Какие материалы обладают лучшими литейными свойствами
1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.
Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.
Серый чугун – наиболее распространенный литейный сплав, из него получают самые разнообразные литые детали. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз дешевле, чем из цветных металлов).
Серый чугун имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания углерода, кремния и фосфора и понижается с увеличением серы. Особо высокую жидкотекучесть имеет чугун для тонкого художественного литья (1,0…1,2 % серы).
Модифицирование обеспечивает получение наиболее благоприятной структуры с мелкими включениями графита завихренной формы и применяется для получения чугунов с перлитной основой.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность и пластичность, чем серый чугун. Такой чугун получают модифицированием магнием или церием. Свойства чугуна в основном определяются его металлической основой и могут быть значительно улучшены термической обработкой. Из высокопрочных чугунов изготавливают коленчатые валы, детали турбин и другие ответственные детали.
Ковкий чугун с хлопьевидным графитом получают отжигом отливок из белого чугуна. Механические свойства чугуна зависят от металлической основы. Перлитные чугуны имеют более высокую прочность при пониженной пластичности. Ферритные чугуны, имея меньшую прочность, обладают более высокой пластичностью. Ковкий чугун применяют для получения отливок с с толщиной стенки до 40 мм.
Легированные чугуны хромистые, никелевые и др. применяют для отливок ответственного назначения. Легирование чугунов улучшает механические свойства, коррозионную стойкость, износостойкость, жаропрочность и другие свойства. В качестве легирующих элементов применяют никель, хром, молибден, алюминий, медь, титан. Низколегированные чугуны с содержанием легирующих элементов до 3 % применяют в машиностроение. Широкое применение находят отливки из высоколегированных чугунов с особыми физическими свойствами, например кислотостойких (26…36 % Cr), немагнитных (до 12 % Mn, до 2 % Cu). Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свойствами.
Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик.
2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 т, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %.
Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.
Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.
Углеродистые стали. Жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в два раза меньше жидкотекучести серых чугунов. Это объясняется высокими вязкостью и поверхностным натяжением при температурах разливки, а также значительно меньшим перегревом. Усадка сталей составляет до 2,5 %.
Литые углеродистые стали по литейным свойствам уступают чугуну, но из них можно получать сложные отливки, разнообразные по конструкции, размерам, массе, толщине стенок. Наибольшее распространение получили отливки из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,45 %.
Отливки из низкоуглеродистых сталей применяют в электротехнике.
Легированные стали. Легирование стали является одним из средств увеличения надежности, долговечности и снижения массы литых деталей, а также придания им специальных свойств. Выбор легирующих элементов обусловливается назначением отливки, ее конструктивными и технологическими особенностями.
По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на карбидообразующие и графитизирующие.
Легирующие элементы вызывают образование новых структурных составляющих и изменение свойств существующих фаз.
Наибольшее распространение получили стали, легированные кремнием, марганцем, хромом, никелем, ванадием, молибденом, медью в различных комбинациях и соотношениях.
3. Медные сплавы – бронзы и латуни. Их применяют для отливок, которые должны иметь хорошую износостойкость и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость в атмосфере, технической и морской воде. Медные сплавы немагнитны, хорошо полируются и обрабатываются резанием. Все медные сплавы склонны к образованию трещин.
Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для морского судостроения, работающей при температуре 300 ºС, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.
Простые латуни находят ограниченное применение. При затвердевании в них образуются концентрированные усадочные раковины, что вызывает необходимость устройства больших прибылей.
Обычно литейные латуни являются более сложными сплавами. Входящие в состав этих латуней алюминий, железо, марганец и другие элементы улучшают литейные свойства. Большинство латуней имеют линейную усадку 1,6…1,7 %, малую склонность к образованию газовой пористости, так как хорошо дегазируются при выплавке в результате образования паров цинка. Поэтому из латуней легче получить плотные, герметичные отливки.
Бронзы – сплавы меди с другими элементами, кроме цинка.
Оловянные бронзы содержат 2…14 % олова и другие компоненты.
Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки, работающие в условиях истирания, повышенного давления воды и пара.
Линейная усадка оловянной бронзы менее 1 %, отливки могут быть получены без прибылей.
Высокооловянистые бронзы имеют хорошие литейные свойства, но из-за дефицитности и высокой стоимости олова применяются только для отливок ответственного назначения.
Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже.
Среди сплавов этой группы наиболее широко применяют алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде и во многих агрессивных средах, хорошо сопротивляются удару. Свойства алюминиевых бронз улучшаются при легировании железом, марганцем, никелем и другими элементами.
В процессе выплавки алюминиевые бронзы склонны к окислению, сопровождающемуся загрязнением расплава дисперсными оксидами алюминия. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической промышленности.
Свинцовые бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами при больших удельных нагрузках и высоких скоростях скольжения. Их используют как заменители оловянной бронзы при изготовлении вкладышей подшипников. Особенностью свинцовых бронз является предрасположенность к ликвации свинца. Дисперсное распределение свинца может быть получено только при больших скоростях кристаллизации.
4. Алюминиевые сплавы.
Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Их высокая жидкотекучесть обеспечивает получение тонкостенных и сложных по форме отливок. Линейная усадка составляет 1,0…1,25 %. Сплавы имеют невысокую температуру плавления (550…650 0С).
Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины (АЛ2, АЛ9). Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности.
Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.
Сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ19) имеют пониженные литейные свойства, малую коррозионную стойкость, склонны к образованию трещин и рассеянной усадочной пористости. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют высокие механические свойства, тепловую прочность.
Сплавы алюминия с медью и кремнием (АЛ3, АЛ6, АКМ4) широко используют в промышленности для изготовления деталей достаточной прочности и твердости, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих хорошее качество обработанной поверхности.
Сплавы алюминия с магнием (АЛ8, АЛ13) обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Их применяют для сильно нагруженных деталей, но они плохо работают при повышенных температурах.
Сложнолегированные сплавы применяют для изготовления отливок, работающих при повышенных температурах и давлениях (АЛ1), с повышенной стабильностью размеров, а также для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатывающихся резанием (АЛ11, АЛ21).
5. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейные свойства невысоки. Применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.
Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец предназначены для производства высоконагруженных отливок, работающих в атмосфере с большой влажностью. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы МЛ5, МЛ6.
Сплавы магния с цинком и цирконием являются высокопрочными, характеризуются повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Сплавы обладают удовлетворительными литейными свойствами, имеют измельченное зерно, способны упрочняться при термической обработке. Из них получают отливки с однородными свойствами в различных по толщине сечениях. Изготавливают отливки, работающие при температурах 200…250 0С и высоких нагрузках.
Сплавы магния, легированные редкоземельными металлами, обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую склонность к образованию усадочных трещин, высокие и однородные механические свойства в сечениях различной толщины. Их применяют для изготовления отливок, работающих под действием статических и усталостных нагрузок при длительной работе при 250…350 0С и кратковременной при 400 0С.
Занимаясь производством фасонных деталей и заготовок посредством заливания расплавленного металла в специально подготовленные формы, ivlit.ru литейное производство использует в качестве материалов такие литейные сплавы:
-серый литейный чугун, ковкий и высокопрочный чугун;
-медный сплав латуни, медный сплав бронзы;
-алюминиевые сплавы;
-углеродистые стали и легированные стали;
-магниевые сплавы.
В общем количестве употребляемых для литья материалов 75 % приходится на долю серого литейного чугуна, 20 % составляют стали, 3 %- ковкий чугун, 2 %- цветные сплавы.
Серый литейный чугун- это сплав,в состав которого входят железо, кремний, углерод и вкрапления графитовых пластин. Данный вид чугуна отличают хорошие литейные и механические свойства, а также невысокая цена. Благодаря этим особенностям создается отличная конкурентоспособность данного материала. Серый литейный чугун обладает следующими преимуществами:
-детали из из этого материала могут работать при сжимающих и изгибающих нагрузках, серый чугун имеет свойство гасить вибрации;
-текучесть данного сплава позволяет производить отливки из чугуна с толщиной стенок 4 мм.;
-низкий коэффициент трения скольжения благодаря входящему в его состав графиту, обеспечивающему смазку поверхности трения;
-сравнительно легко поддается обработке при помощи резки, однако, присутствующий в составе сплава цементит в виде твердых зерен вызывает быструю изнашиваемость инструментов, поэтому высокие скорости при резке не используются;
-в отливках из серого чугуна практически полностью отсутствуют поры, трещины и усадка.
Минусом серого литейного чугуна, как материала, является низкий уровень пластичности, это свойство не позволяет использовать сплав для производства деталей механизмов, подвергаемых ударным нагрузкам.
В зависимости от варианта микроструктуры серый чугун может быть перлитным, ферритным и перлитно-ферритным. Самым высоким уровнем прочности обладает перлитный чугун за счет включения в состав перлита и чугуна. Ферритный отличается низкой прочностью сплава и используется для отливки неответственных деталей и заготовок. Перлитно-ферритный является компромиссным вариантом, он сохраняет достаточно высокую прочность, но гораздо более дешев, чем перлитный сплав.
На качество отливок из чугуна влияет не только химический состав сплава, но и соблюдение скорости охлаждения деталей после отливки, предусмотренной технологическим процессом.
Отливки из серого литейного чугуна используются в производстве товаров народного потребления, в электромашиностроении, в автостроении при изготовлении дисков сцепления, распределительных валов, блоков цилиндров, поршневых колец, в станкостроении при производстве кронштейнов, направляющих, зубчатых колес, базовых и корпусных деталей.
На втором месте после серого чугуна по объемам литейного производства с использованием данного сплава находятся стали. Из стали отливают детали достаточно сложной конфигурации, к уровню прочности, пластичности, износоустойчивости и надежности которых предъявлены высокие требования.
По своему химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные.Углеродистая сталь не содержит в своем составе специально введенных (легирующих) компонентов, этот вид стали отличают высокие твердость и прочность. В состав легированной стали, кроме железа и углерода, входят специально в определенном количестве введенные элементы для придания требуемых свойств.
В машиностроении 21 % всех деталей, полученных отливкой, изготавливают из стали. Не смотря на отличное качество отливок из стали, их высокую вязкость и прочность, стальное литье имеет ряд недостатков:
-температура плавления выше, чем температура плавления серого чугуна;
-более низкая (по сравнению с серым чугуном) текучесть;
-склонность к образованию усадочных раковин и трещин при затвердении;
-формовочные материалы должны обладать повышенной огнеупорностью, используются только чистый кварцевый песок и глина без примесей;
-стоимость отливки стали в 1,5 раза дороже, чем стоимость отливки чугуна.
Из ковкого чугуна отливают детали, которые предназначаются для работы при ударных и вибрационных нагрузках. Из этого материала производятся тормозные колодки, звенья и ролики цепей конвейера, вилки карданных валов.
Преимуществами литья из ковкого чугуна являются:
-высокий уровень пластичности;
-высокая упругость;
-хорошая обрабатываемость;
-высокий предел прочности и текучести.
Недостатки литья из ковкого чугуна:
-объемная усадка;
-образование холодных трещин;
-высокие требования к шихтовым материалам.
В литейном производстве ivlit.ru наиболее распространены цветные сплавы бронзы, латуни, алюминиевые и магниевые.
У бронз высокие механические, антифрикционные и коррозионные свойства, у них хорошая жидкотекучесть, но также большая усадка и склонность к окислению. По сравнению с бронзами у латуней выше литейные свойства, это позволяет с меньшими усилиями получить плотные герметичные отливки. Из алюминиевых литейных сплавов удается изготовить тонкостенные отливки, достаточно сложные по форме. Коррозионная стойкость и пластичность магниевых сплавов значительно ниже, чем алюминиевых, магниевые сплавы обладают плохой жидкотекучестью, могут воспламеняться в жидком состоянии, дают большую усадку. Отливки из цветных сплавов используют в железнодорожном и автомобильном транспорте, на подъемном оборудовании и в художественном литье.
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