3.7. Концентрированные усадочные раковины в отливках. Динамика формирования области усадочной раковины

Усадочная раковина представляет совокупность пустот (или одну пустоту большого объёма), которая образуется в отливке при затвердевании и охлаждении металла.

Усадочные раковины могут иметь разные геометрические формы и объёмы, а также различные местоположения в отливке; примеры некоторых из них показаны на рис. 3.9

Рис. 3.9. Усадочные раковины: закрытая конусная - а; закрытая в виде усеченного конуса – б; конусная закрытая и вторичная - в; открытая - г

В закрытых усадочных раковинах имеются слои затвердевшего металла, разделяющие отдельные пустоты и закрывающие их сверху; их называют мостами. Часть отливки, в которой располагается усадочная раковина вместе с мостами, является областью усадочной раковины. Контур раковины зависит от особенностей затвердевания сплава, если сплав кристаллизуется в широком интервале температур, а затвердевание в области усадочной раковины происходит сверху и сбоку, то контур раковины имеет вид усеченного конуса, рис.3.9,б. Если в процессе кристаллизации какая – либо часть отливки (обычно это тепловой узел) оказывается изолированной от основного затвердевающего металла, то последовательность развития процесса охлаждения нарушается и в этой изолированной части образуется вторичная закрытая усадочная раковина, рис. 3.9, в.

Процесс перемещения жидкого металла внутри кристаллизующегося металла отливки, способствующий “залечиванию” пустот, называют питанием.

Так как усадочные раковины зависят от особенностей сплава, в частности, от интервала температур кристаллизации, то склонность сплава к их образованию определяют на технологических пробах специальной конструкции, рис. 3.10. Конструкция должна быть такой, чтобы в процессе кристаллизации максимально выполнялся принцип направленного затвердевания. Объём раковины в пробе определяют на осевом разрезе или путём заливки керосином из мерного сосуда.

Рис. 3.10. Схемы конструкций технологических проб: а – цилиндрической, б – ступенчатой, в – конической

Для того, чтобы понять динамику процесса формирования усадочной раковины, необходимо принять во внимание структуру двухфазного состояния металла. Усадочная раковина в отливке начинает формироваться с момента образования сплошного твёрдого слоя по всей поверхности. Усадка в жидком и двухфазном состояниях может частично компенсироваться за счет образования в затвердевшем слое металла новых фаз с большим удельным объемом. Поэтому объем усадочный раковины на этой стадии может даже уменьшиться.

В сплавах, кристаллизующихся в интервале температур, область усадочной раковины (её контур) можно определить графоаналитически .Для этого находят точки пересечения верхнего уровня жидкого металла и положений границы выливаемости в последовательные моменты времени( от окончания заливки и до выхода этой граничной температуры на ось отливки). На рис. 3.11 приведены схемы формирования контура усадочной раковины в последовательные моменты времени, отличающиеся друг от друга разным положением температурных границ в двухфазном металле.

Рис. 3.11. Схемы формирования усадочной раковины

Обозначены температурные границы: 1 - ликвидуса; 2 – выливаемости; 3 – питания; 4 – солидуса

При достижении металлом на оси отливки температуры, соответствующей выливаемости, в осевой части сохраняется твердожидкий металл. За промежуток времени, в течение которого металл сохраняет это состояние, скорость формирования раковины понижается (происходит некоторая компенсация усадки). В результате контур области усадочной раковины в основании приобретает форму вогнутой поверхности. Коэффициент формы области усадочной раковины является для данного сплава величиной постоянной; этот коэффициент определяется отношением:

, (3.29)

где – радиус основания области усадочной раковины; – радиус отливки.

Для сплавов, кристаллизующихся при постоянной температуре, коэффициент n~0, т.к. =0; усадочные раковина имеет форму конуса. На последней стадии затвердевания под усадочной раковиной может образовываться усадочная пористость или рыхлота.

Геометрические формы усадочных раковин зависят от эффективности питания отливки на стадии затвердевания. Образование открытой раковины связано с дефицитом питания отливки на стадии её затвердевания, рис. 3.12, а.

Рис. 3.12. Схемы образования усадочных раковин: а – открытой; б –– закрытой концентрированной; в – закрытой распределенной. Штриховыми линиями (линии изотерм – изосолидус) отмечено развитие процесса затвердевания

Если в литниковом канале после заливки некоторое время сохраняется жидкий металл, рис. 3.12, б, то усадка металла в отливке на начальной стадии затвердевания может компенсироваться ( за счёт питания из этого канала ); понижение верхнего уровня в отливке не происходит. Затем питание прекращается, по всему контуру отливки образуется корка, а в верхней её части возникает изолированный объём жидкого металла, который затвердевает отдельно от отливки; формируется замкнутая концентрированная усадочная раковина.

Если при затвердевании отливки отсутствует внешний источник питания, рис. 3.12, в, то по всему периметру образуется корка. В верхней части отливки возникает усадочная распределенная раковина, прогиб которой обусловлен действием перепада давлений – атмосферного и пониженного в объеме раковины.