Усадочные раковины: Виды и причины дефектов

Усадочные раковины образуются во всех технических литейных материалах, независимо от литейной формы или технологии литья. Однако литье под давлением дает возможность предотвратить или минимизировать образование усадочных раковин путем создания высокого конечного давления сразу после заполнения литейной формы. При этом не исключается появление газовой пористости.

В зависимости от проявления кристаллизационных отверстий различают закрытые (внутренние) усадочные раковины, открытые (внешние) усадочные раковины и утяжины. Расположение усадочных раковин можно объяснить логически: внешние усадочные раковины, как правило, возникают в зоне верхней полуформы, которая кристаллизуется последней, в толстостенных отливках, а также вблизи питателя и литника. Внутренние усадочные раковины образуются в зонах с более толстыми стенками и в особенности в переходных по толщине зонах. Утяжины преимущественно возникают в зонах перехода поперечных сечений, а также на внешней поверхности деталей с относительно большой толщиной стенок. Часто данные дефекты появляются в сочетании с микропористостью.

Проявления кристаллизационных отверстий

Материалы с малой длительностью кристаллизации и образованием гладких стенок, такие как чистые металлы и эвтектические и перитектические сплавы, особенно подвержены образованию кристаллизационных отверстий.

Кристаллизационные отверстия

(внешние усадочные раковины) представляют собой глубокие симметричные полости, как правило, имеющие
выходящее наружу воронкообразное отверстие, и иногда продолжающееся внутрь в виде закрытых полостей. Стенки полостей в основном шероховатые и часто имеют дендритную структуру. Внешние усадочные раковины четко видны невооруженным глазом.

Внутренние усадочные раковины

не связаны с внешней средой и расположены внутри литой детали. Они имеют неправильную форму. Стенки раковины шероховатые и часто покрыты дендритом. Их можно увидеть невооруженным глазом при неразрушающем испытании или позднее при обработке.

Утяжины – это желобообразные полости на поверхности отливки, образующиеся в зоне наибольшего скопления материала. Поверхность утяжины не отличается от поверхности всей отливки. Утяжины также четко видны невооруженным глазом. Если сопровождающие литье меры (направленная кристаллизация, заливка) не приводят к перемещению усадочных раковин в зоны за пределами литой детали, такие дефекты литья приводят к отбраковке соответствующей детали.

Усадка литейных металлов при кристаллизации и охлаждении

Удельный объем стандартных литейных металлов больше в жидком состоянии, чем в твердом. По этой причине данные металлы во время кристаллизации и охлаждения подвергаются усадке. Это приводит к дефициту объема, который проявляется в виде таких дефектов, как усадочные раковины, утяжины, микропористость, и т. д. Таким образом, усадочные раковины являются результатом взаимосвязи между физическим дефицитом объема при кристаллизации и возможностью компенсировать ее за счет дополнительной подачи материала.

Величина технологического дефицита объема в сочетании с удельным объемом в первую очередь и более всего зависит от материала литья. Помимо общего дефицита объема, его распределения в теле отливки и удельного объема, виды дефектов зависят и от процесса кристаллизации. Особыми факторами влияния являются содержание газа в сплаве, движение стенок литейной формы при литье в песчаную форму, а также
распространение графита при кристаллизации – в случае специальных чугунов.

Усадочные раковины в специальных чугунах

Характерной для дефицита объема в сером литейном чугуне является разница между удельными объемами отдельных элементов микроструктуры (см. таблицу ниже).

Удельные объемы отдельных элементов микроструктуры литейного чугуна

Элемент
микроструктуры
Удельный объем,
м3/г
Феррит 0.1271
Карбид железа 0.1303
Аустенит (насыщенный углеродом) 0.1360
Графит 0.4475

При эвтектической кристаллизации расширение осажденного графита препятствует кристаллизационной усадке
аустенита. При определенном содержании графита возможно, что усадка, которая происходит при кристаллизации, компенсируется при формировании аустенита. Это означает, что в зависимости от химического состава, условий охлаждения и зарождения центров кристаллизации, может происходить так называемая «самостоятельная подача». Если количество графита, осажденного при эвтектической кристаллизации,
расширение объема, вызванное образованием графита, может быть даже большим, чем усадка при кристаллизации металлической фазы, что означает, что расширение происходит в целом.

Литейный чугун с пластинчатым графитом демонстрирует тенденцию к снижению образования усадочных раковин по мере того, как уровень насыщения хромом увеличивается до достижения точки эвтектики. Здесь наблюдается наименьший дефицит объема. Это относится как к размеру внешней усадочной раковины, так и к процентному отношению микропористости при усадке. В заэвтектическом интервале тенденция к образованию усадочных раковин вновь усиливается.

При одном и том же уровне насыщения хромом, по мере повышения содержания углерода наблюдается снижение ожидаемого объема усадочных раковин. Фосфор повышает склонность к образованию микропористости, главным образом, за счет образования остаточного расплава с высоким содержанием фосфора (> 0,3 %).

При условии, что кристаллизация немодифицированного чугуна должна протекать так же, как и кристаллизация
серого литейного чугуна, модифицирование серого литейного чугуна пластинчатым графитом также способствует образованию усадочных раковин, пористости и утяжин. Более сильное «вспучивание» литой детали происходит вследствие более интенсивного расширения под влиянием осаждения тяжелого эвтектического графита. Происходят изменения и самой кристаллизации: она становится «пульпообразной». Это означает, что контур отливки более точно соответствует расширению полости в зависимости от материала литейной формы.

Литейный чугун с шаровидным графитом демонстрирует большую предрасположенность к образованию усадочных раковин, чем литейный чугун с пластинчатым графитом. При обработке расплава серого чугуна магнием объем усадочных раковин уменьшается с 0,5 см до 5 см

В отличие от эндогенной кристаллизации литейного чугуна с пластинчатым графитом с образованием оболочки, кристаллизация литейного чугуна с шаровидным графитом является эндогенной и пульпообразной. Так же, как и
усадка в жидком состоянии, которую можно контролировать посредством системы литников и питателей, и вторичная усадка, расширение происходит в процессе кристаллизации.

В зависимости от различных временных фаз кристаллизации графит может начинать действовать во время осаждения в периферийной оболочке и выпуклостях либо расширять их, если он и материал формы поддаются данному давлению изнутри. Если к расплавленному металлу в теле отливки не добавить новый металл, уже это может привести к образованию утяжин. Позднее в ходе кристаллизации графит осаждается на большей площади тела отливки.
По мере того, как происходит усадка периферийной оболочки, условия для автоматической подачи становятся
более благоприятными. Если периферийная оболочка также находится в состоянии эвтектической кристаллизации, можно ожидать усиление расширения.

При условии, что литейная форма является жесткой, использование данной фазы расширения приводит к компенсации вторичной усадки и возможности получить высокоэффективные литые детали без усадочных раковин.

В значительной степени до- и заэвтектические составы, отсутствие модифицирования, слишком большая продолжительность заливки формы при слишком высоких температурах и слишком большим содержании магния, способствуют усилению восприимчивости литейного чугуна с шаровидным графитом к образованию усадочных раковин. Марки специальных чугунов также показывают высокую восприимчивость к образованию усадочных раковин, чему способствует добавление в чушковый чугун большего количества присадок при составлении шихты. Однако последний фактор можно рассматривать в сочетании с технологией плавки.

Усадочные раковины в алюминиевых сплавах

В данных сплавах общий дефицит объема также прежде всего зависит от состава сплава и базовых температур (условия охлаждения), а его образование в значительной степени контролируется посредством кристаллизации. Главную роль играют несущая способность периферийной оболочки и производительность подачи, т. е. условия для перемещения расплава в кристаллизирующемся теле отливки.
В целом последующее развитие усадки можно описать в зависимости от содержания легирующего элемента. Для чистого материала объем внешних усадочных раковин уменьшается примерно до сплава с наибольшим температурным интервалом кристаллизации, а затем вновь повышается по направлению к эвтектике. Для утяжин и микропористости действуют обратные тенденции. Такая картина объясняется изменениями в процессе кристаллизации. При добавлении меди, магния и кремния, совокупный объем усадочных раковин уменьшается по сравнению с чистым алюминием. При этом самое сильное влияние оказывает кремний. При увеличении содержания меди или кремния усадка при кристаллизации таких сплавов, как Al-Cu и Al-Si, уменьшается. Однако образование усадочных раковин значительно активизируется при наличии примесей, например, железа. Внешние усадочные раковины и утяжины в алюминиевых сплавах могут быть также вызваны песком, который не был должным образом уплотнен, либо – при литье в кокиль – слишком высокими температурами изложницы. Так как совокупный дефицит объема может колебаться от 2 до 7 % в зависимости от состава, необходимо всегда предпринимать меры для обеспечения направленной кристаллизации и достаточной подачи для получения отливки.

При литье в песчаные формы и литье в кокиль рафинирование натрием или стронцием приводит к значительному увеличению количества внешних усадочных раковин. Количество утяжин и внутренних усадочных раковин (микропористость) уменьшается. В отлитых деталях это может привести к превращению процесса кристаллизации из экзогенного в эндогенный в определенных поперечных сечениях. В этом случае эффекты накладываются друг на друга, т. е. объемные доли внешних усадочных раковин и пористости находятся в центральных зонах.
В ходе рафинирования следует учитывать, что эвтектика алюминия-кремния в зависимости от содержания фтора может адаптироваться либо к пластинчатой, либо к шаровидной структуре. При литье в кокиль оба вида модифицирования имеют приблизительно одинаковый совокупный дефицит объема. В случае литья в песчаные формы шаровидный материал несколько отстает от пластинчатого.

В обоих случаях распределение дефицита объема меняется уже при добавлении 0,02 % натрия. В случае шаровидного и пластинчатого материала количество внешних усадочных раковин увеличивается, а количество утяжин, напротив, уменьшается. Последующее добавление натрия вызывает только незначительные изменения объема внешних усадочных раковин. При литье в кокиль натрий практически не влияет на пластинчатый материал. Сплавы с шаровидной структурой заметно менее предрасположены к образованию внешних усадочных раковин. По мере добавления натрия количество внешних усадочных раковин увеличивается, а количество утяжин, напротив, уменьшается. Более того, дальнейшее добавление натрия при литье в песчаные формы приводит к разветвлению и увеличению размеров внешних усадочных раковин при кристаллизации.

 

Источник: «Guss- und Gefügefehler» (дефекты литья и структурные дефекты), Stephan Hasse (Штефан Хассе)