Чем шире температурный интервал затвердевания сплава и меньше скорость охлаждения, тем шире область одновременной кристаллизации и усадки, когда идет усадка каркаса, уже закристаллизовавшихся дендритов, вокруг которого остается еще не закристаллизовавшийся жидкий расплав. Объемные изменения (понижение уровня жидкого металла относительно затвердевающей наружной оболочки отливки), связанные с охлаждением сплава от температуры заливки до температуры полной кристаллизации, приводят к образованию в отливке усадочной раковины, т. е. дефекта в виде скрытой или открытой полости с грубой шероховатостью. Дальнейшее охлаждение и затвердевание оставшегося расплава приводит к образованию рассеянной усадочной пористости.
Существует зависимость усадки и склонности к растрескиванию при кристаллизации от положения сплавов на диаграмме состояния (рис. 5.6).
Усадка металла в твердом состоянии – изменение объема и линейных размеров закристаллизовавшейся отливки во время ее остывания.
Рис. 5.6. Схема влияния состава сплава на усадку: для сплавов типа твердых растворов (слева) и для сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектикой (справа).
(1 – линия начала линейной усадки.)
Различают свободную усадку металла, т. е. уменьшение линейных размеров охлаждающейся в твердом состоянии отливки при отсутствии торможения усадки (механического и термического) и затрудненную усадку при наличии торможения. Под механическим торможением усадки понимают сопротивление, создаваемое литейной формой при усадке выступающих частей отливки или стержнями при усадке ее внутренних полостей. Термическое торможение усадки определяется также конфигурацией отливки и формы. В данном случае различают свободные конструкции отливок, в которых усадка каждого элемента отливок происходит независимо, и связанные конструкции, в которых усадка элементов отливок не может протекать свободно и независимо.
Линейная усадка металлов и сплавов отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения отливки до комнатной температуры.
Для металлов и сплавов, которые кристаллизуются при постоянной температуре, линейная усадка проявляется только после затвердевания расплава, т. е. температура начала линейной усадки соответствует температуре плавления. Для сплавов, кристаллизующихся в интервале температур, линейная усадка может проходить при наличии остаточной жидкой фазы.
Мерой линейной усадки металлов и сплавов служат коэффициент термического расширения и температура плавления.
Линейная усадка пропорциональна линейному коэффициенту термического расширения и разности между температурами плавления и комнатной:
ε = α t ( t пл – t 20) × 100,
где ε – коэффициент линейной усадки в процентах α t – средний линейный коэффициент расширения металла в интервале от t пл до t 20; t пл и t 20 – соответственно температуры плавления и комнатная. На величину усадки также влияют фазовые превращения, происходящие в твердом металле при охлаждении. При легировании и понижении линии солидуса линейная усадка сплавов чаще всего уменьшается.
Склонность к образованию трещин
Виды трещин
При охлаждении металлов и сплавов возникают термические и механические воздействия. Это приводит к возникновению напряжений, которые нарушают сплошность отливок, что проявляется в виде щелевидных разрывов (трещин). По времени появления трещины можно разделить на горячие и холодные. Холодные трещины возникают в материале при низких температурах, их поверхность блестящия. Горячие трещины возникают при высоких температурах (в интервале температур затвердевания). Располагаются они по границам кристаллов, имеют неровную окисленную поверхность (так как при температурах их образования активно идут окислительные процессы), на которой иногда видны дендриты.
Трещиноустойчивость – способность сплава противостоять образованию трещин в литых образцах. Изменение трещиноустойчивости сплавов связано с характером кристаллизации, проявлением линейной усадки, прочностью и пластичностью сплава в эффективном интервале кристаллизации. Разрушение затвердевающего образца происходит в тех случаях, когда начавшаяся линейная усадка вызывает такую пластическую деформацию, которая превосходит пластичность сплава при данных условиях.
Горячеломкость. Возникновение горячих трещин в отливках при охлаждении может быть объяснено существованием двух фаз (кристаллической и жидкой, в виде прослойки между кристаллами твердой фазы) в эффективном интервале кристаллизации, т. е. между линией начала усадки и линией солидуса.
Таким образом, горячеломкость – это склонность металлов и сплавов к хрупкому межкристаллитному разрушению при наличии жидкой фазы по границам зерен.
Рис. 5.7. Кривые трещиноустойчивости (1) и горячедомкости (2) сплавов системы А – В. tн.л. у – температура начала линейной усадки.
На рис. 5.7 представлен график изменения трещиноустойчивости (и горячеломкости) в зависимости от состава сплава на диаграмме состояния.
Возникновение трещин в отливках из сплава, подверженного этому явлению (т. е. с широким интервалом кристаллизации), зависит от равномерности сечения отливки и технологических режимов литья.
Заливка в холодную форму сплавов с широким интервалом кристаллизации способствует появлению большого температурного градиента между лицевой поверхностью отливки и ее центром. В таких условиях и при затрудненной усадке чаще всего возникают горячие трещины в отливках.
Отсутствие горячих трещин в отливках из чистых металлов, эвтектик и сплавов с узким интервалом кристаллизации может быть объяснено тем, что затвердевание проходит одновременно по всему объему, без образования закристаллизовавшегося остова, прослойка жидкости отсутствует, дендриты не отделяются один от другого и не нарушается сплошность наружной поверхности отливок.
Взаимодействие металлов с газами (взаимная инертность, нерастворимость, образование растворов)
Качество отливки во многом зависит от взаимодействия металлов (особенно жидких расплавов) с газами.
При изготовлении литых деталей насыщение металла газами может происходить в процессе плавки при применении влажных шихтовых материалов, за счет атмосферы плавильной печи, вследствие протекания реакций между металлом и шлаком, а также за счет газов, выделяющихся во время заливки из материалов литейной формы. Отмечается усиленное поглощение газов при нагреве до температуры плавления и увеличение газонасыщения расплава вплоть до начала кипения металла. Выделяющиеся при кипении расплава пары предохраняют его от насыщения газами, и растворимость газов в металле резко снижается.
В сплавах, содержащих компоненты, температура кипения которых сравнительно невысокая, поглощение газов незначительно.
Основная масса газов выделяется в период затвердевания сплава, что приводит к образованию газовых раковин вследствие затвердевания в первую очередь поверхности отливки и из-за того, что газы не успевают выделиться и остаются в металле под затвердевшей коркой.
Газы в металлах и сплавах находятся в виде жидких и твердых растворов, в виде химических соединений и в свободном виде.
Возможны три случая взаимодействия газов с расплавами.
1. Полная взаимная инертность. Она наблюдается, например, при плавлении любых металлов в среде инертных газов (аргона, гелия и др.).
2. Газ практически нерастворим в металле. Образующиеся химические соединения в виде жидких капель, плен или кристаллов, проникая в металл, загрязняют его.
3. Газы образуют с металлом растворы. Количество растворенного в металле газа т зависит от давления газа Р и температуры Т:
где k— постоянный коэффициент, R— газовая постоянная, Δ Q— теплота растворения 1 моля газа в расплаве. Значение Δ Q может быть положительным и отрицательным.
При Δ Q > 0 процесс растворения газа сопряжен с поглощением теплоты и является эндотермическим. В этом случае повышение температуры вызывает увеличение содержания газа в металле (рис. 5.8, кривая 1). При Δ Q < О растворение газа сопровождается выделением теплоты, т. е. является экзотермическим процессом, и повышение температуры вызывает снижение содержания газа в растворе (рис. 5.8, кривая 2). Температура плавления при Δ Q > 0 (t'nл) меньше, чем при Δ Q < О (t"nл).
