Строение металлов (стр. 16 из 48)
и конструкцию отливок
Процесс получения отливки заключается в заполнении полости литейной формы расплавленным литейным сплавом (расплавом) с последующим его затвердеванием — кристаллизацией. Кристаллизация представляет собой процесс перехода из жидкого состояния в твердое (кристаллическое, а для неметаллических материалов – аморфное), в результате которого формируются строение, и свойства отливки. Жидкий расплав отличается от твердого материала прежде всего тем, что он не может сопротивляться сдвигу и поэтому способен растекаться по поверхности твердого тела — полости литейной формы.
Литые конструкционные материалы наряду с химическими, физическими и механическими должны обладать также высокими литейными свойствами. Последние включают в себя совокупность физико-химических и механических свойств, которые проявляются в процессе литья и кристаллизации отливки. Наиболее важные литейные свойства — жидкотекучесть, усадка (объёмная и линейная), склонность к ликвации, образованию трещин и к газопоглощению.
Жидкотекучестью называется способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя ее, и точно воспроизводя все контуры полости формы. В это понятие входят свойства, определяющие подвижность расплава в жидком состоянии. К ним относятся вязкость, поверхностное натяжение расплава и прочность нерастворимых окислов на поверхности. Жидкотекучесть зависит от химического состава, теплопроводности материалов отливки и формы, температуры заливки формы, свойств литейной формы и т. д.
Жидкотекучесть определяют путем заливки специальных технологических проб (например, спирали) рис. 3.16. За ее меру принимают длину заполненной расплавом части полости пробы, измеряемую в миллиметрах.
Рис. 3.16. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов: 1,2- нижняя и верхняя полуформы; 3 - заливочная чаша; 4 - графитовая пробка
В зависимости от жидкотекучести расплава при оптимальной температуре его заливки выбирается толщина стенок отливки, обеспечивающая требуемую прочность и экономию материалов. Хорошая жидкотекучесть важна для получения плотных доброкачественных отливок. Она улучшает условия вывода за пределы отливки усадочных раковин, уменьшает опасность образования всех видов пористости, трещин. Недостаточная жидкотекучесть расплава вызывает незаполнение отдельных тонких частей литейной формы — недоливы, а, следовательно, и искажение конфигурации и размеров отливки. С повышением температуры жидкотекучесть его увеличивается. Поэтому для тонкостенных отливок температура сплава должна быть выше, чем для массивных отливок.
При переходе жидкости в твердое состояние происходит уменьшение объема и линейных размеров. Это явление называется усадкой.
В результате усадки происходит и соответствующее уменьшение линейных размеров отливки. Относительное изменение объемов отливки Vот по сравнению с объемом формы Vф, выраженное в процентах, определяет объемную усадку eоб, которая имеет место в жидком, жидкотвердом и твердожидком состояниях:
,где Vф и Vот —объёмы полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.
Относительное изменение линейных размеров отливки lот по сравнению с размерами формы, выраженное в процентах, определяет линейную усадку eлин, которая имеет место, а твердо-жидком и твердом состояниях:
где lф и lот—размеры полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.
Объемная усадка примерно в три раза больше линейной. Усадка в отливках создает условия для образования усадочных раковин, пористости, трещин и короблении.
Согласно общей теории кристаллизации, при охлаждении расплавленного литейного сплава происходит сначала зарождение центров кристаллизации в жидком расплаве, а затем рост кристаллов из этих центров. Центрами кристаллизации могут быть устойчивые группировки атомов, тугоплавкие частицы примесей и др. Охлаждение отливки происходит неравномерно, в направлении - максимального отвода тепла перпендикулярно поверхности литейной формы. Залитый в форму расплав отдает теплоту ее стенкам, поэтому кристаллизация расплава происходит от поверхности формы вглубь отливки и заканчивается в прибыли или областях, являющихся термическими центрами (тепловыми узлами отливки).
Усадочная раковина в отливках образуется в результате уменьшения объема жидкого металла при кристаллизации. На рис. 3.17, а показан процесс последовательного затвердевания отливки в разные моменты времени. У стенок формы начинает образовываться корка 1 затвердевшего металла, которая постепенно нарастает. Вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уровень металла в незатвердевающей части отливки понижается до уровня а - а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уровень жидкости далее понижается до уровня 6 - б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс затвердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины 3. Усадочные поры — мелкие пустоты неправильной формы — образуются при объемном затвердевании сплава (рис. 3.17, б). Кристаллы, образующиеся одновременно во всем объеме отливки, срастаются и разобщаются с жидкой фазой. В разобщенных ячейках 2 имеются остатки жидкой фазы 3. Затвердевание небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина 1 (см. рис. 3.17, б). Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам зерен металла.
Рис. 3.17. Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б)
Сосредоточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава (сплав АК12) и сплавов с узким интервалом кристаллизации (низкоуглеродистые стали, безоловянные бронзы и др.).
Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают прибыли-резервуары с расплавленным металлом, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последними. На рис. 3.18, а прибыль 1 не может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки. В этом месте образуются усадочная ра вина 2 и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли 3 (рис. 3.18, б) предупреждает образование усадочной раковины и пористости.
Предупредить образование усадочных раковин и пористости также позволяет установка в литейную форму наружных холодильников 4 (рис. 3.18, в) или внутренних хслодильников 5 (рис. 3.18, г).
Наружные холодильники (рис. 3.18, в) устанавливают в форму с внешней стороны массивных частей отливки. Вследствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодильника отвод теплоты от массивной части отливок происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных раковин и пористости. Внутренние холодильники (рис. 3.18, г) устанавливают внутрь полости формы, образующей массивные части отливки. Эти холодильники изготовляют из того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с основным металлом.
Рис. 3.18. Способы предупреждения усадочных раковин и
пористости
Для получения плотных отливок необходимо обеспечить надежное их питание и направленное затвердевание отливки, которое должно проходить последовательно по всему объему отливки без образования в ней замкнутых объемов с расплавом. Направленность затвердевания определяют способом вписанных окружностей. Этот способ состоит в том, что в рассматриваемое сечение отливки вписывают окружности в различных точках (рис. 3.19).
Рис. 3.19. Определение теплового узла способом вписанных окружностей
Узлы 1 с окружностями наименьшего диаметра будут затвердевать первыми, затем узел 2 и в последнюю очередь узел 4. В ходе затвердевания в узлах 2 и 4 неизбежно появление усадочных дефектов (усадочных раковин и пористости) из-за затвердевания изолированных объемов расплава. Для предупреждения появления усадочной раковины в узле 2 необходимо увеличить толщину стенки отливки за счет напуска 3 - утолщения стенок снизу вверх, а для узла 4 предусмотреть прибыль 5. Прибыли на отливках имеют технологическое значение, и их в конце процесса изготовления отливки удаляют.
Ликвация - неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Ликвация вызывает неоднородность механических свойств в различных частях отливки.