книги / Теория литейных процессов

Под действием теплоты затвердеваемого металла алюминиевый порошок взаимодействует с окисью железа по реакции

ЗА1 + Fe203 = АЬОз + 2Fe + Q.

Образующийся при сгорании смеси шлак покрывает прибыль хорошо теплоизолирующей коркой.

Подпитка жидкого металла от прибыли к отливке происходит под действием гидростатического напора и атмосферного давления. Добавление в 1 кгс/мм2 уравновешивает столб расплавленной стали или чугуна длиной 1450 мм. Высота прибыли большинства стальных отливок средней массы составляет 200-400 мм. Следовательно, атмосферное давление оказывает большое влияние на процессы питания.

В случаях, когда отливка имеет развитые плоскости поверхности и закрытую прибыль, в начальной стадии затвердевания поверхностная корка может полностью изолировать внутреннюю часть отливки (рис. 11.24).

Рис. 11.24. Влияние атмосферного давления на работу прибыли: а - закрытая прибыль (атмосферное давление не проникло); б - закрытая прибыль (атмосферное давле­ ние проникло); в - открытая прибыль

За счет выделения газов из формовочной смеси под действием этого давления в форме возникает давление, равное или несколько больше атмосферного. Корка на плоских поверхностях прогибается, как мембрана. В результате уровень металла в прибыли не опускается, а внутри отливки создается вакуум. При утолщении и охлаждении поверхностной корки она становится жесткой и перестает прогибаться. Усадочная раковина получается

недоразвитой, а пористость проникает в тело отливки даже при больших размерах прибыли. Это определяется недостаточностью гидростатического давления металла для нормального развития процесса питания при отсутствии воздействия атмосферного давления. Поэтому необходимо принять меры для обеспечения проникновения атмосферного давления в полость усадочной раковины. В обычных открытых прибылях это происходит само собой. Для закрытых прибылей обычно достаточно предусматривать на верхней поверхности плоскую площадку, которая легко прорывается под действием внешнего давления. Если верхняя часть прибыли имеет сферическую форму, она обладает устойчивостью и может изолировать усадочную раковину.

Влияние вибрации. На работу прибыли и формирование усадочной раковины оказывает влияние вибрация, под действием которой область усадочной раковины приобретает форму блюдечка, ее глубина уменьшается, и размер прибыли может быть уменьшен.

Выбор места установки прибыли. Прибыль должна устанавливаться на наиболее массивном элементе каждого крупного узла питания. Присоединять отводные прибыли к боковым поверхностям отливки целесообразно только в тех случаях, когда они используются как групповые или когда установка вертикальной прибыли усложнит механическую обработку литой заготовки.

Можно порекомендовать следующие максимальные расстояния между прибылями при установке их на стальных отливках с постоянной толщиной стенок (табл. 11.8).

Таблица 11.8

Зависимость максимального расстояния между прибылями

______________ от толщин стенок отливки_______________________

При выборе типа необходимо отдавать предпочтение прямым цилиндрическим закрытым прибылям, так как проще и дешевле изготовление моделей, закрытые прибыли упрощают формовку, препятствуют окислению металла при заливке, способствуют сокращению необходимого объема прибылей за счет теплоизоляции сверху, обеспечивают постоянство объема прибыли.

Открытые прибыли целесообразно применять при изготовлении крупных отливок, когда можно осуществить доливку в них свежих порций жидкого металла для улучшения питания или заменить теплоизолирующие засыпки.

11.9. Усадочные деформации и литейные напряжения в отливках

11.9.1. Усадочные деформации

Изменение размеров отливки при полном охлаждении по сравнению с теми, которые она имела после заполнения полости формы, называется усадочной деформацией. Усадочные деформации проявляются в форме линейной усадки и искривления осей отдельных элементов или коробления.

При охлаждении отливки в форме при наличии выступов и полостей, оформленных стержнями, усадка тормозится, что вызывает в ней пластические деформации. Такая усадка называется затрудненной, в отличие от свободной, происходящей в прямолинейных вытянутых элементах, усадка которых почти не тормозится формой.

В чистых цветных металлах, не имеющих полиморфных превращений, длина образца /, при температуре Т и при исходной длине /0 довольно точно

Зависимость линейной усадки от температуры применительно к стали в общем виде представлена на рис. 11.25, а. Линейная усадка складывается из следующих этапов или участков:

предусадочного расширения, происходящего при охлаждении в диапазоне самых высоких температур начиная от точки кристаллизации çip;

до размера, соответствующего нормальной температуре. Линейная усадка ел - от температуры кристаллизации или начала предусадочного расширения до нормальной температуры. Существуют равенства:

Типичные кривые усадки для железоуглеродистых сплавов (рис. 11.25, б) показывают, что серый и в особенности высокопрочный магниевый чугун характеризуются весьма значительным предусадочным расширением. Оно объясняется выделением в твердой фазе графита, вызывающим увеличение объема сплава. Для обычной среднеуглеродистой стали предусадочное расширение ничтожно. Послеперлитная усадка, когда выделение графита закончено, для сталей и чугунов имеет близкие значения.

В легированных сталях при охлаждении на воздухе превращение аустенита происходит при различных температурах. В обычных углеродистых сталях это превращение протекает при температуре около 700 °С (АгО; в мартенситных сталях оно смещается ниже температур 200 °С (Мн), а для аустенитных и ферритных сталей оно уходит в область отрицательных температур. Характерные величины различных этапов усадки в железных сплавах показаны в табл. 11.10.

Линейная усадка начинается с температуры начала линейной усадки tH.y

где to- температура окружающей среды, °С.

Для сплавов, претерпевающих превращения в твердом состоянии, при расчете линейной усадки учитывают изменения размеров в переходных интервалах и различие в коэффициентах усадки а. Так, низкоуглеродистая сталь

и £у->а- линейная усадка при соответствующих превращениях; t0 - температура

применяются технологические пробы. Наиболее распространенные виды таких проб представлены на рис. 11.26. Все пробы основаны на том, что при охлаждении в их определенных частях возникают остаточные напряжения, которые после разрезки реализуются в виде деформаций. Измеряя деформации, можно определить величину напряжений, действовавших до резки.

Рис. 11.26. Виды проб для оп ределения остаточны х напряжений

Типичной пробой является рамка (рис. 11.26, а), состоящая из двух тонких брусков сечениями 10x15 мм и одного толстого сечением 20x20 мм, связанных перекладинами в жесткую конструкцию. Вследствие того что тонкие бруски охлаждаются быстрее, чем толстые, и усадка происходит больше, в них возникают растягивающие напряжения, а в толстых - сжимающие. Первоначально это вызывает в брусках упругие, а затем пластические деформации. После полного охлаждения температура тонких и толстого брусков выравнивается. Достигнутые пластические сжимающие деформации в толстом и растягивающие в тонких брусках не дают им возможность вернуться к первоначальным размерам. В результате в толстом бруске образуются растягивающие, а в тонких - сжимающие остаточные напряжения. После охлаждения на среднем толстом бруске делают две отметки, расстояние между которыми измеряется. Далее между отметками брусок разрезается. В результате остаточных растягивающих напряжений концы толстого бруска после разрезки расходятся. Измеряя расстояние между отметками и после разрезания, можно определить заторможенную упругую деформацию. Зная модуль упругости и размеры пробы, по деформации можно вычислить остаточное напряжение. Вместо рамки для пробы можно использовать скобу с перемычкой (рис. 11.26, б).

Внутренние временные напряжения, возникающие при охлаждении отливки, делятся на усадочные, фазовые и термические.

Усадочные напряжения. Они вызываются механическим торможением со стороны формы при высоких температурах. В отливках из железных сплавов от температур ниже солидуса до 700 °С они компенсируются пластическими

деформациями. Ниже 700 °С, ввиду возрастания упругости, они начинают накапливаться и достигают максимума при температуре около 200 °С, т. е. перед выбивкой. После извлечения из формы они обычно сжимаются. Особенно большое развитие усадочные напряжения получают при литье в металлические формы.

Если принять для стали а = 12*10"6, Е = 2-106 кгс/см2 и Г0 - Г = 700 °С, то при AL = 0 получим для напряжения довольно большую величину <т=168 кг/мм2 Если деформация AL составит хотя бы 0,5 % или 0,05, то напряжение

снизится до 68 кг/мм2.

Механическое торможение усадки возникает в отливках, имеющих внутренние полости и выступающие части (рис. 11.27), так как сокращение наружных размеров отливок встречает сопротивление формы.

В зависимости от материала формы (песчаная смесь, металлический кокиль и т. д.) это сопротивление приближенно характеризуют коэффициентом жесткости ц: для абсолютно податливых форм ц = 0, для абсолютно жестких fi = 1, а в общем случае 0 < // < 1. Способность формы к деформированию под влиянием усилий, развиваемых отливкой при усадке, обратная ее жесткости

определяет действительную усадку отливки еотл в отличие от свободной усадки есв, которую можно получить только в абсолютно податливой форме:

Вподатливых формах (ц « 0) деформация отливки минимальна (е « 0), в жестких формах (// « 1) деформация численно равна нереализованной (потенциально возможной) свободной усадке е « £св.

Вобласти высоких температур, когда металл находится в пластическом состоянии, деформации е, превышающие предельную пластичность материала 3, вызывают появление трещин, называемых горячими, или кристаллизационными. Это связано с тем, что в температурном интервале кристаллизации /л-гс, когда дендритные кристаллы частично разделены

прослойками жидкой фазы, пластичность металла резко снижается до 0,1-0,5 %; при этом даже незначительное торможение линейной усадки способно вызвать появление деформаций е, превышающих пластичность 3,

итогда образуется горячая трещина.

Вобласти низких температур, когда металл переходит в упругое состояние, деформации, вызванные торможением усадки, способствуют

появлению так называемых усадочных напряжений: ау= еЕ =(ieCBЕ = ar{iE(t*~ t\ где Е - модуль упругости; t - текущая температура; £св - потенциальная свободная усадка отливки с момента условного перехода металла из чисто пластического в идеально упругое состояние при температуре /*. По мере понижения температуры отливки усадочные напряжения ay(t) нарастают и достигают максимума после полного охлаждения (/ = tK= 0):

Если величина <ту(/) в какой-то момент превысит предел прочности <тв, произойдет разрушение и образуется так называемая холодная трещина.

Для уменьшения ау в отливках сложной конфигурации, испытывающих значительное механическое торможение усадки, важно не только снижать жесткость формы //, но также извлекать отливку из формы при такой температуре выбивки tDyкогда оуне достигает сгв, то есть

tn > t* ------(11.124) «т/'£

Очевидно, что усадочные напряжения не возникают, если выбивку производить при /в > Г*, однако при этом могут достигать опасной величины термические напряжения, поэтому необходимо выдерживать отливки в форме до некоторой оптимальной температуры.

Фазовые напряжения. Они вызываются выделением или исчезновением различных фаз или структурных составляющих при охлаждении отливки, имеющей удельный объем, отличный от матрицы.

При различных скоростях охлаждения и в различных частях отливок фазовые превращения протекают в разное время. Это и вызывает фазовые напряжения в отливке в целом.

При медленном охлаждении стальной отливки распад аустенита с образованием перлита происходит при более высоких температурах. Происходящее при этом увеличение удельного объема может компенсироваться пластическими деформациями. При более быстром охлаждении повреждение будет происходить при более низких температурах в упругой зоне и может вызвать ощутимые напряжения. При еще более быстром охлаждении (закалке) образуется мартенсит, обладающий значительной разницей удельных объемов в сравнении с аустенитом. Если мартенсит в поверхностном слое образуется, а в средней части нет, то это вызовет растягивающее напряжение в центре и сжимающее на поверхности.

В случае чугунных отливок выделение графита будет происходить в массивных частях с существенным возрастанием удельного объема. При этом растягивающие напряжения возникнут в поверхностном слое, а сжимающие - в середине сечения.

Термические (температурные) напряжения. Они вызываются различной скоростью охлаждения и неравномерным протеканием усадочных процессов в различных частях отливки. Эти напряжения обычно имеют наибольшую величину.

Термическое торможение усадки возникает в результате взаимных деформаций при неравномерном охлаждении различных частей отливки сложной конфигурации. Массивные и тонкие части отливки затвердевают не одновременно и охлаждаются с различной скоростью, в результате чего между ними возникают перепады температур, величина которых сначала возрастает, достигает максимума, а затем снижается до нуля при полном охлаждении 'отливки. В зависимости от изменения температуры обе части отливки сокращают свои размеры на величину (£CB)L 2 = ат М . 2, где индексы 1 и 2 относятся к тонкой и массивной частям соответственно. Если бы они были не связаны и их усадка не зависела друг от друга, тогда она была бы равна свободной: (е0Тл)1. = (^св)к В связанной системе более интенсивное сокращение размеров одной части вызывает деформации сжатия в другой и, наоборот, приводит к появлению деформаций растяжения в первой. Эти деформации равны разнице между потенциальной свободной усадкой и действительной усадкой отливки как единого целого:

В областях высоких температур (t > /*) деформации носят пластический характер и не приводят к появлению напряжений (Е « 0), хотя и вызывают снижение свойств металла в результате образования большого числа