Линейная и объёмная усадка металлов и сплавов

Страница 2

Рис. 2. Изменение линейной усадки е1 в сплавах эвтектической системы

Закономерности изменения линейной укладки в зависимости от положения сплавов на диаграмме состояния иллюстрирует рис. 2.

1. В сплавах с существенной растворимостью в твердом состоянии (Ср >1 – 5 %) на участке до точки СА ск.Еl изменяется по некоторой ниспадающей кривой, а на участке между точками СА ск. и СВ ск. наблюдается закон аддитивности – прямолинейная зависимость (сплавы А1 – Мg и др.). Иногда излом кривой происходит в точках Ср или С'р, а на участке Ср – СА ск. , отмечается площадка (сплавы А1 – Si).

2. Если усадочные свойства первичных выделений (a1 и b1) сильно отличаются, то происходит разрыв аддитивной зависимости вблизи от эвтектической точки, или точки СА ск.(СВ ск.) – рис. 2 (сплавы Sn – Рb, А1 – Sn и др.). Отрезки прямых располагаются горизонтально, т. е. усадка целиком определяется той структурной составляющей, которая преобладает в смеси кристаллов.

В сложных многокомпонентных сплавах распределение усадочных пустот и изменение в, в общем подчиняется рассмотренным выше зависимостям.

Влияние технологических факторов на усадку. Перегрев сплава перед заливкой влияет на все виды усадки вследствие увеличения разности объемов жидкого (при Тзал.) и твердого металлов и изменения кинетики роста первичных выделений дендритов. Обычно отмечают увеличение объема усадочной раковины при одновременном возрастании пористости и грубозернистости (в этом заключается одна из причин, заставляющих ограничивать перегрев металла перед заливкой).

Скорость охлаждения отливки изменяет ее кристаллическое строение – форму, размеры и разветвленность дендритов, а также размер структурных составляющих. Вследствие этого с увеличением скорости охлаждения возрастает плотность сплава, увеличивается объем усадочной раковины (за счёт сокращения пористости), несколько возрастает линейная усадка. большое значение имеет также направленность затвердевания отливки. При правильном построении этого процесса практически все усадочное изменение объема может быть сведено к наружной усадке или усадочной раковине, выведенной в прибыльную часть отливки.

Внешнее давление оказывает сильное влияния на перераспределение, усадочных пустот между порами и раковиной. Крисдаллизация при повышенном давлении используеся как технологический прием для снижения пористости и повышении плотности и герметичности отливок; наружная усадка при этом несколько возрастает.

Газонасыщенность металла обычно приводит к резкому увеличению пористости (газовой и газоусадочной) при одновременном уменьшении размеров усадочной раковины снижается также линейная усадка. Повышенное газосодержание резко ухудшает комплекс свойств металла и отливки и поэтому недопустимо.

Модифицирование сплавов приводит к измельчению зерна и структурных составляющих, уменьшает газонасыщенность и тем самым способствует повышению плотности сплава.

УСАДОЧНЫЕ РАКОВИНЫ И ПОРЫ В ОТЛИВКАХ

1. Усадка сплавов при охлаждении.

Все этапы охлаждения, т. е. понижения температуры жидкого сплава, процесс его кристаллизации и последующее охлаждение твердого сплава сопровождается уменьшением объема этого сплава или, как это принято называть, его усадкой (с увеличением объема могут протекать вторичные фазовые превращения в твердом сплаве).

Усадка сплава является причиной многих дефектов в отливках ,поэтому служит предметом специального изучения. Усадка жидкого и кристаллизующегося сплава обусловливает образование в отливках незаполненных металлом полостей (усадочных раковин и пор). Уменьшение объема жидкого и кристаллизующегося сплава принято характеризовать коэффициентом ем объемного сжатия (объемной усадки).

Усадка твердого сплава или сплава, находящегося в твердожидком состоянии, но уже получившего и сохраняющего определенные геометрические очертания, является причиной развития внутренних напряжений в отливке и образования в ней трещин. Усадку такого сплава принято характеризовать коэффициентом Еv линейного сжатия (линейной усадки).

2. Усадочные раковины

Формирование отливки начинается с возникновения ее внешних контуров. Поверхностная твердая корка, образующая эти контуры, может представлять собой слой Xii, если он сохранился после стадии II процесса охлаждения, или слой новых кристаллов, затвердевших у поверхности формы в начале стадии III. При открытой верхней поверхности отливки или слитка образование верхней твердой корки происходит в результате отвода теплоты в атмосферу.

До появления твердой корки на отливке усадка проявляется в виде понижения уровня жидкого сплава в литейной форме. После образования и возникновения контура отливки размеры этого контура должны уменьшаться вследствие понижения его температуры. Жидкость, заключенная в контурной оболочке, претерпевает значительно большую усадку, так как она сначала должна отдать теплоту перегрева, затем закристаллизоваться и лишь потом остыть до температуры окружающей среды.

После полного охлаждения отливки объем жидкости, заключенный в первоначальной твердой оболочке, уменьшится больше, чем объем, ограниченный внешними контурами всей отливки. Внутри, отливки окажутся усадочные полости, не заполненные металлом.

Различают два вида усадочных полостей: усадочные раковины, представляющие собой относительно большие по размеру пространства, расположенные в тепловых центрах отливки, и усадочные поры – мелкие иногда не видимые невооруженным глазом пустоты, находящиеся на границах соприкосновения двух или нескольких кристаллов.

Механизм образования одной сосредоточенной усадочиой раковины легко представить себе из рассмотрения рис. 3, на котором дана схематичная картина условий затвердевания слитка, имеющего квадратное, круглое или другое геометрически правильное сечение.

В начале затвердевания образуется контурная корка 1 (рис. 3, а). В связи с тем, что объем возникшей твердой фазы меньше объема жидкости, затраченной на образование корки, уровень жидкости внутри слитка понижается до горизонтали 1. В следующий период времени затвердевает слой II, причем усадка, происходящая при кристаллизации, компенсируется понижением зеркала жидкости до уровня 2. В дальнейшем при затвердевании слоев 111 и Ю уровень жидкости понижается соответственно до горизонталей 3 и 4.

В результате постепенного снижения уровня жидкости и одно- временного утолщения корки, ограничивающей объем этой жйд- кости, в верхней части отливки развивается усадочная раковина, которая, например, при литье цилиндрического слитка имеет форму близкую к конической. Схематический вид этой раковины показан на рис. 3, б. Правильная форма раковины может искажаться

Рис. 3. Образование усадочной раковины в отливке

при изменении скоростей отвода теплоты через донную, боковые и верхнюю поверхности отливки. Образующая конуса становится при этом линией сложной кривизны. Иногда в процессе развития нижняя часть раковины затвердевает. В последствии под ней образуется вторая раковина.

Отметим, что рассмотренная схема развития конической раковины наиболее полно характеризует затвердевание чистого металла или эвтектического сплава, не имеющих температурного интервала кристаллизации. Изменения, которые вносит в схему наличие у заливаемого сплава интервала кристаллизации, будут рассмотрены ниже.

Фасонные отливки отличаются от слитков возможностью развития в них не одной а нескольких усадочных раковин. Действительно, в том случае, иногда отливка состоит из нескольких массивных частей, соединенных между собой сравнительно тонкими стенками, эти стенки, успеют затвердеть раньше, чем произойдет кристаллизация в массивных частях, и для каждой отдельной массивной части окажется справедливой та схема, которая была рассмотрена применительно к слитку. Внутри каждой массивной части окажется своя собственная усадочная раковина. Пример фасонной отливки, в которой должны образоваться две усадочных раковины, дан на рис. 4.