книги / Теория литейных процессов

деформации части формы между ребрами во время усадки, отнесенной к

Очевидно, что в отливках, затруднение свободной линейной усадки которых вызвано формой (стержнем), горячие трещины начинают образовываться только тогда, когда

затвердевания отливки, когда в ней образуются горячие трещины; сг - действующее в отливке напряжение в тот же момент времени ее затвердевания; оно возникает при торможении свободной линейной усадки нижней части отливки на длине Я0 в результате действия силы ее тяжести G.

При литье одного и того же сплава обе схемы, изображенные на рис. 12.3, следует рассматривать как тождественные, а полученные равенства - как равносильные, если торможению свободной линейной усадки отливки на величину б соответствует напряжение ее растяжения а .

Таким образом, необходимое условие образования горячих трещин в отливках - торможение свободной линейной усадки сплава во время затвердевания расплава в литейных формах.

Величина деформации б в отливках из одного и того же сплава в основном зависит от податливости б^ формы и стержней; при литье в

неподатливые формы е принимает наибольшее значение.

Достаточное условие образования горячих трещин в отливках - равенство относительной деформации их растяжения (растягивающего напряжения в них), возникающей вследствие торможения свободной линейной усадки затвердевающего сплава, величине предельной относительной деформации растяжения (пределу прочности на разрыв) данного сплава.

Из формул (12.2) и (12.3) ясно, что горячих трещин в отливках не будет,

если

затруднением свободной линейной усадки, лучше вообще без элементов торможения усадки. Такой путь является наиболее радикальным, но не приемлем для большинства фасонных отливок.

Второй путь - увеличение податливости £h формы и стержней; он

следует из анализа формулы (12.1). Литейщики-технологи давно разработали специальные податливые смеси для форм и стержней, используют оболочковые стержни и т. п.

Третий путь - увеличение деформационной способности Go (предела прочности оь) и уменьшение свободной линейной усадки Gy сплавов

(усадочных напряжений <ту); он следует из анализа формул (12.1)—(12.4). На этом основании литейщики-технологи разработали специальные литейные сплавы.

Последний путь представляется предпочтительным, так как для получения точных отливок используются неподатливые и малоподатливые формы (металлические формы в виде кокилей и пресс-форм при литье под давлением, а также керамические).

Для гарантированного предупреждения образования горячих трещин в отливках при литье в металлические формы необходимо, чтобы

где Gy - растягивающее напряжение в отливке, вызванное полным

торможением свободной линейной усадки; сгр - растягивающее напряжение в отливке, соответствующее ее деформации на Gp, которое возникает в результате

термического расширения формы и стержней во время затвердевания.

12.3.2. Теория образования горячих трещин в отливках

Цель теоретического анализа процесса образования горячих трещин - выявление комплекса существенных для этого процесса факторов. Однако существующая теория ограничивается анализом факторов, определяющих лишь горячеломкость сплавов.

Металловеды и литейщики ввели понятие о склонности сплавов к образованию горячих трещин и о сопротивляемости сплавов к горячим трещинам. Эти термины часто заменяют еще одним термином - горячеломкость сплавов - технологическое свойство сплавов образовывать горячие трещины в отливках. Определяют это свойство с помощью различных технологических проб - отливок, в которых различными способами создается измеряемое (контролируемое) торможение линейной свободной усадки при постоянных режимах литья. С помощью этих проб можно установить большую или меньшую склонность сплавов к образованию горячих трещин в отливках, выбрать сплавы с повышенной сопротивляемостью горячим трещинам при литье, но невозможно указать надежные и технологические способы предохранения фасонных отливок от растрескивания во время затвердевания.

жидкого сплава невелик, то прослойки расплава между кристаллами могут хрупко разрушаться, в результате чего образуется горячая трещина.

Чем шире ЭИК, тем больше склонность сплава к образованию горячих трещин (рис. 12.4, б).

На основе изложенного можно сделать следующие выводы: горячеломкость сплава можно характеризовать количественно

разностью

величины бо, оо и £у, сгу необходимо измерить у температуры Г5 солидуса сплавов, т. е. на нижней границе ЭИК, так как свободная линейная усадка сплавов увеличивается по мере снижения температуры от Ту до Г5.

Поэтому у Ts деформация Gy растяжения сплавов и растягивающее

напряжение сгу, возникающие в результате полного торможения свободной линейной усадки отливки, максимальные.

2. Показатель горячеломкости сплавов по H. Н. Прохорову

Если принять, что деформационная способность Go сплавов определяется

пластической деформацией ç, растяжения (пластичностью) сплавов, зафиксированной в момент разрушения при Г5, то согласно теории технологической прочности первая разность из (12.6) при Go = ^ является

характеристикой горячеломкости сплавов.

Деформационная способность сплава в твердожидком состоянии обусловлена в основном циркуляцией расплава между кристаллами, возникающей при растяжении затвердевающей отливки. Толщина прослоек расплава уменьшается по мере снижения температуры до Г5, следовательно, при Ts пластичность $1Лсплава минимальна.

Так как при Ts деформация Gy растяжения сплава в результате полного

торможения свободной линейной усадки отливки максимальна, то разность £^л и G, при Ts минимальна и она может служить характеристикой (показателем)

горячеломкости сплавов:

Величина £ьл замерена как остаточная деформация плоских образцов сплава после их разрыва при заданной температуре Т внутри интервала

кристаллизации.

Величина Gy замерена при непрерывном охлаждении образца сплава со

скоростью 10 К/с. При этом

Т,К

9 0 0

8 0 0

7 0 0

à,%

V

0,2

Рис. 12.6. Запас пластичности А и условный запас пластичности ЗП (6), показатель горячеломкости ПГ (в) для сплавов Al с Si (а)

3. Статическая теория образования трещин в отливках

Образование трещин рассматривают в настоящее время с позиции двух теорий прочности: статической и кинетической. Кинетическая теория прочности еще недостаточно развита и пока еще не применяется для объяснения процесса образования трещин.

Со статической точки зрения условие образования трещин в отливках

Наиболее полным условием является выражение (12.13), учитывающее в комплексе (12.11) и (12.12). Однако условия (12.12) и (12.13) в настоящее время разработаны еще недостаточно в связи с отсутствием экспериментальных

значений свойств литейных сплавов, поэтому для анализа вероятности образования трещин используется только выражение (12.11).

Из выражения (12.11) следует, что трещины возникают при условии, когда напряжения достигают предела прочности материала при данной температуре. Это значит, что процесс возникновения и развития трещин в отливках зависит не от абсолютных значений прочности и напряжений, а от их соотношений. В отливке с меньшим уровнем напряжений может образоваться трещина вследствие низкой прочности материала в данный момент, а в отливке с большим уровнем напряжений - нет. Поэтому необходимо рассмотреть основные закономерности изменения прочности и пластичности сплавов в период формирования отливок.

Механические свойства литейных сплавов с момента возникновения напряжений в отливках, часто совпадающего с температурой начала усадки, изменяются в широких пределах. К сожалению, этому вопросу уделяется мало внимания, и поэтому сведения, которые должны быть справочными, недостаточны.

В связи с этим рассматриваются только общие закономерности, полученные на обобщении экспериментальных результатов нескольких марок стали и силумина.

На рис. 12.7 показана схема изменения прочности (7) и удлинения (2) стали в зависимости от температуры. В области высоких температур значения этих показателей минимальные. Резкое повышение их (особенно пластичности) совпадает с температурой солидуса (а точнее, с исчезновением жидкости между кристаллами). Поэтому интервал /„.y- fc, показанный на рис. 12.8, носит название температурного интервала хрупкости. Прочность сталей 25Л, ЗОХНМФЛ и 110Г13Л в этом интервале составляет соответственно 0,3; 0,7 и 1,1 МПа, а относительное удлинение около 1 %, тогда как при температуре несколько ниже tc оно возрастает до 200-300 %.

Установлено, что прочность стали в интервале хрупкости зависит от таких примесей, как S, Р и 0 2, которые понижают поверхностное натяжение жидкой прослойки и температуру ее затвердевания tc. В связи с этим многие

исследователи считают, что горячие трещины могут образовываться только в ТИХ. Однако внешний вид нередко встречающихся горячих трещин вызывает сомнение в справедливости этого утверждения. На это указывает также факт охрупчивания однородных сплавов с узким интервалом кристаллизации вблизи, но ниже гс, когда появляется вторичная сетка полигональных границ как следствие возникновения стенок дислокаций под действием усадочных и термических напряжений.

Здесь необходимо вспомнить упоминавшийся термин - эффективный интервал кристаллизации, введенный А. А. Бочваром, чтобы акцентировать внимание на важности этого периода, совпадающего и характеризующего процесс окончания кристаллизации с позиций возникновения напряжений и уровня механических свойств.

Неблагоприятное влияние на комплекс механических свойств в этом температурном интервале оказывают такие дефекты структуры, как неметаллические включения (особенно в виде пленок), усадочные и газовые раковины. Установлено также, что поверхностная прочность сплавов связана с газовой средой, особенно при высоких температурах, когда происходит интенсивное взаимодействие металлов с активными газами (эффект Ребиндера).

Таким образом, прочность и пластичность сплавов в температурном интервале формирования отливок (от /„.у до температуры окружающей среды) зависят от температуры, химического состава сплава, наличия, формы и расположения неметаллических включений и других дефектов структуры отливок, а также газовой среды. Все это приводит к неравномерности прочности в отдельных участках отливки, находящейся в напряженном состоянии. В один и тот же момент в разных участках (сечениях) отливки прочность может отличаться в сотни и тысячи раз, что приводит к неравномерности деформаций и к разрушению (образованию трещин).

Из вышеизложенного следует, что образование трещин в отливках является весьма сложным и многофакторым процессом. Для его анализа в каждом конкретном случае с целью создания необходимых условий формирования отливки успех может быть достигнут только в том случае, если будут учтены все факторы. Это вызывает необходимость четкой классификации известных факторов.

На основе изложенной теории образования трещин как процесса разрушения материала в специфических условиях факторы подразделяются на две группы:

факторы, связанные с возникновением и развитием напряжений в

отливке;

факторы, которые влияют на формирование механических свойств (прочности и пластичности) в различных частях (элементах) отливок.

Однако такая классификация недостаточна, так как не связывает факторы с технологическими параметрами. Поэтому множество факторов, влияющих на уровень напряжений и механических свойств сплавов в период формирования, которые при определенных сочетаниях приводят к возникновению и развитию трещин, по технологическому признаку подразделяются на три группы:

факторы, обусловленные природой сплава, в том числе технологией выплавки;

факторы, связанные со своеобразием конструкции отливки; факторы, заложенные в технологии литейной формы.

Первая группа факторов характеризует трещиноустойчивость сплава, вторая - технологичность отливок, а третья - качество технологии, а точнее, соответствие технологии, особенностям конструкции отливки и свойствам сплава. Из этого следует, что технология отливки разрабатывается с учетом трещиноустойчивости сплава и конструкции отливки.

Склонность сплавов к хрупкому межкристаллитному разрушению в ТИХ принято (Г. Ф. Баландин, В. М. Александров и др.) называть горячеломкостью. Обратную характеристику, т. е. сопротивляемость сплавов образованию

трещиноустойчивости сплавов и соответствующих им единиц измерения. Наибольшее распространение получили методы заливки проб, в которых в качестве показателей трещиноустойчивости приняты наличие, величина, количество и раскрытие трещин в отдельных элементах проб, а также параметры самой пробы (длина, диаметр утолщения и нагрузка, вызывающая образование трещин). Предлагались расчетные методы определения трещиноустойчивости, базирующиеся на величинах усадки, деформационной способности, прочности и напряжениях. Однако, несмотря на существенные преимущества, расчетные методы не получили применения.

Поиски приемлемых и надежных методов привели к новым показателям

V^УС

выраженных равенствами (12.11)-(12.13). По упомянутой причине здесь рассматривается трещиноустойчивость только как запас технологической прочности.

В процессе формирования отливки трещиноустойчивость изменяется в зависимости от температуры и скорости охлаждения в соответствии с

закономерностями развития напряжений и механических свойств (рис. 12.7 и 12.8).

Анализ характера изменения трещиноустойчивости Тс стали перлитного

класса (рис. 12.9) позволяет сделать следующие выводы:

1. Трещиноустойчивость сплава во всем интервале формирования, отливок (от у до 25 °С) выше 1, что означает возможность получения отливок без трещин даже в условиях полного торможения усадке.

2. При охлаждении стали перлитного класса в условиях полного торможения усадке возникают три минимума трещиноустойчивости: вблизи tC9

при температуре начала перлитного превращения и к концу охлаждения, которым соответствуют периоды образования горячих (кристаллизационных) и холодных трещин. Минимальные значения трещиноустойчивости в ТИХ, которые обусловливают образование горячих трещин в отливках из стали 25Л, ЗОХНМФЛ и АК9 соответственно составляют 1,0; 1,2; 3. Показатель трещиноустойчивости имеет определенный физический смысл и используется для расчета трещиноустойчивости отливок, а также условий предупреждения трещин в них.

Тс

Рис. 12.9. Схема изменения трещиноустойчивости стали перлитного класса

Следует отметить, что сплавы, которые не претерпевают полиморфных превращений, имеют только два минимума, соответствующие кристаллизационным и холодным трещинам.

Для оценки трещиноустойчивости отливок используется тот же запас технологической прочности, только не сплава, а конкретной отливки.

(12.14)

Отличие их состоит в том, что напряжения, обусловленные торможением усадки, относятся непосредственно к конкретной отливке, в которой они могут быть больше и меньше o°(f). Количественно оно (отличие) выражается степенью локализации m(t):