Процесс формирования структуры отливок в литейной форме

Процесс формирования структуры в реальных отливках зависит от многих факторов, которые определяются свойствами каждого конкретного сплава, формы и конструкции отливки. На затвердевание влияют теплофизические свойства сплава и формы, температура заливки сплава и формы перед заливкой, металлоемкость формы и средняя толщина стенки отливки. Начинается кристаллизация всегда у стенок формы по гетерогенному типу. Величина структурных зон в отливке, от которой зависят эксплуатационные свойства готовой литой детали, зависит от технологических процессов по регулированию кристаллизационных процессов.

После выпуска металла из плавильной печи в ковш при температуре t_к в течение времени t_к металл выдерживается и охлаждается в ковше. Это необходимо, чтобы доставить ковш от участка плавки к месту заливки форм, а также произвести ковшевые металлургические операции (добавка легирующих и модификаторов для получения заданной структуры и свойств литого металла, рафинирование жидкого металла путем продувки инертными газами, обработки специальными шлаками, вакуумирование, фильтрование через кусковые или сетчатые фильтры и т.д.). По достижении требуемой температуры заливки t_зал производится заливка металла в форму. С этого момента и до момента выбивки t_в (извлечение из формы) металл охлаждается в форме (рис. 2.1, б), отдавая ей свою теплоту перегрева Dt_пер над ликвидусом, теплоту затвердевания в интервале ликвидус-солидус Dt_инт, а затем – теплоту охлаждения в a-твердом состоянии от солидуса t_с до температуры фазового превращения t_пр и в (a + b)-состоянии до выбивки из формы.

Дальнейшее охлаждение отливки происходит на воздухе.

За время t_в охлаждения металла в форме от t_зал до t_в последовательно происходит ряд процессов, определяющих качество отливки:

- течение металла при заполнении полости формы и внутри затвердевающей отливки;

- кристаллизация металла, то есть переход из жидкого состояния в твердое с образованием центров кристаллизации, рост которых приводит к формированию литой структуры;

- выделение растворенных в металле газов при понижении температуры расплава и в процессе его затвердевания с образованием крупных газовых пузырей (газовых раковин) и микроскопических пузырьков (пор);

- выделение неметаллических включений, их всплывание в жидком металле и удаление, а также застревание в объеме кристаллизующегося твердожидкого металла;

- ликвация примесей в результате избирательной кристаллизации и перемещения жидкой фазы, обогащенной примесями, по сечению отливки с образованием макроскопической (зональной) и микроскопической (дендритной) ликвации;

- объемная усадка (сокращение объема) металла при понижении температуры и фазовом переходе с образованием концентрированных усадочных раковин и рассеянной усадочной пористости;

- линейная усадка (сокращение наружных размеров) отливки, вызывающая появление деформаций, напряжений, коробления и трещин.

Перечисленные процессы, включающие сложный комплекс взаимосвязанных физических явлений теплообмена, гидродинамики, диффузии, фильтрации и т.д., при нерациональной технологии изготовления отливки приводят к появлению многообразных дефектов.

Литейные сплавы всегда кристаллизуются в интервале температур, и область затвердевания располагается между изотермическими поверхностями в отливке с температурами ликвидуса и солидуса.

Область затвердевания состоит из твердожидкой зоны (скелет из твердой фазы и включения жидкой фазы) и жидко-твердой зоны (жидкость с включениями разрозненных выделений твердой фазы).

Если из незатвердевшей отливки вылить жидкую фазу, то с ней удалится жидко-твердая зона. Поэтому граница между двумя зонами области называется выливаемостью.

В твердожидкой зоне выделяется участок, в котором жидкая фаза разобщена растущими кристаллами и не может подпитываться по микроканалам. Граница этого участка - граница питания; на диаграмме состояния она располагается несколько ниже границы выливаемости (нулевой жидкотекучести).

Границы 1, 2, 3, 4, 5 меняются в зависимости от условий охлаждения и характера кристаллизации. Для компактных дендритов и округлых кристаллов успевает образоваться 50-70 % твердой фазы, а граница выливаемости сдвигается к солидусу.

При образовании разветвленных дендритов твердый скелет образуется уже при 15-30 % твердой фазы, а граница выливаемости располагается ближе к ликвидусу (рис. 2.3).

Последние исследования в области кристаллизации отливок показали, что во всех отливках можно предполагать определенную последовательность твердения от внешней поверхности к центру. Паттерсон разделяет последовательное затвердевание на четыре типа, а именно: А – экзогенное с ростом компактных кристаллов; В – экзогенное с ростом дендритных кристаллов; С – эндогенное с ростом компактных кристаллов; D – эндогенное с ростом дендритных кристаллов.

Механизм протекания процесса затвердевания сильно влияет на характер фронта кристаллизации, от которого, в свою очередь, зависят количество расплава, изолируемого в процессе затвердевания от остального объема жидкой фазы, и склонность к образованию некоторых характерных пороков отливок (микроусадочной пористости).

При одинаковых условиях затвердевания (одинаковая среда, в которую заливается металл при одинаковых условиях) с повышением содержания добавляемого элемента в сплаве происходит переход от экзогенного роста компактных кристаллов к эндогенной дендритной кристаллизации.

Как только температура сплава у стенок формы упадет до температуры ликвидуса, в этой зоне начинается кристаллизация. В случае если сплав затвердевает в интервале температур, то в зоне затвердевания присутствуют две фазы (твердая и жидкая). В момент, когда температура сплава упадет до температуры солидуса, затвердевают остатки жидкой фазы, и во всей отливке будет только твердая фаза. В процессе затвердевания одновременно могут существовать три зоны:

- зона твердого металла (ξ), толщина которой со временем непрерывно увеличивается;

- двухфазная зона (δ), ширина которой зависит от интервала затвердевания и градиента температуры;

- зона расплава, ширина которой непрерывно уменьшается.

При дальнейшем понижении температуры сплава ниже температуры солидуса в сплаве может произойти вторичная кристаллизация. Отливка остывает в форме до тех пор, пока ее температура не понизится до значения, при котором ее можно извлечь из формы без опасности образования в ней внутренних напряжений.

Расположение отдельных зон в затвердевшей стенке отливки с учетом некоторых физических параметров сплава схематически изображено на рис. 2.5.

Поверхность, которая образует границу между зоной твердого металла и двухфазной зоной, называется изосолидусом (температура соответствует солидусу). Поверхность, которая образует границу между двухфазной зоной и зоной расплава, называется изоликвидусом (здесь температура соответствует температуре ликвидуса заливаемого сплава). В чистых металлах или эвтектических сплавах, которые затвердевают не в интервале температур, двухфазная зона не образуется.

Ширина двухфазной зоны оказывает влияние, как на структуру сплава, так и на степень ликвации. Чем шире двухфазная зона, тем меньше образуется столбчатых (ориентированных) кристаллов. Существенное слияние оказывает ширина двухфазной зоны и на степень дендритной и зональной ликвации, являющейся следствием избирательного затвердевания составляющих сплава как внутри отдельных дендритов, так и стенок отливки.

Ширина двухфазной зоны влияет также на микропористость структуры. При широкой двухфазной зоне образуются изолированные островки расплава, при усадке которых образуются микропоры (рис. 2.6).

На ширину двухфазной зоны оказывают влияние:

- интервал затвердевания сплава, чем больше интервал затвердевания, тем шире двухфазная зона;

- температурный перепад по поперечному сечению отливки, который зависит от теплоаккумулирующей способности формы (металлические формы образуют резкий перепад температур), от теплопроводности заливаемого сплава (чем меньше теплопроводность, тем круче температурный перепад), от температуры заливки (чем выше температура металла при заливке, тем меньше температурный перепад вследствие прогрева формы) и от температуры затвердевания сплава.

Дата добавления: 2014-01-03