3.3 Усадочные раковины

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в мес­тах отливки, затвердевающих последними (рис. 3.3, а).

Рис. 3.3 – Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б). 1 – корка твердого металла; 2 – слой твердого металла; 3 – усадочная раковина; 4 – остатки жидкой фазы; 5 – разобщенные твердые ячейки;

6 – рассредоточенные усадочные раковины.

Сначала около стенок литей­ной формы образуется корка 1 твердого металла. Вследствие того, что усадка рас­плава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уро­вень металла в незатвердевающей части отливки понижается до уровня а–а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уро­вень жидкости далее понижается до уров­ня б–б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс затвердева­ния. Снижение уровня расплава при за­твердевании приводит к образованию со­средоточенной усадочной раковины 3. Со­средоточенные усадочные раковины обра­зуются при изготовлении отливок из чис­тых металлов, сплавов эвтектического со­става (сплав АК12) и сплавов с узким ин­тервалом кристаллизации (низкоуглероди­стые стали, безоловянные бронзы и др.).

Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в об­ширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплав­ленного металла (рис. 3.3, б). Вблизи тем­пературы солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобще­нию ячеек 5, заключающих в себе остатки жидкой фазы 4.

Затвердевание небольшо­го объема металла в такой ячейке проис­ходит без доступа к ней питающего рас­плава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается не­большая усадочная раковина 6. Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам зерен металла. Получить отливки без усадочных рако­вин и пористости возможно за счет непре­рывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полно­го затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают прибыли-резервуары с рас­плавленным металлом, которые обеспечи­вают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим по­следними.

Рис. 3.4 – Способы предупреждения усадочных раковин и пористости: 1,3 – прибыль; 2 – усадочная раковина и пористость; 4 – наружные холодильники; 5 – внутренний холодильник.

На рис. 3.4, а прибыль 1 не мо­жет обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки. В этом месте образуются усадочная рако­вина 2 и пористость. Установка на утол­щенный участок прибыли 3 (рис. 3.4, б) предупреждает образование усадочной раковины и пористости.

Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильни­ков 4 (рис. 3.4, в) или внутренних холо­дильников 5 (рис. 3.4, г).

Наружные холодильники (рис. 3.4, в) устанавливают в форму с внешней сторо­ны массивных частей отливки. Вследствие высокой теплопроводности и большой теп­лоемкости холодильника отвод теплоты от массивной части отливок происходит ин­тенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных раковин и пористости.

Внутренние холодильники (рис. 3.4, г) устанавливают внутрь полости формы, образующей массивные части отливки. Эти холодильники изготовляют из того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частич­но расплавляются и свариваются с основ­ным металлом.

Для получения плотных отливок необ­ходимо обеспечить надежное их питание и направленное затвердевание отливки, ко­торое должно проходить последовательно по всему объему отливки без образования в ней замкнутых объемов с расплавом. Направленность затвердевания определя­ют способом вписанных окружностей. Этот способ состоит в том, что в рассмат­риваемое сечение отливки вписывают ок­ружности в различных точках (рис. 3.5). Узлы 1 с окружностями наименьшего диаметра будут затвердевать первыми, затем узел 2 и в последнюю очередь узел 4. В ходе затвердевания в узлах 2 и 4 не­избежно появление усадочных дефектов (усадочных раковин и пористости) из-за затвердевания изолированных объемов расплава. Для предупреждения появления усадочной раковины в узле 2 необходимо увеличить толщину стенки отливки за счет напуска 3 – утолщения стенок снизу вверх, а для узла 4 предусмотреть при­быль 5.

Рис. 3.5 – Определение теплового узла способом вписанных окружностей: 1,2,4 – тепловые узлы отливки; 3 – напуск (утолщение стенок снизу вверх);

5 – прибыль

Прибыли на отливках имеют тех­нологическое значение, и их в конце про­цесса изготовления отливки удаляют.

Ликвация – неоднородность хими­ческого состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвер­девания отливки из-за различной раство­римости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распреде­ляется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Ликвация вызывает неоднород­ность механических свойств в различных частях отливки.

Различают дендритную (внутрикристаллитную) и зональную ликвации.

Дендритная ликвидация – это неоднородность химического состава в мик­рообъемах сплава в пределах одного зерна (дендрита).

Во-первых, оси дендрита, затвер­девшие раньше, обогащены тугоплавким и обеднены легкоплавким компонентами спла­ва по сравнению с межосными пространст­вами.

Во-вторых, растущие первыми оси дендритов содержат меньше примесей, чем межосные пространства, в которые эти при­меси оттесняются при образовании дендри­тов. Это приводит к неравномерному распре­делению примесей по сечению кристалла.

Зональная ликвация – это не­однородность химического состава в микро­объемах с градиентом концентраций в от­ливке в целом или в отдельных ее частях. Она возникает в процессе диффузии приме­сей из двухфазной зоны кристаллизующейся отливки в объем не затвердевшего расплава всплывания загрязненных примесями объе­мов вследствие их меньшей плотности по сравнению с основным сплавом и т.д.

Дендритную ликвацию устраняют от­жигом отливок.

Зональная ликвация устраняется вы­равниванием толщин стенок отливок, применением рассредоточенного подвода металла к отливке, изготовлением отливок литьем в кокиль и другими способами.