§ 59. Требования, предъявляемые к сплавам как литейным материалам, и процесс образования отливки в форме

Литейными свойствами металла называются технологические свойства, которые характеризуют его как литейный материал и от которых в значи­тельной мере зависит получение здорового литья — без раковин, трещин и других пороков. Главнейшими литейными свойствами являются жидкотекучесть, усадка и склонность к ликвации.

Жидкотекучестью сплава называют его способность запол­нять литейную форму.

При недостаточной толщине стенки отливки или жидкотекучести сплава не вся форма заполняется металлом, деталь получается с недоливом и идет в брак.

Жидкотекучесть сплава измеряют при помощи особой технологической пробы—спирали, имеющей трапециевидное сечение площадью 0,56 см². Спираль формуют в земляной форме и заливают испытываемым сплавом. Чем больше его жидкотекучесть, тем больший участок спирали зальется металлом.

Степень жидкотекучести сплава зависит от его физико-химических свойств и температуры в момент заливки. Так, например, с увеличением в чугуне количества углерода до 4,3% и фосфора жидкотекучесть чугуна увеличивается; избыток серы снижает жидкотекучесть. Чистая медь обла­дает низкой жидкотекучестью, но добавка к меди олова или цинка резко увеличивает жидкотекучесть сплава. С повышением температуры заливае­мого сплава его жидкотекучесть увеличивается..

Усадкой называется свойство металлов и сплавов уменьшаться в объеме при охлаждении. Объемная и линейная усадка выражается не в абсолютных, а в относительных величинах. Усадка выражается следую­щими отношениями:

линейная усадка равна

где 1_фор — размер формы; 1_отя — размер отливки; объемная усадка равна

где l_фор — объем формы; lотл — объем отливки. С усадкой сплава связаны главные затруднения в литейном производ­стве; полость формы приходится делать больше по сравнению с чертежными размерами отливки на величину усадки данного сплава.

Величину усадки не всегда удается установить сразу. С усадкой связано образова­ние пористости в отливке, появление усадочных раковин; из-за усадки отливка оказывается в напряженном состоянии, что нередко приводит к ее короблению, а иногда и к разрушению. На величину усадки оказывают влияние химический состав и температура заливаемого сплава.

С повышением температуры заливаемого сплава размеры усадки уве­личиваются. Чем больше интервал затвердевания сплава, тем больше его усадка.

Внутренние напряжения в отливке возникают вследствие различной скорости охлаждения тонких и толстых сечений отливки.

Ликвацией называется появление неоднородности по химическому составу в различных точках отливки. Явления ликвации в слитках впер­вые описаны русским металлургом А. С. Лавровым в 1886 г.

Фиг. 63. Расположение ликвационных зон.

В сплавах различают два вида ликвации: дендритную и зональную.

Дендритная ликвация всегда имеет место в отливках, так как при затвердевании даже однородного сплава, дающего твердый раствор, происходит образование неоднородных по всему составу кристаллитов. Дендритная ликвация частично устраняется при термической обработке. Схема процессов дендритной ликвации представлена на фиг. 63, а.

Зональная ликвация, т. е. неоднородность сплава в разных частях отливки, развивается тем сильнее, чем медленнее охлаждается •отливка.

Зональная ликвация в период охлаждения сплава вызывается различ­ными причинами:

1) перемещением твердых фаз под влиянием разницы в удельном весе (фиг. 63, б) (твердые кристаллы могут опускаться вниз или всплыть наверх);

2) перемещением жидкой фазы в процессе кристаллизации (фиг. 63, в). Кристаллы более тугоплавких чистых металлов располагаются у стенок

формы, а легкоплавкие составляющие сплава сосредоточиваются в центре отливки или в верхней прибыльной части.

Перемещение жидкого сплава происходит под действием статического напора, атмосферного давления, давления газов, образующихся во время заливки металла, и давлений, развивающихся в отливке вследствие усадки.

На ликвацию оказывают значительное влияние химический состав сплава и скорость остывания отливки. Чем крупнее отливка, тем медленнее про­исходит охлаждение и тем больше развивается зональная ликвация. В тонко­стенных отливках зональная ликвация развита меньше. При сочетании в литой конструкции тонких и толстых стенок ликваты концентрируются в толстых частях отливок. Поэтому при конструировании литых деталей необходимо изготовлять их с равномерной толщиной стенок или конструи­ровать по принципу направленного затвердевания, чтобы отливка затвер­девала снизу вверх.

Процесс образования отливок в литейной форме

В жидком металле при высоких температурах атомы движутся беспо­рядочно. После заливки металла в форму он охлаждается, образуя кри­сталлические решетки металла. В жидком сплаве при его охлаждении про­исходят металлургические процессы.

Продуктами химических реакций возможно образование включений микроскопического и субмикроскопического размеров, которые могут быть

зародышами кристаллизации.

По зародышам происходит кристаллизация металла вначале вдоль сте­нок формы, затем начинается процесс роста кристаллов внутрь стенок

отливки.

Скорость затвердевания по сечению стенки отливки неравномерна. После затвердевания тонкой корки количество передаваемого в единицу времени тепла от металла к форме уменьшается, так как тонкие малотепло­проводные слои формы успевают нагреться до высокой температуры. Ско­рость затвердевания последующих слоев металла замедляется, это видно из приближенных расчетов по формуле

где e — толщина затвердевшего слоя металла;

т — коэффициент;

т — время затвердевания.

Около поверхности формы отливка имеет более мелкое кристаллическое строение. Более замедленное затвердевание последующих слоев металла обеспечивает условие роста кристаллов в виде дендритов и более круп­ное строение зерен сплава.

В процессе затвердевания отливок происходит образование усадочных раковин, выделение газов, ликвация, образование усадочных трещин.

Умение управлять скоростью затвердевания сплава в форме позволяет

бороться с пороками отливки.

Усадочная раковина. Затвердевающие слои металла уменьшаются в объеме. Это уменьшение объемных размеров приводит к образованию усадочных раковин в местах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь,

Усадочные раковины увеличиваются с повышением усадки жидкого ме­талла в период затвердевания и, следовательно, с повышением температуры

заливки формы.

Для отливок, изготовляемых из сплавов, имеющих большую объемную усадку при формовке, предусматривают изготовление прибыли (см. фиг. 79). Прибыли устанавливают в тех частях отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. В этом случае такие места отливки питаются жидким металлом из прибыли и усадочная раковина перемещается в прибыль. Прибыль изготовляют более массивной, чем стенки отливки. После выбивки отливок из формы прибыль отрезают. Для устранения возможности обра­зования усадочной раковины и пористости необходимо при конструиро­вании детали и разработке технологии литья предусмотреть последователь­ность затвердевания отливки

Горячие и холодные трещины. При формировании отливки вследствие усадки металла и сопротивления сокращению размеров отливки в ней может образоваться остаточная деформация или произойти разрыв стенок.

Отливки при затвердевании и после окончания кристаллизации охлаж­даются в условиях быстрой передачи тепла во внешнюю среду. В отливках до некоторого переходного интервала температур преобладают пластические, а потом упругие деформации.

При затвердевании и последующем охлаждении внешние слои отливки стесняют усадку внутренних горячих слоев. В результате внутренние слои, находящиеся в области пластических деформаций, будут пластически растя­нуты, а наружные слои упруго-сжаты, что приводит к образованию внутрен­них напряжений.

Если величина напряжений превысит величину предела прочности материала слоя, то происходит разрушение и появляются трещины, а если величина напряжений от деформации меньше величины предела прочности, то возможно искривление всей отливки.

Горячие трещины образуются при высоких температурах около линии солидуса. Эти трещины могут образоваться как внутри, так и на поверх­ности отливки. Внутренние напряжения, которые приводят к образованию холодных трещин, возникают в температурных интервалах при переходе от пластических к упругим деформациям. Трещины образуются чаще в тон­костенных отливках сложной конфигурации, имеющих неравномерное охла­ждение, изготовленных из сплавов, имеющих большую - линейную усадку.

Для предупреждения образования холодных трещин необходимо обеспе­чить свободную усадку отливки в форме; выравнивание температур по сечению отливки; создание конструкции отливки, не имеющей резких пере­ходов от толстых частей к тонким; направленность затвердевания отливок в форме.

Газовые раковины. В период затвердевания отливки из металла выде­ляются газы, которые растворены в жидком металле. Эти газы концен­трируются около зародыша и могут образовать газовый пузырь; если газо­вый пузырь не успеет всплыть на поверхность находящегося в форме металла или в прибыль, то в отливке образуется газовая раковина.

Газовые пузыри могут образоваться, если общее давление всех выде­ляющихся газов будет больше суммы всех внешних давлений, т. е.

Источником образования газовых раковин может быть и форма, о чем было сказано ранее.