Усадка сплавов при литье и методы его компенсации

Усадка - сокращение размеров тела при переходе из расплавленного состояния в твердое или с более нагретого в менее нагретом состоянии.

Различают объемную и линейную усадку.

- Объемная усадка - уменьшение объема тела.

- Линейная усадка - уменьшение размера тела в прямолинейном направлении (по длине или ширине).

Усадка в различных материалах различна и зависит от степени их нагрева, способа охлаждения и др. Степень усадки материала характеризуется отношением уменьшенного объема изделия к начальному его объему и выражается в процентах. Сокращение объема тела при охлаждении его на 1 градус называется коэффициентом усадки. Линейную усадку металлов и их сплавов, а также других материалов можно определить дилатометром.

Объемную усадку пластических масс в процессе их полимеризации или структурирования определяют с помощью оптического Катетометра. При изготовлении зубных протезов и лечебных аппаратов следует учитывать усадку материалов. Для более полного соответствия величины протезов, изготавливаемых подбирают материалы, имеющие минимальную усадку. Используют также такую ​​технологию изготовления и способы обработки изделий, которые наиболее полно компенсируют усадку материала. Например при отливке безпаяных мостовидных протезов из хромникелевой нержавеющей стали в качестве формовочной массы используют маршалит, пластифицированный гидролизованый этилсиликатом, или сухой кварцевый песок, который при определенном режиме термической обработки полностью компенсирует усадку стали, поэтому изготовленные протезы имеют точно определенную форму и размеры и без дополнительного препарирования зубов накладываются на опорные зубы.

При переходе металла из расплавленного состояния в твердое выделяют три периода усадки: усадка в жидком состоянии, усадка в период затвердевания и усадка в твердом состоянии.

1. Усадка металла в жидком состоянии, т.е. в состоянии от температуры заливки его в форму до появления первых кристаллов, характеризуется снижением поверхности жидкого металла в форме в следствии уменьшения объема сплава при охлаждении. Чем выше начальная температура металла, тем большее снижение уровня поверхности расплава в воронке формы для литья, однако на размеры отливки в разных ее участках и плотности массы это не влияет, так как недостаточное для заполнения формы количество сплава непрерывно поступает по литниковым ходам.

2. Усадка в период затвердения характеризуется непрерывным увеличением количества твердеющего металла и уменьшением количества его жидкой части. После затвердевания жидкой части сплава (точка S) этот период заканчивается. Затвердевание (кристаллизация) металла сначала начинается там, где наиболее низкая температура, то есть в участках соприкосновения его со стенками формы. В связи с этим контуры отливки и его размеры во втором периоде усадки почти всегда остаются постоянными. Более существенные изменения происходят внутри отливки. В связи с невозможностью поступления новой порции расплава для компенсации усадки внутри отливки в толще последней образуются усадочные полости или раковины. Объем усадочных раковин зависит от величины усадки, которая в свою очередь находится в прямой зависимости от величины отливки, степени нагрева расплава и его физико-химических свойств.

Размещение усадочных раковин зависит от размещения термического узла отливки, силы тяжести металла или силы, под воздействием которой происходит заполнение формы для литья расплавом.

На образование усадочных раковин влияет также теплопроводность формы и скорость охлаждения отливки. При искусственно замедленном охлаждении отливки можно достичь такого положения, при котором в период затвердевания усадочные микрораковины будут равномерно размещены по всему сечению отливки. При этом в разрезе или сломе деталь будет казаться хорошо отлитой, в то время как ее механические свойства действительности снижены, а плотность уменьшена. При металлографическом исследовании обнаруживается большое количество микропор.

3. Усадка в твердом состоянии. Этот период характеризуется упорядоченным расположением атомов в кристаллической решетке. Размеры этой решетки с понижением температуры уменьшается, чем объясняется уменьшение отрицательных и линейных размеров отливки. Для компенсации этой усадки следует использовать формовочные массы, имеющие достаточный коэффициент термического расширения.

Форму перед заливкой металла предварительно подогревают до температуры, при которой ее термическое расширение максимальное, и может компенсировать усадку материала в твердой фазе.

Условно разделяют усадку на три основных этапа, неправильно рассматривать эти процессы изолированно друг от друга. Усадка как в жидком, так и в твердом состоянии происходит параллельно, однако усадка жидкой части метала и сплавов чаще протекает быстрее, что обусловливает образование усадочных раковин.

На каждом этапе усадки предусмотрены свои профилактические приемы предупреждения образования усадочных раковин, однако наиболее важными из них является правильное определение термического узла и реальной компенсации усадки за счет термического расширения формы. Каждый термический узел должен иметь свой литник и дополнительный питатель (прибили).

Компенсация усадки металлов при литье достигается использованием технологических способов:

1. Изготовление моделей, которые выплавляются увеличенными на величину усадки размеров. Это достигается применением компенсационных лаков. Так, при отливке путем снятия восковых репродукций из модели (цельнолитые коронки, мостовидные протезы), препарированных зубов на модели перед восковым моделированием покрывают компенсационным лаком. При твердении лак дает пленку определенной толщины, которая соответствует величине усадки определенного сплава.

2. Применение материала типа «Адепта» для моделирования репродукций каркасов цельнолитых коронок. При этом внутренний колпачок толщиной 0,1 мм выполняет ту же функцию, что и компенсационный лак.

3. Литье каркасов съемных (бюгельных, ЧС пластиночных с металлическим базисом) на моделях с огнеупорной массы. Расширение модели компенсирует усадку сплава при отливке.

4. Построение литниковой системы с созданием резервных муфт, которые обеспечивают поступление металла в области расположения деталей каркасов, компенсируя усадку на периферии отливки.

5. Размещение литниковой системы в «центре тепла» опоки, а деталей отливки на периферии обеспечивает возможность постоянного поступления расплавленного сплава и профилактики образования пор в отливке.

6. Создание в литниковой системе дополнительных газоотводных каналов.

7. Использование для создания огнеупорных форм (опок, муфелей, формовочных масс, КТР которых соответствует величине усадки сплава, которые отливаются).

8. Использование для создания репродукций каркасов беззольных моделирующих материалов (восков, пластмасс) с минимальной усадкой.

9. Соблюдение технологии и температурных режимов при формовании и разогреве опок (муфель) и при отливке.