книги / Металлургические технологии

Жидкотекучесть - сложное технологическое свойство, на которое оказывает влияние большое число факторов. Все факторы, влияющие на полноту заполнения формы, можно разделить на три группы. К первой группе относят свойства металла или сплава: теплопровод­ ность, теплоемкость, теплоту и интервал кристаллизации, вязкость, поверхностное натяжение, наличие включений, строение закристалли­ зовавшегося металла. Вторую группу составляют свойства литейной формы в зависимости от ее материала: теплоаккумулирующая способ­ ность, газопроницаемость, шероховатость стенок и др. Третья группа - это условия заливки: металлостатический напор, степень перегрева металлического расплава, температура подогрева формы и т.д.

На величину жидкотекучести влияют следующие из этих факторов:

1.Величина температурного интервала кристаллизации. Чем шире интервал кристаллизации сплава, тем хуже его жидкотекучесть. Луч­ шей жидкотекучестью обладают чистые металлы и сплавы эвтектиче­ ского состава, кристаллизующиеся при постоянных температурах.

2.Вязкость жидкого сплава. Прямой связи вязкости с поверхно­ стным натяжением, а также смачиваемостью сплавов не обнаружено. Более вязкий сплав, хотя и медленнее, но достигает тех же показате­ лей жидкотекучести, что и сплав с меньшей вязкостью. Наиболее существенно жидкотекучесть возрастает при увеличении теплоты кристаллизации и резко снижается при окислении расплава и увели­ чении доли твердых неметаллических включений.

3.Теплоаккумулирующая способность (ТАС) формы. Чем выше ТАС формы, тем меньше жидкотекучесть расплава. ТАС металличе­ ских форм выше, чем у песчаных форм, поэтому при литье в разовые песчаные формы, при прочих равных условиях, можно получать от­ ливки с более тонкими стенками, чем при литье в кокили.

4.Газопроницаемость формы. Недостаточная газопроницаемость материала формы затрудняет удаление находящегося в полости фор­ мы воздуха и образующихся газов. Это тормозит движение потока жидкого металла и снижает жидкотекучесть.

5.Шероховатость стенок формы. Увеличение шероховатости стенок формы увеличивает поверхность контакта расплава с формой, ускоряет кристаллизацию и ухудшает жидкотекучесть.

6. Температура заливаемого металла. Повышение температурь* жидкого металла увеличивает запас тепла и благотворно влияет на жидкотекучесть. Кроме того, с ростом температуры уменьшается микронеоднородность жидкого расплава и облегчается удаление неметаллических включений и газов, что также улучшает жидкотеку­ честь. В то же время повышение температуры усиливает окисление и увеличивает газонасыщенность расплава, что ухудшает жидкотекучесть сплавов, склонных к окислению и газонасыщению.

7. Температура формы перед заливкой. Подогрев формы являет­ ся эффективным способом повышения жидкотекучести. Температура подогрева формы ограничивается технологическими возможностями, стойкостью оснастки и необходимостью обеспечения оптимального времени охлаждения полученной отливки. При литье в кокили без предварительного подогрева формы полное заполнение всех полос­ тей формы практически невозможно.

8. Влияние давления. Воздействие давления на жидкотекучесть оп­ ределяется способом приложения давления. При всестороннем давле­ нии (литье в автоклавах) усиливается интенсивность теплоотвода из-за более плотного контакта металла с формой, что приводит к уменьше­ нию жидкотекучести. Если же повышенное давление используют как способ принудительного заполнения формы (литье под давлением), то жидкотекучесть в значительной степени возрастает.

Жидкотекучесть определяют при помощи технологических проб, представляющих собой литейные формы с каналами различного се­ чения. Жидкотекучесть тем больше, чем больше путь, пройденный жидким металлом в форме до полной остановки. Все пробы можно разделить на три группы: пробы с каналом постоянного сечения, пробы с каналом переменного сечения и комбинированные пробы. Наибольшее распространение получила спиральная проба (ГОСТ 16438-70), в соответствии с которой жидкотекучесть опреде­ ляют путем заливки расплава в сухие или сырые песчаные формы или металлические формы (кокили).

перекрывают пробкой. Через каждые 50 мм в форме над каналом вы­ полнены шаровидные углубления высотой 1 мм. На залитой спирали они образуют выступы, облегчающие определение ее длины.

12.2.2. Усадка

Усадкой называют уменьшение объема и, как следствие, линей­ ных размеров отливки в процессе кристаллизации и последующего охлаждения до температуры окружающей среды.

С усадкой связаны основные трудности в производстве фасон­ ных отливок. От нее зависят геометрические размеры и плотность отливок, характер распределения усадочной раковины и усадочной пористости, появление горячих и холодных трещин.

Причиной появления усадки является изменение объема при нагре­ ве и охлаждении любых тел. У большинства металлов объем увеличи­ вается при нагреве и уменьшается при охлаждении. Исключение со­ ставляют такие металлы, как галлий, сурьма, висмут, литий, германий,

у которых наблюдается обратная зависимость (известно, что и вода при охлаждении и переходе в твердое состояние увеличивает свой объем).

Уменьшение объемов и линейных размеров тел при их охлажде­ нии называют соответственно объемной (е^) и линейной (в/) усадкой.

Линейная усадка проявляется только после полного затвердева­ ния сплава. Объемная усадка начинается еще в жидком состоянии, продолжается в твердожидком состоянии и заканчивается в твер­ дом состоянии. В соответствии с этим полную объемную усадку можно представить как сумму усадки в жидком состоянии (б^ж), усадки в интервале кристаллизации (в^кр) и усадки в твердом со­ стоянии ( E F T B ) -

ЕГполн &Уж £pkp £FTB*

Усадка может быть положительной (уменьшение объема и ли­ нейных размеров) и отрицательной (увеличение объема и линейных размеров). Во всех промышленных сплавах усадка в целом положи­ тельная, несмотря на то, что в ходе фазовых превращений может происходить увеличение объема и размеров отливки. Это явление называют предусадочным расширением. В качестве примера можно привести графитизированные чугуны: формирование и рост графи­ товых включений приводят к смене знака усадки. Поэтому с учетом предусадочного расширения (EVnyp) полная объемная усадка запишет­ ся следующим образом:

^Гполн £Гж &Укр £Гтв ЕГпур*

Если кристаллизация происходит при постоянной температуре (чистые металлы и эвтектические сплавы), то величина кристаллиза­ ционной усадки Еккр зависит только от вида металла или сплава и со­ ставляет от 1 до 6 %.

Усадка в твердом состоянии может протекать без каких-либо препятствий со стороны литейной формы. В этом случае усадку на­ зывают свободной. Если же в ходе охлаждения отливки появляется механическое или термическое торможение, то усадку считают за­ трудненной. Механическое торможение усадки проявляется со сто­ роны выступающих частей формы, стержней, а также вследствие

трения отливки о стенки формы и стержни. Термическое торможение происходит в результате неодинаковых скоростей охлаждения раз­ личных частей отливки. Тонкие стенки, ребра, выступы затвердевают раньше, чем массивные части отливок и препятствуют их усадке. В некоторых случаях одновременно наблюдается и механическое, и термическое торможение усадки.

Изменение линейных размеров при наличии любого торможения называют литейной усадкой. Литейной называют линейную усадку, определяемую по фактическим размерам модели и отливки:

= ^ 7^ * 100%,

О

где /м и /0 - соответствующие размеры модели и отливки.

Если усадка свободная, то линейная и литейная усадки совпа­ дают.

Линейная усадка сталей в большинстве случаев составляет 1,2...2,5 %, чугунов - 0,8... 1,5 %, цветных сплавов - 0,4...2,5 %. Ве­ личина линейной усадки для каждого сплава приведена в справочной литературе. Ее необходимо учитывать при проектировании литейной оснастки. При изготовлении моделей пользуются так называемыми «усадочными метрами», размеры которых уже увеличены на величи­ ну усадки данного металла или сплава.

Литейными дефектами, связанными с усадкой, являются уса­ дочная раковина и усадочная пористость.

Усадочная раковина - это концентрированная пора, которая формируется в объеме расплава, кристаллизующегося в последнюю очередь.

В зависимости от условий охлаждения в одной и той же отливке усадочная раковина может быть открытой, закрытой, сосредоточен­ ной и рассредоточенной (рис. 12.5). Кроме того, на глубину и место залегания усадочной раковины, оказывает влияние конфигурация литейной формы (рис. 1 2 .6).

Прибыль должна отвечать следующим требованиям:

1) запаса жидкого сплава в прибыли должно хватать на компен­ сацию усадки;

2)металл в прибыльной части должен кристаллизоваться после того, как закристаллизуется основное тело отливки;

3)прибыль нужно устанавливать так, чтобы обеспечить доступ жидкого металла в объемы отливки, затвердевающие в последнюю очередь, т.е. необходимо выполнять принцип последовательного за­ твердевания отливки. Проверка выполнения этого принципа осуще­ ствляется методом выкатывающегося шарика (рис. 12.9). Отливка должна быть спроектирована так, чтобы шарик, мысленно помещен­ ный в самую тонкую часть, мог беспрепятственно выкатиться в при­ быль. Для этого каждый последующий элемент отливки должен только расширяться. Для питания таких отливок достаточно устано­ вить одну прибыль.

дения. Холодильники бывают наружные и внутренние. Наружный хо­ лодильник, который, чаще всего, представляет собой объем материала с высокой теплопроводностью (стальная или чугунная болванка), за­ прессовывают в форме с внешней стороны. Внутренний холодильник, которым является болванка из материала, химический состав которого аналогичен химическому составу заливаемого сплава, устанавливают в полость формы. При заполнении формы жидким сплавом внутрен­ ний холодильник омывается им и частично расплавляется, а затем (при кристаллизации) сваривается с металлом отливки.

Использование холодильников позволяет регулировать скорость охлаждения отливки в очень широких пределах и, тем самым, обес­ печивать выполнение принципа последовательного затвердевания.

12.2.3. Ликвация

Ликвацией называют неоднородность химического состава за­ твердевшего сплава. Ликвация может наблюдаться как в пределах одного зерна (дендрита), так и в различных зонах отливки. В соот­ ветствии с этим различают дендритную (микроскопическую) и зо­ нальную (макроскопическую) ликвации.

Дендритная ликвация - это неоднородность химического со­ става в различных зонах одного дендрита (или зерна). Дендритная ликвация всегда имеет место при неравновесной кристаллизации сплавов, затвердевающих в интервале температур. В первую очередь дендритная ликвация наблюдается в сплавах, компоненты которых могут частично или полностью растворяться друг в друге в твердом состоянии.

Для примера рассмотрим равновесную кристаллизацию сплава Со, компоненты которого А и В неограниченно растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях (рис. 1 2 .10 ). Кристаллизация этого сплава начинается при температуре ликвидуса - в точке Ь. Хи­ мический состав первых порций твердой фазы определится проек­ цией точки а на ось концентраций и будет равен С\. Состав жидкой фазы при этом остается равным

исходному - Со (проекция точки b на ось концентраций). Таким об­ разом, первые порции твердой фа­ зы окажутся довольно сильно обо­ гащенными атомами тугоплавкого компонента (в нашем случае - компонент А). Как следует из ден­ дритной схемы роста кристаллов,

в первую очередь появляются и растут оси первого порядка. Поэтому именно оси первого порядка и окажутся обогащенными атомами туго­ плавкого компонента А

В момент достижения сплавом температуры точки е состав твердой фазы определится проекцией точки с, т.е. будет равен С2, а состав жидкости - проекцией точки d, т.е. будет равен С3. Нако­ нец, при температуре солидуса (точка т) кристаллизуются послед­ ние порции жидкости состава С4. Таким образом, жидкость, кри­ сталлизующаяся в последнюю очередь, будет обогащена атомами легкоплавкого компонента 5. Поскольку в последнюю очередь жидкость кристаллизуется в межосевом пространстве, именно оно и будет обогащено атомами легкоплавкого компонента. Эти различия в химическом составе главных осей дендритов и межосевого про­ странства (от Ci до С4) и позволяют на качественном уровне оце­ нить степень дендритной ликвации.

Средний состав твердой фазы к моменту окончания кристаллизации будет равен составу исходной жидкой фазы - С0(проекция точки т).

Дендритную ликвацию можно существенно уменьшить с помо­ щью термической обработки - отжига. Температура нагрева при этом должна быть такой, чтобы обеспечить высокую скорость диф­ фузии атомов для выравнивания химического состава в объеме зер­ на. Время выдержки зависит от размера дендритов. Если во время кристаллизации удается уменьшить размер дендритов в 2 раза, то время выдержки при отжиге можно сократить в 4 раза. Данное об­ стоятельство демонстрирует преимущества ускоренной кристаллиза­ ции - при последующем отжиге ликвация в мелкозернистой структу­ ре устраняется полнее и быстрее.

Зональная ликвация. При дендритной кристаллизации в распла­ ве всегда образуется легкоплавкий ликват, который, в силу различ­ ных причин, перемещается по объему будущей отливки и формирует в ней ликвационные зоны. В зависимости от месторасположения этих зон и причин перемещения ликвата зональную ликвацию под­ разделяют на прямую, обратную, гравитационную (ликвацию по плотности) и полосчатую.