10.2. Усадка литейных сплавов

Усадкой называется уменьшение объема и, следовательно, ли­ нейных размеров отливки в процессе затвердевания и охлаждения до температуры окружающей среды.

Усадка относится к числу важнейших свойств сплавов, так как с ней связаны основные технологические трудности в производстве фасонных отливок. От нее зависят геометрические размеры отливки

иее плотность, механические свойства сплава, характер распределе­ ния усадочной раковины и усадочной пористости, появление или от­ сутствие горячих и холодных трещин. Без знания механизма усадки

иее количественных характеристик невозможно получить качест­ венную отливку. Усадку сплава необходимо учитывать уже на ста­ дии проектирования литой детали, особенно при разработке техноло­ гического процесса литья.

Причиной появления усадки являются физические свойства ме­ таллов и сплавов. При нагреве и охлаждении любых тел происходит изменение объема. У большинства металлов объем увеличивается при нагреве и уменьшается при охлаждении. Исключение составля­ ют такие элементы, как галлий, сурьма, висмут, литий, германий,

укоторых наблюдается обратная зависимость (известно, что и вода при охлаждении и переходе в твердое состояние увеличивает свой объем). При переходе из жидкого состояния в твердое состояние объем меняется скачкообразно. Если в некотором интервале темпе­ ратур отсутствуют агрегатные или фазовые превращения, то объем (V\) и линейные размеры (/|) тел меняются только пропорционально изменению температуры:

V\ - Vo [1 + av (t \ - t 0)], /, =/0[l + a /(/i - O L

где a v и a/ - коэффициенты объемного и линейного расширения. Если куб с длиной грани /0= 1 нагреть на 1°, то ребро куба будет

иметь длину l\ = (1 + а/), а объем куба V\ = (1 +av) или (1 + a /) Из равенства (1 +av) = (1 + ос/)3, пренебрегая бесконечно малыми ве­ личинами, получаем приближенную связь между коэффициентами объемного и линейного расширения a v« За/.

Процесс охлаждения протекает в обратной последовательности. Объем и линейные размеры тел будут уменьшаться:

V, = V0 [ l - a „

/| = /о [1 - СС/ (и - /о)].

где а ииа/ - коэффициенты объемного и линейного сжатия. Сокращение объемов и линейных размеров тел при их охлаж­

дении называется соответственно объемной (б„) и линейной (8/) усадкой:

е,, = a v А/, Е| = а/А/ и б„« Зе/.

Линейная усадка проявляется только после полного затвердевания сплава. Объемная усадка начинается в жидком состоянии, продолжа­ ется в жидко-твердом состоянии и заканчивается в твердом состоя­ нии. Каждый материал характеризуется собственным значением ко­ эффициента линейного расширения (сжатия). Численные значения коэффициентов а„ и а/ зависят от температуры, поэтому в справоч­ никах они даются для определенного интервала температур.

10.2.1.Виды усадок в отливках

Впроцессе формирования отливки можно выделить три харак­ терных этапа: охлаждение в жидком состоянии от температуры за­ ливки до температуры ликвидуса, охлаждение в интервале кристал­

лизации от температуры ликвидуса до температуры солидуса и охлаждение в твердом состоянии до температуры охлаждающей среды. В соответствии с этим полную усадку можно разделить на три составные части:

-усадка в жидком состоянии б„ж;

-усадка в интервале затвердевания гп\ -усадка в твердом состоянии

Усадка может быть положительной (уменьшение объема и ли­

нейных размеров) и отрицательной (увеличение объема и линейных размеров). Во всех промышленных сплавах усадка в целом является положительной, несмотря на то, что в ходе фазовых превращений может происходить увеличение объема и размеров отливки. В каче­ стве примера можно привести графитизированные чугуны. Образо­ вание и рост графитовых включений приводят к смене знака усадки.

Если усадка в твердом состоянии протекает свободно без тор­ можения, то изменение линейных размеров, как указывалось ранее, называется линейной усадкой. Изменение линейных размеров при наличии любого торможения считается литейной усадкой. Если усадка свободная, то линейная и литейная усадки совпадают.

10.2.2. Линейная и литейная усадки

Линейную и литейную усадку обычно выражают не в абсолют­ ных значениях, а как относительную величину в долях от единицы или в процентах.

У чистых металлов, эвтектик и химических соединений линей­ ная усадка начинается от температуры кристаллизации и заканчива­ ется при температуре окружающей среды. Линейная усадка зависит только от коэффициента термического сжатия (расширения) и интер­ вала температур ее протекания,

£*лин = а (/нач ^кон ) Л00 /о-

Если в твердом состоянии у металла или сплава происходит по­ лиморфное превращение, в ходе которого меняется объем, то линей­ ная зависимость усадки от температуры нарушается.

У сплавов, кристаллизующихся в интервале температур, линей­ ная усадка начинается в твердожидком состоянии сплава после обра­ зования в отливке сплошного скелета кристаллов. Это происходит при достижении некоторой температуры, лежащей в интервале меж­ ду линиями ликвидуса и солидуса, получившей название температу­ ры начала линейной усадки (/нлу). Начиная с этой температуры, об­ разец ведет себя как твердое тело, несмотря на значительное количе­ ство жидкого расплава, оставшегося между стволами и ветвями дендритных кристаллов.

Практика литейного производства показала, что у многих спла­ вов перед усадкой наблюдается явление, названное предусадочным расширением. Предусадочное расширение в большей степени при­ суще сплавам, кристаллизующимся в значительном интервале тем­ ператур. Причиной такого расширения, как установлено А.А. Бочваром и другими исследователями, является выделение газов. При по­ нижении температуры и переходе из жидкого состояния в твердое

растворимость газов резко уменьшается. Это приводит к увеличению газовыделения при кристаллизации. Пока отливка находится в жид­ ко-твердом состоянии, выделяющийся газ сравнительно легко раз­ двигает кристаллиты и вызывает увеличение объема расплава в фор­ ме. Обычно предусадочное расширение заканчивается при темпера­ туре образования твердо-жидкого состояния, т.е. при температуре начала линейной усадки. Предусадочное расширение зависит от газонасы[ценности сплава, его химического состава, скорости охлаж­ дения, характера и величины кристаллов и других факторов. Так, в графитизированных чугунах основной причиной предусадочного расширения является выделение графита при кристаллизации. Про­ цесс газовыделения в чугунах на предусадочное расширение оказы­ вает существенно меньшее влияние. Величина предусадочного рас­ ширения составляет не более 0,15 %, и оно не имеет большого прак­ тического значения.

На рис. 117 показана температурная зависимость линейной усадки сплавов без предусадочного расширения и сплавов, испыты­ вающих такое расширение.

Рис. 117. Схема температурной зависимости линейной усадки сплавов без предусадочного расширения (а) и с предусадочным расширением (б): б„.л у - температура начала линейной усадки; екр-линейная усадка кристаллиза­ ции; £п - предусадочное расширение

При охлаждении отливки от температуры солидуса до комнат­ ной температуры на линейную усадку могут влиять фазовые и маг­ нитные превращения, а также другие факторы. Так, в сталях и чугу-

нах в процессе охлаждения при температуре А\ происходит превра­ щение аустенита в перлит, приводящее к увеличению объема. По­ этому усадку таких сплавов разделяют на доперлитную и послеперлитную.

Величина усадки меняется в зависимости от характера и вели­ чины зерна. В работе [19] показано, что при образовании крупных столбчатых кристаллов линейная усадка больше, чем при образова­ нии мелких равноосных зерен. Это связано с тем, что столбчатые кристаллы быстрее образуют жесткий каркас и линейная усадка на­ чинается раньше. Повышение же температуры начала линейной усадки приводит к увеличению линейной усадки. Для одного и того же типа кристаллов (столбчатых или равноосных) увеличение их размеров способствует тому, что жесткий каркас образуется при бо­ лее высокой температуре, что также увеличивает линейную усадку.

Повышение скорости охлаждения может привести к увеличе­ нию линейной усадки вследствие упругого и пластического сжатия наружных слоев отливки под воздействием внутренних сил.

Величина линейной усадки сплавов в значительной мере опре­ деляется типом диаграммы состояния (рис. 118). Изменение линей­ ной усадки в общем виде зависит от положения линии температуры начала линейной усадки /нлу. Усадка чистого компонента (основы сплава) сначала понижается и достигает минимального значения в точке пересечения линий /,,.лу и эвтектики. Если кристаллизация сплава протекает в неравновесных условиях, то этот минимум (пунк­ тирная линия, см. рис. 118, а, б) смещается влево вслед за смещением точки предельной растворимости, а значит, и линии /илу. Когда оба компонента системы имеют большое различие в коэффициентах тер­ мического сжатия, то при эвтектическом составе наблюдается разрыв линейной зависимости усадки от состава, как показано на рис. 118, б. На прямолинейных участках усадка определяется коэффициентом сжатия преобладающей структурной фазы.

Линейная усадка является технологическим свойством сплава и не учитывает влияния условий получения отливки. Скорость охла­ ждения и сопротивление формы способны повлиять на изменение линейных размеров. В этом случае усадку можно считать литейной. Литейной называют линейную усадку, определяемую по фактиче­ ским размерам формы (модели) и отливки. В общем случае литейная

Рис. 118. Связь линейной усадки с диаграммой состояния: а, б - в общем виде, в - для сплавов системы А1 - Mg (по А.А. Бочвару), г - для сплавов системы Fe - С (по Б.Б. Гуляеву)

усадка может быть неодинакова даже в различных частях одной и той же отливки.

Линейная усадка сталей в большинстве случаев составляет 1,2-2,5 %, чугунов - 0,8-1,5 %, цветных металлов - 0,4-2,5 %. Вели­ чина линейной усадки для каждого сплава приводится в справочни­ ках. Ее необходимо учитывать при проектировании литейной осна­ стки. При изготовлении моделей модельщики пользуются так назы­ ваемыми усадочными метрами, размеры которых уже увеличены на величину усадки.

10.2.3. Измерение линейной усадки

Сущность линейной усадки такова, что ее величину можно рас­ считать по величине коэффициента линейного сжатия (расширения). Этот коэффициент не является величиной постоянной, он сущест­ венно изменяется с температурой. К сожалению, эти коэффициенты даже для чистых металлов приведены только для низких температур, а нуясны сведения для температур вплоть до солидуса и выше. С дру­ гой стороны, для аналитических расчетов необходимо знать темпера­ туру начала линейной усадки, которая может быть разной у одного и того же сплава. Эту температуру невозможно определить расчетом. Она зависит от условий охлаждения, вида и величины кристаллов, разветвленности дендритов. Поскольку получение сведений, необхо­ димых для расчета усадки, является трудоемкой исследовательской