Усадка металлов

Уса́дка мета́ллов (спла́вов) — уменьшение объёма и линейных размеров отливок в процессе их формирования, а также охлаждения от температуры литья до температуры окружающей среды.

Усадка является одним из основных показателей, характеризующих литейные свойства металлов (сплавов), поскольку является причиной образования усадочных раковин, пористости, появления внутренних напряжений и т. д. Её учитывают при разработке технологических процессов литейного производства и оборудования для литья. Относительные численные характеристики изменения размеров металлических изделий при кристаллизации и охлаждении называются коэффициентами усадки. Усадка металлов в жидком состоянии характеризуется обычно объёмными единицами, в твёрдом состоянии — линейными.

Линейная усадка

Линейная усадка — разница между размерами модели и полученного по этой модели отливка (при использовании одноразовых литейных форм) или разница между размерами рабочей полости в многоразовой литейной форме и полученного в этой форме отливка. Линейная усадка измеряется в долях или в процентах от указанных размеров отливка в сравнении с размерами модели или полости литейной формы.

Основная причина линейной усадки заключается в термическом сжатии отливка при его охлаждении до комнатной температуры. Линейная усадка начинается при температуре, расположенной выше линии солидуса, когда уже образовалось достаточное количество твёрдой фазы для формирования каркаса отливка. Эту температуру называют температурой начала линейной усадки. Дальнейшее сокращение размеров при охлаждении отливка определяется температурным коэффициентом линейного расширения, который обычно составляет одну треть от температурного коэффициента объёмного расширения.

Повышение величины линейной усадки связано с термическими напряжениями, возникающими при охлаждении. Величина линейной усадки сплавов составляет от 2…2,5 % (стали, титановые сплавы) до 1,0 % (серые чугуны). Линейная усадка сплавов цветных металлов на основе алюминия, меди, магния, цинка находится в пределах 0,8…1,8 %.

Литейная усадка

В отливках, обычно, имеет место затруднённая линейная (или литейная) усадка — это такая усадка металла, при которой форма не сохраняется, и металл отливки даёт усадку в определённых местах в соответствии с коэффициентом расширения. Величина затруднённой усадки меньше величины свободной линейной усадки, из-за возникновения пластических деформаций, вызванных внутренними напряжениями, возникшими вследствие усадки.

Объёмная усадка

Объёмная (кубическая) усадка — уменьшение объёма металла или сплава при переходе из жидкого состояния в твёрдый, а также вследствие термического сжатия при охлаждении до температуры начала линейной усадки. Объёмная усадка проявляется в отливках в виде усадочных раковин и/или усадочной пористости.

Величина объёмной усадки составляет в середнем до 5…7% от объёма отливка, при этом основной вклад в эту величину вносит уменьшение объёма сплава в процессе кристаллизации. В некоторых случаях в металле при кристаллизации происходит не уменьшение, а увеличение объёма, то есть вместо усадки наблюдается «рост», что сопровождается вытеснением расплава на поверхность. По этой причине в отливках из алюминиевых сплавов с большим (> 20%) содержанием кремния (элемента, который кристаллизуется с увеличением объёма) наблюдается очень небольшая объёмная усадка. В отливках из серого чугуна практически не наблюдаются ни усадочные раковины, ни усадочная пористость, поскольку при кристаллизации серых чугунов графит компенсирует уменьшение объёма в процессе кристаллизации металлической матрицы (аустенита).

Последствия усадки

Общее уменьшение объёма сплава в процессе усадки отливка вызывает появление внутренних напряжений, внешнюю усадку, образование усадочных раковин и пористости.

Определение склонности к усадке

Развитие усадочных дефектов и их распределение в отливке зависят от комплексного воздействия факторов, обуславливающих усадочные свойства сплавов, а также от тепловых и кинетических условий формирования отливка. Склонность чугунов и сталей к образованию усадочных дефектов (раковин и пористости) определяется на технологических пробах — небольших отливках в форме усечённого конуса или шара. Конфигурация и размеры проб стандартами не регулируются.

Литература

• Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов. Учебное пособие для вузов. — Л.: Машиностроение, 1976. — 216 с.
• ГОСТ 977-88 Отливки стальные. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 56 с.
• Справочник литейщика. Фасонное стальное литье/ Под общ. ред. Н. Н. Рубцова. — М.: Машгиз, 1962. — 611 с.

Отрывок, характеризующий Усадка металлов

Когда княжна Марья вернулась от отца, маленькая княгиня сидела за работой, и с тем особенным выражением внутреннего и счастливо спокойного взгляда, свойственного только беременным женщинам, посмотрела на княжну Марью. Видно было, что глаза ее не видали княжну Марью, а смотрели вглубь – в себя – во что то счастливое и таинственное, совершающееся в ней.
– Marie, – сказала она, отстраняясь от пялец и переваливаясь назад, – дай сюда твою руку. – Она взяла руку княжны и наложила ее себе на живот.
Глаза ее улыбались ожидая, губка с усиками поднялась, и детски счастливо осталась поднятой.
Княжна Марья стала на колени перед ней, и спрятала лицо в складках платья невестки.
– Вот, вот – слышишь? Мне так странно. И знаешь, Мари, я очень буду любить его, – сказала Лиза, блестящими, счастливыми глазами глядя на золовку. Княжна Марья не могла поднять головы: она плакала.
– Что с тобой, Маша?
– Ничего… так мне грустно стало… грустно об Андрее, – сказала она, отирая слезы о колени невестки. Несколько раз, в продолжение утра, княжна Марья начинала приготавливать невестку, и всякий раз начинала плакать. Слезы эти, которых причину не понимала маленькая княгиня, встревожили ее, как ни мало она была наблюдательна. Она ничего не говорила, но беспокойно оглядывалась, отыскивая чего то. Перед обедом в ее комнату вошел старый князь, которого она всегда боялась, теперь с особенно неспокойным, злым лицом и, ни слова не сказав, вышел. Она посмотрела на княжну Марью, потом задумалась с тем выражением глаз устремленного внутрь себя внимания, которое бывает у беременных женщин, и вдруг заплакала.
– Получили от Андрея что нибудь? – сказала она.
– Нет, ты знаешь, что еще не могло притти известие, но mon реrе беспокоится, и мне страшно.
– Так ничего?
– Ничего, – сказала княжна Марья, лучистыми глазами твердо глядя на невестку. Она решилась не говорить ей и уговорила отца скрыть получение страшного известия от невестки до ее разрешения, которое должно было быть на днях. Княжна Марья и старый князь, каждый по своему, носили и скрывали свое горе. Старый князь не хотел надеяться: он решил, что князь Андрей убит, и не смотря на то, что он послал чиновника в Австрию розыскивать след сына, он заказал ему в Москве памятник, который намерен был поставить в своем саду, и всем говорил, что сын его убит. Он старался не изменяя вести прежний образ жизни, но силы изменяли ему: он меньше ходил, меньше ел, меньше спал, и с каждым днем делался слабее. Княжна Марья надеялась. Она молилась за брата, как за живого и каждую минуту ждала известия о его возвращении.


– Ma bonne amie, [Мой добрый друг,] – сказала маленькая княгиня утром 19 го марта после завтрака, и губка ее с усиками поднялась по старой привычке; но как и во всех не только улыбках, но звуках речей, даже походках в этом доме со дня получения страшного известия была печаль, то и теперь улыбка маленькой княгини, поддавшейся общему настроению, хотя и не знавшей его причины, – была такая, что она еще более напоминала об общей печали.
– Ma bonne amie, je crains que le fruschtique (comme dit Фока – повар) de ce matin ne m'aie pas fait du mal. [Дружочек, боюсь, чтоб от нынешнего фриштика (как называет его повар Фока) мне не было дурно.]
– А что с тобой, моя душа? Ты бледна. Ах, ты очень бледна, – испуганно сказала княжна Марья, своими тяжелыми, мягкими шагами подбегая к невестке.
– Ваше сиятельство, не послать ли за Марьей Богдановной? – сказала одна из бывших тут горничных. (Марья Богдановна была акушерка из уездного города, жившая в Лысых Горах уже другую неделю.)
– И в самом деле, – подхватила княжна Марья, – может быть, точно. Я пойду. Courage, mon ange! [Не бойся, мой ангел.] Она поцеловала Лизу и хотела выйти из комнаты.
– Ах, нет, нет! – И кроме бледности, на лице маленькой княгини выразился детский страх неотвратимого физического страдания.
– Non, c'est l'estomac… dites que c'est l'estomac, dites, Marie, dites…, [Нет это желудок… скажи, Маша, что это желудок…] – и княгиня заплакала детски страдальчески, капризно и даже несколько притворно, ломая свои маленькие ручки. Княжна выбежала из комнаты за Марьей Богдановной.
– Mon Dieu! Mon Dieu! [Боже мой! Боже мой!] Oh! – слышала она сзади себя.
Потирая полные, небольшие, белые руки, ей навстречу, с значительно спокойным лицом, уже шла акушерка.
– Марья Богдановна! Кажется началось, – сказала княжна Марья, испуганно раскрытыми глазами глядя на бабушку.
– Ну и слава Богу, княжна, – не прибавляя шага, сказала Марья Богдановна. – Вам девицам про это знать не следует.
– Но как же из Москвы доктор еще не приехал? – сказала княжна. (По желанию Лизы и князя Андрея к сроку было послано в Москву за акушером, и его ждали каждую минуту.)