Раздел 3. Усадочные явления при формировании отливки

При формировании отливок происходят фазовые превращения, сопровождающиеся объемными изменениями. Большинство метал­лов и сплавов затвердевают с уменьшением объема. При охлаж­дении затвердевших отливок с некоторыми сплавами, например железоуглеродистыми, происходят полиморфные превращения с изменением удельного объема фаз.

Как известно, при охлаждении все тела уменьшают свой объ­ем и линейные размеры. Так как температурное поле формирую­щейся отливки неоднородно, указанные объемные изменения в разных участках отливки развиваются в разной степени, что вы­зывает напряженное состояние отливки и появление в ней раз­личных дефектов в виде пор и усадочных раковин.

Совокупность всех объемных и размерных изменений при фор­мировании отливок и сопутствующие им физические процессы называют усадочными явлениями.

ГЛАВА 3.1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА УСАДКИ. ОБЪЕМНАЯ И ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА

Как было показано в разд. 1, тепловое движение в жидкости имеет две составляющие: колебательную и трансляционную. При этом время колебаний частиц около фиксированного положения, называемое временем оседлой жизни, с ростом температуры умень­шается. Следовательно, с увеличением температуры увеличивает­ся доля трансляционного движения, что должно приводить к уси­лению тенденции частиц удалиться друг от друга на большие расстояния, т. е. к увеличению удельного объема жидкости.

В соответствии с кластерной теорией строения жидкости при увеличении температуры происходит разупорядочение строения кластеров, увеличение межкластерных расстояний в жидкости, что также приводит к увеличению ее объема.

Указанные явления обусловливают уменьшение объема, т. е. объемную усадку, при охлаждении всех жидких металлов и спла­вов. Зависимость объема жидкого сплава от температуры может быть выражена формулой

V = V₀(1-a_V, ж(T-T₀)),

где V₀ — объем сплава при температуре Т₀ после его заливки в форму; a_V,ж — коэффициент температурного расширения сплава в жидком состоянии. Величина a_V,ж зависит от природы и соста­ва сплава. Она имеет порядок 10^-4 град^-1. Например, a_V,ж для углеродистой стали находится в диапазоне 0,4×10^-4—1,6×10^-4 град-1. Повышение содержания углерода в стали приводит к увеличению a_V,ж примерно на 20 % на 1 % углерода. Анало­гично влияет на величину a_V,ж стали и кремний. Коэффициент объемного расширения силуминов изменяется в пределах (1 ¸ 1,5)×10^-4 град^-1.

Объемную усадку в жидком состоянии определяют по фор­муле

DV = V0 – V = V₀aV, ж(T₀-T_Л).

где T_л - температура ликвидуса сплава. Обычно вычисляют от­носительную объемную усадку:

e_V, _ж = DV/V₀ ×100% или e _V,ж = a_V, ж(T₀ – T_л).

Здесь a_V,ж — коэффициент объемной усадки в жидком состоянии, равный коэффициенту температурного расширения сплава, выра­женному в %/град. Для сталей a_V,ж = (1¸1,6) ×10^-2 %/град, для силуминов a_V,ж = (1¸1,5)× 10^-2 %/град. Физическая природа объем­ных изменений сплава при затвердевании подробно рассмотрена в разд. 1.

Относительная объемная усадка сплава при затвердевании e_V,з= (V_л - V_c)V_n×100°/o имеет порядок 2—5%. Величина e_V,з зависит от природы и состава сплава. У углеродистой стали e_V,з увеличивается с повышением содержания углерода с 2 % (при С = 0,1 %) до 5,3% (при С = 0,7%). Одной из причин указан­ного увеличения e_V,з является расширение интервала кристалли­зации с повышением содержания углерода. Аналогично влияет на e_V,з снижение содержания кремния в силуминах. При умень­шении содержания с 12 % (эвтектический сплав АК12) до 7 % (доэвтектический сплав АК7ч) a_V,ж увеличивается с 3 до 3,8%.

Практически у всех сплавов усадке при затвердевании пред­шествует предусадочное расширение, т. е. на начальных стадиях затвердевания имеет место некоторое увеличение объема. Предусадочное расширение связывают с выделением газов из жидкого сплава в процессе затвердевания и с выделением фаз, плотность которых меньше, чем у жидкого сплава. Особенно четко выявля­ется предусадочное расширение при затвердевании серого и высокопрочного чугуна. В этом случае при эвтектической кристал­лизации, связанной с графитизацией, выделяется графит, плот­ность которого значительно меньше плотности чугуна. Предусадочное расширение серого чугуна с пластинчатым графитом сос­тавляет 0,1—0,2%, у чугуна с шаровидным графитом оно начи­нается с момента кристаллизации отливки, продолжается до его полного затвердевания и составляет 0,6—0,8%. Предусадочное расширение уменьшает как суммарную объемную, так и линейную усадку в твердом состоянии. У белого чугуна предусадочное рас­ширение отсутствует.

Предусадочное расширение в алюминиевых сплавах и сталях в пределах до 0,2 % связывают с переохлаждением и рекалесцен­цией, рассмотренными в разд. 2. При рекалесценции, сопровож­дающей переохлаждение, повышается (хотя и ненамного) тем­пература сплава и замедляется выделение твердой фазы, что при­водит к некоторому увеличению его объема. В экспериментах установлено, что Предусадочное расширение имеет место в узко-интервальных сплавах при наличии переохлаждения и рекалес­ценции вблизи температуры солидуса.

Усадка сплавов в твердом состоянии может рассматривать­ся как объемная и как линейная. Линейная усадка связана с уменьшением линейных размеров тела при понижении его темпе­ратуры:

l = l₀(1-a_Л(T₀ - T)).

где a_л—коэффициент линейного расширения.

Линейная относительная усадка вычисляется по формуле

e_Л = (T₀ - t)/t₀ × 100% = a_Л(T₀ - T).

Величина a_л существенно зависит от температуры. Так, при повышении температуры от 0 до 600 °С a_л чистого железа изме­няется от 11,6×10^-6 до 16×10^-6 град^-1. Обычно в расчетах прини­мают коэффициент ал постоянным, равным некоторому среднему значению. Полная относительная линейная усадка в твердом со­стоянии находится по формуле

e_Т = a_Л(T_С - T_К),

где Т_к—температура полностью охлажденной отливки.

Между линейной и объемной усадкой можно установить сле­дующее соотношение. Если куб с длиной грани l₀ = 1 охладить на. 1°С, то ребро куба будет иметь длину l = (1 - a_л). Объем куба равен V = (l - a_л)³ = 1 - 3a_л + 3a_л² - a_л³. Так как о, мало, то, пренебрегая a_л² и a_л³, получаем V» l - 3a_л, a_V = (V₀ - V)/V₀ = 3a_л. Таким образом, коэффициент объемной усадки в три раза больше коэффициента линейной усадки.

В железоуглеродистых сплавах в твердом состоянии происхо­дит превращение аустенита у в феррит a, сопровождающееся уве­личением объема (около 1 %). При этом наименьшее увеличение имеет место при реализации перехода у ® a в виде перлитного пре­вращения, а наибольшее — при мартенситном превращении.

Поэтому в сталях различают: доперлитную усадку ε_д.п, проте­кающую в температурном интервале от конца затвердевания до превращения γ ® a; расширение у ® a. и послеперлитную усадку e_п.п, протекающую при дальнейшем охлаждении стали. Поэтому объемная усадка твердого металла равна

e_V,_T = e_V,Д.П - e_{V, g ® a} + a_{V, П.П.}