168

Чем выше давление, под которым расплав перемещается через двухфазную зону к затвердевающим местам отливки, тем меньше рассеянная пористость.

Для предупреждения образования пористости в утолщениях стенок с целью выравнивания скорости затвердевания металла на этих участках устанавливают холодильники.

Тема 7.3. Горячие трещины в отливках

Механизм образования горячих трещин

Трещины представляют собой частичное или полное разрушение частей отливки, вызванное достижением предела прочности сплава растягивающими напряжениями, развивающимися в результате противодействия усадке в твердом состоянии со стороны тех или иных сил.

Трещины подразделяются на холодные и горячие. Холодные трещины имеют блестящую поверхность, обычно с цветами побежалости и незначительным расхождением между краями. Они образуются при низких температурах (ниже 700 0С для стали и чугуна) после полного затвердевания отливок. Горячие трещины имеют черную окисленную поверхность и значительное расхождение между краями. Они образуются вблизи температур кристаллизации, когда в средней части отливки имеется жидкий металл.

Силы, тормозящие усадку и вызывающие напряжения, можно разделить на пассивные (рис. 7.11, а) и активные (рис. 7.11, б).

169

Рис. 7.11. Торможение усадки пассивными (а) и активными (б) силами

Величина пассивных сил может существенно снижаться за счет пластической деформации отливки. К этой группе сил относятся:

-торможение усадки формой, обладающей низкой податливостью;

-торможение усадки одних частей отливки другими, охлаждающимися с различными скоростями.

Величина активных сил не зависит от пластической деформации и материала отливки. К этой группе сил относятся:

-нагрузка упругим элементом;

-гидростатический напор металла;

-центробежное давление при центробежной отливке;

-масса отливки в случае зависания на корочке.

Склонность сплавов к образованию горячих трещин оценивается при помощи следующих проб (рис. 7.12).

1. Оценка по критическому размеру образца. В качестве критического размера может применяться длина образца. На образце с фланцами (рис. 7.12, а) делается утолщение, охлаждающееся медленнее, чем основная часть.

170

Рис. 7.12. Типы проб для определения склонности сплавов к образованию трещин

Вэтом утолщении трещина и возникает. Чем длиннее тонкая часть образца, тем больше ее деформация и выше напряжение в толстой части. Из испытываемого образца отливается серия образцов разной длины. Длина образца, начиная с которой трещины образуются, рассматривается как степень трещиноустойчивости сплава.

Вкачестве критерия оценки может служить также расстояние металлической перекладины от основания П-образного образца, при котором в углу образуется трещина (рис. 7.12, б). Чем больше расстояние перекладины от основания отливки, тем больше плечо, выше изгибающее напряжение и вероятнее образование трещины.

2. Оценка по размеру трещины. В качестве критерия в этом случае применяются: длина, ширина, площадь или количество трещин на образце, отливаемом в условиях, когда они обязательно образуются. Такие пробы обычно имеют форму колец (рис. 7.12, в), заливаемых на металлических стержнях различного размера. Проба с распоркой, показанная на рис. 7.12, б, также может служить для оценки размеров трещин при постоянном положении ее установки. Пробы, имеющие форму ко-

171

лец, обычно используются для цветных сплавов, пробы с распоркой – для черных.

3. Оценка по критической нагрузке. В этом случае образец заливается таким образом, что к одному из его концов заранее приложена нагрузка (7.12, г). Отливая серию образцов с различными нагрузками, можно установить, при какой из них начинается образование трещин.

На образование трещин в отливках оказывают влияние следующие факторы:

-линейная усадка сплава;

-механические свойства (прочность, пластичность, упругость) сплава при высоких температурах;

-особенности затвердевания, в том числе образование «слабых мест» в твердой корке;

-податливость формы, т. е. сопротивление усадке отливки.

Горячие трещины возникают во время затвердевания, поэтому их часто называют кристаллизационными.

Горячие трещины появляются тогда, когда деформация растяжения, развивающаяся в затвердевшей отливке на длине L0 при торможении ее свободной усадки в результате сопротивления части формы между поперечными ребрами высотой d (рис. 7.13, а), исчерпывает деформационную способность сплава (f0 – площадь поперечного сечения тела отливки).

Условимся деформационную способность затвердевающего сплава характеризовать ε0 – предельной относительной деформацией растяжения сплава в момент времени затвердевания отливки, когда в ней образуются горячие трещины. Пусть ε – относительная деформация растяжения отливки в тот же момент времени ее затвердевания, численно

172

где εу – относительная свободная линейная усадка сплава в момент вре-

мени образования горячих трещин в затвердевающей отливке; εп – относительная податливость формы (для схемы на рис. 7.13, а, равная абсолютной деформации части формы между ребрами во время усадки, отнесенной к расстоянию L0 между ними); εр – относительное расширение формы в результате ее нагревания во время затвердевания отливки (для схемы на рис. 7.13, а, εр равна абсолютному расширению части формы между ребрами, отнесенному к той же длине L0).

Рис. 7.13. Варианты затруднения свободной линейной усадки отливок: а – формой; б – массой отливки

Очевидно, что в отливках, затруднение свободной линейной усадки которых вызвано формой (стержнем), горячие трещины начинают обра-

затвердевания отливки, когда в ней образуются горячие трещины; σ − действующее в отливке напряжение в тот же момент времени ее затвердевания; оно возникает при торможении свободной линейной усад-

173

ки нижней части отливки на длине Н0 в результате действия силы ее тяжести G.

При литье одного и того же сплава обе схемы, изображенные на рис. 7.13, следует рассматривать как тождественные, а полученные равенства – как равносильные, если торможению свободной линейной усадки отливки на величину ε соответствует напряжение ее растяжения

σ.

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

Величина деформации ε в отливках из одного и того же сплава в ос-

новном зависит от податливости εп формы и стержней; при литье в не-

податливые формы ε 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 (7.31) и (7.32) ясно, что горячих трещин в отливках не будет, если

Первый путь – создание конструкции отливок с минимальным затруднением свободной линейной усадки, лучше вообще без элементов торможения усадки. Такой путь является наиболее радикальным, но трудно реализуемым для большинства фасонных отливок.

174

Второй путь – увеличение податливости εп формы и стержней; он следует из анализа формулы (7.30). Для этого необходимо использовать специальные формовочные и стержневые смеси с повышенной податливостью (например, с добавлением опилок).

Третий путь – увеличение деформационной способности ε0 (предела прочности σ0) и уменьшение свободной линейной усадки εу сплавов

(усадочных напряжений σу); он следует из анализа формул (7.30) - (7.33). Для этого необходимо разрабатывать 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 σу – растягивающее напряжение в отливке, вызванное полным тор-

можением свободной линейной усадки; σр – растягивающее напряжение в отливке, соответствующее ее деформации на εр, которое возникает в результате термического расширения формы и стержней во время затвердевания.

175

Связь горячеломкости с диаграммой состояния сплавов

В двойных эвтектических системах с увеличением содержания второго компонента горячеломкость изменяется по кривой с ярко выраженным максимумом (рис. 7.14).

Рис. 7.14. Зависимость горячеломкости сплавов от величины их эффективного интервала кристаллизации по А.А. Бочвару: а – эффективный интервал кристаллизации сплавов (заштрихован); б – горячеломкость сплавов

Максимальной горячеломкостью обладает сплав, практически совпадающий по составу с концентрационной границей появления эвтектики, или сплав, содержащий очень небольшое количество эвтектики в виде тонких прожилок по границам зерен. Это обусловлено тем, что при таком составе сплав имеет максимальный эффективный интервал кристаллизации и линейную усадку. Под эффективным интервалом кристаллизации понимают диапазон температур между границами выливаемости и солидуса (рис. 7.14,а). Развитие линейной усадки должно начинаться при той температуре затвердевающего сплава, при которой в нем кристаллизуется твердая фаза, количество которой необходимо для образования каркаса отливки из неприрывной твердой фазы. При усадке такого каркаса сокращаются линейные размеры отливки. (До образования такого каркаса усадка отливки проявляется в понижении уровня жидкой или преимущественно жидкой фазы). Температура начала линейной усадки соответствует изотерме внутри области затверде-

176

вания на границе жидко-твердой и твердо-жидкой зон, т.е. температуре выливаемости (рис. 7.1). Если линейная усадка каркаса твердой фазы тормозится, то при достижении возникающими напряжениями предела прочности прослойки расплава между кристаллами могут хрупко разрушаться и образуется горячая трещина. 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.

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. 7.15).

Рис. 7.15. Связь горячеломкости с диаграммой состояния сплава

Как видно, неравновесная диаграмма состояния сдвинута относительно равновесной в сторону одного из компонентов, в результате чего эвтектика образуется в системе при более низких концентрациях второго компонента.

177

Таким образом, по А. А. Бочвару, горячеломкость тем выше, чем больше эффективный интервал кристаллизации. Однако на практике (при неравновесных условиях кристаллизации) иногда имеет место сдвиг максимумов горячеломкости (кривая ПГ на рис. 7.15) и эффективного интервала хрупкости.

При увеличении количества эвтектики происходит уменьшение горячеломкости. Это связано с ростом запаса пластичности в твердо-жидком 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, сопровож дающееся измельчением зерна, что также является важнейшим фактором уменьшения горячеломкости.

При кристаллизации сплавов систем, имеющих широкие области растворения компонентов, линия неравновесного солидуса может приближаться к температуре плавления легкоплавкого компонента (штриховая линия на рис. 7.16).

178

Рис. 7.16. Горячеломкость сплавов систем, компоненты которых образуют непрерывные твердые растворы в жид-

ком и твердом состояниях

Следствием этого является существенное различие в температурах равновесного и неравновесного солидуса. Максимум горячеломкости соответствует максимальному неравновесному 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.

В перитектических системах горячеломкость увеличивается при добавлении к металлу–основе второго компонента и достигает максимума в области наибольшего эффективного интервала кристаллизации (рис. 7.17).

179

Рис. 7.17. Горячеломкость систем перитектического типа

В системе Cu – Co (рис. 7.17) 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).

Одним из важнейших факторов управления горячеломкостью является размер зерна. Измельчение зерен приводит к устранению брака по горячим трещинам в фасонных отливках и сварных швах. При уменьшении размеров зерен сужается температурный интервал хрупкости, повышается относительное удлинение сплава в интервале хрупкости, снижаются температура начала линейной усадки и величина усадки в эффективном интервале кристаллизации. Все это приводит к увеличению пластичности сплава.

Укрупнение зерна может произойти из-за увеличения перегрева или продолжительности выстаивания расплава, что приводит к повышению

180

горячеломкости. Введение модификаторов является эффективным методом снижения горячеломкости. Переход от столбчатой структуры к равноосной повышает относительное удлинение в интервале хрупкости и уменьшает величину усадки, что снижает горячеломкость.

Мероприятия по предупреждению образования горячих трещин

Рис. 7.18. Горячая трещина в цилиндрической отливке (а), ребра для устранения трещины (б)

Рис. 7.19. Примеры ликвации горячих трещин в отливках

Горячие трещины представляют собой несплошности, возникающие при высоких температурах (в эффективном интервале кристаллизации) под действием усадочных, термических или фазовых напряжений либо от их суммы. Горячие трещины, возникающие от усадочных напряжений,

181

могут образовываться лишь в конструкции с механическим торможением усадки. Опасность возникновения трещин тем больше, чем выше коэффициент линейной усадки, а также чем больше форма отливки приближается к цилиндру и чем меньше отношение толщины стенки отливки к диаметру.

С этим дефектом можно бороться, либо увеличивая отношение толщины стенки отливки к диаметру, либо делая более податливым стержень. Можно придать отливке жесткость, размещая ребра в плоскости действия силы торможения усадки (рис. 7.18).

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 по сечению отливки при заливке металла в прогретую форму.

Горячие трещины от термических и усадочных напряжений появляются в переходах и сопряжениях стенок отливок (рис. 7.19, а). Чем меньше закруглен переход, тем меньше напряжения, достаточные для образования горячих трещин. Острый угол (рис. 7.19, б) 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 (рис. 7.19, в), или размещая ребра в плоскости действия сил усадки (рис. 7.19, г), или устанавливая холодильники (рис. 7.19, д).

Радикальным и надежным способом предохранения отливок от горячих трещин является обеспечение гарантированной трещиноустойчивости литых деталей еще на стадии их конструирования. Для этого необходимо располагать элементы затруднения линейной усадки на рас-

182

стоянии друг от друга меньше, чем критическая величина Lк, найденная для данного сплава с помощью технологических проб. Существует такое расстояние L0 = Lк (рис. 7.13) между элементами торможения усадки, превышение которого приводит к образованию горячих трещин в отливках. Этот размер Lк зависит от толщины стенок отливки, ее конструкции, режимов литья и свойств сплава, в частности от ε0 и εу (σ0, σу). Поэтому конструирование детали следует осуществлять с учетом максимально допустимого расстояния между элементами затруднения усадки.

Между элементами затруднения усадки, находящимися на расстоянии друг от друга большем Lк, следует предусмотреть дополнительные элементы с тем, чтобы новое расстояние между ними стало меньше Lк. Эти новые элементы затруднения усадки, чаще всего ребра, толщина которых должна быть меньше тела детали, целесообразно вводить в

конфигурацию литой детали. Если это осуществить невозможно из-за требований к массе отливки, то следует рассматривать дополнительные ребра как технологические, обеспечивающие гарантированную трещиноустойчивость отливки, но подлежащие удалению при обработке литой детали.

Для рационального проектирования технологических процессов изготовления отливок с целью предупреждения образования дефектов следует использовать системы компьютерного моделирования литейных процессов (СКМ ЛП). СКМ ЛП являются мощным аналитическим средством на этапах разработки и освоения технологии производства отливок.

СКМ ЛП представляют собой автономный класс специализированного программного обеспечения, предназначенного для анализа явлений при формировании отливки. В основе любой СКМ ЛП лежит совокупность математических моделей, описывающих физические процессы взаимодействия металла и литейной формы и сформированных методами математической физики. К их числу относятся дифференциальные

183

уравнения движения вязкой жидкости, представляющие собой выражение второго закона Ньютона и известные в гидродинамике как уравнения Навье-Стокса; уравнения сохранения энергии потока жидкости ( выражение закона сохранения энергии); уравнение сплошности (неразрывности) для несжимаемой жидкости; уравнение теплообмена на поверхности твердого тела с жидкостью и др. Замкнутая система уравнений дополняется краевыми (начальными и граничными) условиями. Уравнения имеют в качестве постулатов универсальные физические(сохранение энергии, массы) и феноменологические (уравнение Фурье) законы, включающие в качестве информационного обеспечения эмпирические (опытные) величины, характеризующие свойства сплавов и литейных форм. Для решения сложных задач формирования отливок используют численные методы. Их сущность заключается в том, что искомые функции определяются не по всей области непрерывного изменения аргументов, а на дискретном множестве точек – узлов сетки. Частные производные заменяются разностными соотношениями. В результате система дифференциальных (непрерывных) уравнений преобразуется в систему алгебраических (разностных) уравнений. В СКМ ЛП используют два метода генерации разностных сеток - метод конечных элементов и метод конечных разностей. Оба метода предполагают как регулярное, так и нерегулярное размещение узлов сетки. Метод конечных разностей более предпочтителен для предварительного, оценочного экспрессанализа тепловых и гидравлических процессов. Время на подготовку сеточной модели (особенно регулярной) минимально. Однако процесс собственно решения довольно продолжителен. Метод конечных элементов предоставляет более точные результаты за относительно короткое время.

Любые СКМ ЛП состоят из препроцессора, решателя и постпроцессора. Препроцессор необходим для импорта геометрической модели,