уменьшением пор в формовочной и стержневой смеси введем нием маршалита (30—40%), мелкозернистого кварцевого песка, мо­лотого кварца. j

Для предупреждения образования механического пригара на; крупных стальных отливках применяют специальные облицовочные смеси, которые приготовляют с добавкой хромистого железняка, просеянного через сито с ячейкой 3x3 мм.

Иногда при использовании некачественных формовочных ма* териалов с недостаточной огнеупорностью на поверхности отливки вследствие расплавления или шлакования формовочной смеси обра­зуется термический пригар. Этот пригар устраняется заменой фор­мовочных материалов более огнеупорными.

§ 3. Кристаллизация сплавов в форме

Залитый в форму металл при охлаждении начинает кристаллизо­ваться. Кристаллизация — это процесс образования кристаллов при переходе из жидкого или газообразного состояния в твердое, а также при превращении одной фазы в другую в процессе остыва­ния затвердевающего сплава. Образование кристаллов при переходе из жидкого или газообразного состояния в твердое называют пер­вичной кристаллизацией, а изменение формы кри­сталлов в твердом состоянии называют вторичной кри­сталлизацией. От первичной кристаллизации зависит и вто­ричная кристаллизация. Поэтому первичная кристаллизация яв­ляется важнейшим фактором, определяющим механические и другие свойства отливки.

Для образования кристалла из расплава необходим зародыш или центр кристаллизации. При определенных условиях из заро­дыша вырастает кристалл. Зародыши кристаллизации могут иметь' различное происхождение. Некоторые зародыши образуются само­произвольно в переохлажденном расплаве при быстром охлаждении.

В жидком состоянии атомы движутся беспорядочно и при умень­шении свободной энергии (охлаждении сплава) они способны обра­зовать группы в виде зародышей кристаллизации. Однако центрами кристаллизации могут стать только зародыши некоторой критиче­ской величины. Кроме самопроизвольно образующихся зародышей в сплаве всегда присутствуют зародыши в виде примесей — про­дуктов реакций металлургических процессов в ванне печи и на поверхности футеровки. Эти зародыши также являются центрами кристаллизации.

Для начала кристаллизации необходимо уменьшить свободную энергию, т. е. переохладить сплав, отвести некоторое количество теплоты, чтобы на имеющихся в сплаве зародышах начался рост кристаллов. Такое переохлаждение сплава и максимальное число центров кристаллизации наблюдается вблизи стенок формы. По­этому затвердевание отливки всегда начинается у стенок формы.

Рост первичного кристалла. Из зародыша кристаллизации мо­жет вырасти кристалл, если сплав продолжает охлаждаться. Форма, и внутреннее строение первичного кристалла зависят от скорости . охлаждения, поверхностного натяжения на границе между твердой и жидкой фазами и от числа активных зародышей в единице объема расплава.

Чем больше центров кристаллизации, тем мельче будут кри­сталлы, и наоборот. Вследствие быстрого охлаждения сплава на по­верхности отливки образуются мелкие кристаллы; в средней части отливки, где охлаждение медленное, происходит более свободный рост столбчатых кристаллов по направлению к центру отливки. В центральной части отливки образуются более крупные равноос­ные кристаллы, ориентированные беспорядочно.

В зависимости от различных факторов, влияющих на первичную кристаллизацию, строение отливки определяется видом и взаимным расположением кристаллов затвердевающего сплава. Структура от­ливки, затвердевшей в песчаной или металлической форме, может иметь кристаллы трех видов: столбчатые или дендритные, с парал­лельным расположением больших осей, глобулярные (шаровые) — округлой или шестигранной формы и смешанные с беспорядочной ориентацией бсей.

Если столбчатые кристаллы простираются до оси симметрии се­чения отливки, то такую структуру называют транскристаллической (рис. 151, б), а процесс образования такого строения — транс­кристаллизацией.

Кроме того, по величине кристаллов различают мелкозернистое и крупнозернистое строение.

Наибольшей прочностью и пластичностью обладают отливки с мелкими, шаровидными кристаллами. Худшими свойствами об­ладают отливки, имеющие столбчатую кристаллическую или транс­кристаллическую структуру.

В фасонных отливках обычно присутствуют кристаллы трех ви­дов. Наружная зона / около стенок формы состоит из шаровидных

зерен, а иногда даже из тонких игл; средняя зона // — из дендри- тов, а центральная зона III — из равноосных беспорядочно ориенг тированных кристаллов. Стальные и чугунные отливки имеют боле' развитую зону смешанных кристаллов, а отливки из цветных спла вов — все перечисленные зоны. Это объясняется составом сплаво и их свойствами.

На структуру отливок влияет большое число факторов, главным из которых являются следующие: свойства шихтовых материалов условия плавки, температурный интервал кристаллизации, примеси содержащиеся в сплаве, условия подвода сплава в форму и охлажде ния отливки в форме, механическое воздействие на процесс кристал лизации.

его улучшаются. Однако при перегреве сплава выше определенной температуры происходит разрушение активною слоя на границе примеси и сплава и ее дезактивация.

Выяснение роли примесей в кристаллизации сплавов позволило направленно изменять кристаллическое строение отливок, т. е. модифицировать сплав, улучшая его свойства.

Влияние модифицирования. Модифицирование — это обработка жидких сплавов малыми специальными добавками (мо­дификаторами) перед заливкой их в формы с целью измельчения кристаллов в процессе первичной кристаллизации. В результате модифицирования сплав становится однородным, отливки — плот­ными .

Различают модифицирование I и II рода. При модифицировании I рода модификатор, являясь поверхностно-активным веществом, препятствует росту кристаллов и способствует получению мелко­зернистой структуры. При модифицировании II рода модификатор искусственно увеличивает число зародышей кристаллов. Например, этот эффект модифицирования достигается при введении бора, алю­миния и других элементов в сталь.

Влияние условий заполнения формы и охлаждения отливки. Ме­талл, заливаемый в форму, отдает теплоту стенкам формы. Однако вблизи питателя жидкий металл прогреет стенки формы больше, в результате чего к моменту окончания заполнения температура металла в форме и температура в разных местах формы будут, различные. Поэтому в фасонных отливках тепловые условия кристаллизации металла и кристаллическое строение его будут различные.

Скорость кристаллизации тонких и массивных частей отливок различна, поэтому они имеют различное кристаллическое строение. В тонких местах отливки строение кристаллов глобулярное, а в толстых — дендритное. С увеличением скорости кристаллизации величина первичных кристаллов уменьшается. Поэтому отливки, полученные в металлических формах, имеют мелкозернистое строе­ние. Большое влияние на величину зерна оказывает температура, заливки. С уменьшением температуры заливки величина зерна уменьшается.

Влияние механического воздействия. Впервые Д. К. Чернов указал на возможность управления кристаллическим строением слитка с помощью его кантования при затвердевании, а также пере­мешивания жидкого незатвердевшего объема слитка. Механическое воздействие на кристаллизующийся сплав способствует разруше­нию растущих дендритов, обломки которых могут быть дополни­тельными центрами кристаллизации, изменяющими строение от­ливки. На этом принципе основаны такие способы управления кри­сталлизацией отливок, как заливка в вибрирующие формы, элект­ромагнитное перемешивание и т. д. Эти способы позволяют получать фасонные отливки с мелкозернистой структурой из сплавов, склон­ных к транскристаллизации.

§ 4. Внутренние напряжения в отливках

где Еф — модуль упругости смеси; бф — деформация формовочной смеси.

Введем следующие обозначения: T_t — Т₂ — температурный интервал,

в котором возникают напряжения; — опорная площадь формы (рис. 152, а); / — площадь сечения отливки; а — коэффициент

термического сжатия металла отливки.

Найдем зависимость напряжений в отливке от относительной де-

формации ее:

6 = а(Т₁ — Т₂) — б_ф;

ст = £[а(Г₁-Г₂)-б_ф]. (10)

Условие равновесия в форме выражается уравнением

откуда

г

Решив относительно о, получим

Fd, 'Е,

Из этой формулы видно, что напряжения в опасной зоне почти ’ пропорциональны длине отливки. Поэтому чем длиннее отливка, тем больше вероятность образования трещин.

Из приведенного следует, что образование усадочных трещи зависит от величины б_ф и при б_ф = а (Т_г — Т₂), т. е. при абсолют ной податливости формы, напряжения в отливке возникать не бу дут.

Горячие трещины имеют окисленную, неровную, темную ил цвета побежалости поверхность. Это объясняется тем, что тре щины обычно проходят по границам зерен, а темный цвет по верхности трещины есть результат окисления при высоки температурах. Горячие трещины возникают главным образом в утолщенных местах, в местах перехода от толстого сечения к тонкому.

На склонность сплава к образованию горячих трещин влияет содержание некоторых примесей, газов и неметаллических включе- - ний. Склонность стали и других сплавов к образованию горячих ■ трещин резко повышается при увеличении содержания серы. Это объясняется тем, что сульфиды располагаются между кристал­лами и резко снижают прочность при температурах выше 1100— 1000° С.

С целью исключения образования горячих трещин в отливк необходимо на практике соблюдать следующее:

1. выплавлять сплав строго заданного химического со'става

устранять причины, вызывающие затрудненную усадку в пр цессе охлаждения отливки в форме (применять податливые формой вочные и стержневые смеси с органическими добавками, выгораю­щими и создающими пористость в форме, благодаря чему увеличи­вается податливость формы и стержня; применять оболочковые формы и стержни);

при конструировании отливок устранять резкие переходы от толстых к тонким сечениям и делать плавные переходы;

обеспечивать равномерное охлаждение толстых и тонких се­чений отливок с помощью холодильников;

применять конструкции литниково-питающей системы, исклю­чающие местные перегревы формы и отливки;