Лучший литейный сплав

Материаловед

2.2. Литейные сплавы

1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.

Серый чугун – наиболее распространенный литейный сплав, из него получают самые разнообразные литые детали. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз дешевле, чем из цветных металлов).

Серый чугун имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания углерода, кремния и фосфора и понижается с увеличением серы. Особо высокую жидкотекучесть имеет чугун для тонкого художественного литья (1,0…1,2 % серы).

Модифицирование обеспечивает получение наиболее благоприятной структуры с мелкими включениями графита завихренной формы и применяется для получения чугунов с перлитной основой.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность и пластичность, чем серый чугун. Такой чугун получают модифицированием магнием или церием. Свойства чугуна в основном определяются его металлической основой и могут быть значительно улучшены термической обработкой. Из высокопрочных чугунов изготавливают коленчатые валы, детали турбин и другие ответственные детали.

Ковкий чугун с хлопьевидным графитом получают отжигом отливок из белого чугуна. Механические свойства чугуна зависят от металлической основы. Перлитные чугуны имеют более высокую прочность при пониженной пластичности. Ферритные чугуны, имея меньшую прочность, обладают более высокой пластичностью. Ковкий чугун применяют для получения отливок с с толщиной стенки до 40 мм.

Легированные чугуны хромистые, никелевые и др. применяют для отливок ответственного назначения. Легирование чугунов улучшает механические свойства, коррозионную стойкость, износостойкость, жаропрочность и другие свойства. В качестве легирующих элементов применяют никель, хром, молибден, алюминий, медь, титан. Низколегированные чугуны с содержанием легирующих элементов до 3 % применяют в машиностроение. Широкое применение находят отливки из высоколегированных чугунов с особыми физическими свойствами, например кислотостойких (26…36 % Cr), немагнитных (до 12 % Mn, до 2 % Cu). Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свойствами.

Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик.

2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 т, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %.

Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.

Углеродистые стали. Жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в два раза меньше жидкотекучести серых чугунов. Это объясняется высокими вязкостью и поверхностным натяжением при температурах разливки, а также значительно меньшим перегревом. Усадка сталей составляет до 2,5 %.

Литые углеродистые стали по литейным свойствам уступают чугуну, но из них можно получать сложные отливки, разнообразные по конструкции, размерам, массе, толщине стенок. Наибольшее распространение получили отливки из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,45 %.

Отливки из низкоуглеродистых сталей применяют в электротехнике.

Легированные стали. Легирование стали является одним из средств увеличения надежности, долговечности и снижения массы литых деталей, а также придания им специальных свойств. Выбор легирующих элементов обусловливается назначением отливки, ее конструктивными и технологическими особенностями.

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на карбидообразующие и графитизирующие.

Легирующие элементы вызывают образование новых структурных составляющих и изменение свойств существующих фаз.

Наибольшее распространение получили стали, легированные кремнием, марганцем, хромом, никелем, ванадием, молибденом, медью в различных комбинациях и соотношениях.

3. Медные сплавы – бронзы и латуни. Их применяют для отливок, которые должны иметь хорошую износостойкость и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость в атмосфере, технической и морской воде. Медные сплавы немагнитны, хорошо полируются и обрабатываются резанием. Все медные сплавы склонны к образованию трещин.

Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для морского судостроения, работающей при температуре 300 ºС, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.

Простые латуни находят ограниченное применение. При затвердевании в них образуются концентрированные усадочные раковины, что вызывает необходимость устройства больших прибылей.

Обычно литейные латуни являются более сложными сплавами. Входящие в состав этих латуней алюминий, железо, марганец и другие элементы улучшают литейные свойства. Большинство латуней имеют линейную усадку 1,6…1,7 %, малую склонность к образованию газовой пористости, так как хорошо дегазируются при выплавке в результате образования паров цинка. Поэтому из латуней легче получить плотные, герметичные отливки.

Бронзы – сплавы меди с другими элементами, кроме цинка.

Оловянные бронзы содержат 2…14 % олова и другие компоненты.

Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки, работающие в условиях истирания, повышенного давления воды и пара.

Линейная усадка оловянной бронзы менее 1 %, отливки могут быть получены без прибылей.

Высокооловянистые бронзы имеют хорошие литейные свойства, но из-за дефицитности и высокой стоимости олова применяются только для отливок ответственного назначения.

Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже.

Среди сплавов этой группы наиболее широко применяют алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде и во многих агрессивных средах, хорошо сопротивляются удару. Свойства алюминиевых бронз улучшаются при легировании железом, марганцем, никелем и другими элементами.

В процессе выплавки алюминиевые бронзы склонны к окислению, сопровождающемуся загрязнением расплава дисперсными оксидами алюминия. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической промышленности.

Свинцовые бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами при больших удельных нагрузках и высоких скоростях скольжения. Их используют как заменители оловянной бронзы при изготовлении вкладышей подшипников. Особенностью свинцовых бронз является предрасположенность к ликвации свинца. Дисперсное распределение свинца может быть получено только при больших скоростях кристаллизации.

4. Алюминиевые сплавы.

Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Их высокая жидкотекучесть обеспечивает получение тонкостенных и сложных по форме отливок. Линейная усадка составляет 1,0…1,25 %. Сплавы имеют невысокую температуру плавления (550…650 0 С).

Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины (АЛ2, АЛ9). Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности.

Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.

Сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ19) имеют пониженные литейные свойства, малую коррозионную стойкость, склонны к образованию трещин и рассеянной усадочной пористости. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют высокие механические свойства, тепловую прочность.

Сплавы алюминия с медью и кремнием (АЛ3, АЛ6, АКМ4) широко используют в промышленности для изготовления деталей достаточной прочности и твердости, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих хорошее качество обработанной поверхности.

Сплавы алюминия с магнием (АЛ8, АЛ13) обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Их применяют для сильно нагруженных деталей, но они плохо работают при повышенных температурах.

Сложнолегированные сплавы применяют для изготовления отливок, работающих при повышенных температурах и давлениях (АЛ1), с повышенной стабильностью размеров, а также для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатывающихся резанием (АЛ11, АЛ21).

5. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейные свойства невысоки. Применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.

Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец предназначены для производства высоконагруженных отливок, работающих в атмосфере с большой влажностью. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы МЛ5, МЛ6.

Сплавы магния с цинком и цирконием являются высокопрочными, характеризуются повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Сплавы обладают удовлетворительными литейными свойствами, имеют измельченное зерно, способны упрочняться при термической обработке. Из них получают отливки с однородными свойствами в различных по толщине сечениях. Изготавливают отливки, работающие при температурах 200…250 0 С и высоких нагрузках.

Сплавы магния, легированные редкоземельными металлами, обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую склонность к образованию усадочных трещин, высокие и однородные механические свойства в сечениях различной толщины. Их применяют для изготовления отливок, работающих под действием статических и усталостных нагрузок при длительной работе при 250…350 0 С и кратковременной при 400 0 С.

Литейные сплавы

3.1. Литейные свойства сплавов

Простота изготовления фасонной отливки зависит от литейных свойств сплавов. Например, получить отливку сложной конфигурации и заданных свойств из серого чугуна значительно проще, чем из легированной стали и из некоторых сплавов цветных металлов.

Литейные свойства сплавов — это такие технологические свойства, которые непосредственно влияют наоплучение качественных отливок с хорошими эксплуатационными показателями. Основными литейными свойствами, которые влияют на выбор сплава в качестве литейного материала, являются: жидкотекучесть, усадка, ликвация, склонность к газопоглощению и трещинообразованию.

Жидкотекучесть — способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя и точно воспроизводя все ее контуры.

Жидкотекучесть сплавов зависит от следующих параметров:

1. Температурного интервала кристаллизации

где Т_л и Т_с — температуры ликвидуса и солидуса соответственно.

Чем меньше ΔТ, тем больше жидкотекучесть. Лучшей жидкотекучестью обладают чистые металлы и эвтектические сплавы, у которых ΔТ = 0. Худшая жидкотекучесть у сплавов, образующих твердые растворы, поскольку в процессе их заливки и охлаждения в литейной форме возникает дополнительное трение образующихся твердых кристаллов о ее стенки.

2. Вязкости и поверхностного натяжения расплава (чем они меньше, тем больше жидкотекучесть).

3. Температуры заливаемого металла и температуры формы

(чем они выше, тем выше жидкотекучесть).

4. Свойств литейной формы (чем больше ее теплопроводность, теплоемкость и влажность, тем меньше жидкотекучесть).

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют с помощью различных методов и технологических проб. Технологические пробы на жидкотекучесть поводят в специальных литейных формах с полостью в виде каналов, характер заполнения которых жидким металлом определяет его жидкотекучесть. Из разнообразных конструкций технологических проб наибольшее распространение получила спираль Керри — проба спиральной формы (рис. 1.24).

Жидкотекучесть определяют по длине пути, пройденному жидким металлом до его затвердевания, т. е. по длине прутка. Небольшие выступы, нанесенные через 50 мм, облегчают измерение длины спирали (прутка). Спиральный канал позволяет получить длинные прутки в сравнительно небольших формах.

Рис. 1.24. Технологическая спиральная проба (спираль Керри): 1 — чаша; 2 — стояк;

3 — металлоприемник; 4 — спиральный канал; 5 — выступы

Усадка — свойство металлов и сплавов уменьшать свой объем при затвердевании и охлаждении. Она приводит к уменьшению размеров отливки. Различают объемную и линейную усадки.

На усадку влияют следующие факторы:

1. Химический состав сплава (усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода С и кремния Si и увеличивается с повышением содержания фосфора Р и серы S; усадка алюминиевых сплавов уменьшается с повышением содержания кремния Si).

2. Температура заливаемого металла Т_мет (чем меньше Т_мет, тем меньше усадка).

3. Скорость охлаждения металла в форме или теплопроводность формы (чем больше скорость охлаждения, тем больше усадка).

4. Конструкция отливки и литейной формы (с увеличением толщины стенок чугунной отливки усадка уменьшается).

Линейная усадка для различных сплавов составляет: для серого чугуна — 0,9. 1,5 %; для углеродистых сталей — 2. 2,4 %; для алюминиевых сплавов — 0,9. 1,5 %; для медных сплавов — 1,4. 2,3 %.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин и усадочной пористости.

Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, расположенные в частях отливки, затвердевающих в последнюю очередь. Усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава и сплавов с узким интервалом кристаллизации (низкоуглеродистые стали, безоловянистые бронзы и др.). Как правило, усадочные раковины из отливок стремятся сместить в литниковую систему (выпор или прибыль), где металл затвердевает в последнюю очередь.

Усадочная пористость — скопление мелких пустот, образовавшихся в обширной зоне отливки в результате усадки в тех местах, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла. Усадочная пористость располагается по границам зерен металла.

Для получения отливок без усадочных раковин и пористости необходимо обеспечить, во-первых, непрерывный подвод расплавленного металла в форму в процессе его кристаллизации и, вовторых, движение фронта кристаллизации таким образом, чтобы последними кристаллизовались части отливки, граничащие с поверхностью формы или расположенные в литниковой системе. Первое достигается размещением в литейной форме прибылей, второе — наружных и внутренних холодильников.

Ликвация — неоднородность химического состава отливки в различных ее точках, возникающая при кристаллизации. На процесс развития ликвации (кроме химического состава сплава) влияют технологические факторы (конфигурация отливки, скорость охлаждения и др.). Различают три вида ликвации: зональную, дендритную и ликвацию по плотности.

Зональная ликвация наблюдается во всем объеме отливки из-за различия температур кристаллизации отдельных компонентов сплава. По мере кристаллизации металл слитка будет все более обогащаться легкоплавкими примесями, поэтому его химический состав по объему будет различным. Так, наружные участки и тонкие стенки стальных отливок, кристаллизующиеся в первую очередь, содержат ликвирующих более легкоплавких примесей (S, P) меньше, чем более массивные части, которые кристаллизуются позже.

Дендритная (внутрикристаллическая) ликвация наблюдается в объеме одного зерна. Чем больше температурный интервал между началом и концом кристаллизации, тем больше будут отличаться по составу отдельные участки внутри зерен. В дендритах оси первого порядка обогащены более тугоплавким компонентом и в них содержание примесей бывает минимальным. Кристаллизующиеся в последнюю очередь междендритные пространства содержат наибольшее количество более легкоплавких компонентов и примесей.

Ликвация по плотности наблюдается при сплавлении металлов значительно различающихся по плотности. Так, в сплавах системы

«свинец–сурьма» верхняя часть слитка будет обогащена сурьмой, а нижняя — более тяжелым свинцом, т. е. отличаться от среднего состава сплава.

Обычно ликвация является нежелательным явлением, поскольку в результате неоднородности химического состава свойства металла на различных участках отливкитбуду отличаться друг от друга.

Склонность к газопоглощению. В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать водород, кислород, азот и другие газы из оксидов и влаги шихтовых материалов при их плавке, а также сгорании топлива, из окружающей среды при заливке металла в форму и т. д. Как правило, растворимость в металлах газов с понижением температуры уменьшается, что вызывает их выделение в процессе кристаллизации. В результате этого в отливке могут образовываться газовые раковины и газовая пористость, которые ухудшают механические свойства и герметичность отливок. Для уменьшения газовых раковин и пористости плавку сплава проводят под слоем флюса, в среде защитных газов, с использованием просушенных шихтовых материалов. При этом перед заливкой расплавленный металл подвергают дегазации вакуумированием или продувкой инертными газами.

Для устранения газонасыщенности отливок следует увеличивать газопроницаемость литейных форм и стержней, снижать влажность формовочных смесей, подсушивать формы и т. д. (например, выплавка стали в вакуумных печах устраняет газонасыщенность).

Склонность к образованию трещин и короблению. В результате неравномерного затвердевания металла в тонких и толстых частях отливки, а также из-за торможения усадки формой при ее охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина внутренних напряжений превысит предел прочности сплава в данном месте, то в нем образуются горячие или холодные трещины.

Горячие трещины — как правило, хорошо видимые разрывы поверхности отливки, распространяющиеся по границам зерен и имеющие неровную окисленную поверхность, на которой при увеличении видно дендритное строение сплава. Эти трещины образуются при застывании расплава в форме. Характерными признаками горячих трещин являются их неровные (рваные) края и значительная ширина.

Холодные трещины — очень тонкие разрывы поверхности отливки, имеющие обычно чистую, светлую (с цветами побежалости) зернистую поверхность. Они образуются из-за внутренних напряжений или механического воздействия при температуре ниже температуры свечения отливки. В отличие от горячих трещин холодные распространяются непосредственно по зернам, а не по их границам, и располагаются преимущественно в острых углах и других местах с высокой концентрацией напряжений.

Холодные трещины, чаще всего, образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации. Вероятность их образования тем выше, чем больше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка (особенно при пониженных температурах) и чем ниже теплопроводность сплава. Вероятность образования холодных трещин в отливках также возрастает при наличии в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях).

Для предупреждения образования трещин необходимо осуществлять равномерное охлаждение отливок (во всех сечениях), применять сплавы, обладающие повышенной пластичностью, проводить дополнительный отжиг отливок и т. п.

Внутренние напряжения, возникающие при охлаждении отливок, могут привести к их короблению (изменению формы и размеров отливок). Вероятность коробления отливки увеличивается при усложнении ее конфигурации и повышении скорости охлаждения, вызывающие неравномерное охлаждение отдельных частей отливки и, как следствие, различную усадку. Коробление отливки также может быть вызвано сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения коробления отливки необходимо увеличивать податливость формы, создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.

3.2. Производство отливок из чугуна

При выборе материала для литья детали следует учитывать условия, в которых она работает, физико-механические свойства сплава, литейные свойства, условия кристаллизации в форме, а также стоимость сплава.

Если принять среднюю стоимость отливки из серого чугуна за 100 %, то стоимость отливок из других сплавов составит: ковкий ч1у30гу%н ,—сталь — 160 %, цветные сплавы — 300. 600 %.

Литейные чугуны. Чугун является самым распространенным сплавом в литейном производстве. Так, около 80 % общего мирового выпуска отливок приходится на долю чугуна. В связи с улучшением его свойств и появлением высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, чугуна с вермикулярным графитом и легированных чугунов специального назначения область применения очудогулнжа ептр расширяться.

В машиностроении для производства деталей используют следующие чугуны: серые, с вермикулярным графитом, высокопрочные, ковкие и специального назначения, характеризующиеся наличием в их структуре свободного углерода в виде графита. Белые чугуны, в структуре которых углерод находится только в связанном состоянии в виде цементита, в машиностроении применяются редко из-за их высокой твердости, затрудняющей механическую обработку, и хрупкости. Эти чугуны применяются только для ограниченной номенклатуры отливок, подвергающихся в условиях эксплуатации сильному износу от трения при высоких удельных нагрузках (валки прокатных станов, щеки камнедробилок и т. п.).

Широкое применение чугунов обусловлено следующим:

1) высокими литейными свойствами этих сплавов, что позволяет изготавливать из них отливки сложной конфигурации, с тонкими стенками, а также производить механическую обработку этих отливок;

2) большей, чем у стальных деталей, способностью гасить вибрации;

3) меньшим, чем у сталей, влиянием концентраторов напряжений (риски, задиры, переходыогот одн на конструкционную прочность деталей;

сечения к другому)

4) высокими антифрикционными свойствами, обусловленными наличием в структуре чугуна свободного графита, являющегося естественной смазкой;

5) невысокой стоимостью отливок по сравнению со стоимостью отливок из стали и цветных сплавов.

Серый чугун — чугун с пластинчатой формой графитовых включений. Металлической основой серого чугуна является феррит, феррит – перлит или перлит (рис. 1.25). Он является наиболее распространенным литейным сплавом. Отливки из этого чугуна составляют до 80 % от общего объема чугунного литья.

Рис. 1.25. Микроструктура серого чугуна: а — ферритный чугун; б — феррито-перлитный; в — перлитный

Структура металлической основы практически не влияет на низкую пластичность серого чугуна (δ = 0,2. 0,5 %), но оказывает влияние на его прочность и твердость (σ_в = 100. 450 МПа; НВ = 143. 289). Он обычно содержит 2,9. 3,7 % С, 0,5. 1,1 % Мn, 1,2. 2,6 % Si, до 0,3 % Р, до 0,15 % S.

Маркируется серый чугун буквами СЧ (серый чугун) и двумя цифрами, обозначающими предел прочности при растяжении (кгс/мм 2 ). Согласно ГОСТ 1412-85 имеются следующие марки серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40 и СЧ45.

Кроме того, по требованию потребителя допускаются марки серого чугуна СЧ18, СЧ21 и СЧ24.

Для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе, используют чугуны марок СЧ10 и СЧ15, а для изготовления более ответственных деталей применяют чугуны остальных марок.

Следует отметить, что чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40 и СЧ45 относятся к группе модифицированных серых чугунов, которые получают добавлением в жидкий чугун перед его разливкой специальных добавок — графитизирующих модификаторов (ферросилиция, силикокальция, графита и др.) в виде кусков размером 1. 5 мм. Это позволяет получать в модифицированных чугунных отливках перлитную основу с вкраплениями небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины, что повышает их механические свойства.

Высокие литейные свойства серого чугуна позволяют получать самые разнообразные детали. Области применения серых чугунов представлены в таблице 1.2.

Применение серого чугуна в машиностроении

Литейные свойства сплавов

Материалы лекций по дисциплине

«Технологические процессы в машиностроении»

Преподаватель – Гольдберг В.Ф.

ЛЕКЦИЯ № 4– 2 часа

Тема 4: ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО.

ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

— сущность литейного производства;

— схема технологического процесса получения отливок;

— литейные сплавы и их свойства;

Сущность литейного производства

Задачалитейного производства – получение заготовок и деталей машин путем заливки расплавленного металла в литейную форму, полость которой имеет очертания заготовки. После затвердевания металл сохраняет форму полости. Получаемые заготовки называются отливками.

Отливки могут иметь самую различную массу и размеры. Самые тяжелые отливки весят до 300 т; максимальная длина – 20 м, толщина стенок до 500 мм.

Существует множество способов литья, различаемых по материалу формы, операциям для её изготовления, вариантам заливки жидкого металла в форму и другим признакам.

Схема техпроцесса получения отливок

Плавильная печь Литейная оснастка

Формовочные материалы Очистка

Литейные свойства сплавов

Есть сплавы, из которых изделия получают методами пластического деформирования(обработкой давлением), а есть литейные, из которых выгоднее отливать детали. Есть сплавы, пригодные и для литья, и для обработки давлением, например, некоторые бронзы. Чугуны являются чисто литейными сплавами.

Литейные сплавы должны обладать следующими свойствами: хорошей жидкотекучестью, малой линейной и объёмной усадкой, не иметь склонности к образованию трещин и газовых раковин и пор.

1. Жидкотекучесть – способность сплава в жидком состоянии течь по каналам формы, заполнять все ее полости и точно воспроизводить контуры отливки.

Определяется жидкотекучесть заливкой технологической спиральной пробы (рисунок 2). Мера жидкотекучести – длина заполненной части спирального канала в мм. Есть сплавы, текущие по каналам формы легко, как вода, а есть – вязкие, текущие медленно, как мёд.

У лучших литейных сплавов – серых чугунов – жидкотекучесть достигает 1500 мм; у магниевых сплавов – всего 200 мм.

Для оценки жидкотекучести при художественном литье выполняют клиновую пробу: чем меньше r, тем лучше.

Чтобы повысить жидкотекучесть, можно сильно перегреть сплав перед заливкой или подогреть форму.

2. Усадка – уменьшение линейных размеров и объёма сплава при охлаждении.

Выражается усадка в относительных единицах:

линейная усадка

где l_ф и l_о – линейные размеры формы и отливки при 20 ºС;

объемная усадка

где v_ф и v_о – объём формы и отливки при 20 ºС.

Объемную усадку обычно не подсчитывают, так как можно считать, что

Хорошие литейные сплавы – силумины (сплав алюминия с кремнием АК7, АК9), чугуны – дают усадку чуть меньше 1 %, стали и медные сплавы – 2,5-3 %.

Усадка увеличивается при большом перегреве металла перед заливкой и за счет большой теплопроводности формы.

Усадка может приводить к возникновению дефектов: усадочных раковин, трещин, коробления.

Усадочная раковина – крупная полость, образуется в той части отливки, которая затвердевает последней (рисунок 3, а).

Иногда возникает не одна крупная раковина, а множество мелких – усадочная пористость (рисунок 3, б).

а б

Рисунок 3 – Усадочная раковина (а) и усадочная пористость (б)

Чтобы предотвратить образование усадочных раковин, применяют прибыли – массивные резервуары с расплавленным металлом, питающие отливку до окончания кристаллизации (рисунок4).

Рисунок 4 – Усадочная раковина
сосредотачивается в прибыли

3. Склонность к образованию трещин.

При затвердевании толстые и тонкие части отливки испытывают неравномерную усадку, к тому же усадке может мешать форма. На рисунок 5, а показано, что выступ 1 на поверхности формы не дает затвердевшему металлу сокращаться. На рис. 5, б сама конструкция отливки такова, что тонкие рёбра жёсткости кристаллизуются быстрее и тормозят дальнейшее сокращение размеров.

Рисунок 5 – Усадке мешает форма (а); неравномерная усадка (б)

В результате в металле отливки возникают внутренние напряжения. Если они превышают прочность сплава, могут образоваться трещины.

Горячие трещины возникают в начале затвердевания. Обычно они широкие, рваные, с окисленной чёрной поверхностью. Их образованию способствуют вредные примеси (в сталях – газы и сера), высокая температура заливки, резкие перепады сечения отливки, острые углы. Для предотвращения их появления надо избавляться от всех названных причин.

Холодные трещины возникают после полного затвердевания. Они тонкие, с чистой поверхностью, внешне малозаметны и поэтому особенно опасны. Усадка продолжается и в твёрдом состоянии, поэтому напряжения растут. Способствуют появлению холодных трещин вредные примеси, особенно фосфор, сложная форма отливки, резкие перепады сечения. Надо обеспечивать равномерное охлаждение или отжигать отливки (помещать в печь и медленно охлаждать вместе с печью).

Если напряжения не выше предела прочности, но выше предела текучести сплава, то может возникнуть коробление – искажение формы отливки, особенно тонкостенной.

4. Склонность к образованию газовых раковин и пор.

Расплавленные металлы всегда растворяют в себе газы – тем больше, чем выше температура расплава. Они захватывают газы из атмосферы и при испарении влаги из формовочной смеси. Газы образуют пузыри в теле отливки. Большие пузыри называются раковинами, мелкие – порами. Формы и стержни надо хорошо просушивать, делать выпоры (каналы) для выхода газов, не завышать температуру заливки. Самый действенный способ – дегазация металла перед разливкой.

5. Ликвация –неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод.

Различают ликвацию зональную,когда различные части отливки имеют различный химический состав, и дендритную, когдахимическая неоднородность наблюдается в каждом зерне.

1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз – чем из цветных металлов). Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.

2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 тонн, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %.

Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.

Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов широкое применение нашли медные и алюминиевые сплавы.

3. Медные сплавы – бронзы и латуни.

Латуни – наиболее распространенные медные сплавы (Л96, Л59 – 96 и 59 % меди). Для изготовления различной аппаратуры для морских судостроения, работающей при температуре 300 0 С, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.

Из оловянных бронз (БрОЦСН 3-7-5-1 – олово, цинк, свинец, никель) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки.(С — свинец, О — олово, Ж — железо, А — алюминий, К — кремний, Мц — марганец, Н – никель, Ц – цинк).

Безоловянные бронзы(Бр.А5, Бр.АМц-9-2Л) по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической и пищевой промышленности.

4. Алюминиевые сплавы.

Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности.

Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.

5. Магниевые сплавы(МЛ — магниевые литейные сплавы МЛ1, МЛ3; МА — магниевые деформируемые сплавы — МА18, МА21; пч — повышенной чистоты; он — общего назначения)обладают высокими механическими свойствами, но их литейный свойства невысоки. Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.

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.