Усадочные явления при формировании отливок

При формировании отливок происходят фазовые превращения, сопровождающиеся объемными изменениями. Большинство металлов и сплавов затвердевают с уменьшением объема. При охлаждении затвердевших отливок в некоторых сплавах, например железоуглеродистых, происходят полиморфные превращения с изменением удельного объема фаз.

Как известно, при охлаждении все тела уменьшают свой объем и линейные размеры. Так как температурное поле формирующейся отливки неоднородно, указанные объемные и линейные изменения в различных участках отливки развиваются в разной степени, что вызывает напряженное состояние отливки и появление в ней дефектов в виде пор и усадочных раковин.

Совокупность всех объемных и размерных изменений при формировании отливок и сопутствующие им физические процессы называют усадочными явлениями.

Объемная и линейная усадка

Уменьшение объема при охлаждении сплава называют объемной усадкой, а уменьшение линейных размеров – линейной усадкой. Различают объемную усадку в жидком и твердом состояниях, а также при затвердевании.

Зависимость объема залитого в форму сплава от температуры выражается формулой

,

где V₀ – объем полости формы, см³;

α_Vж – коэффициент температурного расширения жидкого сплава, К^–1.

Коэффициент α_Vж зависит от природы и состава сплава. Пределы его изменения – от 0,2·10^–4 до 2 10^–4 К^–1.

Объемную усадку в жидком состоянии можно вычислить по формуле

.

Коэффициент объемной усадки в жидком состоянии равен

(2.1)

Относительная объемная усадка при затвердевании имеет порядок 2÷5 %, она вычисляется по формуле

.

При затвердевании сплавов происходит предусадочное расширение ε_Vp, которое в ряде случаев может частично или полностью скомпенсировать усадку при затвердевании. Например, при затвердевании серого чугуна выделяется графит, имеющий значительно меньшую плотность, чем жидкий сплав. Это приводит к расширению объема, компенсирующему объемную усадку.

Объемная усадка в твердом состоянии характеризуется коэффициентом ;

, (2.2),

где Т_к – температура в конце охлаждения отливки.

В железоуглеродистых сплавах относительная усадка в твердом состоянии равна

,

где ε_Vт.д.п – доперлитная усадка;

ε_Vт.п.п – послеперлитная усадка;

ε_Vγ→α – расширение при эвтектическом превращении.

Линейная усадка, характеризующая уменьшение размеров отливки, начинается при температуре Т_y внутри интервала ликвидус–солидус, при которой сплав теряет свою подвижность как единое целое. Линейная относительная усадка вычисляется по формуле

.

Коэффициент линейной усадки α_л зависит от температуры, однако в расчетах применяют некоторое усредненное значение, имеющее порядок 10^-6. Для усадки в твердом состоянии справедлива зависимость α_Vт=3α_л.

Относительная линейная усадка стержней составляет от 2 до 3%, для серого чугуна ε_л=0,6–0,9%, для белого чугуна ε_л=1,5–1,7%. У алюминиевых сплавов ε_л находится в пределах от 0,8 до 1,5%.

Суммарная относительная объемная усадка равна

, (2.3)

где V_к – объем сплава при конечной температуре.

Суммарная относительная объемная усадка представляет собой алгебраическую сумму усадки в жидком состоянии, при затвердевании, пред-усадочного расширения и усадки в твердом состоянии

. (2.4)

Эту величину можно выразить формулой

,

где ρ_ж и ρ_т – плотность сплава в жидком и твердом состояниях.

Величина называется относительной линейной усадкой. , где ε_тех – относительная усадка, вызванная изменениями размеров полости формы вследствие расталкивания модели перед извлечением ее из формы, а также в процессе сушки и отделки формы.

Рассмотренная выше величина ε_л характеризует свободную, незатрудненную усадку и является физической характеристикой сплава. Однако в реальных условиях чаще всего мы имеем дело с затрудненной усадкой. Вследствие препятствий со стороны стержней и выступающих частей формы усадка реализуется не в полной мере. Кроме указанного механического торможения усадки имеет место термическое торможение усадки, вызванное неравномерным охлаждением отдельных частей отливки. Торможение усадки приводит к возникновению в отливке литейных напряжений. Отношение называется степенью торможения усадки.