57. Зависимость вида усадочных пустот от положения сплава на диаграмме состояния. Влияние характера кристаллизации на механизм образования усадочных пустот

В зависимости от массы и слоистости отливки, типа сплава и литейной формы, характера кристаллизации отливки, усадка может проявляться не в виде концентрированной раковины, а виде концентрированной раковины, а в виде множества мелких пустот, называемых усадочной пористостью.

На рис.1,а показана схема связи развития усадочных пустот с диаграммой состояния двойной системы сплавов.

Рис.1. Связь развития усадочных пустот с диаграммой состояния (а) и положения технологических границ (б)

В чистых металлах и эвтектиках (составы 1 и 4) формируются полноценные раковины и пористость почти не имеет развития. При увеличении интервала кристаллизации (составы 2 и 3) существенная часть усадочных пустот представлена порами. Пористость получает максимальное, а усадочная раковина минимальное развитие для состава 3, соответствующего концентрации в точке пересечения линии температур на границе выливаемости и эвтектической платформы. На рис.1,б показана схема перераспределения усадочных пустот между раковиной и порами в зависимости от положения границ выливаемости и питания (1 – 3 + составы сплавов). При смещении этих технологических границ к ликвидусу зона осевой пористости сужается, но рассеянная пористость может увеличиваться. При смещении технологических границ к солидусу зона осевой пористости может расшириться, но общий объем всех видов пористости должен уменьшаться.

Металл, затвердевший на стенках формы за время заливки в усадочных процессах, определяющих объем усадочной раковины, участия не принимает. В сплаве, кристаллизующемся в интервале температур, формирование области усадочной раковины заканчивается раньше, чем отливка затвердеет полностью. Поверхность области усадочной раковины представляет собой совокупность точек пересечений зеркала жидкого металла и положений границы выливаемости в последовательные моменты времени от окончания заливки до достижения этой границей оси отливки.

Если интервал кристаллизации сплава особенно велик, граница ликвидус может достигать оси отливки уже в начальной стадии затвердевания. Тогда усадочная раковина практически не образуется; все сечение отливки представляет собой зону пористости.

Формирование пор происходит на микроструктурном уровне и связано с фильтрацией жидкого металла между твердыми кристаллами в области затвердевания.

Усадочные пустоты образуются в отливках в период затвердевания в результате совместного протекания указанных ранее трех видов объемной усадки – ε_vж, ε_vз и ε_vт.

Усадка жидкого металла ε_vж частично протекает до начала затвердевания, то есть до образования твердой фазы на поверхности отливки. Эта усадка ε^′_vж = ∆V^′_ж/V_о, проявляющаяся в понижении уровня расплава, оказывается внешней по отношению к отливке и не входит в объем образующихся внутри нее усадочных пустот .

В момент начала затвердевания наружные слои отливки достигают температуры t_кр (ликвидуса), а в центре жидкий металл может сохранять значительный перегрев над ликвидусом. Последующее охлаждение этого расплава и его усадка в жидком состоянии происходит внутри отливки и, вызывая понижение уровня расплава, увеличивает суммарный объем усадочных пустот. Из сказанного выше следует, что с повышением интенсивности теплоотвода, когда перепад температур в отливке увеличивается, слагаемое возрастает до предельной величины . При малой интенсивности теплоотвода, когда температура по сечению отливки выравнивается, к моменту начала затвердевания перегрев металла во всем объеме практически полностью снимается, так что . В общем случае , где (t_ж)_ср – средняя температура жидкого металла в момент начала затвердевания отливки.

Усадка при затвердевании ε_vз вызывает понижение уровня расплава внутри отливки и полностью входит в объем образующихся усадочных пустот.

Усадка твердого металла ε_vт в результате понижения температуры образовавшейся твердой корки вызывает сокращение как наружных размеров отливки, так и внутренней полости, занятой незатвердевшим расплавам, и приводит к повышению уровня жидкого металла. Объем внутренней полости изменяется за период затвердевания от V_о до нуля, поэтому общая объемная усадка твердого металла составит , где (t_т)_ср – средняя температура твердой корки .

Если сумма и ε_vз будет равна ε_vт, то общее изменение уровня расплава будет нулевым, и усадочные пустоты не образуются. Обычно , поэтому возникает усадочная пустота, относительный объем которой составляет (1).

В ряде случаев, когда , наблюдается выдавливание некоторого количества расплава из отливки, при этом отливка не содержит усадочных пустот, таким образом, в общем случае можно записать: .

Анализ показывает, что основным слагаемым этой суммы является ε_vз, однако, последний член ε_vт может достигать 25-30 % (для стальных слитков и отливок в металлических формах), существенно уменьшая объем образующихся пустот. Если затвердевание сопровождается не сокращением, а увеличением наружных размеров отливки (так называемое «предусадочное расширение»), тогда ε_vт имеет обратный знак и приводит к увеличению общего объема пустот, поэтому обычно выражение (1) записывается в общем виде: .

Если в период заливки металла в форму происходит частичное охлаждение и затвердевание расплава, тогда к моменту окончания заливки τ_зал соответствующая часть усадки будет скомпенсирована доливкой расплава. Влияние условий заливки металла на объем образующихся усадочных пустот определяется соотношением длительностей заливки τ_зал и затвердевания τ_з: .

Чем выше интенсивность теплоотвода (меньше τ_з) и больше продолжительность заливки τ_зал, тем меньше υ_у. Непрерывная разливка металла реализует предельный случай, когда τ_зал достигает τ_з, то есть скорость доливки металла в водоохлаждаемый кристаллизатор точно согласована со скоростью затвердевания металла и извлечения слитка из кристаллизатора, при этом обеспечивается υ_у = 0.

Для разработки мер борьбы с усадочными пустотами важное значение имеет не только общий объем пустот, но его распределение между концентрированными раковинами (υ_р) и рассеянной пористостью (υ_п).

Усадка металла ε_vз сосредоточена в междуосных промежутках дендритов зоны затвердевания шириной φ, ограниченной поверхностями ликвидуса и солидуса (рис.2). Если расплав под влиянием гидростатического напора столба жидкого металла и капиллярных сил может перемещаться в зоне затвердевания вплоть до границы солидуса, тогда его поступление из центральной жидкой зоны полностью компенсирует эту усадку. В результате этого соответственно будет понижаться уровень расплава и образуется концентрированная усадочная раковина объемом υ_р = υ_у, а затвердевающий металл будет совершенно плотным (υ_п = 0).

В той части зоны затвердевания, где фильтрационное перемещение расплава затруднено, усадка металла сосредоточивается в междуосных промежутках дендритов и дает рассеянную микроскопическую усадочную пористость. Максимальные размеры возникающих пор соответствуют средним расстояниям между осями дендрита наиболее высокого порядка (II-III). В образующиеся поры выделяются растворенные в металле газы, увеличивая их объем, поэтому пористость приобретает газо-усадочный характер. Если бы перемещение расплава в зоне затвердевания было полностью исключено, тогда вся усадка была бы сосредоточена в порах (υ_п = υ_у) и концентрированная раковина не образовывалась бы (υ_р = 0).

Рис.2. Образование концентрированной раковины υ_р и рассеянной усадочной пористости υ_п в период затвердевания отливки

В общем случае объем усадочной раковины определяется скомпенсированной долей усадки при затвердевании, поэтому соотношение между υ_р и υ_п в общем объеме пустот υ_у = υ_р + υ_п определяется шириной зоны затвердевания φ и условиями фильтрации расплава между растущими кристаллитами.

При последовательном затвердевании металла с узкой зоной φ (φ/r ≤ 1) (рис.3,а) преимущественно формируется концентрированная раковина, и отливка имеет высокую плотность (υ_р ≈ υ_у, υ_п ≈ 0). В условиях объемного затвердевания (φ/r ≥ 1), когда процесс объемной усадки протекает по всему сечению отливки (рис.3,б), возникает рассеянная пористость без образования усадочной раковины (υ_п ≈ υ_у, υ_р ≈ 0).

В общем случае отмечается соответствие между характером затвердевания, который оценивается относительной шириной зоны затвердевания φ/r и характером образующихся усадочных пустот (рис.4, а-г).

Рис.3. Последовательное (а) и объемное (б) затвердевание отливки

Рис.4. Зависимость относительного объема концентрированных усадочных раковин υ_р/υ_у от положения сплава на диаграмме состояния типа непрерывных твердых растворов (а) и эвтектического типа с ограниченной растворимостью (в) при высокой (1); средней (2) и малой (3) интенсивности теплоотвода

Узкоинтервальные сплавы при любой интенсивности теплоотвода затвердевают с образованием концентрированной усадочной раковины. Широкоинтервальные сплавы в зависимости от интенсивности теплоотвода могут образовывать как преимущественно рассеянную пористость (при малой интенсивности теплоотвода), так и концентрированную раковину (при высокой интенсивности теплоотвода).

Для сплавов, затвердевающих последовательно и образующих концентрированную раковину, необходимо создавать режим направленного затвердевания в направлении к прибыли. Конфигурацию, место установки и размеры прибыли выбирают таким образом, чтобы усадочная раковина была полностью локализована в объеме прибыли, а отливка не содержала никаких раковин. Впоследствии прибыльная часть отливки отрезается и направляется в переплав, поэтому необходимо стремиться к минимальному расходу металла на прибыли. Для повышения эффективности работы прибылей используют указанные ранее тепловые факторы, обеспечивающие теплоизоляцию или разогрев металла в прибыли.