ЗАТВЕРДЕВАНИЕ ОТЛИВКИ

Затвердевание отливки представляет собой сложный комплекс фи­зических и физико-химических процессов, протекающих одновремен­но. Прежде всего, происходит теплопередача, определяющая распре­деление температуры в отливке и в форме. Кроме того, растут кристал­лы, имеют место сложные диффузионные явления в расплаве, кристал­лах, между расплавом и кристаллами. Наблюдается массоперенос в расплаве посредством свободной конвекции, вызываемой разностью плотностей из-за различия состава и температуры Сокращаются объем и линейные размеры отливки, что вызывает формирование усадочных пустот, а также деформацию и появление в отливке напряжений.

4.3.1. ФОРМИРОВАНИЕ УСАДОЧНЫХ ПУСТОТ В ОТЛИВКАХ

При переходе из жидкого состояния в твердое большинство метал­лов сокращаются в объеме (исключение составляют Bi, Sb, Ga, Ge). Объемная усадка приводит к появлению крупных (усадочные ракови­ны) и мелких (усадочная пористость) пустот.

Рассмотрим формирование усадочной раковины в отливке из чистого металла или сплава, кристаллизующегося при постоянной температуре.

Металл залит в форму перегретым, и уровень его достигает поло­жения 0 (рис. 4.15, а). До того как начнется затвердевание, жидкий металл охлаждается, его объем уменьшается от положения 0 до поло-же^шя 1.

/Если теплота отводится только через стенки формы, то начиная с положения 1 на стенках через какое-то время образуется твердая корочка толщиной х. Это вызовет понижение уровня до положения 2. На следующем этапе затвердевания толщина корки становится равной 2х, а уровень металла понижается до положения 3. Таким образом формируется открытая усадочная раковина

Если охлаждение той же отливки вести со всех сторон (рис. 4.15, б), то вначале на всей ее поверхности, в том числе и сверху, образуется корка. Затем из-за объемной усадки жидкий металл отходит от корки, возникшей на верхней стороне отливки. Охлаждение металла с этой стороны резко замедляется. Дальнейший ход формирования раковины не отличается от изображенного на рисунке 4.15, а. В конечном счете образуется закрытая усадочная раковина.

Объемная усадка сплавов, кристаллизующихся в интервале темпе­ратур, выражается в появлении не только концентрированной усадоч­ной раковины, но и усадочной пористости. Это обусловлено развитием области затвердевания в отливке в пределах изотерм ликви­дус и солидус (см. гл. 2). После того как граница питания достигнет центра отливки, перемещение незатвердевшей части расплава внутри отливки прекращается и ее затвердевание происходит изолированно, без компенсации усадки. Каждая пора, сформировавшаяся между вет­вями дендритов, представляет собой маленькую усадочную раковину. Такие поры имеют неправильную форму и существенно отличаются от округлых газовых пор.

Для того чтобы получить отливку без усадочных раковин, в конст­рукции формы предусматривают специальные технологические прили­вы — прибыли. Прибыли являются резервуаром жидкого металла, необходимого для компенсации объемной усадки. Объем прибыли должен быть достаточным для питания формирующихся пустот, она должна затвердевать последней»

Места установки прибылей связаны с расположением тепловых центров отливки — участков, где затвердевание заканчивается в последнюю очередь. Тепловые центры можно найти, если вписать окружности в разные сечения отливки. В сечении, в которое вписыва­ется окружность наибольшего диаметра, и будет расположен тепловой центр.

По правилу Грум-Гржимайло для получения плотной отливки она должна быть спроектирована так, чтобы каждая вышележащая ее часть обеспечила бы питание нижележащей. Технологи пользуются также правилом «выкатывания шарика». «Шарик», геометрически вписанный в термический узел отливки, должен «выкатиться» в прибыль.

В отливках часто встречаются так называемые непитаемые узлы — части отливок, превосходящие по объему прилегающие

к ним элементы. В большинстве случаев такими элементами являются стенки. После того как в стенке, соединяющей узел с прибылью, сомкнулись границы питания (см. гл. 2), в непитаемом узле еще сохра­нится какой-то объем жидкого металла. Поскольку его усадку нечем скомпенсировать, в этом узле образуется раковина.

При затвердевании сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации, особенно сплавов, граница питания которых тяготеет к границе ликвидус, при смыкании границ питания значительный объем жидкой фазы оказывается изолированным между ветвями дендритов. В конечном счете это приводит к появлению рассеянной пористости.

4.3.2. ЛИКВАЦИЯ

Ликвацией называют неоднородность химического состава отливки, обусловленную кристаллизацией в интервале температур. Избирательная кристаллизация расплава приводит к тому, что химиче­ский состав первоначально выпадающих кристаллов отличается от химического состава жидкой фазы.

Об изменении состава твердой и жидкой фаз в процессе кристалли­зации можно судить по диаграмме состояния (см. рис. 2.6).

Диаграммы состояния базируются на статической модели различ­ных фазовых превращений в сплавах при изменении температуры.

Физико-химическое равновесие обеспечивается при выполнении следующих условий:

равенство и постоянство температуры и давления в каждой точке системы;

равенство химических потенциалов всех фаз системы, исключаю­щее протекание химических реакций;

равенство и постоянство концентраций всех компонентов в пределах каждой из фаз.

Классическая термодинамика рассматривает течение равновесных процессов, при которых параметры системы изменяются бесконечно медленно. При этом подразумевается, что диффузия полностью вырав­нивает состав каждой из фаз в каждый момент фазовых превращений.

Таким образом, диаграмму состояния следует рассматривать приме­нительно не к макросистеме (отливке), а только к элементарному объему, который может быть достаточно мал, чтобы не учитывать перепады температуры, но достаточно велик, чтобы включать в себя участки из различных фаз. Это обстоятельство позволяет использовать квазистатическую модель процесса кристаллизации и отображающую его диаграмму состояния.

В квазистатической модели принимается, что равновесие существу­ет на микроскопическом уровне во множестве элементарных объемов, но в макросистеме (отливке) равновесие отсутствует. Использование квазистатической модели позволяет применять равновесные диаграм-

\ 118

мы состояния для анализа превращений, происходящих при существен­но различных скоростях охлаждения н явно незавершенной диффузии. Диффузионное выравнивание между растущими кристаллами и рас­плавом крайне затруднено из-за значительной разницы скоростей диффузии в жидкости (10~ ¹⁸ —10~ ¹² м²/с) и твердом (10~ ⁸ —10" ⁶ м²/с) теле.

Ликвационные явления интенсивнее развиваются в отливках из сплавов, характеризующихся большим значением коэффициента рас­пределения. Этот коэффициент отражает соотношение предельных растворимостей элементов в твердой и жидкой фазах (см. гл. 2).

На практике различают три вида ликвации: внутрикристаллическую (или дендритную), зональную и ликвацию по плотности.

Как указывалось выше (см. гл. 2), при кристаллизации возникающие первыми участки твердой фазы (первичные оси дендритов) бедны легирующим элементом. На последующей стадии кристаллизации жид­кая фаза, наоборот, обогащена легирующим элементом (см. рис. 2.6). Например, в оловянистой бронзе первичные оси кристаллов содержат меди больше, а межосные участки обеднены медью по сравнению со средним химическим составом сплава.

Зональная ликвация связана с перемещением объемов жидкой фазы измененного химического состава внутри затвердеваю­щей отливки. Такой вид ликвации наиболее характерен для слитков. В фасонных отливках он проявляется в меньшей степени.

Ликвация по плотности проявляется в различии химического состава верхних и нижних слоев отливки. Она обусловле­на существенной разницей плотностей первичных кристаллов и жидкой фазы затвердевающего сплава. Развитию этого вида ликвации способ­ствует компактная форма кристаллов, облегчающая их всплывание (или погружение). Ликвация по плотности наблюдается, в частности, в от­ливках из свинцовистой бронзы, из свинцовых и оловянных баббитов.