1.3.2. Закономерности кристаллизации и затвердевания отливки в литейной форме

Рассмотрим элемент литейной формы в виде стержня с площадью поперечного сечения, равной единице, торец которого, обращенный к расплавленному металлу, находится при постоянной температуре, равной температуре плавления , а начальная температура литейной формы равномерна и равна (рис. 1.17).

Для кристаллизации слоя металла объемом из элемента X должно быть отведено количество тепла:

. (1.40)

Поскольку расплавленный металл внутри формы имеет одинаковую температуру, а температура литейной формы распределена неравномерно (рис. 1.17), то в соответствии с основным законом теплопроводности все тепло будет отводиться только через литейную форму.

Рис. 1.17. Схема распределения температуры в расплавленном металле и в литейной форме

Следовательно,

(1.41)

где при постоянной начальной температуре литейной формы

. (1.42)

Приравнивая друг к другу два полученных выражения Q и обозначая предел отношения при через скорость затвердевания сплава U, получим

(1.43)

Отсюда также следует, что зависимость толщины затвердевшей стенки отливки от времени описывается формулой:

. (1.44)

Согласно формуле (1.43) скорость кристаллизации пропорциональна плотности теплового потока. С течением времени эти характеристики уменьшаются сначала быстро, а затем все медленнее (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Изменение плотности теплового потока и толщины

затвердевшего слоя отливки с течением времени (а)

и распределение скорости кристаллизации по толщине стенки отливки (б)

На рис. 1.19 представлены результаты конкретного расчета зависимости толщины затвердевшей стенки от времени. Использование логарифмических координат приводит к искажению формы этой зависимости.

Рис. 1.19. Зависимость толщины затвердевшей стенки от времени

Закономерности изменения плотности теплового потока и скорости кристаллизации определяют структуру слитка (или отливки), образующуюся при разливке металла в изложницы (или литейные формы). Поскольку в начальный момент времени у самой поверхности изложницы вследствие интенсивного теплоотвода в изложницу возникает переохлаждение сплава, образуется большое число центров кристаллизации, причем кристаллизация протекает с такой высокой скоростью, что зерна металла затвердевают, еще не успев приобрести выраженную ориентацию в направлении тепловых потоков. Этот наружный слой дезориентированных мелких зерен называют литейной коркой 1, рис. 1.20. Она имеет наиболее высокие механические характеристики, однако в ней же может быть сосредоточено наибольшее число примесей, загрязняющих сплав.

Рис. 1.20. Схема строения стального слитка [10]:

1– литейная корка; 2 – столбчатые кристаллы; 3 – равноосные кристаллы; 4 – усадочная раковина

С течением времени  плотность тепловых потоков и, следовательно, скорость кристаллизации резко уменьшаются, хотя и остаются все еще достаточно большими, чтобы влиять на процесс кристаллизации. Из-за уменьшения степени переохлаждения снижается и число центров кристаллизации. Поскольку тепловые потоки направлены по нормали к изотермическим поверхностям, а те, в свою очередь, практически эквидистантны поверхности изложницы (или литейной формы), то в этой зоне наблюдается рост кристаллов из небольшого числа центров кристаллизации в направлениях, перпендикулярных поверхности изложницы. Такие кристаллы, вытянутые в направлениях тепловых потоков, называют столбчатыми. В зоне столбчатых кристаллов 2 наблюдается меньше вредных примесей, раковин и газовых пузырей, плотность металла и механические характеристики достаточно высокие.

При небольшой толщине слитка (или стенок отливки) различные зоны столбчатых кристаллов, растущих от различных стенок внутрь изложницы (или литейной формы), входят в соприкосновение друг с другом. Однако в местах стыка столбчатых кристаллов прочность металла снижается.

В центре слитка при температуре, близкой к температуре плавления в течение наибольшего времени сохраняются условия, близкие к изотермическим и адиабатическим. То есть температура благоприятна для начала кристаллизации, но переохлаждение минимально и теплоотвода из этой области практически нет. Поэтому число центров кристаллизации еще уменьшается и из небольшого числа таких центров вырастают крупные равноосные дезориентированные кристаллы. В зоне равноосных кристаллов механические характеристики снижаются.

Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся. Уменьшение объема металла в процессе кристаллизации и остывания слитка, а также неравномерность его остывания и затвердевания приводят к образованию пустот, называемых усадочными раковинами.

Усадка является важным свойством литейных сплавов. Различают усадку линейную и объемную.

Линейную усадку определяют как отношение разности линейных размеров литейной формы и отливки к линейному размеру отливки, %, при температуре 20 С:

(1.45)

Для серого чугуна линейная усадка равна 0,9–1,3%, для алюминиевых сплавов 0,9–1,5%, для медных сплавов 1,4–2,3, для углеродистых сталей 2–2,4% [10].

Объемная усадка определяется как отношение разности объемов полости литейной формы и отливки к объему отливки, %:

(1.46)

Рассматривая усадку элементарного объема в виде куба со стороной l, получим:

, (1.47)

т. е. объемная усадка численно втрое больше, чем линейная.

Усадочные раковины образуются в средней верхней части отливки (или слитка). В таких местах иногда размещают дополнительный объем – прибыль, которую впоследствии удаляют вместе с усадочной раковиной.

Неравномерность теплоотвода во времени и по объему отливки является одной из наиболее важных закономерностей, определяющих производительность литейного производства и качество отливок.