Кінетика ливарної усадки в значної мірі визначає тріщиностійкість виливків з конструкційних сталей. Однак до теперішнього часу відсутня фізико-математична модель кінетики ливарної усадки конструкційних сталей, що є наслідком несистемного дослідження питання.

Це зумовило необхідність проведення дослідження кінетики ливарної усадки конструкційних сталей и розробці на основі аналізу їх результатів фізико-математичної моделі процесу усадки конструкційних сталей.

Закономірності розвитку ливарної усадки досліджували на сталях, що містять від 0,06 до 0,35 % масової частки вуглецю; 0,03-2,69 % кремнію; 0,1-2,54 % марганцю; 0,1-3,06 % хрому; 0,012-0,030 % азоту; 0,001-0,028 % кисню;                 0,015-0,037 % сірки; 0,004-0,025 % фосфору, до 0,26 % ванадію. Хімічний склад сталей наведено в табл. 1.

Параметри вільної ливарної усадки конструкційних сталей визначали шляхом реєстрації одностороннього лінійного переміщення виливки на пристрої, ескіз якого наведено на рис. 1.

Розплав стали заливали в сиру піщано-глинисту форму, в якій з одного боку усадка виливка гальмувалася болтом, а з протилежного боку за допомогою індикаторного глибиноміра (ціна поділки 0,01 мм, абсолютна похибка ± 5 мкм) реєструвалося лінійне переміщення вільного кінця виливки, яке з похибкою 0,01 % перетворювалося феродинамічним датчиком ФД-1 в електричний сигнал і подавалося на один вхід комп’ютера, а на інший вхід комп’ютера подавалася термоелектрорушійна сила (у вигляді різниці потенціалів) з термопари                                      ТПР-0679-01 (межа допустимої основної похибки ± 3,97 °C) встановленої в центрі ливарної форми (рис. 1).

Таблиця 1 – Хімічний склад сталей (мас. %)

1 – ливарна форма для заливання зразка; 2 – термопара; 3 – датчик лінійних перетворень; 4 – комп’ютер

Рис. 1. Пристрій для вимірювання ливарної усадки сталей

Розміри дендритної структури істотно впливають на величину усадки, тому визначили параметри дендритної структури виливків, які отримували в ливарної формі, що наведена на рис. 1. Результати визначення параметрів дендритної структури приведені в табл. 2.

У процесі охолодження виливка після заливки металу в форму визначали такі параметри вільної ливарної усадки конструкційних сталей, як температура почала ливарної усадки (t_нлу), максимальна величина перед усадочного розширення (e_прр), температура початку усадки після перед усадочного розширення (t_ну), коефіцієнт ливарної усадки аустеніту (К_лу), що визначали за наступною формулою:

,                                                (1)

де l₁ і l₂ – відповідно довжина зразку при температурах початку ливарної усадки після пред усадкового розширення (t_ну) і розпаду аустеніту (t_фп).

Таблиця 2 – Параметри дендритної структури виливків

Результати вимірювань складових вільної ливарної усадки наведені в табл. 3.

Таблиця 3 – Параметри вільної ливарної усадки конструкційних сталей

Враховуючи, що вплив легуючих елементів, модифікаторів і домішок на процес ливарної усадки стали пов'язан, в основному, зі зміною ними прихованої теплоти кристалізації (q_кр), величини перегріву над температурою ліквідусу (Dt_л) і дисперсності дендритної структури (l_ст, l_д) встановили, що кількісна закономірність впливу вихідних факторів на температуру початку ливарної усадки (t_нлу, °C) має такий вигляд:

,     (2)

Величина максимального предусадкового розширення (e_прр,%) визначається наступною залежністю:

,                  (3)

Температура початку ливарної усадки після предусадкового розширення (t_ну) з імовірністю 99 % і похибкою 0,15 % пов'язана з температурою початку ливарної усадки (t_нлу) і величиною максимального перед усадочного розширення (e_прр) наступною формулою:

(4)

Враховуючи, що коефіцієнт ливарної усадки, по фізичному змісту зворотний коефіцієнту лінійного розширення та залежить в основному від сил міжатомних зв'язків елементів, визначили його залежність від ступеня легування аустеніту, тобто від хімічного складу сталі. Кількісна закономірність такого впливу має наступний вигляд:

,         (5)

Ливарна вільна усадка досліджених сталей з імовірністю 95 % описується наступною формулою:

,       (6)

Анаіз впливу легуючих елементів на зміну ливарної усадки стали 20ХГСЛ показує, що з ростом вмісту в сталі марганцю і хрому ливарна усадка збільшується, а в разі вуглецю, кремнію, азоту та спільного легування азотом і ванадієм – зменшується (рис. 2).

Дані, які наведені на рис. 2, показують, що за питомою ефективністю впливу елементи можна розташувати в наступній послідовності: Cr, V, Si, Mn, C, V+N, N.

Рис. 2. Вплив елементів на ливарну усадку конструкційної сталі при температурі заливання сталі 1550 ^оС (вміст C і V становить 0,1; N-0,01; N×V-0001, частки значень наведені на осі абсцис)