Спецкрепеж, усадка ливарних сплавів

Зменшення лінійних розмірів і об'єму при охолодженні в результаті зближення атомів металу називається усадкою. Розрізняють об'ємну і лінійну усадку в певному інтервалі температур, що виражається в%. Зазвичай об'ємну усадку пов'язують зі зменшенням обсягів при охолодженні і затвердінні рідкого металу, а лінійну - при зменшенні лінійних розмірів зливків, виливків і виробів.

Малюнок 1 - Усадкові дефекти в зливку

При визначенні величини усадки важливо правильно вибрати початковий обсяг рідкого металу. За час наповнення рідким металом тіла виливки частина його встигає закристалізуватися і охолонути. В результаті зовнішня кірка відливання зменшить свої розміри і до моменту закінчення виливки початковий обсяг рідкого металу буде менше обсягу порожнини форми. Величина цієї зміни обсягу залежить від лінійної усадки затверділої кірки і сил протидіючих їй. До них відносяться гідравлічний тиск стовпа рідкого металу, термічне і механічне гальмування усадки.

Лінійна усадка визначається температурою початку її прояви і коефіцієнтом лінійного розширення. Експериментально встановлено, що лінійна усадка починається при утворенні досить міцного скелета напівзатверділому кристалів. Температури, при яких це досягається, утворюють на діаграмі стану лінію ефективного інтервалу кристалізації. Зазначений скелет напівзатверділому кристалів утворюється при 50-75% твердої фази в залежності від складу стали.

Розрізняють вільну і загальмовану усадку. Основним показником скорочення розмірів зливків і виливків в реальних умовах їх затвердіння є ливарна усадка, яка враховує всі види гальмування усадки. Розрізняють термічне і механічне гальмування усадки. Термічне гальмування усадки викликано різною швидкістю охолодження окремих частин затверділого шару металу. Наприклад, при низькому вмісті вуглецю в стали гальмування усадки досягає 25%, знижуючись до 8% при вмісті 0,7% вуглецю.

Результуюча усадка багато в чому визначається предусадочного розширенням. До причин предусадочного розширення відносять:

• зчеплення ледь затверділої кірки з поверхнею форми і її первісне розширення під дією сили зчеплення;
• скупчення газів в междендрітном просторі в результаті ликвации, яке може створювати тиск, що сприяє раздвижению кристалів;
• скупчення неметалічних включень і газів на кордоні кристалізації, що збільшує кристаллизационное тиск і сприяє збільшенню периметра кірки;
• перевищення сил капілярного тиску над силами зчеплення між дендритами;
• розігрів і розширення зовнішньої кірки злитка в момент утворення зазору.

З огляду на предусадочного розширення при розрахунку повної вільної лінійної усадки, вдається пояснити розбіжності експериментальних даних при її визначенні. З цією метою рекомендується такий вираз для її розрахунку:

При збільшенні предусадочного розширення компенсується частина термічних напружень, що скорочує утворення тріщин. Предусадочного розширення тим більше, чим ширше інтервал температур затвердіння. Зниження обсягу усадочнихдефектів при цьому досягається в результаті виділення великої кількості розчинених у сталі газів в період утворення значної частки твердої фази.
Лінійна усадка взаємопов'язана з інтенсивністю теплообміну між формою і відливанням. Зі збільшенням усадки утворюється зазор між відливанням і формою призводить до підвищення теплового опору і відповідного зниження тепловідведення. У свою чергу зменшення інтенсивності теплообміну знижує градієнт температур в затверділому металі, зменшуючи швидкість усадки і різниця її величини. При цьому зменшуються термічні напруги і пов'язані з ними процеси пластичної деформації в затверділої кірки.

Усадка зумовлює утворення усадочних раковин, подусадочной і структурної рихлості, різних тріщин, зональної ліквації і інших дефектів. Облік закономірностей, властивих усадочним явищ, дозволяє розробляти відповідні заходи щодо підвищення якості виливків. Ущільнення структури забезпечується відцентровим литтям.

Малюнок 2 - Процес відцентрового лиття

Усадка при затвердінні залежить від зміни обсягу при переході розплаву з рідкого стану в тверде і збільшується з збільшенням відстані температур кристалізації при охолодженні. Тому всі елементи, що розширюють цей інтервал, збільшують усадку при затвердінні. За різними оцінками значення укладаються в інтервал 0,020-0,053.

Значення коефіцієнта усадки відіграє важливе практичне значення, так як визначає конкретні розміри стрижневих ящиків і моделей, а також, певною мірою, величину припусків на механічну обробку і пов'язаний з цим витрата металу на виготовлення виливки.

Важливо відзначити, що показники лінійної усадки найбільш раціонально визначати по вимірах ділянок форм і виливків, розташованих горизонтально в період заливки і кристалізації сплаву. Протяжність таких ділянок починає змінюватися тільки після закінчення процесу кристалізації.

З усього використовуваного при виконанні завдання обладнання слід вивчити прилад для вимірювання величини лінійної усадки виливки. Конструкція приладу представлена ​​на малюнку 1. У жорсткій металевій рамі 1 розташоване тіло піщано-глинисті форми 2 з робочою порожниною 3, що включає порожнини двох захоплень - нерухомого 4, жорстко пов'язаного з рамою приладу, і рухомого 5. У передавальний планку 6, закріплену на рухомому захопленні, впирається ніжка індикатора годинного типу 7, фіксуючого переміщення захоплення під дією вмощується зразка.

Малюнок 1 - Конструкція приладу для вимірювання величини лінійної усадки прямолінійно виливки

Усадка сплавів змінюється в залежності від їх хімічного складу. Так, усадка сірих чавунів зменшується зі збільшенням вмісту кремнію і вуглецю, а також при зниженні вмісту сірки і марганцю.

Збільшення вмісту цинку і алюмінію в магнієвих сплавах знижує їх усадку.

При отриманні виливків зменшення їх лінійних розмірів відбувається при утрудненою усадки, яка викликана виступаючими частинами форми, стрижнями і т.д. Тому в ряді випадків дійсна усадка менше вільною. Така усадка носить назву ливарної і виражається в%. Значення ливарної усадки завжди менше вільною. При цьому різниця тим більше, чим складніше і крупніше виливок. У таблиці 1 наведені значення усадки сплавів.

Таблиця 1 - Зразкові значення усадки сплавів

Залежно від умов охолодження сплаву і його фізичних властивостей об'ємна усадка при затвердінні може проявлятися в такий спосіб:
а) як зосереджені внутрішні порожнини (закриті або виходять на поверхню - відкриті), розташовані в тих місцях виливки, які тверднуть в останню чергу (усадочні раковини);
б) тільки рівномірним зміною зовнішніх розмірів;
в) утворенням дрібних порожнин, які розсіяні по товщині виливків біля окремих зерен сплаву; такі порожнини звуться усадочною пористості або рихлоти.

При отриманні виливків зі сплавів, які мають підвищену об'ємну усадку і утворюють усадочні раковини (високоміцні чавуни, сталі), на масивних і верхніх частинах виливків передбачають прибутку - порожнини рідкого сплаву, які живлять виливок при її затвердінні і заповнюють скорочення її обсягу. Розташування і розміри прибутків повинні бути обрані так, щоб вони затверділи в останню чергу і саме в них локалізувалися усадочні раковини.

Малюнок 4 - Схема установки прибутків на виливках

Схожі статті

• Ливарна усадка металу - це