Жидкотекучесть сплавов и факторы, влияющие на нее

Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в расплавлен­ном состоянии заполнять полость стандартной формы (пробы) и точно воспроизводить очертания отливки. Жидкотекучесть зависит от: а) со­става и физико-химических свойств сплава; б) теплофизических свойств формы; в) технологических условий литья. Наибольшая жидкотекучесть характерна для чистых металлов и эвтектических сплавов (рис. 12.1), а наименьшая — для сплавов на основе твердых растворов или гетероген­ных структур (представляющих собой твердые растворы с распределен­ными в них частицами других фаз). Это связано с различным характером процесса затвердевания отливки, обусловленным шириной температур­ного интервала кристаллизации ДГ_кр — перепада температур между тем­пературой начала (ликвидус) и конца (солидус) кристаллизации для кон­кретного сплава. Для узкоинтервальных сплавов (ДГ_кр < 30 °С) характер­но последовательное затвердевание отливки от поверхности к центру,

Рис. 12.1. Взаимосвязь литейных свойств сплавов с диаграммой состояния: а — диаграмма состояния, б — жидкотеку-честь; в — линейная усадка сплавов, ком­поненты которых близки по свойствам; г — линейная усадка сплавов с сильно отли­чающимися по свойствам компонентами; д — доля объемной усадки сплавов, проявляю­щаяся в образовании пористости; е — доля объемной усадки сплавов, проявляющаяся в образовании усадочных раковин

наличие узкой двухфазной зоны (расплав с выделившимися кристалла­ми), а также сохранение подвижности расплава в форме вплоть до затвер­девания 60—80% объема отливки. В то же время последовательное за­твердевание может реализоваться лишь при большом градиенте темпе­ратур по сечению отливки. При этом отливки приобретают столбчатую структуру и отличаются повышен­ной плотностью и герметичностью. Эвтектические сплавы являются уз­коинтервальными. К сплавам с уз­ким температурным интервалом кристаллизации относятся, в частно­сти, латуни. В сплавах на основе твердых растворов и гетерофазных структур при наличии широкого температурного интервала кристал­лизации (АГкр > 100 °С) затвердева­ние осуществляется посредством об­разования широкой области твердо-жидкого состояния, когда в расплаве по всему объему отливки почти од­новременно выделяются разветвлен­ные кристаллы (дендриты). Такую разновидность процесса кристалли­зации называют объемным затверде­ванием. Течение расплава в силу повышения его вязкости прекраща­ется уже при содержании твердой фазы более 20—35% от объема. Температура, при которой прекра­щается течение расплава, называется температурой нулевой жидкотекуче-сти t₀ (рис. 12.1, а, линии AF и BG).

В процессе объемного затвердевания кристаллизация оставшейся жидкой фазы приводит к тому, что во всем объ­еме отливки происходит выделение растворенных в расплаве газов, при этом возникает много пор, заполненных газом, и мелких усадочных раковин. Широкоинтервальными являются алюминиевые сплавы с 5—10% Си.

На жидкотекучесть существенно влияют физические свойства сплава: увеличение теплоемкости и удельной теплоты кристаллизации металла спо­собствует повышению жидкотекучести, поскольку при этом возрастает ко­личество выделяющейся теплоты в процессе затвердевания и охлаждения отливки. Вязкость расплавов, увеличиваясь с понижением температуры, снижает жидкотекучесть. Высокое поверхностное натяжение у, с одной стороны, значительно облегчает разливку металла, но, с другой стороны, способствует закруглению острых углов и кромок в отливках.

Жидкотекучесть зависит от теплофизических свойств материала формы. Мерой скорости, с которой материал формы может поглощать теплоту рас­плавленного металла, является коэффициент аккумуляции теплоты Ь_ф.

Увеличение Ь_ф приводит к возрастанию теплоотвода с поверхности рас­плава, что сокращает время затвердевания металла и тем самым снижает жидкотекучесть. Так, для чугунной формы Ь_ф на порядок выше, чем для сы­рой песчаной (14000 и 1150 Вт-с^1/2/(м²-К) соответственно). Жидкотекучесть (/ж) можно оценить по теплофизическим свойствам металла и условиям литья:

/_ж = л_Р[Ф«-'.)+4р]/('.,-'ф)' <^12Л)

где /_ж — длина спирали (контрольной части литой пробы), характеризующая жидкотекучесть; р — плотность сплава; с — теплоемкость сплава; Ьщ, — удельная теплота кристаллизации (до момента нулевой жидкотекучести); t_x — температура перегрева металла (над температурой ликвидуса); t₀ — темпера­тура нулевой жидкотекучести; t_K и?_ф — температура металла и формы соот­ветственно; А — коэффициент, зависящий от условий литья. Из выражения (12.1) видно, что с повышением температуры литейной формы /_ф жидкотеку­честь возрастает. Поэтому для повышения жидкотекучести расплава керами­ческие и металлические литейные формы часто подогревают.

Характер течения расплава (ламинарный или турбулентный) должен оказывать влияние на жидкотекучесть. Характер течения жидкостей в канале диаметром D оценивается значением числа Рейнольдса (Re):

Re = vD/r\,

где v — скорость потока, м/с; т\ — кинематическая вязкость металла, м²/с. При Re > Re^, течение жидкости становится неустойчивым, в потоке возни­кают завихрения, приводящие к увеличению гидравлического сопротивления течению и, как следствие, к снижению жидкотекучести. Если учесть, что для стали Re^, = 3500, т\„ = 0,4 10"* м²/с, а для чугуна Re^, = 7000, г^ = 0,3-10"* м²/с, то критическая скорость потока для стали равна v^ = 0,0014/£> м/с, а для чугуна v^ = 0,0021/D м/с. Расчеты показывают, что турбулентное тече­ние чугуна наступает при скорости, в 1,5 раза большей, чем у стали.

Высокое качество поверхности от­ливки при литье под давлением, точность ее геометрических параметров и четкость оформления рельефа обеспечиваются гидродинамическим давлением (Р$) рас­плава на стенку формы, возникающим в момент окончания движения расплава:

(12.2)

^: P_M^Vl:

Рис. 12.2. Влияние среды и темпе­ратуры расплава на его жидкотеку­честь: 1 — вакуум; 2 — воздух

где р_м —• плотность расплава; и_ф — ско­рость потока в форме.

Жидкотекучесть зависит от склонно­сти металла к окислению, сплошности и прочности оксидной пленки. При заливке формы оксидные пленки оказывают сопро­тивление течению расплава и замедляют заполнение им формы. В случае плавки и заливки металла в вакууме или защитной среде жидкотекучесть возрастает с повышением температуры перегрева (?„) расплава (рис. 12.2, кривая /). При за­ливке на воздухе (рис. 12.2, кривая 2) температурная зависимость жидкотекуче-сти имеет максимум {t^, соответствующий температуре, превышение которой вызывает активное окисление расплава с образованием оксидных пленок.

А-А

		1 70
Ш т	[_	1 ° 1 у*-
«л	ЛуГ-Ж *
1/-)	<i2F
	f. tt~.
1Л		ffi

Рис. 12.3. Спиральная технологическая про­ба на жидкотекучесть

Жидкотекучесть сплавов оценивается путем заливки специальных техноло­гических проб (отливки в виде тон­ких прутков, прямых и спиральных пластин). Так, например, в случае спиральной пробы по ГОСТ 16438—70 жидкотекучесть спла­ва определяют по длине (в санти­метрах) спиралевидного прутка, образующегося в процессе пере­мещения расплава по каналам тех­нологической пробы (рис. 12.3). Применяют песчаную или метал­лическую форму (кокиль).

12.2. Усадка сплавов

Усадка — свойство сплавов уменьшать объем и линейные размеры при затвердевании и охлаждении.

Различают линейную £„„, и объемную е_у усадки (в %):

г_от = ^==-100%, (12.3)

е_у= *~ *"100%, (12.4)

Огл

где /ф, /_ота, Кф и К_отл — размеры и объемы формы и отливки соответственно.

Фиксирование линейной усадки сплава начинается с момента образова­ния прочного кристаллического скелета в объеме отливки (в случае присут­ствия жидкой фазы) и твердого каркаса на ее поверхности. Полная объемная усадка сплава е_у складывается из усадки сплава в жидком состоянии е^,

при затвердевании е_у и в твердом состоянии е_у; е_у «Зе,,,,,,. Возникнове­ние наружной усадки, усадочных раковин и пористости (скопление мелких пустот, заполненных газами) в отливке является результатом и проявлением объемной усадки металла. В литейном производстве есть понятия свободной и затрудненной усадки. Первая обусловлена лишь свойствами сплавов. За­трудненная же усадка возникает в сложных по конфигурации отливках в ре­зультате совместного механического и термического торможения процесса изменения их размеров и объема при литье. Затрудненная усадка числен­но отличается от свободной (например, у серого чугуна свободная ли­нейная усадка составляет 1,1—1,3%, а затрудненная — 0,6—1,2%). На характер и величину усадки влияют, с одной стороны, химический и фа­зовый составы сплава, величина температурного интервала его кристал­лизации АГ_кр, взаимная растворимость компонентов (ширина области гомогенности твердых растворов) и физические свойства сплава (напри­мер, коэффициент термического расширения), а с другой — технологи­ческие условия литья.

В сплавах со значительной растворимостью компонентов в твердом со­стоянии концентрационная зависимость линейной усадки подчиняется зако­ну Н. С. Курнакова (см. рис. 12.1, в): в концентрационных интервалах суще­ствования твердых растворов аир усадка изменяется по сложному закону, а в области преобладания эвтектической структуры — по закону аддитивности (прямолинейно). В случае сильного различия усадочных свойств а- и Р-твердых растворов на концентрационной зависимости усадки наблюдается разрыв (см. рис. 12.1, г). Максимальной пористостью отличаются сплавы, расположенные в области предельных концентраций твердых растворов а и Р (см. рис. 12.1, а, точки D и Е), что обусловлено объемным характером за­твердевания. Для широкоинтервальных сплавов характерно сосредоточение объемной усадки в усадочной пористости (см. рис. 12.1, д), а для узкоинтер­вальных сплавов — в усадочных раковинах (см. рис. 12.1, е).

Технологические факторы оказывают существенное влияние на величи­ну и характер усадки. Так, перегрев сплава перед заливкой приводит к уве­личению объема усадочной раковины и пористости. Увеличение скорости охлаждения отливки вызывает возрастание ее плотности и объема усадочной раковины (за счет уменьшения пористости); при этом несколько увеличива­ется Ели,. Для обеспечения плотности отливок в местах возможного образо­вания усадочных раковин предусматривают прибыли. Кристаллизация при повышенном давлении снижает пористость и повышает плотность отливок, обеспечивая их герметичность. В связи с неравномерностью и неодновре­менностью усадки различных частей отливки в ней возникают остаточные напряжения трех видов: механические (связанные с торможением усадки элементами формы), термические (вызванные различием скоростей охлаж­дения отдельных частей отливки) и фазовые (обусловленные неодновремен­ным протеканием фазовых превращений в различных зонах отливки). Если в отливке возникают большие остаточные напряжения, то это вызывает ее ко­робление и возникновение в ней трещин.

Различают горячие трещины усадочного происхождения, образующиеся в интервале температур затвердевания сплава, и холодные трещины, возни­кающие в отливке при ее охлаждении из-за воздействия высоких внутренних напряжений. Если для горячих трещин характерна неровная окисленная по­верхность, то для холодных — гладкая светлая (либо зернистая с цветами побежалости). На процесс возникновения и развития трещин оказывают влияние свойства формы (в частности ее податливость), конструкция отлив­ки, физико-химические и литейные свойства сплава, а также технологиче­ские условия затвердевания отливки. Резкое снижение пластичности сплавов

вблизи температуры солидуса назы­вают высокотемпературной хрупко­стью или горячеломкостью. Для этой зоны характерна большая вероят­ность образования горячих трещин. Их зарождение обусловлено присут­ствием по границам дендритов кри­тического количества (5—15%) про­слоек жидкой фазы. Сплавы с широ­ким интервалом затвердевания обла­дают большей склонностью к образо­ванию горячих трещин.

Сущность метода определения

.,.,.„, „ линейной усадки в твердом состоянии
Рис. 12.4. Проба на линейную усадку

^v, заключается в измерении размеров

сплавов с помощью скобы: _, _ _ ^{г г}

1 - отливка (проба), 2 - литниковая чаша, ^обР^аз«^а (^пР^обы) ПР^{И его} охлаждении

3 — стояк, 4 — скоба ^в форме от температуры заливки до

нормальной. Образцы представляют собой цилиндрические стержни диамет­ром 20—30 мм, бруски сечением 20x20, 25x25 и 40x40 мм, длиной от 130 до 400 мм. По ГОСТ 16817—71 линейная усадка цветных металлов и сплавов определяется посредством литья пробы в песчаную (сухую) или металличе­скую форму с последующим фиксированием стрелочным индикатором из­менения размеров образца в процессе затвердевания. На рис. 12.4 показан способ измерения линейной усадки с помощью стальной «скобы», наформо­ванной в песчаную форму для фиксации контрольного размера внутренней полости формы /ф = 200 мм. Для формирования этой полости используется модель образца в виде бруска сечением 20x20 мм и длиной 200 мм.

Большинство сплавов имеют линейную усадку, не превышающую 3%: серый чугун 1,1—1,3%, углеродистая сталь 1,2—2,4%, легированная сталь 2,5—3,0%, силумины 1—1,5%, магниевые сплавы 1—1,6%, латуни 1,5— 1,9%, оловянистые бронзы 1—1,5%, безоловянные бронзы 1,6—2,2%.

12.3. Ликвация и газы в литейных сплавах

Ликвация — это неоднородность химического состава сплава в различ­ных частях отливки. Развитие химической неоднородности может происхо­дить как в микрообъемах сплава (внутри отдельных дендритов слитка) — внутрикристаллическая (дендритная) ликвация, так и по отдельным его зо­нам (макрообъемам) — зональная ликвация. Одной из разновидностей зо­нальной ликвации является ликвация по плотности (гравитационная ликва­ция). Дендритную ликвацию устраняют гомогенизацией — высокотемпера­турным диффузионным отжигом, приводящим к выравниванию химического состава в пределах микрозерна. Гравитационную ликвацию подавляют пере­мешиванием расплава, его быстрым охлаждением, а также применением ле­гирующих добавок, образующих с основой разветвленные кристаллы (денд-риты), мешающие перемещению в расплаве твердой фазы.

Растворенные в расплаве газы (водород, азот и др.) при затвердевании и охлаждении отливки могут выделяться в виде химических соединений, а также образовывать газовые раковины и поры. Существенное уменьшение газонасыщенности сплавов достигается при их плавке в вакууме.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные литейные свойства и дайте им определения.

2. Какие факторы влияют на жвдкотекучесть сплавов?

3. Какие группы сплавов обладают наименьшей и наибольшей жидкотекучестью, чем это объясняется?

4. Как влияют на жидкотекучесть химический и фазовый составы сплава?

5. Как влияют на жидкотекучесть материал формы и условия литья?

6. Что такое усадка сплава, какие бывают разновидности усадки?

7. Как определяют жидкотекучесть и усадку сплава?

8. Что такое ликвация в сплавах, какие бывают ее разновидности?

9. Как уменьшить газонасыщенность сплавов при литье?