в виде сосредоточенной усадочной раковины, но и в виде усадочной пористости. Как было уже показано, затвердевание отливок из подобных сплавов сопровождается возникновением переходных двухфазных областей, которые расположены между твердой наружной коркой и жидкой сердцевиной. На рис. 24, а эти области находятся между точками 2 и 4.
Объемная усадка отливок

Экспериментальные данные показывают, что, пока в центре существует жидкая область, усадка проявляется только в виде сосредоточенной раковины. Несмотря на то что в двухфазной области образовались переплетения дендритов, жидкость достаточно свободно может просачиваться между осями и ветвями дендритов и тем самым пополнять убыль объема, возникающую в каждом отдельном микроучастке. Даже при очень протяженной двухфазной области толщиной несколько десятков миллиметров жидкость успевает пропитывать пространства между ветвями дендритов, и за двухфазной областью металл оказывается плотным. Здесь чрезвычайно велика роль атмосферного давления над отливкой, а также давления, создаваемого столбом жидкого металла и капиллярными силами.
Необходимо отметить одну особенность возникновения усадочной раковины в этих случаях. В двухфазной области количество твердой фазы неодинаково. На передней границе, на изотерме ликвидуса, она только начинает появляться, затем нарастает и на задней границе составляет 100 %. В передних слоях двухфазной области твердой фазы настолько мало, что она не может образовать сплошного каркаса. Поэтому сплав ведет себя как жидкость. В тех слоях, где твердой фазы больше, образуется непрерывный каркас из дендритов, и сплав можно рассматривать как твердый. Таким образом, существует температура, при которой происходит срастание твердой фазы в сплошной каркас. Эту температуру можно установить по диаграмме состояния, однако она не может быть определена достаточно точно, так как зависит от вида и характера развивающихся кристаллов и потому изменяется при разных скоростях охлаждения. На рис. 24 эта изотерма показана точками 3. Следовательно, опускание расплава при возникновении усадочной раковины будет происходить и на участках 3—4, где сплав ведет себя еще как жидкость.
Описанное положение сохраняется неизменным до момента исчезновения жидкой центральной области (рис. 24, б). Начиная с этого момента механизм образования усадочной раковины меняется. Продолжающееся охлаждение вызывает кристаллизацию остаточной жидкости между осями дендритов. Двухфазная масса, занимающая теперь центральную часть отливки, оседает из-за ухода жидкости на восполнение усадки в периферийных слоях 2—3 и затем затвердевает. Поэтому усадочная раковина приобретает вид усеченного конуса с обращенным вниз меньшим основанием.
По окончании затвердевания почти вся центральная часть отливки, определяемая расстоянием между точками 3—3, оказывается пористой вследствие усадки жидкости, имевшейся между ветвями дендритов. Каждая пора представляет собой маленькую усадочную раковину, возникшую при кристаллизации небольшого объема жидкости между осями и ветвями дендритов. Поэтому усадочные поры обладают неправильной формой (рис. 25) и существенно отличаются от округлых газовых пор, образованных пузырьками газов, выделяющихся при кристаллизации из газонасыщенных расплавов (рис 26).
Объемная усадка отливок
Объемная усадка отливок

Таким образом, оказывается, что в условиях повышенной скорости охлаждения (литье в металлическую или водоохлаждаемую форму) в отливках из сплавов с интервалом кристаллизации усадка проявляется как в виде раковины, так и в виде пористости, расположенной в центральной зоне. Чем шире двухфазная область в отливке к концу затвердевания, тем больший объем занимает пораженная пористостью зона. В отливках из сплавов с эвтектикой на последних этапах затвердевания возможен процесс питания в пределах частично затвердевшей области. Это приводит к тому, что пористость начинает концентрироваться в центре отливки, а сами поры заметно укрупняются.
По-иному проявляется усадка в отливках из сплавов с интервалом кристаллизации в условиях медленного охлаждения (в песчаной форме). Как было показано ранее, в этих условиях наружные и внутренние слои охлаждаются почти одновременно. Поэтому усадочная раковина не может достичь заметных размеров и обычно имеет вид небольшого углубления на поверхности. Так как двухфазная область в данном случае распространяется по всему объему отливки и при этом перепад температуры невелик, пористость проявляется почти во всем объеме отливки. Таким образом, при замедленном охлаждении отливок из сплавов с интервалом кристаллизации в них образуются небольшие усадочные раковины, и почти вся усадка проявляется в виде пористости.
Усадочные пустоты нельзя оставлять в теле отливки. Чтобы их вывести, на отливке устраивают специальные технологические приливы, называемые прибылями. После изготовления отливки прибыли отрезают. Это вызывает непроизводительный расход металла, энергии, труда, поэтому прибыли стремятся делать возможно меньших размеров. При определении места размещения прибыли необходимо мысленно представить себе последовательность затвердевания отливки и направление перемещения жидкости под действием силы тяжести, внешнего давления и капиллярных сил смачивания.
Для определения последовательности затвердевания отливки можно пользоваться методами изотерм кристаллизации и вписанных окружностей. Метод изотерм был уже применен (см. рис. 23). Он заключается в откладывании слоев небольшой толщины с поверхности в глубь отливки до тех пор, пока они с противоположных сторон не сойдутся на некоторых участках. На участках, где слои не сошлись, затвердевание должно запаздывать, и там можно ожидать появления усадочных пустот. При использовании другого метода вписывают окружности в сечение отливки в разных точках. Там, где может вписаться окружность наибольшего диаметра, затвердевание будет оканчиваться в последнюю очередь, и там возможно появление усадочных раковин и пористости. Участки, где завершается затвердевание, называют тепловыми центрами. Формальное отыскание тепловых центров отливки дает лишь приблизительный результат, так как при этом не учитывается неравномерность охлаждения, вызванная протеканием жидкого металла в форме при заполнении, тепловым влиянием соседних частей отливки, действием конвекционных потоков, местным разогревом около входа литников в отливку. Все эти условия приходится учитывать лишь очень приближенно
После отыскания тепловых центров определяют возможные направления перемещения жидкости внутри затвердевающей отливки. Место расположения прибыли выбирают таким образом, чтобы жидкость из нее могла перетекать в отливку на пополнение усадки под действием силы тяжести, внешнего давления и смачивания. Размеры и форма прибыли должны быть такими, чтобы расплав в ней кристаллизовался позднее, чем в питаемом участке, и его было достаточно для восполнения усадки этого участка.
С помощью прибылей довольно легко удается устранить усадочные раковины. Для выведения из тела отливки усадочной пористости необходимы не только прибыли, но и увеличение интенсивности охлаждения питаемого узла, чтобы сузить двухфазные переходные области и тем самым обеспечить свободное поступление расплава из прибыли в питаемый узел. Это достигается намеренным усилением охлаждения питаемого узла и специальным обогревом прибыли.