Склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости

Усадка — одно из основных литейных свойств сплавов. Процесс усадки сопровождается рядом явлений, определяющих качество отливки. В первую очередь, к ним следует отнести образование усадочной раковины и усадочной пористости, усадочных напряжений, горячих и холодных трещин, остаточных напряжений, формирование размеров и коробления отливок.

Различают усадку металлов и сплавов и усадку отливок. Под усадкой металлов и сплавов понимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и размеров некоторого объема металла или сплава при охлаждении в изотермических (равновесных) условиях, когда температура одинакова в любой точке в каждый данный момент времени. Усадка сплава определяется только его физическими свойствами. Под усадкой отливок понимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и размеров отливки из сплава, залитого в реальную литейную форму, охлаждающегося в неизотермических (неравновесных) условиях с неоднородным распределением температуры и находящегося в силовом взаимодействии с нагреваемой формой. Усадка отливки определяется не только свойствами сплава, но и неоднородностью температуры и его взаимодействием с формой. Принято подразделять усадку и сплава, и отливок на объемную и линейную.

Объемная усадка металлов и сплавов. Объемная усадка металлов и сплавов является не литейным, а физическим свойством. Для литейщиков представляет практический интерес не только суммарное изменение объема металла или сплава при их охлаждении, которое собственно и характеризует объемную усадку металлов и сплавов, а его изменение в зависимости от температуры. Поэтому различают: усадку в жидком состоянии, когда температура изменяется от Т_зал до Т_л (Т_кр) (рис. 1.9); усадку затвердевания, когда температура изменяется от Т_л до Т_с (или Т_кр = const, рис. 1.9, а, б), и усадку в твердом состоянии, когда температура изменяется от Т_с до Т_н (где Т_н — температура окружающей среды, цеха). Следует отметить, что коэффициент объемного сжатия металла в жидком состоянии больше, чем для металла в твердом состоянии.

Рис. 1.9. Схема изменения объема при охлаждении для сплавов с Т_кр = const (а), Т_л - Т_с> 0 (б) и расширяющихся при затвердевании сплавов (в):

V₁, V₂, V₃ и V₀ - объемы сплава при соответствующих температурных условиях

Описанное деление связано с практической необходимостью использовать при расчете прибылей объемную усадку затвердевания, реже суммарную объемную усадку в жидком состоянии и усадку затвердевания.

Прибылью называется дополнительный объем металла, заливаемого в форму и служащего для компенсации уменьшения объема сплава при его охлаждении (в основном при затвердевании) и вывода образующейся раковины из отливки в этот объем.

В определении усадки кроме основного термина «уменьшение» в скобках используется более общий термин «изменение», что связано с возможным увеличением объема при затвердевании (рис. 1.9, в) таких распространенных сплавов, как серые и высокопрочные чугуны, а также таких металлов, как висмут, галлий, сурьма и литий (можно также вспомнить о расширении воды, происходящем при ее замерзании).

Чаще всего объемную усадку выражают в процентах или в долях единицы (в этом случае процентную величину необходимо разделить на 100).

Для схем, приведенных на рис. 1.9, объемная усадка ε_v сплавов определяется следующими выражениями:V

— в жидком состоянии (индекс «ж»);

— затвердевания (индекс «з»);

— в твердом состоянии (индекс «тв»),

где — объем сплава при Т_зал, — объем сплава при Т_л (Т_кр); — объем сплава при Т_с (Т _кр); — объем сплава после полного, охлаждения.

Общая (суммарная) усадка при охлаждении сплава от Т_зал до Т_н соответственно будет равна

, или .

Определение объемной усадки сплавов можно осуществить с помощью пикнометра, гидростатическим, дилатометрическим и другими методами, включая метод гамма-излучения. При этом чаще всего измеряют изменение удельного объема или плотности сплава. Графики изменения плотности в зависимости от температуры представляют зеркальное отображение приведенных на рис. 1.9 графиков изменения объема.

Рис. 1.10. Изменение плотности чугунов:

а — доэвтектического состава; б — эвтектического (околоэвтектического) серого (точки L, S, S ’, Е соответствуют фазовому переходу, точка М — см. в тексте)

Зависимости плотности чугунов от температуры приведены на рис. 1.10, которые получены профессором А. С. Басиным методом просвечивания узким пучком гамма-излучения на высокотемпературном гамма-плотномере при медленном охлаждении чугунов с постоянными скоростями (3...5°С/мин).

При охлаждении доэвтектических чугунов от температуры Т_зал заливки до температуры Т_л ликвидуса (точка L на рис. 1.10, а) их плотность ρ в жидком состоянии изменяется линейно. При этом термический коэффициент объемного сжатия чугунов в жидком состоянии практически не зависит ни от температуры в интервале Т _зал... Т_л, ни от химического состава и равен (8,5... 11)х х10^-5К^-1. Следовательно, объемная усадка доэвтектических чугунов и других сплавов в жидком состоянии может быть определена по уравнению

(5)

При Т_л начинается кристаллизация первичного аустенита, которая заканчивается при эвтектической температуре Т_Е. Изменение агрегатного состояния сопровождается увеличением плотности и уменьшением объема. При Т_Е= const кристаллизуется эвтектика.

Белые чугуны подчиняются общей закономерности: кристаллизуется аустенито-цементитная эвтектика, плотность возрастает до значения, соответствующего точке S. При дальнейшем охлаждении плотность белого чугуна увеличивается монотонно.

В серых чугунах кристаллизуется аустенито-графитная эвтектика, что сопровождается не уменьшением, а увеличением объема и уменьшением плотности до значения, соответствующего точке S' (рис. 1.10, а). Кроме того, у серых чугунов и после точки S' плотность уменьшается, и происходит расширение, которое заканчивается в точке М. Плотность серого чугуна в точке М минимальна. Интервал температуры T_s... T_M составляет 60 К. Это расширение профессор А. С. Басин и другие назвали «постэвтектическим». Из возможных причин постэвтектического расширения были отмечены следующие:

• продолжение кристаллизации эвтектической жидкости с выделением графита и вытеснением остатка расплава. Это следует из рассмотрения квазибинарных разрезов диаграмм состояния многокомпонентных чугунов: под влиянием Si, Mn, S, Р и других элементов процесс эвтектической кристаллизации многокомпонентного чугуна происходит в некотором интервале температур;

• выделение графита из первичного и эвтектического аустенита в твердом состоянии в результате резкого снижения растворимости углерода в аустените сопровождается увеличением объема (уменьшением плотности) чугуна.

При этом авторы считают, что фактор увеличения объема твердого чугуна вследствие выделения графита из аустенита имеет большее значение. Возможно также, что при эвтектической кристаллизации наряду с аустенито-графитной эвтектикой выделяется некоторое количество аустенито-цементитной эвтектики, цементит которой неустойчив и распадается с увеличением объема и уменьшением плотности.

Объемное изменение серого чугуна в процессах LE, ЕМ и LM можно определить (см. рис. 1.10) по уравнениям, аналогичным приведенным ранее:

; ;

Регрессионным анализом были получены приближенные уравнения для определения объемных изменений серого чугуна:

; (6)

; (7)

. (8)

Особенность кристаллизации эвтектических двойных сплавов Fe—С и многокомпонентных чугунов заключается в отсутствии скачка плотности (объема) в процессе эвтектического превращения L, S, Е (рис. 1.10, б). При этом усадка не наблюдается, а расширение происходит в некотором интервале температур ниже температуры эвтектического превращения, т.е. расширение является постэвтектическим. Расширение чугунов околоэвтектического состава может достигать 1,7%.

Температуру Т_л для доэвтектических чугунов можно определить по уравнению

Т_л= 1670- 124С, (9)

где С — содержание углерода (или углеродный эквивалент). Подставив значение Т_л в уравнение (8), найдем объемную усадку затвердевания серых доэвтектических чугунов

. (10)

Используя уравнения (8) и (10), можно найти, что при Т_л= 1480 К и содержании 3,73% углерода объемная усадка затвердевания серого чугуна будет равна нулю, если постэвтектическое расширение не реализуется в изменении наружных размеров. При высоком содержании углерода объемная усадка будет отрицательна.

Сведения об объемных изменениях в жидком состоянии и при затвердевании важнейших металлов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Температурные коэффициенты объемного сжатия (ТКОС) в жидком состоянии (индекс «ж») и объемная усадка затвердевания (индекс «з»)

Основа сплава	ТКОαv(ж)•10⁵, К^-1	Объемная усадка затвердивания ɛv(з),%
Железо		3,0
Алюминий		6,5
Магний		5,1
Медь		4,4
Титан	-	3,0
Цинк	-	4,9
Свинец	-	3,7
Олово	-	3,0

Образование усадочных раковин. При охлаждении расплава, залитого в реальную форму, температура в различных точках отливки будет неодинакова, поэтому описанные выше процессы объемных изменений происходят неодновременно (например, в тонких и толстых сечениях), что приводит к взаимодействию отдельных объемов и слоев отливки между собой и отливки с литейной формой. Кроме того, часть металла может затвердевать при заливке, а уменьшение объема жидкого металла в форме некоторое время компенсируется литниковой системой. Неодновременность затвердевания сплава в объеме отливки приводит к образованию усадочных дефектов (усадочных раковин и усадочной пористости), объем которых определяется, с одной стороны, частично объемной усадкой в жидком состоянии и объемной усадкой затвердевания сплава, а с другой — перечисленными выше процессами.

Процесс описания образования усадочных раковин начнем спростейшего примера. Представим два металлических тела, одно из которых вписано без зазора в другое, и температура Т₁ наружного тела меньше температуры Т₂ внутреннего (рис. 1.11, а). При охлаждении до нормальной температуры уменьшение объема внутреннего тела окажется больше, чем наружного, и между ними возникнет зазор (рис. 1.11, б).

Аналогично затвердевающую в форме отливку из сплава с Т_кр= const, затвердевающую последовательно, можно рассматривать как систему двух тел (рис. 1.12, а). Жидкое ядро 2, охлаждаясь и затвердевая, уменьшается в объеме больше по сравнению с сокращением объема затвердевшей корки 1, что связано с более значительной усадкой при затвердевании и, как правило, большим коэффициентом температурного сжатия жидкого металла по сравнению с твердым. К концу затвердевания внутри отливки образуется воздушная пустота 3, называемая внутренней усадочной раковиной (рис. 1.12, 6).

Рис. 1.11. Образование зазора между двумя телами, имеющими разную температуру

(Т₁ и Т₂)

Рис. 3.12. Образование скрытой усадочной раковины в отливке

Рис. 3.13. Образование открытой усадочной раковины:

1, 2— твердые корки; 1', 2', 3' — уровни расплава в форме

Усадочная раковина может быть и открытой, например при литье слитков. В изложницу залит сплав с Т_кр = const. Принимаем, что при затвердевании расплава происходит усадка, при этом движение стенок формы, линейная усадка затвердевшего металла и отвод тепла в атмосферу отсутствуют. В какой-то момент времени на стенках формы образуется твердая корка 1 (рис. 1.13). Как следствие, начальный уровень 1' расплава в изложнице понизится до уровня 2', так как корка занимает меньший объем, чем объем расплава, «израсходованный» на образование этой корки. В следующий момент образуется новая порция корки 2, и уровень 2' расплава при этом понизится до уровня 3' и т.д. Данный процесс развивается во времени, приводя к образованию открытой раковины, но так как процесс остывания и затвердевания расплава во времени протекает монотонно, то в реальном слитке ступенек не образуется, поэтому на схеме они заменены прямой линией.

Проанализируем допущения. Вследствие расширения расплава при затвердевании (например, как у чугунов с графитом) уровень расплава в изложнице будет опускаться меньше, а в жестких формах может наблюдаться подъем уровня вплоть до выпирания расплава через стояк литниковой системы. При движении стенок формы (из-за подутия или расширения) уровень расплава будет дополнительно опускаться, и объем усадочной раковины увеличится.

Из-за охлаждения твердая корка «усаживается» и отходит от стенок формы, но, как показывают прикидочные расчеты, объемная усадка в твердом состоянии до окончания затвердевания практически на порядок меньше, чем объемная усадка затвердевания: при литье углеродистой стали в песчано-глинистые формы указанные значения составляют соответственно 0,00045 и 0,03 (или 0,045 и 3 %).

При отводе тепла от открытой поверхности прибыли на этой поверхности образуются мосты — затвердевшие слои металла, закрывающие усадочную раковину.

На практике усадочную раковину выводят из отливки в прибыли или применяют специальные технологии: непрерывное и электрошлаковое литье, когда затвердевающая часть отливки непрерывно питается из верхней жидкой ванны.

Образование усадочной пористости. Усадочная пористость возникает в отливках, если она изготовляется из сплава, затвердевающего в интервале температур Т_л...Т_с, когда в отливке можно выделить двухфазную зону и ξ_л-с> 0.

В начальный момент времени до смыкания дендритов в середине толщины отливки процесс усадки происходит аналогично вышеописанному, и в результате образуется сосредоточенная усадочная раковина. После смыкания дендритов между ними возникают замкнутые изолированные (не соединенные с основной массой расплава) пространства, заполненные жидким металлом. По мере охлаждения и затвердевания жидкой фазы в замкнутых пространствах происходит разрыв жидкости, образование пустоты (давление в ней равно нулю, т. е. создается вакуум) и последовательное ее увеличение за счет усадки затвердевания при переходе жидкого состояния в твердое. Питание отливки из стояка и прибыли при этом происходит за счет фильтрации жидкой фазы по междендритным каналам. С течением времени каналы зарастают, и фильтрация прекращается. При этом время фильтрации зависит от сил, действующих на жидкий металл в прибыли: сила тяжести, обычное (нормальное атмосферное) и повышенное (автоклав) давление (в порах давление равно 0), центробежные силы (при центробежном литье).

Выше описана осевая усадочная пористость, которая снижает механические свойства литых деталей и уменьшает их герметичность, особенно после обработки резанием. Однако в кажущемся плотном металле также наблюдается усадочная пористость. Ее принято называть рассеянной усадочной пористостью. Она также существенно влияет на механические свойства и герметичность отливок.

Объемы усадочных раковин и усадочной пористости в зависимости от состава сплава на диаграмме состояния. Формирование усадочных раковин выше было рассмотрено только для сплавов с Т_кр = const, т.е. по существу для чистых металлов и эвтектик. При рассмотрении же формирования усадочной пористости было оговорено, что сплав затвердевает в интервале температур Т_л... Т_с.

На рис. 1.14, а представлена диаграмма состояния двойной системы А —В, а под ней (рис. 1.14, б)приведена упрощенная зависимость объемов усадочных раковин V_у.р и пористости V_y_._n от интервала кристаллизации (т.е. от положения сплава на диаграмме состояния), впервые построенная А. А. Бочваром. В чистых металлах (составы 1, 3) и эвтектиках (состав 2), когда Т_кр = const, вся объемная усадка затвердевания реализуется в усадочные раковины, а пористость не имеет развития, т.е. V_y_._n = 0. По мере увеличения интервала кристаллизации Т_л... Т_с объем V_yp уменьшается, а V_y_._n увеличивается и достигает максимума вблизи концентрации предельной растворимости, т.е. при максимальном интервале кристаллизации. На рис. 1.14 видно, что чем больше интервал, тем больше отливка поражена усадочной пористостью и меньше сосредоточенная усадочная раковина. Отсюда следует, что отливки из сплавов с Т_кр = const изготовлять легче, чем отливки с интервалом Т_Л...Т_С, особенно широким. В первом случае питание отливок организуется очень просто, и раковина выводится в прибыль. Во втором случае для увеличения плотности отливки необходимы дополнительные меры. В частности, необходимо организовать направленное затвердевание и в дополнение к этому приложить давление к жидкому металлу в прибыли.

Определение объема усадочных раковин и пористости отливок. Теоретически рассчитать объем усадочных дефектов (усадочных раковин и пористости) в настоящее время не представляется возможным. Поэтому для определения склонности к образованию усадочных дефектов используют технологические пробы, как правило, простейшей формы (цилиндр, конус, шар). Объем раковины определяют засыпкой раковины песком или заливкой керосина через мерную пипетку.

Рис. 1.14. Зависимость объемов усадочных раковин V_y_._p и пористости V_y_._n от положения сплава на диаграмме состояния А—В

Склонность отливок-проб к образованию усадочных раковин оценивают по уравнению

Для более точного определения величины используют метод гидростатического взвешивания в воде. При этом определяют массу пробы т₁ с открытой усадочной раковиной и массу пробы т₂ с заклеенной водонепроницаемой бумагой усадочной раковиной. Относительный объем усадочной раковины находится из выражения

где р_в — плотность воды; — объем пробы.

Примером технологической пробы может служить отливка, приведенная на рис. 1.15, объемом 465 см³.

Количественной характеристикой пораженности отливок усадочной пористостью является отношение общего объема V _у _п усадочных пор к объему отливки:

Величину определяют также гидровзвешиванием. Сначала взвешивают массу т₃ пробы на воздухе и массу т₁ с открытой усадочной раковиной в воде. Определяют объем V₀₁ отливки без раковины, но с пористостью:

Затем вырезают из данной части пробы образец, взвешивают, определяют его массу на воздухе т₄ и в воде т₅ и вычисляют максимально возможную (без пор) плотность сплава

Искомую величину V_у.п находят по уравнению

и далее вычисляют величину :

Где / - величина, равная средней плотности пробы (вместе с порами).

Рис. 1.15. Технологическая проба для определения усадочных дефектов

(МФ — разъем модели и формы)