Литье. исправлено (Лекции по литью), страница 4

Рис. 10 Схема образования структуры сплава.

Влияние формы. На рис. 11 сопоставлены отливки, полученные в песчаной (слева) и металлической (справа) формах 4 при прочих равных условиях. У отливки в песчаной форме тонкая литейная корка 1 и слабо развитая столбчатая зона 2, что обусловлено более слабым тепловым потоком. Столбчатые кристаллы имеют более крупное внутренне строение.

песчаная металлическая t’ _зал> t’’ _зал.

Влияние формы Влияние температуры заливки

Влияние сплава Влияние конфигурации отливки

Рис.11 Влияние различных факторов на образование кристаллической структуры: 1- корка, 2- столбчатая зона, 3- крупная структура 4- форма.

Влияние температуры заливки. При более низкой температуре заливки (рис. 11)справа столбчатая зона 2 оказывается менее выраженной, так как в этом случае равноосные кристаллы раньше прекращают рост, чем столбчатые, из-за относительно менее интенсивного теплового потока.

Влияние сплава. На рис. 11 сопоставляются сплав с большей склонностью к образованию зоны столбчатых кристаллов (слева) со сплавом с незначительной склонностью к образованию столбчатой зоны. Отливки из первого сплава имеют насквозь столбчатую зону 2. Большой склонностью к образованию столбчатой зоны отличаются сплавы, затвердевающие в узком интервале и обладающие низкой теплопроводностью.

Влияние конфигурации отливки. Конфигурация отливки также имеет определенное значение на кристаллизацию, потому что от нее зависит интенсивность теплового потока в разных частях отливки.

В равностепенной отливке столбчатые кристаллы образуются по схеме рис. 11 слева при равномерном тепловом потоке (показан стрелками). В отливке же с выступами тепловой поток неравномерен. На впадинах формы тепловой поток рассеивается и образуются «холодные» места формы. На выступах формы поток как бы фокусируется, образуя «горячие места формы (рис. 11, справа). В холодных местах образуются более крупные столбики с мелким внутренним строением, а в углублениях, где слабее тепловой поток, - меньшие столбики. Столбчатые кристаллы, как правило, образуются везде в направлении наибольшего теплового потока. Поэтому в острых наружных кромках и углах отливки, особенно в случае расплавов со склонностью к столбчатой кристаллизации, часто образуются непрочные соединения в местах встречи концов столбиков (рис. 11 , слева). Этот недостаток можно устранить путем соответствующего закругления кромок и углов (рис. 11, справа).

5.Явления, сопровождающие затвердевание отливки

Характер затвердевания отливок. По мере протекания процесса затвердевания увеличивается количество твердой и уменьшается количество жидкой фаз. Поверхность контакта твердой фазы с жидкой может быть ровной (рис.12,а). Это характерный признак последовательного, послойного или постепенного затвердевания. Плоскость контакта твердой и жидкой фаз называется плоскостью кристаллизации или плоскостью затвердевания. Если поверхность контакта расплава и твердой фазы имеет весьма сложную конфигурацию, обе фазы находятся в соприкосновении друг с другом определенной ширины (рис. 12, б). Этот интервал называется двухфазной зоной. Если ширина двухфазной зоны так велика, что она существует определенное время по всей ширине отливки, пока начнется затвердевание от поверхности, то это явление называют объемным затвердеванием (рис. 12, в). В затвердевающей отливке различают, таким образом, три фазы: 1) затвердевший сплав; 2) затвердевающий сплав; 3) жидкий расплав. Во время затвердевания внутри отливки происходит ряд нежелательных процессов, которые могут вызвать: 1) образование усадочных полостей, так называемых усадочных раковин (этот процесс называют усадкой); 2) выделение газов из затвердевающей отливки, обуславливающее возникновение газовых раковин; 3) образование ликватов в двухфазной зоне.

Рис.12 Характер затвердевания сплава: а) последовательное, б)-двухфазное, в)- объемное.

Усадка является важнейшим литейным свойством металлов. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сжимаются, дают усадку. При охлаждении отливки начального объема V₀ или начальной длины l₀ с температуры t₀ до t изменение объема и длины тела определяется по формулам:

V=_v(t-t₀) L=_l(t-t₀)

Коэффициентами _v и _l при охлаждении являются истинными коэффициентами объемного _v и линейного сжатия _l , то есть коэффициентами соответствующей усадки при понижении температуры на 1 в интервале t-t₀ . В практике под величиной усадки К принимаются относительные величины, выражающиеся изменение объема или длины при охлаждении в процентах:

К= (L-L₀)/L₀ *100%

L и L₀- длины отливки при температурах t и t_-0 соответственно. Необходимо различать три вида усадки: 1) Усадка жидкого металла, происходящая при охлаждении от температуры заливки до температуры ликвидуса (усадка жидкой фазы); 2) Усадка при затвердевании, когда отливка охлаждается от ликвидуса до солидуса (усадка при изменении агрегатного состояния); 3) Усадка твердого металла, образующая при охлаждении твердого металла от солидуса допри комнатной температуры (усадка затвердевающего сплава). Каждый из этих видов усадки является определяющим в образовании тех или иных пороков в отливке.

Образование усадочной раковины в отливке. Усадочные раковины в отливках – это полости, возникающие вследствие усадки при затвердевании. Схема образования раковин показана на рис. 13, где представлены четыре стадии затвердевания в различные моменты времени. На стадии а) полость формы заполнена расплавом, имеющим температуру ликвидуса, поэтому в следующее мгновение начнется затвердевание сплава на поверхности формы. На стадии б) уже образовалась затвердевшая корка, получается своего рода закрытый сосуд, внутри которого расположен расплав. По мере охлаждения происходит усадка расплава (1-^й вид усадки) и затвердевшей корки (3-^й вид усадки), а также имеет место уменьшение объема при изменении агрегатного состояния (2-^й вид усадки). Усадка расплава и уменьшение объема при переходе из жидкого состояния в твердое превышают усадку корки. Поэтому в определенный момент времени сплав под действием сил тяжести опускается (стадия в). Над расплавом остается полость – закрытая усадочная раковина (стадия г). В образовавшейся раковине в отливках из дегазированных сплавов создается разряжение, вследствие чего верхняя тонкая корка может прогнуться внутрь раковины, как это показано на рис. 13 г и д . Чтобы не допустить в отливке образования усадочной раковины, надо к отливке присоединить резервуар- прибыль (стадия д), из которой под действием силы тяжести расплав переместится в затвердевающую отливку. Усадочная раковина в этом случае образуется только в прибыли, которую отделяют от отливки после затвердевания.

Рис.13 Образование усадочной раковины в отливке (а-д стадии процесса затвердевания).

Образование рассеянных усадочных раковин (усадочной пористости). При двухфазном затвердевании внутри двухфазной зоны образуются внутри- дендритные и междендритные поры. Питание нарастающего твердого слоя происходит без особого торможения до тех, пор пока зарождающиеся в объеме жидкого расплава твердые кристаллы составят сплошной скелет. Теперь уже жидкий расплав, поступающий сверху для питания ниже лежащих слоев , встречает сопротивление скелета из твердых кристаллов. Это сопротивление будет увеличиваться по мере уменьшения ячеек указанного скелета. Естественно, при прекращении питания той или иной ячейки скелета образуется межкристаллическая усадочная раковина. Эта раковина будет тем меньше, чем позже прекращается связь затвердевающего жидкого расплава ячейки с источником питания. Так образуются усадочные раковины в ячейках из дендритов, образующие микроскопическую рассеянную пористость. Рассеянные поры нарушают сплошность сечения отливки, а также могут действовать, как надрезы, ухудшая ее механические свойства.

Понятие об одновременном и направленном затвердиваниях. Усадочные раковины и пористость- это распространенный и трудноисправимый брак отливок. Только совместными усилиями конструктора детали и технолога- литейщика можно уменьшить или совсем устранить этот дефект. К сожалению, рассеянную пористость устранить без остатка не удается, ее можно лишь уменьшить различными способами, помня, что:

1. Рассеянная пористость бывает тем больше, чем шире двухфазная зона у затвердевающего сплава. Поэтому все средства уменьшения двухфазной зоны одновременно приводят к ограничению рассеянной пористости.;

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

Для получения отливки без сконцентрированных в одном месте усадочных раковин необходимо, чтобы она затвердевала по одному из принципов: 1) одновременного затвердевания; 2) направленного затвердевания.

Одновременное затвердевание – одновременная и равномерная кристаллизация расплава во всех частях отливки. Одновременное затвердевание обеспечивается определенными условиями. Условия эти можно считать приблизительно выполненными, когда толщина стенок во всех частях отливки приблизительно одинакова (равностенность) и (тонкостенность), температура и теплопроводность формы во всех ее точках не изменяются или изменяются равномерно и одновременно. Следует заметить, что одновременное затвердевание металла по всей отливке не может быть полностью осуществлено; в действительности кристаллизация протекает постепенно, от поверхности к оси стенки отливки. Поэтому, чем меньше толщина стенки отливки, тем лучше реализуется принцип одновременного затвердевания. И не случайно, что одновременное затвердевание находит применение для тонкостенных отливок таких, как корпуса фотоаппаратов, кинокамер биноклей, труб и других деталей. Однако усадка существует и в тонкостенных отливках. Ее действие проявляется в том, что вблизи геометрической оси стенки отливки располагается усадочная пористость. Опыты показали, что усадочная пористость, если она находится вблизи стенки отливки, опасна только тогда, когда отливка подвергается воздействию наружного или внутреннего давления, переменным нагрузкам, воздействию высоких температур. В сечениях, же подвергающихся изгибу, из-за небольших напряжений в волокнах, находящихся около нейтральной оси, внутренняя пористость вызывает лишь незначительные ослабления сечения.

Итак, основной конструктивный принцип обеспечения одновременного затвердевания это РАВНОСТЕННОСТЬ и ТОНКОСТЕННОСТЬ ОТЛИВКИ

При направленном затвердевании кристаллизация отливки происходит последовательно в направлении от наиболее удаленных ее частей к источнику питания жидким сплавом, например, к прибыли. Сущность направленного затвердевания рассмотрим на примере формирования плоской вертикально расположенной в форме плиты с прибылью. Металл в форму подводится под прибыль. При этом в момент окончания заливки наиболее холодный металл будет в нижней части формы, а наиболее горячий- в прибыли. Это происходит потому, что при подводе сплава под прибыль первые его порции попадают в нижнюю часть отливки, где сразу же начинают охлаждаться, соприкасаясь с холодной формой. Прибыль же будет заполнена последними порциями сплава, температура которого приблизительна равна температуре заливки. Распределение температур по оси отливки по всей ее длине к моменту окончания заполнения характеризует кривая 1. В соответствии с этим распределением затвердевание отливки от боковых стенок начнется раньше в нижней и позже в верхней части. Кривые 2, 3 и 4 соответствуют II-у ,III-у и IV-у этапам затвердевания, которое идет вверх, то есть в направлении к прибыли (рис. 14). Такое затвердевание и называют направленным. При направленном затвердевании отливка получается плотной, без концентрированных раковин, которые выводятся в прибыль.

Рис. 14 Схема направленного затвердевания отливки типа плиты (I-IV – этапы затвердевания, 1-4 соответствующие им кривые распределения температуры по длине отливки).