Усадка металла при литье
Обновлено: 19.05.2024
Усадка - сокращение размеров тела при переходе из расплавленного состояния в твердое или с более нагретого в менее нагретом состоянии.
Различают объемную и линейную усадку.
- Объемная усадка - уменьшение объема тела.
- Линейная усадка - уменьшение размера тела в прямолинейном направлении (по длине или ширине).
Усадка в различных материалах различна и зависит от степени их нагрева, способа охлаждения и др. Степень усадки материала характеризуется отношением уменьшенного объема изделия к начальному его объему и выражается в процентах. Сокращение объема тела при охлаждении его на 1 градус называется коэффициентом усадки. Линейную усадку металлов и их сплавов, а также других материалов можно определить дилатометром.
Объемную усадку пластических масс в процессе их полимеризации или структурирования определяют с помощью оптического Катетометра. При изготовлении зубных протезов и лечебных аппаратов следует учитывать усадку материалов. Для более полного соответствия величины протезов, изготавливаемых подбирают материалы, имеющие минимальную усадку. Используют также такую технологию изготовления и способы обработки изделий, которые наиболее полно компенсируют усадку материала. Например при отливке безпаяных мостовидных протезов из хромникелевой нержавеющей стали в качестве формовочной массы используют маршалит, пластифицированный гидролизованый этилсиликатом, или сухой кварцевый песок, который при определенном режиме термической обработки полностью компенсирует усадку стали, поэтому изготовленные протезы имеют точно определенную форму и размеры и без дополнительного препарирования зубов накладываются на опорные зубы.
При переходе металла из расплавленного состояния в твердое выделяют три периода усадки: усадка в жидком состоянии, усадка в период затвердевания и усадка в твердом состоянии.
1. Усадка металла в жидком состоянии, т.е. в состоянии от температуры заливки его в форму до появления первых кристаллов, характеризуется снижением поверхности жидкого металла в форме в следствии уменьшения объема сплава при охлаждении. Чем выше начальная температура металла, тем большее снижение уровня поверхности расплава в воронке формы для литья, однако на размеры отливки в разных ее участках и плотности массы это не влияет, так как недостаточное для заполнения формы количество сплава непрерывно поступает по литниковым ходам.
2. Усадка в период затвердения характеризуется непрерывным увеличением количества твердеющего металла и уменьшением количества его жидкой части. После затвердевания жидкой части сплава (точка S) этот период заканчивается. Затвердевание (кристаллизация) металла сначала начинается там, где наиболее низкая температура, то есть в участках соприкосновения его со стенками формы. В связи с этим контуры отливки и его размеры во втором периоде усадки почти всегда остаются постоянными. Более существенные изменения происходят внутри отливки. В связи с невозможностью поступления новой порции расплава для компенсации усадки внутри отливки в толще последней образуются усадочные полости или раковины. Объем усадочных раковин зависит от величины усадки, которая в свою очередь находится в прямой зависимости от величины отливки, степени нагрева расплава и его физико-химических свойств.
Размещение усадочных раковин зависит от размещения термического узла отливки, силы тяжести металла или силы, под воздействием которой происходит заполнение формы для литья расплавом.
На образование усадочных раковин влияет также теплопроводность формы и скорость охлаждения отливки. При искусственно замедленном охлаждении отливки можно достичь такого положения, при котором в период затвердевания усадочные микрораковины будут равномерно размещены по всему сечению отливки. При этом в разрезе или сломе деталь будет казаться хорошо отлитой, в то время как ее механические свойства действительности снижены, а плотность уменьшена. При металлографическом исследовании обнаруживается большое количество микропор.
3. Усадка в твердом состоянии. Этот период характеризуется упорядоченным расположением атомов в кристаллической решетке. Размеры этой решетки с понижением температуры уменьшается, чем объясняется уменьшение отрицательных и линейных размеров отливки. Для компенсации этой усадки следует использовать формовочные массы, имеющие достаточный коэффициент термического расширения.
Форму перед заливкой металла предварительно подогревают до температуры, при которой ее термическое расширение максимальное, и может компенсировать усадку материала в твердой фазе.
Условно разделяют усадку на три основных этапа, неправильно рассматривать эти процессы изолированно друг от друга. Усадка как в жидком, так и в твердом состоянии происходит параллельно, однако усадка жидкой части метала и сплавов чаще протекает быстрее, что обусловливает образование усадочных раковин.
На каждом этапе усадки предусмотрены свои профилактические приемы предупреждения образования усадочных раковин, однако наиболее важными из них является правильное определение термического узла и реальной компенсации усадки за счет термического расширения формы. Каждый термический узел должен иметь свой литник и дополнительный питатель (прибили).
Компенсация усадки металлов при литье достигается использованием технологических способов:
1. Изготовление моделей, которые выплавляются увеличенными на величину усадки размеров. Это достигается применением компенсационных лаков. Так, при отливке путем снятия восковых репродукций из модели (цельнолитые коронки, мостовидные протезы), препарированных зубов на модели перед восковым моделированием покрывают компенсационным лаком. При твердении лак дает пленку определенной толщины, которая соответствует величине усадки определенного сплава.
2. Применение материала типа «Адепта» для моделирования репродукций каркасов цельнолитых коронок. При этом внутренний колпачок толщиной 0,1 мм выполняет ту же функцию, что и компенсационный лак.
3. Литье каркасов съемных (бюгельных, ЧС пластиночных с металлическим базисом) на моделях с огнеупорной массы. Расширение модели компенсирует усадку сплава при отливке.
4. Построение литниковой системы с созданием резервных муфт, которые обеспечивают поступление металла в области расположения деталей каркасов, компенсируя усадку на периферии отливки.
5. Размещение литниковой системы в «центре тепла» опоки, а деталей отливки на периферии обеспечивает возможность постоянного поступления расплавленного сплава и профилактики образования пор в отливке.
6. Создание в литниковой системе дополнительных газоотводных каналов.
7. Использование для создания огнеупорных форм (опок, муфелей, формовочных масс, КТР которых соответствует величине усадки сплава, которые отливаются).
8. Использование для создания репродукций каркасов беззольных моделирующих материалов (восков, пластмасс) с минимальной усадкой.
9. Соблюдение технологии и температурных режимов при формовании и разогреве опок (муфель) и при отливке.
Литейные свойства металлов и сплавов: жидкотекучесть, усадка, ликвация
Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.
Жидкотекучесть–способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литейной формы. Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т.д.
Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так , песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. Так же влияет химический состав сплава (с увеличением содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с увеличением содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода жидкотекучесть увеличивается).
Усадка–свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки. Различают объемную и линейнуюусадку.
В результате объемной усадки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных частях отливки. Для предупреждения образования усадочных раковин устанавливают прибыли – дополнительные резервуары с расплавленным металлом, а также наружные или внутренние холодильники.
Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок, поэтому она учитывается при разработке технологии литья и изготовления модельной оснастки. Линейная усадка составляет: для серого чугуна – 0,8…1,3 %; для углеродистых сталей – 2…2,4 %; для алюминиевых сплавов – 0,9…1,45 %; для медных сплавов – 1,4…2,3 %.
Газопоглощение– способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава увеличивается незначительно; возрастает при плавлении; резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры.
Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.
Ликвация–неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод.
Различают ликвацию зональную,когда различные части отливки имеют различный химический состав, и дендритную,когдахимическая неоднородность наблюдается в каждом зерне.
Процессы плавления и кристаллизации металла сварочной ванны.
Кристаллизация - это процесс образования зерен (кристаллитов) металла при его охлаждении. Кристаллитом называют кристалл неправильной формы. Возникновение и рост кристаллитов при переходе металла из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Преобразование первичных кристаллитов при охлаждении затвердевшего металла, структурные превращения в нем, называют вторичной кристаллизацией.
Сварочная ванна
Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой или газопламенной сварке, и второго типа, образующуюся при электрошлаковой сварке. Рассмотрим подробнее сварочную ванну первого типа, поскольку она встречается чаще (рис. 1).
Рис. 1. Схема образования шва при дуговой сварке:
1 - линия (зона) сплавления; 2 - частично оплавленные зерна основного металла; 3 - столбчатые кристаллиты; 4 - кристаллизационные слои; 5 - автономные неориентированные кристаллиты; S - толщина свариваемой кромки; h - глубина проплавления; е - ширина шва; q - высота усиления шва
Усадка сплавов при литье и методы его компенсации
9. Усадка. Периоды усадки. Линейная, литейная, объемная усадка. Усадочные раковины. Усадочная пористость.
Усадкой называется сокращение линейных размеров и объёма материалов вследствие влаги, уплотнения, затвердевания и других процессов.
Применительно к отливкам усадкой принято называть процесс уменьшения линейных размеров и объёма при охлаждении, начиная с некоторой температуры жидкого металла в литейной форме до температуры окружающей среды.
Усадка относится к числу важнейших литейных свойств, так как с ней связаны основные технологические трудности в производстве фасонных отливок.
Следует различать три основных периода усадки:
1) в жидком состоянии до наступления температуры кристаллизации;
2) при затвердевании в процессе кристаллизации (в температурном интервале ликвидус - солидус);
3) в твёрдом состоянии.
Принято также различать линейную и объёмную усадку. Обычно линейную и объёмную усадки выражают не в абсолютных значениях, а в относительных процентах:
lф – соответствующий линейный размер литейной формы;
l0 – размер отливки после затвердевания по тому же направлению при обычной температуре;
Vф – объем формы;
V0 – объем отливки при обычной температуре.
Линейная усадка.
В процессе охлаждения жидкого металла или сплава в литейной форме образуется корка (при последовательном затвердевании) или скелет из кристаллов (при объёмном затвердевании). По мере отдачи тепла в окружающую среду температура затвердевшей корки или скелета кристаллов понижается и в результате этого происходит сокращение линейных размеров отливки.
В некоторых металлах и сплавах при определённых условиях могут иметь место фазовые превращения (например, у чугуна – графитизация), выделение газов (например, у стали и других сплавов вследствие резкого уменьшения растворимости выделяется водород) и другие явления, которые сопровождаются ростом объема и увеличения линейных размеров отливки. Такое увеличение размеров называют предусадочным расширением.
Величина линейной усадки (или расширение) определяется изменением температуры, коэффициентом линейного расширения и коэффициентом, характеризующим изменение объёма твёрдой корки в процессе фазового перехода (если он происходит).
С увеличением интенсивности теплообмена линейная усадка отливки заметно возрастает.
Интенсивность охлаждения отливки определяется геометрическими и термофизическими свойствами литейной формы. Наибольшая интенсивность имеет место при использовании тонкостенных металлических водоохлаждаемых форм (в условиях кипения воды), затем следуют обычные металлические формы, покрытые краской, сырые песчаные и сухие песчаные формы.
Обычно усадка сопровождается образованием зазора между отливкой и стенками литейной формы. Такой зазор, заполненный горячим газом, может сильно снизить интенсивность теплообмена.
Таким образом, с увеличением начальной интенсивности теплообмена скорость падения интенсивности теплообмена в процессе усадки возрастает.
Установлено (А.А. Бочвар, Ю.А. Нехендзи), что линейная усадка начинается не с момента полного затвердевания отливки, а несколько раньше, когда образуется достаточно прочный скелет из соприкасающихся дендритов, способный противостоять давлению жидкого металла.
Следовательно, температура начала линейной усадки находится между температурами ликвидуса и солидуса.
Только для чистых металлов начало линейной усадки совпадает с критической температурой.
Применительно к сплавам, затвердевающим в интервале температур, установлено, что усадка начинается тогда, когда процесс первичной кристаллизации прошел примерно на 75 – 95%, т. е. когда количество оставшейся жидкой фазы составляет 25 – 5%.
Литейная усадка.
Литейной усадкой называют разницу между линейными размерами модели и отливки :
Литейная усадка отличается от линейной, так как она зависит не только от свойств и состояния металла или сплава, но и от конструкции отливки, конструкции формы и некоторых других факторов.
Полная объёмная усадка.
Полная объёмная усадка любого металла или сплава при формировании отливки из расплава, залитого в литейную форму, складывается из усадки металла в жидком состоянии , усадки при затвердевании , когда происходит понижение температуры от ликвидуса до солидуса, и усадки в твёрдом состоянии :
Усадку при затвердевании для стали принимают равной 2,7–3,0% от объёма при нормальной температуре. В тоже время считают, что при затвердевании серого чугуна усадка не происходит.
Усадка при затвердевании и полная усадка стали зависят от содержания углерода. С повышением содержания углерода они увеличиваются.
Усадочные раковины.
Усадочная раковина – это полость в металлическом слитке, фасонной отливке или прибыли образующаяся при их затвердевании в результате некомпенсируемой объемной усадки.
Большинство металлов и сплавов характеризуются в жидком состоянии большим удельным объёмом, чем в твёрдом. Если бы во время формирования отливки в литейной форме уменьшение удельного объема происходило во всех частях отливки одновременно, то следствием усадки было бы только уменьшение размеров отливки на величину, зависящую от разницы удельных объемов в жидком и твердом состояниях.
В реальных условиях затвердевание некоторых частей отливки в форме происходит неравномерно. Теплоотдача в окружающую среду будет различной в зависимости от сечения отливок, времени с момента начала кристаллизации и ряда других факторов. Когда наружные слои отливки затвердевают и изменяют удельный объем и размеры, внутренние части могут быть еще в жидком состоянии. В этой части отливки, если она изолирована от источника пополнения ее до полного затвердевания, в жидком металле образуется усадочная раковина.
В том случае, когда в отливке в результате усадки образуются местные наружные уменьшения объема с образованием впадин и вмятин снаружи (главным образом в верхней части), имеют дело с внешними сосредоточенными (концентрированными) усадочными раковинами (рис.41).
Если усадочная раковина расположена внутри отливки и сосредоточена преимущественно в одном месте, ее называют внутренней сосредоточенной усадочной раковиной (рис.42).
Величина усадки определяется:
1) размер усадочной раковины зависит от коэффициента усадки металла или сплава в жидком состоянии , который может изменяться в зависимости от природы и химического состава сплава;
2) чем выше температура жидкого металла или сплава к началу затвердевания отливки (моменту образования поверхностной корки), тем больше размер образующейся усадочной раковины. Эта температура в свою очередь зависит он ряда факторов (теплопроводности самого сплава, температуры заливки, весовой скорости заполнения формы, интенсивности теплоотвода);
3) величина усадки при затвердевании зависит только от природы и состава сплава и не поддается никакому внешнему технологическому воздействию;
4) чем интенсивнее охлаждение отливки в твердом состоянии, тем меньшей будет средняя температура затвердевшего металла или сплава к моменту затвердевания последнего объема жидкости и, как следствие, объем усадочной раковины уменьшается.
Усадочная пористость. Усадочной пористостью называют скопления мелких пустот неправильной формы, образующихся в результате объемной усадки в условиях отсутствия доступа к ним жидкого металла.
Усадочные поры формируются в междендритных пространствах, в момент, когда объемная усадка ещё продолжается, а доступ жидкого металла к образующимся в результате усадки пустотам прекращается.
Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной.
Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние.
Как построить свою речь (словесное оформление): При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою.
Читайте также: