Литейные свойства металлов

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

Выбор способа изготовления отливки во многом зависит как от геометрии отливки, объема потребности в отливках данного типа, так и от имеющихся литейных свойств сплава заложенного конструктором детали.

Литейные свойства это совокупность физико-химических свойств металлов, характеризующих их поведение в разных условиях изготовления отливок.

Наиболее важнейшие из них, жидкотекучесть, усадка и ликвация.

Жидкотекучестью сплава металла называется способность расплавленного металла заполнять полость литейной формы и давать геометрию размеров отливки с определенной точностью.

Жидкотекучесть сплава зависит от его химического состава, температуры, Примененных в литейной форме материалов изготовления. Ряд химических элементов улучшает жидкотекучесть, другие наоборот — ухудшают. Увеличение углерода и фосфора в чугуне и стали улучшает их жидкотекучесть, а увеличение серы — снижает жидкотекучесть. Высокая температура уменьшает вязкость жидкого сплава и облегчает заполнение формы. Жидкий расплав лучше заполняет форму, поэтому для каждого способа изготовления отливок устанавливают свои особые требования к жидкотекучести металла, повышают или снижают жидкотекучесть как правило температурой.

Затвердевание жидкого металла при его охлаждении уменьшает его объем. Это общее уменьшение объема отливки и соответственно все ее размеров называется усадкой.

Чтобы обеспечить требуемые размеры отливки, литейную форму и модельную оснастку изготавливают с учетам предполагаемой усадки металла. Для большинства металлов усадка составляет от 0,8 до 3,1%.

Размеры отливки простой формы при остывании уменьшаются (усаживаются) равномерно. Такая усадка называется свободной.

На практике иметь дело со свободной усадкой приходится крайне редко, при литье изготовлении отливок простой формы. Как правило, все отливки в производстве имеют сложную неравномерную конфигурацию, переходы диаметров, утолщения, ребра и прочие элементы, качественное исполнение которых и определило необходимость их получение литьем.

Формовочные материалы, из которых изготовлена литейная форма, ее конфигурация препятствует равномерному «усаживанию» размеров сложной отливки. Усадка отливки, протекающая в этих условиях, называется затрудненной.

Затрудненная усадка вызывает внутренние напряжения в отливке, которые в последствии образуют литейные дефекты в виде горячих и холодных трещин , утяжин, коробления и другим основаниям для брака отливки.

Расплав в форме застывает не равномерно сначала на поверхности отливки в местах ее соприкосновения со стенками формы, отливка покрывается литейной коркой, дальнейшее застывание (кристализация) происходит по направлению к центру отливки из ее краев.

Если сечения отливки неодинаковы и остывают с разной скоростью, то сечение тонкие, остывающие быстрее, будут оттягивать металл из толстых сечений в результате в толстых сечениях отливки вследствие этого не хватает металла на формирование сердцевины сечения, и там образуются рыхлости или раковины, называемые усадочным и, для недопущения такого брака отливок при написании технологии изготовления рассчитывается усадка отливки и необходимая прибыльная часть отливки питающая усаживающийся металл из вне геометрической формы отливки, тем самым усадочные пороки выводятся либо в неответственное место отливки, либо в прибыль, которая затем удаляется.

Ликвация сплава металла. В твердом состоянии большинство металлов состоит из зерен различного химического состава, физических свойств и веса. Также, составляющие сплава имеют разные температуры затвердевания, Происходит это потому, что сплав затвердевает обычно не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Зерна, выпадающие в интервале температур затвердевания , отличаются друг от друга по химическому составу. Чем раньше произошло выпадение (затвердевание) зерна, тем меньше примесей оно содержит. Естественно, что остающаяся часть жидкого сплава все время обогащается примесями и остаток расплава, застывающий последним, содержит наибольшее количество примесей и неметаллических включений .

Такое изменение химического состава зерен жидкого сплава в ходе затвердевания называется ликвацией.

Ликвация тем сильнее, чем медленней остывает расплав. Ликвация может быть значительно уменьшена ускорением затвердевания сплава, перераспределение примесей между выпадающими кристаллами и остающимся жидким сплавом происходить в этом случае не успевает, также как и замедляется осаждение тяжелых кристаллов.

В сталях и чугунах интенсивней других примесей ликвируют фосфор и сера в виде соединений с железом (фосфидов и сульфидов). В металле застывающим в последнюю очередь вытесняются неметаллические включения, содержащиеся в отливке, также газы и шлаки не вышедшие через литейную корку на поверхность отливки или в прибыль.

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.

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.