Статьи | Металлолом — Part 66

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И СВОЙСТВА СТАЛИ

Особенности литья стали в кокиль заключаются в ее более высоких (в сравнении с другими распространенными литейными сплавами) значениях температуры кристаллизации и величины усадки. С повышением температуры заливки металла резко интен­сифицируются все процессы, связанные со стойкостью кокиля (см. гл. V). Поэтому проблема стойкости кокилей при литье стали стоит чрезвычайно остро.

Согласно отечественному опыту и зарубежным данным [174], в настоящее время наиболее распространенным материалом для кокилей при литье стали остается серый чугун. Кокили из серого чугуна имеют стойкость, измеряемую десятками и в отдельных случаях несколькими сотнями заливок.

В связи с повышенной усадкой стали появляется большая опас­ность возникновения в отливках значительных остаточных напря­жений, горячих и холодных трещин. С этим же связана необхо­димость обеспечения условий четко выраженной направленности затвердевания. Эти особенности существенно ограничивают воз­можности литья стали в кокиль. Они же определяют область ра­ционального применения процесса. В кокилях целесообразно получать стальные детали наиболее простой конфигурации — с плавными наружными очертаниями и равностенные. Не слу­чайно поэтому, что в них чаще всего отливают стальные детали типа тел вращения. При такой конфигурации рабочей полости формы изготовление кокиля оказывается наиболее простым.

Таким образом, обеспечение технологичности стальных отли­вок является задачей первостепенной важности. Здесь уместно сослаться на рекомендации по проектированию литых конструк­ций, изложенные в параграфе I гл. VIII. Примеры нетехнологич­ных и технологичных конструкций стальных деталей предста­влены на рис. 117.

Пример переработки конструкции отливки описан в работе [90] по опыту освоения технологии литья заготовок для получения вагонных колес прокаткой. Литую заготовку (рис. 118, а) изго­товляли в кокиле, который заливали через прибыльную часть. В диске отливки из-за нарушения направленности затвердевания возникали усадочные раковины. Направленное затвердевание было достигнуто после применения песчаного стержня для форми­рования тонкого перехода от ступицы к диску. Однако при этом снижалась эффективность процесса, увеличивалась опасность повышения брака из-за засоров.

Задача была решена путем повышения технологичности от­ливки. Незначительные изменения конструкции заготовки

Рис. 117. Нетехиологичные (!) и технологичные (II) конструкции сту­пицы (а) и катка (б)

(рис. 118, б) ПОЗВОЛИЛИ разработать рациональ­ную технологию их литья в кокиль (рис. 118, в). По данным авторов работы [90], такая технология позволяет получить здо­ровые заготовки с равномерными свойствами стали во всех сече­ниях. Кроме того, свойства стали заготовок более высокие, чем свойства стали отрезных заготовок из слитков.

Отметим, что материалы настоящей главы относятся только к литью стали в кокили с тонкослойным покрытием. Технология литья в облицованные кокили рассмотрена в главе XVIII.

Свойства стали. Основные закономерности изменения струк­туры и свойств литой стали при увеличении скорости затвердева­ния рассмотрены в гл. III. Здесь же приведены примеры из прак­тики литья в кокили.

Рис. 119 дает представление о благоприятном влиянии кокилей на важнейшие механические свойства стали. Аналогичны резуль­таты исследований влияния кокилей и на свойства других сталей. Например, в стали 110Г13Л при переходе от литья в песчаные формы на литье в кокиль ударная вязкость и износостойкость по­вышаются на 20—50%, а аустенитное зерно заметно размельчается.

Ф87 7

Рис. И8. Старая (а) и новая (б) кон­струкции стальной заготовки для прокатки железнодорожных колес и кокиль в сборе (в):

1 — корпус кокиля; 2 — графито­вая вставка; 3 — самовсплывающая лнтннковая вставка; 4 — крышка; 5 — стержень прибыли

О значительном улучшении свойств стали 110Г13Л (повышении плотности отливок, размельчении дендритов в структуре, увели­чении ударной вязкости) в связи с ускорением затвердевания от­ливок указывается в работе [156]. |

Однако известны и другие данные. В. П. Ксенофонтов, напри­мер, исследовал одновременное влияние материала формы и тем­пературы заливки на структуру и свойства стали П0Г13Л [80] и установил, что кокиль обеспечивает получение более высоких значений ударной вязкости только в том случае, когда темпера – Тура заливки не превышает 1700 К (рис. 119, б). Износостойкость отливок, полученных в кокилях, оказывается более высокой при Гзал не выше 1720 К-

Залитая в кокиль сталь более восприимчива к модифицирова­нию, микролегированию и экономному легированию, чем сталь, Залитая в песчаные формы. В работе [139] описан опыт присадки титана и других элементов в Виде порошка непосредственно в лит­никовую чашу кокиля. Модифицированную титаном (0,074Ti) сталь ЗбЛ использовали для роликов конвейера разливочной Машины. Прочность стали увеличилась примерно на 15%, а изно­состойкость — почти в 3 раза.

2. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ И ЗАЛИВКА

Г

Зоо

200

О W 20

JO L, mm

WSO 1120 ПВО К

А)

Рис. 119. Зависимость Ctb и ан стали 32X06 от расстояния I образца до стеики кокиля (а); аа и износа k стали 110Г13Л от материала формы и температуры заливки (б)-. сплошные линии — лнтье в кокиль, штриховые — литье в песчаную форму

Ам, мдж/м

К, г

Особенности Литейных свойств стали требуют иного, чем для Других сплавов, устройства литниково-питающих систем. Высокая температура заливки, большая усадка при затвердевании, низкая жидкотекучесть, повышенная склонность к трещинообразованию и другие свойства обусловили особые требования к устройству литниково-питающих систем кокилей стальных отливок. На основании этих требований предпочтение отдается следующим

3Q Sfu^

Рис. 120. Кокиль для ступицы:

T — крышка кокиля; 2 — корпус кокиля; 3 — ручки; 4 — стержень

Технологическим и конструктивным решениям: 1) выполнению полости прибылей только в песчаных вставках или в частях ко­киля с хорошей тепловой изоляцией; 2) заливке кокилей сверху, преимущественно через прибыли; 3) совмещению (для мелких деталей) прибыли и стояка литниковой системы; 4) исключению попадания струи жидкой стали на рабочие поверхности кокиля; 5) максимальному сокращению пути движения расплава до попа­дания его в литейную полость; 6) заливке возможно большего числа мелких литейных полостей через единую литниковую си­стему и др.

Примеры практической реализации первых двух решений по­казаны на рис. 120 [2] и 121 [111] соответственно. Если нет воз­можности выполнить литниковые каналы в песчаных вставках, металлические каналы должны быть хорошо защищены. С целью защиты кокилей в местах подвода металла может быть использо­вано покрытие, состоящее, % по массе, из 80—85 графитового порошка; 10—15 пека; 5—10 смолы.

Заливка сталью небольших кокилей связана с некоторыми труд­ностями и потерей жидкого металла. Использование в этом слу­чае стопорных ковшей неудобно (затруднена точная дозировка металла), а заливка из небольших чайниковых ковшей связана с потерей температуры жидкой стали. Тем не менее предпочти­тельней заливать такие кокили не из стопорных, а из чайниковых (с глубокими перегородками) ковшей.

Оправдало себя на практике использование наборных неболь­ших кокилей, расположенных на плите, перекрытых объединяю­щим стержнем, в котором выполняется общая литниковая система.

3. ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИИ

Ст.1

Рис. 121. Кокиль для стальных крановых колес

Многие параметры технологии (начальная температура кокиля, температура заливки, состав и толщина покрытия, продолжитель­ность охлаждения отливки в форме и др.) могут быть найдены рас­четным путем на основе расчетного аппарата, который приведен в первом разделе. В более сложных случаях (например, комбини­рованная форма — кокиль и песчаный стержень) следует обра­щаться к специальной литературе [5, 6, 16, 20, 21, 48, 49 и др. ]. Понятно, однако, что при выборе вариантов технологии необхо­димо отталкиваться от практического опыта.

Практика показывает, что при литье стали н чальная темпера­тура кокиля Tia не должна, как правило, превышать 520 К. При больших значениях Т.2а увеличивается опасность перегрева кокиля и, следовательно, понижается его стойкость. По этой же причине T33jl стали должна быть минимальной. Лишь одно условие — возможность возникновения недоливов и неспаев в отливках — служит оправданием заливки кокилей перегретой сталью. Опти­мальной для углеродистых сталей считается Тзал = 1720-^1770 К-

При производстве отливок в кокилях обработке стали в пла­вильной печи необходимо уделять особое внимание. Недопустимо использование стали с повышенной газонасыщенностью, загряз­ненной большим количеством неметаллических включений, зна­чительно снижающих жидкотекучесть и увеличивающих опасность возникновения неспаев, усадочно-газовых раковин и т. п.

Продолжительность пребывания стальной отливки в форме является важнейшим фактором стойкости кокиля. В связи с после­довательным затвердеванием стальных отливок создаются благо­приятные условия для их ранней выбивки. Температура выбивки для каждой отливки устанавливается опытным путем. Про­цесс литья стали в кокиль следует организовать так, чтобы период пребывания отливки в кокиле был минимальным.

При литье стали важнейшей задачей является выбор защит­ного покрытйя и поверхностного упрочнения кокилей. Все, что было сказано в первом и втором разделах и в части выбора рациональ­ных покрытий и поверхностных упрочнений, в первую очередь относится к кокилям для получения стальных деталей. Хорошо зарекомендовало себя покрытие кокилей следующего состава, % по массе: 30—40 огнеупорного наполнителя (карборунда, циркона, окиси хрома и др.); 5—9 жидкого стекла; 0,7—0,8 борной кислоты; остальное — вода (до плотности 1,1—1,22). Покрытие наносят в несколько слоев, причем последний слой краски лучше готовить из более мелких частиц наполнителя. Такое покрытие наносят один раз в смену. Требуется лишь изредка подправлять его рабо­чий слой.

4. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье в кокиль дает наибольший эффект при изготовлении отли­вок особого вида и назначения. Но в каждом таком случае требу­ются необычные технологические решения. Ниже рассматриваются некоторые примеры таких решений. Часто литье в кокиль является единственно возможным способом достижения высокого каче­ства отливок ответственного назначения. К. таким отливкам отно­сятся штампы.

Большой вклад в развитие производства литых штампов (в том числе и литых в кокили) в нашей стране внес Б. А. Носков. Им была доказана целесообразность изготовления литых штампов с ручьями, разработана и осуществлена на практике технология литья штампов в кокилях.

Оригинальный процесс литья штампов со вставками показан на рис. 122. В разъемный кокиль 3 перед заливкой устанавливают на­гретую до 840—900 К вставку 4 из стали Р18, и литейную полость 2 заливают через прибыль надставки 1 сталью 5ХНВЛ при 1820 ± ± 10 К – Вставку 4 нагревают во избежание образования трещин в обойме штампа. Для устранения в стали Р18 остаточного аусте­нита отливку троекратно отпускают (820—870 К, нагрев 3 ч). Сталь 5XHBJ1 модифицируют 0,3% КМ, который вводят совме­стно с 0,1% Al и 0,3% ферротитана на струю расплава. Стойкость литого штампа, как указывается в работе [88], повысилась в 15— 20 раз в сравнении с напрессованным, стоимость снизилась в 1,5— 2 раза. Даже в случае низкой стойкости кокилей для изготовления подобных отливок расход на них всегда окупается.

К числу особых и интересных способов литья стали в кокиль можно отнести способ получения полых отливок с выплавляемым стержнем [63]. За последнее время все чаще появляются сведения об использовании таких стержней при литье в кокиль разных сплавов. В указанной работе приводится описание литья из стали 50Л полых цилиндров диаметром

Рис. 122. Схема литья штампов

Рис. 123. Схема литья стали в кокиль с ВЫ’ плавляемым стержнем

Рис. 124. Схема устройства многоместного кокиля для литья бил из стали 110Г13Л

В кокиль 1 вставляют выплавляемый металлический стержень 2 и форму заливают через дождевую литниковую систему, выполнен­ную в литниковой чаше 3. Дождевая заливка оказалась наиболее приемлемой: при сифонной и боковой заливке стержень распла­влялся преждевременно и его металл сплавлялся с металлом от­ливки. Применение выплавляемых стержней позволило довести выход годного до 78%, разгрузить в тепловом отношении кокиль 1, повысить его стойкость и получить следующие механические свой­ства стали после термической обработки: сгв = 735ч-918 МПа; (Тт = 382-^437МПа, = 17,4-н20,5%. Можно ожидать, что выпла­вляемые стержни позволят расширить область применения ко­килей для литья стальных деталей, так как уменьшится опасность образования в отливках трещин и усадочных рыхлот.

В работе [8] описана технология литья из стали 110Г13Л бил массой 8,5—12,5 кг молотковых мельниц для разлома угля. Применяемый при этом водоохлаждаемый кокиль изображен на рис. 124. Корпус 1 такого кокиля — сварной, из стали СтЗ, а поверхность отливки формируется сменными вставками 4 и стержнем 5. Литниковая система также выполнена в песчаном стер­жне 6. Корпус кокиля 1 охлаждается водой, проходящей по водя­ной коробке 3. Выталкиватели расположены в плите 2. Износо­стойкость бил, полученных в кокиле, повысилась на 30%.

Литье крупных стальных отливок представляет большие тех­нические трудности, так как связано с изготовлением массивных кокилей, которые сложно изготовить и механизировать. Между тем, как это показывает опыт, именно эти процессы позволяют получить наибольший эффект. Об этом свидетельствуют и примеры современных процессов литья крупных стальных деталей.

Крышка котла высокого давления, как указывается в работе [141], отливается в массивный литой кокиль из углеродистой (0,04—0,06% С) стали. Проведенными расчетами и постоянным наблюдением установлено, что наиболее напряженным местом ко­киля является пояс, формирующий вертикальную стенку крышки. Средняя стойкость кокилей, выявленная на основе их трехгодич­ной эксплуатации, составила 219 заливок. Хотя такая стойкость обеспечивает получение значительного эффекта по сравнению с литьем в песчаные формы, она может быть заметно повышена путем упрочнения поясной части кокиля, которая в дальнейшем была выполнена из блочно-игольчатых элементов.

5. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

В ряде случаев внедрению литья стали в кокиль препятствует повышенный брак отливок. К числу наиболее часто встречающихся видов брака стальных отливок относятся горячие и холодные тре­щины, недоливы, газовые и усадочные раковины, несоответствие размеров требованиям чертежа.

Основным средством предупреждения горячих трещин является повышение технологичности стальных отливок, приспособление их конструкции к условиям литья в кокиль. Соответствующие принципы рассмотрены в параграфе 1.

Не менее важной мерой предупреждения трещин является под­готовка расплава. Глубокое раскисление стали и ее модифициро­вание всегда оказывают благоприятное влияние. Дегазация стали также предупреждает образование трещин.

Центровые стержни особенно тонкостенных отливок с развитой поверхностью должны обладать хорошей податливостью, не со­держать жестких каркасов; изготовление таких стержней полыми — обязательная мера предупреждения трещин.

Предупредить трещины в торцах тонких стенок можно путем снижения скорости их затвердевания и устране­ния заливов. На рис. 125 приведены два вида устройства знака стержней. В первом случае (рис. 125, а) из-за быстрого затвердевания торца отливки

Рис. 125. Схема устройства знака стержня: а — обычное; 6 — предупреждающее трещины

А) и появления в нем заливов образование трещин было неизбежным. Небольшие изменения в устройстве знака (рис. 125, б) устранили эти недостатки, что благоприятно сказывалось на предупрежде­нии трещин.

Газовые раковины возникают из-за «закупоривания» воздуха в «глухих» местах кокилей, некачественной стали, газотворной способности краски и стержней, а также из-за перегрева кокилей. Первая причина газовых раковин устраняется соответствующей вентиляцией, а последняя — соблюдением теплового режима формы и периодической очисткой ее рабочих поверхностей. Что касается газовых раковин из-за газонасыщенности расплава, то они возникают редко: в кокилях дополнительное растворение газов (особенно водорода) не происходит.

ЛИТЬЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ

Алюминиевые сплавы согласно ГОСТ 2685—75 разделяются по химическому составу на пять групп:

Группа I — сплавы на основе системы алюминий— кремний марок: АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9 АК7 (АЛ9В), АЛ34 (ВАЛ5), АК9 (АЛ4В). Их структура представляет собой а-твердый раствор кремния в алюминии и эвтектику, состоящую из а-твердого рас­твора и зерен кремния. Количество в структуре сплава эвтектики увеличивается с повышением содержания кремния и при 11,7% последнего состоит из эвтектики с температурой плавления

850 К-

Дальнейшее увеличение количества кремния в сплаве приво­дит к образованию первичных твердых его кристаллов. При нали­чии легирующих элементов последние растворяются в а-твердом растворе, упрочняя его, или образуют самостоятельные фазы (например, Mg2Si, Al3Ti и др.). Механические свойства алюминие – во-кремнистых сплавов можно улучшить путем легирования ми­кродобавками таких элементов, как В, Ti, Zr. Достоинствами сплавов этой группы являются хорошие литейные свойства и гер­метичность, а также сравнительно простая технология выплавки и литья. Недостатки их состоят в склонности к образованию круп­нозернистой грубой эвтектики в структуре и к повышению газо­насыщенности.

Группа II — сплавы на основе алюминий—кремний—медь. Их марки: АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛ6, АЛ32, АК5М2 (АЛЗВ), АК7М2 (АЛ10В), АК4М4 (АЛ15В). Сплавы этой группы обладают более высокой прочностью и жаропрочностью, чем сплавы системы алю­миний—кремний, а их литейные свойства лучше, чем у сплавов системы алюминий—медь.

Группа III —• сплавы на основе системы алюминий—медь марок: АЛ7, АЛ19, АЛЗЗ (ВАЛ1). Структура этих сплавов состоит из а-твердого раствора меди в алюминии, химического соединения Al2Cu и эвтектики. Концентрация меди в твердом растворе изме­няется в зависимости от температуры. При температуре 821 К (548° С) в а-твердом растворе содержится 5,65% Cu, а при комнат­ной температуре всего 0,2%. Этим объясняется чувствительность сплавов к скорости затвердевания, а также повышение свойств после закалки с последующим старением. Легированный твердый раствор и наличие химических соединений в структуре обусло­вливают жаропрочность и повышенные прочностные характери­стики сплавов группы III.

Особенно высокой прочностью обладает сплав АЛ19, в состав которого входит марганец, образующий сложное соединение

Al2Mn2Cu, способствующее улучшению механических свойств, особенно при повышенных температурах.

Недостатки сплавов группы III: пониженная жидкотекучесть, увеличенная склонность к образованию горячих трещин, а также низкая герметичность.

Группа IV — сплавы на основе системы алюминий—магний, используются преимущественно с добавкой легирующих элемен­тов: Mn, Si, Ti, В, Zr. Сюда относятся сплавы марок АЛ8, AJl 13, АЛ22, АЛ28, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28. Основой структуры этих сплавов является твердый раствор магния в алюминии, со­став которого изменяется с понижением температуры. При 708 К (435° С) он содержит 14% Mg, а при комнатной температуре — в 10 раз меньше (1,4%). Избыток магния образует хрупкую |3-фазу (Al3Mg2), количество которой увеличивается с уменьшением ско­рости охлаждения отливки. Специальные добавки или случайные примеси дают самостоятельные фазы (например, Mg2Si, Al6Mg4Cu, Al3Ni, Al3Fe и др.) или они могут входить в твердый раствор. Все это влияет на изменение свойств сплавов, при этом степень влияния зависит от дисперсности и характера этих фаз. Как правило, сплавы этой группы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими свойствами и малой плот­ностью. Кроме того, они хорошо обрабатываются резанием и по­лируются.

Группа V — сплавы на основе алюминия с другими элемен­тами (в том числе никеля, цинка, кремния, железа). Их марки: АЛ1, АЛ11, АЛ21, АД24, АЛ25, АЛЗО, АК21М2, 5Н2.5 (ВКЖЛС-1). Сюда же можно отнести используемые в настоящее время сплавы АЛ26, АЛ20, АЛ18В и др. Это преимущественно жаропрочные сплавы. Каждый из них отличается еще каким-либо специальным свойством в зависимости от того, для каких целей сплавы предназначены. Так, например, сплавы для поршней (АЛ25, АЛ26, АЛЗО) должны иметь повышенную износостойкость и малый коэффициент линейного расширения. Основными компо­нентами сплавов этой группы являются кремний или медь, от содержания которых в основном и зависят структура и свойства. Дополнительное легирование небольшими добавками ряда эле­ментов обеспечивает сплавам повышение жаропрочности за счет увеличения сопротивляемости пластическим деформациям. В ка­честве легирующего элемента используется и железо (сплавы АЛ18В и АЛ20), которое является вредной примесью для всех остальных сплавов на алюминиевой основе. Показатели литейных свойств алюминиевых сплавов колеблятся в довольно широких пределах и зависят от их состава. В табл. 30 представлены дан­ные о литейных свойствах основных сплавов.

Горячеломкость определяется по общепринятой кольцевой пробе С. И. Спек – тровой и Г- В. Лебедевой. Наружный диаметр пробы 107 мм, толщина 5 мм,

Таблица 30

№ груп­пы	Марка	Усадка, %	Ж идкотекучесть, мм, по пробе	Горяче – ломкость	Герме­тичность, кгс/см2
Линей­ная	Объемная	Прутко­вой	Спираль­ной
I	АЛ2 АЛ4 АЛ9 АЛ34 (ВАЛ5)	0,9 1,0 1,0 1,0	3,0—3,5 3,2—3,4 3,7—3,9	420 360 350 550	820 750 770	5 5 5 5	160 260 190 350
II	АЛЗ АЛ5 АЛ6 В124	1,15 1,10 1,10 1,10	4,0—4,2 4,5—4,9 4,8—5,0 3,2—3,4	240 344 300 350	700 750 650 800	12,5 7,5 10 7,5	140 160 230 350
III	АЛ7 АЛ19	1,40 1,25	6,5—6,8	163 205	280 410	3,5 32,5	50 70
IV	АЛ8 АЛ 13 АЛ22 АЛ27	1,3 1,2 1,2 1,2	4,8—5,0	280 320 380 270	600 500 650	22,5 12,5 15 12,5	60 118 130 60
V	АЛ1 АЛ21 АЛ 24 АЛ25	1,3 1,2 1,2 1,1	6,4—6,2	260 360 230 425	700	27,5 22,5 22,5 5	90 100 160

Внутренний диаметр колец изменяется от 7 до 97 мм, обеспечивая ширину кольца от 50 до 5 мм. Показателем горячеломкости является максимальная ширина кольца, при которой появляется первая трещина. Чем меньше эта ширина, тем меньше склонность сплава к образованию трещин. Для определения жидкоте – кучести используются стандартные прутковые или спиральные пробы, отлива­емые в песчано-глинистые формы.

Типичные литейные свойства основных алюминиевых сплавов (температура заливки 973 К)

Лучшие литейные свойства имеют сплавы типа силуминов и более низкими обладают сплавы III (алюминиево-медные) и IV (алюминиево-магниевые) групп. Величина действительной ли­тейной усадки сплавов зависит не только от их природы, но и от сложности и размеров отливки. На практике принято считать, что усадка в зависимости от сплава находится в следующих пре­делах: для мелких отливок 0,9—1,35, для средних — 0,7—1,2 и для крупных — 0,6—1,0%. Нижние пределы относятся к спла­вам на основе системы Al—Si, а верхние — к сплавам III и IV групп.

Характерной особенностью всех алюминиевых сплавов явля­ется повышенная опасность образования газовой и газоусадочной пористости. На поверхности алюминиевой отливки легко обра­зуется прочная и плотная пленка окисла, которая препятствует удалению газов, выделяющихся из металла при его охлаждении. Это и объясняет тот факт, что алюминиевые отливки легко пора­жаются газовой пористостью при сравнительно небольшом со­держании газов в металле. Так, даже при наличии в сплаве водо­рода в количестве 0,9—2,0 см3 на 100 г металла возникает опас­ность образования газовых раковин, в то время как в чугуне его содержание может достигать 4—5 см3, а в стали — до 10—12 см3 (без особой опасности образования газовых раковин).

Особенно легко поражаются газовыми раковинами отливки из сплавов, содержащих кремний. Разработка технологического про­цесса изготовления отливок из алюминиевых сплавов произво­дится с учетом всех его особенностей и недостатков. Большое влия­ние на структуру и качество сплава отливки оказывает скорость затвердевания и охлаждения.

2. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

Увеличение скорости затвердевания обеспечивает измельчение структурных составляющих сплава — уменьшается зерно твердого раствора, увеличивается дисперсность эвтектики и вторичных фаз, образующихся при наличии специально введенных или случайных примесей. Некоторые неблагоприятно действующие соединения вообще не образуются или уменьшаются по количеству. Так, струк­тура силумина, залитого в кокиль, близка к структуре модифициро­ванного сплава; размеры кристаллов кремния значительно меньше, чем при литье в песчаные формы (см. гл. III). Известно также [123], что литье в кокиль резко повышает эффект модифицирования по сравнению с литьем в песчаные формы, а также нейтрализует вредное действие железа и других примесей. Поэтому допускается в сплавах для этого вида литья более высокое количество же­леза, чем при литье в песчаные формы. Измельчение структуры в результате более значительного переохлаждения сплава при кри­сталлизации в кокиле, а также увеличение при этом эффекта моди­фицирования приводит к улучшению его механических свойств. Результаты испытания сплава АЛ27-1, залитого в сухие песчаные формы и в кокили, наглядно показывают преимущества послед­него способа литья (при литье в сухую песчаную форму ов = = 26 кгс/мм2, б =5%; при литье в кокиль — ов =42 кгс/мм2, 6 = 31%).

С изменением скорости охлаждения от 15,6 до 83 град/мин. увеличивается предел прочности сплава АЛ19 с 38,2 до

Влияние скорости затвердевания отливок

41,5 кгс/мм2 и относительное удлинение с 7,3 до 16,0%. Такой же характер имеет изменение механических свойств при повышенных температурах (табл. 31).

Таблица 31

Влияние на механические свойства сплава AJI27-1 температуры и материала формы

Темпера­	Литье в песчаную форму	Литье в кокили
Тура ис­пытаний, 0C	Кгс/мм2	Б, %	V Кгс•м/см2	CV Кгс/ммг	6, %	Аи’ кгс • м/см2
20 150 200 300 400 500	23,9 17,9 16,9 8,9 3,6 1,1	3.8 2.9 3,7 10,8 24,2 3,6	2,3 2,1 1,7 1,1 0,2 0,2	36,8 32,6 21,1 10,3 4.7 1.8	16,4 37,2 15.7 49,0 100,8 16.8	5,6 5,6 4,3 2,5 0,3 0,2

Повышается прочность сплавов при термической усталости. Благоприятное влияние увеличение скорости охлаждения оказы­вает и на свойства сплавов при низких температурах. Улучшается герметичность, что особенно важно для сплавов, негерметичных по своей природе из-за большого интервала их кристаллизации (АЛ 19, АЛ27-1 и др.). Увеличение скорости охлаждения умень­шает опасность образования газовой и газоусадочной пористости в отливках.

Авторы работы [59] объясняют это следующим образом. Часть водорода, попавшего в алюминиевый расплав, образует CAl2O3 соединение Y-Al2O3-Н, а избыток растворяется в жидком металле. При затвердевании сплава указанное Соединение диссоциирует с выделением водорода. Степень диссоциации его зависит от скорости охлаждения и уменьшается с увеличением последней. При быстром охлаждении распад химического соединения T-Al3O3-H не произойдет и по­ристость будет образовываться только за счет выделения растворенного водо­рода, которое также затрудняется при увеличении скорости охлаждения.

Количество водорода, растворившегося в металле при литье в кокиль, меньше, чем при литье в песчаные формы. Например, если в 100 г сплава, залитого в кокиль, содержалось 1,6—1,8 см3 водорода, то в металле, залитом в песчаные формы, его содержа­ние достигает 2,3—3,5 см3. Таким образом, литье в кокиль обеспе­чивает получение более плотных отливок и, следовательно, с более высокими механическими свойствами сплава:

Балл пористости…………………………………….. 1 2 3 4 5

‘ ов, кгс/мм2 …………………………………… 26,6 26,2 25,0 20,0 15,0

6, % ………………………………………………………. 5,0 4,7 3,0 2,0 1,5

275

При литье в кокиль уменьшается не только газовая, но и газо­усадочная пористость.

Рассмотренные особенности формирования структуры и свойств отливок из алюминиевых сплавов вытекают из общих положений теории литья в кокиль, изложенных в первом разделе.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

В связи с особыми свойствами алюминиевых сплавов (повышен­ная усадка, возможность окисления при заливке, склонность к образованию плен, газовой пористости и др.) возникает необхо­димость устройства особых литниково-питающих систем, которые подробно описаны Н. М. Галдиным [39]. Расчет литниковых си­стем и выбор их конструктивных размеров при литье в кокиль, как указывает Н. М. Галдин, осуществляют по тем же методикам, исходя из тех же рекомендаций, которые разработаны для литья в песчаные формы. Вместе с тем необходимо учитывать особенно­сти литья в кокиль, состоящие, прежде всего, в повышенной ско­рости охлаждения металла и газонепроницаемости формы, которые вызывают повышенную опасность образования газоусадочных и газовых раковин, недоливов, неспаев, загрязнений неметалличе­скими включениями.

При конструировании кокилей стремятся свести до минимума количество и площадь поверхностей разъема, что затрудняет, а часто делает невозможным применение разветвленной литнико­вой системы с использованием элементов, задерживающих шлако­вые включения и обеспечивающих ламинарность потока. Острые кромки каналов, выполненных в кокиле, способствуют образова­нию завихрений потока металла, в результате чего облегчается разрыв окисных плен и попадание их внутрь расплава. Все эти особенности и определяют выбор элементов и конструкции литни­ковой системы для литья в кокиль.

Неправильное устройство этих систем приводит к образованию многих видов брака: прежде всего газовых и усадочных раковин, трещин, шлаковых включений и плен. Наглядно это иллюстри­руется примерами, приведенными в работе [159] и тремя схемами

Рис. 126. Варианты литнико­вых систем поршня

(рис. 126) литниково-питающих систем в кокиле поршня. На пер­вый взгляд представляется, что каждая из них удовлетворяет общим принципам устройства литниково-питающих систем при литье в кокили деталей ответственного назначения. Однако их сравнительная проверка показала преимущество системы б.

Убедительным доказательством роли литниково-питающей си­стемы в получении качественных отливок и всей эффективности литья в кокиль может служить также сравнение двух процессов изготовления крыльчаток (рис. 127). По одной технологии (рис. 127, а) брак отливок доходил до 85—90%, в том числе и по недоливам —30—70%, несмотря на повышение температуры за­ливки сплава AJ19 до 1030—1060 К и увеличение скорости заливки [60 ]. По другой технологии (рис. 127, б) металл поступал в полость 1 спокойно: газы, выделяющиеся из стержня 2, им не захлестыва­лись. Изменения литниково-питающей системы свелись к следую­щему. Вместо высокого прямого стояка применен стояк 4 низкий змеевидный, на дне которого была проставлена фильтровальная сетка 5, а на питателе — бобышка 6 с выпором для гашения за­вихренного движения металла и удаления газов. Уменьшена и высота прибыли 5; прибыль закрыта надставкой 7. Несмотря на то, что температура заливки сплава была снижена до 990—1030 К, недоливы не имели места. В связи с заменой литниково-питающей системы кокиля крыльчаток брак отливок снизился до 10%, рас­ход жидкого металла сократился на 30—50%.

2 1

Рис. 127. Старое (а) и новое (б) устройство литниково-питающей системы в кокиле

Крыльчатки:

1 — литейная полость лопатки; 2 — стержень; 3 — прибыль; 4 — стояк; 5 — сетка; 6 — бобышка; 7 — надставка

S

Основные положения правильного устройства литниковых си­стем для кокилей состоят в том, чтобы обеспечить: направленное затвердевание отливки; поступление в полость формы спокойной струи металла; надежное улавливание плен и шлака, образовав­шихся в металле до поступления его в форму; предотвращение образования их уже в литейной полости; надежное питание тепло­вых узлов отливки.

Направленность затвердевания обеспечивается надлежащим расположением отливки в форме с размещением тонких стенок в нижней части кокиля, использованием искусственного охлажде­ния отдельных утолщенных частей отливки, применением заливки сверху с поворотом кокиля на разные углы. Специально разрабо­танная установка позволяет ускорить поворот формы и обес­печить повышение эффективности данного процесса (Н. М. Галдин, И. А. Релин, А. с. № 393025, 1973).

С целью более плавного поступления металла и очистки его от плен и шлака используют не прямые вертикальные стояки, а бо­лее сложной конфигурации — зигзагообразные, змеевидные, в виде «гусиной шейки», наклонные и др. —с подводом металла преиму­щественно в нижнюю часть отливки. Верхний подвод металла при­меняют только в случае малой высоты отливки (до 100 мм). Для подвода металла к полости формы рекомендуются щелевые верти­кальные питатели зачастую неодинакового сечения по высоте. Может быть использован сифонный, а при высоких отливках — многоярусный подвод металла. В любом случае применяют расши­ряющуюся литниковую систему, которая обеспечивает минималь­ную скорость струи металла на выходе из питателей в форму.

Заливка с поворотом формы дает возможность регулировать скорость потока в процессе литья. С этой же целью применяют специальные устройства, например, в стояке устанавливают кони­ческий стопор с приводом. В начале заливки он опущен вниз, что обеспечивает малый расход металла. По мере заполнения формы металлом стопор поднимается вверх и расход металла увеличи­вается (И. А. Релин, Н. М. Галдин, А. с. № 328981, 1972 г.). В слу­чае литья высоких отливок в стояке может быть установлен пор­шень на штоке, движущийся вниз, что приводит к гашению ско­рости потока и предупреждает вспенивание металла в зумпфе (Н. М. Галдин, А. с. № 346016, 1972 г.). Для плавного заполнения крупных массивных отливок простой конфигурации применяют литниковую систему, выполненную в самовсплывающем стержне (Н. М. Галдин, А. с. № 465260, 1975 г.).

Для улавливания шлака и плен в литниковых системах исполь­зуют фильтры и сетки. Надежным средством является применение фильтров из стеклоткани ССФ-4. Рекомендуется такие фильтры устанавливать в нижней части литниковой системы, чтобы они незначительно уменьшали напор и обеспечивали снижение тур­булентности потока. Фильтры преимущественно используют при литье тонкостенных отливок. Исследования [79] показали, что из 100 случаев брака в виде течи отливок из сплава АЛ9 при гидро­испытаниях 95 случаев приходилось на тонкие стенки из-за ско­пления там окисных плен. По этому виду дефекта браковались до 40% отливок с толщиной стенки 3—5 мм. После применения фильтров брак снизился до 4,5%.

Для крупных деталей иногда применяют металлические сетки, которые устанавливают между прибылью и вертикальным щелет вым питателем. Представляет интерес заливка формы через зали­вочную трубку, на конце которой жестко закреплен мешочный фильтр. Эту трубку вводят непосредственно в форму, в стояк либо через прибыль в зависимости от конфигурации отливки и опускают по возможности на дно формы. По мере наполнения формы металлом трубка поднимается, при этом расплав поступает в верхнюю часть отливки, а шлак удерживается в фильтре (В. И. Фундатор и др., А. с. № 347113, 1972 г.).

Для получения плотной отливки используют прибыли. Они могут располагаться непосредственно над питаемым узлом или на­ходиться между стояком и питателем. Такое расположение при­были чаще всего используют при щелевых и многоярусных лит­никовых системах. В верхней части прибыли делают канал, соеди­няющий ее с атмосферой.

4. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА КОКИЛЕЙ

Особенность устройства кокилей для алюминиевых сплавов обусловливается многими факторами: сравнительно низкой тем­пературой заливки расплава, преимущественно сложной конфи­гурацией отливок, их разностенностью, чувствительностью к на­рушению направленного затвердевания, высокой пластичностью сплава, чувствительностью жидкого сплава к воздействию формы и атмосферы и др. Алюминиевый расплав ввиду невысокой тем­пературы и образования окисной пленки оказывает менее интен­сивное тепловое воздействие на кокиль, чем сталь или чугун. Кокиль нагревается до более низких температур и более равномерно по сечению.

Для литья алюминиевых сплавов используют относительно толстостенные кокили; они имеют повышенный срок службы и в них легче получать тонкостенные отливки благодаря большой тепловой инерции. Строгие подходы к выбору толщины стенок кокилей изложены в гл. VIII. Укажем практические рекоменда­ции: при толщине стенки 5 мм толщина кокиля должна быть 20 мм для сплавов с пониженными литейными свойствами и 40 мм — для сплавов с хорошими литейными свойствами; при толщине отливки 20 мм —соответственно 40 и 80 мм. Практика работы подтверждает целесообразность изготовления толстостенных ко­килей. Имеют свои преимущества и тонкостенные кокили [175]. Для их изготовления требуется меньше металла, их легче подо­гревать перед заливкой, они иногда улучшают условия питания отливок, уменьшают вероятность образования в них трещин.

Следует отметить целесообразность использования алюминие­вых анодированных кокилей для изготовления отливок из алю­миниевых сплавов. Материалы, рекомендуемые для рабочих сте­нок таких форм, указаны в табл. 20. По другим данным для алю­миниевых кокилей следует применять теплостойкие и термически выносливые поршневые сплавы [164].

При получении в кокилях сложных и разностенных алюминие­вых отливок должны быть предусмотрены особые меры, предупре­ждающие нарушение направленного или равномерного затверде­вания. Для этой цели могут быть использованы различные спо­собы регулирования скорости затвердевания частей отливки. Их выбор диктуется необходимой степенью воздействия на условия теплообмена, особенностькГотливки и устройства кокиля. В ка­честве примера на рис. 128 приведена конструкция кокиля для литья детали топливного насоса [101]. По принятой схеме заливки формы в наиболее тяжелых условиях находятся стержни-вставки 3: они перегреваются и быстро выходят из строя; в отливке наруша­ется направленность затвердевания, образуются рыхлоты. В связи с этим введено автономное водяное охлаждение. Для лучшего контакта камеры 2 с кокилем 1 воздушный зазор между ними’устра – нен теплопроводной графитной набивкой. Водяное охлаждение работает в автоматическом режиме. Внедрение такого охлаждения позволило сократить цикл работы (съем с одного кокиля увели­чился с 80 до 200 отливок за смену), улучшить качество отливок,

Значительно повысить стой­кость кокилей, сократить на 1,3 кг расход металла на каж­дую отливку и получить об­щую экономию 10 тыс. руб. в год. Для регулирования те­пловых условий литья при­меняют также локальное охла­ждение кокиля [62].

О 200 Ш 600 МО 1000 Д В. 1,мм

Рис. 128. Эскиз кокиля с автономным охла – Рис. 129. Зависимость величины зазоров Д ждением: между подвижными частями кокиля от их

1 – кокиль; 2 – водоохлаждаемые каме – размеров (диаметра D, ширины В, длины г) ры; 3 — боковая вставка-стержень; 4 — Нижний стержень; 5 — трубка

Получение отливок из алюминиевых сплавов в отдельных слу­чаях целесообразно в кокилях с литыми рабочими полостями. Стоимость таких кокилей намного ниже стоимости кокилей, подвергаемых механической ^обработке. Применяя кокили без обработки, следует учитывать, что обычно отливки из алюминие­вых сплавов требуют большей точности и чистоты поверхности, чем отливки из черных сплавов. Поэтому необходимо заботиться о качестве изготовления заготовок для кокилей, применять особые способы их литья, обеспечивающие точность размеров и достаточно чистую литую поверхность. Точность изготовления кокилей определяется точностью отливок.

Труднее всего выбирать оптимальные зазоры между подвиж­ными частями формы. Авторами работы 138] изучался этот вопрос в течение нескольких лет, в результате чего предложены таблицы и график по выбору зазоров. На рис. 129 дана графическая зави – – сймость целесообразных зазоров (1 —максимальных, 2 —мини­мальных) между подвижными частями от размеров последних. Пределы этих зазоров (на графике—область заштрихована) обеспе­чивают нормальное сопряжение подвижных частей кокиля, исклю­чают их заклинивание и перекосы, а также не служат местами воз­никновения заливов металла. Многолетняя практика подтвердила правильность разработанных рекомендаций.

5. ПОДГОТОВКА КОКИЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРА ЗАЛИВКИ

Операции по подготовке кокилей включают подготовку песча­ных стержней (если они предусмотрены технологическим процес­сом), нанесение на кокили покрытий и обеспечение заданной на­чальной температуры формы.

Подготовка песчаных стержней заключается обычно в их тща­тельной отделке и сушке. Указывается, например, что эффектив­ным способом является прокаливание при 670 К в течение 5 мин [151].

Рецепты некоторых покрытий, опробованных на практике и давших хорошие результаты, приведены в табл. 32. Ряд составов покрытий разработан в НИИСЛе. Почти все покрытия следует на­носить на рабочие поверхности очищенных и подогретых кокилей. Лучше всего это делать перед длительным перерывом в работе, используя теплоту кокиля после выбивки последней отливки. Окрашивать холодный или перегретый (свыше 520 К) кокиль не­целесообразно, в последнем случае краска может вскипеть и не образовать сплошной пленки. Чаще всего различные элементы кокиля в зависимости от их назначения окрашивают различными красками. Толщина покрытия определяется необходимыми усло­виями охлаждения отлирки.

Покрытия для кокилей

Таблица 32

Номер по пор.	Состав краски	Темпера­тура ко­киля, 0C	Способ нанесения; применение
1	Высоковоспламеняющееся мас­ло — 500 г Керосин — 200 г Канифоль — 30 г Алюминиевый порошок —-Юг	60—200	Пульверизатором
2	Огнеупорный порошок (окись алюминия, хромитовая мука, гра­фит и Др.) — 30—60% Натриевый метаалюминат — 1— 18% Вода — 30—60% Суспензатор (камедь или полиса- харит) — 0,1—1,0%	100—250	»
3	Цинковые белила сухие — 15% Асбестовая пудра — 5% Жидкое стекло — 3% Вода — 77%	150—200	Для рабочих поверх­ностей
4	Асбестовый порошок — 8,7% Мел — 17,5% Жидкое стекло — 3,5% Вода — 70,3%	150—200	Для литников
5	Асбестовый лист — 100% Жидкое стекло (для склеивания)	20—50	Для облицовки при­быльной части кокиля
6	Тальк—30% Жидкое стекло — 16% Вода — 54%	250—300	Как первый слой по­крытия или для поверх­ностей, не соприкасаю­щихся с жидким метал­лом (например, пласти­ны в пакетах податли­вых элементов)
7	Цинковые сухие белила —¦ 15% Жидкое стекло — 2% Вода — 85%		Окунанием Для заливочных при­способлений
8	Окись железа Fe2O3 — 25—30% Вода — (плотность 1,2-— 1,3 г/см3) — 75—70%	Сушка 170—200	Окунанием, покрытие пылевидным тальком
9	Отмученный мел — 5% Жидкое стекло — 5% Вода — 90%		Для тиглей и плавиль­ного инструмента
10	Графит — 17% Глина — 18% Жидкое стекло — 5% Вода — 60%		То же

Рис. 130. Зависимость свойств сплава AJI-19 от температуры заливки T при T = 100° С

Перед заливкой жидким металлом кокили подогревают до определенной температуры, чем также влияют на скорость охлаждения отливки. Так, при нагреве кокиля от 370 до 670 К скорость охлаждения центральной части слитка диаметром 70 мм из сплава АЛ 19 изменяется от 83 до 15,6 град/мин. Однако следует пом­нить, что повышение скорости за­твердевания способствует улучше­нию свойств сплава лишь до опре­деленного предела. Чрезмерное же ее увеличение может привести к макро – и микродефектам от­ливки (неспаи, недоливы, сосредоточенная усадочная пористость) и к снижению качества сплава. Поэтому заливка в холодный или слабо подогретый (менее, чем на 100 град.) кокиль не рекоменду­ется. В свою очередь, значительный нагрев кокиля (свыше 670 К) вызывает огрубление структуры, увеличивает опасность образования пористости и ухудшает служебные свойства металла.

Так же влияет и повышение температуры заливаемого металла.

На рис. 130 приведены данные изменения свойств сплава АЛ19 в зависимости от температуры заливки, из которых видно небла­гоприятное влияние повышения температуры заливаемого металла на свойства, во-первых, вследствие уменьшения скорости затвер­девания отливки, а во-вторых, вследствие большей газонасыщен­ности металла.

Каждый из рассмотренных факторов так либо иначе влияет на термические условия литья и, следовательно, определяет наиболее важные условия формирования отливки. Все они связаны между собой единым физическим механизмом. Поэтому выбор каждого из них должен проводиться с учетом влияния всех других. Воз­можности комплексного подхода определяются идеями и методами теории литья (см. первый разд.).

6. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА И ЗАЛИВКА

Плавка алюминиевых сплавов может проводиться в различных плавильных агрегатах: в тигельных горнах, пламенных печах, электропечах сопротивления различных конструкций и в индук­ционных печах промышленной частоты. По качеству лучшим счи­тается металл, выплавленный в индукционных печах промышлен­ной частоты. Так, например, количество неметаллических вклю­чений в металле, выплавляемом в индукционной печи, составило

Рис. 131. Зависимость между содержанием водорода и окислов в жидком алюминии

0,09 мм2/см2, а в пламенных газо­вых печах — 0,26 мм2/см2. Содержа­ние водорода соответственно 0,11 и 0,47 см3/100 г.

В цехах массового производства и при литье мелких отливок целесо­образно кроме плавильных печей уста­навливать раздаточные печи, обслуживающие данный кокиль или группу кокилей.

Ведение плавки алюминиевых сплавов при литье в кокиль практически ничем не отличается от ведения плавки при других способах литья [86, 110]. Основное внимание должно быть обра­щено на предупреждение окисления и растворения газов в жидком металле. Окисление приводит к потерям легирующих элементов и основного металла, загрязнению расплава окислами алюминия. Последние не только дают плены и неметаллические включения, но и способствуют растворению водорода в расплаве. Существует прямая зависимость между содержанием окислов и количеством растворенного водорода в металле (рис. 131).

Алюминиевые сплавы, особенно на основе системы алюминий— кремний, нуждаются в модифицировании с целью измельчения структуры и повышения механических свойств. Правда, при ко­кильном литье, как уже было отмечено, измельчение структуры происходит из-за большой скорости затвердевания, однако неко­торые сплавы все же необходимо модифицировать, прежде всего заэвтектические силумины, применяющиеся в качестве поршне­вых сплавов.

В этих сплавах при увеличении скорости охлаждения, дости­гаемого снижением температуры кокиля, получить достаточно высокие механические свойства и хорошую структуру невозможно. Это можно достичь только путем модифицирования сплава [151].

В качестве модификатора используют фосфор в количестве 0,10—0,17%. Натрий, который является прекрасным модифика­тором для доэвтектических и эвтектических силуминов, совершенно не пригоден для модифицирования заэвтектических сплавов. Присутствие в заэвтектических силуминах ничтожно малых при­месей натрия, а также кальция резко снижает эффект модифици­рования фосфором, поэтому рекомендуется иметь в сплаве не более 0,001% Na и 0,004% Ca. Модифицирующее действие оказывает также ряд элементов,: ^образующих с алюминием тугоплавкие ин – терметаллиды (Mo, Ti я др.). У заэвтектических силуминов наи­более мелкозернистая структура достигается в случае введения в него одновременной),02%|Р, 0,02% Ti и 0,02% В.

7. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье поршней. Поршни представляют технологически слож­ную отливку. Они отличаются большой разностенностью, имеют резкие переходы от толстых сечений к тонким. Поршни большин­ства конструкций имеют внутреннюю полость, затрудняющую извлечение стержней, что вынуждает делать последние разъемными из трех, пяти или даже семи частей. После заливки формы металлом и образования достаточно прочной корки на поверхности отливки извлекается средняя часть стержня, чем обеспечивается некоторая его податливость. Через некоторое время извлекают и остальные его части. На рис. 132 изображены две конструкции поршня дви­гателя СМД-60. Для прежней конструкции (рис. 132, а) требо­вался стержень из пяти частей. Новая конструкция поршня (рис. 132, б) позволила упростить устройство стержня — вместо пятиклинного моноклинный металлический стержень. Аналогич­ные изменения были произведены и в технологии литья поршней двигателя СМД-14 [92].

В настоящее время существуют два принципиально различных способа литья поршней —литье днищем вверх и литье днищем вниз. При литье днищем вверх преимущественно используется верхняя подача металла и установка верхней прибыли. Это создает более благоприятные условия для питания утолщенной части от­ливки — днища. Однако верхняя подача ограничивается высотой отливки, так как при литье высоких поршней создается опасность разбрызгивания металла, загрязнения его неметаллическими вклю­чениями и образования заворотов. Сифонный же подвод металла уменьшает эффективность использования верхней прибыли.

Способ литья днищем вверх может быть успешно использован только в случае простой конфигурации внутренней полости от­ливки, при которой возможно применение одного цельного стер­жня — моноклина. Такой способ, кроме всего, упрощает механи­зацию и автоматизацию процесса. Как правило, его применяют только для литья мелких поршней (с диаметром «до 100 мм). На ВАЗе поршни автомашин получают именно таким способом

Рис. 132. Старая (а) и новая (в) конструкции поршня двигателя СМД-60

В автоматизированных кокилях. В средней части днища отливки установлена открытая прибыль. Металл заливается сверху в два стояка одновременно. Стояки имеют перегиб, в результате чего происходит снижение кинетической энергии металла. Весь цикл изготовления поршня от заливки до выбивки составляет 45—50 с.

Большинство поршней получают литьем днищем вниз. В этом случае используют водоохлаждаемые поддоны кокиля, часто выполняемые из меди, что способствует созданию более направлен­ной кристаллизации и улучшению макроструктуры металла днища поршня. Однако в большинстве случаев только путем этого спо­соба обеспечить плотный металл днища практически невозможно. Необходимо организовать достаточное питание его из боковой прибыли. Она выполняется массивной и на всю высоту или выше отливки. Для повышения эффективности работы прибыли поверх­ность оформляющей ее полости формы покрывают теплоизоли­рующей краской. Суммарная масса прибылей составляет обычно 40—60% от черной массы поршня и зависит от его конструкции и материала. В крупных поршнях ставится кольцевая прибыль и на юбке.

Питатель обычно применяют щелевой, имеющий высоту, почти равную высоте поршня с одинаковым сечением по всей высоте или различного сечения в различных местах (например, утолщение в массивном сечении у днища). Иногда делают более низкие пи­татели, подводящие металл только в нижнюю часть.

Стояк выполняют таким, чтобы обеспечить спокойное заполне­ние металлом формы и предотйратить попадание окисных плен. Распространенными являются стояки типа «гусиной шейки». Применяют также змееобразные и простые наклонные.

Интересное решение для литья поршней из заэвтектических силуминов предложено в работе [41 ]. Для этого сплава применение хорошо зарекомендовавшей себя литниковой вертикально-щеле­вой системы с гусиной шейкой приводит к ухудшению структуры сплава. Это объясняется значительным (ниже ликвидуса) сниже­нием температуры металла ввиду прохождения по сложному пути в стояке, что вызывает чрезмерный рост и обособление первичных кристаллов кремния.

В работе [41 ] указывается, что преждевременное выделение первичного кремния в литниковой системе предотвращается уве­личением объемной скорости заливки путем применения «каран­дашной» литниковой системы. В этом случае стояк состоит из четырех каналов, расположенных в половинах кокиля в шахмат­ном порядке. Ввиду близкого расположения каналов (не более 2 мм) охлаждение металла в них замедляется. В то же время пере­мычки между каналами имеют достаточную толщину (до 14 мм), чтобы противостоять выкрашиванию из-за разгара и трещин.

Рис. 133. Схема литья поршия с воздействием ультра­звука:

1 — магннтострнкцнонный преобразователь; 2 — центральный клнн; 3 — боковой клнн; 4 — отливка; ? — кокиль

В нижней своей части каналы соеди­няются общим щелевым каналом с мень­шей площадью поперечного сечения. Металл в прибыль подводится по каса­тельной, чтобы создать дополнительное торможение. Кстати, для этого поршня выполнен питатель с различным сече­нием по высоте: в верхней части его ширина равна 12 мм, в нижней — 16 мм, а в месте перехода «юбки» в днище сделано утолщение, равное 25 мм; все это улучшает условия питания.

При литье крупных со значи­тельно утолщенными днищами пор­шней применяют кантовку кокиля при его заливке. Вначале кокиль наклоняется в сторону литника и производится заливка. Затем кокиль наклоняется в противоположную сторону, происхо­дит перераспределение кристаллизующейся жидкой массы, в ре­зультате чего исключается образование концентрированных рако­вин в днище. Кроме того, улучшаются условия питания его из основной прибыли с наиболее горячим металлом.

Интересный способ литья в кокиль поршней из алюминиевого сплава с 18,0—22,0% Si описан в работе [125]. Для улучшения внутреннего строения сплава и повышения его свойств центральный клин 2 (рис. 133) подвергается воздействию ультразвуковых коле­баний с помощью магнитострикционного преобразователя 1. При этом интерметаллиды и зерна кремния измельчаются в 5— 10 раз и при этом значительно повышаются свойства сплава. Применение ультразвука при кристаллизации сплава известно уже давно, этот процесс хорошо исследован и преимущества его очевидны. Однако он еще не нашел достаточного распространения.

Литейщиками ГДР (пат. № 109338) предложена следующая технология литья поршней. Металл в кокиль подводится снизу. После заливки форма поворачивается на 180° и одновременно ме­талл уплотняется в донной части и в бобышках с помощью спе­циально устроенных пуансонов.

\

287

Особые случаи литья

По патенту № 117375 (СССР) предлагается оригинальный спо­соб повышения долговечности поршней компрессоров путем арми­рования тонкой стальной проволокой. Тонкая проволока из мар – тенситной дисперсионно твердеющей стали предварительно нагре­вается в печи с восстановительной атмосферой при 670 К и протя-

Рнс. 135. Схема кокиля для получения ореб* ренных и тонкостенных алюминиевых от­ливок с применением вакуума:

1 и 3 — верхняя и нижняя части кокиля;

2 — вставка литниковой вороики; 4 — воздушный каиал; 5 — канал-коллектор; 6 — пакет пластин, образующих ребра;

7 — трубопровод К вакуум-насосу

Гивается через алюминиевый расплав, в результате чего покры­вается тонким его слоем и прессуется в пакеты, которые устанав­ливаются в кокиль и затем заливаются.

В последнее время, кроме изыскания новых и улучшения уже применяющихся сплавов, используют литье биметаллических поршней, что позволяет совместить положительные свойства алю­миниевых и железоуглеродистых или других сплавов. Металличе­ские вставки в полость формы изменяют тепловое поле, что необ­ходимо учитывать при литье.

Другие примеры. К особым видам литья алюминие­вых сплавов можно отнести литье в кокиль вакуумным всасыва­нием [82]. По этому способу кокиль 1 разогревали до 420 К и заливали жидким сплавом АЛ2 вакуумным всасыванием (рис. 134). Вакуум под колпаком 2 создавали с помощью ресивера, и металл за 6 с поднимался на уровень H и за 2—3 с заполнял полость ко­киля диаметром 80 мм и высотой 120 мм. Выдержка под вакуум составляла 80—85 с. Исследования отливки показали, что ее плот­ность несколько выше плотности аналогичной отливки, полученной в обычном кокиле с прибылью высотой более 3/4 высоты отливки.

Для получения плотных и с тонкими ребрами отливок предло­жено использование центробежной силы и вакуумирования при заливке кокиля [179]. Такие способы исключают недоливы, обес­печивая заполнение даже самых тонких сечений.

К ресиверу

Рис.’134. Схема литья в кокиль вакуумным всасыванием:

1 — кокиль; 2 — колпак; 3 — плита; 4 — уплотнитель; 5 — металлопровод; 6 — расплав

Использование вакуума дается на примере литья головок ци­линдров с тонкими-ребрами воздушного охлаждения (рис. 135). Ребра выполняются частями кокиля, собранными в виде пакета из отдельных пластин, в которых на расстоянии 10—15 мм от кон­тура ребер профрезерованы воздушные каналы 4. Эти каналы свя­заны между собой поперечным круглым каналом 5, который соеди­няется трубопроводом 7 с вакуум-насосом. При заливке кокиля происходит всасывание металла в тонкие (менее 3 мм) полости, оформляющие ребра отливки. Применение такого способа литья для головок цилиндра, имеющих тринадцать ребер, позволило снизить брак с 15 до 1%. При литье в кокиль тонкостенных дета­лей, имеющих внутренний стержень, вакуум используется для вывода газа из последнего.

Как особый следует отметить процесс литья в кокиль с кри­сталлизацией сплава под давлением поршня. Он применим для сравнительно несложных толстостенных отливок, не имеющих пес­чаных стержней. Этот способ обеспечивает повышение герметич­ности отливок и улучшение механических свойств металла.

Представляет интерес еще один особый вид литья в кокиле — литье с выливанием. Его используют для тонкостенных полых отливок. Состоит он в том, что металл, залитый в форму, выдержи­вают в ней до образования твердой корки заданной толщины, после чего остаток жидкого металла выливают. Изменяя толщину стенки кокиля, интенсивность теплоотвода, можно обеспечить получение равно – либо разностенных отливок. Этим способом можно полу­чить отливки со стенками толщиной менее 2 мм. Для литья с выли­ванием применяют сплавы, кристаллизующиеся при постоянной или в очень узком интервале температур. Только в этом случае можно получить достаточно гладкую поверхность внутренней полости (см. гл. IV).

8. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Из-за металла в отливках могут образоваться следующие де­фекты:

1) газовая пористость, причиной образования которой может быть увеличение содержания газов, растворенных в металле, и повышенная его температура при заливке;

2) шлаковые включения, являющиеся следствием применения при плавке загрязненных шихтовых материалов, некачественное рафинирование сплава и неполное время выстаивания его после процесса рафинирования и модифицирования;

3) несоответствие химического состава, что может быть резуль­татом неправильной шихтовки, загрязнения шихты, неправиль­ного ведения плавки, а также перегрева металла;

4) усадочные раковины, усадочная пористость, утяжины, не­доливы, неспаи из-за неправильного выбора температуры заливки.

Усадочные дефекты могут возникнуть также вследствие нару­шения направленности затвердевания и недостаточного питания массивных узлов отливки. Усадочные дефекты нередки в местах, формируемых сильно разогретыми участками кокиля.

Причиной усадочных раковин при щелевой литниковой си­стеме может быть недостаточное сечение питателей. Металл в та-

10 П/р А. И. Вейиика ком питателе застывает раньше, чем разогретая часть отливки, и преждевременно запирает прибыль, препятствуя ей выполнять свою питающую роль.

Способы предупреждения усадочных дефектов подробно обсуждались в предыдущих разделах книги. Эффективность их определяется частными усло­виями литья и во многих случаях может быть оценена количественно (см. гл. IV).

Как указывалось (см. параграф 3), шлаковые включения и плены образуются также по пути движения жидкого металла из ковша в форму. Способы предотвращения этих дефектов рассмо­трены в предыдущих параграфах. При этом отмечалась важная роль литниковой системы.

Однако коренное изменение литниковой системы в числе мер предупреждения включений и плен должно быть крайней мерой.

При литье деталей из алюминиевых сплавов появление брака во многом зависит от литниковой системы. Поэтому, выбирая лит­никовую систему, надежно предупреждающую один из видов брака, необходимо учитывать, какие изменения это внесет в про­цесс формирования отливок и какие новые пороки может породить подобное изменение. Так, первоначально в кокиле поршня была устроена щелевая литниковая система (рис. 136, а). Металл через литниковую чашу 1, питатель 2 и прибыль 3 попадал в полость формы через щелевой питатель. Такая система обеспечивала на­правленное затвердевание отливки, исключала образование уса­дочных дефектов. Кроме того, такое устройство чаши задерживало ранее образовавшиеся шлак и плены. Однако падение тонкой струи, всплески металла создавали благоприятные условия для их образования за «заградительной системой». В результате в верх­ней части отливки 5 образовывались пороки в виде шлаковых включений и плен 4.

Литниковая система была коренным образом перестроена (рис. 136, б), указанный брак исчез, но появился новый, не ме­нее опасный — усадочные раковины в нижней части отливки, в ме­стах, наиболее разогреваемых струей жидкого металла.

Недоливы и неспаи порождаются многими причинами: холод­ным металлом, низкой начальной температурой кокиля, медленной

Заливкой, большой газотвор – ностью стержней и красок и плохой вентиляцией ко­киля.

Устройство литниковых систем, ускоряющих заливку

Рис. 136. Щелевая (а) и сифоииая (б) литниковые системы кокиля поршия:

1 — чаша; 2 — питатель; 3 — прибыль; 4 — место включений шлака и плеи; 5 — отливки

И обеспечивающих ламинарное течение металла в каналах литниковой системы, может быть весьма эффективным средством предупреждения недоливов и неспаев. Заполняемость можно также значительно улучшить соответствующей окраской, подогревом, вибрацией кокиля.

Снижение газотворной способности стержней (за счет подбора соответствующих смесей, прокаливания стержней и т. п.) во всех случаях благоприятно, и эта мера должна осуществляться раньше других. Хороший отвод газов из кокиля — также обяза­тельное условие предупреждения не только недоливов, но и дру­гие видов брака. Что касается ускорения заливки, повышения начальной температуры кокиля, температуры заливки и сниже­ния теплоаккумулирующей способности формы как мер предупре­ждения недоливов, то их использование без оценки вероятности появления других видов брака недопустимо.

Ю*

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость и поверхностное натяжение литейных сплавов имеют большое значение для про­цессов питания затвердевающей отливки, заполнения тонких полостей и взаимодействия отливки с покрытиями форм. К такому выводу легко прийти на основании материалов, изложенных в гл. IV и VI. Так, например, вязкость входит в расчетные формулы для определения ширины зоны осевой пористости [формула (38)], количества профильтровавшегося расплава через сетку кристал­лов (величина коэффициента фильтрации зависит от вязкости), зоны действия прибыли [формула (47)]. С поверхностным натя­жением расплава связано капиллярное давление.

На рис. 94 приведены кривые изменения кинематической вязкости V чугуна по данным Н. И. Клочнева [66]. Как видно, для до – за – и эвтектических сплавов v снижается с повышением температуры. Такая же закономерность существует для чистого железа [34]. Влияние основных элементов, содержащихся в чу­гуне, таково: углерод в доэвтектической области и фосфор пони­жают вязкость, кремний, сера и углерод при содержании больше эвтектического —ее повышают [119].

Поверхностное натяжение серого чугуна находится в преде­лах 0,7—1,1 Н/м и понижается с повышением температуры и содержания углерода [66].

Жидкотекучесть. С увеличением концентрации углерода в доэв – тектическом чугуне жидкотекучесть растет, а в заэвтектическом падает. Влияние углерода усиливается с повышением содержания фосфора. Кремний и фосфор существенно влияют на жидкотеку­честь: она увеличивается с увеличением концентрации этих эле­ментов. Марганец и сера в тех количествах, в которых они обычно применяются при литье в кокиль, влияют несущественно [119].

Жидкотекучесть металла с повышением его температуры растет. Влияние кокиля на жидкотекучесть отчетливо видно из формулы (1). Жидкотекучесть повышается с увеличением начальной тем­пературы кокиля, толщины покрытия и с понижением коэффи-

8 П/р А. И. Вейиика

10,м2/с

V-107,м2/с

То 1500 1550 1600 к

А)

То 15оо 1550 woo к то то 7500 rsso jsoo ibsok 6) ‘ в)

Рис. 94. Кинематическая вязкость чугунов доэвтектнческого (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) составов:

/ — до обработки магнием; 2 — после обработки магнием. Стрелками показано направ­ление изменения температуры

Циента теплопроводности его материала. Основные из рассмотрен­ных закономерностей подтверждаются экспериментальными кри­выми (рис. 95), полученными в опытах с заливкой спиральных проб. Формулы типа (1) рекомендуются для аналитического опре­деления жидкотеку чести [165].

Сказанное выше относительно влияния покрытия на жидко- текучесть справедливо для обычных кокилей. При литье фасонных деталей в облицованные кокили толщина облицовки играет мень­шую роль. Из термофизических характеристик облицовки важное значение имеет коэффициент аккумуляции теплоты.

Зная температуру, при которой происходит остановка потока металла, по формуле (1) можно рассчитать путь, пройденный ме­таллом. Можно также определить, на сколько следует увеличить перегрев чугуна для компенсации снижения начальной темпе­ратуры кокиля. По опыту завода «Водоприбор», при уменьшении температуры формы на 50 град. T3ал следует увеличить на 25 град.

Эти данные получены при произ­водстве чугунных отливок мас­сой 17—22 кг и массе кокиля 400 кг.

1500 7600 Т700Т1ал, К Рис. 95. Влияние содержания углерода (/) и

_j___ I______ I______________ кремния (2), начальной температуры формы (3)

400 600 800 Т-,К и температуры заливки (4) на длину I спираль – ‘ ной пробы

Интересные технологические исследования жидкотекучести чу­гуна были проведены JL Б. Ко­ганом и другими исследователями с помощью U-образной пробы. Металл выплавляли в вагранке производительностью 4 т/ч. Ших – и 0,09—0,10 S. Чугун заливали при 1570 К. Во всех случаях жидкотекучесть чугуна, выплавленного по шихте II, была выше. Так, если длина прутка для чугуна по первому варианту состав­ляла 120 мм, то по второму 167 мм. Жидкотекучесть обоих чугу­нов оказалась одинаковой, когда температуру заливки металла II снизили до 1520—1540 К, т. е. на 30—50 град.

Линейная усадка. Это свойство чугуна зависит от его химиче­ского состава, скорости охлаждения отливки и других факторов, оказывающих влияние на фазовые превращения. Зависимость линейной усадки от содержания основных элементов чугуна иллюстрируется кривыми рис. 96 и 97. Из этих данных следует, что с увеличением содержания графитизирующих элементов усадка чугуна снижается. Элементы, препятствующие графитизации, усадку увеличивают. Связь свободной линейной усадки чугуна с его микроструктурой подтверждается данными, приведенными в табл. 21.

Как указывалось в гл. IV, общая линейная усадка сплава при литье в кокиль больше, чем при литье в песчаные формы. Это

Положение справедливо и для серого чугуна.

Для приближенного расчета линейной усадки чугунных отливок при литье в кокиль в работе [52 ] рекомендована формула

Е= 1,75- 0,24С-

— 0,65Сгр — (а-\-б)%,

Таблица 21 Линейная усадка чугунов

Типы чугуиов		Лиией-
Структура	Усадка, %.
Белый Половин­чатый	П+Ц П+Ц+Гр	1,75— 1,65 1,64— 1,16
Перлитный	П+Гр	1,15— 1,10
Перлито – . ферритный	П+Ф+Гр	0,90— 0,70
Ферритный	Ф+Гр	0,60— 0,00
Составляющие шихты	I
Литейные чугуны JIKO,
JIKi………………………………………	60
Чугунный лом………………………	25
Собственный возврат	15
Передельные чугуны Б1, Б2	—
Ферросилиций……………………….	—

II

35 15 45 5

Ту применяли двух со­ставов:

Металл, полученный по шихте I, содержал 3,3 — 3,5% С; 2,3—2,5% Si; 0,4—0,6% Mn; 0,25— 0,30% Р; 0,10—0,12% S, а по шихте II: 3,6— 3,8% С; 1,6—1,8% Si; 0,6— 0,8%Мп; 0,06—0,12 P

Где С и Crp —содержание общего углерода и графита, %; а я б — параметры, зависящие от торможения усадки сопря­женными элементами отливки и песчаным стержнем соответ­ственно. Параметр а зависит от

‘ О 0,1 0,2 O1J Ofi 0,5 1,0 2,0 3,0 %

Рис.

В. Влияние химических элементов на лииейиую усадку чугуна

Конструкции отливки и нахо­дится в пределах 0,2—0,4. Величина б составляет обыч­но 0,15-0,25.

720О 1250 1300 1350 IUQO П50К

Рис. 97. Зависимость относительного удли­нения 4 и линейной усадки ? чугуиов от температуры при различном содержании фосфора по данным Л. Б. Когана и И. И. Новикова:

Сплошные кривые 0,2% Р; штриховые — 1,1% P

Т

На рис. 98 показаны кривые изменения усадки чугуна по мере охлаждения. Из кривых следует, что предусадочное расши­рение вследствие первичной графитизации протекает в период затвердевания. Этим объясняется пониженная склонность чугунов с пластинчатым графитом к образованию в них дефектов в виде пустот усадочного происхождения: выделяющийся при затверде­вании графит в большей или меньшей степени восполняет дефицит питания. Однако здесь необходимо подчеркнуть, что при литье в кокиль графитизация металла затруднена вследствие относи­тельно высокой скорости нарастания твердой корочки.

\ \ \
E
\
\Р 10 15	20 25 JOmin
Т, к
То
1200
	0.S
1000
	0,6
S00
	OA
6 00
	0.2
Т
	0
	-0,2,

Влияние положения чугунов на диаграмме состояния на за­кономерности образования в отливках усадочной пористости и раковин легко объяснить на основании теоретических положений, изложенных в гл. IV. Из условий (35) и (36) следует, что с повы­шением степени эвтектичности доэвтек – тических чугунов уменьшается склон­ность к образованию в отливках уса­дочной пористости, но увеличивается вероятность образования сосредоточен­ных раковин. Следует также, что усло­вия охлаждения отливок в кокилях препятствуют появлению в чугуне рас­средоточенных дефектов усадочного происхождения.

Рис. 98. Температурная зависимость свободной ли­нейной усадки е чугуна с пластинчатым графитом (Н. И. Клочнев)

Рис. 99. Зависимость показателя склонности к трещинообразованию кольцевых проб от содержа­ния фосфора в чугуне (штриховая линия — пока­затель склонности к образованию холодных тре­щин)

В сравнении с другими распро­страненными литейными сплавами чугун имеет сравнительно малую линейную и объемную усадку. Бла­годаря этим свойствам серого чугуна литьем в кокиль получают весьма сложные по конфигурации отливки с различной массой и толщиной сте­нок. При этом широко используют металлические стержни и болваны.

Трещиноустойчивость. С усадкой металла связаны напря­женно-деформированное состояние отливки и опасность возник­новения в ней трещин. В свете общих положений, изложенных в параграфе 7 гл. IV, оценка трещиноустойчивости материала отливки должна заключаться в сравнении температурных зави­симостей напряжений или соответствующих им деформаций с проч­ностью или пластичностью литого сплава.

Из производственного опыта литья в кокили известно, что с повышением содержания углерода и кремния склонность чугуна к образованию трещин заметно снижается. По данным, получен­ным при заливке в кокиль кольцевых проб, увеличение содержа­ния марганца с 0,5 до 0,9% повышает трещиноустойчивость чугуна; дальнейшее увеличение марганца приводит к отрица­тельным результатам.

Влияние фосфора на трещиноустойчивость чугуна при кон­такте отливки с формой можно оценить по кривым рис. 97. Как видно, при повышении содержания фосфора с 0,2% до 1,1% пластичность чугуна в нижней части эффективного интервала кри­сталлизации (1220 К) растет, а относительное удлинение падает. Из этого следует повышение трещиноустойчивости чугуна. Однако концентрация фосфора в количестве 0,2% соответствует наиболь­шей склонности чугуна к образованию в нем трещин (рис. 99). При P – V 0 трещиноустойчивость также растет, что объясняется уменьшением при этом интервала кристаллизации.

Как видно из рис. 99, при P >0,8% резко увеличивается опасность возникновения в отливках холодных трещин (штрихо­вая линия). По мнению авторов этих данных, растрескивание кольцевых проб при комнатной температуре связано с охрупчи – ванием чугуна.

Практикой получения тонкостенных чугунных отливок в ко­килях с металлическими стержнями установлено, что поверхност­ный отбел способствует образованию усадочных трещин. Связано это, по-видимому, с очень низкой пластичностью и относительно высокой усадкой цементитной корочки. Все мероприятия, обеспе­чивающие получение чугуна без отбела, способствуют повышению трещиноустойчивости отливок. Как показал опыт московских заводов им. Владимира Ильича и «Водоприбор», при содержании в чугуне 3,6—3,7% С и 2,4-2,7% Si (сумма не менее 6%) отливки типа подшипниковых щитов отбела не имеют, несмотря на малую толщину их стенок.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями при литье чугуна в кокиль меньше, чем при литье в песчаные формы. Объясняется это тем, что в кокиле значительно меньше источников образования указанных дефектов, чем в песчаной форме. Другие же источники этих дефектов (шихтовые материалы, плавка и заливка) мало связаны с особенностями технологии литья в кокиль и поэтому здесь не рассматриваются.

При охлаждении жидкого металла, особенно при затвердева­нии, растворимость газа в отливке уменьшается. Поэтому заливае­мый в кокиль металл может явиться источником газовыделения. Мощность этого источника связана с газонасыщенностью расплава. Процесс выделения газа из металла зависит от скорости охлажде­ния и давления. Повышение скорости охлаждения отливки при­водит к тому, что газы не успевают выделиться и остаются в раство­ренном (в металле) состоянии. Опыт показывает, что относительно небольшое давление 0,3 МПа (3 кгс/см2) вполне достаточно для подавления газовыделения. При литье чугуна, однако, основными источниками газовых дефектов являются влага, адсорбированная на поверхности кокиля, продукты окисления материала кокиля, газы, выделяющиеся вследствие деструкции покрытия кокиля, и, наконец, воздух, находящийся ‘в объеме рабочей полости ко­киля.

Железо и цементит в чугунном кокиле образуют микрогаль- ванопару, в которой в качестве анода выступает Fe, а в качестве катода Fe3C. Во влажной среде работа микрогальванопары за­ключается в следующем. Железо, теряя два электрона, превра­щается в катионы Fe++. Поскольку адсорбированная вода, будучи слабым электролитом, при диссоциации образует ионы ОН», происходит следующая реакция:

Fe+t + 20Н» – Fe(OH)2.

В поверхностном слое длительно работавшего кокиля было об­наружено 50% гидрозакиси железа [107]. Гидрозакись железа окисляется во влажной среде до Fe(OH)3. Одновременно проис­ходит восстановление ионов водорода до свободного газообраз­ного водорода. Таким образом возникает источник насыщения чугуна водородом.

Другим источником насыщения чугуна газом является разло­жение Fe(OH)2 по реакции

Fe(OH)2 FeO + H2O. Закись железа, в свою очередь, реагирует по схеме

FeO + С = Fe + СО с образованием угарного газа. Кроме того, возможна реакция

FeO + Fe3C = 4Fe + СО.

Что же касается выделения газа при нагреве кокильных по­крытий, то оно зависит от их состава и режима нанесения. Некото­рые сведения по этому вопросу приведены в гл. VI.

Для исключения опасности образования в отливке газовых раковин из-за воздуха, находящегося в объеме рабочей полости кокиля, последний должен иметь систему вентиляционных кана­лов. Для расчета площади сечения этих каналов рекомендуется формула (130).

Неметаллические включения в чугун могут вноситься извне и образовываться при взаимодействии примесей и газов, находя­щихся в металле. При литье в кокиль борьба с растворимыми вклю­чениями облегчается: с увеличением скорости затвердевания коли­чество примесей и их размеры уменьшаются.

Особенности микроструктуры. Повышенная скорость охлажде­ния отливки при литье в кокиль уменьшает степень графитиза – ции, увеличивает количество и дисперсность перлита, измель­чает графитные включения, что приводит к улучшению меха­нических и специальных свойств серого чугуна. Однако боль­шая скорость охлаждения и ее неравномерность по сечению отливки могут (при определенном химическом составе чугуна) привести к образованию особых структур, неодинаковых в раз­ных слоях с необычным их чередованием в отливках. Наиболее характерно для чугунных деталей, отлитых в кокиль, —наличие отбела в результате образования структуры белого чугуна на поверхности отливки. Интенсивность теплообмена и переохлажде­ние способствуют выделению в структуре связанного углерода (Fe3C), что и обусловливает образование отбела. Проблема преду­преждения отбела чугунных отливок при литье в кокили — одна из наиболее важных технологических проблем, решению которой посвящены работы многих исследователей [52, 105, 107, 148 и др. ]. Методы предупреждения отбела рассматриваются ниже.

Как аномальное расположение структур чугуна часто встре­чается следующее чередование их в отливках, полученных в ко­килях: в наружном слое П + Ц> 33 ним —Ф + Гр, в централь­ной части П – f Гр. При определенных условиях в наружном слое отливки может образоваться структура Ф – f Гр, во внутренних слоях —П – f – Гр. Образование ферритно-графитной структуры в^местахI повышенной скорости охлаждения на первый взгляд представляется явлением аномальным. В действительности такое явление обычно, оно обусловлено наличием дисперсного эвтек­тического графита (графита переохлаждения), который способ­ствует при перлитном превращении полному распаду аустенита и выделению феррита. Наличие в структуре чугуна феррито – графитной эвтектики заметно снижает некоторые его свойства (износостойкость, прочность и т. д.). Однако в ряде случаев фер- рито-графитная эвтектика оказывается полезной; она улучшает обрабатываемость отливок, повышает их герметичность, а иногда и повышает их термическую выносливость. Так как условия образования феррито-графитной эвтектики еще недостаточно изу­чены, то управление процессом структурообразования с целью ее предупреждения или стабильности формирования представляет собой сложную проблему.

Получение при литье в кокили благоприятной структуры чу­гуна (включая и наличие некоторого количества цементита, устраняемого последующим отжигом отливок) гарантирует от­ливкам более высокие, чем в случае литья в песчаные формы, ме­ханические свойства и герметичность. Литье чугуна в кокиль повышает его свойства до уровня, сопоставимого со свойствами литой и сортовой стали, а трудоемкость получения деталей при этом снижается почти на 50% 1162].

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Примерные составы чугунов для литья в кокиль даны в табл. 22. С целью предупреждения в отливках отбела и умень­шения склонности к трещинам чаще всего увеличивают содержа­ние углерода и особенно кремния. Однако следует помнить, что при содержании кремния свыше 2,5% и большой скорости за­твердевания в чугуне обнаруживается силикокарбидная фаза, а при содержании кремния свыше 3,2% — жидкотекучесть сплава заметно падает.

Существенное влияние на предупреждение отбела оказывает модифицирование чугуна.[При модифицировании в расплаве может образовываться большое число центров кристаллизации. Некото­рые модификаторы нейтрализуют влияние вредных примесей.

Широко используемые на практике модификаторы указаны в табл. 22. Кроме них применяют силикокальций и графит. При высоком содержании углерода в качестве модификатора рекомен­дуется ферроцерий. В указанном случае другие модификаторы вызывают появление графитовой спели. Количество модифика­тора обычно вводят до 0,4% от массы жидкого металла. Исключение составляет ферроцерий. Как видно из рис. 100, при

Рис. 100. Влияние модификаторов чугуна на глу­бину h отбела технологической пробы: 1— алюминий; 2— силикокальций; 3— сплав ФЦМ-5 ®

5

Содержании ФЦМ-5 свыше, пример­но 0,2%, глубина отбела h увеличи – 41 вается. На том же рисунке приведены 5 данные о графитизирующем действии алюминия и силикокальция. 2

Наиболее сильное воздействие на качество чугуна оказывают комплекс­ные модификаторы. Последние не только изменяют параметры процесса кристал­лизации, но и рафинируют расплав. Анализ экспериментальных данных показывает, что при 1380 0C более половины введенного Si растворяется в чугуне; 26% идет на раскисление и 17% —на образование карбида кремния. Кальций же и церий в основном взаимодействуют с серой и кис­лородом, растворенным в металле. Алюминий в количестве 79% расходуется на образование окислов. Углерод в основном пере­ходит в раствор.

Уменьшение глубины отбела при модифицировании связано с уменьшением переохлаждения сплава. Следует ожидать, что элементы, которые в большей степени уменьшают переохлаждение, окажутся более активными модификаторами, предупреждающими отбел. Целесообразно сочетать модификаторы, образующие актив­ные зародыши и расширяющие зону критического переохлажде­ния [148].

Таблица 22

Химический состав (%) серого чугуна

Характеристика отлнвок	С	Sl	Mn	P	S	Модифи­каторы
Тонкостенные реб­
Ристые, отжигаемые
На феррит….	3,6 — 3,7	2,1-2,3	0,4 — 0,5	До 0,1	До 0,05	0,1 % KOKCH- Ка — в пла­вильную печь перед выда­чей метал­ла; 0,05% ФЦМ-5 — в разливоч­ный ковш
Тонкостенные арма­
Турные неответ­
Ственного назначе­
Ния (без отбела)	3,2 — 3,8	2,5 — 3,2	До 0,8	0,4-0,6	До 0,1	—
Машиностроитель­
Ные (без отбела)	3.5 — 3,7	2,5 — 2,7	0,5 — 0,9	До 0,6	До 0,12	—
	3,5 — 3,7	2,0 — 2,2	0,5 — 0,9	До 0,6	До 0,12	0,2% Al
	3,2 — 3,4	2,0 — 2,2	0,5-0.9	ДО 0,6	До 0,12	0,2% Al,
					0,3% ФС 75

В предыдущем параграфе рассматривались аномальные струк­туры чугуна. При борьбе с ними следует руководствоваться сле­дующими данными. Наиболее надежным способом получения перлитной структуры является применение специального модифи­цирования и легирования, в том числе и микролегирования. Весьма эффективными являются присадки в чугун сурьмы и олова, обеспечивающих получение перлитной структуры по всему сече­нию отливки (исследования И. П. Гладкого). Для предупреждения образования феррито-графитной эвтектики требуется присадка до 0,15% Sn. Сурьма является более эффективным перлитизатором, чем олово. Чтобы получить в чугуне перлитную структуру, доста­точно 0,05—0,1% Sb, при этом не образуется междендритное строение графита. Более эффективна комплексная присадка в чу­гун: олово и ферроцерия одновременно.

Положительные результаты по износостойкости получены после обработки чугуна присадкой ФЦМ-5. Износостойкость чугуна с присадкой олова и сурьмы, залитого в кокиль, на 10% выше, чем износостойкость чугуна, отлитого в песчаные формы.

3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Различные типы литниковых систем чугунных отливок при­ведены на рис. 101. В практике наибольшее распространение получил верхний подвод металла. При этом стойкость кокилей в 2—3 раза выше, чем при сифонной заливке. Кроме того, обеспе­чивается направленное затвердевание отливок и сокращается расход металла, на литники. Примеры конструкций производ-

Рис. 101. Схемы литниковых систем для получения отливок из серого чугуна в кокилях с вертикальной (а) и горизонтальной {б) плоскостями разъема

Ственных кокилеи с верхним подводом металла показаны на рис. 69, а; 70 и 72 и с боковым —на рис. 71. Для уменьшения разбрызгивания падающего с большой высоты металла кокиль иногда наклоняют на несколько градусов.

В кокиле более всего изнашиваются зоны, образующие литни­ковую систему, и часть формы, на которую попадает первая пор­ция металла. В связи с этим рекомендуется рассредоточенный подвод металла и плавное, безударное заполнение формы. Целе­сообразно в форме выполнять две литниковые системы для по­очередного использования каждой или предусматривать возмож­ность перехода на новую. Отливки из серого чугуна получают в кокилях обычно без прибылей.

В основе расчетных формул для расчета площади сечения эле­ментов литниковых систем лежит известное из курса гидравлики выражение, устанавливающее расход жидкости при вытекании через затопленное отверстие:

Q =VJP^wr, (134)

Где (i — коэффициент расхода; F — площадь отверстия; g — ускорение свободного падения; H — высота уровня жидкости над центром тяжести отверстия. Если считать, что в процессе заливки H не изменяется, то, очевидно,

М\ = p{Fnti\i V 2g#, (135)

Где M1 — масса отливки; pi — плотность жидкого металла; Fn — площадь сечения питателя; t1 — продолжительность заливки. Небольшим значением величины может быть период, в течение которого температура металла при движении в полости кокиля изменяется от Тзал до ГзаТв. Учитывая это из уравнения (1), полагая в нем г — 0 (фронт потока), находим

^^lnl»»»^*, (136)

А1ф ‘ затв » ‘ с ф

Где Rc — приведенный размер полости формы.

В соответствии с рассуждениями, приведенными в параграфе 2 гл. II, можно положить Oc1 = XJXkp и Tc. ф =• Т2н. Тогда из урав­нений (135) и (136) окончательно находим

Fn =——————— P^f————— = • (137)

1 затв ‘ 2Н

Величина Fn, найденная с помощью формулы (137), является минимальной. Поэтому потребное сечение питателя определяется по выражению Fn = kF„,

Где k —коэффициент запаса, k > 1.

Зал

10 30 50 70 90 1002Х,,т

Рис. 102. График для определения 7″gaJ] в зависи­мости от толщины стеики отливки 2Xt

Для определения площади сече­ния других элементов литниковой системы рекомендуются следующие соотношения [52]:

Fn-F^-Fcr=I :1,15: 1,25,

Где Fjlx — площадь сечения литникового хода; Fct — площадь сечения стояка.

В заключение рассмотрим некоторые практические данные. Для отливок из серого чугуна скорость подъема металла в кокиле должна быть не менее 10 мм/с при толщине стенки отливки до 10 мм. По опыту производства тонкостенных отливок массой 15—30 кг в кокилях с вертикальным разъемом на заводе «Водо – прибор» (г. Москва) рекомендуются питатели, рассчитанные по условию: 1 см2 — на 4,5—5,0 кг массы отливки. По данным этого же завода, заполняемость формы и качество отливок заметно улуч­шаются применением обычного зумпфа глубиной 45 мм или ша­ровидного диаметром 50 мм.

Температура заливки Тзал чугуна в кокиль находится обычно в пределах 1280—1330° С. С повышением T3an стойкость кокилей падает. Поэтому в исключительных случаях (для получения отливок сложной геометрической формы) Тзал увеличивают до 1360° С. Для выбора T3an рекомендуется график, показанный на рис. 102.

В ряде работ выявлены многие «тонкости» влияния элементов литниковой системы на качество отливок. Так отмечается, что литниковые системы, обеспечивающие ламинарный поток чугуна при минимальной продолжительности, способствуют уменьшению отбела [171].

4. ПОДГОТОВКА КОКИЛЯ

Как видно из формул (4) и (4′), возможности управления ско­ростью затвердевания и, следовательно, формирования свойств отливки заложены в выборе начальной температуры кокиля, свойств и толщины покрытия формы, т. е. в осуществлении меро­приятий по подготовке формы к очередной заливке.

В зависимости от химического состава чугуна цементит в от­ливке образуется при скоростях затвердевания 5—2 мм/с. Изме­нение и с 5 до 2 мм/с приводит к увеличению размеров зерен цементита с 4 до 20 мкм.

Из экспериментальных данных, приведенных на рис. 103, следует, что с повышением Т2н вплоть до 720 К глубина отбела заметно уменьшается. При этом уменьшается также перепад

Кокиля 7″зн иа глубину отбела А отливки и перепад температуры 6Г2 по толщине

Стенки кокиля

Температур ST2 по толщине стенки формы (расчетные данные), что является положительным фактором с точки зрения стойкости кокилей. Влияние Т2Н на жидкотекучесть и усадку металла рас­сматривалось ранее.

При заливке чугуна в неподогретый кокиль в отливке могут образовываться подкорковые газовые раковины. Это объясняется тем, что на поверхности холодной формы адсорбируются пары воды. Если холодный кокиль перед заливкой обтереть керосином или машинным маслом, то эти дефекты не возникают. При Tiil более 770 К не исключено появление в отливках газовой пори­стости. Для выбора T211 в производственных условиях можно пользоваться графиком, показанным на рис. 104.

В табл. 23 приведены покрытия, рекомендуемые НИИСЛ для литья чугуна. Согласно классификации, данной в гл. VI, все они относятся к группе тонкослойных. Составы 2 и 4 предназна­чены для многоразового использования: наносятся в качестве под­слоя 1—2 раза в смену. Составы 1, 3, 5 и 6 являются разовыми. Они могут наноситься на многоразовый подслой или непосред­ственно на рабочую поверхность кокиля. В практике литья в ко­киль чугуна в качестве разового тонкослойного покрытия широко применяют водный раствор пасты ГБ. Состав разводят до плот­ности 1080—1100 кг/м3.

Рис. 104. График для выбора начальной тем­пературы кокиля в зависимости от приве­денной толщины стенки отливки ^no

С помощью расчетных формул параграф 2 гл. II определяют толщину покрытия Xkp при заданных термических условиях литья, например скорости затвердевания, длительности каждой стадии охлаждения отливки или ее элемента и др. Необходимые для вы­числений значения Я, кр можно принять по данным, приведенным в табл. 3 и 4 (см. гл. VI), или рассчитать по формуле (60). Экспериментальные величины Хкр для многочисленных составов можно найти также в работах [11, 16—19, 56, 147 и др.].

Таблица 23 Составы покрытий и красок для литья чугуна, % по массе *

№ состава Jf	Сажа TM-15	Огнеупор­ная глина	Молотый тальк	Молотый шамот	Ацетилено­вая копоть	Марганцево- Кнслый Калий (сверх 100%)	Бура (сверх 100%)	Жидкое стекло	Смачиватель ОП-7 или Оп-ю
1 2 3 4 5 6	4 10—15 7—10 * Оста ** Соде	2 4 10—15 ** Льное — во ржание гл!	23 да. 1ННСТОЙ	40 Эмульс	100 ии гтл01	0,05 0,05 Гностью 13	1,2 30—140	4 6 8 5—7 Кг/м3.	0,5 0,4—0,6

В заключение необходимо отметить, что комплексную оценку влияния на условия формирования отливки всех факторов, свя­занных с подготовкой кокиля, можно дать с помощью структурных диаграмм, приведенных, на рис. 12 или 51, и расчетных зависи­мостей гл. II. Примеры практического применения указанных диаграмм описаны в гл. III и VII.

5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Термическую обработку чугунных отливок, получаемых при литье в кокили, осуществляют для устранения отбела и феррито – графитной эвтектики, снятия внутренних напряжений и улучше­ния механических свойств. Наиболее часто ее применяют для устранения отбела.

Термическая обработка состоит из высокотемпературного гра – фитизирующего отжига с нагревом до 1120—1220 К, некоторой выдержки и охлаждения вместе с печью или на воздухе. Для устранения отбела может быть осуществлена также термическая обработка отливок сразу после выбивки из формы: отливки в го­рячем состоянии загружают в печь, нагретую до 1220 К, выдер­живают в ней 2—3 ч и охлаждают на воздухе.

В настоящее время некоторые заводы начали подвергать тер­мической обработке отливки с целью перлитизации структуры чугуна, содержащей междендритный графит. При нагреве чугуна с междендритным графитом распад эвтектоидного цементита успе­вает произойти до достижения температуры Acf. Процесс аусте – низации протекает в металле за счет растворения углерода графита в Fev. Аустенит зарождается и растет в первую очередь около включений графита. С увеличением температуры нагрева количе­ство аустенита возрастает. Однако в интервале Ac^—Ас\ (1050 — 1100 К) превращение не завершается. Небольшие участки феррита наблюдаются в дендритах чугуна при нагреве выше Ас\.

Данные металлографического и высокотемпературного рент- геноструктурного анализа свидетельствуют о том, что в чугуне с междендритным графитом участки феррита сохраняются при нагреве до 1190—1200 К. Нагрев до более высоких температур (выше 1270 К) сопровождается интенсивным растворением и сфе – роидизацией графитовых включений. Для полного исключения структуры свободного феррита в чугуне аустенизацию необходимо проводить при более высоких температурах (>Лс3на 120—150 град).

При одном и том же химическом составе чугуна время, необ­ходимое для насыщения аустенита углеродом междендритного графита, в 5—8 раз меньше, чем время, необходимое для насыще­ния углеродом пластинчатого графита (Г. Г. Бойко). Это объяс­няется тем, что междендритный графит отличается чрезмерной дисперсностью и сильно развитой межфазовой поверхностью.

Наиболее высокие механические свойства у чугуна с меж­дендритным графитом достигаются при трооститной металличе­ской основе, которая обеспечивается закалкой с последующим от­пуском при 770 К. Температура высокого отпуска чугуна с меж­дендритным графитом не должна превышать 870 К во избежание образования ферритной металлической основы. Оптимальная температура закалки чугуна 1220—1270 К. Наибольшей износо­стойкостью обладают чугунные отливки с междендритным графи­том после закалки и отпуска при 570—670 К. Закалка и отпуск чугуна с междендритным графитом повышает механические свой­ства в 1,5—2 раза и износостойкость в 3—6 раз (Г. Г. Бойко).

Снятие внутренних напряжений в отливках производится на­гревом до 770—870 К, выдержкой 2—8 ч (в зависимости от кон­фигурации и габаритных размеров отливки) и охлаждением вместе с печью со скоростью 20—50 град/ч до 520 К-

6. ВИДЫ БРАКА И СПОСОБЫ ЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ

Брака отливок при литье в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы обычно меньше, а некоторые виды брака (воз­никающие при литье в песчаные формы) вовсе не наблюдаются. Однако появляется ряд специфических видов брака, связанных с большой жесткостью литейных форм и повышенной скоростью охлаждения в них отливок. Наиболее распространенные дефекты чугунных отливок — их отбел и аномальное чередование в них структур чугуна — подробно рассмотрены выше.

Специфические виды брака при литье чугуна в кокиль, при­чины брака и методы устранения сведены в табл. 24,

Таблица 24

Виды брака, причины и способы предупреждения

Причина брака	Способы предупреждения
Hecoomeen Отклонение состава металла Нарушение температурного ре­жима плавки, модифицирования и заливки Несоответствие начальной темпе­ратуры кокиля Нарушение режима нанесения на кокиль теплозащитного покрытия	Чствие структуры Соблюдение установленных для данного технологического процесса: состава металла; режима плавки; состава, количества и режима ввода модификато­ра; режима заливки; начальной темпера­туры кокиля; состава и толщины тепло­защитного покрытия
Газо Подсос воздуха при заливке Повышенное газосодержание за­ливаемого металла Недостаточная вентиляция по­лости кокиля Низкая температура заливаемого металла Холодный кокиль и непросушен – ное теплозащитное покрытие Перегретый кокиль Сильно окисленная поверхность кокиля при значительном разгаре Повышенная газотворная спо-. собность песчаного стержня	Вые раковины Изменение конструкции литниковой си­стемы с целью исключения возможности отрыва струи от поверхности формы и раз­брызгивания потока при входе в рабочую полость Изменение состава шихты и повышение температуры перегрева Увеличение сечения вентиляционных от­верстий и устройство дополнительных Повышение температуры заливаемого ме­талла Подогрев кокиля, тщательное просуши­вание покрытия Охлаждение кокиля и в дальнейшем под­держание оптимальной частоты заливки и режима охлаждения формы Очистка кокиля, ликвидация сетки тре­щин (обычно путем механической обработ­ки), нанесение на кокиль при консерва­ции антикоррозионного покрытия Снижение газотворной способности свя­зующего, тщательное высушивание стерж­ня, снижение скорости заливки металла
Hedo Недостаточная жидкотекучесть расплава Большая протяженность литни­ковой системы	Ливы и неспаи Повышение температуры заливаемого ме­талла, снижение содержания серы и по­вышение содержания фосфора и кремния (не более 3%) Устройство коротких литниковых систем, заливка сверху

Продолжениетабл. 24

Причина брака	Способы предупреждения
Ускоренное охлаждение потока расплава	Повышение начальной температуры ко­киля, тщательное нанесение теплозащит­ного покрытия на кокиль в зоне литнико­вой системы
Нетехнологичность конструкции отливки Разъем кокиля по кромке от­ливки Местный перегрев отливки Недостаточная податливость формы Залив металла по поверхностям сопряжения частей кокиля Ускоренное и неравномерное охлаждение отливки после извле­чения из кокиля	Трещины Упрощение конструкции отливки: выпол­няются плавные переходы, вводятся гал­тели, уклоны и др. Перенос разъема формы на расстояние не менее 2—3 мм от кромки отливки Рассредоточивание подвода металла Применение податливых песчаных стерж­ней, раннее извлечение металлических стержней, раскрепление кокиля и извле­чение отливки из формы Тщательная сборка формы, подгонка ча­стей кокиля Замедление охлаждения отливки, напри­мер путем помещения ее в термостат

ЛИТЬЕ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

1. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость чугунов, неза­висимо от их положения на диаграмме состояния, после обра­ботки магнием и церием заметно падает. Снижение температуры расплава приводит к повышению вязкости (см. рис. 94). Вязкость растет с увеличением содержания углерода и при изотермической выдержке. Последнее обстоятельство, по мнению Н. И. Клочнева, связано с удалением из расплава модификатора [66].

Обработка чугунов магнием и церием вызывает увеличение поверхностного натяжения расплава на 50—60%.

Жидкотекучесть. Данные о влиянии магния на жидкотеку – честь чугуна разноречивы.

Влияние начальной температуры кокиля, температуры за­ливки, толщины и состава покрытия кокиля на жидкотекучесть чугуна с шаровидным графитом аналогично влиянию на жидко­текучесть чугуна с пластинчатым графитом. Количественная оценка влияния перечисленных факторов может быть осуществлена с помощью формулы (1).

Усадка. В табл. 25 приведены данные (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко) о свободной линейной усадке в кокилях образцов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Как видно, увеличение диаметра образцов, а также дополнительное модифи­цирование металла ферросилицием приводят к уменьшению усадки. Полученные результаты вполне закономерны и объясняются уве­личением степени графитизации с ростом толщины стенки отливки и с вводом графитизирующего модификатора. Сравнение данных табл. 21 и 25 показывает, что полная усадка чугуна с шаровидным графитом примерно равна усадке чугуна с пластинчатым графитом при аналогичных металлических основах (образцы диаметром 10 мм имели структуру белого, диаметром 30 мм — половинчатого и диаметром 50 мм — перлитного чугунов).

Многочисленными исследованиями установлено, что влияние химического состава и скорости охлаждения на рассматриваемое свойство не зависит от формы включений графита.

Особенность линейной усадки чугуна с шаровидным графитом заключается в 2—3 раза большей, чем у чугуна с пластинчатым графитом, величине предусадочного расширения, а также в бо­лее либо менее полной реализации последнего процесса после затвердевания (рис. 105). Вследствие этих особенностей чугун с шаровидным графитом имеет пониженную склонность к образо­ванию горячих трещин, но повышенную склонность к образова­нию усадочных в основном сосредоточенных раковин и пористости (рис. 106). Графики на рис. 106 показывают, что объем усадочных

Таблица 25

Свободная линейная усадка чугуна

Диаметр образца, MM	Усадка, %, при модифицировании
Магнием	Магнием и ферроси­лицием
10	2,09	1,81
30	1,77	1,53
50	1,24	1,17

Рис. 106. Относительный объем усадочных раковин (%) в отливках:

1 — усадочные раковины и пористость; 2 — сосредоточенные усадочные раковины

Раковин зависит от углеродного эквивалента и достигает макси­мальной величины, если состав чугуна близок к эвтектическому. Опыт показывает также, что объем усадочной раковины увели­чивается при снижении Tзал. Влияние ширины интервала кри­сталлизации ВЧШГ на особенности усадочных процессов анало­гично рассмотренному ранее для серого чугуна (см. параграф 1 гл. XI).

Рис. 105. Изменение температуры отливки (/) и предусадочного расширения (2) чугуна (по Н. И. Клочневу)

Трещиноустойчивость. Как указывалось, чугун с шаровид­ным графитом имеет предусадочное расширение большее, чем серый чугун, и, следовательно, меньшую склонность к образованию горячих трещин. Благодаря этому в кокилях из чугуна с шаровид­ным графитом получают весьма сложные отливки, т. е. такие, фор­мирование которых протекает в условиях сильно затрудненной усадки. Сказанное подтверждается производственными приме­рами (см. рис. 66 и 72), а также результатами специальных исследований. При отливке образцов диаметром 10, 30 и 50 мм в кокилях, исключающих свободную усадку металла, было уста­новлено (Р. Л. Снежной, Г. В. Немченко), что трещины образуются в интервалах температур 1000—970, 970—700 и 800—700 К соот­ветственно. Следовательно, опасные с точки зрения образования трещин интервалы температур находятся ниже, чем принятые тем­пературы удаления отливок из кокиля. Можно подчеркнуть, что с повышением толщины стенки отливки опасность появления горя­чих трещин снижается.

Чугун с шаровидным графитом, однако, имеет повышенную в сравнении с серым чугуном склонность к образованию холодных трещин. Этот недостаток проявляется полнее всего при литье в кокиль, что связано с отбелом чугуна (особенно в тонких сече­ниях). Из других факторов, влияющих на образование холодных трещин, необходимо отметить относительно высокое значение модуля упругости и пониженную величину теплопроводности. Понятно, что эти факторы снижают трещи неустойчивость высо­копрочного чугуна.

Поражаемость газовыми и неметаллическими включениями. Данные относительно поражаемосы газовыми включениями серого чугуна, изложенные в предыдущей главе, имеют прямое отноше­ние к литью чугуна с шаровидным графитом. Для отливок из чу­гуна с шаровидным графитом характерны также неметаллические включения, получившие название «черные пятна».

Первыми исследованиями зон отливок, пораженных черными пятнами, было обнаружено повышенное (в сравнении со средним) содержание магния (в несколько раз) и серы (в несколько десят­ков раз). Это послужило основанием для предположения, что черные пятна представляют собой в основном сульфиды магния (MgS), образующиеся при модифицировании. Такое предположе­ние подтверждалось уменьшением черных пятен по данным сер­ных отпечатков по мере снижения в чугуне содержания серы. Однако позднее, благодаря исследованиям Е. Б. Шицмана и др., было установлено, что черные пятна кроме MgS содержат MgO в виде окисных плен.

Включения сульфидов имеют более или менее компактную форму. Их образование завершается в процессе модифицирования и связано с наличием серы расплава. Обладая существенно мень­шей, чем чугун, плотностью включения, MgS легко всплывают в ковше. Поэтому радикальными мерами борьбы с сульфидными включениями являются снижение содержания серы в чугуне (до 0,01%) и перевод сульфидов в шлак с помощью флюсов (крио­лит, плавиковый шпат и др.) с последующим скачиванием шлака. В случае, когда сульфиды попадают в форму, они располагаются обычно в верхней по заливке части отливки. При ускоренном охла­ждении чугуна (например, в кокиле) соединения MgS могут быть рассредоточены по объему отливки. Они легко обнаруживаются по серным отпечаткам и характерному темно-серому цвету в из­ломе.

Включения окислов имеют форму тонких пленок. Эти включе­ния, действуя подобно надрезам, заметно снижают прочность, пла­стичность и герметичность чугуна. Окислы образуются на свобод­ной поверхности расплава, чем и объясняется их пленочный вид,

Рис. 107. Окисиые плеиы в изломе отливки из чу­гуна, модифицированного магнием

А также возникновение как в ковше, так и при движении металла в фор­ме. Пленки окислов при завихрении потока расплава разрываются и за­стревают в теле отливки. Их раз­меры могут быть от десятых долей до нескольких миллиметров (рис. 107). С окисными пленами могут взаимо­действовать включения сульфидов. В этом случае плены обнаружи­ваются по серным отпечаткам. Образование плен связано с по­вышенной окисляемостью магние­вого чугуна. Как показал Е. Б. Шиц-

Ман, склонность чугуна к образованию этих включений за­висит от температуры и содержания магния: чем больше маг­ния содержится в металле, тем выше температура пленообразо – вания. При нагреве выше этой температуры образование плен термодинамически невыгодно. Так, при содержании 0,035— 0,037% Mg окисные плены не обнаруживаются, если T3an свы­ше 1690—1720 К. Из изложенного следует, что борьба с окисными пленами заключается в предотвращении окисления расплава магниевого чугуна.

К специфичным дефектам отливок из чугуна с шаровидным графитом относятся также неметаллические включения в виде ликватов графита. Располагаются они, как и прочие неметалличе­ские включения, в верхних по заливке участках отливки. Иссле­дованиями, проведенными в НИИСЛе, установлено, что ликва­ция не наблюдается, если углеродный эквивалент не превышает 4,35% для отливок с приведенной толщиной стенки 20—25 мм и 4,5% для тонкостенных (~5 мм) отливок.

Особенности микроструктуры. Из данных гл. III следует, чем больше скорость затвердевания и охлаждения чугуна, моди­фицированного сфероидизирующими веществами, тем правильнее шаровидная форма и меньше размеры включений графита. Поэтому при литье в кокиль создаются весьма благоприятные условия для получения чугуна с шаровидным графитом.

Как известно, основные сфероидизаторы графита — магний и церий — при их использовании в количествах, обеспечивающих получение шаровидного графита, оказывают сильное отбеливаю­щее действие. Это обстоятельство в сочетании с ускоренным охла­ждением металла приводит к тому, что отливки из чугуна с шаро­видным графитом, полученные в кокилях, при толщине стенки до 15—20 мм имеют сквозной отбел. Следовательно, термическая обработка таких отливок, за исключением особых случаев, является обязательной.

2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА

Чугун с шаровидным графитом, применяемый для литья в ко­кили, имеет обычно следующий состав, %: 3,2—3,5 С; 2,8—3 Si; 0,6—0,9 Mn; до 0,12 Р; до 0,12 S (до модифицирования). Содержа­ние модификаторов в металле должно находиться в пределах: 0,03—0,08% Mg и 0,02—0,05% Ce. При большем содержании сфероидизаторов металл охрупчивается. Углерод следует поддер­живать на верхнем пределе, так как при этом, в отличие от серого чугуна, обеспечиваются высокие механические и, кроме того, улуч­шаются литейные свойства. На структуру отливок из чугуна с ша­ровидным графитом воздействуют обычно изменением количества кремния. Однако превышение концентрации кремния сверх 3% не рекомендуется вследствие появления хрупкости.

При литье в кокиль наибольшее практическое применение нашло модифицирование чугуна металлическим магнием в каме­рах-автоклавах. Основные положения этой технологии разрабо­таны в НИИСЛе и сводятся они к следующему [145]. Если содер­жание серы в исходном чугуне превышает 0,12%, то металл обра­батывают кальцинированной содой. Магний вводят в количестве 0,17—0,25% от массы чугуна в ковше. Модификатор представляет собой магниевый сплав в чушках марок MMl или ММ2 по ГОСТ 2581—78. Перед модифицированием в металл дают криолит (ГОСТ 10561—73) в количестве от 0,05 до 0,10%. Давление сжа­того воздуха в камере-автоклаве устанавливают перед вводом модификатора в зависимости от температуры:

Температура чугуна в ков­ше, К До 1630 1630—1650 1650—1670 1670—1690

Давление сжатого воздуха,

Кгс/см2, не менее…………………. 5,0 5,6 6,4 7,3

После ввода магния металл перемешивают мешалкой, погру­жаемой в ковш с частотой не менее 20—30 погружений в минуту. Продолжительность этой операции зависит от количества вводи­мого магния и массы чугуна в ковше. Так, при количестве моди­фикатора 0,1 % и массе чугуна 250 кг длительность перемешивания составляет 20 с; с увеличением массы чугуна до 1000 кг длитель­ность равна 35 с. При вводе 0,30% Mg указанные параметры соста­вляют 80 и 135 с соответственно. Графитизирующие модификаторы (например, ферросилиций) вводят в расплав вместе с магнием, либо после него.

3. ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Литниковые системы. Специфику литейных свойств чугуна с шаровидным графитом учитывают при выборе литниковой си­стемы. Большинство отливок, получаемых литьем в кокили, имеют вертикальную плоскость разъема, что диктуется технологическими и экономическими соображениями (вертикальный разъем предопре­деляет использование конструктивно простых и удобных в обслу­живании кокильных машин). Подвод металла в форму с верти­кальным разъемом можно осуществлять сверху, сбоку и снизу. Возможные варианты подвода металла и конструкции литниковых систем показаны в виде схем на рис. 108. Для получения сложных отливок металл целесообразно подводить через прибыли и питаю­щие бобышки.

Большая склонность жидкого чугуна с шаровидным графитом к образованию тугоплавких неметаллических включений требует спокойного заполнения кокиля. При такой заливке резко умень­шается окисление поверхности металла и предотвращается попа­дание образовавшихся включений в отливку. Кроме того, литни­ковая система должна быть обязательно тормозящей для обеспе­чения подачи в нее защитного флюса и предохранения от попада­ния его в форму.

Рис. 108. Варианты подвода металла и конструкции литниковых систем: а, б, а — подвод сверху; г, д — подвод сбоку; е — подвод снизу

В) е)

Расчеты сечения питателей Fu при литье чугуна с шаровидным графитом можно выполнять по формуле (137). При этом необхо­димо учитывать, что коэффициент расхода {г для этого чугуна сечения питателей в первом случае соответственно больше, чем во втором. Для практических расчетов величины р, рекомендуется принимать по табл. 26.

Таблица 26

Значение коэффициента расхода

Внутренние полости	Подвод металла
Снизу	Сбоку	Сверху
Без песчаных стержней……………………… С песчаными стержнями……………………..	0,18—0,27 0,23—0,37	0,21—0,31 0,26—0,42	0,24—0,35 0,29—0,45

Меньшие значения р, в табл. 26 относятся к кокилям с затруд­ненным газоотводом.

При расчетах величины Fn для литья высокопрочного чугуна в кокили удобно также пользоваться номограммами, позволяю­щими определить продолжительность заливки (рис. 109) и пло­щади сечения питателей Fn (рис. 110) [157]. По первой номограмме продолжительность заливки находят, пользуясь последовательно шкалами Mi, 2Xi, у, Kv и t – Вспомогательная шкала у необхо­дима для перехода от прямой Mi 2Xi, пересекающей шкалу у, к прямой у Kv, пересекающейся со шкалой t в точке искомой величины (индексы «св» и «сн» соответствуют подводам металла сверху и снизу).

Номограмма на рис. 110 имеет три вспомогательные шкалы 7i, 72, 73, на которых последовательно определяют точки пересече­ния с прямыми соответственно:

T Я; 7i Mi; 72 -»- ц, после чего по точке пересечения прямой 73 г] со шкалой F находят искомую площадь сечения питателей. Коэффициент Kv принимают в зависимости от величины отношения yv = Mi/Vra6 (где Mi и Kra6 — масса и габаритный объем отливки);

Yv, кг/м^ 0—500 500—1000 1000— 1500— 2000— 2500— 3000—

1500 2000 2500 3000 ‘ 3500 Kv 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Коэффициент заполняемости т] определяют по зависимости

T1 = 0,036СЭ + 0,0028ГП + 0,0013Г2н,

Где C3 — углеродный эквивалент (C3= (С + 0,31Si)%); Tn — температура перегрева заливаемого металла, °С; Tzh — начальная температура кокиля, °С,

Для построения номограмм, представленных на рис. 109 и 110, использована зависимость (134) и известная эмпирическая формула для определения продолжительности заливки:

‘зал = fIlM»*,

Где W1 и п2 — коэффициенты, определяемые эксперименталь­ным путем.

Размеры остальных элементов литниковой системы назначают из условия ее постоянного заполнения и обеспечения шлакоотде – ления, для чего пользуются соотношениями

Wt 60

Рис. 109. НомограммаЮ. С. Jlep – иера и Е. Б. Шицмана для определения продолжительности заливки высокопрочного чугуна в кокиль. Продолжительность заливки сверху ^cb и снизу Z1ch определяется в последовательно­сти :

Mj-> 2 X^ у Ky -+ t. Линиями 1 — 11 показан пример определения для отливки массой M1 = 15 кг при следующих условиях: преобладающая толщина стенкн 2Xt = 10 мм, Ky = 1,0

TCB’0 tCh’0

^1Fn : Fct = 1,0 :1,1,

Рис. 110. Номограмма Ю. С. Лернера и Е. Б. Шицмана для определения площади се­чения питателей прн заливке высокопрочного чугуна. Площадь сечеиия питателей Fn определяется в последовательности:

T H -> V1 M^ ->72->ц->7з->Л-> Fn – Лнннямн I-IV показан пример опре­деления Fn для отлнвкн массой M1 = 30 кг прн следующих условиях: t= 10 с, на­пор H = 9 см, коэффициент расхода ц = 0,3, Г) = 1,4

А при наличии шлакоуловителя

Ј^:^:^=1,0:(1,2-1,4): 1,1,

Где Fct и Fiuji — площади поперечного сечения стояка и шлако­уловителя.

В заключение отметим, что T3ajl в кокиль чугуна с шаровид­ным графитом находится обычно в пределах 1570—1610 К.

Прибыли и питающие бобышки. Эти элементы рекомендуется выполнять в стержнях либо в песчаных чашах (см. рис. 108). Коэффициент тепловой аккумуляции песчаного состава, как пра­вило, на порядок меньше, чем материала кокиля, что обеспечи­вает сокращение размеров и повышение эффективности работы прибылей. Конструкция и место расположения прибылей и пи­тающих бобышек зависят от объема и конструкции теплового узла отливки. При этом в качестве исходного параметра берут диаметр окружности (Dy), вписанной в питаемый узел. Анализом питающих систем, применяемых при литье чугуна с шаровидным графитом в кокили, установлено, что выбор прибылей отливок целесообразно осуществлять, пользуясь следующими соотноше­ниями: диаметр прибылей (Dnp) для компактных узлов отливок типа втулок, поршней Dnp = 0,8Dy; для узлов типа брусков, ста­нин, кронштейнов ит. п. Dnp = Dy; для плоских отливок типа плит, заливаемых горизонтально, Dnp = l,2Dy. Высоту прибыли назначают из соотношения Hnp= 1,25Dnp. Диаметр перешейка, связывающего прибыль с питаемым узлом, должен быть d — (0,3-г – -0,5) Dnp.

Толщины стенок стержней, в которых выполняются питаю­щие элементы, не должны превышать 10—20 мм.

Приведенные рекомендации позволяют выбрать размеры пи­тающих отливку элементов в первом приближении. При желании уточнения выбранных величин следует обратиться к формулам гл. IV.

4. термическая обработка

Полученные в кокилях отливки из высокопрочного чугуна подлежат, как правило, термической обработке. Она необходима для ликвидации в отливках структурно-свободного цементита, получения необходимого соотношения перлита и феррита в ме­таллической матрице, снятия внутренних напряжений и дости­жения в конечном итоге заданных свойств чугуна.

1. Основы теории графитизирующей термической обработки. Если представить законы изменения радиуса аустенитного дво­рика [45] шаровидного включения г (t) и скорости роста числа центров кристаллизации п (t) в виде функций

Г = Kutb и n(t) = n0 + тxt + m2t2,

Где Ku, п-о, т2 — постоянные коэффициенты, то можно решить известное кинетическое уравнение А. Н. Колмогорова (23). Решение это имеет вид

^L=I – exp [-(K3+ Knt + Kmf + Kmf) t3bV (138)

* от

Здесь V — текущий графитизированный объем отливки; Vot — объем отливки;

K3 = -^-nN3Ki, Kn — 3(364J1[_!) по Ku,

К ^nmlKl_______________________ 8 Ttm2K3u__________

Дот’ 3(36 + 1)(36 + 2)’ дш* 3(36+ 1)(36 + 2)(36 + 3)’

N3 — число активных затравок (подложечных включений) в еди­нице объема. При выводе формулы (138) внутренний интеграл в вы­ражении (24) взят в пределах 0 — (t — f), так как начальная скорость роста зародыша не зависит от момента его появления.

Из теории кристаллизации известно, что при завершении про­цесса показатель экспоненты со в выражении (138) находится в пре­делах 4—5,36. Поэтому, приравняв показатель экспоненты этой величине, получим формулу для расчетов продолжительности графитизирующей термической обработки tK. Необходимые для практических расчетов значения коэффициентов. приведены

Таблица 27

Результаты обработки экспериментальных данных графитизации высокопрочных чугунов

S– О. СЛ ф

Н t. Я S » S с ё

Я К S

S Io TTj Я * » * ‘ »* 9l Б Рис. 142 На краю образца вскоре истощится. Вся внешняя об­ласть окажется упрочненной оксидом. Через нее бу­дет свободно диффундировать кислород и реакция окисления алюминия «перекочует» в глубь образца (рис. 142,6). Со временем зона реакции, как волна, пройдет че­рез весь образец. Для поддержания реакции с поверх­ности будет постоянно «подкачиваться» кислород. Все закончится, когда весь алюминий окажется переве­денным в оксид (рис. 142, в). Таков общий замысел диффузионного сценария. Его хорошо проиллюстрировать последовательностью графиков содержания кислорода и алюминия в твер­дом растворе на разных стадиях процесса. Вот стар­товая картинка [(рис. 143,а). А вот как все меняется во времени (рис. 143, б, в)\ А теперь самое время для вопросов. Что такое Так мы обозначили положение фронта реакции, т. е. того места, где в данный момент происходит окисление. За ним — внутренне окисленная зона с ок­сидными включениями, перед ним — «не тронутый» окислением твердый раствор. Положение фронта вид­но в световой микроскоп (рис. 144, а). Зоны до него и за ним отличаются химическим составом и по-разно­му травятся реактивами. Место «водораздела» — фрон­та внутреннего окисления — хорошо заметно. Создаю­щий гораздо более сильное увеличение электронный микроскоп позволяет увидеть микроструктуру фронта (рис. 144, б, в). Почему на фронте внутреннего окисления концен­трации и кислорода, и алюминия обращаются в нуль? To ¦0,01 Это — приближение. У реакции окисления алюми­ния имеется свой «порог». Поэтому более точно изо­бражать картинку по другому (рис. 145). C1 •Л Jx А *г>*1 H Си I 1 Tx T\J C0 Со % I X Ji Рис. ИЗ Однако «пороговые» концентрации алюминия и кис­лорода очень низки. На несколько порядков меньше, чем даже малая величина С о,(например, концентра­ция алюминия во внутренне окисленной зоне при 900 0C составляет согласно расчету IO-9 ат, %), По­этому ими можно пренебречь и считать, что во вну­тренне окисленной зоне весь алюминий связан в ок­сид, а – в области твердого раствора Cu + Al, наобо­рот, совсем нет кислорода. Почему на схеме алюминий «стоит» на месте, а диффундирует лишь кислород? Ведь у алюминия есть перепад концентраций и как будто он также должен двигаться к фронту реакции. Так оно и есть. Более точная схема с учетом встречной диффузии алюминия приобретает несколь­ко иной вид (рис. 146). •Однако диффузию алюминия также можно не при­нимать в расчет. Ведь алюминий, как и всякая при- Рис. 144 Месь замещения, мигрирует по вакансионному меха­низму и его коэффициент диффузии намного ниже, чем у кислорода. 2- 10~» Давайте сопоставим плотности диффузионных по­токов, воспользовавшись законом Фика: Cn /о – ?о-г Величины коэффициентов диффузии известны. Для температуры 900 0C, при которой часто проводят вну­треннее окисление, они составляют DAi = 2-10-9 см2/с, ?>о — 7-Ю-6 см2/с. Величина С о при стандартных ус­ловиях равна 7-10~5 ат. %, a C0ai ~0,01. Поэтому вы­ражения для плотностей потока принимают вид Отсюда видно, что, кроме самого конца процесса (при I^]/), диффузией алюминия можно безболезненно пренебречь. Теперь, когда, сыграв в игру «вопросы и ответы», мы оправдались в нашей схеме, с ее помощью можно оценить зависимость |(0- Это очень важно, поскольку необходимо знать, сколько времени займет процесс внутреннего окисления детали. Сделаем расчет, как обычно, приблизительно. Предположим вначале, что внутреннего окисления не происходит. Тогда, чтобы кислород проник на глу­бину потребуется время TD = Z2IDo При этом концентрация кислорода на глубине g ока­жется порядка Со и количество кислорода, попавшее в образец (на единицу площади поперечного сечения), будет равно по порядку величины Col- Для продвижения фронта внутреннего окисления на ту же глубину кислорода потребуется больше. На окисление каждых двух атомов алюминия уходят три атома кислорода, и поэтому его общее необходимое количество составит (тоже на единицу площади попе­речного сечения) Если подача кислорода в образец в среднем идет о одной и той же скоростью в обоих случаях, то время продвижения фронта окисления можно найти из соот­ношения О ‘¦•о. _ cAl «2 ё TD С0Ъ Подставляя значение для tD, получим T _il стве коэффициента фигурировало число порядка 10 или 0,1! Поэтому пожертвуем неизвестным коэффици­ентом и будем с точностью до порядка величины счи* тать, что При этом следует, конечно, учитывать, что зависи­мость концентрации В в А от расстояния до поверх­ности плавная. Концентрация на поверхности, где Имеется контакт с чистым В, максимально возможная при данных условиях, т. е. равна пределу раствори­мости Со – Дальше она постепенно понижается до нуля. Это связано с тем, что за одно и то же время разные атомы успевают продиффундировать на раз­ную глубину. Величина ^Dt выражает среднюю глубину проникновения атомов. Знание коэффициента диффузии очень важно, но оно ничего не говорит о том, как именно путеше­ствуют атомы. Собственно, в газах и жидкостях это большого секрета не представляет. Атомы там «сво­бодны» и в результате теплового движения просто перемещаются на новые места. А вот в более всего интересующих нас кристаллах ситуация не столь оче­видна. В них атомы «привязаны» каждый к своему узлу кристаллической решетки[37]), и не так просто догадаться, как они ухитряются менять свои «места жительства». Может быть, атомы просто меняются менаду собой местами? Однако в условиях плотной упаковки кристалла нм это сделать немногим проще, чем двум локомоти­вам разминуться на одном рельсовом пути. Если го­ворить более строго, то такое в принципе возможно. Но обмен атомов местами вызовет большие локаль­ные искажения кристалла и соответственно резко воз­растет энергия. Поэтому ответ такой: в принципе воз­можно, но маловероятно. Более правдоподобной выглядит иная схема. Пред­положим, соседом атома оказалась вакансия. Тогда он может «перепрыгнуть» в вакантный узел. Для этого, правда, тоже придется раздвинуть соседей. Но отнюдь не так сильно, как при обмене атомов ме­стами. Верные обещанию рассказать о диффузии по воз­можности кратко, мы не будем доказывать реальность вакансионного механизма. Но просим поверить на слово: существуют эксперименты, надежно демонстри­рующие, что, как правило, вакансионный механизм диффузии доминирует в кристаллах. Именно поэтому «открытые» нами с помощью свободной энергии ва­кансии играют столь важную роль в жизни кристалла. Итак, время от времени атомы перепрыгивают в соседние вакантные узлы. Именно в соседние, так как трудно себе представить, что в плотноупакованном кристалле атомы играют в чехарду. В среднем атом за единицу времени делает v скачков. Каждый до бли­жайшего соседа — на расстояние /. В какую сторону? А вот это до последнего момента никому неизвестно. С какой стороны подойдет вакансия, туда и прыгнет атом. Про такую ситуацию говорят, что атомы слу­чайно блуждают по решетке. Личиной D. Значит, между ними должна существовать -S—>—»—->—>—> S=Sn Рис. 118 Связь. С точностью до безразмерного коэффициента найдем ее опять-таки из соображений размерности: D ~ Z2V. Чтобы лучше понять смысл последней формулы, выразим путь, проходимый атомом, через характери­стики случайных блужданий (рис. 118) : S « д/Ш « / VvT; Vt — это просто число совершенных атомом скачков: vt = п. Тогда получается, что S = I VП. Если бы блуждания не были случайными, зависи­мость была бы другой, а именно S — In. Вот как замедляется диффузия из-за случайности блужданий: Vw вместо л! Избавление от квадратно­го корня — награда целеустремленным! Теперь попытаемся понять характер температурной зависимости коэффициента диффузии. Для этого вновь обратимся к формуле случайных блужданий. Длина прыжка I от температуры почти не зависит, а вот частота прыжков v зависит и очень сильно. Частота прыжка пропорциональна его вероятности. Это понятно. Ну, а реализация прыжка возможна при одновременном выполнении двух условий. Во-первых, к атому должна подойти вакансия, вероятность чего пропорциональна концентрации вакансий Cv = = ехр(—EvIkT). А во-вторых, для прыжка необходи­мо слегка раздвинуть соседей, что сопряжено с увели­чением энергии AE. Вероятность такого процесса, как мы знаем, пропорциональна ехр(—AE/kT). Окончательно, вероятность прыжка (а следова­тельно, и частота) пропорциональна произведению ве­роятностей обоих этих событий: V – ехр (- AE/kT) ехр (- EJkT) = ехр [—(Д? + Ev) /Щ. Формулу для коэффициента диффузии тогда можно переписать в виде D = D0 ехр [— (AE + Ev)/kT] = D0 ехр (— E/kT), Где в Dо вошли все независящие или слабо зависящие от температуры множители. Экспоненциальная зависимость — очень резкая. Покажем это на примере диффузии меди в золото, одного из процессов, использовавшихся этрусскими ювелирами. Измерения коэффициента диффузии при нескольких температурах позволяют определить неиз­вестные D0 и Е. Вот Их значения: D0 = 5,8-Ю-4 см/с, E — = 115 кДж/моль [38]). Оценим теперь коэффициент диф­фузии при температуре плавления золота (Г= 1337 К) и комнатной температуре (Т = 300 К): ?»(1337) ~ 1,85- IO»8 см2/с, D(300) « 5,37 • 10~24 см7е- Разница на 16 порядков! Чтобы еще лучше ее по­чувствовать, давайте по формуле случайных блужда­ний оценим время оседлой жизни атома т, т. е. время между двумя последовательными прыжками, которое атом проводит в одном узле кристаллической решетки. Легко понять, что если за секунду атом делает v прыжков, то T= 1/v ^l2ID. Расстояние между ближайшими соседями в решетке золота равно 0,289 нм. Теперь все необходимое есть, Оцениваем: При температуре плавления атом совершает 22 миллиона прыжков в секунду, а при комнатной тем­пературе— один прыжок за 10 лет. Попросту говоря, сидит (а точнее, колеблется) на месте. Это типичные цифры (хотя бывают и исключения). Теперь понятно, что делает закалка. Она в бук­вальном смысле слова останавливает атомы. Не успел перестроиться при высоких температурах — замри и жди следующего нагрева. И в заключение, чтобы не возвращаться больше к диффузии, два слова про миграцию атомов внедрения. Они в вакансиях для перемещений не нуждаются — «гуляют» (а точнее, прыгают) непосредственно по ме­ждоузлиям. Но при прыжке атомы решетки раздви­гаются и это сопровождается увеличением энергии. Поэтому температурная зависимость коэффициента диффузии все равно остается экспоненциальной. Но само его значение, как правило, намного выше (не требуется вакансий)! Примеси внедрения перемеща­ются по кристаллу намного быстрее. Муки зарождения Вначале выпишем «правила движения» Для атомов: 1. Атомы в веществе способны совершать далекие (по атомным масштабам) путешеств-мя. 2. Количественно их подвижность характеризуется коэффициентом диффузии (или самодиффузии) D. 3. Среднее смещение атома за время t порядка л/Dl. 4. При нагревании коэффициент диффузии возра­стает (особенно резко в твердом теле). Хватит ли этих знаний для предсказания скорости фазовых превращений? Попытаемся для разминки составить прогноз пре­вращения чистого водяного пара в воду при атмосфер­ном давлении. Известно, что при 100 cC свободные Энергии пара и воды сравни­ваются (рис. 119). Поэтому для конденсации необходимо понизить температуру ниже этого значении. Или, как гово – ! рят, переохладить пар. ———- 1——— С другой стороны, молеку- 100С T лы перемещаются быстрее при Рис. 119 более высоких температурах, И кажется, что скорость кон­денсации должна быть максимальной при температу­рах чуть ниже IOO0C. Давайте прикинем время обра­зования видимой глазом капли при, скажем, 99°С. Жидкость отличается от пара главным образом большей плотностью. Поэтому образование капли тре­бует группировки молекул пара в одном месте. Будем для простоты считать пар идеальным газом, а характерный диаметр видимой глазом капли примем ва 1 мм. Ее масса тогда составит Иг = р; i, o ‘ 4/з ^ = 0,52 • 10 3 г. В паре молекулы капли занимают объем, рассчиты­ваемый по уравнению Менделеева — Клапейрона: V_ MRT „», . А-б з У. р Линейный размер такого объема легко оценить: I ~ У1/3 ~ 0,9 см. И, следовательно, требуемое на группировку молекул бремя Коэффициент самодиффузии пара по порядку величи­ны составляет Ю-1 см2/с. Поэтому Т » (9 ¦ I(T1)VlO-1 «8 с. По нашим земным меркам это быстро. Но если по­ставить опыт по превращению чистого пара в воду при 99 cC, для его успешного окончания может не хватить и жизни. Пар так и останется паром. Хочется «обвинить» в ошибке расчеты. Они, конеч­но, очень грубы. Но дело не в них, а в исходных пред­посылках. Это легко показать экспериментально. Та же конденсация, «не желающая» идти при 99 cC, лег­ко и быстро пойдет при, допустим, 70 °С. Атомы дви­жутся медленнее, а превращение происходит быстрее. Что-то в нашей «теории» не учтено. Мы считали, что скорость превращения опреде­ляется временем, которое молекулы тратят на то, что­бы добраться до места образования капли. А там их уже ждут «с распростертыми объятиями», и они сразу же вливаются в каплю. Но так ли это на самом деле? Как всегда, отправным пунктом должно стать со­ставление баланса свободной энергии. Пусть в расче­те на одну молекулу свободная энергия пара при тем­пературе T (подчеркнем, что T < IOOcC) составляет Fn(T), а жидкости — Fx(T). Тогда при образовании в паре сферической капли радиусом г свободная энер­гия изменится на величину AF~ = [Z7ik (T) — Fn (71)] X число молекул в капле = = – Fn(T)]-V3^3IvmKO, Где уж — объем, приходящийся на одну молекулу жидкости. Так как Fx(T) < Fn(T) (см. рис. 119), то образо­вание капли связано с желанным понижением свобод­ной энергии и никаких препятствий на пути такого процесса не видно. Но радоваться рано! Кое-что мы упустили из виду. Образование капель сопряжено с появлением ра­нее не существовавших поверхностей раздела новой и старой фаз — воды и пара. Но всегда, когда имеется граница раздела фаз (пар — жидкость, твердое те­ло—жидкость, твердое тело I — твердое тело II й т. д.), атомы узкого поверхностного слоя отличают­ся по своему «статусу» от атомов в толще фазы. Они «уже «устроены», так как по ту сторону границы ли« шены подходящего для себя соседства. Поэтому при составлении баланса свободной энергии обязательно надо учесть это обстоятельство и добавить слагаемое, пропорциональное поверхности образовавшихся меж­фазовых границ: Д^+ = оS = 4яг2о > 0. Коэффициент о называется межфазной (или поверх­ностной) энергией и его величина зависит от строения границы и того, какие фазы соседствуют. Например, в случае границы вода — воздух о является привыч­ным нам коэффициентом поверхностного натяжения воды. Общее изменение свободной энергии определяется суммой ДF~ и AF+: Первое слагаемое положительно, второе отрицатель­но. Но радиус капли г входит в них в разной степени. При малых г доминирует по- AF Ложительный квадратичный член, при больших — отрица­тельный кубический. В резуль­тате на графике зависимости I ^ AF(r) (рис. 120) появляется Максимум. Его абсцисса назы- С г вается критическим радиусом Рис. 120 и обозначается гс (от слова Critical). Теперь картина образования капли становится бо­лее понятной. Находящиеся в беспрестанном движе­нии молекулы пара по воле случая «встречаются». В результате таких встреч из нескольких молекул мо­жет сформироваться компактная группа — зародыш жидкой фазы (раньше мы его несколько возвеличива­ли, преждевременно называя каплей). Он может ра­сти, если к нему будут присоединяться новые молеку­лы. Но если, наоборот, молекулы будут покидать за­родыш, он в буквальном смысле слова станет испа­ряться. Судьбу зародыша решит то, какой из двух процессов пойдет быстрее. Если радиус зародыша меньше критического, бо­лее вероятен уход из него молекул. Ведь в отличие от своего «оппонента» он сопровождается понижением свободной энергии. Поэтому скорее всего зародыш ис­чезнет, не оставив следа. Но в результате благоприят­ного стечения обстоятельств малая часть зародышей может вырасти и «перевалить» за критический раз­мер. И тут все меняется, как по мановению волшеб­ной палочки. Уже рост зародышей становится выгод­ным, и, скорее всего (снова вероятностная оценка!) «закритические» зародыши станут каплями. Из полученной формулы для свободной энергии легко определяется критический радиус. Это просто точка максимума функции AF(г). Поэтому достаточно воспользоваться дифференцированием: Rf AF (г) _ п _ 2