Классификация литейных сплавов

В зависимости от метода переработки в заготовки металлические сплавы разделяют на литейные (используемые при изготовлении фасонных отливок) и деформируемые, получаемые вначале в виде слитков, а затем перерабатываемые ковкой, прокаткой, волочением, штамповкой. Различия в методах переработки оказывают существенное влияние на требования к свойствам, а следовательно, и на требования к составам литейных и деформируемых сплавов.

Литейные сплавы классифицируются в зависимости от их состава, свойств, назначения. Сплавы на основе железа называют черными. К ним относят все разновидности чугунов и сталей. Остальные литейные сплавы на основе алюминия, магния, цинка, олова, свинца, меди, титана, молибдена, никеля, кобальта, бериллия и других металлов, в том числе и благородных (серебра, золота, платины), называют цветными.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств литых деталей, например прочности, твердости, износостойкости, в сплавы в определенном количестве вводят специальные добавки, так называемые легирующие компоненты. По содержанию их сплавы делят на низколегированные (менее 2,5% легирующих компонентов по массе), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).

Помимо специально вводимых в литейные сплавы компонентов в них обычно присутствуют постоянные примеси, наличие которых связано с особенностями металлургических процессов приготовления сплава и составом исходных металлургических материалов (руд, топлива, флюсов). Часто эти примеси (например, сера и фосфор в сталях) являются вредными и содержание их ограничивают.

Литейные сплавы либо приготовляют из исходных компонентов (шихтовых материалов) непосредственно в литейном цехе, либо сплавы поступают с металлургических комбинатов в готовом виде и их только переплавляют перед заливкой в литейные формы. Как в первом, так и во втором случае отдельные элементы в процессе плавки, входящие в состав литейного сплава, могут окисляться (угарать), улетучиваться при повышенных температурах (возгоняться), вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами или с футеровкой печи и переходить в шлак. Для восстановления требуемого состава сплава потери отдельных элементов в нем компенсируют, вводя в расплав специальные добавки (лигатуры, ферросплавы), приготовляемые на металлургических предприятиях. Лигатуры представляют собой вспомогательные сплавы, используемые как для введения в расплав основного литейного сплава легирующих элементов, так и для компенсации их угара.

Лигатуры содержат помимо легирующего элемента также и основной металл сплава, поэтому они легче и полнее усваиваются расплавом, чем чистый легирующий элемент. Применение лигатур становится особенно необходимым, если температуры плавления основного литейного сплава и легирующего элемента имеют значительную разницу. Наиболее широко применяют лигатуры из цветных металлов, например: медь — никель (15— 33% Ni), медь — алюминий (50% Al), медь — олово (50% Sn), алюминий—магний (до 10% Mg). При литье черных сплавов широко используют ферросплавы: ферросилиций (сплав железа с 13% и более кремния), ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, ферромолибден и др. для введения легирующих элементов, а также для раскисления расплава. Используют также ферросплавы, состоящие из трех компонентов и более. К ферросплавам условно относят и некоторые сплавы, железо в которых содержится только в виде примеси, например силикоалюминий и силикокальций.

Раскисление, для которого часто используют ферросплавы, представляет собой процесс удаления из сплава кислорода, содержащегося в виде растворенных в металле оксидов (например, закиси железа FeO в стали). В процессе раскисления элементы, содержащиеся в ферросплавах, выполняют роль восстановителей:
они соединяются с кислородом оксида, растворенного в расплаве, восстанавливают металл, а сами, окислившись, переходят в шлак. Так, раскисление стали кремнием, содержащимся в ферросилиции, происходит по реакции 2FeO+Si→2Fe+SiO₂.

Очищение (рафинирование) расплава раскислением способствует значительному улучшению качества металла отливки, повышению его прочности и пластичности.

Ряд сплавов, так же как и металлов либо неметаллических материалов (солей и др.), используют в качестве модификаторов, которые при введении в литейный сплав в небольших количествах существенно влияют на его структуру и свойства, например измельчают зерно и способствуют повышению прочности металла. Так, для получения высокопрочного чугуна широко используют модифицирование магнием.

Б настоящее время в СССР около 95% всех производимых отливок (по массе) составляют чугунные и стальные. Следует однако учитывать, что из черных сплавов изготовляют большое количество крупных отливок, масса которых доходит до нескольких десятков и даже сотен тонн, а из сплавов цветных металлов отливают в основном мелкие и средние детали массой от нескольких граммов до нескольких десятков и редко — до нескольких сотен килограммов. Поэтому, несмотря на то что в общем выпуске масса отливок из цветных сплавов составляет около 5%. номенклатура их, так же как и методы литья, весьма разнообразна, а количество значительно.

Литейные сплавы и их классификация

Литейными называются сплавы черных и цветных металлов, обладающие комплексом специфических технологических свойств, обеспечивающих получение различными способами литья бездефектных отливок заданной конфигурации с регламентируемыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Выполнение указанных требований определяется полным циклом технологического процесса, но наиважнейшим фактором, при этом, выступает состав и технология приготовления сплава. Учитывая технологические и экономические аспекты, литейные сплавы должны обеспечивать:

Низкую температуру плавления (чем ниже температура плавления, тем ниже энергопотребление и затраты на плавку и перегрев сплава, естественно, ниже себестоимость производства)
Небольшую усадку при затвердевании и охлаждении (чем ниже усадка, тем ниже объем прибылей на ее компенсацию, что повышает выход годного и снижает затраты на выплавку 1 тонны годного литья)
Незначительную способность к поглащению газов в жидком состоянии (что уменьшает вероятность образования дефектов в виде газовых раковин и пористости; исключает затраты на закупку оборудования и материалов для рафинирования расплава)
Низкую ликвацию (что исключает различие в химическом составе различных частей отливки)
Благоприятное кристаллическое строение (микроструктуру), обеспечивающее высокие физико-механические свойства отливок
В состав литейных сплавов не должны входить дефицитные элементы

Читать еще: Технология изготовления литейных форм

Классификация литейных сплавов

Промышленные литейные сплавы принято классифицировать на три крупных класса: чугуны, стали и цветные сплавы.

Чугуны

В зависимости от микроструктуры, механических и эксплуатационных свойств, химического состава, чугун для производства отливок подразделяют на следующие виды:

Серый чугун с пластинчатым графитом (в котором углерод выделяется в виде прямолинейных или немного искривленных пластинок графита)
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (включения графита в нем имеют шаровидную форму, которая в значительно меньшей степени, чем «пластины» ослабляет металлическую матрицу и тем самым повышает механические свойства)
Чугун с вермикулярным графитом (характеризуется компактной формой графита, прочностные характеристики занимают середину между серым и высокопрочным чугунами, но замечательные тепло-физические свойства дали ему широкое применение для производства блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания и дизелей в автомобилестроении, судостроении и тепловозостроении)
Ковкий чугун (отливается как «белый чугун», который подвергают длительному отжигу, в результате выделяется графит имеющий хлопьевидную форму)
Легированный чугун:
- В зависимости от содержания легирующих элементов подразделяется на: низколегированный чугун (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированный чугун (от 2,5 до 10% легирующих элементов), высоколегированный чугун (содержит более 10% легирующих элементов)
- В зависимости от эксплуатационных свойств легированные чугуны классифицируют на: жаропрочные, жаростойкие, износостойкие, коррозионностойкие, немагнитные, антифрикционные
- В зависимости от химического состава легированные чугуны классифицируют как: хромовые, никелевые, кремнистые, алюминиевые, марганцовистые, ванадиевые

Стали

Стали, используемые для для производства отливок, классифицируют на:

Конструкционные нелегированные (углеродистые) стали
Конструкционные легированные стали
- низколегированные стали
- среднелегированные стали
- высоколегированные стали со специальными свойствами

Цветные сплавы

Цветные литейные сплавы обычно классифицируют по металлу-основе:

Медные сплавы
Никелевые сплавы
Свинцовые сплавы
Сурьмяные сплавы
Цинковые сплавы
Алюминиевые сплавы
Магниевые сплавы
Титановые сплавы
Литиевые сплавы

Классификация литейных сплавов и их основные характеристики.

Приблизительно 75% по массе всех изготовляемых в машиностроении отливок делают из чугуна. Этому способствует самая низкая среди всех литейных сплавов стоимость чугуна, его сравнительно высокая прочность и хорошие литейные свойства.

В литейном производстве наибольший процент чугунных отливок по массе изготавливают из серого чугуна следующих марок: СЧ10 (σ_В = 100МПа), СЧ15 (σ_В = 150МПа), СЧ18 (σ_В = 180МПа), СЧ20 (σ_В = 200МПа).

В состав чугуна входит: углерод, железо, кремний (для увеличения жидкотекучести), сера и фосфор.

Из СЧ15 и СЧ20 отливают корпусные детали металлорежущих станков, сельскохозяйственных машин, редукторов, центробежных насосов и др.

Из СЧ25 и СЧ30 изготавливают ответственные детали автомобильных и тракторных двигателей (блоки, цилиндры, головки и др.).

Приблизительно 5% чугунных заготовок производится из ковкого чугуна, который плавится при наиболее низкой температуре: КЧ 37-12 (σ_В = 370МПа, относительное удлинение ψ = 12%), КЧ 35-10, КЧ 33-8, КЧ 30-6.

Ковкий чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью, занимая по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Процесс изготовления отливок из ковкого чугуна длителен и энергоёмок, поэтому во многих случаях значительно экономичнее получение их из высокопрочных чугунов: ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70.

Высокопрочный чугун по механическим и литейным свойствам приближается к сталям, но дешевле их примерно на 25%, плавится при более низкой температуре и лучше обрабатывается резанием.

Ковкий чугун и сталь применяются для изготовления корпусных деталей, работающих в условиях вибрации или подвергающихся значительным изгибающим и скручивающим моментам и ударным нагрузкам (корпуса заднего моста, руля, редукторов самоходных комбайнов).

Из высокопрочного чугуна делают корпуса высоконапорных центробежных многоступенчатых насосов.

Из сталей производят около 21% всех отливок по массе. По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Легированныестали, в зависимости от количества легирующих элементов, делятся на низколегированные (общее количество легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (общее количество легирующих элементов до 2,5-10%), и высоколегированные (общее количество легирующих элементов свыше 10%).

К литейным сталям относятся: 15Л (содержание углерода 0,15%), 20Л (содержание углерода 0,20%), 45Л (содержание углерода 0,45%), 10Х18Н9ТЛ (содержание углерода 0,1%, хрома 18%, никеля 9%, титана до 1%). Эти стали обладают пониженной жидкотекучестью и большой усадкой. В связи с этим расход металла на отливку увеличивается приблизительно в 1,6 раза по сравнению с чугуном.

Для сталей, работающих в специфических условиях, применяют высоколегированные стали со специальными свойствами:

· Коррозионные – 25Х18Л и др.;

· Кислотоупорные – 15Х18Н9ТЛ и др.;

· Окалиностойкие – 15Х9С2Л (С-кремний) и др.;

· Жаропрочные – 15Х22Н15Л и др.;

· Износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при образивном и ударном воздействиях в различных условиях – 15Х34Л и др.

Однако следует помнить то, что все высоколегированные стали обладают низкими литейными свойствами.

Литье цветных сплавов составляет по массе около 4% в общем объеме литейного производства. Большинство цветных сплавов обладает хорошей жидкотекучестью и обрабатываемостью, но применение их в машиностроении ограничено более низкими, чем у черных металлов, механическими свойствами и более высокой стоимостью и дефицитностью. Наиболее распространены сплавы на основе меди: бронзы и латуни.

Бронзы, применяемые в литейном производстве, подразделяются на 2 группы:

Бронзы отличаются высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами, обладают хорошей жидкотекучестью, но сравнительно большой усадкой и склонностью к окислению.

Читать еще: Литейная форма 5 букв сканворд

ЛЦ16К4 (цинк 16%, кобальт 4%, остальное — медь);

ЛЦ40Мц3Ж (цинк 40%, марганец 3%, железо до 1%, остальное — медь);

ЛЦ30А3 (цинк 30%, алюминий 3%, остальное — медь).

Кроме цинка в состав латуней входят: алюминий, железо, марганец и другие элементы. Латуни имеют более высокие литейные свойства, чем бронза, поэтому из них проще получить прочные герметичные отливки. Из бронзы и латуни изготавливают детали, работающие в агрессивной среде.

Алюминиевые литейные сплавы.

АЛ2, АЛ3, АЛ6, АЛ7 (цифра в конце обозначения – номер сплава).

Силумины (Al+Si) (Al+Cu)

В своем составе они содержат магний, кремний, медь, марганец, никель, цинк. По преобладающему после алюминия элементу они делятся на 5 основных групп:

· Кремниевые (Si ³ 5%);

· Магниевые (Mg ³ 4%);

· Сложные по составу, отличающиеся повышенной жаропрочностью.

Высокие литейные свойства алюминиевых сплавов позволяют получать тонкостенные и сложные по форме отливки. Алюминиевые сплавы широко используют в автомобильной, авиационной и других областях промышленности для изготовления поршней, корпусов двигателей, деталей приборов.

Магниевые литейные сплавы МЛ5, МЛ6, МЛ8 (цифра в конце обозначения – номер сплава). По свому химическому составу магниевые литейные сплав делятся на 3 группы:

· Сплавы на основе Mg-Al-Zn;

· Сплавы на основе Mg-Zn-Zr;

· Сплавы на основе Mg-РЗЭ-Zr.

РЗЭ (редкоземельные элементы) располагаются в третьей группе таблицы Менделеева: Sc, Y, La.

Магниевые сплавы уступают алюминиевым по пластичности и коррозионной стойкости. Они имеют низкую жидкотекучесть, большую усадку, склонны к образованию усадочных рыхлот, способны воспламеняться в жидком состоянии, что затрудняет изготовление отливок.

Магниевые сплавы получили широкое применение в авиационной промышленности и приборостроении для изготовления деталей двигателей, корпусов приборов и др.

ЦАМ10-4 (алюминий 10%, медь 4%);

ЦАМ10-5 (алюминий 10%, медь 5%).

Zn: r = 7,13 г/см 3 , Т_пл = 419,5°С.

В качестве легирующих элементов цинковые сплавы могут также содержать Al, Cu и в незначительном количестве Mg и Mn. В литом виде сплавы применяют для монометаллических вкладышей, втулок и т.д. ЦАМ10-5 применяют для отливки биметаллических изделий со стальным корпусом. Вследствие высоких антифрикционных свойств и достаточной прочности (σ_В = 250…400МПа) при Т = 120°С эти сплавы могут заменять бронзы для узлов трения, температура которых £ 100°С. При более высоких температурах сплавы размягчаются и налипают на вал.

Легкоплавкие сплавы получают на основе олова, свинца, кадмия и висмута. Они имеют температуру плавления Т_пл = 70-90°С. Ввиду низких механических свойств в машиностроении широкого применения не нашли. Они используются, главным образом, в электротехнической промышленности.

Тугоплавкие сплавы. К ним относятся сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия, ванадия. Эти сплавы имеют высокую температуру плавления Т_пл = 1700…3500°С и отличаются повышенной прочностью при высоких температурах. Чаще всего используются титановые сплавы следующих марок: ВТЛ1, ВТЛ5, ВТЛ6, ВТ3-1Л, ВТ-14Л.

Литейные свойства титановых сплавов характеризуются малым интервалом температур кристаллизации и высокой химической активностью по отношению к окружающей среде и формовочным материалам.

Сплавы титана применяют там, где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии. Титановые сплавы применяются в ракетной технике, в авиации, в химическом машиностроении, медицине и т.д.

Молибден и вольфрам в чистом виде используются в электронной промышленности (нити накаливания, контакты, нагреватели), в химическом машиностроении.

Ниобий применяется для изготовления конструкций ядерных реакторов в связи с отсутствием взаимодействия с расплавленными щелочными металлами.

Литейные свойства сплавов.

К ним относятся:

· Склонность к ликвации;

Жидкотекучесть – способность жидкого металла полностью заполнять полости литейной формы и четко воспроизводить очертание отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры заливаемого в форму сплава и теплопроводности материала формы. Углерод, кремний и фосфор улучшают жидкотекучесть, а сера ухудшает.

Минимально возможная толщина стенки отливки для различных литейных сплавов, ввиду их разной жидкотекучести, неодинакова и составляет при литье в песчаные формы для отливок:

из серого чугуна: из стали:

Мелких: 3-4мм 5-7мм

Средних: 8-10мм 10-12мм

Крупных: 12-15мм 15-20мм

Усадка – свойство литейных сплавов изменять объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму и вплоть до полного охлаждения отливки.

Различают линейную и объемную усадку:

;

где , — соответственно линейный размер и объем полости формы;

, — соответственно линейный размер и объем отливки при t = 20°С.

Линейная и объемная усадка связаны следующим соотношением:

На усадку влияет химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Кроме искажения линейных размеров, усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

При правильном учете усадочных процессов, затвердевание отливки должно идти снизу вверх с образованием концентрированной усадочной раковины. В противном случае в теле отливки образуется усадочная пористость.

Ликвация – неоднородность строения в различных частях отливки. Возможны ликвации по химическому составу (зональная, дендритная), по плотности, по неметаллическим включениям и др. факторам.

Зональная ликвация представляет собой химические и другие неоднородности в объеме всей отливки, а дендритная – в пределах одного зерна.

Склонность к ликвации зависит от химического состава сплава, скорости охлаждения сплава и размеров отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки.

Склонность к газопоглощению – способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять кислород, азот, водород. Их растворимость растет с перегревом расплава. При охлаждении в литейной форме газонасыщенного расплава растворимость газов понижается и они, выделяясь из металла, могут образовывать в отливке газовые раковины.

Читать еще: Бронза литейная мастерская бронзы

Классификация литейных сплавов и области их применения

В среднем на долю литых деталей приходится около 50 % массы машин и механизмов, а их стоимость достигает 20–25 % от стоимости машин. В зависимости от метода получения литых заготовок сплавы подразделяют на литейные и деформированные. Литейные сплавы либо приготовляют из исходных компонентов (шихтовых материалов) непосредственно в литейном цехе, либо получают с металлургических комбинатов в готовом виде и только переплавляют перед заливкой в литейные формы. Как в первом, так и во втором случае отдельные элементы в процессе плавки могут окисляться (угарать), улетучиваться при повышенных температурах (возгоняться), вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами или с футеровкой печи и переходить в шлак.

Для восстановления требуемого состава сплава потери отдельных элементов в нем компенсируют, вводя в расплав специальные добавки (лигатуры, ферросплавы), приготовляемые на металлургических предприятиях. Лигатуры содержат помимо легирующего элемента также и основной металл сплава, поэтому они легче и полнее усваиваются расплавом, чем чистый легирующий элемент. При плавке сплавов цветных металлов применяют лигатуры: медь–никель, медь–алюминий, медь–олово, алюминий–магний и др.

При литье черных сплавов широко используют ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам и др.) для введения легирующих элементов, а также для раскисления расплава. В процессе раскисления элементы, содержащиеся в ферросплавах, выполняют роль восстановителей: они соединяются с кислородом оксида, растворенного в расплаве, восстанавливают металл, а сами, окислившись, переходят в шлак. Очищение (рафинирование) расплава раскислением способствует значительному улучшению качества металла отливки, повышению его прочности и пластичности. Ряд сплавов, а также неметаллических материалов (солей и др.) используют в качестве модификаторов, которые при введении в литейный сплав в небольших количествах существенно влияют на его структуру и свойства, например, измельчают зерно и способствуют повышению прочности металла. Так, для получения высокопрочного чугуна используют модифицирование магнием.

Основными критериями качества литого металла являются механические свойства, показатели структуры, жаростойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и др., заданные в технических требованиях.

Сплавы принято разделять, как и металлы, прежде всего на черные и цветные, причем в последние входят и легкие сплавы. Сплавы подразделяют на группы в зависимости от того, какой металл является основой сплава.

Наиболее важными группами сплавов считаются следующие:

чугуны и стали – сплавы железа с углеродом и другими элементами;

сплавы алюминия с различными элементами;

сплавы магния с различными элементами;

бронзы и латуни – сплавы меди с различными элементами.

В настоящее время наиболее широкое применение находят сплавы первой группы, т.е. сплавы черных металлов: около 70 % всех отливок по массе изготовляют из чугуна и около 20 % – из стали. На долю остальных групп сплавов приходится сравнительно небольшая часть общей массы отливок.

В химическом составе сплава различают основные элементы (например, железо и углерод в чугуне и стали), постоянные примеси, наличие которых обусловлено процессом производства сплава, и случайные примеси, попавшие в сплав вследствие тех или иных причин. К вредным примесям в стали и чугуне относятся сера, фосфор, закись железа, водород, азот и неметаллические включения. Вредными примесями в медных сплавах являются закись меди, висмут и в некоторых из них – фосфор. Резко ухудшают свойства оловянной бронзы примеси алюминия и железа, а в алюминиевой бронзе, наоборот, – олово. В алюминиевых сплавах должно быть ограничено содержание железа, в магниевых, кроме того, – меди, никеля и кремния. Газы и неметаллические включения во всех сплавах являются вредными примесями.

Требования к каждому литейному сплаву специфичны, однако существует и ряд общих требований:

1. состав сплава должен обеспечивать получение заданных свойств отливки (физических, химических, физико-химических, механических и др.);

2. сплав должен обладать хорошими литейными свойствами – высокой жидкотекучестью, несклонностью к насыщению газами и к образованию неметаллических включений, малой и стабильной усадкой при затвердевании и охлаждении, несклонностью к ликвации и образованию внутренних напряжений и трещин в отливках;

3. сплав должен быть по возможности простым по составу, легко приготовляться, не содержать токсичных компонентов, не выделять при плавке и заливке сильно загрязняющих окружающую среду продуктов;

4. сплав должен быть технологичным не только в изготовлении отливок, но и на всех последующих операциях получения готовых деталей (например, при обработке резанием, термообработке и т.д.);

5. сплав должен быть экономичным: содержать по возможности меньшее количество дорогостоящих компонентов, иметь минимальные потери при переработке его отходов (литников, брака).

Контрольные вопросы и задания

1. Какова история развития литейного производства в России?

2. Какова роль русских ученых в развитии научных основ и организации производства отливок из сплавов черных и цветных металлов?

3. Каковы методы получения литых заготовок?

4. Какие литейные формы можно использовать для получения фасонных отливок?

5. Каким образом классифицируют литейные сплавы?

6. Каковы требования к литейным сплавам?

7. Перечислите основные области применения литейных сплавов.

8. В чем заключается сущность литейной технологии?

Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 49 ; Нарушение авторских прав

0 0 голоса

Рейтинг статьи