Литейные свойства сплавов

Литейное производство. Сущность литья.

Литье – способ изготовления заготовки или изделия заполнением полости заданной конфигурации жидким металлом с последующим его затвердеванием. Заготовку или изделие, получаемые методом литья, называют отливкой.

Литье – один из старейших способов получения заготовок ракетно-артиллерийского вооружения. Первым литейным заводом в России был пушечно-литейный завод («Пушечная изба»), построенный в Москве в 1479 г.

Большой вклад в развитие литейного производства внесли русские мастера. Андрей Чохов отлил «царь-пушку» массой 21,2 т (1586 г.), Иван Моторин (1734 г.) – «царь-колокол» массой около 200 т. В 1860 г. инженером П. М. Обуховым был отлит стальной ствол 12-фунтовой пушки, который выдержал около 4000 выстрелов.

Методом литья можно изготовить изделия самой сложной конфигурации, которые при помощи других способов обработки получить трудно или невозможно. Стоимость литой детали почти всегда ниже стоимости аналогичной детали, изготовленной другими методами.

В процессе кристаллизации и охлаждения залитого металла формируются основные механические свойства отливки, определяемые макро- и микроструктурой сплава, его плотностью, наличием неметаллических включений, развитием в отливке внутренних напряжений, вызываемых неоднородным охлаждением ее частей.

Широкое применение литья обусловлено такими преимуществами:

1) возможность изготовления отливок практически любой конфигурации массой от долей грамма до сотен тонн (поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колеса, коленчатые валы, тербинные лопатки, станины станков);

2) относительная простота и невысокая стоимость технологической оснастки;

3) возможность получения изделий из малопластичных материалов (чугуны, силумины, литейные бронзы и латуни), переработка которых другими способами затруднена или невозможна.

4) Минимальный припуск на обработку

В принципе получить отливку можно из любого материала, однако для получения изделий высокого качества применяют сплавы, обладающие необходимыми литейными свойствами: достаточной жидкотекучестью, возможно малой усадкой, однородностью (малой склонностью к ликвации), легкоплавкостью, малой газопоглощаемостью, трещиноустойчивостью.

Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При недостаточной жидкотекучести форма заполняется не полностью (недолив), и отливка бракуется. Высокой жидкотекучестью обладают силумины (сплав Al с Si, АК12, АК9, цифра – содержание Si, в целых долях), серые (литейные) чугуны, кремнистые бронзы (сплав Cu с Sn и кремний (Оловянная Б. - древнейший сплав, выплавленный человеком. Первые изделия из Б. получены за 3 тыс. лет до н. э. Б. применялась в древности для производства оружия и орудий труда (наконечников стрел, кинжалов, топоров), украшений, монет и зеркал. В средние века большое количество Б. шло на отливку колоколов. Колокольная Б. обычно содержит 20% олова. До середины 19 в. для отливки орудийных стволов использовалась так называемая пушечная (орудийная) Б. - сплав меди с 10% олова. В 19 в. началось применение Б. в машиностроении (втулки подшипников, золотники паровых машин, шестерни, арматура).

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от:

1) Температурного интервала кристаллизации. Наибольшая жидкотекучесть

характерна для чистых металлов и эвтектических сплавов, а наименьшая – для сплавов на основе твердых растворов, затвердевающих в интервале температур.

(Это связано с температурным интервалом кристаллизации DТ_кр –разница между температурой начала (ликвидус) и конца (солидус) кристаллизации. Для узкоинтервальных сплавов (DТ_кр<30⁰С) характерно последовательное затвердевание отливки от поверхности к центру, наличие узкой двухфазной зоны (Ж+кристаллы), а также сохранение подвижности расплава в форме до затвердевания 60…80% объема отливки. При этом отливки приобретают столбчатую структуру и отличаются повышенной плотностью. Узкоинтервальными являются чистые металлы и эвтектические сплавы.

При широком интервале кристаллизации (DТ_кр>100⁰С) затвердевание осуществляется посредством образования широкой области твердожидкого состояния, когда в расплаве по всему объему отливки почти одновременно выделяются беспорядочно расположенные дендриты. Течение расплава из-за повышения его вязкости прекращается уже при содержании твердой фазы более 20…35% от объема. В процессе объемного затвердевания кристаллизация оставшейся жидкой фазы приводит к тому, что во всем объеме отливки происходит выделение растворенных в расплаве газов, при этом возникает много пор, заполненных газом, и мелких усадочных раковин.).

2) Вязкость. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть.

3) Поверхностное натяжение. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается.

4) Температура заливки и формы. С повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается.

5) Теплопроводность материала. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно охлаждает расплав.

6) Жидкотекучесть зависит от склонности металла к окислению, сплошности и прочности оксидной пленки. При заливке формы оксидные пленки оказывают сопротивление течению расплава и замедляют заполнение им формы.

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных технологических проб. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части канала пробы, измеряемую в миллиметрах.

Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют соотношением, %:

e_лин=(l_ф-l_от)100/l_от,

где l_ф и l_от – размеры полости формы и отливки при температуре 20⁰С.

На линейную усадку влияют:

1) Химический состав сплава. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния.

2) Температура заливки. Снижение температуры заливки уменьшает усадку отливок.

3) Скорость охлаждения сплава в форме. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

4) Конструкция отливки и литейной формы.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют соотношением, %:

e_об=(V_ф-V_от)100/V_от,

Где V_ф и V_от – объем полости формы и отливки при температуре 20⁰С.

Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке:

e_об=3e_лин

Сплавы должны иметь возможно меньшую усадку, т. к. она способствует появлению усадочных раковин, пористости, напряжений, вызывающих коробление отливок и трещин. Линейная усадка в среднем составляет: для серого чугуна 1,0–1,3%,углеродистой стали 1,2 – 2,4%, легированной стали 2,5 – 3,0%, силумина 1,0 – 1,5%, магниевых сплавов 1,0 – 1,6%, латуней 1,5 – 1,9%, оловянистых бронз 1,0 – 1,5%, безоловянистых бронз 1,6 – 2,2%.

Усадочные раковины – пустоты, появляющиеся внутри или на поверхности отливки вследствие уменьшения объема металла при затвердевании. Так как стенки формы хорошо отводят тепло, то обычно вблизи них начинается кристаллообразование. Эти первые кристаллиты вырывают атомы из жидкого металла и присоединяют их к себе. Атомы в кристаллах имеют более плотную упаковку, чем в расплаве и занимают меньший объем, поэтому расплава уже недостаточно для того, чтобы полностью заполнить объем формы, что и приводит к образованию открытой воронкообразной усадочной раковины. Склонность сплава к образованию усадочных раковин в отливке возрастает с увеличением объемной усадки и зависит от теплопроводности формы и температуры заливки.

Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла. Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек, заключающих в себе остатки жидкой фазы. Затвердевание небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина. Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам зерен металла.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. Для этого на отливки устанавливают прибыли – резервуары с расплавленным металлом, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последним. Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных или внутренних холодильников. Они выравнивают скорость затвердевания массивной и тонкой частей отливки.

Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Различают дендритную и зональную ликвацию.

Дендритная ликвация – это неоднородность химического состава в микрообъемах сплава в пределах одного зерна (дендрита). Оси дендрита, затвердевшие раньше, обогащены тугоплавким и обеднены легкоплавким компонентами сплава по сравнению с межосным пространством. Кроме того, растущие первыми оси дендритов содержат меньше примесей, чем межосные пространства, в которые эти примеси оттесняются при образовании дендритов. Это приводит к неравномерному распределение примесей по сечению кристалла.

Для устранения дендритной ликвации отливки подвергают отжигу, в процессе которого выравнивается состав.

Зональная ликвация – это неоднородность химического состава в микрообъемах с градиентом концентраций в отливке в целом или в отдельных ее частях. Она возникает в процессе диффузии примесей из двухфазной зоны кристаллизующейся отливки в объем незатвердевшего расплава всплывания загрязненных примесями объемов вследствие их меньшей плотности по сравнению с основным сплавов и т.д.

Для устранения зональной ликвации необходимо выравнивать толщину стенок отливки, избегая местных скоплений металла, в которых трудно достигнуть равномерного затвердевания отливки. Для уменьшения зональной ликвации необходимо применять рассредоточенный подвод металла в форму, способствующей выравниванию скоростей затвердевания отдельных частей отливки, увеличивать скорость охлаждения отливки за счет использования смесей с высокой теплопроводностью.

Напряжения в отливках – в отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного сплава, то в теле отливки возникают трещины. Если литейный сплав имеет достаточные прочность и пластичность, искажается геометрическая форма отливок – происходит коробление.

Горячие трещины – возникают при кристаллизации и усадки металла при температуре близкой к температуре солидуса. Они проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплава к горячим трещинам увеличивается при наличии Ne включений, газов (H₂, O₂, S). Образование горячих трещин вызывает резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы, выступающие части. Высокая температура заливки Þ увеличение зерна + увеличение перепада температур Þ трещина.

Предотвращение – МЗ структура, одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок, увеличение податливости формы, снижение температуры заливки.

Холодные трещины – возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые Þ напряжения Þ трещины. ХТ чаще образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность. Предупреждение – равномерное охлаждение – холодильники, сплавы с высокой пластичностью, проводить отжиг отливок.

Коробление – изменение формы и размеров отливки под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Коробление увеличивается при усложнении конфигурации отливки и повышение скорости охлаждения, что вызывает неравномерное охлаждение между частями отливки. Предотвращение – увеличивать податливость формы, рациональная конструкция отливки.

Дата добавления: 2014-01-11