Требования, предъявляемые к литейным сплавам

1) Литейные сплавы должны удовлетворять эксплуатационным требова­ниям, т.е. обладать достаточными прочностью, твердостью, пластичностью, малой хрупкостью, высокой ударной вязкостью;

2) Их состав должен обеспечивать получение в отливке требуемых физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура их должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки;

3) Если это необходимо литейные сплавы должны обладать особыми физическими и физико-механическими свойствами — электропроводностью, магнитной проницаемостью, жаростойко­стью и т.п.;

4) Литейные сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов и т.д.)

5) должны хорошо обрабатываться режущим инструментом;

6) не должны быть токсичными и вредными для здоровья;

7) должны быть экономичными и содержать дешевые, недефицитные материалы. Выполнение этих требований зависит не только от состава и качества сплава, но и от особенностей всего технологического процесса изготовления отливок.

Таким образом, при конструировании литой детали, выборе способа получения отливки особое внимание следует обращать на литейные свойства сплава, без учета которых даже при самом совершенном технологичном процессе литья получить отливку без литейных дефектов невозможно.

Значение технологических свойств литейных сплавов очень велико и должно быть учтено при выборе материала детали при изготовлении ее литьем. Во всех случаях, при прочих равных условиях, следует отдавать предпочтение сплавам с лучшими литейными свойствами.

Особенно важно, чтобы сплав имел невысокую температуру плавление. Чем ниже температура плавления сплава, тем легче его расплавить, а затем нагреть до требуемой для заливки температуры.

Свойства литейных сплавов

Жидкотекучесть

Жидкотекучесть — способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры полостей формы и стержней. Она определяется по специаль­ным технологическим пробам, заполняемым жидким сплавом при некоторой постоянной тем­пературе заливки.

Жидкотекучесть зависит от следующих факторов:

-а)связанных со строением и свойствами металлов в жидком состоянии (природа сплава, вязкость, теплоемкость, теплопроводность и др.). Особенно высокой жидкотекучестью обладают силумины, чугуны, безоловяные бронзы. Из этих сплавов получают сложные тонкостенные отливки. Средней жидкотекучестью обладают сплавы алюминий с медью и магнием, оловянные бронзы, углеродистые и среднеуглеродистые стали. Пониженная жидкотекучесть наблюдается у магниевых сплавов.

-б) определяемые условиями заливки, подводом жидкого металла к форме, т.е. технологическим процессом литья;

-в) определяемые способом получения отливок. При литье под давлением и при центробежном литье жидкотекучесть повышается за счет принудительного заполнения формы. Она повышается и при литье по выплавляемым моделям, т.к.металл заливается в горячую форму. Жидкотекучесть снижается при литье в металлические формы в силу более интенсивноготеплообмена между заливаемым металлом и более холодной формой.

Повышение содержания углерода, кремния и фосфора улучшает жидкотекучесть чугуна. Марганец не оказывает заметного влияния на жидкотекучесть. При массовой доле серы более 0,15% жидкотекучесть чугуна понижается.

Жидкотекучесть резко уменьшается при наличии в жидком сплаве тугоплавких пле­нок и включений. Это явление наблюдается, например, при добавке в хромовую сталь азота и титана, которые вызывают появление тугоплавких нитридов хрома и титана. Поэтому повышают температуру расплава из такой стали при разливке.

Значительное ухудшение жидкотекучести (в два-три раза) наблюдается при многократной переплавке одного и того же чугуна в вагранке без добавки свежих материалов, так как при этом в жидком чугуне образуется увеличенное количество пленок окислов и шлаковых включений; кроме того, он поглощает много газов.

Существенное влияние на жидкотекучесть бронзы оказывают олово и цинк: чем больше содержание этих элементов, тем выше жидкотекучесть. Жидкотекучесть алюминиевых сплавов повышается при увеличении содержания кремния, а магниевых сплавов — при увеличении содержания алюминия.

По мере заполнения полости формы жидкотекучесть сплава непрерывно уменьшается, так как сплав охлаждается и уменьшается скорость его движения. При достижении темпера­туры начала затвердевания в наиболее холодной части струи начинают образовываться отдель­ные твердые кристаллиты сплава, что, конечно, понижает его жидкотекучесть вследствие повы­шения вязкости. Полное прекращение течения струи сплава наблюдается тогда, когда в ней образуется значительное количество кристаллитов твердого сплава.

Высокая жидкотекучесть оказывает благоприятное влияние на плотность отливок и на физико-механические свойства спла­вов, так как она способствует заполнению внутренних пустот, образующихся в т еле отливок при их затвердевании, а также выделению из отливок газов и неметаллических включений.

Усадка

Усадка – уменьшение линейных и объемных размеров отливки при ее затвердевании и охлаждении. Усадка зависит от химического состава сплава, температуры расплава, материала формы и конструкции отливки. Чем больше усадка, тем больше вероятность появления дефектов усадочного происхождения: пор, раковин, горячих и холодных трещин, коробления и внутренних напряжений. При выборе тех. процесса литья, при конструировании отливки следует учитывать склонность данного сплава к усадке. Чем больше усадка сплава, тем жеще требования к конструкции литой детали, особенно к наличию тепловых узлов (массивных частей отливки), толщине стенок, сопряжению элементов отливки.

При охлаждении сплава в форме происходит довольно быстрое уменьшение его объ­ема. В течение нескольких секунд на всей поверхности сплава образуется мелкозернистая корочка, постепенно увеличивающаяся по толщине. В связи с этим дальнейшее охлаждение сплава, а также его затвердевание происходят внутри оболочки почти без контакта с окружающей атмо­сферой. Вследствие уменьшения объема в отливках из ряда сплавов при этом образуются полос­ти (усадочные раковины или рыхлоты). Некоторые сплавы (например, серый чугун) при затвердевании увеличиваются в объеме, так как происходит выделение графита, имеющего меньшую плотность и больший удельный объем, чем исходный сплав. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходят при последующем их охлаждении в твердом со­стоянии.

В литейном производстве различают объемную и линейную усадку. Под объемной усадкой подразумевают разницу между объемом жидкого сплава, заполнившего полость формы, и объемом отливки после ее полного охлаждения. Линейной усадкой называют разницу линейных параметров точности формы и охлажденной отливки.

Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению его объема и размеров, то такую усадку называют свободной.

Усадка изменяется в зависимости от химического состава сплава. Так, усадка серого чу­гуна уменьшается при увеличении содержания углерода и кремния, а также при уменьшении содержания марганца и серы. В алюминиевых сплавах уменьшает усадку увеличенное содержа­ние кремния. Наличие меди и магния, наоборот, увеличивает усадку этих сплавов. Повышение содержания алюминия и цинка понижает усадку магниевых сплавов.

Практически при изготовлении отливок уменьшение их размеров происходит в усло­виях затрудненной усадки, при которой препятствием являются выступающие части формы, стержни и т. д. Поэтому во многих случаях действительная усадка получается меньшей, чем свободная. Действительная линейная усадка называется литейной и выражается также в процен­тах. Величина литейной усадки всегда меньше свободной, причем разница между ними тем больше, чем крупнее и сложнее отливки.

В зависимости от физических свойств сплава и условий его охлаждения объемная усадка при затвердевании сплава может проявиться различным образом, а именно:

-а) в виде сосредоточенных внутренних полостей (иногда такие полости могут выхо­дить на поверхность, т. е. быть открытыми), расположенных в местах отливки, затвердевающих последними (усадочные раковины);

-б) в виде равномерного изменения только внешних размеров; при этом стенки отливок получаются плотными;

-в) в виде мелких рассеянных полостей, расположенных по толщине отливок около от­дельных зерен сплава; подобные мелкие полости называются усадочной пористостью или рыхлостью.

Сплавы, затвердевающие в узком интервале температуры (например, сталь, беэоло-вянные бронзы), переходят из жидкого в твердое состояние последовательно, образуя один за другим тонкие слои отливки; поэтому они более склонны к образованию сосредоточенных уса­дочных раковин. Наоборот, в отливках из сплавов, имеющих широкий интервал температуры затвердевания (например, оловянные бронзы), образуются разобщенные участки жидкого спла­ва, кристаллизующиеся обособленно друг от друга и дающие при этом местные усадочные по­ры, увеличение скорости затвердевания этих сплавов способствует уменьшению усадочной пористости и образованию сосредоточенных раковин.

Уменьшению усадочных раковин и рыхлости способствуют понижение температуры и скорости заливки, увеличение скорости охлаждения отливки при ее затвердевании, меньшая толщина стенок, применение металлических форм и т. д.

При изготовлении отливок из сплавов, имеющих увеличенную объемную усадку и образующих при затвердевании усадочные раковины (например, сталь или высокопрочный чугун), обычно на верхних и массивных частях отливок устанавливают прибыли — резервуары жидкого сплава, питающего отливки при их затвердевании и восполняющего сокращение их объема. При этом размеры и расположение прибылей должны быть такими, чтобы они затвер­девали последними и в них образовывались усадочные раковины.

К. литейным напряжениям относятся те напряжения, которые вызываются в отливке усадкой (усадочные напряжения), неодинаковым охлаждением ее отдельных частей (тепловые напряжения) и изменением кристаллического строения отливки (фазовые напряже­ния).

Охлаждение отдельных частей отливки происходит неодинаково: сразу после заливки охлаждаются быстрее тонкие части и медленнее толстые, затем тонкие части усиливают отвод теплоты от толстых частей и тем самым ускоряют их охлаждение. Поэтому между отдельными частями отливки при их неравномерном охлаждении возникают тепловые напряжения. В неко­торых сплавах в процессе охлаждения изменяется их структура и размеры отдельных зерен, что вызывает увеличение или уменьшение объема отливок, так называемые фазовые превращения, совершающиеся в толстых и тонких частях в разное время. Такие фазовые превращения наблю­даются, например, в структуре стали многих марок. Все это вызывает литейные напряжения в отливках, приводящие к следующим явлениям:

1) если напряжения меньше предела текучести сплава, то в отливках останутся внут­ренние напряжения, которые могут усилиться напряжениями, получающимися при последую­щей обработке или эксплуатации;

2) если напряжение больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то произойдет искривление (коробление) отливки;

3) если напряжение больше предела прочности сплава, то отливка разрушится, так как в ней образуются трещины.

Различают трещины горячие и холодные. Горячие трещины образуются при высоких температурах, близких к температуре плавления, вследствие того, что сплавы отличаются при таких температурах низкими механическими свойствами.

Склонность сплава к образованию горячих трещин тем больнее, чем значительнее его усадка при высоких температурах, чем меньшей прочностью и пластичностью он при этом обладает и чем ниже его теплопроводность. Поэтому, например, повышенная склонность к образованию горячих трещин характерна для легированной стали, особенно с увеличенным содержанием марганца, хрома и никеля.

Серый чугун имеет очень незначительную усадку при высокой температуре, и по­этому в отливках из серого чугуна редко образуются горячие трещины. Также малой склонно­стью к их образованию обладает высокопрочный чугун.

Большинство отливок из медных сплавов из-за сравнительно высокой теплопроводно­сти этого сплава не имеют горячих трещин. Несколько большую склонность в этом отношении проявляют медные сплавы с увеличенной линейной усадкой (например, алюминиевые бронзы) и с низкой пластичностью при высоких температурах (например, кремнистые латуни).

На уменьшение склонности сплавов к образованию горячих трещин благоприятно влияют следующие обстоятельства:

1) увеличение жидкотекучести, уменьшение размеров зерен сплава, пониженное со­держание в сплаве вредных примесей (например, серы и кислорода в стали), газовых и неметал­лических включений;

2) отсутствие в отливке мелких усадочных раковин, вокруг которых концентрируются внутренние напряжения;

3) медленное охлаждение отливки при высоких температурах.

Для предотвращения горячих трещин наиболее важно устранить препятствия усадке, оказываемые формой и стержнями, а также предусмотреть в конструкции отливок равномерные сечения и плавные переходы. Для толстостенных отливок необходимо производить заливку при пониженной температуре и с меньшей скоростью.

По мере охлаждения отливок возрастают механические свойства сплава, из которого они изготовлены, и начинает проявляться его упругость, обусловливающая образование оста­точных напряжений, не исчезающих после устранения причин их возникновения:. Если при этом литейные напряжения превзойдут предел прочности сплава, то в отливке возникнут хо­лодные трещины, отличающиеся от горячих неокисленной поверхностью.

Холодные трещины возникают в отливке в тем большей степени, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных его температурах, чем ниже его теплопроводность и чем больше изменения объема сплава при фазовых превращениях его структуры. Поэтому такие сплавы, как низколегированные стали, склонны к образованию хо­лодных трещин, а медные и другие цветные сплавы этой склонностью почти не обладают.

Наличие в сплаве вредных примесей усиливает опасность образования холодных трещин. Например, высокоуглеродистая сталь с повышенным содержанием фосфора, обладая свойством хладноломкости (хрупкости при обычных температурах), имеет усиленную склон­ность к образованию холодных трещин.

Образование холодных трещин предотвращают конструированием отливок с равно­мерными сечениями и плавными переходами, а также медленным их охлаждением после за­твердевания. Поэтому не следует преждевременно выбивать из форм отливки, склонные к обра­зованию трещин; нужно дать им возможность медленно остыть в форме, если, конечно, сама форма не вызывает в отливке больших литейных напряжений.

Значительная часть литейных напряжений в отливках может быть устранена терми­ческой обработкой, состоящей в том, что отливки медленно нагреваются до температуры, при которой сильно уменьшаются упругие свойства сплава, и затем постепенно и равномерно охла­ждаются.

2.3.3.Ликвация

Ликвацией называется неоднородность по химическому составу как в отдельных частях отливки (зональная ликвация), так и в отдельных кристаллах сплава (внутрикристаллическая ликвация); кроме того, она может иметь место при значительно разной плотности состав­ляющих сплава (ликвация по плотности).

Зональная ликвация для большинства сплавов является наиболее важной. Такая ликва­ция обычно характеризуется тем, что отдельные составляющие сплавов вследствие неодинако­вой плотности и различных температур затвердевания отделяются от основной массы как в жидком состоянии, так и при его затвердевании. Например, в стали ликвируют сера, фосфор, углерод, газы, неметаллические включения.

Явление ликвации усиливается при повышенном содержании в сплаве ликвирующих примесей, а также при увеличении размеров и объема отливки.

Зональная ликвация уменьшается при понижении температуры и скорости заливки, а также при ускорении затвердевания отливок. Мелкозернистое строение сплавов в отливках благоприятно для ослабления зональной ликвации.

Внутрикристаллическая ликвация в большинстве случаев играет меньшую роль, чем зональная. Она несколько усиливается при ускоренном охлаждении отливок, так как за короткое время затвердевания состав отдельных частей кристаллитов не успевает выровняться. Этот вид ликвации может быть ослаблен путем термической обработки — отжига, состоящего из дли­тельной выдержки отливок при высоком нагреве.

Ликвации по плотности наблюдается только в некоторых сплавах, содержащих тяже­лые металлы, например свинец в высокосвинцовой бронзе. Она предотвращается хорошим перемешиванием сплава перед заливкой в формы и быстрым его затвердеванием (например, в металлических формах).

Ликвация — крайне нежелательное явление в отливках, так как она может привести к понижению их свойств и даже к поломке в ликвационных зонах.

2.3.4.Поглощение газов

Склонность к поглощению газов – способность литейных сплавов поглощать газы, являющиеся вредными примесями, которые приводят к браку отливок по газовой пористости. На образование газовой пористости влияет материал формы: чем выше газопроницаемость формы, тем меньше образуются подобные дефекты в отливках.

Металлы и сплавы способны поглощать значительное количество различных газов (водород, азот, кислород, окись углерода, углекислоту, метан и др.), причем эти газы могут нахо­диться в следующих состояниях:

-а) в виде механических, сравнительно крупных включений, получившихся при перемешивании жидкого сплава с воздухом или другими газами;

-б) в растворенном состоянии;

-в) в виде химических соединений.

Механически включенные газы легко удаляются при отстаивании и мало влияют на образование газовых раковин в отливках и на свойства сплава. Однако далеко не все газы растворяются в различных сплавах в одинаковой степени. Так, в стали растворяется водород, азот и кислород, но практически не растворяется окись углерода и углекислота.

Растворенные газы частично находятся в свободном состоянии (в виде атомов, а не молекул), а частично образуют химические соединения с составляющими сплава (окислы, нит­риды, гидриды и т. д.).

Поглощение газов при нагреве и плавлении металлов и сплавов происходит преиму­щественно из атмосферы печи, из ржавчины, из влаги исходных материалов и топлива.

Практически к началу заливки в формы жидкие сплавы всегда содержат большее или меньшее количество газов, которые при понижении температуры сплава частично остаются в растворенном состоянии, а частично — выделяются. При выделении газов в отливке при опре­деленных условиях могут образоваться газовые раковины, причем возможность образования и количество их будет тем больше, чем выше содержание газов в сплаве.

Причиной образования газовых раковин является то обстоятельство, что по мере понижения температуры жидкого сплава уменьшается растворимость газов и они должны выде­ляться из сплава, но при понижении температуры значительно увеличивается вязкость сплава, что затрудняет выделение газовых пузырьков. Особенно усиливается возможность образования газовых раковин при затвердевании сплава, так как в эго время растворимость газов в сплаве резко падает.

Выделению газов препятствует увеличение внешнего давления, которое представляет собой сумму атмосферного давления, статического давления жидкого металла и давления, созда­ваемого силами поверхностного натяжения металла, увеличивая внешнее давление. Например, установкой прибылей, можно оставить большую часть газов растворенными в сплаве и предот­вратить их выделение при затвердевании, устранив тем самым возникновение газовых раковин в отливках.

Возможность образования газовых раковин зависит еще от ряда обстоятельств, и в том числе от особенностей формы и стержней, условия заливки и других причин.