10.2.4. Определение объемной усадки

Объем формы определяют по размерам модели куба (если мо­ дель выполнена с формовочными уклонами, то объем вычисляют по формуле для усеченной пирамиды). Определение объема залитого образца путем геометрических измерений невозможно, так как уса­ дочные раковины не имеют правильной формы. Этот объем находят делением массы образца на плотность сплава. Плотность образца оп­ ределяют гидровзвешиванием образца, отрезаемого от нижней части (наиболее плотной) специально отливаемого слитка,

Рспл = Ужтъ!(тъ- тж),

где уж - плотность жидкости, г/см3; тв - масса образца на воздухе, г; тж- масса образца в жидкости, г.

Рис. 120. Литейная форма для заливки образца при оп­ ределении объемной усадки: 1- стальная пластинка, 2 - асбест, 3 - холодильник

По найденной плотности находят объем сплава в образце,

^эбр “ Я?обр/рспл* Объем открытых усадочных раковин определяют путем запол­

нения их жидкостью из мерного сосуда.

Для определения пористости отливку взвешивают в воде. Для предотвращения попадания воды в открытые поры поверхность по­ верхность отливки покрывают тонким слоем парафина. По разности масс образца на воздухе и в воде определяют его объем. Разность объемов образца и сплава в нем и есть объем пор.

10.2.5. Усадочные дефекты в отливках

Общее изменение объема сплава в процессе усадки, кроме уменьшения линейных размеров, имеет еще две составляющие: уса­ дочную раковину и усадочную пористость. Отливки с усадочными дефектами в большинстве случаев непригодны для эксплуатации и бракуются в литейном цехе. Если отливки с пустотами попадут в механический цех и вскроются в ходе механической обработки, то это существенно повысит убытки от брака. Для устранения усадоч­ ных дефектов необходима установка массивных прибылей, масса ко­ торых составляет от 20 до 70 % от массы отливок. Обнаружение уса­ дочных пустот требует проведения специальных методов контроля отливок, что увеличивает их себестоимость. Наиболее действенным методом неразрушающего контроля таких дефектов является просве­ чивание проникающими излучениями: рентгеновскими или гаммалучами.

10.2.5.1. Усадочная раковина

Объемная усадка жидкого сплава реализуется путем понижения уровня металла в форме. Когда наружные слои затвердеют, а внутри останется жидкая фаза, то будет понижаться уровень этой жидкой

нии l\, /2, ...(изотермы) показывают момент затвердевания соответст­ вующего слоя отливки, а линии 2, 2\, 22 - уровень расплава, кон­ тактирующего с этим слоем. Сначала из-за объемной усадки в жид­ ком состоянии начальный уровень расплава в форме 2 понизится до уровня 21, одновременно с этим на поверхности формы появится твердый слой /|. В следующий момент времени затвердеет новый слой твердой корки I 2, а уровень жидкости опустится до уровня 22. Так будет продолжаться до полного затвердевания слитка. Процесс затвердевания протекает непрерывно, поэтому вместо ступенек обра­ зуется гладкая поверхность открытой усадочной раковины.

В зависимости от условий охлаждения в одной и той же отливке усадочные раковины могут быть открытыми, закрытыми, сосредото­ ченными и рассредоточенными (рис. 122).

а б

Рис. 122. Виды усадочных раковин в зависимости от условий охлаждения: а - сосредоточенные, б - рассредоточенные, 1 - открытые, 2 - закрытые

На глубину усадочной раковины и место ее залегания, кроме ус­ ловий охлаждения, будет оказывать влияние и форма отливки, как это показано на рис. 123.

Относительный объем усадочной раковины (объем раковины, отнесенный к объему отливки) может быть определен по формуле Г.Г Гиршовича и Ю.А. Нехендзи [4]:

^у.р — а 1>ж (Гж.с ■^кр) ^1'кр 1,5 а т (Г Кр Ут.с)>

где Vyр - относительный объем усадочной раковины; а т - коэффи­

в момент начала кристаллизации; Тщ, - температура кристаллизации; Тт.с - средняя температура твердого металла в момент окончания кристаллизации.

а

Рис. 123. Влияние условий охлаждения (а) и формы отливки (б) на конфигурацию и расположение усадочной раковины

Первый член этого уравнения определяет ту часть объема уса­ дочной раковины, которая образуется вследствие термического сжа­ тия жидкого расплава. Ее величина зависит от разности температур между жидким расплавом и температурой кристаллизации, а также от коэффициента объемного сжатия жидких металлов. Последний играет существенную роль, так как в большинстве случаев он в не­ сколько раз больше коэффициента сжатия металла в твердом состоя­ нии. При понижении температуры заливки объем усадочной ракови­ ны уменьшается.

Второй член уравнения показывает роль объемной усадки кри­ сталлизации. Это основная часть объема усадочной раковины. В за­ висимости от типа сплава объемная усадка кристаллизации достигает до 6 %.

Третий член уравнения показывает уменьшение объема усадоч­ ной раковины (поэтому перед ним стоит знак минус) вследствие тер­ мического сжатия твердой корки отливки, что приводит к повыше­ нию уровня оставшегося металла. Этот процесс продолжается до полного затвердевания отливки.

В твердом состоянии относительный объем раковины не меня­ ется, так как с уменьшением объема раковины уменьшаются и раз­ меры отливки.

10.2.5.2.Усадочная пористость

Вотливках из широкоинтервальных сплавов, в которых преоб­ ладают равноосные кристаллы, кроме усадочной раковины, или вме­ сто нее, появляются усадочные поры. После срастания нескольких равноосных дендритов между ними остаются изолированные микро­ объемы жидкой фазы. Их усадка не компенсируется подводом пи­ тающего расплава, и на стыках образуются микропустоты. Схема по­ явления усадочных микропор приведена на рис. 124.

Рис. 124. Образование усадочных микропор на стыке равноосных кристаллов

Усадочная пористость может быть зональной или рассеянной по всему объему. В цветных сплавах, поглощающих водород, усадочная пористость усугубляется выделением газов и носит название газо­ усадочной пористости. При металлографическом анализе усадочные поры имеют остроугольную форму и шероховатую поверхность. Га­ зовые поры отличаются округлой формой и гладкой блестящей по­ верхностью. Газоусадочные поры имеют промежуточный вид, в за­ висимости от того, что преобладает, усадка или выделившийся газ.

Появление усадочной пористости не исключает наличия уса­ дочной раковины, но она в этом случае будет иметь меньший объем.

Любой вид пористости приводит к уменьшению эффектив­ ного сечения и, следовательно, к снижению механических свойств. Рассеянная пористость в меньшей степени ухудшает механические и эксплуатационные свойства отливок. При получении отливок от-

Шкала ВИАМ, показывающая влияние пористости на механические свойства АЛ4(Акд)

Рис. 125. Оценка пористости отливок из сплава АК9 по шкале ВИАМ

ветственного назначения допустимая пористость указывается в тех­ нических требованиях чертежа. Так, в авиастроении пористость оценивается по шкале ВИАМ (рис. 125) в баллах, от одного до пяти. Шкала содержит 5 эталонных шлифов для визуального сравнения с образцами, вырезанными из отливки. Для каждого эталона указы­ вается, какого размера и в каком количестве могут присутствовать поры на 1 см2 его площади.

В реальных условиях получения отливок различными методами под влиянием различных технологических факторов может наблю­ даться изменение величины затрудненной (литейной) усадки и пере­ распределение видов усадочных дефектов, даже в отливках из одного и того же сплава. Это указывает на возможность управления процес­ сом формирования усадочных дефектов и снижения их до мини­ мального уровня.

10.2.6.1. Влияние характера кристаллизации

Характер кристаллизации не является самостоятельным технологическим фактором. Это производная нескольких факторов сразу. Меняя скорость охлаждения и характер теплоотвода в от­ ливках, можно получить либо столбчатую, либо равноосную струк­ туру.

Кристаллизация с образованием столбчатых кристаллов, проис­ ходящая последовательно, способствует образованию сосредото­ ченной усадочной раковины. Отливка будет плотной без замет­ ной усадочной пористости. Если при затвердевании образуются рав­ ноосные кристаллы, то значительную долю общего объема уса­ дочных пустот будет занимать усадочная пористость. Отливка при этом окажется менее плотной, чем при наличии столбчатых крис­ таллов.

Соотношение усадочных пустот в зависимости от положения сплава на диаграмме состояния, а значит, и от его структуры, показа­ но на рис. 126 (по А.А. Бочвару). Справа от диаграммы дано схема­ тичное изображение соотношения усадочных дефектов в отливках из сплавов, выделенных на диаграмме. Так, отливки из чистого металла А и эвтектического сплава С3 (столбчатая структура) будут иметь со­ средоточенную усадочную раковину. В широкоинтервальных спла­ вах составов С) и С2 появится усадочная пористость. Наибольшее развитие усадочной пористости наблюдается у сплавов (С2), состав которых совпадает с пересечением линии эвтектики и линии темпе­ ратуры начала линейной усадки.

Рис. 126. Связь диаграммы состояния с видом усадочных пус­ тот: I - общий объем пустот; 2 - объем усадочной пористости; 3 - объем усадочной раковины

Неравновесная кристаллизация смещает экстремальное положе­ ние точек кривой на рис. 126 в сторону ординат чистых компонентов, соответственно будет изменяться и характер усадочных дефектов.

10.2.6.2. Влияние скорости охлаждения

Скорость охлаждения является одним из самых сильнодейст­ вующих факторов, влияющих на все свойства отливок, в том числе и на усадочные явления.

Увеличение скорости охлаждения в процессе затвердевания от­ ливки приводит к сужению фронта кристаллизации. Кристаллизация при этом протекает послойно, преимущественно с образованием столбчатых кристаллов. Следовательно, в данном случае основным видом пустот будет усадочная раковина. При медленном охлаждении одновременно кристаллизуется большой объем расплава. Образуют­ ся равноосные кристаллы, при срастании которых остаются изолиро­ ванные микрообъемы жидкого расплава. Это приводит к увеличению доли усадочной пористости. На рис. 127 показано, как изменяется соотношение усадочной раковины и пористости при литье в кокиль (быстрое охлаждение) и литье в песчаные формы (медленное охлаж­ дение) у двойных сплавов, образующих твердые растворы с ограни­ ченной растворимостью.

лением, при литье с противодавлением. В данных способах литья применяются как песчаные, так и металлические формы. Устранение усадочных пустот связано с улучшением условий питания межденд­ ритных пустот жидким расплавом, снижением газовыделения и не­ которым ускорением кристаллизации.

При высоких давлениях в сотни МПа (тысячи атмосфер), имеющих место при литье с кристаллизацией под давлением (жид­ кой штамповке), усадочные дефекты, как правило, полностью отсут­ ствуют, так как происходящая в процессе кристаллизации и после­ дующего охлаждения деформация приводит к залечиванию макро- и микропустот. В тех случаях, когда прочность образовавшегося у стенок формы каркаса твердой фазы (сталь, чугун, некоторые цвет­ ные сплавы) высока и препятствует перемещению пуансона, усадоч­ ная пористость может сохраниться.