книги / Металлургические технологии
..pdfЖидкотекучесть - сложное технологическое свойство, на которое оказывает влияние большое число факторов. Все факторы, влияющие на полноту заполнения формы, можно разделить на три группы. К первой группе относят свойства металла или сплава: теплопровод ность, теплоемкость, теплоту и интервал кристаллизации, вязкость, поверхностное натяжение, наличие включений, строение закристалли зовавшегося металла. Вторую группу составляют свойства литейной формы в зависимости от ее материала: теплоаккумулирующая способ ность, газопроницаемость, шероховатость стенок и др. Третья группа - это условия заливки: металлостатический напор, степень перегрева металлического расплава, температура подогрева формы и т.д.
На величину жидкотекучести влияют следующие из этих факторов:
1.Величина температурного интервала кристаллизации. Чем шире интервал кристаллизации сплава, тем хуже его жидкотекучесть. Луч шей жидкотекучестью обладают чистые металлы и сплавы эвтектиче ского состава, кристаллизующиеся при постоянных температурах.
2.Вязкость жидкого сплава. Прямой связи вязкости с поверхно стным натяжением, а также смачиваемостью сплавов не обнаружено. Более вязкий сплав, хотя и медленнее, но достигает тех же показате лей жидкотекучести, что и сплав с меньшей вязкостью. Наиболее существенно жидкотекучесть возрастает при увеличении теплоты кристаллизации и резко снижается при окислении расплава и увели чении доли твердых неметаллических включений.
3.Теплоаккумулирующая способность (ТАС) формы. Чем выше ТАС формы, тем меньше жидкотекучесть расплава. ТАС металличе ских форм выше, чем у песчаных форм, поэтому при литье в разовые песчаные формы, при прочих равных условиях, можно получать от ливки с более тонкими стенками, чем при литье в кокили.
4.Газопроницаемость формы. Недостаточная газопроницаемость материала формы затрудняет удаление находящегося в полости фор мы воздуха и образующихся газов. Это тормозит движение потока жидкого металла и снижает жидкотекучесть.
5.Шероховатость стенок формы. Увеличение шероховатости стенок формы увеличивает поверхность контакта расплава с формой, ускоряет кристаллизацию и ухудшает жидкотекучесть.
6. Температура заливаемого металла. Повышение температурь* жидкого металла увеличивает запас тепла и благотворно влияет на жидкотекучесть. Кроме того, с ростом температуры уменьшается микронеоднородность жидкого расплава и облегчается удаление неметаллических включений и газов, что также улучшает жидкотеку честь. В то же время повышение температуры усиливает окисление и увеличивает газонасыщенность расплава, что ухудшает жидкотекучесть сплавов, склонных к окислению и газонасыщению.
7. Температура формы перед заливкой. Подогрев формы являет ся эффективным способом повышения жидкотекучести. Температура подогрева формы ограничивается технологическими возможностями, стойкостью оснастки и необходимостью обеспечения оптимального времени охлаждения полученной отливки. При литье в кокили без предварительного подогрева формы полное заполнение всех полос тей формы практически невозможно.
8. Влияние давления. Воздействие давления на жидкотекучесть оп ределяется способом приложения давления. При всестороннем давле нии (литье в автоклавах) усиливается интенсивность теплоотвода из-за более плотного контакта металла с формой, что приводит к уменьше нию жидкотекучести. Если же повышенное давление используют как способ принудительного заполнения формы (литье под давлением), то жидкотекучесть в значительной степени возрастает.
Жидкотекучесть определяют при помощи технологических проб, представляющих собой литейные формы с каналами различного се чения. Жидкотекучесть тем больше, чем больше путь, пройденный жидким металлом в форме до полной остановки. Все пробы можно разделить на три группы: пробы с каналом постоянного сечения, пробы с каналом переменного сечения и комбинированные пробы. Наибольшее распространение получила спиральная проба (ГОСТ 16438-70), в соответствии с которой жидкотекучесть опреде ляют путем заливки расплава в сухие или сырые песчаные формы или металлические формы (кокили).
Форма имеет канал трапециевид |
|
|
|||||
ного сечения. Высота и ширина осно |
|
|
|||||
вания |
трапеции - |
8 мм, а |
вершина |
|
|
||
скруглена, ее радиус равен 3 мм |
|
|
|||||
(рис. 12.4). Стандарт устанавливает и |
|
|
|||||
условия заливки пробы: она должна |
|
|
|||||
быть |
установлена |
строго |
горизон |
|
|
||
тально, температура заливки металла |
|
|
|||||
должна быть на 5±0,5 % выше темпе |
|
|
|||||
ратуры плавления, температура фор |
|
|
|||||
мы в момент заливки 25±10 °С. |
|
|
|||||
Проба имеет вместительную лит |
|
|
|||||
никовую чашу с перегородкой для |
|
|
|||||
удержания шлака. Внутренний конец |
б |
|
|||||
пробы |
заканчивается |
выпором для |
Рис. 12.4. Спиральная |
проба |
|||
удаления газов из формы. Для обес |
|||||||
на жидкотекучесть: а - |
схема |
||||||
печения одинакового |
металлостати |
песчаной формы, б - схема по |
|||||
ческого напора стояк предварительно |
строения измерительного канала |
перекрывают пробкой. Через каждые 50 мм в форме над каналом вы полнены шаровидные углубления высотой 1 мм. На залитой спирали они образуют выступы, облегчающие определение ее длины.
12.2.2. Усадка
Усадкой называют уменьшение объема и, как следствие, линей ных размеров отливки в процессе кристаллизации и последующего охлаждения до температуры окружающей среды.
С усадкой связаны основные трудности в производстве фасон ных отливок. От нее зависят геометрические размеры и плотность отливок, характер распределения усадочной раковины и усадочной пористости, появление горячих и холодных трещин.
Причиной появления усадки является изменение объема при нагре ве и охлаждении любых тел. У большинства металлов объем увеличи вается при нагреве и уменьшается при охлаждении. Исключение со ставляют такие металлы, как галлий, сурьма, висмут, литий, германий,
у которых наблюдается обратная зависимость (известно, что и вода при охлаждении и переходе в твердое состояние увеличивает свой объем).
Уменьшение объемов и линейных размеров тел при их охлажде нии называют соответственно объемной (е^) и линейной (в/) усадкой.
Линейная усадка проявляется только после полного затвердева ния сплава. Объемная усадка начинается еще в жидком состоянии, продолжается в твердожидком состоянии и заканчивается в твер дом состоянии. В соответствии с этим полную объемную усадку можно представить как сумму усадки в жидком состоянии (б^ж), усадки в интервале кристаллизации (в^кр) и усадки в твердом со стоянии ( E F T B ) -
ЕГполн &Уж £pkp £FTB*
Усадка может быть положительной (уменьшение объема и ли нейных размеров) и отрицательной (увеличение объема и линейных размеров). Во всех промышленных сплавах усадка в целом положи тельная, несмотря на то, что в ходе фазовых превращений может происходить увеличение объема и размеров отливки. Это явление называют предусадочным расширением. В качестве примера можно привести графитизированные чугуны: формирование и рост графи товых включений приводят к смене знака усадки. Поэтому с учетом предусадочного расширения (EVnyp) полная объемная усадка запишет ся следующим образом:
^Гполн £Гж &Укр £Гтв ЕГпур*
Если кристаллизация происходит при постоянной температуре (чистые металлы и эвтектические сплавы), то величина кристаллиза ционной усадки Еккр зависит только от вида металла или сплава и со ставляет от 1 до 6 %.
Усадка в твердом состоянии может протекать без каких-либо препятствий со стороны литейной формы. В этом случае усадку на зывают свободной. Если же в ходе охлаждения отливки появляется механическое или термическое торможение, то усадку считают за трудненной. Механическое торможение усадки проявляется со сто роны выступающих частей формы, стержней, а также вследствие
трения отливки о стенки формы и стержни. Термическое торможение происходит в результате неодинаковых скоростей охлаждения раз личных частей отливки. Тонкие стенки, ребра, выступы затвердевают раньше, чем массивные части отливок и препятствуют их усадке. В некоторых случаях одновременно наблюдается и механическое, и термическое торможение усадки.
Изменение линейных размеров при наличии любого торможения называют литейной усадкой. Литейной называют линейную усадку, определяемую по фактическим размерам модели и отливки:
= ^ 7^ * 100%,
О
где /м и /0 - соответствующие размеры модели и отливки.
Если усадка свободная, то линейная и литейная усадки совпа дают.
Линейная усадка сталей в большинстве случаев составляет 1,2...2,5 %, чугунов - 0,8... 1,5 %, цветных сплавов - 0,4...2,5 %. Ве личина линейной усадки для каждого сплава приведена в справочной литературе. Ее необходимо учитывать при проектировании литейной оснастки. При изготовлении моделей пользуются так называемыми «усадочными метрами», размеры которых уже увеличены на величи ну усадки данного металла или сплава.
Литейными дефектами, связанными с усадкой, являются уса дочная раковина и усадочная пористость.
Усадочная раковина - это концентрированная пора, которая формируется в объеме расплава, кристаллизующегося в последнюю очередь.
В зависимости от условий охлаждения в одной и той же отливке усадочная раковина может быть открытой, закрытой, сосредоточен ной и рассредоточенной (рис. 12.5). Кроме того, на глубину и место залегания усадочной раковины, оказывает влияние конфигурация литейной формы (рис. 1 2 .6).
а б
Рис. 12.5. Виды усадочных раковин в зависимости от условий охлаждения: а - сосредоточенные, б - рассредоточенные; 1 - открытые, 2 - закрытые
Рис. 12.6. Влияние размерных параметров литейной формы на конфигурацию и расположение усадочной раковины в отливке
Объем усадочных раковин в отливках составляет (в процентах от начального объема жидкого металла): для стального литья - 3...10, для белых чугунов - 2,5...6, для серых чугунов - 1,5...2,5, для высо копрочных чугунов - 0...13.
Усадочная пористость - это скопления мелких пустот (пор), обычно неправильной формы, которые образовались в результате усадки без доступа жидкого металла.
В процессе кристаллизации после срастания нескольких равно осных зерен между ними остаются изолированные микрообъемы жидкого металла. Их кристаллизационная усадка не компенсируется подводом дополнительного количества жидкого металла, и на стыках зерен образуются микропустоты. На рис. 12.7 приведена схема обра зования усадочных микропор.
Рис. 12.7. Схема образования усадочных микропор на стыке равноосных кристаллов
Усадочная пористость наиболее характерна для сплавов с широ ким температурным интервалом кристаллизации. Различают рассе янную, осевую и местную усадочную пористость.
Рассеянная усадочная пористость - это мелкие поры, равномерно распределенные по объему отливки; осевая пористость - это скопле ние пор в осевой части слитка или отливки; местная пористость - это отдельные крупные поры в наиболее массивных частях отливки.
Основными средствами устранения усадочных дефектов в от ливках являются установка прибылей и выполнение принципа по следовательного затвердевания.
Прибыль - это технологический элемент отливки, составляющий с ней единое целое. В ходе кристаллизации вся усадка должна сосре доточиваться в прибыли. После того, как отливка будет извлечена из формы, металл, закристаллизовавшийся в прибыли, отделяют от го товой отливки. Прибыль, кроме того, может рассматриваться как средство ослабления усадочной пористости и как сборник загрязне ний, попадающих в форму с расплавом.
Прибыли различают по расположению относительно узла пита ния: по способу формовки, а также по конфигурации (рис. 12.8). По расположению относительно узла питания прибыли делят на прямые, или верхние 7, отводные, или боковые 2, групповые, питающие не сколько отливок 3. По способу формовки прибыли бывают открытые (7, 4, 5, 7) и закрытые (2, 3, б). По конфигурации прибыли могут быть конусные (7, 4), плоские (5), сферические (б) и фасонные (2, 3, 7).
Рис. 12.8. Классификация прибылей
Прибыль должна отвечать следующим требованиям:
1) запаса жидкого сплава в прибыли должно хватать на компен сацию усадки;
2)металл в прибыльной части должен кристаллизоваться после того, как закристаллизуется основное тело отливки;
3)прибыль нужно устанавливать так, чтобы обеспечить доступ жидкого металла в объемы отливки, затвердевающие в последнюю очередь, т.е. необходимо выполнять принцип последовательного за твердевания отливки. Проверка выполнения этого принципа осуще ствляется методом выкатывающегося шарика (рис. 12.9). Отливка должна быть спроектирована так, чтобы шарик, мысленно помещен ный в самую тонкую часть, мог беспрепятственно выкатиться в при быль. Для этого каждый последующий элемент отливки должен только расширяться. Для питания таких отливок достаточно устано вить одну прибыль.
|
Если отливка не может быть |
||
|
спроектирована по методу |
выкаты |
|
|
вающегося шарика, то для выполне |
||
|
ния принципа последовательного |
||
|
затвердевания необходимо |
устанав |
|
|
ливать несколько прибылей или ис |
||
|
пользовать |
холодильники. |
Холо |
|
дильники |
устанавливают в |
районе |
Рис. 12.9. Иллюстрация метода |
наиболее массивных частей отливки |
||
выкатывающегося шарика |
для увеличения их скорости охлаж |
дения. Холодильники бывают наружные и внутренние. Наружный хо лодильник, который, чаще всего, представляет собой объем материала с высокой теплопроводностью (стальная или чугунная болванка), за прессовывают в форме с внешней стороны. Внутренний холодильник, которым является болванка из материала, химический состав которого аналогичен химическому составу заливаемого сплава, устанавливают в полость формы. При заполнении формы жидким сплавом внутрен ний холодильник омывается им и частично расплавляется, а затем (при кристаллизации) сваривается с металлом отливки.
Использование холодильников позволяет регулировать скорость охлаждения отливки в очень широких пределах и, тем самым, обес печивать выполнение принципа последовательного затвердевания.
12.2.3. Ликвация
Ликвацией называют неоднородность химического состава за твердевшего сплава. Ликвация может наблюдаться как в пределах одного зерна (дендрита), так и в различных зонах отливки. В соот ветствии с этим различают дендритную (микроскопическую) и зо нальную (макроскопическую) ликвации.
Дендритная ликвация - это неоднородность химического со става в различных зонах одного дендрита (или зерна). Дендритная ликвация всегда имеет место при неравновесной кристаллизации сплавов, затвердевающих в интервале температур. В первую очередь дендритная ликвация наблюдается в сплавах, компоненты которых могут частично или полностью растворяться друг в друге в твердом состоянии.
Для примера рассмотрим равновесную кристаллизацию сплава Со, компоненты которого А и В неограниченно растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях (рис. 1 2 .10 ). Кристаллизация этого сплава начинается при температуре ликвидуса - в точке Ь. Хи мический состав первых порций твердой фазы определится проек цией точки а на ось концентраций и будет равен С\. Состав жидкой фазы при этом остается равным
исходному - Со (проекция точки b на ось концентраций). Таким об разом, первые порции твердой фа зы окажутся довольно сильно обо гащенными атомами тугоплавкого компонента (в нашем случае - компонент А). Как следует из ден дритной схемы роста кристаллов,
в первую очередь появляются и растут оси первого порядка. Поэтому именно оси первого порядка и окажутся обогащенными атомами туго плавкого компонента А
В момент достижения сплавом температуры точки е состав твердой фазы определится проекцией точки с, т.е. будет равен С2, а состав жидкости - проекцией точки d, т.е. будет равен С3. Нако нец, при температуре солидуса (точка т) кристаллизуются послед ние порции жидкости состава С4. Таким образом, жидкость, кри сталлизующаяся в последнюю очередь, будет обогащена атомами легкоплавкого компонента 5. Поскольку в последнюю очередь жидкость кристаллизуется в межосевом пространстве, именно оно и будет обогащено атомами легкоплавкого компонента. Эти различия в химическом составе главных осей дендритов и межосевого про странства (от Ci до С4) и позволяют на качественном уровне оце нить степень дендритной ликвации.
Средний состав твердой фазы к моменту окончания кристаллизации будет равен составу исходной жидкой фазы - С0(проекция точки т).
Дендритную ликвацию можно существенно уменьшить с помо щью термической обработки - отжига. Температура нагрева при этом должна быть такой, чтобы обеспечить высокую скорость диф фузии атомов для выравнивания химического состава в объеме зер на. Время выдержки зависит от размера дендритов. Если во время кристаллизации удается уменьшить размер дендритов в 2 раза, то время выдержки при отжиге можно сократить в 4 раза. Данное об стоятельство демонстрирует преимущества ускоренной кристаллиза ции - при последующем отжиге ликвация в мелкозернистой структу ре устраняется полнее и быстрее.
Зональная ликвация. При дендритной кристаллизации в распла ве всегда образуется легкоплавкий ликват, который, в силу различ ных причин, перемещается по объему будущей отливки и формирует в ней ликвационные зоны. В зависимости от месторасположения этих зон и причин перемещения ликвата зональную ликвацию под разделяют на прямую, обратную, гравитационную (ликвацию по плотности) и полосчатую.