Свойства литейных сплавов и их влияние на качество отливки

2020-06-032021-03-09zzyxelСтудИзба

Глава 1 Свойства литейных сплавов и их влияние на качество отливки

1. Качество отливки, факторы влияющие на качество

Под качеством отливки понимается точность размеров, шероховатость поверхности, физико-химические свойства, герметичность и пористость. Операции заливки и охлаждения формы оказывают основное влияние на формирование качества отливок независимо от того, каким они способом изготавливаются. Возможность получения доброкачественных тонкостенных отливок, сложных по форме или больших по размерам, без раковин, трещин пригара и других литейных эффектов предопределяется качеством и свойствами формы (теплопроводностью) и литейными свойствами сплавов. Влияние этих факторов и проявляется именно при заливке жидкого металла в форму и в процессе ее охлаждения.

2. Свойства литейных сплавов

Качество металлов и сплавов оценивают по их свойствам. Свойства сплавов бывают: физические (теплопроводность), химические (коррозионная стойкость), механические (прочность, твердость и другие) и технологические.

К технологическим свойствам относят: обрабатываемость, свариваемость, ковкость, герметичность и литейные свойства.

Обрабатываемость – способность материалов обрабатываться режущими абразивными или иными инструментами.

Свариваемость – способность материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного материала.

Ковкость – способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением. Ковкость характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации.

Герметичность – способность материала не пропускать жидкость или газ при избыточном или пониженном давлении.

К основным литейным свойствам сплава относят следующее:

1. Жидкотекучесть – способность сплавов в жидком состоянии заполнять формы и точно воспроизводить их очертания в отливке.

3. Жидкотекучесть

Правильное представление о жидкотекучести различных сплавов можно получить только при соблюдении постоянства таких факторов, как конфигурация и размеры полостей, через которые течет расплав, и свойства формы. Поэтому жидкотекучесть сплавов определяют по стандартной пробе, отлитой в песчаную форму при постоянной температуре заливки. Наиболее простая проба имеет вид прутка и получается в форме, имеющей заливочную чашу стандартной величины Н, для того чтобы обеспечить постоянство напора, и канал Д калиброванного диаметра. Жидкотекучесть того или иного сплава определяется по длине пути l прутка. Чем длиннее пруток, тем больше жидкотекучесть сплава (см. рис. 8) Жидкотекучесть одного и того же сплава различна при различных температурах заливки t_зал. Это хорошо иллюстрируется диаграммой состояния сплава (рис. 9).

Рис8. Пример простой прутковой пробы на жидкотекучесть

При охлаждении сплав способен течь до определенной температурой ниже ликвидуса (линия 2). Эта температура называется температурой нулевой текучести (линия 3). У сплавов данной системы (А-В) температура нулевой текучести объясняется следующим. После того, как температура опустилась ниже ликвидуса (меньше t₁) произошло выделение твердой фазы из расплава, при этом получившаяся композиция представляет собой суспензию твердой фазы в жидкой. Появившаяся твердая фаза оказывает сопротивление продвижению сплава и при увеличении ее до 20- 30% (что происходит при температуре t₀) от всей композиции движение расплава прекращается вовсе, хотя жидкая фаза в сплаве присутствует, так как его температура выше температуры полного затвердевания или выше линии солидуса 1. Из диаграммы видно, что сплавы эвтектического состава имеют большую жидкотекучесть, чем затвердевающие в интервале температур t₁-t₂, т.е. жидкотекучесть зависит от состава сплава, что иллюстрируется диаграммой состав-текучесть (рис.9). Жидкотекучесть сплава кроме интервала затвердевания и перегрева сплава, зависит от его физических свойств: вязкости и поверхностного натяжения.

Рис.9 Зависимость жидкотекучести от состава сплава.

Вязкость сплавов – свойство динамическое и поэтому проявляется, когда расплав находится в движении. Это сила, которая возникает от взаимного трения частиц расплава, движущихся внутри потока с неодинаковой скоростью. Называется она динамической вязкостью и измеряется в пуазах. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть.

Поверхностное натяжение нельзя рассматривать только как свойства сплава без учета среды, с которой расплав соприкасается (атмосфера или форма). Это свойство проявляется лишь на поверхности контакта. Каждый атом на поверхности расплава с разной силой связан с соседним атомом среды. Таким образом, силы связи на поверхности сплава не уравновешены. Если силы связи атома на поверхности расплава с соседними атомами последнего преобладают над силами связи с соседними атомами среды, атом тем сильней будет удерживаться на поверхности расплава, чем больше равнодействующая этих сил, т.е. чем больше поверхностное натяжение расплава. При большом поверхностном натяжении расплав не смачивает поверхность соседней среды и не проникает в нее. Если же, наоборот, преобладают силы связи атомов, находящихся на поверхности расплава, с атомами соседней среды, атомы сплава будут проникать в соседнюю среду. В этом случае поверхностное натяжение обусловит смачиваемость среды расплавом. Смачиваемость формы проходит под действием капиллярных сил, которые как бы втягивают расплав между зернами песка на рабочей поверхности формы; в результате отливка получается с механическим пригаром. Смачиваемость и несмачиваемость имеют и положительные и отрицательные стороны. Для очень тонкостенных отливок желательно, чтобы расплав смачивал форму для лучшего заполнения формы. Толстостенным отливкам не угрожает недолив, но они могут получиться с пригаром, поэтому предпочтительна несмачиваемость формы.

4. Кристаллизация

Когда температура расплава снижается при данном давлении ниже температуры начала затвердевания, сплав изменяют агрегатное состояние. Такое изменение агрегатного состояния называют первичной кристаллизацией или затвердеванием. Хотя оба термина имеют довольно сходное содержание, они отражают различие в характере процесса: под первичной кристаллизацией понимается образование из расплава отдельных кристаллов и кристаллических зон в отливке, имеющих определенное строение, которое влияет на свойства литых изделий. Затвердевание же подразумевает увеличение количества твердой и уменьшение жидкой фазы в разных частях отливки независимо от характера образующихся первичных кристаллов. Первичная кристаллизация имеет для отливок гораздо большее значение, так как от нее зависит и вторичная, поэтому первичную кристаллизацию можно считать и решающим фактором, определяющим механические свойства отливок. Дефекты, возникающие при первичной кристаллизации, нельзя исправить термообработкой, и они проявляются в местных ухудшениях таких свойств отливки как: прочность, удлинение, сужение, ударная вязкость, изноустойчивость. В связи с этим возникает необходимость в управлении процессом первичной кристаллизации. Для этого надо уметь управлять строением отдельных кристаллов и кристаллических зон. Несмотря на многие попытки, эта проблема окончательно не решена. Ведь действительная прочность металлических материалов составляет только долю теоретической прочности, которая определяется межатомными силами. Такое различие вызывается субмикроспическими и иными дефектами как внутри кристаллов, так и на их границах. В лабораториях выращены бездефектные кристаллы железа с пределом прочности при растяжении более 1000 кгс/мм² (прочность углеродистой стали 40 кгс/мм²). Попытки повысить механические свойства путем создания отливки монокристалла не оправданы. Приходится идти обратным путем- так влиять на первичную кристаллизацию, чтобы получить множество мелких кристаллов, что также позволяет достигнуть высоких механических свойств. Чтобы иметь возможность влиять на процесс первичной кристаллизации, надо знать основные закономерности кристаллизации. На процесс кристаллизации оказывает влияние не только технолог–литейщик, но и в значительной мере конструктор, создающий деталь. Для образования кристалла из расплава требуется зародыш, или центр кристаллизации. Зародыши кристаллизации могут иметь различное происхождение. Одни зародыши образуются самопроизвольно в переохлажденном расплаве при быстром охлаждении, другие, несамопроизвольные зародыши, могут быть продуктами реакций металлургического процесса или попасть в расплав извне, например из футеровки (обкладки) плавильной плечи или ковша. Из зародыша кристаллизации при благоприятных условиях, а именно, если охлаждение, зародыша продолжается, может вырасти первичный кристалл определенных форм и размера. Форма и внутренне строение первичного кристалла зависят от того, с какой скоростью идет охлаждение, каково поверхностное натяжение на границе между твердой и жидкими фазами сплава, и наконец, от числа активных зародышей в единице объема расплава (чем их больше, тем мельче будут кристаллы, и наоборот). Внутренне строение и форма первичного кристалла обуславливается соотношением интенсивности теплового потока и величиной поверхностного натяжения между твердой и жидкими фазами. Если поверхностное натяжение велико, а тепловой поток слаб, образуются кристаллы с грубым внутренним строением (глобулиты) с незначительным разветвлением осей. Такие кристаллы растут одинаково быстро от граней, ребер и вершин зародыша (рис. 10). При меньшем поверхностном натяжении и увеличении теплового потока из зародыша получается древовидное образование, так называемый дендрит, на котором в дальнейшем затвердевает расплав. Пока отношение между поверхностным натяжением и скоростью охлаждения не достигнет нужного значения, дендрит растет приблизительно одинаково во всех направлениях. Образуется так называемый равноосный первичный дендрит или первичный кристалл. Его внутреннее строение мельче и сложней чем у глобулита (см. рис. 10). Чем более интенсивен тепловой поток (больше скорость охлаждения) при том же или меньшем поверхностном натяжении, тем мельче и сложнее поверхностное натяжение кристалла. В этом случае при значительном увеличении скорости охлаждения при направленности теплового потока уже будут получаться кристаллы не равноосные, а вытянутые в направлении наибольшего теплового потока. Такие кристаллы имеют вид столбиков, почему и называются столбчатыми. Их внутреннее дендритное строение еще мельче и сложней, чем у равноосных кристаллов (рис. 10). При дальнейшем увеличении скорости охлаждения получается структура, называемая литейной коркой состоящая из многочисленных мелких кристалликов с дисперсным внутренним строением. Химический состав корки в разных местах почти одинаков. Вследствие указанных обстоятельств литейная корка имеет превосходные механические и другие свойства. Идеалом было бы достигнуть по всему сечению отливки такой структуры, какую имеет литейная корка, т.е. состоящей из мелких кристаллов с весьма тонким внутренним строением. Чтобы получить кристаллики с тонким строением и при том мелкие, надо расплав наряду с быстрым охлаждением либо модифицировать (модифицирование введение в расплав веществ, обычно в малых количествах, которые способствуют кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме), чтобы увеличить число зародышей, либо подвергнуть внешнему силовому воздействию в процессе кристаллизации, чтобы разрушить образовавшиеся кристаллические скелеты и получить мелкие обломки. Так как силовое воздействие на песчаную форму не возможно, то на расплав воздействуют в процессе заполнения формы, осуществляя залитие через вибрирующую воронку. При литье под давлением силовое воздействие на сплав оказывается непосредственно в форме. По окончании заливки расплав в форме становится относительно спокойным. Кристаллизация отливок происходит в разных условиях, зависящих от различных факторов. Рассмотрим некоторые из них.

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 t₀до t изменение объема и длины тела определяется по формулам:

sV=a_v(t-t₀) sL=a_l(t-t₀)

Коэффициентами a_v и a_l при охлаждении являются истинными коэффициентами объемного a_v и линейного сжатия a_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).

Эффективный радиус действия прибыли зависит от ее расположения и конфигурации отливки. Например, радиус действия прибыли, установленной на горизонтальной площадке меньше, чем на вертикальной. Поэтому, особенно для сплавов склонных к усадке, необходимо обеспечить выгодное сочетание температурного и силовых полей. Для этого отливку заливают в наклонном положении, причем часть отливки, на которой расположена прибыль, находится внизу. Этим создается значительная разница температур в удаленных и прилегающих к прибыли частях, то есть создается выгодное температурное поле. После заливки форму поворачивают, так, чтобы прилегающая прибыль была на самом верху, чем достигается дополнительное давление, то есть выгодное силовое поле. (См. рис. 15).

Рис.15. Схематическое изображение поворотов формы до и после заливки.

По конфигурации отливки бывают с плавно изменяющейся толщиной стенки и с резко изменяющейся толщиной стенки. Примеры первых отливок приведены на рис. 17. В наиболее широкое место каждой из них можно вписать только один шар наибольшего диаметра. Эти участки называют термическими узлами; они дольше остаются горячими и дольше затвердевают. Стенки с термическими узлами характеризуются приведенной толщиной – отношением D_max /D_min. Термические узлы в горизонтальной и вертикальной (б) отливках могут питаться помещенными на них прибылями. Термический узел (рис. 16) удален от прибыли. Отливка между прибылью и удаленным от нее узлом затвердевает раньше, чем узел. Затвердевание будет отрицательно направленным, поэтому в таких отливках образуются усадочные раковины.

Нет рис 16

Рис. 17 Отливки с плавно изменяющейся толщиной стенки.

Отливки с резко изменяющейся толщиной стенки характеризуются тем же отношением D_max /D_min. Питание от прибыли толстой части зависит от подвода жидкого металла и расположения прибыли. На рис. 18 а, в прибыль прилегающая и поэтому наиболее эффективна, на рис. 18 б – полуприлегающая. На рис. 18 г узел находится в таком положении, что его нельзя питать из прибыли и в нем создается местное отрицательно направленное затвердевание.

Рис. 18. Отливки с резко изменяющейся толщиной стенки.

При изготовлении сложных отливок с несколькими тепловыми узлами одна прибыль (рис. 19) не устраняет усадочную раковину, а две увеличивают расход металла. Если термический узел непроточной то есть при заливке сплав практически через него не протекает, и если он в то же время удален от прибыли, то есть не питается, то его можно обезвредить, захолаживая отливку снаружи холодильником из хорошо проводящего тепло материала. В этом случае узел затвердевает раньше, чем питающая стенка и он называется переохлажденным узлом. При этом не имеет смысла увеличивать толщину холодильника свыше 2/3 толщины охлаждаемого узла. Толщина затвердевающего слоя во времени увеличивается по параболе, в связи с чем и действие холодильника по направлению внутрь ослабевает тем более, чем больше захолаживаемый узел. При одинаковой приведенной толщине малый узел можно переохладить извне, тогда как большой - невозможно даже при массивном холодильнике.

Рис. 19. Питание отливки с изолированным термическим узлом.

Большой непроточный узел, не имеющий под собой прибыли, нельзя переохладить извне. Однако его можно обезвредить установкой внутреннего холодильника (рис. 20), изготавливаемого из материала отливки или из другого материала.

Рис. 20. Захолаживание термического узла внутренним холодильником.

Если прибыль не питает узел и в то же время он проточной, его не удается обезвредить ни наружным, ни внутренним захолаживанием. Остается только изменить технологический процесс или конструкцию отливки делением ее на части по линии А-А (рис. 21) или технологическим припуском.

Рис. 21. Местный проточный термический узел.

Сложная отливка содержит несколько узлов. Так, например, отливка на рис. 22 имеет три кольцевых узла M, N, O. Питание подведено в узел О, на котором еще есть ряд угловых узлов в местах сопряжения ребер 2. Узел М прилегает к прибыли и удален от подвода питания. Рассмотрим узлы по возможности их обезвреживания. Узел О не питается прибылью и так как он проточной его нельзя захолодить. Узел одновременно и проточной и сквозной, его нельзя надежно обезвредить захолаживанием. Узел М питается прибылью. Так как узлы О и N остаются без питания, то необходимо при данном подводе питания скорректировать сечение отливки. Вписывают в узел О наибольший шар и катят его по внутреннему контуру отливки до узла N. При этом придется несколько расширить сечение (указано штриховкой). Наибольший шар, вписанный теперь в узел N нужно теперь катить до узла М. Стенка между узлами N и М увеличивается (показано штриховкой). Это решение требует больших литейных припусков. Чтобы не увеличивать чрезмерно расход сплава достаточно усилить стенки только в местах расположения ребер.

Рис. 22. Обезвреживание термических узлов у сложной отливки

6. Газы

В металлах и сплавах газообразные элементы могут присутствовать в следующих видах:

1. газовых включений (раковин и сферических пузырей) - механическая смесь металла и газа;

2. твердых химических соединений с элементами, входящими в состав сплава (окислов, гибритов и т.д.)

3. Жидких и твердых растворов, в этом случае атомы газообразных элементов могут располагаться между атомами основного металла или внедриться в его кристаллическую решетку;

4. тонких слоев: адсорбированных на поверхности металла или сплава, например адсорбция может происходить на поверхности графитовых включений, расположенных в толще металлической матрицы.

Растворимость газов в металлах и сплавах в значительной степени зависит от вида и свойства газа, природы растворителя, температуры и давления. Из свойств газов на его растворимость большое влияние оказывает молекулярное и атомное строение. В обычных жидкостях повышение температуры уменьшает растворимость газов. В жидких металлах и сплавах растворимость газов с повышением температуры может увеличиваться.

Процесс растворения газов в металлах и сплавах начинается с адсорбции, которая обычно вызывает понижение поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-газ.

Поверхностная физическая адсорбция является первоначальной стадией сорбционных процессов для большинства случаев взаимодействия жидкость- газ.

С повышением температуры сплава получает развитие процесс активизированной адсорбции, являющейся предварительной стадией диффузии газов в металл. Этот вид адсорбции, характерный для большинства систем металл-газ, отличается от обычной увеличением количества адсорбированного газа на поверхности адсорбента с повышением температуры.

Теплота активизированной адсорбции значительно превышает соответствующие величины физической адсорбции и приближается к величинам теплоты химических реакций. В процессе активированной адсорбции молекулы адсорбируемого газа на поверхности адсорбента диссоциируют и могут вступать с ним в химическое взаимодействие. Большое развитие получают процессы активированной адсорбции в системах металл- водород.

Газы, адсорбируемые поверхностью металла, в атомарном состоянии – диффундируют в металл. Процесс диффузии регулируется температурой, давлением и адсорбцией, величина которой, в свою очередь, зависит от состояния поверхности и структуры металла- адсорбента. Чем больше активная поверхность адсорбента, тем большим будет и количество диффундируемого газа.

Получение отливок без газовых раковин и пористости является одной из самых трудных задач литейного производства. Поэтому важно знать особенности не только растворения газов в металле, но и обратно процесса - их удаления.

Меры, обеспечивающие минимальное содержание газов и предупреждение образования газовых раковин и пористости в отливках, можно разделить на три группы:

1. дегазация исходных шихтовых материалов;

2. дегазация жидкого металла перед заливкой в форму;

3. предупреждение выделения газов из раствора в процессе кристаллизации металла в форме.

Так как первые два метода характерны для всех способов литья и не зависят от конструктора детали, то остановимся только на последнем мероприятии. К ним относятся: кристаллизация под давлением и литье под давлением с подпрессовкой.

Метод кристаллизации под давлением основан на том, что при повышенном давлении (4-5 атм.), создаваемом над кристаллизующимся в форме сплавом, в растворенном состоянии в металле может остаться больше газов, чем при атмосферном давлении. Поэтому над формами после заливки в автоклаве создают повышенное давление, поддерживаемое до окончания затвердевания.

Аналогично по воздействию на затвердевающий металл и давление подпрессовки при литье под давлением. Подобно высокому давлению при кристаллизации действует ускоренное охлаждение. Задержать газовыделение из раствора до перехода в твердое состояние и предупредить образование газовых раковин в отливках может и повышенная скорость охлаждения. Кроме того, повышенная скорость охлаждения является благоприятной еще и потому, что обеспечивает большой температурный градиент по сечению отливки в период кристаллизации. Это уменьшает слой, в котором протекает кристаллизация в данный момент. Поэтому газы, успевшие выделиться из раствора, могут легче и быстрее удалиться через еще жидкий сплав.

7. Неметаллические включения

В затвердевшем сплаве (окислы, нитриды и др.) являются телами, нарушающими сплошность и единообразие его структуры. Твердые неметаллические включения часто имеют острые углы и края, в которых образуются значительные концентрации напряжений. Тугоплавкие для данного сплава включения, температура плавления которых превышает температуру плавления данного сплава, обычно располагается внутри кристаллов. Легкоплавкие включения входят в электрические «сетки» и располагаются по границам зерен, часто вызывая хрупкость или красноломкость. Неметаллические включения могут неблагоприятно сказаться и на процессах вторичной кристаллизации.

Некоторые включения могут понижать химическую стойкость сплавов, так как они образуют с основным металлом сплава коррозионные гальванические пары, способствующие развитию электрохимических процессов коррозии.

8. Ликвация(от позднелатинского –отделение)

В процессе затвердевания реальной отливки содержащаяся внутри отливки жидкость находится в непрерывном движении. В центральной зоне отливки происходит конвективное перемещение сплава. Кроме того внутри переходной зоны жидкость циркулирует между растущими кристаллами. Однако в большинстве отливок наблюдается химическая неоднородность сплава в виде зональной ликвации отдельных элементов. Обычно, ликвируют элементы, растворимость которых в первоначально образующихся твердых кристаллах относительно мала. Например, медь неравномерно распределяется по сечению отливки из алюминиево-медного сплава. При выделении кристаллов с пониженным содержанием ликвирующего элемента, этот элемент скапливается в жидкости, окружающий кристалл. Возникает значительная разница в концентрации элемента внутри жидкости переходной и в составе маточного раствора в центре отливки. Под действием градиента концентрации в жидком сплаве происходит диффузия элемента к центру отливки, что вызывает развитие зональной ликвации.

Характер ликвации зависит от скорости охлаждения отливки. Очевидно, что большая скорость охлаждения приводит к получению отливки с лучшими механическими свойствами. Поэтому конструктор должен помнить, что при использовании для изготовления изделия сплава склонного к ликвации, при выборе способа литья следует отдавать предпочтение процессу с быстрым охлаждением. Например, при литье под давлением ясно выраженная зональная ликвация не успевает развиваться. Дендритная же ликвация не оказывает существенного влияния на качество отливок.

9. Напряжения в отливках и их последствия

Вместе с этой лекцией читают "38 Конфликты юности, молодости, зрелости и старения".

Каждой температуре соответствует вполне определенный удельный объем данного сплава во всех агрегатных состояниях. С изменением температуры изменяется удельный объем сплава- сплав претерпевает расширение или сужение. Свободное расширение сплава всегда отличается от расширения этого сплава в отливке, потому что при расширении (сжатии) отливки всегда возникает торможение, препятствующее расширению (сжатию).

Встречаются три основных механизма торможения: механическое торможение усадки (рис.23, а), тепловое торможение усадки (рис. 23, б) и комбинированное торможение усадки (рис. 23, в) при этом в отливке возникают напряжения. Когда численные значения напряжений превысят предел прочности материала отливки, то она разрушается. Нарушение сплошности материала отливки, возникающее при высоких температурах, называются горячими трещинами, а при комнатной или несколько более высокой температурах холодными трещинами. Часто отливки не разрушаются, но в них остаются внутренние напряжения, которые изменяются в процессе хранения, эксплуатации, что приводит к короблению отливок и изменению их размеров. Особенно заметно изменение размеров после механической обработки отливок.