Литейные сплавы и металлы

Основные понятия о литейных сплавах и их применении | 01.05.2012

Основные понятия о литейных сплавах и их применении

Литейными сплавами называют сплавы, обладающие специальными свойствами, которые позволяют успешно получать из них различные отливки сложной конфигурации. Как правило, чистые металлы имеют худшие литейные свойства, нежели сплавы. Поэтому металлы сравнительно редко применяются для производства отливок. Согласно требованиям государственных стандартов и технических условий существует около 600 литейных сплавов, применяемых для изготовления отливок. Кроме того, современные технологии позволяют успешно использовать для литья даже нелитейные сплавы.

Основные понятия о сплавах

Следует различать чистые металлы и сплавы. Металл – это химический элемент, для которых характерен комплекс так называемых металлических свойств: высокая электропроводность и теплопроводность, металлический блеск, высокие пластические свойства, положительный температурный коэффициент сопротивления. Зачастую промышленные металлы, используемые в литейном производстве имеют значительное количество примесных элементов.

Сплав – это вещество на металлической основе, которое образовано сплавлением двух или более элементов. При этом могут сплавляться также и металлы с неметаллами, например, чугун – сплав железа и углерода. Все сплавы в зависимости от способности к пластической деформации подразделяются на деформируемые и недеформируемые.

В составе сплава следует выделять основу, примеси и легирующие компоненты.

Основа – это, как правило, один металл, который определяет служебные свойства сплава.

Примеси – это химические элементы, которые попадают в сплав случайно при его выплавке или литье. Источниками примесей могут служить: перворудное сырье, атмосфера, добавочные материалы, топливо, формовочные смеси и т.д. Как правило, содержание примесей является незначительным, однако оказывает влияние (чаще негативное) на служебные свойства сплава.

Легирующие – это такие элементы, которые специально добавляют в сплав для придания ему особых свойств. Иногда такие добавки вводятся в очень малых количествах (сотых долях процента и менее) – такой процесс называется микролегированием.

В случае, когда элементы вводятся в сплав для того, чтобы изменить структуру зерна или форму неметаллических включений, такие добавки называют модификаторами.

Требования к свойствам литейных сплавов

Литейные сплавы в жидком состоянии должны хорошо заполнять полости литейной формы и обеспечивать после затвердевания требуемые механические, физические и химические свойства, а также точные размеры и плотность отливок при наименьшем браке и низкой стоимости.

Особенно важно, чтобы сплав имел невысокую температуру плавления. Чем ниже температура плавления сплава, тем легче его расплавить, а затем нагреть до требуемой для заливки температуры.

Кроме того, литейные сплавы должны обладать следующими свойствами:

1. высокой жидкотекучестью в расплавленном состоянии, обеспечивающей хорошую заполняемость полостей литейной формы (особенно при изготовлении тонкостенных сложных отливок);
2. небольшой усадкой при затвердевании и охлаждении, что уменьшает образование в отливках полостей и неплотностей усадочного характера, а также ослабляет внутренние литейные напряжения в отливках;
3. незначительной способностью в жидком состоянии к поглощению газов, которые уменьшают опасность образования газовых раковин при затвердевании, и способствует получению более высоких свойств отливок после охлаждения;
4. кристаллическим строением (структурой), обеспечивающим необходимые свойства отливок после затвердевания и охлаждения;
5. незначительной ликвацией ( неоднородностью по химическому составу), ослабляющей различие в свойствах отдельных частей отливок;
6. наименьшей стоимостью, т.е. изготовляться из наиболее дешевых и недефицитных материалов;
7. легко обрабатываться резанием на станках и иметь способность свариваться.

Основы выбора литейного сплава для отливок

Литейные сплавы, применяемые в промышленности, удовлетворяют поставленным условиям только отчасти, и поэтому в каждом конкретном случае стремятся применять такой сплав, который в наибольшей степени является подходящим именно в данном случае.

Так, если к литым деталям не предъявляется высоких требований в отношении механических свойств, то обычно такие детали изготовляются из самого дешевого литейного сплава – чугуна (рисунок 1), обладающего относительно невысокой температурой плавления, хорошей жидкотекучестью, малой усадкой и другими положительными свойствами. Но если детали должны иметь высокие механические свойства, то их необходимо изготовлять из стали, хотя она дороже чугуна и имеет высокую температуру плавления, худшую жидкотекучесть и большую усадку.

Рисунок 1 – Чугунные отливки

Иногда решающее значение имеет среда, в которой должны работать детали. Например, для работы в морской воде они изготовляются из более дорогих медных (рисунок 2) сплавов (бронзы или латуни), так как чугун и обычная сталь в такой среде легко разрушаются из-за недостаточной химической стойкости.

Рисунок 2 – Латунная отливка

В некоторых случаях, например при изготовлении отливок для самолетостроения, когда решающее значение имеет масса, применяют алюминиевые сплавы (или магниевые), невзирая на то, что они уступают по свойствам другим сплавам, а часто и дороже их (рисунок 3).

Рисунок 3 – Алюминиевая отливка

Таким образом, при выборе литейного сплава конструктор вместе с литейщиком учитывают прежде всего условия работы литых деталей и предъявляемые к ним требования, а затем подбирают такой сплав, который удовлетворяет поставленным требованиям и вместе с тем обладает наилучшими возможными литейными свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, содержит небольшое количество дефицитных металлов и имеет мин. стоимость.

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 свойства сплавов

Общая технологическая схема изготовления отливки

Сущность литейного производства состоит в том, что фасонные детали (заготовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость которой соответствует их размерам и форме. После крис­таллизации металла литую деталь (заготовку), называемую отлив­кой, удаляют из литейной формы и в случае необходимости от­правляют в механический цех для последующей обработки.

Технология изготовления отливки начинается с разработки ее чертежа и рабочих чертежей модельного комплекта (модели и стержневого ящика).

В состав литейного цеха входят отделения: модельное, земле­приготовительное, стержневое, формовочное, плавильное, выбивное, обрубное, очистное. В модельном отделении по рабочим, чертежам изготавливают модельный комплект; в землеприготовительном — формовочную и стержневую смеси; в формовочном — литейную форму, а в стержневом — стержни; в плавильном получают жидкий металл. Готовую литейную форму заливают жидким металлом и по­сле его затвердевания в выбивном отделении удаляют из формы отливку; обрубывают литниковую систему и очищают отливку от пригара в очистном отделении. Заключительной операцией является контроль качества отливки.

Литейные свойства сплавов

Для получения отливок в машиностроении наиболее широко применяются следующие сплавы: серые, ковкие и высокопрочные чугуны; углеродистые и легированные стали; сплавы цветных ме­таллов на основе алюминия, меди, магния, титана, молибдена и дру­гих тугоплавких металлов.

Для получения качественной отливки наряду с механическими, физическими и химическими свойствами литейные сплавы должны обладать определенными технологическими свойствами, основными из которых являются жидкотекучесть, усадка, склонность к лик­вации и газопоглощению.

1. Жидкотекучесть — способность жидкого металла полностью заполнять щелевидные полости литейной формы и четко воспроиз­водить очертания отливки. При хорошей жидкотекучести металл заполняет всю полость формы, какой бы сложной она ни была, а при недостаточной — частично, образуя недоливы в узких сече­ниях отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава и температуры заливаемого в форму сплава. Фосфор, кремний и уг­лерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит угле­рода больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью. Повышение температуры жидкого металла улучшает жид­котекучесть, и чем выше его перегрев, тем более тонкостенную отливку можно получить, так как жидкотекучий металл заполняет очень узкие полости формы. Минимально возможная толщина стен­ки отливки для различных литейных сплавов (ввиду их разной жидкотекучести) неодинакова и составляет для отливок из серого чугуна: мелких 3. 4 мм, средних 8. 10 мм, крупных 12. 15 мм; для отливок из стали — соответственно 5. 7, 10. 12 и 15. 20 мм.

Жидкотекучесть металла определяют технологической пробой в виде спирали, длину которой принимают за меру жидкотекуче­сти металла. Заливая металл при различных температурах пере­грева, находят оптимальную температуру заливки формы для дан­ного сплава.

2. Усадка — уменьшение объема металла и линейных размеров отливки в процессе ее кристаллизации и охлаждения в твердом состоянии. Различают объемную и линейную усадки.

Объемная усадка сопровождается уменьшением объема металла при кристаллизации, и поэтому в массивном сечении отливки может образоваться усадочная рыхлота (пористость), или концентриро­ванная усадочная раковина, так как массивное се­чение кристаллизуется последним и в этом сечении не хватит ме­талла. Устраняют усадочную раковину установкой прибыли 2 или холодильников 3 в массивном сечении. Прибыль, имея большее сечение, кристаллизуется медленнее отливки и поэтому будет пи­тать ее жидким металлом при кристаллизации, а усадочная рако­вина перемещается в прибыль, которую отрезают.

Линейная усадка сопровож­дается уменьшением линейных размеров при охлаждении за­твердевшей отливки. Стержни и формовочная смесь оказывают сопротивление линейной усадке металла. В результате в отлив­ке возникают внутренние напря­жения, которые могут привести к короблению и даже к образо­ванию горячих окисленных тре­щин. Для уменьшения сопротивления линейной усадке формо­вочные и стержневые, смеси делают податливыми. Линейная усадка литейных сплавов различна и равна: для серого чугуна 1 %, для углеродистой стали 2 %, для цветных сплавов—1,3…1,8 %. Линейную усадку учитывают при изготов­лении модели, увеличивая ее размеры по сравнению с отливкой на линейную усадку соответствующего сплава.

3. Ликвация — неоднородность химического состава сплава по сечению отливки. Различают зональную и дендритную ликвации. Зональная ликвация создает химическую неоднородность в объеме всей отливки; дендритная — в пределах одного зерна (дендрита). Неоднородность химического состава и структуры по сечению при­водит к неоднородности механических свойств отливки. Для умень­шения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки.

4. Газопоглощение — способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять кислород, азот и водород, причем их раство­римость растет с перегревом расплава. В литейной форме газонасы­щенный расплав охлаждается, понижается растворимость газов, и они, выделяясь из металла, могут образовать в отливке газовые раковины. Поэтому формовочная и стержневая смеси должны иметь хорошую газопроницаемость.

Итак, технологичные литейные сплавы должны обладать хоро­шей жидкотекучестью, малой усадкой и не ликвировать.

Литейные сплавы

Наиболее распространенным литейным материалом является серый чугун, так как он обладает хорошими литейными свойствами, недефицитен и имеет невысокую стоимость. Значительно меньшая часть отливок изготавливается из высокопрочных, ковких и легированных чугунов.

Сталь имеют более высокие механические свойства по сравнению с чугунами, но она значительно дороже, а изготовление из нее отливок связано с рядом трудностей из-за ее низких литейных свойств.

Среди литейных сплавов цветных металлов наиболее широкое применение нашли медные, алюминиевые, магниевые, цинковые и титановые сплавы.

К литейным сплавам предъявляется ряд различных требований, касающихся их механических и физико-химических свойств. Но независимо от этого все литейные сплавы должны обладать определенными литейными свойствами, без учета которых даже при самом совершенном технологическом процессе литья получить качественную отливку не удается.

Литейные свойства сплавов.

Основные литейные свойства это жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации, поглощению газов, образованию трещин и др.

Жидкотекучесть (Ж) — способность металлов и сплавов в жидком состоянии течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть зависит от природы металла, физических свойств, химического состава, температурного интервала кристаллизации, температуры заливки металла, состояния и свойств литейной формы. Чистые металлы, эвтектики, а также все сплавы, не имеющие интервала кристаллизации, обладают значительно большей жидкотекучестью по сравнению со сплавами той же системы, кристаллизующимися в интервале температур.

Повышение температуры заливки и температуры литейной формы увеличивает Ж сплавов. Увеличение теплопроводности материала формы, как и неметаллические включения в металле, снижает Ж и затрудняет продвижение его в форме.

Чем лучше отделка формы и литниковых каналов, тем быстрее и полнее форма заполняется расплавом.

В практике литейного производства Ж оценивают с помощью специальных спиральных проб, которые заливают расплавленным металлом. Длина заполненной части спирали и служит мерой Ж, которая измеряется в миллиметрах.

Усадка — это свойство литейных сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. На величину усадки влияют, прежде всего, природа металла, химический состав сплава, температура заливки и свойства литейной формы. С повышением температуры заливаемого металла усадка увеличивается. Усадку принято делить на объемную и линейную.

Объемная усадка — это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме. Объемная усадка приводит к образованию в отливках усадочных раковин и рассеянной усадочной пористости.

Усадочные раковины — это сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 2.2, а). Усадочная пористость — рассредоточенное скопление пустот, образовавшихся в отливке в результате усадки без доступа к ним расплавленного металла (рис. 2.2, б).

При кристаллизации чистых металлов, сплавов, соответствующих по составу эвтектикам, и сплавов с узким интервалом кристаллизации затвердевание отливки происходит послойно, начиная от стенок формы и постепенно передвигаясь в глубь тела отливки. Усадка затвердевшей части восполняется за счет еще не затвердевшей части отливки, уровень металла в которой постепенно (уровни а—а, б—б) понижается до тех пор, пока не закончится процесс затвердевания, по завершении которого появится сосредоточенная усадочная раковина 1.

Если в отливке имеются различные по толщине части, то в первую очередь затвердевает самая тонкая часть. Образующаяся в ней усадочная пустота заполняется жидким металлом 6 из соседней части, которая охлаждается медленнее и в которой образуется усадочная раковина.

Для предотвращения образования усадочной раковины в литейной форме предусматривают установку прибыли, размеры и форму которой подбирают так, чтобы она затвердевала в последнюю очередь, т.е. прибыль должна быть массивнее самой толстой части отливки.

Рис. 2.2. Схема образования усадочной раковины и усадочной пористости:

а — образование усадочной раковины; б — образование усадочной пористости; 1 — сосредоточенная усадочная раковина; 2—4 — последовательно образующиеся слои; 5 — расплав; б — изолированные области;

7 — пористость; а—а, б—б — уровни застывшего металла

У сплавов с интервалом кристаллизации в средней части отливок возникает усадочная пористость 7, располагающаяся по границам зерен металла.

Для получения отливок без усадочных раковин и пористости необходимо обеспечить непрерывный подвод расплавленного металла в течение всего периода кристаллизации и охлаждения отливки и обеспечить выравнивание скоростей затвердевания различных ее сечений.

Линейная усадка — это уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры заливки до температуры окружающей среды.

Отливка по своим линейным размерам всегда меньше полости формы, в которой она получена. Эта разница называется абсолютной линейной усадкой. Относительной линейной усадкой называют отношение абсолютной линейной усадки к линейным размерам отливки после полного охлаждения. Линейную усадку определяют соотношением

где /ф и /_от — размеры полости формы и отливки при температуре 20°С, мм.

Поскольку линейная усадка в отливках практически никогда не бывает свободной, а всегда в той или иной степени затруднена, в отливках возникают упругие и пластические деформации. Внешние, более остывшие слои отливки, затрудняют усадку внутренних горячих слоев, в результате чего внутренние слои будут пластически растянуты, а наружные — упруго сжаты, что приведет к образованию внутренних напряжений. Если величина напряжений превысит предел текучести, то возможно искривление — коробление отливки. Если же величина напряжений превысит величину предела прочности материала, то появятся трещины.

В зависимости от того, в какой период образовались трещины, различают трещины горячие и холодные. Горячие трещины появляются при температуре, близкой к температуре затвердевания сплавов, когда они имеют очень низкую прочность. Поверхность трещины будет темной, окисленной. Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Холодные трещины образуются в отливках, имеющих большую разницу в толщине тонких и массивных частей, т.е. охлаждающихся неравномерно Поверхность металла в зоне трещины будет неокисленной, так как она образовалась в холодном металле.

Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. На склонность сплава к ликвации влияют химический состав сплава, интервал кристаллизации, скорость охлаждения отливки и т.д. Различают два основных вида ликвации: дендритную и зональную. Дендритная ликвация характеризуется наличием химической неоднородности в пределах одного зерна сплава, она тем заметнее, чем больше скорость затвердевания сплава в форме. Зональная ликвация проявляется в неоднородности структуры и состава в различных частях отливки. Зональная ликвация наиболее опасна, так как ее нельзя устранить термической обработкой. Разновидностью зональной ликвации является ликвация по удельному весу.

Газонасыщение металла происходит из топлива, шихтовых материалов, окружающей среды и из литейной формы, которая при заполнении ее жидким металлом выделяет газы. Газы могут находиться в металле в свободном состоянии или растворяться в нем, образуя оксиды, гидриды, нитриды. Растворенные в металле газы ухудшают его механические свойства и способствуют образованию литейных дефектов — газовых раковин.

Таким образом, литейные свойства являются определяющими при конструировании литой детали, выборе материала и способа получения отливки. Без учета их даже при самом совершенном технологическом процессе литья получить отливку без литейных дефектов невозможно.