Общие сведения о литейных сплавах

Сплавы — тела, образовавшиеся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов (химически индивидуальных веществ). Металлические сплавы могут состоять либо только из металлов (например, латунь—сплав меди и цинка), либо из ме­таллов с небольшим содержанием неметаллов (например, чугун и сталь — сплав железа с углеро­дом). Неметаллические сплавы состоят из неметаллических веществ, например силикаты естественные (гранит, базальт) и искусственные (стекло, шлаки).

Сплавы широко применяются в различных областях современной техники, так как они обладают лучшими свойствами, чем чистые металлы, а в ряде случаев и меньшей стоимо­стью. Так, сталь и чугун дешевле чистого железа, причем сталь имеет значительно большую прочность. Латунь прочнее и дешевле чистой меди. Кроме того, сплавы имеют меньшую темпе­ратуру плавления, что облегчает их производство, а также изготовление из них отливок.

В зависимости от свойств компоненты могут образовать между собой или механиче­скую смесь, или твердые растворы, или химическое соединение. Некоторые сплавы из тугоплав­ких металлов и их соединений изготовляются с помощью спекания, например твердые сплавы для металлорежущих инструментов.

Металлические сплавы подразделяют на две группы: обрабатываемые давлением и литейные.

Сплавы, обрабатываемые давлением, должны обладать хорошей пластичностью, чтобы, не разрушаясь, легко изменять свою форму при ковке, штамповке и прокатке.

Литейными называются такие сплавы, которые обладают свойствами, позволяющими успешно получать из них фасонные отливки сложной конфигурации. Чистые металлы, как правило, имеют худшие литейные свойства, чем сплавы, и поэтому сравнительно редко приме­няются для изготовления отливок.

Сплавы принято разделять, как и металлы, прежде всего на черные и цветные, при­чем в последние входят и легкие сплавы. Сплавы подразделяют на группы в зависимости от того, какой металл является основой сплава. Наиболее важными группами сплавов считаются следующие:

1) чугуны и стали—сплавы железа с углеродом и другими элементами;

2) бронзы и латуни — сплавы на основе меди;

3) сплавы на основе алюминия;

4) сплавы на основе магния;

5) сплавы на основе титана;

6) сплавы па основе цинка.

В настоящее время наиболее широкое применение находят сплавы первой группы, т. е. сплавы черных металлов: около 73% всех отливок по массе изготовляют из чугуна и около20% — из стали. Таким образом, на долю остальных групп сплавов приходится сравнительно не­большая часть общей массы отливок.

В химическом составе сплава различают основные элементы (например, железо и уг­лерод в чугуне и стали), постоянные примеси, наличие которых обусловлено процессом произ­водства сплава, и случайные примеси, попавшие в сплав вследствие тех или иных причин. Так, в чугуне и стали, в качестве постоянных примесей, присутствуют: кремний, марганец, сера и фос­фор, получающиеся при выплавке чугуна из руд в доменных печах. Кроме того, кремний и марганец вводятся в жидкий сплав для раскисления стали. Случайными примесями в чугуне и стали могут быть закись железа, газы (водород, азот и др.), неметаллические включения и неко­торые другие вещества. Некоторые из примесей являются вредными. К таким примесям в стали и чугуне относятся: сера, фосфор, закись железа, водород, азот и неметаллические включения. Поэтому, они допустимы только в очень небольших количествах, тем меньших, чем выше требо­вания к качеству стальных и чугунных деталей.

Вредными примесями в медных сплавах являются закись меди, фосфор. Резко ухудшают свойства оловянной бронзы примеси алюминия и железа, а в алюминиевой бронзе, наоборот, — олово. В алюминиевых сплавах должно быть ограничено содержание железа; в магниевых — меди, никеля и кремния. Газы и неметалличе­ские включения во всех сплавах являются вредными примесями.

Однако в зависимости от состава сплавов и требований, предъявляемых к ним, неко­торые вредные примеси могут быть полезными. Так, в чугуне для длинных тонкостенных отливок улучшение жидкотекучести достигается повышением содержания фосфора. Также повышают содержание фосфора в некоторых марках оловянной бронзы для увеличения ее твердости и износостойкости.

Таким образом, для каждого сплава устанавливаются пределы содержания основных элементов и наибольшее допустимое содержание постоянных примесей, оказывающих вредное влияние на свойства сплава. Что же касается случайных примесей, то их стремятся иметь как можно меньше.

Чугун

Чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок. Чугунные отливки по массе составляют около 80 % от общего числа отливок. Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относитель­ной дешевизне по сравнению с другими литейными сплавами. Область применения чугуна все больнее расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик, а также разработки чугунов новых марок со специальными физическими и ме­ханическими свойствами.

Серый чугун (СЧ) — наиболее дешевый литейный сплав. Обладает сравнительно высоки­ми механическими свойствами, относительно низкой температурой плавления и очень хороши­ми литейными свойствами. Жндкотекучесть серого чугуна значительно превышает жидкотекучесть стали, что является существенным фактором, обусловливающим получение качественных отливок, без усадочных раковин, трещин, коробления и других дефектов. Усадка – 0,9 -1,3%.

Серый чугун малочувствителен к надрезам, выточкам и другим концентраторам напряжений.

Серый чугун обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при пере­менных нагрузках, поэтому детали станин металлорежущих станков, детали дизелей, компрес­соров отливают из серого чугуна, а не из стали. Использовать серый чугун для деталей машин, подвергающихся ударным нагрузкам, нельзя, так как он хрупок и обладает низкой пластично­стью.

Серые чугуны подразделяют на две группы: конструкционные чугуны и чугуны со специальными свойствами. Отливки из конструкционных чугунов используют главным образом для деталей машин. Потребителями чугунного литья являются такие отрасли промышленности, как автомобильная, тракторная, сельскохозяйственная, машино-, станкостроение и др. Опреде­ляющим при оценке качества чугуна для отливок этой группы являются его механические свой­ства. Отливки малой или средней прочности (предел прочности до 200—250 МПа) изготовляют из простых чугунов, отливки повышенной прочности — из низколегированных и модифициро­ванных.

Для получения отливок со специальными свойствами используют такие свойства чу­гуна, как термо-, жаростойкость, коррозионная стойкость, специальные электромагнитные свой­ства. В большинстве случаев такие отливки изготовляют из низко- и среднелегированных чугу­нов.

Ковкий чугун (КЧ) в основном является конструкционным материалом, используемым дня изготовления мелких тонкостенных отливок (толщина стенок не более 40 —50 мм) для сельскохо­зяйственных машин, автомобилей, тракторов, арматуры, фитингов и других деталей массового производства. Особенно целесообразно применение ковкого чугуна в случае, если деталь трудно отлить из стали, а получить ее обработкой давлением слишком дорого.

Доя ковкого чугуна характерны высокие прочность и износостойкость, средняя пла­стичность, хорошие антифрикционные свойства. Однако ковкий чугун обладает более низкими литейными свойствами, чем серый, в частности пониженной жидкотекучестью, большей усад­кой и повышенной склонностью к трещинообразованию.

По литейным свойствам высокопрочные чугуны (ВЧ) приближаются к сталям, т.е. имеют пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, а следовательно, повышенную склонность к образованию дефектов литейного происхождение. Себестоимость отливок из ВЧ ниже на 25% чем из стали. Из ВЧ отливают ответственные тяжелонагруженные детали: крупные коленвалы, шестерни, прокатные валки и т.д., работающие в ударных нагрузках.

Сталь

Сталь (15Л,20Л), как литейный материал, применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами, быть надежными и долговечными в эксплуатации. Чем ответственнее машина и тяжелее условия, в которых она работает, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовле­ние.

Стальные отливки без литейных дефектов (усадочных и газовых раковин, неметалли­ческих включений, трещин и т.п.) после соответствующей термообработки не уступают по меха­ническим свойствам поковкам.

Применительно к машиностроению литейные стали условно можно разделить на три группы: конструкционные (нелегированные и легированные), инструментальные и стали со специальными свойствами.

Из конструкционных сталей в основном изготовляют детали, испытывающие механи­ческие нагрузки, — статические, динамические, вибрационные. Из инструментальных сталей изготавливают литой инструмент. Из сталей со специальными свойствами (жаропрочные, жаро-, кислотостойкие, коррозионно-стойкие и т.д.) изготавливают детали, работающие в различные агрессивных средах, при высоких температурах, в условиях сложных механических нагрузок.

Процесс изготовления стальных отливок значительно сложнее чугунных. Литейные свойства у стали ниже, чем у чугуна.

Цветные металлы

Алюминиевые сплавы

Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов наиболее широкое приме­нение нашли алюминиевые сплавы (АЛ2, АЛ5).

Получение отливок из алюминиевых сплавов в машиностроительной промышленно­сти нашло широкое применение прежде всего благодаря высоким удельной прочности, техно­логичности и достаточно высоким физико-механическим свойствам.

Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий-кремний, так называемые силумины. Эти сплавы широко применяют в автомобильной, авиаци­онной, приборо-, машино-, судостроительной и электротехнической промышленности, так как они обладают высокими литейными свойствами, достаточными пластичностью и механической прочностью, удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из силуминов получают отливки деталей сложной конфигурации, работающие при средних и значительных нагрузках.

Сплавы системы алюминий — медь обладают пониженными литейными свойствами, низкими пластичностью и коррозионной стойкостью, но хорошо обрабатываются резанием. Вследствие широкого интервала кристаллизации сплавы этой системы склонны к образованию усадочных трещин и рассеянной усадочной пористости. Отличительная особенность этих спла­вов — теплопрочность. Основная область применения — самолетостроение.

Сложные алюминиевые сплавы, содержащие медь и кремний, обладают высокой жидкотекучестью, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью. Их применяют для изготовления корпусов различных приборов, автомобильных и тракторных поршней, деталей авиационных двигателей.

Алюминиево-магниевые сплавы из всех литейных алюминиевых сплавов обладают наиболее высокими механическими свойствами, пониженной плотностью, высокими коррози­онной стойкостью и прочностью. Их используют при изготовлении отливок, испытывающих большие вибрационные нагрузки или подвергающихся воздействию морской воды. Вследствие большой склонности: к окислению, образованию усадочных трещин и рыхлости, взаимодействию с влагой литейной формы, пониженной жидкотекучести изготовление отливок из этих сплавов вызывает значительные технологические трудности. Усадка – 0,9 -1,4%.

Медные сплавы.

Латуни (Лц40С-свинцовая, Лц40Мц – марганцевая) — наиболее распространенные медные сплавы, отличающиеся относительно невысокой стоимостью, высокими механическими и технологическими свойствами. Для фасон­ного литья, как правило, применяют сложнолегированные латуни, простые латуни исполъзуют редко. Большинство латуней обладают высокими жидкотекучестью, обрабатываемостью и сва­риваемостью, что позволяет использовать их в качестве заменителей оловянных бронз.

Оловянные бронзы (Бр03Ц12С5) широко применяют для изготовления литой арматуры, подшип­ников, шестерен, втулок, работающих в условиях интенсивного истирания, повышенного давле­ния воды и пара. Оловянные бронзы имеют хорошие литейные свойства, позволяющие получать сложные по конфигурации отливки. Усадка 1,25-1,6%, хорошая жидкотекучесть, но склонны к образованию рассеянной усадочной пористости..

Безоловянные бронзы (БрА9Мц2Л) по некоторым свойствам превосходят оловянные и с успехом могут быть использованы как заменителя последних. Они обладают более высокими механиче­скими, коррозионными и антифрикционными свойствами. Однако литейные свойства их хуже, ниже жидкотекучесть, выше склонность к окислению, значительна линейная усадка(2-3%). Наиболее широко применяют алюминиевые, марганцевые и кремнистые бронзы.

Титановые сплавы

Производство отливок из титановых сплавов является одной из перспективных областей литья, так как сплавы на основе титана отличаются малой плотностью, высокими удельной прочностью, физико-механическими свойствами и сопротивлением коррозии. Титановые спла­вы обладают высокой жндкотекучестъю, мало склонны к образованию горячих трещин и лока­лизованных усадочных раковин. Однако изготовление отливок из титановых сплавов вызывает большие технологические трудности, обусловленные активным взаимодействием жидкого рас­плава со всеми используемыми в настоящее время для изготовления литейных форм материала­ми. Песчано-глинистые формы для получения фасонных отливок из титана и его сплавов не­пригодны, так как титан очень активно взаимодействует с материалом формы, легко окисляется. Удовлетворительным материалом для литейных форм является графит, но следует учитывать, что стоимость его достаточно высока. Более дешевыми являются оболочковые формы, изготов­ленные из смеси высокоогнеупорных нейтральных окислов с применением в качестве связующе­го фенолформалъдегидной смолы. Недостаток этих форм — загрязнение поверхности отливок продуктами взаимодействия титана с материалом формы.