4.2. Усадочные процессы при формировании отливки

Усадка отливки (изменение объема и линейных размеров) про­исходит на всех стадиях формирования отливки из жидкого ме­талла. Она оказывает влияние на образование усадочных раковин и пористости, литейных напряжений, горячих и холодных трещин, на размерную и весовую точность отливки, ее герметичность и плотность [23, 24]. Усадочные процессы, протекающие при фор­мировании отливки, определяются химическим составом металла, температурой его перегрева над линией ликвидуса, фазовыми пе­реходами в жидком и твердом состояниях, наличием примесей в металле и скоростью отвода тепла как при кристаллизации распла­ва, так и при дальнейшем его охлаждении в форме.

В общем случае объемная усадка металла Eya определяется:

EFn = ?УЖ — sFgjI (4-6)

Где е е и е — объемная усадка металла соответственно

Pж ‘ Vfh

В жидком состоянии, при кристаллизации и охлаждении. В свою очередь,

Вуя=ая(Тя-Тя); (4Д о)

Os(TaTa)-, (4.6, б)

ЕУя=а ,(T0T0), (4Дв)

Где аж, а3, а — коэффициенты объемной усадки в жидком со-

Ytl

Стоянии металла, при кристаллизации и охлаждении; Тж — темпе­ратура перегрева металла; Гл, Tc — температуры ликвидуса и соли – дуса соответственно; T0 — температура формы в начале заливки ее металлом.

С учетом (4.6, а-в) уравнение (4.6) примет вид:

Ч =аж(Гя-Гл) + а3(7’я-Гс)±ая(7’с-7’0). (4.7)

Уравнение (4.7) носит весьма общий характер. Если аж можно считать величиной постоянной, то а и а3 зависят от фазовых пере-

M

Ходов и скорости кристаллизации, содержания примесей и силово­го взаимодействия металла с формой. Так, при усадке чугуна раз­личают: усадку в жидком состоянии; предусадочное расширение, связанное с выделением графитовой фазы при кристаллизации расплава; доперлитную усадку; усадку при перлитном превращении, обусловленную переходом yFe —» a, Fe, и послеперлитную усадку.

Для определения объема усадочной раковины при получении отливок из чугуна Н. Г. Гиршович приводит следующую формулу:

К = аж (тх Tn) +Ey31,5ат (T3 – T0). (4.8)

Анализ формулы (4.8) показывает, что снижение температуры перегрева металла приводит к уменьшению объема усадочных дефектов, увеличение усадки при затвердевании способствует увеличению плотности отливки. При ЛГМ температура металла снижается при заливке чугуна на 35 0C и стали на 55 0C за счет потери тепловой энергии расплава на термическую деструкцию модели. Справедливо при этом случае формулу (4.6, а) записать с учетом снижения температуры перегрева металла непосредственно в полости формы в следующем виде:

Для стали

Для чугуна еКж =аж[(Гж-35)-Гл]; (4.9)

Е„, =а. [(Г,-55)-Г.]. (4Л0)

Потери тепловой энергии металлом на термодеструкцию изме­няют условия усадки (если металл находится в жидком состоянии, уменьшают ее). Для стали необходимо учитывать процесс наугле­роживания жидкого металла при ЛГМ, что несколько снижает ли­нию ликвидуса. Однако увеличение содержания углерода в рас­плаве уменьшает объемную усадку, что компенсирует увеличение усадки за счет снижения температуры ликвидуса. На рис. 4.5 пред­ставлены результаты исследования усадки отливки из чугуна в за­висимости от материала формы по газифицируемым моделям (в пес – чано-глинистой форме по извлекаемым моделям), а в табл. 4.4 да­ны численные значения различных этапов усадки.

При литье по газифицируемым моделям уменьшается приуса – дочное расширение за счет снятия теплоты перегрева металла и значительное увеличение послеперлитной усадки, особенно в формах из несвязанных сыпучих материалов. Этот факт можно объяснить двумя причинами: увеличением скорости охлаждения металла в результате плотного контакта материала формы и от­ливки и хорошей податливостью формы из несвязанных материа­лов, кварцевого и металлического песка. В результате общая усад­ка отливки в условиях охлаждения в форме из металлического песка составляет 1,3-1,36 %, т. е. равна свободной усадке для дан­ной марки чугуна, в то время как усадка в форме из песчано – глинистой смеси почти в 2 раза меньше. Значительное увеличение общей усадки при затвердевании отливки должно привести к уве­личению ее плотности и уменьшению усадочной пористости.

!

___

I

\

\

— – –

—-

\\

А

/|

/ /

ГЖ

JAA

—- – ИИ"^

/ г

\

<1

L Г/ й

W

Г *

6

$

To

/2

(6

15Г

/7

OM

П

T,6 IM /,2 T,0

O1S 0,6 Ojt.

О, г.

(Ш {200- м – 200-

Foo W

/

H

Q73 DJf

О

OZ

Рис. 4.5. Усадка отливок из чугуна при ЛГМ: 1,2 — песчано-глинистая форма; 3 — форма из кварцевого песка; 4 — форма из металлического песка

Этапы усадки отливок из чугуна, %

Таблица 4.4

№ кривой

Материал

Способ фор­

?об

 

На рис. 4.5

Формы

Мовки

^iiii

 

1

Песчано-

По извле­

0,30-

0,30-

0,025-

0,73-

0,71-

 

Глинистая

Каемым

0,35

0,35

0,035

0,75

0,74

 

Сырая

Моделям

 

2

Песчано-

ЛГМ

0,32-

0,28-

0,74-

0,73-

 

Глинистая

0,37

0,33

0

0,76

0,76

 

3

Кварцевый

ЛГМ

0,17-

0,40-

0,06-

0,92-

1,06-

 

Песок

0,24

0,42

0,07

0,98

1,12

 

№ кривой на рис. 4.5

Материал формы

Способ формовки

^np

Ёдп

En

?пп

?об

4

Металличе­ский песок (дробь)

ЛГМ

0,10- 0,15

0,44- 0,46

0,09- 0,11

1,05- 1,10

1,3- 1,36

С учетом влияния процесса термодеструкции модели и техно­логии формы на процесс усадки для определения усадочной рако­вины в отливках из чугуна при ЛГМ можно использовать формулу Н. Г. Гиршовича с внесением поправок, учитывающих особенности данной технологии:

^P = аж [(^ж -35)~^л] + 8F3 -2,\ат (T3 – T0). (4.11)

Уменьшение объема усадочных пор при ЛГМ повышает плот­ность отливок из чугуна и стали. Это видно из приведенных дан­ных в табл. 4.5 и 4.6 [5]. Однако при получении отливок из чугуна эффект повышения плотности металла выражен менее четко, что связано с особенностями графитизации чугуна. В табл. 4.7 приве­дены результаты исследования состояния графита в отливках из чугуна, полученных в песчано-глинистой сырой форме по газифи­цируемым и извлекаемым моделям. Из данных таблицы видно, что при ЛГМ увеличивается содержание общего углерода за счет свободного графита. Это происходит в результате диффузии угле­рода термодеструкции модели в жидкий металл при его заливке в форму, что и приводит к снижению влияния вышеизложенных факторов на увеличение плотности металла.

Таблица 4.5

Сравнительные данные по плотности стальных отливок

Марка стали

Плотность конуса, г/см3

Общая

В нижней части

Ст.35Л

8,013 7,608

8,097 7,820

Состояние углерода в чугуне

Плотность чугунных отливок

Марка стали

Плотность конуса, г/см3

Общая

В нижней части

Ст.20Л

7,664 6,771

7,765 6,418

Ст. ЮЛ

8,123 6,716

7,854 7,154

Примечание. Верхняя строка — отливка получена по газифицируемым моде­лям, нижняя — по извлекаемым моделям.

Таблица 4.6

Марка чугуна

Плотность, г/см3

Общая

Низа отливки

Малого конуса

СЧ 21-40

7,186 7,183

7,167 6,960

7,187 7,110

СЧ 24-44

7,178 7,187

7,215 7,164

7,012 6,906

Примечание. Верхняя строка — отливка получена по газифицируемым моде­лям, нижняя — по извлекаемым моделям.

Таблица 4.7

№ опыта

Извлекаемые модели

Газифицируемые модели

Углерод, %

Графит, %

Углерод, %

Графит,

%

Общий

Связан.

Общий

Связан.

1

3,17

0,32

2,85

3,20

0,51

2,69

2

3,17

0,55

2,62

3,19

0,31

2,85

3

3,20

0,42

2,78

3,24

0,40

2,84

Среднее

3,18

0,43

2,75

3,21

0,42

2,79