Усадка чугуна
Общий вид кривых объемной усадки серого и белого чугунов при понижении температуры представлен на рис. 85. Из рисунка видно, что и жидком и твердом состояниях происходит обычное уменьшение удельного объема при понижении температуры. В процессе же затвердевания может происходить сокращение или увеличение объема (белый чугун уменьшается, а серый увеличивается в объеме).
Усадка чугуна в жидком состоянии и во время затвердевания определяет образование усадочных раковин в отливках. Усадка чугуна в твердом состоянии является главной составной частью общей литейной усадки чугуна, определяющей разницу между линейными размерами модели и отливки.
В зависимости от состава чугуна, конструкции и скорости охлаждения отливки, способа формовки и степени торможения свободной усадки, а также режима термообработки и точности изготовления формы, величина литейной усадки чугунных отливок может колебаться от - 0,5 до + 2,5%.
Чем выше точность изготовления отливок, тем большее значение имеет знание истинной величины литейной усадки. Мелкие чугунные отливки изготовляются обычно в пределах 9-8-го классов точности. При применении металлических форм или каких-либо особых технологических приемов точность изготовления мелких чугунных отливок доходит до 7 - 6-го классов.
При литье под давлением или при способе выплавляемых и выжигаемых моделей точность доходит до 5 - 4-го или даже 3-го класса. Стандартность условий производства и знание всех факторов, влияющих на величину литейной усадки, имеют большое практическое значение при изготовлении отливок с повышенной точностью.
а) Усадка чугуна в жидком состоянии. Усадка чугуна в жидком состоянии является одной из причин образования в отливке усадочных раковин. Величина этой усадки зависит от коэффициента объемной усадки и температурного интервала охлаждения в жидком состоянии (tж - tл)
еж = 100 аж (tж - tл) (78)
где tж - температура заливки; tл - температура ликвидуса.
Как видно из рис. 85, коэффициент усадки почти не зависит от температуры. Вместе с тем он заметно возрастает с увеличением содержания углерода в чугуне и в малой степени зависит от содержания других элементов. В среднем можно принять для обычною до эвтектического чугуна:
аж = (90 + 30 С) -10 (79)
что соответствует аж = 180 - 10-6 для чугуна с 3% С.
Принимая, согласно диаграмме состояния, понижение температуры ликвидуса на 90° при увеличении содержания углерода на 1%, определим:
tж - tл = tж - (1540 - 90 С) (80)
и поэтому:
еж = 100 aж (tж - tл) = 100аж (tж + 90С - 1540) (81)
Повышение содержания углерода в чугуне увеличивает, таким: образом усадку в жидком состоянии при постоянной температуре заливки по двум причинам: вследствие соответствующего увеличения коэффициента усадки и повышения относительного перегрева над ликвидусом.
Пользуясь формулами (79) и (81), можно рассчитать изменение величины усадки в жидком состоянии при изменении содержания углерода в чугуне как при постоянной температуре, так и при постоянном перегреве над ликвидусом. В последнем случае увеличение происходит значительно медленнее (только за счет аж);
б) Усадка чугуна во время затвердевания. Усадка чугуна во время затвердевания связана, главным образом, с изменением агрегатного состояния. Кроме того, в периоде первичной кристаллизации чугуна могут протекать в большей или меньшей мере процессы графитизации, раскисления и газовыделения, что обусловливает дополнительное изменение удельного объема чугуна (расширение или сжатие), а следовательно, изменение величины усадки во время затвердевания. Эта усадка, вместе с усадкой в жидком состоянии, определяет величину усадочных раковин в отливках.
Затвердевание белого чугуна всегда сопровождается уменьшением объема, величина которого зависит от состава металла, содержания газов, скорости охлаждения и т. д. Наибольшее значение имеет интервал кристаллизации, с увеличением которого усадка во время затвердевания увеличивается. При затвердевании же серого чугуна происходит некоторая компенсация усадки за счет расширения при графитизации. Совокупность обоих факторов может привести в общем итоге к усадке или расширению серого чугуна при затвердевании. Величина этой усадки колеблется поэтому в больших пределах:
Для белого чугуна еа = 3 - 5 %
Для серого чугуна ез = ( - 1,5) - (+ 3) %
Так как затвердевание чугуна происходит в некотором интервале температур, то параллельно с уменьшением объема вследствие изменения агрегатного состоянья имеет место еще объемное сжатие в результате понижения температуры я интервале кристаллизации. Если принять среднюю величину усадки чугуна вследствие изменения агрегатного состояния равной 3.0%, а средний температурный коэффициент усадки в интервале кристаллизации ранным 100 × 10-6 то общая величина усадки во время затвердевания определится:
ез = 3,0 + 100 × 100 × 10-6(tл – tз) = 3.0 + 10-2(tл - tз) (82)
где tл - температура ликвидуса; tз - температура солидуса.
Как уже указывалась, уменьшение содержания углерода в доэвтектическом чугуне на 1 % соответствует увеличению интервала кристаллизации на 90%
тл – tз = 90 (4,3 - С)
Подставляя полученное значение для tл - tз в формулу (82), найдем
eз = 3,0 + 0,9(4,3 - С) = 6,9 - 0,9С (82а)
При графитизации происходит соответствующее увеличение объема, уменьшающее величину усадки во время затвердевания. Выше указывалось, что при выделении % графита объем чугуна увеличивается примерно на 2%,
Поэтому в общем виде величину усадки во время затвердевания чугуна можно определить:
е3 = 6,9 - 0,9С - 2Сгр (82б)
где Сгр - количество графита (в процентах), выделенного в процессе затвердевании. В частном случае, когда процесс первичной кристаллизации протекает полностью по стабильной системе, количество графита, выделяющееся во время затвердевания, определяется:
Сгр = С - 1,6
где 1,6 - процент углерода в стабильном аустените серого чугуна с содержанием около 2% . Подставляя это значение Ср а формулу (82б), найдем усадку во время вятвердеваиия чугуна по стабильной системе;
е3 = 6,9 - 0,9С - 2 (С - 1,6) = 10.1 - 2.9С (82в)
Пользуясь формулами (82а) и (82в). можно рассчитать величину усадки во время затвердевания белого и серого чугунов при соответствующей кристаллизации их по метастабильной и стабильной системам:
Из приведенных данных видно, что с повышением содержания углерода, а чугуне усадка во время затвердевания уменьшается, причем серый чугун дает увеличение объема при затвердевании только при достаточно высоком содержании углерода.
Общее изменение объема в жидком состояния и в процессе затвердевания можно определить на основе формул (81 и 82):
Так как углерод действует на усадку в жидком состоянии и во время затвердевания) в противоположных направлениях, то зависимость зж |-за от содержания углерода в чугуне ослабляется. При этом в белом чугуне при постоянной температуре заливки преобладает влияние усадки а жидком состоянии и общая усадка возрастает с увеличением содержанияуглерода. При постоянном же перегреве над ликвидусом преобладает влияние усадки во время затвердевания падает с возрастанием содержания углерода. В сером чугуне, тле роль графитизации возрастает с увеличением содержания углерода, влияние усадки во время затвердевания преобладает во всех случаях, и общая усадка падает с увеличением содержания углерода. Эта зависимость особенно резко выражается при одинаковом перегреве чугуна над ликвидусом. При этом общая усадка чугуна может стать отрицательной только в случае низкой температуры заливки и высокого содержания углерода в чугуну.
в)Усадка чугуна в. твердом состоянии. Объемная (следовательно, и линейная) усадка чугуна в твердом состоянии определяется не только термическим сжатием, но и выделением газов из твердого металла, процессами диффузии, фазовыми превращениями, графитизацией, воздействием формы и т.п. Эта усадка обусловливает размеры отливки, а в известной мере также величину напряжений и опасность образования горячих и холодных трещин.
Как видно из рис. 85, сначала имеет место пред у садочное расширение чугуна, и только после этого начинается усадка, которую, в зависимости от температурного интервала, можно разделить на доперлитную и послеперлитную.
Кроме того, следует различать полную и литейную усадку, отличающиеся на величину расширения.
Рис. 85. Общий вид кривых объемной, усадки серого и белого чугунов
Предусадочное расширение определяется, главным образом, процессами графитизации и выделением газов в чугуне после начала затвердевания, отчасти же диффузией элементов и некоторыми другими причинами. Все эти процессы идут с увеличением объема и вызывают расширение чугуна после затвердевания. Особенно большое значение имеет графитизация, но небольшое расширение наблюдается и о белом чугуне и, как показывают литературные данные, даже в двойных сплавах железа с другими элементами (рис, 86).
Значительное влияние имеет также газосодержание чугуна, е повышением которого расширение увеличивается:
Опыты показали, что величина расширения тем больше, чем выше температура перегрева и медленнее охлаждение, что связано с процессами поглощения и выделения газов.
Рис. 86. Влияние элементов на предусадочное расширение в усадку двойных сплавов железа с другими элементами.
После расширения наступает усадка, которая зависит от состава и структуры чугуна, а в особенности от стерания графитизации:
Графитизация сильно уменьшает доперлитную усадку н почти не оказывает влияния на послеперлитную, которая во всех случаях составляет около 1%. Разница в усадке серого и белого чугунов создается, таким образом, только за счет доперлитной усадки, которая резко уменьшается при графитизации, доходя иногда до нуля, Б последнем случае вся усадка серого чугуна протекает в послеперлитном периоде и равняется примерно 1%.
Некоторое влияние на усадку в твердом состоянии оказывают также фазовые превращения. Максимальное изменение объема (расширение) сопровождает превращение, которое для чистого железа составляет около 1%, но понижается с увеличением содержания углерода. Вследствие сжатия, которое происходит при выделении углерода из твердого раствора, расширение это еще больше уменьшается. Поэтому фазовое расширение при медленном охлаждении не превосходит 0,3% по объему или 0,1% по длине. В закаленных же отливках, в которых при образовании мартенсита происходит одно только превращение у - а без выделения углерода из раствора, расширение особенно опасно и может достигнуть 0,25-0,30% по линейным размерам. Остальные фазовые изменения объема значительно меньше по величине, и ими можно пренебречь.
г) Влияние состава чугуна на усадку в твердом состоянии. Состав чугуна определяет величину его усадки в твердом состоянии как путем непосредственного влияния элементов, так и путем воздействия их да графитизации. Последний фактор является наиболее сильным, и графитизирующее влияние элементов обычно превосходит легирующее.
Из рис. 86 видно, что большинство элементов уменьшает линейную усадку двойных сплавов железа. Только марганец и углерод (свыше 2,5%) увеличивают эту усадку, причем особенно сильно действует углерод.
Рис. 87. Влияние углерода и кремния на усадку чугуна.
С другой стороны, выделение 1 % графита уменьшает усадку чугуна на 0,24%. Поэтому в общем итоге графитизирующие элементы уменьшают, а элементы, препятствующие графитизации, увеличивают усадку чугуна, что подтверждается работами Ф. Н. Тавадзе и Р. Б. Звеницкой (рис. 87) и другими литературными данными (рис. 88),
Как видно из рис. 88, увеличение содержания кремния в чугуне приводит к уменьшению линейной усадки, причем главным образом за счет доперлитного этапа. При повышении содержания кремнии свыше 3% усадка уже увеличивается, что объясняется уменьшением общего количества углерода, а следовательно, и графита в чугуне. Точно так же и фосфор уменьшает усадку чугуна при одном и том же содержании углерода (рис, 88 а). Если же параллельно с превышением содержания фосфора уменьшается содержание углерода, то усадка чугуна может остаться без изменения (рис. 88б) или даже увеличиться.
Влияние марганца и серы связано, главным образом, с соответствующим воздействием на графитизацию. Поэтому с повышением содержания этих элементов усадка может значительно увеличиться (рис. 88б), если имеет место торможение графитизации, или остаться без заметного изменения (рис. 88) графита в чугуне остается постоянным. Подобным же образом можно охарактеризовать влияние легирующих элементов, увеличивающих усадку чугуна, главным образом в том случае, когда параллельно происходит уменьшение степени графитизации.
Учитывая влияние элементов, можно в качестве первого приближения использовать следующую формулу для определения линейной усадки чугуна в зависимости от его состава:
е = 1,8 + 0,2(С - 2,5 - Р) + 0,03Мn - 0,12(Si +2Сгр) (83)
Рис. 88. Влияние состава чугуна на его усадку.
Формула основана на предположении, что в чугуне, так же как в двойных Fe - С-сплавах, углерод увеличивает линейную усадку на 0,2% на 1% С, если содержание последнего превосходит 2,3%. Влияние фосфора оценено (по рис. 88 а) в 0,2% на 1 % Р. Влияние кремния и марганца принято по данным рис, 86 для соответствующих двойных сплавов; а влияние графита -0,24% на 1% выделяющегося свободного углерода. Как показывает проверка, эта формула дает достаточно точные совпадения с экспериментальными данными.
д) Влияние скорости охлаждения, температуры перегрева и газосодержание на усадку в твердом состоянии. Все факторы, определяющие скорость охлаждения отливок, в значительной мере влияют на величину усадки в твердом состоянии.
Как показывают многочисленные литературные данные применение сухих форм и их подогрев, а также увеличение толщины отливки, уменьшают усадку чугуна (рис. 89). При этом, главным образом, понижается доперлитная усадка увеличивается расширение, что является следствием графитизации в более интенсивного выделения газов при медленном охлаждении.
Рис. 89. Влияние подогрева формы и толщины отливки на усадку чугуна.
Точно так же при заливке в песочные формы усадка чугуна оказывается меньше, чем в случае применения металлических форм, причем в усадке обусловлена, главным образом, торможением графитизации. Однако эта разница наблюдается в некоторой степени (до 0,2%) и тогда, когда путем специальных мер предотвращается торможение графитизации. В этом случае разница в усадке объясняется в основном торможением расширения стенками и разницей в газовыделении при заливке в песочные и металлические формы.
Некоторое значение имеет также разница в торможении усадки в начале охлаждения отливок в песочных н металлических формах. Согласно теории А. А. Боппара, линейная усадка сплавов начинается с температуры между ликвидусом. При этом в начале охлаждении всегда происходит торможение усадки вследствие сопротивления, которое оказывает усадке форма. В результате образуются пластические деформации, и усадка уменьшается. Это сказывается в тем большей степени, чем медленнее охлаждение, так как преодоление сопротивления формы начинается в этом случае при более высокой температуре. При заливке в металлические формы усадка оказывается близкой по величине к теоретической, полностью свободной усадке - поэтому она всегда больше, чем при заливке в песочные формы.
Как видно из табл. 8, температура заливки также оказывает влияние на усадку чугуна: чем выше температура заливки, тем меньше усадка, что связано с соответствующим уменьшением скорости охлаждения.
Помимо температуры заливки, имеет значение и температура перегрева, с повышением которой уменьшается доперлитная усадка белого чугуна вследствие увеличения газосодержания. Усадка же серого чугуна при этом увеличивается, так как с увеличением температуры перегрева графитизация тормозится.
е) Влияние термической обработки на линейные размеры отливок. При изготовлении моделей для отливок приходится учитывать не только усадку металла в форме но и изменение размеров при последующей термической обработке. Выше указывалось, что закалка отливок на мартенсит приводит к заметному увеличению размеров (0,1-0,3%). Еще большее значение имеют процессы графитизации и обезуглероживания при термической обработке.
Таблица 8. Влияние температур перегрева и заливки на усадку белого и серого чугунов.
Выделение 1 % С в виде графита имеет своим следствием увеличение объема на 2% или на 0,67% по длине. Обезуглероживание же отливок приводит к уменьшению объема. Действительно, при реакции:
Fe3C + CO2 = 3Fe + 2CO2
уменьшение объема на 1 граммолекулу составляет:
Таким образом, если при термической обработке одновременно имеют место и графитизации и обезуглероживание, то изменение размеров отливки составляет:
∆l = 0.67С - 0,44 С2 (84)
где С1 - количество выделенного свободного углерода; C2 - количество углерода, удаленного во время термической обработки.
Поэтому при производстве ковкого чугуна литейная усадка принимается в среднем около 1%, вследствие расширения при графитизации чугуна во время термической обработки, несмотря на то, что в форме отливки имеют усадку около 1,8%. Наоборот, при процессе обезуглероживания окончательная усадка отливок может быть даже больше, чем у исходного белого чугуна том и другом случае усадка зависит от толщины отливок, определяющей соотношение между процессами графитизации и обезуглероживания. Чем тоньше отливка, тем больше обезуглероживание и тем дольше, следовательно, ее усадка. Поэтому при тонкостенном белосердечном ковком чугуне усадка может достигнуть 2,5-3%, а при толстостенном черносердечном ковком чугуне может снизиться до нуля и даже до отрицательной величины.
ж) Влияние торможения на литейную усадку чугунных отливок. В реальных условиях изготовления отливок только в редких случаях, при самой простой конфигурации, возможна беспрепятственная свободная усадка. В большинстве случаев имеет место торможение усадки: термическое, механическое или совместное (рис. 90).
Рис. 90. Схема конструкций отливок, дающих свободную и затрудненную усадку.
Как известно из общего курса "Теоретические основы литья металлов", термическое торможение усадки связано с конструкцией отливки. Оно зависит от сочетания в отливке связанных между собой частей, охлаждающихся с различной скоростью, так что усадка одной части отливки не может произойти без такой же по величине усадки другой части. В итоге такого термического торможения более толстые части получают несколько большую усадку, чем тонкие, в то время как при свободной усадке имеет место обратное соотношение.
Например, при свободной системе тонкая 25-мм плита в результате опыта имела усадку е =1,06% против 1,01% Для толстой 100 плиты. В связанной же системе (станина) тонкие части имели усадку е = 0,93% против 0,88%.
Большее значение имеет механическое торможение усадки, которое является следствием препятствий, создаваемых стержнями, формовочной смесью (например между фланцами), каркасом стержня, если он расположен близко к стенкам отливки, траверсами опоки и т, д.
Величина торможения в этом случае будет тем больше, чем больше сопротивление усадке, чем прочнее и менее податлива формовочная смесь и чем длиннее и тоньше отливка. Это в некоторой степени иллюстрируется следующими нормативными данными:
Чем длиннее и тоньше отливки, тем относительно меньшее значение имеет разрыхленный и податливый слой формовочной смеси, прилегающий к отливке, и тем, следовательно, больше торможение усадки. Естественно, что при этом значительно затрудняется получение здоровых отливок.
3) Влияние технологии формовки и заливки на литейную усадку чугунных отливок. В процессе формовки деталей приходится расколачивать модель, чтобы облегчить ее вынимание из формы. Это производится либо вручную ударами молотка, либо вибрацией модельной плиты при формовке на станках. При расколачивании размеры формы увеличиваются против размеров модели, и поэтому уменьшается литейная усадка отливки. При станочной работе, в особенности при пользовании вибраторами, разница в размерах модели и формы оказывается минимальной. При ручной формовке и при отсутствии достаточного опыта и тщательности в работе эта разница достигает максимальной величины и может иногда иметь следствием не только полное уничтожение литейной усадки, но даже получение отливок, больших по размерам, чем модель (отрицательная усадка).
По этой причине получение в массовом производстве изделий с точными размерами немыслимо при работе вручную и тем более по деревянным моделям. которые при поглощении влаги могут значительно изменять свои размеры. Аналогичное влияние оказывают равномерность и плотность набивки формы. При слабой набивке и большом напоре жидкого металла в процессе заполнения формы может произойти значительное увеличение размеров отливки.
Влияние этих факторов, имеющих индивидуальный характер, не поддается теоретическому расчету. В каждом отдельном случае, в зависимости от конфигурации отливок, способа формовки, квалификации литейщиков и культуры производства, эти факторы следует определять экспериментально и учитывай, при изготовлении моделей. Литейная усадки чугуна, как результирующая многочисленных факторов, влияющих на усадку в твердом состоянии, колеблется практически в значительных пределах:
Нижние пределы относятся к более крупным отливкам, медленному охлаждению, большому механическому торможению усадки чугуна, большому насыщению газами, высокой степени графитизации, малому обезуглероживанию. Верхние пределы относятся к противоположным условиям. При этом, в зависимости от конфигурации отливки и направления торможения усадки, возможна разная по величине усадка по разным направлениям. Например, цилиндры испытывают торможение усадки главным образом по диаметру. Поэтому усадка чугуна по длине (1,0-0,8%) у этих отливок превосходит усадку по диаметру (0,5-0,7%).