отливку, этому впитыванию будет содействовать сила тяжести сплава.
Целесообразно не только уменьшение числа, но и размеров прибылей. При определенной величине усадочной раковины это равнозначно увеличению относительного объема, занимаемого раковиной внутри прибыли, и уменьшению количества металла, по- ступающего затем на переплав. Размеры прибылей можно уменьшить за счет выбора их оптимальной конфигурации, в частности, прибылям часто придают форму усеченного конуса, обращенного большим основанием кверху. Относительный объем. раковины в прибыли (т. е. отношение объема раковины к объему прибыли увеличивается при уменьшении толщины затвердевших стенок прибыли, отделяющих раковину от формы. Это обуславливает целесообразность мер, направленных к тому, чтобы отвод теплоты. от стенок прибыли к форме был минимальным. В практике применяют подогрев части формы, образующей прибыли, в частности, эту часть формы делают иногда из так называемых экзотермических формовочных смесей, содержащих вещества, которые при высоких температурах способны химически реагировать между собой и выделять при этом дополнительное количество теплоты. Часто на практике в прибыль дополнительно заливают жидкий сплав (через некоторое время после заполнения формы). Дополнительную заливку производят в момент, когда корка на верхней поверхности прибыли еще тонка или ее вообще нет и уровень жидкого сплава в прибыли вследствие усадки уже понизился. Дополнительная заливка повышает температуру сплава, находящегося в прибыли.
.Для улучшения условий проникновения жидкого сплава из прибыли к местам кристаллизации иногда к зеркалу сплава в прибыли прикладывают внешнее давление, об этом подробнее будет сказано ниже.
3. Усадочные поры
Условия питания кристаллизующегося сплава усложняются, если он затвердевает в интервале температур. Жидкость, компенсирующая укладку, должна доставляться в этом случае не к фронту кристаллизации, а к местам кристаллизации в глубине двухфазной зоны. Жидкий сплав в эту зону проникает, как было показано, под действием капиллярного давления. Жидкий сплав внутрь двухфазной области перемещается весьма интенсивно, до тех пор, пока эта область, имеющая капиллярно-пористое строение, соприкасается с обособленной зоной жидкого сплава в центре отливки. Выше было установлено, что интенсивное циркуляционное движение жидкого сплава внутри двухфазной зоны сильно замедляется после конца стадии процесса затвердевания. Это замедление касается внутренней зоны не полностью затвердевших кристаллов.
Таким образом, до конца стадии затвердевания и формирования структурной зоны (при литье однофазных твердых растворов – области столбчатых кристаллов) питание сплава протекает обычным путем. Уровень жидкости во внутренней части отливки постепенно снижается, образуя усадочную раковину, а сплав, компенсирующий усадку, доставляется к поверхностям растущих кристаллов под действием капиллярных сил. Жидкость, обогащенная ликватами и возвращающаяся в центр отливки, не может уменьшить усадочной раковины, так как часть жидкости, проникшая в двухфазную область, израсходована на восполнение объема сплава, подвергшегося усадке при кристаллизации.
Контакт с обособленной зоной подвижной жидкости, имеющей постоянный средний состав, теперь отсутствует, так как эта зона в стадии процесса охлаждения отливки исчезает. Сохраняющееся замедленное движение жидкости объясняется тем, что в двухфазной области продолжают существовать каналы, расширяющиеся к центру отливки, и жидкость, содержащая много ликватов и плохо смачивающая твердые кристаллы, вытесняется жидкостью, содержащей несколько меньшее количество ликвирующих элементов.
В период формирования структурной зоны (зоны равноосных кристаллов) усадочная раковина практически развиваться не может, так как уровень жидкости должен теперь снижаться между зернами твердой фазы, начавшей расти у границ усадочной раковины в момент конца стадии затвердевания и начала стадии процесса охлаждения.
Естественно, что в этих очень изменившихся условиях питание продолжающих расти кристаллов оказывается недостаточным, и сплав в третьей структурной области оказывается пористым.
Таким образом, при литье сплавов, затвердевающих в интервале температур, в отливке одновременно образуются и усадочные раковины и усадочные поры. Распределение общего объема усадочных полостей между раковинами и порами можно рассчитать по соотношению объемов плотного и пористого металлов. Это соотношение, зависит от эффективной величины интервала кристаллизации сплава и интенсивности охлаждения отливки. На рис. 6 дан график, характеризующий относительные объемы усадочных раковин и усадочных пор, выраженные в долях общего объема усадочных полостей, которые образуются в бинарных алюминиево-медных сплавах разного состава.
Рис.6. Распределение объема усадочных полостей между усадочными раковинами и усадочными порами: 1 – при повышенной интенсивности охлаждения; 2 – при пониженной интенсивности охлаждения; 3 – общий объем усадочных полостей (раковин и пор).
Усадочная пористость, развивающаяся в центральной структурной зоне отливок, является причиной их не герметичности.
Впервые недостаточная плотность сплавов, кристаллизующихся з широком интервале температур, была отмечена А. Портевеном и П. Бастиеном. Позднее академик А. А. Бочвар и его сотрудники подтвердили это наблюдение. Академику А. А. Бочвару принадлежит заслуга выявления взаимосвязей между составом сплава и его положением на диаграмме состояния, с одной стороны, и различными свойствами этого сплава, – с другой (жидко- текучесть, склонность к транскристаллизации, герметичность, склонность к прямой и обратной ликвации и др.).
Герметичность сплавов изучали следующим образом.: Из отдельных сплавов; относящихся к бинарной системе Аl – Сu, отливали плоские пластины толщиной 30 мм. Во всех случаях перед заливкой сплав перегревали на одинаковое число градусов над температурой ликвидуса. Все отливки охлаждали в идентичных условиях. После охлаждения к одной из сторон пластины подводили керосин под давлением 50 ат. Визуальным наблюдением за противоположной стороной пластины устанавливали, протекает или не протекает керосин сквозь отливку. Если керосин не протекал, на токарном станке с обеих сторон пластины снимали слой толщиной 1 мм и опыт с керосином повторяли. Снятие слоев с обеих сторон пластины и пробу на герметичность повторяли до тех пор, пока на открытой стороне отливки не появлялись мелкие капли керосина (отпотевание). Опыты, в которых обнаруживали течь керосина в виде струи, отбрасывались, так как это указывало на наличие трещин в сплаве. Полученные при экспериментах результаты иллюстрирует рис. 7.
По оси ординат отложена герметичность, которую считали тем выше; чем больше было снято слоев с отливки до обнаружения течи и чем тоньше оказывалась оставшаяся после механической обработки пластина. Был сделан вывод о высокой герметичности чистых металлов и эвтектических сплавов и о низкой герметичности сплавов, кристаллизующихся в широком интервале температур.
Рис. 7. Герметичность отливок, изготовленных из алюминиево-медных сплавов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ВОЗНИКНОВЕНИЕМ УСАДОЧНЫХ ПОР В ОТЛИВКАХ
Борьба с усадочными порами в отливках представляет собой задачу более сложную, чем борьба с усадочными раковинами. В последнем случае ликвидация последствий усадки связана главным образом с дополнительными экономическими затратами на устройство, отрезку, хранение, транспорт и переплав прибылей. Ликвидация же пористости не всегда возможна по техническим соображениям. Часто принимаемые на практике меры не устраняют пористости, а лишь уменьшают ее.
Полная ликвидация в отливке дефектной пористой зоны может быть достигнута при выведении в прибыль всей структурной зоны. Здесь следует напомнить, что в рассмотренном ранее примере затвердевания плоской отливки термический ее центр совпадал с осевой плоскостью, в то время как в реальных отливках различных конфигураций тепловой центр и усадочная раковина находятся вне точки симметрии, а структурная зона 3 необязательно развивается в объеме, границы которого параллельны поверхности отливки. Во всех случаях центральная зона, отличающаяся равноосным кристаллическим строением, положительной ликвацией и пористостью, прилегает к усадочной раковине. Выведение структурной зоны в прибыль может резко увеличить ее размеры и уменьшить удельный объем усадочных полостей во всем занимаемом ею пространстве. Иногда вывести пористую зону в прибыль вообще невозможно, так как в эта зона может занимать весь или почти весь объем отливки.
Сравнительно широко распространен способ уменьшения усадочной пористости путем удлинения периода, в течение которого может развиваться усадочная раковина. Приложение к жидкому сплаву, находящемуся в прибыли, внешнего давления может заставить его продолжать питать двухфазную область (образующую впоследствии структурную зону) и после начала роста твердых кристаллов на границе усадочной раковины при условии, конечно, что этот рост не успел вызвать образования сплошной твердой корки. Для создания давления на сплав, находящийся в прибыли, можно подвести к ней сжатый воздух или соединить полость при- были, отделенную от внешней среды твердой коркой, с воздушной атмосферой и т. д. Иногда в прибыли закладывают патроны, наполненные мелом; после герметизации прибыли, происходящей за счет образования внешней корки, патрон, толщину стенок которой соответствующим образом рассчитывают, разрушается, и мел в условиях высокой температуры разлагается по уравнению СаСО3 = СаО