получает существенного развития. В результате основание области усадочной раковины приобретает форму поверхности с небольшой вогнутостью. Отношение диаметра площадки в основании области усадочной раковины к диаметру отливки для данного сплава является постоянной величиной. В сплавах, кристаллизующихся при постоянной температуре (в эвтектических и перетектических), величина этой площадки равна нулю; область усадочной раковины в них имеет форму конуса (или пирамиды).
% 4; |
|
1- |
|
ЙР |
|
1* 3 2 1 Т I гз* |
|
а) |
|
Рис. 11.11. Формирование усадочных пустот в сплаве: 1- ликвидус; |
|
2 - граница выливаемости; 3- граница питания; 4- солидус |
|
Целесообразно ввести обозначение |
|
- = л, |
(11.58) |
R |
|
где /* - радиус основания области усадочной раковины; R - радиус отливки; п - коэффициент формы области усадочной раковины, характерный и постоянный для сплава данного состава.
Если интервал кристаллизации сплава особенно велик, граница ликвидуса может достичь оси отливки уже в начальной стадии затвердевания. Тогда усадочная раковина практически не образуется. Все сечение отливки представляет собой зону пористости.
Характер затвердевания реальной отливки может быть различным - последовательным, двухфазным, объемным. Все зависит от интервала температур кристаллизации сплава и скорости охлаждения отливки, определяемой теплофизическими характеристиками формы. Схематически характер затвердевания изображен на рис. 11.12.
В качестве критерия для оценки характера затвердевания можно
использовать отношение |
|
к = |
(11-59) |
|
ÔT |
где АТкр - интервал температур кристаллизации; ST - перепад температур в сечении отливки.
При малом интервале температур кристаллизации АТкр по сравнению с перепадом температур 5Т (А7^ < ST) затвердевание является последовательным (К < 1). При большом интервале температур кристаллизации и сравнительно малом перепаде температур (К > 1) происходит объемное затвердевание. В промежуточном случае наблюдается двухфазное затвердевание.
Рис. 11.12. С тадии затвердевания |
отливки: ô\ - |
твердож идкая |
зона; <$2- ж идкотвердая зона; 1 - |
и зосол ида; 2 |
- граница вы - |
л иваем ости; 3 - изоликвида |
|
|
Таким образом, характер затвердевания отливки определяется химиче ским составом сплава Л Гкр и теплофизическими характеристиками формы, ко торые определяют перепад температуры в сечении отливки. Двухфазное за твердевание протекает в интервале температур (ликвидус - солидус), потому оно характерно практически для всех промышленных сплавов (сталь, чугун, бронза, латунь, алюминиевые, цинковые и магниевые сплавы).
Поверхность контакта твердой и жидкой фазы может быть ровной - по следовательное затвердевание. Если поверхность контакта расплава и твердой фазы имеет весьма сложную конфигурацию, обе фазы находятся в соприкосно вении друг с другом в определенном интервале. Этот интервал называют двух фазной зоной - зоной затвердевания.
В затвердевающей отливке можно различить три зоны: твердую корочку затвердевающего сплава; двухфазную зону, где одновременно существуют твердая и жидкая фазы; жидкий расплав. Затвердевание, протекающее с обра зованием двухфазной зоны разной ширины, называют двухфазным затвердева нием. Двухфазная зона на стороне, обращенной к расплаву, ограничена так на зываемой изоликвидой, то есть поверхностью, все точки которой в один и тот же момент времени имеют температуру начала кристаллизации - ликвидус. На стороне, обращенной к затвердевающей фазе, то есть поверхностью, все точки которой в один и тот же момент времени имеют температуру конца кристалли
зации - солидус. Расстояние между поверхностями изосолиды и изоликвиды, измеренное перпендикулярно к ним, представляет ширину двухфазной зоны. Если ширина двухфазной зоны так велика, что она существует определенное время по всему сечению отливки, пока не начнется затвердевание от поверхно сти, то это явление называют объемным затвердеванием. Последовательное за твердевание протекает при одной и той же температуре без интервала затверде вания, то есть когда линии ликвидуса и солидуса совпадают. Таким образом, последовательно могут затвердевать только эвтектические сплавы, кристалли зующиеся при постоянной температуре.
Схема развития усадочных раковин и пустот (рис. 11.13, а), в соответст вии с диаграммой состояния двойной системы сплавов, построенная впервые академиком А. А. Бочваром на основе обобщенных экспериментальных иссле дований, наглядно показывает, что в чистых металлах и эвтектике (составы 1 и 4) формируются полноценные усадочные раковины и пористость почти не име ет развития. При увеличении интервала кристаллизации (составы 2 и 3) суще ственная часть усадочных пустот представлена порами. Пористость получает максимальное, а усадочная раковина минимальное развитие для состава 5, со ответствующего концентрации в точке пересечения линии температур на гра нице выливаемости и эвтектической платформы.
Р ис. 11.13. С вязь развития усадоч н ы х пустот с диаграм м ой состояни я (а ) и п олож ен и ем техн ол оги ч еск и х границ (б )
Схема распределения усадочных пустот между раковиной и порами в за висимости от положения границ выливаемости и питания (рис. 11.13, б) на глядно показывает, что при смещении этих технологических границ к ликвиду су зона осевой пористости сужается, но рассеянная пористость может увеличи ваться. При смещении технологических границ к солидусу зона осевой порис тости может расшириться, но общий объем всех видов пористости должен уменьшиться.
металлической формы, чем у песчано-глинистой. Скорость охлаждения оказы вает большое влияние на конечную усадку отливки и величину усадочной ра ковины. Известно, что при заливке металла с высокой температурой перегрева образуется большая усадочная раковина, чем при заливке с низкой температу рой. На процесс затвердевания отдельных участков отливки может оказать влияние сопряжение стенок различной толщины, близость питателя или при были. Всюду, где имеются условия для замедленного охлаждения по сравне нию с окружающими частями отливки, возникает опасность образования уса дочных дефектов. Особенно чувствительны к дефектам этого вида отливки из сплавов с большой объемной усадкой, например, стали.
В табл. 11.2 приведены значения объемной усадки промышленных ли тейных сплавов.
Таблица 11.2
Усадка литейных ставов
Сплав |
Объемная усадка |
|
при кристаллизации, % |
||
Углеродистая сталь (0,5 % С) |
||
2,5-3,0 |
||
Углеродистая сталь (0,1 % С) |
4,0 |
|
Белый чугун |
4,0-4,5 |
|
Серый чугун |
Расширение 2,5 |
|
Латунь (30 % Zn) |
4,5 |
|
Силумин (12 % Si) |
3,8 |
11.6. Выбор прибыли
Для технолога очень важно уметь выбирать оптимальную прибыль, обла дающую минимальной массой и обеспечивающую нормальное питание отливки без дефектов усадочного происхождения.
Основным средством устранения усадочной раковины в отливках являет ся прибыль, представляющая собой технологический элемент, в котором долж на быть сосредоточена область усадочной раковины и который отделяется от отливки в процессе обработки. В процессе формирования отливки прибыль со ставляет с нею единое целое. Кроме того, прибыль является средством ослаб ления развития зональной пористости и сборником загрязнений, всплывающих из жидкого металла в процессе затвердевания.
Сложная отливка, состоящая из элементов различной толщины, при за твердевании обычно разделяется на несколько обособленных узлов питания. Образование усадочных раковин в каждом узле питания можно компенсировать за счет одного источника питания (рис. 11.15, а).
Процесс питания отливки должен быть организован таким образом, что бы в каждом узле действовал принцип направленного затвердевания от тонких элементов к толстым и, наконец, к прибыли. Проверка выполнения этого прин ципа осуществляется методом выкатывания шарика. В самый тонкий элемент узла мысленно помещают шарик (рис. 11.15, б), который при переходе в каж-