Строение металлов (стр. 17 из 48)
Различают дендритную (внутрикристаллитную) и зональную ликвации.
Дендритная ликвидация - это неоднородность химического состава в микрообъемах сгшава в пределах одного зерна (дендрита). Во-первых, оси дендрита, затвердевшие раньше, обогащены тугогплавким и обеднены легкоплавким компонентами сплава по сравнению с межосными пространствами. Во-вторых, растущие первыми оси дендритов содержат меньше примесей, чем межосные пространства, в которые эти при-меси оттесняются при образовании дендритов. Это приводит к неравномерному распре-делению примесей по сечению кристалла.
Зональная ликвация - это неоднородность химического состава в микро-объемах с градиентом концентраций в отливке в целом или в отдельных ее частях. Она возникает в процессе диффузии примесей из двухфазной зоны кристаллизующейся отливки в объем незатвердевшего расплава всплывания загрязненных примесями объемов вследствие их меньшей плотности по сравнению с основным сплавом и т. д.
Дендритную ликвацию устраняют отжигом отливок.
Зональная ликвация устраняется выравниванием толщин стенок отливок, применением рассредоточенного подвода металла к отливке, изготовлением отливок литьем в кокиль и другими способами.
Склонностью к образованию трещин называется совокупность свойств, определяющих прочность отливки в процессе кристаллизации и охлаждения расплава. Различают горячие трещины, образующиеся в отливках при высоких температурах, и холодные, образующиеся при низких температурах.
Склонностью к газопоглощению называется способность расплавов поглощать газы и выделять их в период охлаждения. Газы в расплав попадают при протекании химических реакций (например, FеО + С—Fе + СО), с поверхности раздела расплав—форма, при заполнении формы расплавом, из шихтовых материалов. С этим свойством связан весьма распространенный дефект отливок—газовая пористость. Растворимость газов в расплавах уменьшается с понижением температуры. В связи с этим понижение температуры заливаемого расплава является одной из мер предупреждения образования газовой пористости, к числу которых относятся также дегазация (прокалка или технологическая обработка в вакууме или инертной среде с целью удаления газов) шихтовых материалов, расплава перед его заливкой в форму и др.
О литейных свойствах металлических сплавов можно судить по их диаграмме состояния. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы и сплавы с эвтектикой. Это связано прежде всего с тем, что температура плавления эвтектики (“механической” смеси кристаллов А и В в двойном сплаве) всегда ниже температуры плавления составляющих ее компонентов, сплавы-эвтектики имеют повышенную жидкотекучесть.
Если росту кристаллов твердой фазы ничто не мешает, то они приобретают значительные размеры. Ускорение процесса кристаллизации и увеличение числа центров кристаллизации измельчают структуру, что достигается введением в жидкий металл специальных добавок – модификаторов или применением форм из материалов с повышенной теплоаккумулирующей способностью. При мелкозернистой структуре материала отливки повышаются ее механические свойства, особенно пластичность и вязкость, например, при литье сплавов алюминия в металлические формы – кокили.
В процессе кристаллизации отливки при объёме жидкой фазы, достаточном для перемещения в промежутках между растущими кристаллами, пластичность материала отливки высокая, так как она определяется свойствами жидкости. С увеличением объёма твердой фазы циркуляция жидкости постепенно затрудняется и после образования жесткого каркаса кристаллов (или заклинивания их в процессе деформации) полностью прекращается. Деформационная способность такого материала падает до весьма низких значений, и при затруднённой усадке отливки создаются условия для возможных разрушений (образования горячих трещин).
В связи с неодновременным затвердеванием отливки в тех ее местах, которые затвердевают последними, будут развиваться деформации растяжения и, если в таких местах запас деформационной способности (способности к развитию деформации) исчерпывается, в отливке образуются горячие трещины. В процессе дальнейшего охлаждения деформирование развивается в объемах кристаллов твердой отливки, пластичность которой резко возрастает.
Следует указать и на другую особенность, связанную с неодновременным затвердеванием расплава во всех частях отливки. С момента заливки расплава в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки протекают усадочные процессы, связанные с уменьшением объема расплава. До тех пор пока расплав, залитый в форму, не образовал по внешнему контуру твердой фазы (так называемый контурной корки), уменьшение его объема понижает уровень жидкости в верхней части отливки. После образования наружного закристаллизовавшегося слоя (контурной корки, в которой заключена жидкость) с понижением температуры происходит дальнейшее уменьшение объема жидкости (расплава). В результате этого в отливке образуются полости, не заполненные расплавом. Такие полости называются усадочными, их размеры оказываются тем больше, чем раньше образовался наружный слой, чем выше коэффициент объёмного сжатия жидкости и степень сжатия расплава при переходе его в твёрдое состояние и чем выше температура расплава. Развитие таких полостей уменьшают как за счёт увеличения интенсивности охлаждения отливок (повышающего скорость кристаллизации), так и за счёт ускорения поступления расплава к центральной части отливки (достигается способами литья под давлением), а также направленной кристаллизацией отливок (исключающей образования сплошной двухфазной зоны).
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое затруднение (торможение) усадки. Механическое торможение возникает из-за трения между отливкой и формой. Термическое торможение связано с различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. При наличии таких препятствий для усадки в отливке возникают внутренние напряжения. Возникают они и в результате неодновременной и неравномерной усадки массивных и тонких сечений.
Если величина внутренних напряжений превысит предел текучести материала отливки, то возникнут остаточные, необратимые деформации (коробление) отливки. Отмеченные особенности кристаллизации необходимо учитывать при разработке рациональных конструкций отливок.
В условиях автоматизированного производства при использовании ЭВМ возникает необходимость в математическом моделировании процессов, основанном на известных закономерностях процессов литья. Только создание тепловой теории литья позволило разработать инженерные методы расчета продолжительности затвердевания отливок, смоделировать на ЭВМ кинетику самого процесса затвердевания, теплового и напряженного состояния отливок. Таким образом, технологическая операция заливки литейной формы, в частности, может быть включена в подсистему САПР ТП.
Другим примером математизации литейного производства является возможность проектирования эффективных средств предупреждения образования горячих трещин. Расчет напряженно-деформированного состояния отливки основан на учете сложного взаимодействия процесса,, усадки различных частей отливки, ее геометрической формы, изменения свойств расплава в отливке в период его затвердевания, податливости материала формы и т. д. Следовательно, можно заблаговременно рассчитать возможные деформации в отливке, при которых возникнут горячие трещины.
3.7.3 Выбор конструкционных материалов для отливок
(заготовок и деталей)
Основные требования. В технике используются литые изделия (отливки, заготовки, детали), изготавливаемые из традиционных литейных сплавов (сталь, серый чугун, алюминиевые сплавы, медные сплавы и др.), а также из пластмасс, резинотехнических материалов, неорганических стекол, стеклокристаллических, керамических и других неметаллических материалов. К материалам для литых изделий предъявляется ряд общих требований. Такие материалы должны иметь:
— по возможности низкую температуру плавления, что позволяет их легко расплавить и перегреть до требуемой температуры заливки;
— небольшую усадку при затвердевании и охлаждении, что уменьшает количество усадочных дефектов, упрощает технологию литья;
— незначительную способность к газопоглощению в жидком состоянии, что уменьшает опасность образования газовой пористости;
— незначительную ликвацию—химическую неоднородность и, следовательно, малое различие по свойствам отдельных частей отливок;
— благоприятную структуру литого металла, обеспечивающую высокие свойства отливок;
— низкую стоимость, отсутствие дефицитных легирующих элементов.
Выбор материала для литых изделий является сложной инженерной задачей, решение которой требует учета многих факторов и обстоятельств. Кроме хороших литейных свойств, они должны обеспечивать: получение заданных свойств (химических, физических и механических) и их сохранение в условиях функционирования изделия, обрабатываемость и свариваемость, минимальные отходы материалов и т. д.
Одним из основных этапов ЛП является технологический процесс получения расплава для заливки литейных форм. Материалы, загружаемые в плавильные печи в процессе приготовления расплава, называются шихтой. Для получения расплава определенного химического состава производится расчет шихты, для которого необходимы данные о химическом составе выплавляемого расплава, составе шихтовых материалов и проценте угара расплава для конкретных условий плавки. Расчетное содержание того или иного элемента в шихте можно определить по формуле
где Кш и Кж —- расчетное содержание элемента в шихте и жидком расплаве соответственно, %;