Усадка металлов

Определение "Усадка металлов" в словаре Брокгауза и Ефрона

Усадка металлов — Объем твердого металла при обыкн. темп. всегда меньше объема его в расплавленном состоянии. Это свойство расплавленных металлов уменьшать свой объем при остывании и называется в литейном деле У. Уменьшение объема отливки, против объема литейной формы (или модели), носит название кубической У., а уменьшение каждого линейного размера отливки против соответствующего линейного размера формы или модели назыв. линейною У. Число, показывающее степень уменьшения всего объема, назыв. коэффициентом кубической У., а число, выражающее степень уменьшения отдельных линейных размеров — коэффициентом линейной У. — Кубический коэффициент У. равен приблизительно утроенному линейному ее коэффициенту, но это соотношение в практике роли не играет, так как модельщик, изготовляя модель, припускает на У. каждый ее линейный размер в отдельности. Тщательными опытами Юнгста и Ледебура (причем исследования их дополняют взаимно одни другие) установлены для употребительнейших в технике металлов и сплавов нижеследующие линейные коэффициенты У.:

Олово	1:147
Пушечная бронза (с 10% олова)	1:130
Серый чугун	1:96
Свинец	1:92
Цинк	1:80
Художественная бронза (86% меди, 8% цинка и 6% олова)	1:77
Колокольная бронза (с 20% олова)	1:65
Сталь (с 0,8% углерода)	1:65
Латунь (с 30% цинка)	1:62
Сталь (с 0,3°/о углерода и менее)	1:60
Алюминиевая бронза	1:60
Алюминий	1:55
Зеркальный чугун	1:50
Чистое железо (по опытам Кипа)	1:40

Явление У. металлов, при их отливке в формы, не представляло бы особых неудобств, если бы оно выражалось лишь уменьшением объема; стоило бы лишь припустить надлежащим образом размеры модели. Но, кроме уменьшения объема, У. сопровождается и другими явлениями, весьма затрудняющими получение правильных и чистых отливок, — явлениями, которые почти нельзя предупредить и весьма трудно сделать безвредными. Явления эти суть: усадочные раковины и внутренние напряжения. Усадочные раковины суть пустоты, образующиеся обыкновенно в частях отливки, наидольше остающихся в жидком состоянии. Образование их объясняется тем, что части отливки, которые остывают быстрее, уменьшая под влиянием У. свой объем, образуют пустоты, которые и стремится заполнить не застывший еще металл соседних частей отливки. Когда же дойдет очередь застыть последнему жидкому ядру металла, он, застывая, образует пустоту, на заполнение которой уже не имеется более жидкого металла и которая остается в виде раковины. Внутренние напряжения являются следствием насильственных перемещений частиц металла под влиянием того же стремления жидкого металла заполнить образующиеся убыли объема, причем, если смежные части отливки имеют очень различные размеры поперечных сечений или же подвержены очень неравномерному охлаждению, то под влиянием их взаимодействия тонкие или ранее отвердевшие части могут быть оторваны от частей толстых или застывающих позднее. Если образовавшиеся внутренние напряжения не настолько велики, чтобы довести отливку до полного разрыва, то они могут вызвать местные трещины или же заставить отливку покоробиться. Оба эти последствия, очевидно, столь же нежелательны, как и разрыв, а потому против последствий У. литейщику приходится принимать все зависящие от него меры. Меры эти суть: сообщение смежным частям отливки возможно равномерных поперечных сечений; избегание резких переходов от частей толстых к тонким; искусственное охлаждение частей, стынущих слишком медленно, и, напротив того, задержание от охлаждения частей, стынущих быстро, путем защиты их от охлаждающего действия наружного воздуха теплосохраняющими оболочками (например, засыпка золою, песком, изгарью и т. п.); удаление тех частей временной формы, которые препятствуют свободной У. металла, например, сердечников, которые, будучи плотно охвачены застывающим металлом, нередко вызывают его растрескивание; отливка сложных изделий, отличающихся большою разницею в размерах смежных частей, по частям и затем скрепление их в одно целое болтами; наконец (и это самое действительное из средств), подбор таких сортов металла, которые отличаются наименьшею склонностью давать У. Против образования усадочных раковин служат так называемые "прибыли", о которых см. в ст. Литая сталь. Так как литейным приходится иметь дело преимущественно с чугуном, бронзою и сталью, то по отношению к этим литейным материалам необходимо знать обстоятельства, повышающие и понижающие У., более обстоятельно. В чугунах характерным внешним признаком большей или меньшей способности их садиться является цвет их излома, т. е. преобладающая форма, в которой находится заключенный в них углерод (в виде закаливающего углерода или в виде графита). Наибольшую У. дают чугуны зеркальные и белые, наименьшую — графитистые, серые. Если одинаковым цифрам содержания графита не всегда соответствуют одинаковые коэффициенты У., то причиною тому является примесь марганца. Итак, марганец и закаливающий углерод (см. Карбид) увеличивают склонность к У., графит же ее уменьшает. При этом влияние графита проявляется значительно сильнее, чем влияние закаливающего углерода. Кремний, сам по себе, увеличивает У., косвенно же он ее уменьшает, так как способствует выделению графита. Фосфору прежде приписывалась способность сильно увеличивать У., но новейшие опыты Кипа показали, что влияние фосфора на У. скорее благоприятно, нежели вредно, и что, во всяком случае, влияние это несущественно. Помимо химического состава, на величину У. влияют и др. обстоятельства, а именно: У. часто предшествует расширение кристаллизующегося металла, результатом которого является уменьшение У. Большое влияние на У. оказывает температура чугуна в момент разлития его в формы; чем температура эта выше, тем У. больше. Немаловажное влияние на степень У. оказывают также обстоятельства, при которых охлаждается чугунная отливка, так как ими обуславливается большее или меньшее выделение графита, влияние которого на У. весьма велико. Медленно и свободно стынущие чугунные отливки садятся менее, нежели те, которых застывание было чем-либо форсировано. Не без влияния на У. остаются и самые формы, в которые выливается расплавленный металл: рыхлые песчаные формы, раздаваясь под напором струи вливаемого в них чугуна, увеличивают начальный объем металла, а потому уменьшают У.; подобное же влияние, но еще в сильнейшей степени, оказывают металлические формы (изложницы), расширяющиеся под влиянием действия высокой температуры вливаемого чугуна. За средний коэффициент линейной У. нормального литейного чугуна (т. е. тех его сортов, которые применяются в огромном большинстве случаев) принимаются: в английских литейных — 1/8 дюйма на каждые 15 дюймов линейного размера модели, т. е. 1:120 (0,84%) и лишь для самых тонких отливок 1/8 дюйма на 12 дюймов, т. е. 1:96 (1,04%). Французские литейщики считают нормальную У. в 10 мм на метр, т. е. 1:100 (1%); в Германии и у нас в России считают среднюю У. равною 1:96 (1,04%). Так как выбором материала литейщик бывает нередко стеснен, т. е. ему приходится переплавлять не те сорта чугуна, которые наиболее подходят под эпитет "нормальных", а те, которые рекомендуют ему местные условия и экономические соображения, то весьма важно изучать законы шихтовки чугунов, которые благодаря тщательным научным исследованиям новейшего времени выяснены с полною категоричностью, так что литейщик, руководствуясь ими, может получать чугун любых желаемых качеств с очень большою точностью. Могучим орудием в его руках является при этом подмешивание к шихте искусственно приготовляемых чугунов, с большими дозами кремния (обыкновенно от 5 до 15%), или так назыв. "ферросилициев", дозволяющее сделать пригодными для отливки самые разнородные сорта чугунов, до перегорелого включительно. Наглядное представление о влиянии на У. подмесей ферросилиция дает прилагаемая таблица, составленная на основании опытов Юнгста и дополняющих их опытов Ледебурга. Из неё же видны степени склонности к У. различных натуральных (т. е. не подмешанных ферросилицием) сортов чугунов и их смесей.

Шотландский серый чугун № 1, содержащий 3,5% графита, 2,5% кремния, 1% марганца и 0,8% фосфора, нерасплавленный в вагранке, дает линейн. коэффиц. У.	1:135 (0,8%)
Смесь 50° темно-серого коксового чугуна и 50% светло-серого древесно-угольного	1:108 (0,92%)
Смесь 60% белого древесно-уг. чугуна с 35% серого коксового и 5% ферросилиция (с 10,38% кремния)	1:103 (0,97%)
Древесно-угольный серый чугун, отлитый прямо из домны, с 3% графита, 1,5% кремния и 1,4% марганца	1:100 (1%)
Смесь 80% белого древесно-уг. чугуна и 20% ферросилиция (с 10,38% кремния)	1:98 (1,02%)
Смесь 90% машинного боя и 10% ферросилиция (с содержанием 10,38% кремния)	1:98 (1,02%)
Смесь равных количеств английск. чуг. № III и шотландск. № I (переплавл. в вагранке)	1:96 (1,04%)
Третной серый древесно-уг. чуг.	1:90 (1,11%)
Смесь 60% машинн. боя, 30% горелого чугуна и 10% ферросилиция (с 10,38% кремния)	1:88 (1,13%)
Темно-серый коксовый чугун	1:88 (1,13%)
Смесь 60% машин. боя, 30% горелого чугуна и 10% ферросилиция (с 5,32% кремния)	1:87 (1,15%)
Смесь 80% белого кокс. чугуна с 20% ферросилиция (с 10,38% кремния)	1:87 (1,15%)
Светло-серый кокс. чугун	1:87 (1,15%)
Ферросилиций: 5,32% кремн.	1:87 (1,15%)
Смесь 70% серого коксового чугуна, 20% машинного боя и 10% горелого чугуна	1:80 (1,25%)
Третн. белый древесно-уг. чуг.	1:77 (1,29%)
Белый древесно-уг. чугун	1:72 (1,40%)
Ферросилиций с 10,38% кремния	1:70(1,42%)
Серый древесно-уг. чугун	1:65 (1,53%)
Древесно-уг. чуг. сырой плавки	1:62 (1,60%)
Белый коксовый чугун	1:58 (1,73%)
Зеркальный чугун	1:50 (2%)

Бронза садится гораздо сильнее чугуна, почти столь же сильно, как сталь. Коэффициент линейной У. для колокольной бронзы (80 частей меди и 20 ч. олова) определен в 1:65 (1,53%), т. е. равен коэффициенту У. жесткого серого древесно-угольного чугуна. Для статуйной бронзы (77 ч. меди, 15 ч. цинка и 8 ч. олова) коэффициент У. принимается в 1:77 (1,29%), и лишь в орудийной бронзе (90 ч. меди и 10 ч. олова) он понижается до 1:130 (0,77%). Плотность и чистота бронзовых отливок страдают от У. не меньше, чем и чугунных отливок, причем средства против вредных последствий У. применяются те же, что и для чугунных отливок. У. мягкой стали и литого железа весьма велика. Линейный коэффициент У. для этих металлов определен в пределах от 1:59 до 1:55, т. е. от 1,7 до 1,8%. Подобную У. имеют лишь жесточайшие из чугунов — белые и зеркальные, которые поэтому никогда в качестве самостоятельных материалов в дело и не идут. Сталь и железо приходится, однако же, отливать в формы в чистом их виде (без умягчающих примесей), а потому ни в какой другой отрасли литейного дела не приходится столько бороться с последствиями У., как в сталелитейном деле при отливке фасонных изделий. Тем не менее, серьезные препятствия, вызываемые явлением У., в новейшее время настолько уже побеждены, что для сталелитейного дела не существует более невыполнимых задач (см. Фасонные отливки).

В. С. Кнаббе. Δ .