Литейные свойства металлов и сплавов
Литейные свойства металлов и сплавов
К литейным свойствам металлов и сплавов относятся:
3) Склонность к образованию трещин,
4) Склонность к газопоглощению,
5) Химическая ликвация или неоднородность металла.
1. Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять полости формы и чётко воспроизводить контуры отливки. Жидкотекучесть зависит от свойств заливаемого материала и от свойств литейной формы.
1.1. Свойства материала:
— вязкость материала (чем больше вязкость тем жидкотекучесть меньше)
— температура заливаемого материала (чем меньше температура тем хуже материал заполняет литейные формы)
— химический состав материала;
— температурный интервал кристаллизации металла.
1.2. Свойства формы :
— материал формы (чем больше теплопроводность тем хуже текучесть)
2. Усадка – все металлы и сплавы в процессе кристаллизации уменьшают свой объём. Различают два вида усадки:
— линейная усадка ( 
лин.)
— объёмная усадка ( об.)
Усадка зависит от характеристики заливаемого металла и от характеристики литейной формы и скорости заливки в форму:
Характеристики заливаемого металла:
— температура (чем выше температура тем больше усадка)
— химический состав сплава
— теплопроводность материала формы,
— степень сложности формы.
3. Склонность к поглощению газов. Все металлы в расплавленном состоянии растворяют в себе определённое количество газов. В процессе кристаллизации металла необходимо обеспечить выход газов на поверхность, в противном случае после окончательной кристаллизации слитка внутри слитка образуются поры, наличие которых ослабляет сечение металла и может привести к разрушению деталей или конструкции, изготовленной из такого металла.Поры являются неисправимым дефектом. Для предотвращения их образования в процессе изготовления отливок предусматривается система каналов и отверстий, предназначенных для вывода газа из кристаллизуемого металла.
4. Склонность к образованию трещин. В процессе кристаллизации отливок могут возникать два вида трещин:
Причиной возникновения трещин является неравномерное затвердевание различных по форме и массе частей отливки, в местах сопряжения различных частей (перехода) возникают. Если предел прочности материала в какой-то момент времени становится меньше внутренних напряжений, то в этом случае происходит образование трещин.
Горячие трещины образуются в период первичной кристаллизации сплавов т.е. в момент перехода сплава из жидкого состояния в твёрдое. Такие трещины чаще всего проходят по границам кристалла. Кроме того, причинами возникновения горячих трещин могут быть:
— различные неметаллические включения;
Холодные трещины возникают при вторичной кристаллизации металла, т.е. когда металл находится в твёрдом состоянии. Если различные части отливки подвергаются упругим деформациям, то в этом случае небольшие (тонкие) части отливок сокращаются и охлаждаются быстрее чем массивные. В этом случае между различными частями отливки может возникать деформация и напряжение, которое иногда приводит к образованию трещин. Для предотвращения образования холодных трещин необходимо обеспечить равную скорость охлаждения металл в различных частях отливки.
5. Химическая ликвация или неоднородность слитка по химическому составу
Различают два вида ликвации
1. Внутрикристаллическая – возникает при быстром охлаждении сплавов.
2. Зональная ликвация – неоднородность химического состава по всему сечению слитка.
Литейные свойства металлов и сплавов
При конструировании литой детали следует учитывать ход процесса затвердевания отливки. В отливках из сплавов, имеющих большую усадку и ликвацию, необходимо, чтобы затвердевание происходило снизу вверх, вследствие чего усадочная раковина, а также ликвирующие включения перемещаются в верхнюю часть отливки, где устанавливается прибыль (элемент литниковой системы для питания отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин).
После заливки металл затвердевает послойно, начиная от стенок формы. При затвердевании и охлаждении уменьшается объем металла, поэтому уровень жидкого металла в прибыли опускается, и последующие слои в ней затвердевают на более низких уровнях. Так как в прибыли металл затвердевает в последнюю очередь, именно в ней и образуется усадочная раковина.
Для производства отливок целесообразно применять сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, позволяющими получать из них отливки весьма сложной конфигурации. К хорошим литейным свойствам сплавов относятся высокая жидкотекучесть, малая усадка при затвердевании и дальнейшем охлаждении, незначительная ликвация, низкая способность сплавов поглощать газы при плавке и заливке.
Жидкотекучестью сплаваназывается его способность заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить очертания этой полости. Жидкотекучесть зависит от химического состава и температуры заливаемого в форму сплава, от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, свойств литейной формы и других факторов.
Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается, и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы уменьшает жидкотекучесть, т.е. песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую, которая интенсивно охлаждает расплав.
Усадкойназывается свойство металлов и сплавов уменьшаться в линейных размерах и объеме при кристаллизации и охлаждении отливки. Различают линейную и объемную усадку.
Линейная усадка сопровождается уменьшением линейных размеров при кристаллизации и охлаждении отливки. Так, отливки из серого чугуна имеют линейную усадку 0,9…1,3%, из углеродистой стали – 2…2,4%, из алюминиевых сплавов – 0,9…1,5%, из медных – 1,4…2,3%. Стержни и форма оказывают сопротивление линейной усадке металла, в результате в отливке возникают внутренние напряжения, вызывающие коробление, а иногда и образование трещин (горячих или холодных). С целью уменьшения сопротивления линейной усадке формовочные и стержневые смеси изготавливают податливыми. Линейную усадку учитывают при изготовлении модели и стержневых ящиков, увеличивая (уменьшая) размеры, по сравнению с размерами отливки на величину линейной усадки соответствующего сплава.
Объемная усадка сопровождается уменьшением объема металла при кристаллизации и дальнейшем охлаждении, и поэтому в массивном сечении отливки может образовываться усадочная пористость или концентрированная усадочная раковина. Ее устранение осуществляют установкой прибыли или холодильников в этом месте. Прибыль изготавливают более массивной, чем стенки отливки.
Ликвацией называется образование неоднородности химического состава в различных частях отливки. Различают два основных вида ликвации: зональную, когда отдельные зоны отливки имеют различный химический состав, и внутрикристаллическую, характеризующуюся неоднородностью зерна металла. На ликвацию оказывают значительное влияние химический состав сплава, скорость охлаждения и масса отливки.
Газопоглощение – это способность литейных сплавов в жидком состоянии поглощать различные газы (кислород, водород и азот), причем их растворимость растет с повышением температуры жидкого металла. В литейной форме газонасыщенный расплав охлаждается, понижается растворимость газов, и они, выделяясь из металла, могут образовывать в отливке газовые раковины. Технологические литейные сплавы должны обладать хорошей жидкотекучестью, малой усадкой и газопоглощением, а также не ликвировать.
Литейные свойства металлов и сплавов;
Основные понятия литейного производства
Литейное производство – это технологический процесс получения заготовок или деталей путем заливки жидкого расплава в специальную литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали. Форма заполняется металлическим сплавом через специальную систему каналов, которую называют литниковой системой. При охлаждении залитый в форму расплав затвердевает и в твёрдом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит, причём наружные очертания заготовки или детали определяются полостью формы, а внутренние — образуются специальными вставками, которые называют стержнями. Конечный продукт литейного производства называют отливкой. Для производства отливок используют чугуны, углеродистые и легированные стали, бронзу, латунь, алюминиевые, титановые и другие сплавы. Отливки производят массой от нескольких граммов до сотен тонн. В машиностроении это блоки цилиндров, поршни, коленвалы, зубчатые колеса, различные корпуса, крышки и т. д.
В зависимости от требований к геометрической точности и качеству поверхности отливки применяют следующие способы литья:
1) литьё в одноразовую песчано-глинистую форму;
2) литье в оболочковую форму;
3) литье по выплавляемым моделям;
4) литье в кокиль (металлическую многоразовую форму);
5) литье под давлением;
6) центробежное литьё и другие способы литья.
Сплавы, из которых изготавливают отливки, должны обладать не только определенными физическими, химическими и механическими характеристиками, но также и высокими литейными свойствами. Именно эти свойства в значительной степени определяют саму возможность получения из данных сплавов тонкостенных, сложных по форме отливок без дефектов. К наиболее важным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку (литейную и объемную), склонность к образованию трещин, газовых раковин и пористости, склонность к поглощению газов, склонность к ликвации (неоднородности отливок по химическому составу).
Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки. Низкая жидкотекучесть может привести к не заполнению отдельных частей полости формы. Жидкотекучесть зависит от хим. состава сплава, его вязкости, величины сил поверхностного натяжения, от температуры расплава и формы, а также от свойств литейной формы. Химический состав сплава определяет температурный интервал, в котором наблюдается его кристаллизация, и это оказывает влияние на жидкотекучесть сплава. Чистые металлы, которые кристаллизуются (плавятся) при постоянной температуре, текут лучше, чем сплавы. Жидкотекучесть увеличивается с увеличением температуры расплава и формы, в которую его заливают. Более высокие температуры приводят к снижению вязкости расплава, что отражается на его жидкотекучести. Жидкотекучесть понижается с увеличением сил поверхностного натяжения и тем больше она понижается, чем тоньше каналы литейной формы. Заполняемость формы зависит также от её теплопроводности. Например, песчано-глинистые формы отводят тепло хуже, чем металлические формы и поэтому заполняются расплавом лучше.
Жидкотекучесть сплавов определяют с помощью заливки специальных технологических проб. Наиболее распространенной является спиральная проба. В данном способе жидкотекучесть определяют по длине спирали заполненной расплавом.
Усадка – это свойство литейных сплавов уменьшаться в размерах и объеме при затвердевании и охлаждении. Различают литейную усадку и объемную. Литейную усадку характеризуют величиной
.
где 
— размер формы, 
— размер отливки.
Объёмную усадку характеризуют величиной
.
С усадкой связано большинство затруднений в литейном производстве. Чем больше величина усадки, тем выше вероятность образования в отливках таких дефектов как раковины и трещины. Величина усадки зависит от химического состава сплава, от температуры его заливки в форму, от скорости охлаждения, а также от конструкции отливки и литейной формы.
Материаловед
1. Литейные свойства сплавов
В производстве отливок важную роль играют литейные свойства сплавов, обеспечивающие хорошее заполнение литейной формы и получение отливок без дефектов — раковин, трещин и др. К основным литейным свойствам сплавов относятся: жидкотекучесть, заполняемость, усадка и ликвация.
Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее.
Заполнение литейных форм является сложным гидродинамическим и физико-химическим процессом. Главным фактором, определяющим уровень жидкотекучести, являются свойства сплава в жидком состоянии: теплофизические свойства, особенности кристаллизации, вязкость, окисляемость.
Влияние литейной формы связано главным образом с ее теплофизическими свойствами, со смачиваемостью жидким металлом, с условиями физико-химического взаимодействия «металл — форма».
На жидкотекучесть влияют условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме.
Например, чем выше температура заливки сплава, тем больше его жидкотекучесть. Жидкотекучесть чугуна увеличивается с увеличением содержания в нем фосфора, кремния и углерода. Сера и марганец понижают жидкотекучесть.
Количественные значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения. Наибольшее распространение получили технологические спиральные пробы. В специальную литейную форму, имеющую спиралевидный канал, заливают испытуемый расплав. Форму изготовляют по модели стандартной пробы на жидкотекучесть. Чем более длинный участок спирали заполнит заливаемый в нее металл, тем выше его жидкотекучесть. Для удобства вычисления длины залитой спирали на ее верхней поверхности через каждые 50 мм расположены точки. Таким образом, жидкотекучесть металла определяется длиной залитой спирали, выраженной в миллиметрах или точках.
При теоретическом анализе характеристики жидкотекучести основным является определение условий остановки движущегося потока. Высказано несколько точек зрения на механизм остановки потока: выделение 20% твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале литейной формы дендритов (древовидных кристаллов), препятствующих движению потока, накопление твердых кристаллов на конце потока.
Течение металла в литейной форме сопровождается кристаллизацией. Поэтому движущийся поток рассматривают как гетерогенную жидкость. Из гидравлики известно, что движение таких жидкостей начинается только после того, как касательное напряжение становится больше определенного значения σ0, называемого предельным напряжением сдвига.
При поступлении металла в канал литейной формы на стенках канала образуется твердая корочка из-за высокой интенсивности охлаждения металла в начальные моменты. С течением времени, по мере прогревания формы, интенсивность теплоотвода уменьшается. Но перенос теплоты к корочке за счет поступления новых порций металла остается постоянным, и она начинает оплавляться. Уменьшению размеров корочки способствует также смывание части кристаллов движущимся потоком. Накопление обломков кристаллов на конце потока приводит к постепенному нарастанию сил внутреннего трения. Условия течения металла заметно ухудшаются. Наконец в определенный момент количество накопившихся обломков становится настолько большим, а сопротивление внутреннему трению настолько значительным, что поток останавливается. Схема остановки потока металла показана на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схема остановки потока металла
Заполняемость характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил.
Заполнение тонких сечений отливок — это процесс взаимодействия металла и формы. Иногда этот процесс называют формовоспроизведением или формозаполнением.
Заполняемость обусловлена рядом факторов:
1) поверхностным натяжением сплава и смачиваемостью формы;
2) вязкостью сплава, связанной с его теплофизическими свойствами;
3) температурным интервалом кристаллизации;
4) формой и размерами первичных кристаллов;
5) склонностью сплава к пленообразованию;
6) теплофизическими свойствами формы;
7) способом заливки металла;
8 ) конструктивными особенностями литниковой системы;
9) наличием газов в форме и условиями ее вентиляции.
Эффективным средством, улучшающим заполнение тонких элементов отливок, является центробежная заливка.
Усадка — это уменьшение объема сплава, залитого в форму, при его охлаждении. Уменьшение объема сплава при охлаждении до температуры затвердевания и при затвердевании называется объемной усадкой. Уменьшение линейных размеров отливки по сравнению с размерами модели называется линейной усадкой.
Значение усадки сплава в литейной форме зависит от его химического состава, конфигурации отливаемого изделия, температуры заливки в форму, скорости охлаждения в форме и других факторов. Среднее значение линейной усадки серого чугуна около 1%, стали — 2%, медных сплавов — 1,5%.
Усадка — отрицательное явление, потому что при ней изменяются объем и размеры изготовляемых отливок, она является причиной образования в отливках усадочных раковин, пористости, внутренних напряжений, вызывающих появление коробления и трещин.
Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях сечения отливки, возникающая при его кристаллизации. Наиболее заметна ликвация в массивных сечениях отливки.
