книги / Теория литейных процессов

Совместное решение уравнений (12.16) и (12.19) позволяет выразить

где /77] и пи - степень локализации деформации в участках соответственно 1 и 2 неравностенной отливки (или равностенной, но с участками, охлаждающимися по разным режимам).

Степень локализации деформации оценивает отклонение фактической относительной деформации от величины свободной относительной усадки. Из (12.22) и (12.23) видно, что степень локализации деформации в участках определяется конструкцией отливки (/ и J), режимом охлаждения участков (Д/i / Дь) и податливостью формы (Д/о).

Степени локализации деформации в участках одной отливки взаимозависимы. Понижение т\ неизбежно ведет к повышению m2 и наоборот. Теоретически они могут изменяться от 0 до бесконечности по схеме, изображенной на рис. 12.9.

В равностенной отливке, охлаждающейся по всей длине совершенно одинаково, т - 1, а трещиноустойчивость равна трещиноустойчивости сплава и

трещины не образуются. К такому состоянию можно привести отливку с неравномерной толщиной путем создания определенного необходимого режима охлаждения массивного участка или за счет регулирования режимов охлаждения в каждом участке так, чтобы т\ и пъ не превышали Тс

(трещиноустойчивость сплава), что вытекает из (12.15) при условии T0(t) > 1.

Это значит, что условие получения отливок без трещин выражается следующим неравенством:

для большинства сплавов на основе железа мало отличается от 1 (1,15-1,2), можно представить крайнюю необходимость в достаточной точности расчета режимов охлаждения в каждом участке.

Величина m в участках зависит от соотношения длины участков.

Уменьшение длины быстро охлаждающего участка благоприятно, а медленно охлаждающегося приводит к повышению вероятности образования трещин в отливке.

Однозначно влияет на величину m податливость, проявляющаяся в абсолютной усадке (Д/о). При увеличении Д/0 понижается m во всех участках

вплоть до 0 (свободная усадка). В связи с этим до сих пор литейщики предпочитают такие способы предупреждения трещин в отливках, которые предусматривают повышение податливости формы. Из условия (12.26) с учетом (12.22) и (12.23) можно рассчитать Д/0, которая предотвращает образование трещин.

Степень локализации деформации в отливке, представляющей собой один равномерно охлаждаемый участок по всей длине (<тв(/) > сг°(г)), не зависит

При положительном значении Д/0 величина m всегда меньше 1, т. е.

трещины не образуются.

Таким образом, теоретически можно получить любую отливку без трещин, регулируя m так, чтобы соблюдалось условие (12.26). Практически же

выполнить это условие удается не всегда вследствие большой трудности регулирования скорости охлаждения в отливках сложных конструкций. Поэтому конструкции литых заготовок создаются при участии литейщиков, которые определяют возможность изготовления ее литьем.

12.4.Влияние различных факторов на горячеломкость сплавов

12.4.1.Связь горячеломкости с диаграммой состояния сплавов

В двойных системах с увеличением содержания второго компонента горячеломкость изменяется по кривой с ярко выраженным максимумом (рис. 12.4), Максимальной горячеломкостью обладает сплав, практически совпадающий по составу с концентрационной границей появления эвтектики в неравновесных условиях кристаллизации, или сплав, содержащий очень небольшое количество эвтектики в виде тонких прожилок по границам зерен. Это обусловлено тем, что на этой границе сплав имеет максимальный эффективный интервал кристаллизации и линейную усадку в интервале кристаллизации. Если горячеломкость при первых добавках легирующего элемента к чистому металлу растет из-за расширения интервала хрупкости, то последующее снижение горячеломкости при повышении содержания эвтектики происходит вследствие увеличения относительного удлинения в интервале хрупкости и уменьшения линейной усадки в интервале кристаллизации.

12.4.2.Влияние состава сплава на горячеломкость сплавов двойных систем эвтектического состава

Впервые взаимосвязь между горячеломкостью и температурным интервалом линейной усадки была установлена А. А. Бочваром. Было показано, что эффективный интервал кристаллизации возрастает до концентрационной границы появления эвтектики в неравновесных условиях, а затем уменьшается до нуля (кривая 1 на рис. 12.10). Как видно, неравновесная диаграмма

состояния сдвинута относительно равновесной в сторону одного из компонентов, в результате чего эвтектическая составляющая образуется в системе при более низких концентрациях второго компонента.

Рис. 12.10. Связь горячеломкости с диаграммой состояния сплава (Новиков И. И.)

В табл. 12.1 приведены данные о сдвиге концентрационных границ образования эвтектической составляющей для трех скоростей охлаждения.

Таблица 12.1

Концентрационная граница появления неравновесных составляющих в сплавах различных систем__________

Таким образом, по А. А. Бочвару, горячеломкость тем выше, чем больше эффективный интервал кристаллизации. Однако на практике (при неравновесных условиях кристаллизации) иногда существует сдвиг максимумов горячеломкости и эффективного интервала хрупкости.

12.4.3. Влияние количества эвтектики на горячеломкость сплавов

При увеличении количества эвтектики происходит уменьшение горячеломкости. Это связано с ростом запаса пластичности в твердожидком состоянии, что сопровождается увеличением относительного удлинения в интервале хрупкости и уменьшением линейной усадки кристаллизации. Основной причиной этого явления является увеличение количества жидкой фазы, кристаллизующейся при постоянной температуре сплава. Очень часто при увеличении эвтектики происходит уменьшение зоны столбчатых кристаллов, сопровождающееся измельчением зерна, что также является важнейшим фактором уменьшения горячеломкости (рис. 12.11).

ПГ%

Рис. 12.11. Влияние размера зерна на горячеломкость (ПГ) сплава Cu+3 % Си+5 % Fe (Новиков И. И.)

12.4.4. Горячеломкость в системах, компоненты которых образуют непрерывный ряд твердых растворов в твердом и жидком состояниях

При кристаллизации сплавов систем, имеющих широкие области растворения компонентов, линия солидуса может приближаться к температуре плавления легкоплавкого компонента (штриховая линия на рис. 12.12). Следствием этого является существенное различие в температурах равновесного и неравновесного солидуса. Максимум горячеломкости соответствует максимальному неравновесному эвтектическому интервалу кристаллизации сплава. При неравновесной кристаллизации дендритная ликвация является фактором сдвига максимума горячеломкости в сторону тугоплавких компонентов, что имеет место в системах Cu-Ni и Cu-Mn.

Рис. 12.12. Горячеломкость сплавов систем, компоненты

которых образуют непрерывные твердые растворы в жидком

итвердом состояниях (Новиков И. И.)

12.4.5.Горячеломкость в системах, компоненты которых образуют перитектику

Вперитектиках горячеломкость увеличивается при добавлении к металлу-основе второго компонента и достигает максимума в области наибольшего эффективного интервала кристаллизации (рис. 12.13).

Сплав с максимальной горячеломкостью содержит небольшое количество перитектической составляющей. Этому сплаву соответствует максимальный эффективный температурный интервал кристаллизации и максимальная линейная усадка.

Всистеме Си-Со (рис. 12.13) дендритная ликвация развивается быстрее из-за большой разницы между температурами солидуса и ликвидуса. Поэтому максимальный эффективный интервал кристаллизации сдвинут в сторону более тугоплавкого элемента Со.

ПГу.

Рис. 12.13. Горячеломкость систем перитекгического типа (Новиков И. И.)

12.4.6. Влияние формы и размера зерна на горячеломкость

Как было сказано выше, одним из важнейших факторов управления горячеломкостью является размер зерна (рис. 12.11). Измельчение зерен приводит к устранению брака по горячим трещинам в фасонных отливках и сварных швах. Уменьшение размеров зерен сужает температурный интервал хрупкости, повышает относительное удлинение сплава в интервале хрупкости, снижает температуру начала линейной усадки и уменьшает величину усадки в эффективном интервале кристаллизации. Все это приводит к увеличению пластичности сплава.

Укрупнение зерна может произойти из-за увеличения перегрева расплава или продолжительности выстаивания расплава, что приводит к повышению горячеломкости. Введение модификаторов является эффективным методом снижения горячеломкости. Касаясь влияния формы зерна на горячеломкость, можно отметить, что переход от столбчатой структуры к равноосной повышает относительное удлинение в интервале хрупкости и уменьшает величину усадки, что снижает горячеломкость.

Таким образом, горячие трещины представляют собой несплошности, возникающие при высоких температурах под действием усадочных и термических напряжений. Как правило, они возникают еще до окончания затвердевания отливки в температурном интервале кристаллизации, постоянно расширяясь и удлиняясь до температур ниже солидуса (рис. 12.14).

Горячие трещины от термических напряжений - специфические дефекты массивных отливок жесткой или умеренно податливой конструкции, иногда без механического торможения усадки. В результате различного хода усадки поверхностных и внутренних частей отливки образуются так называемые зональные горячие трещины. Возникновение этих трещин можно предупреждать, уменьшая разность температур сечения отливки, заливая металл в прогретую форму.

Горячие трещины от термических и усадочных напряжений появляются в переходах и сопряжениях стенок отливок, например в отливке стального маховика, и термические напряжения преобладают над усадочными. Для ликвидации трещины необходимо создание плавного перехода или ускоренное охлаждение венца, т. е. уменьшение разницы температур венца и диска.

Аналогичные дефекты образуются и в сочленениях стенок отливки (рис. 12.16). Чем меньше закруглен переход, тем меньше напряжения, достаточные для образования горячих трещин. Острый угол является тепловым узлом, в котором дольше сохраняется жидкий сплав, тем самым создавая условия для образования трещин. Предупредить образование горячих трещин в переходах можно, или увеличивая радиус закругления, или размещая ребра в плоскости действия сил усадки, или устанавливая холодильники (рис. 12.16).

Рис. 12.16. Примеры ликвации горячих трещин в отливках (Пржибыл Й.)

12.5.Способы предохранения отливок от образования в них горячих

трещин

Радикальным и надежным способом предохранения отливок от горячих трещин является обеспечение гарантированной трещиноустойчивости литых деталей еще на стадии их конструирования:

1. Необходимо располагать элементы затруднения линейной усадки на таком расстоянии друг от друга, которое меньше, чем величина ЬК9 найденная для данного сплава с помощью технологических проб. Существует такое расстояние I 0 = LK между элементами торможения усадки, превышение которого приводит к образованию горячих трещин в отливках. Этот размер LK зависит от толщины стенок отливки, ее конструкции, режимов литья и свойств сплава, в частности от еь и еу (<т0, <ту).

Речь должна идти не о ликвидации элементов затруднения усадки, как иногда рекомендуют в технологических руководствах. Речь должна идти о

конструировании детали с учетом максимально допустимого расстояния между этими элементами, ибо во многих случаях расстояние между ребрами, приливами, бобышками и т. п. назначается произвольно. В случае функционального назначения этих элементов прибегают к другому пути, где не требуется принципиального изменения конструкции.

2. Между элементами затруднения усадки, находящимися на расстоянии друг от друга большем LK, необходимо предусмотреть дополнительные элементы затруднения усадки, с тем чтобы новое расстояние между ними стало меньше LK.На этом пути есть следующие возможности:

новые элементы затруднения усадки, чаще всего ребра, толщина которого меньше тела детали, вводятся в состав конфигурации литой детали;

если предыдущая возможность исключается из-за требования к массе отливки, то следует рассматривать дополнительные ребра как технологические, обеспечивающие гарантированную трещиноустойчивость отливки, но подлежащие удалению при обработке литой детали (например, технология литья тонкостенных панелей из сплава МЛ5 выжиманием);

упрочнение тепловых мест тела отливки холодильниками и литейными ребрами.

Вопросы для самоконтроля знаний

1.Как классифицируются трещины в отливках?

2.Что такое торможение усадки пассивными и активными силами?

3.Какие типы проб для определения склонности сплавов к образованию трещин Вы знаете?

4.Перечислите технологические пробы для оценки склонности сплавов к образованию горячих трещин.

5.В чем заключается физическая сущность образования горячих трещин?

6. При каких условиях образуются горячие трещины? Меры (пути) борьбы с ними.

7.Как влияет эффективный интервал кристаллизации сплавов на процесс трещиообразования?

8. Что такое показатель горячеломкости по H. Н. Прохорову?

9.Коротко перечислите основные моменты статистической теории образования трещин в отливках.

10.Какие факторы влияют на трещиноустойчивость сплавов?

11.Что такое степень локализации деформации? Как можно ее определить?

12.Какое неравенство характеризует условие получения отливок без трещин?

13.Какая связь существует между горячеломкостью и диаграммами состояния сплавов?

14.Как влияет химический состав на горячеломкость сплавов двойных систем с эвтектикой и перитектикой?

15.Как изменяется горячеломкость сплавов при образовании непрерывного ряда твердых

растворов?

16.Как влияют форма и размер зерна на горячеломкость сплава?

17.Какие способы предохранения отливок от образования в них горячих трещин Вы знаете?