Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Под линейной усадкой понимается уменьшение линейных размеров отливки при охлаждении ее до комнатной температуры. Обычно линейная усадка выражается в процентах от линейных размеров полости формы, залитой металлом.
Работами акад. А.А. Бочвара и его школы установлено, что линейная усадка в отливках начинается с того момента, когда образуется твердый остов. Образование этого остова у металлов, химических соединений и эвтектических сплавов соответствует температуре кристаллизации, а у сплавов, затвердевающих в заметном интервале, некоторой температуре, промежуточной между температурами ликвидуса и солидуса.
Таким образом, линейная усадка представляет сокращение линейных размеров отливки при охлаждении ее от температуры, при которой образуется твердый остов, до комнатной температуры.
Линейная усадка может быть выражена формулой:
где αср — средний коэффициент линейного расширения сплава;
tзатв — температура, при которой образуется твердый остов;
t0 — комнатная температура.
Линейная усадка, которая определяется в практических условиях, соответствует линейной усадке, выраженной формулой (137), только в том случае, если охлаждение отливки происходило достаточно медленно и если коэффициент линейного расширения сплава определен, как средний в указанном интервале температур.
В действительности (при изменении температуры на одно и то же число градусов) уменьшение линейных размеров отливки при высоких температурах может быть не одинаковым с уменьшением линейных размеров при других температурах. Кривые зависимости уменьшения линейных размеров от температуры могут быть и близки к прямой (рис. 207), и могут быть обращены выпуклостью в сторону оси ординат и в сторону оси абсцисс. В случае фазовых превращений в твердом состоянии могут наблюдаться отклонения от приведенных закономерностей.
В зависимости от состава сплава линейная усадка может и увеличиваться и уменьшаться по сравнению с линейной усадкой компонентов. В случае двойных сплавов, образующих эвтектику насыщенных твердых растворов, отчетливое изменение величины линейной усадки наблюдается при изменении состава сплава, соответствующего наибольшему интервалу отвердевания, от температуры ликвидуса до температуры начала линейной усадки (рис. 208). Под температурой отвердевания следует понимать температуру образования твердого остова отливки.
На величину линейной усадки влияют: 1) физические свойства металла или сплава, определяемые дилятометрическим путем, иначе говоря, коэффициент линейного расширения; 2) величина температурного интервала от температуры отвердевания до комнатной температуры; 3) относительное количество твердой фазы в момент отвердевания отливки; 4) упругие и пластические деформации в результате разновременного затвердевания отдельных частей или зон отливки.
Коэффициент линейного расширения зависит от изменения параметров пространственной решетки вещества под влиянием изменения температуры. Зависимость его от первичных физических параметров: строения пространственной решетки, строения молекул и строения атомов, пока недостаточно выяснена, поэтому приходится пользоваться коэффициентом линейного расширения как физической величиной.
Интервал от температуры отвердевания до комнатной температуры оказывает непосредственное влияние на величину линейной усадки. Чем выше температура, при которой происходит отвердевание отливки, тем на большем протяжении падения температуры имеет место сокращение параметров пространственной решетки сплава.
При прочих равных условиях величина линейной усадки связана прямой зависимостью с разностью температур между температурой отвердевания сплава и комнатной температурой.
Относительное количество твердой фазы в момент отвердевания оказывает влияние на величину линейной усадки, прежде всего тем, что при его изменении обычно меняется и температура образования твердого скелета, а, следовательно, меняется и область температур, в которой происходит сокращение параметров пространственной решетки при охлаждении.
В тех случаях, когда относительное количество твердой фазы в момент отвердевания связано с образованием твердых растворов различий концентрации, величина линейной усадки может меняться также и вследствие изменения коэффициента линейного расширения под влиянием изменения состава твердого раствора.
Упругие и пластические деформации в результате разновременного затвердевания и охлаждения отдельных зон отливки оказывают на величину линейной усадки тем большее влияние, чем больший градиент температур имеет место при охлаждении отливки. В особенности большое влияние на величину линейной усадки оказывает деформация под влиянием интенсивного охлаждения при непрерывном литье слитков с непосредственным охлаждением водой.
Линейная усадка по диаметру при непрерывном литье цилиндрических слитков, в случае применения очень малых скоростей литья, приближается к тому ее значению, которое может быть определено по коэффициенту линейного расширения сплава.
При больших скоростях литья линейная усадка выше той, которая рассчитывается на основании одного только коэффициента линейного расширения. По мере увеличения скорости литья линейная усадка приближается к некоторому максимальному значению.
По мере увеличения диаметра слитка линейная усадка возрастает при увеличении скорости литья интенсивнее и предельные величины линейной усадки в этом случае больше, чем обнаруживают слитки малого диаметра.
Математически величина линейной усадки по наружному диаметру цилиндрического слитка, отлитого непрерывным методом, может быть выражена в следующем виде:
где αср — средний коэффициент линейного расширения сплава в интервале температур от температуры отвердевания до комнатной;
tзатв — температура, при которой образуется твердый остов;
t0 — комнатная температура;
k — коэффициент, учитывающий деформацию слитка по наружной поверхности, получающуюся в результате неравномерности охлаждения;
F — коэффициент, учитывающий усадку той части слитка, которая находится в твердом состоянии па уровне, где температура наружной поверхности только достигла комнатной температуры;
r — радиус лунки на том же уровне.
По мере увеличения высоты изложницы при непрерывном литье с непосредственным охлаждением слитка водой линейная усадка становится меньше. Эта закономерность сохраняется при всех практически применяемых скоростях литья. При еще большем увеличении высоты изложницы и применении непосредственного охлаждения слитка водой линейная усадка становится равной линейной усадке, определяемой по коэффициенту линейного расширения. При дальнейшем увеличении высоты изложницы линейная усадка уменьшается, что становится в особенности заметным при непрерывном литье с охлаждением слитка только через стенку изложницы. Уменьшение линейной усадки по сравнению с определяемой коэффициентом линейного расширения объясняется тем, что выше расположенные части, будучи нагретыми до более высокой температуры, препятствуют сокращению находящихся ниже более холодных участков слитка.
При применении полунепрерывного литья нижняя часть слитка кристаллизуется в условиях, отличных от условий затвердевания верхних частей слитка, поэтому линейная усадка по нижнему диаметру цилиндрического слитка меньше, чем линейная усадка выше расположенных частей слитка. Это объясняется влиянием поддона. При непрерывном литье, когда в процессе литья отрезаются мерные части слитка, меньшей линейной усадкой отмечается только начальная часть слитка. Сравнительно быстро усадка приходит к своей нормальной для непрерывного метода величине и при дальнейшем литье заметно не изменяется. В этом состоит одно из преимуществ непрерывного метода перед полунепрерывным.
Таким образом, линейная усадка слитков может быть и больше, и равна, и меньше линейной усадки, подсчитанной по коэффициенту линейного расширения сплава.