Склонность сплавов и отливок к горячим трещинам

Образование горячих трещин происходит в тех случаях, когда возникающие временные усадочные напряжения, главным обра­зом механические, достигают значений временного сопротивле­ния а_в при растяжении в заданных условиях деформирования (по температуре, скорости, величине деформации, схеме напряжен­ного состояния, наличию концентраторов напряжений).

Разрушение при образовании горячих трещин происходит по границам зерен (межкристаллитный излом). Поверхность разру­шения при образовании горячих трещин имеет крупнокристалли­ческое строение, сильно окислена. В трещине можно часто наблю­дать затеки металла, не приварившиеся к поверхности разруше­ния. Характерными признаками горячих трещин являются рваные края и значительная ширина. В большинстве случаев горячие тре­щины образуются в интервале температур кристаллизации, точ­нее, в температурном интервале хрупкости, при этом чем шире интервал кристаллизации, тем вероятнее образование горячих трещин.

Первопричиной образования горячих трещин являются меха­нические напряжения, возникающие в затвердевающей отливке в результате сопротивления формы и стержней усадке отливки. Реже трещины возникают вследствие взаимодействия отдельных эле­ментов отливки.

Выше было отмечено, что величина механических напряже­ний зависит от усадки сплава и модуля упругости, с одной сторо­ны, податливости форм и стержней, с другой. В металлических формах они максимальны, в сырых песчаных минимальны, по­этому при использовании металлических форм (при литье в ко­киль или под давлением) горячие трещины в отливках возникают чаще.

Из изложенного должно быть понятно, почему литейщики с давних пор пытаются в условиях данной технологии подобрать сплав, в отливках из которого исключались бы горячие трещины. Поэтому появился термин «горячеломкость сплава». Однако обо­снованного критерия сравнительной оценки сплавов долгое вре­мя найти не удавалось. Ни временное сопротивление (предел проч­ности) сплава, ни его пластичность (относительное остаточное удлинение при разрыве) не давали однозначной связи с горячи­ми трещинами в отливках.

Экспериментально многими исследователями доказано, что сплавы в интервале температур кристаллизации разрушаются хруп­ко. У хрупких же материалов деформационная способность опре­деляется не остаточной пластической составляющей, а упругой составляющей.

Реологические исследования алюминиево-кремниевых сплавов по специальной методике и расчеты показали, что в качестве характеристики деформационной способности сплавов в интер­вале кристаллизации в первом приближении может быть принята предельная упругая деформация. Установлено также, что общая деформационная способность всегда больше усадки, поэтому при соответствующей отработке технологии трещины в отливках воз­никать не должны, несмотря на низкие механические свойства сплавов в интервале температур кристаллизации. На этом основа­нии предложен критерий горячеломкости сплавов — минималь­ный запас прочности

,

где — напряжение, возникающее при полном торможении усадки образца с однородной по длине температурой при охлаж­дении до данной температуры.

Для всех литейных сплавов справедливо неравенство п_спл > 1. Так, для углеродистой стали п_спл = 6, для сплава А1 — 2,5 % Si п_спл = 20, для магниевого сплава МЛ5 — п_спл = 7. Для чугунов, которые при эвтектической кристаллизации и сразу после нее претерпевают расширение вследствие выделения графита (серого и высокопрочного чугунов), приведенный выше критерий п_спл не имеет смысла, поскольку усадочные напряжения в таких чугунах в интервале кристаллизации являются сжимающими и вместо усад­ки происходит расширение, поэтому чугуны с графитом не будут склонны к горячим трещинам.

Что касается белого и других чугунов с эвтектическим цемен­титом, то они имеют примерно такую же горячеломкость, как и углеродистые стали. Возникает вопрос: что же является причиной образования горячих трещин в отливках? Дело в том, что в отливках особенно при высоких температурах наблюдается неоднородность свойств, возникающая вследствие различия температур в объеме отливки и приводящая к явлению, называемому локализацией деформаций, и именно в горячих, чаще всего массивных элементах отливки, образуются горячие трещины. Это связано с тем, что прочностные свойства сплавов в интервале кристаллизации в сильной степени зависят от температуры и боль­шая часть усадочной деформации происходит в горячих местах.

В этих местах напряжения достига­ют предела прочности, и отливка разрушается. При этом в тонких ме­стах сплав полностью затвердел, а в толстых, как правило, еще име­ется незатвердевшая жидкая фаза.

Представление о локализации напряжений и деформаций в горя­чем толстом месте можно получить при рассмотрении напряжений в ступенчатой отливке, состоящей из толстого элемента малой длины и тонкого элемента большей длины (рис. 1.25). Напряжения в отливке будем рассматривать при полном торможении усадки. Предположим, что толстый элемент длиной l₁ с момента τ₁ появления в системе напряжений до рассматриваемого момента τ₂ охладился на ∆T₁,тог­да как тонкий элемент длиной l₂ за этот же промежуток времени охладился на ∆T₂ (рис. 1.25, б). Необходимо определить напряже­ния и линейные перемещения в толстом и тонком элементах.

Рис. 1.25. Ступенчатая проба (а)и изменение температур при ее охлаждении (б)в толстом (1)и тонком (2) элементах пробы

Для решения задачи заменим мысленно место крепления об­разца силой Р. Определим усадочное линейное перемещение от­ливки по уравнению

.

Очевидно, оно будет равно суммарному линейному перемеще­нию при растяжении элементов отливки силой Р:

Следовательно,

и (18)

Поскольку известно, что в интервале температур кристаллиза­ции сплавы являются хрупкими, а следовательно, и упругими телами, то по закону Гука найдем:

(19)

(20)

Примем, что l₂ = 10 l₁, ∆T₂ = 10∆T₁ а также, что площадь F₁ по­перечного сечения толстого элемента равна двум площадям F₂ тон­кого элемента, т.е.

F₁ = 2F₂ и модуль упругости толстого элемента в 2 раза меньше модуля упругости тонкого элемента, т.е. Е₂ = 2Е₁.

Подставив значения и в уравнение (18) и решив его относительно Р с учетом принятых выше соотношений парамет­ров, получим

(21)

Определим перемещение при растяжении толстого элемента силой Р. Для этого значение силы Р из уравнения (21) подста­вим в уравнение (19) и найдем

(22)

Зная, что ,получаем

и соответственно

Видно, что перемещение в толстом элементе при усадке от­ливки в 9,2 раза больше собственно усадочного перемещения это­го элемента, а напряжение в нем также в 9,2 раза больше по срав­нению с усадочным напряжением при полном тор­можении усадки толстого элемента. Следовательно, налицо лока­лизация перемещений, напряжений и деформаций в толстом эле­менте.

Сочлененный стержень можно уподобить двум последователь­но соединенным пружинам: короткой с малой жесткостью и про­тяженной с жесткостью в несколько раз большей, чем у короткой. При растяжении такой пружины перемещения будут происходить, главным образом, только в слабой пружине.

Степень локализации перемещений ( ) и деформаций (ɛ) мож­но найти из соотношения

(23)

где и ɛ — действительные перемещения и деформации; и — свободные усадочные перемещения и деформации.

Очевидно, что степень локализации определяется конструкци­ей реальной отливки, для которой необходимо сопоставлять пре­дел прочности и действительные напряжения . Следователь­но, коэффициент запаса прочности для отливки

. (24)

Действительные напряжения можно определить с ис­пользованием степени локализации как . Подста­вив это значение в уравнение (24), получим

или

(25)

Горячие трещины в отливках возникать не будут, если п₀ > 1 или если из уравнения (25) п_спл > m и, т.е. если горячеломкость сплава будет больше степени локализации напряжений в отлив­ке, горячие трещины в отливках возникать не будут.

Запас прочности и степень локализации деформации являются физически обоснованными критериями. Однако сведений о пара­метрах, необходимых для их определения, недостаточно, поэто­му сохраняют свое значение технологические пробы как метод сравнительной оценки горячеломкости сплавов.

В пробах, как правило, провоцируется явление локализации деформаций. На степень локализации деформаций влияют много факторов, в том числе податливость форм. Для оценки горячеломкости сплавов в условиях данной технологии предложено исполь­зовать отливки пробы с одноосным растяжением и полным тор­можением усадки.

Примером такой отливки-пробы может служить рассмотрен­ная выше ступенчатая отливка, в которой следует изменять длину l₂ тонкого элемента при l₁ = const. За критерий горячеломкости можно принять минимальную длину l₁+ l₂, при которой в отливке возникает трещина. Этот принцип реализован в пробе, называе­мой «арфой» (рис. 1.26). При этом металлическая разъемная форма состоит из двух половин 5, 6 сцентрирующими штырями и втул­ками 4, 8 и поддона 7. Металл в собранную форму заливают через общую чашу 1, из которой по питателям 2 он попадает сначала в толстые части 3, а затем в тонкие 9 восьми образцов пробы с изменяемой длиной l_2var.

Технологическая проба является простейшей отливкой, одна­ко по результатам испытаний нельзя судить о вероятности обра­зования горячих трещин в более сложных отливках. В каждой от­ливке существует свое температурное поле, поэтому, если даже проба является элементом сложной отливки, тепловые условия в ней будут другими, чем в пробе в результате влияния соседних элементов. Кроме того, напряженное состояние в отливках обыч­но сложнее, только в отдельных случаях условия силового и теп­лового взаимодействия в пробе будут такими же, как в отливке или ее элементе. Таким примером является проба для отработки технологии изготовления панельных отливок.

Рис. 3.26. Проба «арфа»:

1— заливочная чаша; 2 — питатели; 3 — толстая часть образца; 4, 8 — центри­рующие штыри и втулки;

5, 6 — половины металлической формы; 7 — поддон; 9 — тонкая часть образца.

В связи со сложностью явлений, происходящих при образова­нии горячих трещин, следует использовать комплексный подход для борьбы с этим дефектом, включающий: 1) конструирование отливки и выбор сплава; 2) разработку технологии изготовления отливки; 3) выбор допустимых колебаний параметров технологи­ческого процесса.

Правильность конструирования и выбора сплава зависит от сотрудничества конструкторов и литейщиков. При этом должны быть решены вопросы о допустимой разностенности, оформле­нии сопряжений, переходов, необходимых радиусов сопряжений, конструктивном оформлении литейных ребер. Марку сплава не­обходимо подбирать не только с точки зрения прочностных и дру­гих характеристик при рабочих температурах, но и с учетом его горячеломкости.

В связи с тем, что конструирование технологичной отливки не всегда возможно и в отливках возникают большие перепады тем­ператур, приводящие к локализации деформаций, литейщики вынуждены предусматривать технологические решения по пре­дотвращению горячих трещин, например использовать холодиль­ники, усадочные ребра, увеличивать податливость смесей.

Большое, иногда решающее значение имеют правильные под­вод металла и установка прибылей, поскольку даже в технологич­ных отливках они могут быть причиной образования горячих тре­щин. В нетехнологичной отливке подвод металла и установку при­былей можно использовать для предотвращения дефекта. Особен­но эффективна установка прибылей в тех случаях, когда причиной возникновения горячих трещин является образование усадоч­ных раковин или пористости.

Одним из наиболее эффективных средств предотвращения горя­чих трещин является искусственное рассредоточение деформаций. Идеальное рассредоточение деформаций будет в том случае, когда в каждом сечении по длине отливки в любой момент времени п_o = 1, т.е. деформация в каждом сечении равна свободной усадке. Близкое к идеальному рассредоточению обеспечивают силы трения отливки о неподатливую форму до момента их преодоления. Приме­ром действия сил трения для рассредоточения деформаций и борь­бы с горячими трещинами может служить литье чугунных труб в изложницу с шероховатой стенкой. В некоторых случаях эффектив­но рассредоточение с помощью выступов и впадин литейной формы, в некоторых случаях по типу противоужиминной сетки.

До сих пор обсуждали мероприятия, которые можно предус­матривать при проектировании технологического процесса и его отладке. В текущем производстве добиться устранения или некото­рого снижения брака по горячим трещинам можно путем уста­новления допустимых колебаний основных технологических па­раметров (в частности температуры и скорости заливки), хими­ческого состава (в пределах заданной марки сплава) и ковшовой обработки металла, типа и количества модификатора.

По рассмотренным вопросам имеется обширная литература, в которой встречаются противоречивые сведения, особенно отно­сительно температуры заливки и химического состава сплава. Од­ной из причин этих противоречий является различие условий по­лучения данных.

Для конкретной отливки технологические параметры, хими­ческий состав и технологию ковшовой обработки устанавливают путем статистической обработки данных, полученных в условиях производства и с учетом частоты брака. По результатам обработки получают корреляционные зависимости между частотой брака и изучаемыми параметрами. При этом полезна классификация одно­типных отливок, хотя бы на две группы: склонные к трещинам и не склонные к ним. Таким образом, например, подбирали химиче­ский состав и температуру заливки для автомобильных отливок из ковкого чугуна. Повышение температуры заливки приводило к уве­личению частоты появления брака, поэтому заливку рекомендова­но было проводить при минимально допустимой температуре.

Практически одинаково мнение различных исследователей о влиянии примесей серы, фосфора и соотношения марганца и серы на образование горячих трещин в отливках из ковкого и высоко­прочного чугуна, а также сталей. При увеличении содержания серы, как правило, наблюдается резкое увеличение брака. Влияние фос­фора несколько слабее. При увеличении соотношения содержа­ний Mn/S число отливок, пораженных трещинами, уменьшается.