Раздел 2. Литейные свойства расплавов. Литниково-питающие системы

Литейные свойства расплавов

Получение качественных отливок в основном зависит от свойств металла в жидком состоянии, при переходе в твердое состояние (ликвидус-солидус) и при охлаждении в литейной форме.

Принята следующая классификация литейных свойств.

1. Жидкотекучесть – заполнение сплавом формы и четкость её отпечатков в области жидкого и жидко-твердого состояния.

2. Усадка – объемная в области жидкого и жидко-твердого состояний; при фазовых изменениях; объемная и линейная в области твердо-жидкого и твердого состояний.

3. Степень поражения усадочными раковинами и усадочной пористостью.

4. Степень поражения неметаллическими включениями (состав, количество, форма и расположение в отливке; образование в зависимости от состава сплава и разливки).

5. Склонность к газопоглощению и пленообразованию.

6. Состояние первичной и вторичной кристаллизации, зависит от химического состава, процесса плавки, разливки, раскисления, модифицирования, скорости охлаждения (вид кривой затвердевания, структурной диаграммы).

7. Склонность к ликвации. Ликвация - неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образуется при кристаллизации слитка, непрерывнолитой заготовки и отливки. Ликвация возникает в результате того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур).

8. Трещиноустойчивость.

9. Склонность к образованию линейных напряжений: термические, фазовые, усадочные.

10. Способность взаимодействовать с окружающей средой и материалом литейной формы (в области жидкого состояния, при затвердевании, остывании, термической обработке).

Как видно, в классификацию литейных свойств включены не только собственно литейные свойства, но и литейные дефекты.

Жидкотекучесть

Жидкотекучесть – это способность металла заполнять литейную форму и воспроизводить все ее очертания, способствовать хорошему питанию отливки и удалению газов, что снижает опасность возникновения таких дефектов, как усадочные и газовые раковины, пористость, горячие трещины.

Жидкотекучесть определяется экспериментально с помощью технологических проб (спиралевидная, U-образная и др.)

1. Физико-химических свойств сплава: химический состав, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплоемкость, интервал кристаллизации, теплота кристаллизации, содержание неметаллических включений и газов.

Жидкотекучесть возрастает с увеличением содержания кремния, фосфора и особенно углерода, достигая максимума в чугунах эвтектического состава, определяемого суммой С + 1/3Si + 1/2Р. Фосфор улучшает жидкотекучесть чугуна, уменьшая его поверхностное натяжение и вязкость, образуя легкоплавкую фосфидную эвтектику. Большое значение имеет повышенное содержание фосфора до 1,0-1,5% для художественного литья, где требуется повышенная жидкотекучесть.

Сера и марганец в отдельности слабо влияют на жидкотекучесть, но при наличии обоих этих элементов образуется MnS, сильно понижающий жидкотекучесть.

2. Свойства литейной формы (состав формовочной смеси, влажность, газопроницаемость, плотность, температура, теплоемкость и теплопроводность). При заливке в горячие прокаленные формы, жидкотекучесть увеличивается.

3. Условий заливки (гидростатический напор, скорость заливки, температура металла и формы).

Количество жидкой фазы, при которой наступает нулевая жидкотекучесть, зависит от строения и размеров первичных кристаллов. Например, нулевая жидкотекучесть стали и чугуна наступает соответственно при образовании 20 и 30% твердой фазы.

Для чугуна часто применяют спиральную пробу (рисунок 1), имеющую трапециевидное сечение площадью 0,56 см². После заливки измеряют длину заполнившейся части спирали, которая и характеризует жидкотекучесть.

Рисунок 1– Технологическая проба для определения жидкотекучести чугуна

Различают жидкотекучесть нулевую, истинную (параллельно нулевой), и условно-истинную (параллельно линии ликвидуса). Но т.к. на практике эти жидкотекучести определить очень сложно, то пользуются практической жидкотекучестью – определенная температура перегрева над линией ликвидуса.

l₀ – нулевая; l_и – истинная; l_уи – условно-истинная при постоянном перегреве над t_л; l_пр – практическая.

Рисунок 2– Виды жидкотекучестей металлических расплавов

Мерой величины жидкотекучести может быть длина прутка L, которая была заполнена до остановки течения (рисунок 3).

Рисунок 3 – Прутковая проба для определения формозаполняемости

Длина L-ℓ – формозаполняемость. Ее оценивают по формуле

.

Усадка

Усадкой называется свойство металлов и сплавов изменять (уменьшать) объем при затвердевании и охлаждении. Усадка относится к числу важнейших литейных свойств, так как с ней связаны основные технологические трудности в производстве фасонных отливок.

Различают три основных периода усадки:

1) в жидком состоянии до наступления температуры кристаллизации;

2) в процессе кристаллизации (в температурном интервале ликвидус-солидус);

3) в твердом состоянии.

Различают также линейную ε_лин и обёмную ε_v усадки:

, ,

где ℓ_ф – линейный размер литейной формы; ℓ_отл – размер отливки после затвердевания; V_ф – объем формы; V_отл – объем отливки при комнатной температуре.

У некоторых сплавов при определенной температуре могут происходить фазовые превращения, при этом происходит увеличение размеров, называемое предусадочным расширением.

Установлено, что линейная усадка начинается не с момента полного затвердевания отливки, а несколько раньше, когда образуется достаточно прочный скелет из соприкасающихся дендритов, способный противостоять давлению жидкого металла.

Литейная усадка – разница между линейными размерами модели ℓ_м и отливки ℓ_отл.

.

Литейная усадка отличается от линейной, т.к. она зависит не только от свойств и состояния металла, но и от конструкции отливки, формы и других факторов, т.е. может происходить механическое и термическое торможение при кристаллизации. В связи с этим различают свободную и затрудненную усадки.

Полная объемная усадка определяется

,

где – усадка металла в жидком состоянии; – средний объемный коэффициент усадки металла в жидком состоянии; – усадка в температурном интервале ликвидус-солидус; – усадка в твердом состоянии.