Склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости

Усадка — одно из основных литейных свойств сплавов. Про­цесс усадки сопровождается рядом явлений, определяющих каче­ство отливки. В первую очередь, к ним следует отнести образова­ние усадочной раковины и усадочной пористости, усадочных напряжений, горячих и холодных трещин, остаточных напряжений, формирование размеров и коробления отливок.

Различают усадку металлов и сплавов и усадку отливок. Под усадкой металлов и сплавов понимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и размеров некоторого объе­ма металла или сплава при охлаждении в изотермических (равно­весных) условиях, когда температура одинакова в любой точке в каждый данный момент времени. Усадка сплава определяется толь­ко его физическими свойствами. Под усадкой отливок по­нимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и раз­меров отливки из сплава, залитого в реальную литейную форму, охлаждающегося в неизотермических (неравновесных) условиях с неоднородным распределением температуры и находящегося в силовом взаимодействии с нагреваемой формой. Усадка отливки определяется не только свойствами сплава, но и неоднороднос­тью температуры и его взаимодействием с формой. Принято под­разделять усадку и сплава, и отливок на объемную и линейную.

Объемная усадка металлов и сплавов.Объемная усадка метал­лов и сплавов является не литейным, а физическим свойством. Для литейщиков представляет практический интерес не только суммарное изменение объема металла или сплава при их охлажде­нии, которое собственно и характеризует объемную усадку ме­таллов и сплавов, а его изменение в зависимости от температуры. Поэтому различают: усадку в жидком состоянии, когда температура изменяется от Т_зал до Т_л (Т_кр) (рис. 1.9); усадку затвердева­ния, когда температура изменяется от Т_л до Т_с (или Т_кр = const, рис. 1.9, а, б), и усадку в твердом состоянии, когда температура изменяется от Т_с до Т_н (где Т_н — температура окружающей среды, цеха). Следует отметить, что коэффициент объемного сжатия металла в жидком состоянии больше, чем для металла в твердом состоянии.

Рис. 1.9. Схема изменения объема при охлаждении для сплавов с Т_кр = const (а), Т_л - Т_с>0 (б) и расширяющихся при затвердевании сплавов (в):

V₁, V₂, V₃ и V₀ - объемы сплава при соответствующих температурных условиях

Описанное деление связано с практической необходимостью использовать при расчете прибылей объемную усадку затвердева­ния, реже суммарную объемную усадку в жидком состоянии и усадку затвердевания.

Прибылью называется дополнительный объем металла, зали­ваемого в форму и служащего для компенсации уменьшения объема сплава при его охлаждении (в основном при затвердевании) и вывода образующейся раковины из отливки в этот объем.

В определении усадки кроме основного термина «уменьшение» в скобках используется более общий термин «изменение», что связано с возможным увеличением объема при затвердевании (рис. 1.9, в) таких распространенных сплавов, как серые и высо­копрочные чугуны, а также таких металлов, как висмут, галлий, сурьма и литий (можно также вспомнить о расширении воды, происходящем при ее замерзании).

Чаще всего объемную усадку выражают в процентах или в до­лях единицы (в этом случае процентную величину необходимо разделить на 100).

Для схем, приведенных на рис. 1.9, объемная усадка ε_v сплавов определяется следующими выражениями:V

— в жидком состоянии (индекс «ж»);

— затвердевания (индекс «з»);

— в твердом состоянии (индекс «тв»),

где — объем сплава при Т_зал , — объем сплава при Т_л (Т_кр); — объем сплава при Т_с (Т_кр); — объем сплава после полного, охлаждения.

Общая (суммарная) усадка при охлаждении сплава от Т_зал до Т_н соответственно будет равна

, или .

Определение объемной усадки сплавов можно осуществить с помощью пикнометра, гидростатическим, дилатометрическим и другими методами, включая метод гамма-излучения. При этом чаще всего измеряют изменение удельного объема или плотности спла­ва. Графики изменения плотности в зависимости от температуры представляют зеркальное отображение приведенных на рис. 1.9 графиков изменения объема.

Рис. 1.10. Изменение плотности чугунов:

а — доэвтектического состава; б — эвтектического (околоэвтектического) серого (точки L, S, S’, Е соответствуют фазовому переходу, точка М — см. в тексте)

Зависимости плотности чугунов от температуры приведены на рис. 1.10, которые получены профессором А. С. Басиным методом просвечивания узким пучком гамма-излучения на высокотемпе­ратурном гамма-плотномере при медленном охлаждении чугунов с постоянными скоростями (3...5°С/мин).

При охлаждении доэвтектических чугунов от температуры Т_зал заливки до температуры Т_л ликвидуса (точка L на рис. 1.10, а) их плотность ρ в жидком состоянии изменяется линейно. При этом термический коэффициент объемного сжатия чугунов в жидком состоянии практически не зависит ни от температуры в ин­тервале Т_зал... Т_л, ни от химического состава и равен (8,5... 11)х х10^-5 К^-1. Следовательно, объемная усадка доэвтектических чугу­нов и других сплавов в жидком состоянии может быть определена по уравнению

(5)

При Т_л начинается кристаллизация первичного аустенита, ко­торая заканчивается при эвтектической температуре Т_Е. Измене­ние агрегатного состояния сопровождается увеличением плотнос­ти и уменьшением объема. При Т_Е= const кристаллизуется эвтек­тика.

Белые чугуны подчиняются общей закономерности: кристал­лизуется аустенито-цементитная эвтектика, плотность возрастает до значения, соответствующего точке S. При дальнейшем охлаж­дении плотность белого чугуна увеличивается монотонно.

В серых чугунах кристаллизуется аустенито-графитная эвтекти­ка, что сопровождается не уменьшением, а увеличением объема и уменьшением плотности до значения, соответствующего точке S' (рис. 1.10, а). Кроме того, у серых чугунов и после точки S' плотность уменьшается, и происходит расширение, которое за­канчивается в точке М. Плотность серого чугуна в точке М мини­мальна. Интервал температуры T_s... T_M составляет 60 К. Это расширение профессор А. С. Басин и другие назвали «постэвтекти­ческим». Из возможных причин постэвтектического расширения были отмечены следующие:

• продолжение кристаллизации эвтектической жидкости с вы­делением графита и вытеснением остатка расплава. Это следует из рассмотрения квазибинарных разрезов диаграмм состояния мно­гокомпонентных чугунов: под влиянием Si, Mn, S, Р и других элементов процесс эвтектической кристаллизации многокомпо­нентного чугуна происходит в некотором интервале температур;

• выделение графита из первичного и эвтектического аустенита в твердом состоянии в результате резкого снижения раствори­мости углерода в аустените сопровождается увеличением объема (уменьшением плотности) чугуна.

При этом авторы считают, что фактор увеличения объема твер­дого чугуна вследствие выделения графита из аустенита имеет большее значение. Возможно также, что при эвтектической крис­таллизации наряду с аустенито-графитной эвтектикой выделяет­ся некоторое количество аустенито-цементитной эвтектики, це­ментит которой неустойчив и распадается с увеличением объема и уменьшением плотности.

Объемное изменение серого чугуна в процессах LE, ЕМ и LM можно определить (см. рис. 1.10) по уравнениям, аналогичным приведенным ранее:

; ;

Регрессионным анализом были получены приближенные урав­нения для определения объемных изменений серого чугуна:

; (6)

; (7)

. (8)

Особенность кристаллизации эвтектических двойных сплавов Fe—С и многокомпонентных чугунов заключается в отсутствии скачка плотности (объема) в процессе эвтектического превраще­ния L, S, Е (рис. 1.10, б). При этом усадка не наблюдается, а расширение происходит в некотором интервале температур ниже температуры эвтектического превращения, т.е. расширение явля­ется постэвтектическим. Расширение чугунов околоэвтектическо­го состава может достигать 1,7%.

Температуру Т_л для доэвтектических чугунов можно опреде­лить по уравнению

Т_л= 1670- 124С, (9)

где С — содержание углерода (или углеродный эквивалент). Подставив значение Т_л в уравнение (8), найдем объемную усадку затвердевания серых доэвтектических чугунов

. (10)

Используя уравнения (8) и (10), можно найти, что при Т_л = 1480 К и содержании 3,73% углерода объемная усадка зат­вердевания серого чугуна будет равна нулю, если постэвтектичес­кое расширение не реализуется в изменении наружных размеров. При высоком содержании углерода объем­ная усадка будет отрицательна.

Сведения об объемных изменениях в жидком состоянии и при затвердевании важнейших металлов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Температурные коэффициенты объемного сжатия (ТКОС) в жидком состоянии (индекс «ж») и объемная усадка затвердевания (индекс «з»)

Основа сплава	ТКОαv(ж)•105, К-1	Объемная усадка затвердивания ɛv(з),%
Железо		3,0
Алюминий		6,5
Магний		5,1
Медь		4,4
Титан	-	3,0
Цинк	-	4,9
Свинец	-	3,7
Олово	-	3,0

Образование усадочных раковин.При охлаждении расплава, залитого в реальную форму, температура в различных точках от­ливки будет неодинакова, поэтому описанные выше процессы объемных изменений происходят неодновременно (например, в тонких и толстых сечениях), что приводит к взаимодействию от­дельных объемов и слоев отливки между собой и отливки с ли­тейной формой. Кроме того, часть металла может затвердевать при заливке, а уменьшение объема жидкого металла в форме некото­рое время компенсируется литниковой системой. Неодновремен­ность затвердевания сплава в объеме отливки приводит к образо­ванию усадочных дефектов (усадочных раковин и усадочной по­ристости), объем которых определяется, с одной стороны, частично объемной усадкой в жидком состоянии и объемной усад­кой затвердевания сплава, а с другой — перечисленными выше процессами.

Процесс описания образования усадочных раковин начнем спростейшего примера. Представим два металлических тела, одно из которых вписано без зазора в другое, и температура Т₁ наруж­ного тела меньше температуры Т₂ внутреннего (рис. 1.11, а). При охлаждении до нормальной температуры уменьшение объема внут­реннего тела окажется больше, чем наружного, и между ними возникнет зазор (рис. 1.11,б).

Аналогично затвердевающую в форме отливку из сплава с Т_кр=const, затвердевающую последовательно, можно рассматривать как систему двух тел (рис. 1.12, а). Жидкое ядро 2, охлаждаясь и затвердевая, уменьшается в объеме больше по сравнению с со­кращением объема затвердевшей корки 1, что связано с более значительной усадкой при затвердевании и, как правило, боль­шим коэффициентом температурного сжатия жидкого металла по сравнению с твердым. К концу затвердевания внутри отливки об­разуется воздушная пустота 3, называемая внутренней усадоч­ной раковиной (рис. 1.12, 6).

Рис. 1.11. Образование зазора между двумя телами, имеющими разную температуру

(Т₁ и Т₂)

Рис. 3.12. Образование скрытой усадочной раковины в отливке

Рис. 3.13. Образование откры­той усадочной раковины:

1, 2— твердые корки; 1', 2', 3' — уровни расплава в форме

Усадочная раковина может быть и открытой, например при литье слитков. В изложницу залит сплав с Т_кр = const. Принимаем, что при за­твердевании расплава происходит усадка, при этом движение стенок формы, линейная усадка затвердев­шего металла и отвод тепла в атмос­феру отсутствуют. В какой-то момент времени на стенках формы образу­ется твердая корка 1 (рис. 1.13). Как следствие, начальный уровень 1' расплава в изложнице понизится до уровня 2', так как корка занимает меньший объем, чем объем распла­ва, «израсходованный» на образова­ние этой корки. В следующий момент образуется новая порция корки 2, и уровень 2' расплава при этом пони­зится до уровня 3' и т.д. Данный процесс развивается во времени, приводя к образованию открытой раковины, но так как процесс остывания и затвердевания расплава во времени протекает моно­тонно, то в реальном слитке ступенек не образуется, поэтому на схеме они заменены прямой линией.

Проанализируем допущения. Вследствие расширения расплава при затвердевании (например, как у чугунов с графитом) уро­вень расплава в изложнице будет опускаться меньше, а в жестких формах может наблюдаться подъем уровня вплоть до выпирания расплава через стояк литниковой системы. При движении стенок формы (из-за подутия или расширения) уровень расплава будет дополнительно опускаться, и объем усадочной раковины увели­чится.

Из-за охлаждения твердая корка «усаживается» и отходит от стенок формы, но, как показывают прикидочные расчеты, объем­ная усадка в твердом состоянии до окончания затвердевания прак­тически на порядок меньше, чем объемная усадка затвердевания: при литье углеродистой стали в песчано-глинистые формы ука­занные значения составляют соответственно 0,00045 и 0,03 (или 0,045 и 3 %).

При отводе тепла от открытой поверхности прибыли на этой поверхности образуются мосты — затвердевшие слои металла, за­крывающие усадочную раковину.

На практике усадочную раковину выводят из отливки в при­были или применяют специальные технологии: непрерывное и электрошлаковое литье, когда затвердевающая часть отливки не­прерывно питается из верхней жидкой ванны.

Образование усадочной пористости.Усадочная пористость воз­никает в отливках, если она изготовляется из сплава, затвердева­ющего в интервале температур Т_л...Т_с, когда в отливке можно выделить двухфазную зону и ξ_л-с > 0.

В начальный момент времени до смыкания дендритов в середи­не толщины отливки процесс усадки происходит аналогично вы­шеописанному, и в результате образуется сосредоточенная усадоч­ная раковина. После смыкания дендритов между ними возникают замкнутые изолированные (не соединенные с основной массой рас­плава) пространства, заполненные жидким металлом. По мере охлаждения и затвердевания жидкой фазы в замкнутых простран­ствах происходит разрыв жидкости, образование пустоты (давление в ней равно нулю, т. е. создается вакуум) и последовательное ее уве­личение за счет усадки затвердевания при переходе жидкого состо­яния в твердое. Питание отливки из стояка и прибыли при этом про­исходит за счет фильтрации жидкой фазы по междендритным ка­налам. С течением времени каналы зарастают, и фильтрация прекращается. При этом время фильтрации зависит от сил, действую­щих на жидкий металл в прибыли: сила тяжести, обычное (нормаль­ное атмосферное) и повышенное (автоклав) давление (в порах дав­ление равно 0), центробежные силы (при центробежном литье).

Выше описана осевая усадочная пористость, которая снижает механические свойства литых деталей и уменьшает их герметичность, особенно после обработки резанием. Однако в кажущемся плотном металле также наблюдается усадочная пористость. Ее принято на­зывать рассеянной усадочной пористостью. Она также существенно влияет на механические свойства и герметичность отливок.

Объемы усадочных раковин и усадочной пористости в зависимо­сти от состава сплава на диаграмме состояния.Формирование уса­дочных раковин выше было рассмотрено только для сплавов с Т_кр = const, т.е. по существу для чистых металлов и эвтектик. При рассмотрении же формирования усадочной пористости было ого­ворено, что сплав затвердевает в интервале температур Т_л... Т_с.

На рис. 1.14, а представлена диаграмма состояния двойной си­стемы А —В, а под ней (рис. 1.14, б)приведена упрощенная зави­симость объемов усадочных раковин V_у.р и пористости V_y.n от ин­тервала кристаллизации (т.е. от положения сплава на диаграмме состояния), впервые построенная А. А. Бочваром. В чистых метал­лах (составы 1, 3) и эвтектиках (состав 2), когда Т_кр = const, вся объемная усадка затвердевания реализуется в усадочные ракови­ны, а пористость не имеет развития, т.е. V_y.n = 0. По мере увеличе­ния интервала кристаллизации Т_л... Т_с объем V_yp уменьшается, а V_y.n увеличивается и достигает максимума вблизи концентрации предельной растворимости, т.е. при максимальном интервале кри­сталлизации. На рис. 1.14 видно, что чем больше интервал, тем больше отливка поражена усадочной пористостью и меньше сосредоточенная усадочная раковина. Отсюда следует, что отливки из спла­вов с Т_кр = const изготовлять легче, чем отливки с интервалом Т_Л...Т_С, осо­бенно широким. В первом случае пи­тание отливок организуется очень про­сто, и раковина выводится в прибыль. Во втором случае для увеличения плот­ности отливки необходимы дополни­тельные меры. В частности, необходи­мо организовать направленное затвер­девание и в дополнение к этому при­ложить давление к жидкому металлу в прибыли.

Определение объема усадочных ра­ковин и пористости отливок.Теоретически рассчитать объем усадочных де­фектов (усадочных раковин и порис­тости) в настоящее время не представ­ляется возможным. Поэтому для определения склонности к образованию усадочных дефектов исполь­зуют технологические пробы, как правило, простейшей формы (цилиндр, конус, шар). Объем раковины определяют засыпкой раковины песком или заливкой керосина через мерную пипетку.

Рис. 1.14. Зависимость объ­емов усадочных раковин V_y.p и пористости V_y.n от положе­ния сплава на диаграмме со­стояния А—В

Склонность отливок-проб к образованию усадочных раковин оценивают по уравнению

.

Для более точного определения величины используют метод гидростатического взвешивания в воде. При этом определяют массу пробы т₁ с открытой усадочной раковиной и массу пробы т₂ с заклеенной водонепроницаемой бумагой усадочной раковиной. От­носительный объем усадочной раковины находится из выражения

где р_в — плотность воды; — объем пробы.

Примером технологической пробы может служить отливка, приведенная на рис. 1.15, объемом 465 см³.

Количественной характеристикой пораженности отливок уса­дочной пористостью является отношение общего объема V_{у п} уса­дочных пор к объему отливки:

Величину определяют также гидровзвешиванием. Сна­чала взвешивают массу т₃ про­бы на воздухе и массу т₁ с от­крытой усадочной раковиной в воде. Определяют объем V₀₁ отливки без ракови­ны, но с пористостью:

Затем вырезают из данной части пробы образец, взвеши­вают, определяют его массу на воздухе т₄ и в воде т₅ и вычисляют максимально возможную (без пор) плотность сплава

.

Искомую величину V_у.п находят по уравнению

и далее вычисляют величину :

,

Где / - величина, равная средней плотности пробы (вместе с порами).

Рис. 1.15. Технологическая проба для определения усадочных дефектов

(МФ — разъем модели и формы)