Усадочные процессы при формировании отливок

глава 5. Усадочные процессы при формировании отливок

Усадочные процессы определяют явления, связанные с сокращением (уменьшением) объема расплава при его охлаждении, а также при затвердевании; линейных размеров твердого металла при охлаждении. С усадочными процессами связано образование в отливках таких дефектов как усадочные раковины, утяжины, усадочная рыхлота и усадочная пористость. Кроме того, по причине усадки в отливках возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению, появлению трещин и полному разрушению отливок. Количественной мерой усадки металлов и сплавов служит коэффициент усадки, который выражается в двух видах: коэффициент объемной усадки – a_v и коэффициент линейной усадки a_l. Между этими коэффициентами существует зависимость, которая приближенно оценивается: .

При формировании отливок рассматривают три физических коэффициента усадки и один коэффициент усадки технологический. Коэффициент усадки металла в жидком состоянии представляется в объемном выражении:

 1/град, где r₁ – плотность расплава при температуре Т₁; r₂ – плотность расплава при температуре Т₂; здесь Т₁ < Т₂. Коэффициент усадки жидкого металла имеет размерность 1/град и показывает в какой мере происходит относительное сокращение объема металла при охлаждении его на один градус. Коэффициент усадки при затвердевании выражается также в объемных величинах:

, где r_т – плотность твердого металла при температуре затвердевания; r_ж – плотность жидкого металла при температуре затвердевания (разность между ними не превышает 6 %). Коэффициент усадки твердого металла выражается в линейных величинах:

 1/град.

Коэффициент линейной усадки тождественен с величиной коэффициента линейного теплового расширения КЛТР. Его величина является функцией температуры:  и приводится в справочной литературе.

Кроме трех рассмотренных коэффициентов усадки в литейной технологии широко используется коэффициент литейной усадки:

, где l_ф – размер полости формы; l_о – соответствующий размер отливки после выбивки из формы и полного охлаждения.

Следует отметить, что физические величины трех коэффициентов усадки: жидкого металла, при его затвердевании и величина КЛТР представляют собой фиксированные величины, как это представлено в табл. 13.

Таблица 13

Коэффициенты физических величин усадки металлов

Коэффициент литейной усадки не является фиксированной величиной для металлов и сплавов, и зависит от степени затрудненности усадки при затвердевании и охлаждении конкретной отливки. В табл. 14 приведены коэффициенты литейной усадки для распространенных литейных сплавов.

Таблица 14

Литейная усадка сплавов

Первые цифры таблицы соответствуют большой степени затрудненности усадки, а вторые – при отсутствии затруднения усадки (или минимальной степени затруднения).

Технолог при конструировании литейной оснастки: моделей, стержневых ящиков, металлических форм рабочие размеры назначает с учетом конструкции литой детали, прежде всего в отношении степени затрудненности усадки.

5.1. Усадочные раковины в отливках

Основными проявлениями усадки сплавов в жидком состоянии и при затвердевании служит макроскопический дефект – концентрированная усадочная раковина.

На рис. 73  изображена верхняя часть 28-тонного стального слитка, отлитого в песчаную форму с усадочной раковиной в верхней части. Реже концентрированная усадка проявляется в виде дефекта – утяжины преимущественно на плоских поверхностях отливок (рис. 74).

Дадим количественную оценку величины и геометрической конфигурации усадочной раковины. Объем усадочной раковины приближенно рассчитывается:

, где V_ус.рак – объем усадочной раковины; V_отл – объем отливки; a_v(ж) – коэффициент объемной усадки жидкого металла; a_v(з) – коэффициент объемной усадки при затвердевании; Т_зал – температура заливки; Т_кр – температура кристаллизации металла; a_l – коэффициент линейной усадки твердого металла; b – коэффициент затрудненности усадки (b = 1¸0,5); Т_о – температура наружной поверхности отливки к концу затвердевания всей отливки (приближенно ).