Какими свойствами должны обладать литейные сплавы

Литейные сплавы и их применение

Литейные сплавы получают сплавлением двух или нескольких металлов и неметаллов. Такие сплавы должны обладать хорошей жидкотекучестью и теплопроводностью, повышенной пластичностью и др. Практическое значение литейных сплавов определяет то, что они по некоторым свойствам (прочности, твердости, способности воспроизводить очертания литейных форм, обрабатываемости режущим инструментом и др.) превосходят чистые металлы.

Важное место в литейном производстве занимают сплавы с особыми физическими свойствами (например, электропроводностью, магнитной проницаемостью и др.).

Сплавы в зависимости от химического состава отличаются друг от друга температурой плавления, химической активностью, вязкостью в расплавленном состоянии, прочностью, пластичностью и другими свойствами. Для производства фасонных отливок применяют серые, высокопрочные, ковкие и другие чугуны, углеродистые и легированные стали, сплавы алюминия, магния, меди, титана и др.

Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Из одних сплавов (серого чугуна, силумина) можно легко изготовить отливку сложной конфигурации, а из других (титановых сплавов, легированных сталей и др.) получение отливок сопряжено с определенными трудностями. Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов. К основным литейным свойствам сплавов относят жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение и ликвацию.

Жидкотекучесть — способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести литейные сплавы заполняют все элементы литейной формы, при низкой — полость формы заполняется частично, в узких сечениях образуются недоливы. Жидкотекучесть сплавов определяют по специальным пробам. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной спирали в литейной форме, и она зависит от многих факторов. Например, повышение температуры заливки увеличивает жидкотекучесть всех сплавов. Чем выше теплопроводность материала формы, тем быстрее отводится тепло от залитого металла, тем ниже жидкотекучесть.

Неметаллические включения снижают жидкотекучесть сплавов. На жидкотекучесть влияет химический состав сплавов: с увеличением в исходном материале содержания серы, кислорода и хрома жидкотекучесть снижается, а с повышением содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода – увеличивается.

В зависимости от жидкотекучести сплава выбирают минимальную толщину стенок отливок. Например, при изготовлении мелких отливок из серого чугуна в песчаных формах минимальная толщина стенок составляет 3-4 мм, для средних — 8—10 мм, в для крупных — 12—15 мм; для стальных отливок, соответственно, 5—7, 10—12, 15—20 мм.

Усадка — процесс уменьшения объема отливки при охлаждении, начиная с некоторой температуры жидкого металла в литейной форме до температуры окружающей среды. Усадка протекает в жидком состоянии, при затвердевании в процессе кристаллизации и в твердом состоянии. Различают линейную и объемную усадки, которые определяют в процентах. Величина усадки сплавов зависит от их химического состава, температуры заливки, конфигурации отливки и других факторов. Наименьшую линейную усадку имеет серый чугун (0,9—1,3 %) и алюминиевые сплавы — силумины (0,9—1,3 %). Стали и некоторые сплавы цветных металлов имеют усадку от 1,8 до 2,5 %. Изготовлять отливки из сплавов с повышенной усадкой сложно, так как в массивных частях отливки образуются усадочные раковины и усадочная пористость. Для предупреждения образования усадочных раковин предусматривают установку прибылей — дополнительных резервуаров с расплавленным металлом для питания отливок в процессе их затвердевания.

Напряжения в отливках возникают вследствие неравномерного их охлаждения и механического торможения усадки. Они характерны для отливок с различной толщиной стенок. При затвердевании температура отливки в массивных частях выше, чем снаружи или в тонких сечениях. Поэтому усадка в отдельных местах по величине различна, но так как части одной и той же отливки не могут изменять свои размеры независимо друг от друга, то в ней возникают напряжения, которые могут вызывать образование трещин или коробление. Для предупреждения образования больших напряжений и трещин необходимо в конструкции литой детали предусматривать равномерную толщину стенок, плавные переходы и устранять элементы, затрудняющие усадку сплава, а также использовать литейные формы и стержни повышенной податливости. Трещины довольно часто образуются в отливках из углеродистых и легированных сталей, сплавов магния и многих алюминиевых сплавов (подробнее о дефектах см. раздел 5).

Газопоглощение—способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава она увеличивается незначительно, несколько возрастает при плавлении и резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, и в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры.

Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы. Для уменьшения газонасыщенности сплавов применяют плавление в вакууме или в среде инертных газов и другие методы.

Ликвация — неоднородность химического состава в различных частях отливки. Различают ликвации зональную и дендритную (внутризеренную).

Зональная ликвация — это в объеме всей затвердевшей литой детали. Дендритная химическая неоднородность – ликвация — химическая неоднородность в пределах одного зерна (дендрита) сплава. Ликвация зависит от химического состава сплава, конфигурации отливки, скорости охлаждения и других факторов.

В литейном производстве применяют такие сплавы, которые обладают хорошими литейными свойствами, позволяющими получать из них высококачественные фасонные отливки сложной конфигурации. Чистые металлы обычно имеют худшие литейные свойства, чем сплавы и поэтому почти не применяются для производства отливок.

Литейные сплавы должны обладать в основном следующими свойствами:

1. Невысокой температурой плавления. Чем ниже температура плавления сплава, тем легче его расплавить и нагреть до требуемой для заливки в формы температуры.

Литейные сплавы имеют следующие примерные пределы температуры плавления: сталь — 1420—1520° С; чугун — 1150— 1250° С; бронза — 1000—1150° С; латунь — 900—950° С; алюминиевые сплавы — 580—630° С; магниевые сплавы — 600—650° С, цинковые сплавы — 390—420° С.

2. Высокой жидкотекучестью в расплавленном состоянии, обеспечивающей хорошую заполняемость литейной формы при изготовлении тонкостенных отливок.

3. Малой усадкой при затвердевании и охлаждении, обеспечивающей получение отливок без усадочных раковин, рыхлот и внутренних напряжений.

4. He должны в жидком состоянии поглощать газы, чтобы отливки не имели газовых раковин и обладали лучшими механическими свойствами.

5. Незначительной ликвацией (неоднородностью), обеспечивающей более однородные свойства в различных частях отливок.

6. Мелкокристаллической структурой после охлаждения, обеспечивающей высокие механические свойства отливок.

Температура плавления и заливки сплавов в формы

Под температурой плавления сплава понимают температуру ликвидуса на диаграмме состояния. В реальных сплавах обычно присутствуют не два компонента, как это указывается на диаграммах состояния, а три, четыре и более. Это затрудняет определение по диаграммам температуры плавления сплава, В каждом частном случае температуру плавления сплава устанавливают опытным путем или определяют расчетно, исходя из влияния отдельных компонентов сплава на температуру плавления.

Температуру сплава, при которой заливают формы, всегда принимают выше температуры его плавления, чтобы получить нужную жидкотекучесть для лучшего заполнения форм. Кроме того, при более высокой температуре разливки сплава легче выделяются неметаллические включения в особенности из жидкой стали и чугуна. Однако разница в температурах заливки сплава в форму и его плавления ограничивается определенными пределами, зависящими как от свойств самого сплава, так и от особенностей получаемых из данного сплава отливок. Например, чем сложнее отливки и чем тоньше их стенки, тем больше должна быть эта разница. Ho при этом следует учитывать, что заливка сплава при высокой температуре в песчаные формы усиливает пригар формовочных смесей к отливкам, в особенности при получении отливок из тугоплавких сплавов — стали и чугуна. Кроме этого, повышение температуры разливки в ряде случаев приводит к получению крупнокристаллической структуры в отливках, что понижает их механические свойства, к развитию усадочных раковин и рыхлот, поглощению газов и повышению склонности сплава к ликвации и образованию горячих трещин в отливках. Учитывая все эти факторы, температуру заливки каждого сплава устанавливают опытным путем в зависимости от его химического состава и особенностей получаемых отливок. На качество получаемых отливок влияет также и температура выпуска сплава из плавильного агрегата, которая всегда бывает выше температуры разливки сплава. Разница между температурой выпуска сплава и плавления его называется температурой перегрева. При более высокой температуре перегрева большое количество твердых фаз растворяется в жидком сплаве и жидкотекучесть сплава бывает лучше. Зависимость между температурой разливки и плавления сплава железа с углеродом приведена на рис. 97.

Температура плавления некоторых легированных сталей несколько ниже, чем углеродистых, имеющих то же содержание углерода, а температура разливки их близка к температурам разливки соответствующих углеродистых сталей, за исключением высоколегированных (табл. 21).

У легированных сталей разница между температурой плавления и температурой разливки больше, чем у углеродистых сталей. Это вызвано меньшей жидкотекучестью легированных сталей вследствие содержания в них легирующих элементов.

Температура плавления и разливки различных сплавов цветных металлов (на основе меди, алюминия, магния и цинка) приведена в табл. 22.

Жидкотекучесть

Под жидкотекучестью сплава понимают его способность хорошо заполнять литейную форму. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры перегрева, температуры заливки, окисленности и газонасыщенности сплава. Такие элементы, как углерод, фосфор и кремний до определенных пределов способствуют повышению жидкотекучести чугуна и стали; сера понижает ее. Чистая медь имеет низкую жидкотекучесть, присадка олова повышает ее жидкотекучесть. Чем выше температура перегрева сплава и его температура при заливке, тем выше жидкотекучесть.

Для определения жидкотекучести сплава пользуются методом отливки различных проб. Например, жидкотекучесть чугуна определяют путем отливки спирали (рис. 98). С этой целью изготовляют форму из формовочного состава. Моделью служит спираль с сечением в виде трапеции площадью 0,56 см2. Заливают форму испытуемым сплавом и определяют его жидкотекучесть по длине отлитой спирали. Сравнительная жидкотекучесть литейных сплавов приведена в табл. 23.

Усадка

При охлаждении жидкого сплава в форме происходит уменьшение его объема. При этом в отливках из ряда сплавов образуются усадочные раковины или рыхлоты. Некоторые сплавы, как, например, чугуны с высоким содержанием углерода и кремния, увеличиваются в объеме вследствие сильной графитизации при затвердевании. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходит при последующем охлаждении в твердом состоянии. Общее уменьшение объемов и размеров отливок называют усадкой.

Для удобства усадку принято выражать в процентах к первоначальному объему жидкого сплава (объемная усадка) или к первоначальным размерам в полости формы (линейная усадка).

Объемная усадка равна

Линейная усадка равна

Для ряда сплавов объемная усадка примерно в три раза больше линейной.

Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению ее объема и линейных размеров, такую усадку называют свободной. Примерные значения свободной линейной усадки для наиболее распространенных литейных сплавов приведены в табл. 24.

Усадка сплава изменяется в зависимости от температуры перегрева и заливки сплава и от его химического состава. Чем выше эти температуры, тем больше будет усадка. Усадка чугуна с повышением содержания углерода и кремния и понижением марганца и серы уменьшается. В алюминиевых сплавах повышение содержания кремния уменьшает усадку, а наличие меди и магния увеличивает ее.

Изготовление отливок из сплавов, имеющих склонность к повышенной усадке, кроме значительных изменений размеров и образования усадочных пороков (усадочные раковины и рыхлоты), обычно вызывает в отливках большие напряжения, которые могут привести к короблению и образованию трещин.

При изготовлении отливок из сплавов, имеющих повышенную усадку, образующих усадочные раковины и рыхлоты (например, из стали, высокопрочного чугуна, бронзы и др.), в верхних частях массивных отливок устанавливают прибыли. Они представляют собой резервуары жидкого сплава, питающие отливки при их затвердевании и восполняющие объем. Размеры и расположение прибылей делают такими, чтобы сплав в них затвердевал последним. Тогда усадочные раковины перемещаются в прибыль.

Для этой цели наиболее благоприятными являются прибыли шаровой или сферической формы, имеющие меньшую наружную поверхность при данном объеме и поэтому меньше охлаждающиеся, чем прямоугольные и цилиндрические. Иногда для местного охлаждения массивной части отливки и перемещения усадочной раковины в противоположную сторону (например, в верхнюю прибыль) в формы устанавливают металлические холодильники или холодильники из других теплопроводных материалов.

Внутренние (литейные) напряжения

К литейным напряжениям, которые образуются в отливке, относятся напряжения усадочные (возникающие при затрудненной усадке), тепловые (при неравномерном охлаждении отдельных частей отливки) и фазовые (при изменении кристаллического строения отливки).

В практических условиях при затвердевании и охлаждении сплава в форме в той или иной степени имеются препятствия усадке в виде выступающих частей формы, стержней и т. п., что приводит к неравномерной усадке в разных частях отливок. Охлаждение отдельных частей отливки в форме также происходит не с одинаковой скоростью: тонкие части охлаждаются быстрее, чем толстые. Вследствие неравномерного охлаждения в отливках также возникают напряжения. Кроме этого, в сплавах при охлаждении происходит изменение структуры и размеров отдельных зерен, т. е. протекают фазовые превращения, что вызывает увеличение или уменьшение объема отливок, а следовательно, и напряжений в них.

Перечисленные явления вызывают литейные напряжения в отливках. В зависимости от их величины наблюдаются следующие явления:

1) если литейные напряжения в отливке меньше предела текучести сплава, то они могут усиливаться при последующей обработке или эксплуатации;

2) если напряжения больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то происходит коробление отливки;

3) если напряжения больше предела прочности сплава, то в отливке образуются трещины.

Принято различать в отливках горячие и холодные трещины. Горячие трещины образуются, когда температура отливки близка к температуре плавления сплава. При высоких температурах сплавы обладают невысоким пределом прочности. Например, углеродистая сталь имеет предел прочности около 0,2 кг/мм2 и относительное удлинение до 1%. Поэтому достаточно небольшого препятствия усадке при высоких температурах, чтобы в отливках из такой стали возникли напряжения, превосходящие предел прочности.

Горячие трещины имеют окисленную темную поверхность. Они вызываются главным образом механическим сопротивлением усадке, оказываемым формой или стержнем. Склонность к образованию трещин тем больше, чем значительнее усадка при высоких температурах, меньше прочность, пластичность и теплопроводность при высоких температурах. Поэтому повышенная склонность к образованию горячих трещин характерна для легированных сталей. По склонности (отн. ед.) к образованию горячих трещин стали можно расположить в следующем порядке:

Серый и высокопрочный чугуны имеют незначительную усадкy при высоких температурах, поэтому в отливках из этих сплавов редко образуются горячие трещины. Большинство медных Сплавов из-за сравнительно высокой теплопроводности не склонны к образованию горячих трещин. Алюминиевые и магниевые сплавы по склонности к образованию горячих трещин распределяются в следующей последовательности:

Для предотвращения горячих трещин в отливках наиболее важно устранять препятствия усадке сплава, оказываемые формой и стержнями, предусматривать в конструкции отливок равномерные сечения и плавные переходы. При получении толстостенных отливок необходимо заливать формы с меньшей скоростью. Сплав должен иметь пониженную температуру.

К образованию холодных трещин более склонны сплавы с высокими упругими свойствами, малой теплопроводностью, большим изменением объема при фазовых превращениях. К ним относятся низколегированные стали, а сплавы цветных металлов этой склонностью почти не обладают. Наличие в сплавах (особенно в стали) вредных примесей усиливает образование холодных трещин. Например, высокоуглеродистая сталь с повышенным содержанием фосфора обладает свойством хладноломкости, т. е. имеет склонность к образованию холодных трещин. Холодные трещины в отличие от горячих имеют светлую неокисленную поверхность.

Чтобы предотвратить образование холодных трещин, создают равномерные сечения в отливках и медленно охлаждают их после затвердевания.

Литейные напряжения в отливках могут быть устранены при термической обработке путем медленного их нагрева до уменьшения упругих свойств сплава, а затем медленным и равномерным охлаждением отливок. Например, для снятия литейных напряжений в стальных отливках их нагревают до 650° С и медленно охлаждают до температуры цеха.

Поглощение газов

Сплавы и металлы обладают способностью поглощать значительное количество газов водорода, азота, кислорода, окисла углерода и углекислоты, метана и др. Чем больше содержание газов в сплаве или металле, тем ниже их литейные и механические свойства. Газы в сплавах и металлах могут находиться в виде механических включений, в растворенном состоянии и в химических соединениях.

Механически включенные газы удаляются при остывании и мало влияют на образование газовых раковин в отливках. Растворимость газов зависит от температуры и давления. В твердых сплавах и металлах с повышением их температуры растворимость газов незначительно увеличивается.

При плавлении сплавов и металлов растворимость газов резко увеличивается и возрастает с повышением температуры до некоторого предела, а затем падает и при кипении сплавов и металлов уменьшается до нуля (рис. 99).

Поглощение газов при нагреве сплавов и металлов происходит из ржавчины, из влаги исходных материалов топлива и из атмосферы печи. Например, 1 % ржавчины на стальном ломе вносит в сталь в 20 раз больше водорода, чем объем самой стали. Если при плавлении куски металла в печи не покрыты защитным слоем шлака, они легко поглощают газы из окружающей среды. Покрытие шлаком замедляет растворимость газов металлом.

Жидкие сплавы к моменту заливки его в формы всегда содержат некоторое количество газов, которые при понижении температуры частично выделяются, а частично остаются в сплаве. При выделении их в отливках могут образовываться в определенных условиях газовые раковины и тем больше, чем выше содержание газов в сплаве. Для понижения газонасыщенности жидкого сплава плавку ведут в вакуумных печах, пропускают через жидкий металл другой газ, например азот (для цветных сплавов) и окись углерода, аргона и др. (для стали).

Ликвация

Ликвация в отливках бывает зональная, внутрикристаллитная и возникающая в результате разности удельных весов составляющих сплавов. Чем больше склонность сплава к ликвации, тем менее однородна по качеству отливка в разных частях.

Практически для большинства сплавов наиболее нежелательной является зональная ликвация. Обычно зональная ликвация образуется вследствие того, что отдельные составляющие в сплаве из-за различных температур затвердевания и удельных весов вытесняются как в жидком состоянии, так и при затвердевании сплава. В стали, в чугуне ликвируют сера, фосфор, углерод, газы, неметаллические включения, располагаясь главным образом в верхней и осевой частях отливки. Мелкозернистое строение отливки уменьшает влияние зональной ликвации.

Внутрикристаллитная ликвация образуется при ускоренном охлаждении отливок во время затвердевания сплава, в результате чего состав отдельных частей кристаллов не успевает выравняться. Она менее отрицательна, чем зональная ликвация. Ее действие может быть ослаблено термической обработкой отливок.

Ликвация, возникающая в результате разности удельных весов, главным образом наблюдается у сплавов, содержащих в своем составе тяжелые металлы, например высокосвинцовую бронзу. В ней ликвирует свинец, имеющий большой удельный вес. Такая ликвация предотвращается перемещиванием сплава перед заливкой в формы и большой скоростью охлаждения его во время затвердевания.

Макростроение сплавов

Более высокие механические свойства имеют сплавы с мелкозернистой макроструктурой, не ориентированной, без промежуточных пленок окислов и сульфидов, ослабляющих связь между отдельными кристаллами. Для образования мелкозернистой структуры необходимо, чтобы в затвердевающем сплаве было больше зародышей, которыми могут быть элементарные кристаллы или группы кристаллов данного сплава, а также отдельные включения некоторых веществ. Для получения мелкозернистой не ориентированной структуры в сплавы вводят различные модификаторы, которые одновременно являются и рас-кислителями, а некоторые из них — десульфураторами. Наиболее распространенными модификаторами для чугуна являются кремний, сплав кремния с кальцием (силикокальций), магнии, для стали — алюминий, титан и др., для силумина — натрий и др. Мелкозернистую структуру сплава можно получить в результате увеличения скорости охлаждения отливки во время ее затвердевания или путем встряхивания в этот период.

В отливках, имеющих различную толщину стенок, более крупнозернистое строение получается в толстых сечениях вследствие их более медленного охлаждения, следовательно сплав в этих местах имеет пониженные механические свойства. Разница в механических свойствах толстых и тонких сечений проявляется больше при пользовании сплавом, имеющим широкий интервал затвердевания, а также в котором происходит выделение составляющих веществ с низкими механическими свойствами. Например, у серого модифицированного чугуна, имеющего предел прочности при изгибе 54 кг/мм2, разница уменьшается примерно в два раза при увеличении толщины стенки от 20 до 120 мм, так как в более толстых стенках выделяются более крупные включения графита. Поэтому повышение содержания углерода, кремния и фосфора усиливает неоднородность механических свойств, а никель, молибден, отчасти хром и медь — уменьшают ее.

На однородность свойств серого чугуна благоприятное влияние оказывает его высокий перегрев, способствующий получению в нем мелкозернистого графита.

Неметаллические включения в сплавах также ухудшают его свойства. Особенно отрицательное действие оказывают включения остроугольной или вытянутой формы, расположенные по границам зерен в виде пленок или цепочек. Включениями могут быть окислы, сульфиды, нитриды и другие составляющие. Для удаления окислов производится раскисление сплава. Неметаллические включения удаляют отстаиванием жидкого сплава, продувкой через сплав нейтральных газов, кипением ванны и другими методами.

Кроме перечисленных основных свойств, литейные сплавы также характеризуют удельную прочность, обрабатываемость резанием и стоимость.

Значения удельной прочности сплавов, выраженные в кг/мм2 и отнесенные к единице удельного веса, примерно равны

Из приведенных данных следует, что более высокую удельную прочность имеют магниевые сплавы, низколегированные стали и сплавы на основе алюминия.

Обрабатываемость сплавов резанием на металлорежущем оборудовании, выраженная временем, необходимым для удаления единицы объема сплава, характеризуется следующими данными:

В отношении обрабатываемости сплавы цветных металлов значительно превосходят железоуглеродистые сплавы, чугун и сталь.

Примерная стоимость тонны отливок из различных сплавов следующая:

Из приведенных данных следует, что стоимость одной тонны отливок из оловянной бронзы, высоколегированной стали и магниевых сплавов во много раз превышает стоимость отливок из серого чугуна. Главной причиной низкой стоимости отливок из серого чугуна является невысокая стоимость исходных материалов, весьма хорошие его литейные свойства, способствующие получению из него разнообразных и дешевых отливок. Ho следует учитывать, что из одной тонны сплавов на основе алюминия и магния можно изготовить значительно большее количество отливок, чем из железоуглеродистых и медных сплавов. Поэтому действительное соотношение стоимости отливок для этих сплавов будет более благоприятным.