Какие свойства металлов относятся к литейным

При конструировании литой детали следует учитывать ход процесса затвердевания отливки. В отливках из сплавов, имеющих большую усадку и ликвацию, необходимо, чтобы затвердевание происходило снизу вверх, вследствие чего усадочная раковина, а также ликвирующие включения перемещаются в верхнюю часть отливки, где устанавливается прибыль (элемент литниковой системы для питания отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин).

После заливки металл затвердевает послойно, начиная от стенок формы. При затвердевании и охлаждении уменьшается объем металла, поэтому уровень жидкого металла в прибыли опускается, и последующие слои в ней затвердевают на более низких уровнях. Так как в прибыли металл затвердевает в последнюю очередь, именно в ней и образуется усадочная раковина.

Для производства отливок целесообразно применять сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, позволяющими получать из них отливки весьма сложной конфигурации. К хорошим литейным свойствам сплавов относятся высокая жидкотекучесть, малая усадка при затвердевании и дальнейшем охлаждении, незначительная ликвация, низкая способность сплавов поглощать газы при плавке и заливке.

Жидкотекучестью сплаваназывается его способность заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить очертания этой полости. Жидкотекучесть зависит от химического состава и температуры заливаемого в форму сплава, от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, свойств литейной формы и других факторов.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается, и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме; с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы уменьшает жидкотекучесть, т.е. песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую, которая интенсивно охлаждает расплав.

Усадкойназывается свойство металлов и сплавов уменьшаться в линейных размерах и объеме при кристаллизации и охлаждении отливки. Различают линейную и объемную усадку.

Линейная усадка сопровождается уменьшением линейных размеров при кристаллизации и охлаждении отливки. Так, отливки из серого чугуна имеют линейную усадку 0,9…1,3%, из углеродистой стали – 2…2,4%, из алюминиевых сплавов – 0,9…1,5%, из медных – 1,4…2,3%. Стержни и форма оказывают сопротивление линейной усадке металла, в результате в отливке возникают внутренние напряжения, вызывающие коробление, а иногда и образование трещин (горячих или холодных). С целью уменьшения сопротивления линейной усадке формовочные и стержневые смеси изготавливают податливыми. Линейную усадку учитывают при изготовлении модели и стержневых ящиков, увеличивая (уменьшая) размеры, по сравнению с размерами отливки на величину линейной усадки соответствующего сплава.

Объемная усадка сопровождается уменьшением объема металла при кристаллизации и дальнейшем охлаждении, и поэтому в массивном сечении отливки может образовываться усадочная пористость или концентрированная усадочная раковина. Ее устранение осуществляют установкой прибыли или холодильников в этом месте. Прибыль изготавливают более массивной, чем стенки отливки.

Ликвацией называется образование неоднородности химического состава в различных частях отливки. Различают два основных вида ликвации: зональную, когда отдельные зоны отливки имеют различный химический состав, и внутрикристаллическую, характеризующуюся неоднородностью зерна металла. На ликвацию оказывают значительное влияние химический состав сплава, скорость охлаждения и масса отливки.

Газопоглощение – это способность литейных сплавов в жидком состоянии поглощать различные газы (кислород, водород и азот), причем их растворимость растет с повышением температуры жидкого металла. В литейной форме газонасыщенный расплав охлаждается, понижается растворимость газов, и они, выделяясь из металла, могут образовывать в отливке газовые раковины. Технологические литейные сплавы должны обладать хорошей жидкотекучестью, малой усадкой и газопоглощением, а также не ликвировать.

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.

Наиболее распространенным литейным материалом является серый чугун, так как он обладает хорошими литейными свойствами, недефицитен и имеет невысокую стоимость. Значительно меньшая часть отливок изготавливается из высокопрочных, ковких и легированных чугунов.

Сталь имеют более высокие механические свойства по сравнению с чугунами, но она значительно дороже, а изготовление из нее отливок связано с рядом трудностей из-за ее низких литейных свойств.

Среди литейных сплавов цветных металлов наиболее широкое применение нашли медные, алюминиевые, магниевые, цинковые и титановые сплавы.

К литейным сплавам предъявляется ряд различных требований, касающихся их механических и физико-химических свойств. Но независимо от этого все литейные сплавы должны обладать определенными литейными свойствами, без учета которых даже при самом совершенном технологическом процессе литья получить качественную отливку не удается.

Литейные свойства сплавов.

Основные литейные свойства это жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации, поглощению газов, образованию трещин и др.

Жидкотекучесть (Ж) — способность металлов и сплавов в жидком состоянии течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть зависит от природы металла, физических свойств, химического состава, температурного интервала кристаллизации, температуры заливки металла, состояния и свойств литейной формы. Чистые металлы, эвтектики, а также все сплавы, не имеющие интервала кристаллизации, обладают значительно большей жидкотекучестью по сравнению со сплавами той же системы, кристаллизующимися в интервале температур.

Повышение температуры заливки и температуры литейной формы увеличивает Ж сплавов. Увеличение теплопроводности материала формы, как и неметаллические включения в металле, снижает Ж и затрудняет продвижение его в форме.

Чем лучше отделка формы и литниковых каналов, тем быстрее и полнее форма заполняется расплавом.

В практике литейного производства Ж оценивают с помощью специальных спиральных проб, которые заливают расплавленным металлом. Длина заполненной части спирали и служит мерой Ж, которая измеряется в миллиметрах.

Усадка — это свойство литейных сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. На величину усадки влияют, прежде всего, природа металла, химический состав сплава, температура заливки и свойства литейной формы. С повышением температуры заливаемого металла усадка увеличивается. Усадку принято делить на объемную и линейную.

Объемная усадка — это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме. Объемная усадка приводит к образованию в отливках усадочных раковин и рассеянной усадочной пористости.

Усадочные раковины — это сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 2.2, а). Усадочная пористость — рассредоточенное скопление пустот, образовавшихся в отливке в результате усадки без доступа к ним расплавленного металла (рис. 2.2, б).

При кристаллизации чистых металлов, сплавов, соответствующих по составу эвтектикам, и сплавов с узким интервалом кристаллизации затвердевание отливки происходит послойно, начиная от стенок формы и постепенно передвигаясь в глубь тела отливки. Усадка затвердевшей части восполняется за счет еще не затвердевшей части отливки, уровень металла в которой постепенно (уровни а—а, б—б) понижается до тех пор, пока не закончится процесс затвердевания, по завершении которого появится сосредоточенная усадочная раковина 1.

Если в отливке имеются различные по толщине части, то в первую очередь затвердевает самая тонкая часть. Образующаяся в ней усадочная пустота заполняется жидким металлом 6 из соседней части, которая охлаждается медленнее и в которой образуется усадочная раковина.

Для предотвращения образования усадочной раковины в литейной форме предусматривают установку прибыли, размеры и форму которой подбирают так, чтобы она затвердевала в последнюю очередь, т.е. прибыль должна быть массивнее самой толстой части отливки.

Рис. 2.2. Схема образования усадочной раковины и усадочной пористости:

а — образование усадочной раковины; б — образование усадочной пористости; 1 — сосредоточенная усадочная раковина; 2—4 — последовательно образующиеся слои; 5 — расплав; б — изолированные области;

7 — пористость; а—а, б—б — уровни застывшего металла

У сплавов с интервалом кристаллизации в средней части отливок возникает усадочная пористость 7, располагающаяся по границам зерен металла.

Для получения отливок без усадочных раковин и пористости необходимо обеспечить непрерывный подвод расплавленного металла в течение всего периода кристаллизации и охлаждения отливки и обеспечить выравнивание скоростей затвердевания различных ее сечений.

Линейная усадка — это уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры заливки до температуры окружающей среды.

Отливка по своим линейным размерам всегда меньше полости формы, в которой она получена. Эта разница называется абсолютной линейной усадкой. Относительной линейной усадкой называют отношение абсолютной линейной усадки к линейным размерам отливки после полного охлаждения. Линейную усадку определяют соотношением

где /ф и /от — размеры полости формы и отливки при температуре 20°С, мм.

Поскольку линейная усадка в отливках практически никогда не бывает свободной, а всегда в той или иной степени затруднена, в отливках возникают упругие и пластические деформации. Внешние, более остывшие слои отливки, затрудняют усадку внутренних горячих слоев, в результате чего внутренние слои будут пластически растянуты, а наружные — упруго сжаты, что приведет к образованию внутренних напряжений. Если величина напряжений превысит предел текучести, то возможно искривление — коробление отливки. Если же величина напряжений превысит величину предела прочности материала, то появятся трещины.

В зависимости от того, в какой период образовались трещины, различают трещины горячие и холодные. Горячие трещины появляются при температуре, близкой к температуре затвердевания сплавов, когда они имеют очень низкую прочность. Поверхность трещины будет темной, окисленной. Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Холодные трещины образуются в отливках, имеющих большую разницу в толщине тонких и массивных частей, т.е. охлаждающихся неравномерно Поверхность металла в зоне трещины будет неокисленной, так как она образовалась в холодном металле.

Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. На склонность сплава к ликвации влияют химический состав сплава, интервал кристаллизации, скорость охлаждения отливки и т.д. Различают два основных вида ликвации: дендритную и зональную. Дендритная ликвация характеризуется наличием химической неоднородности в пределах одного зерна сплава, она тем заметнее, чем больше скорость затвердевания сплава в форме. Зональная ликвация проявляется в неоднородности структуры и состава в различных частях отливки. Зональная ликвация наиболее опасна, так как ее нельзя устранить термической обработкой. Разновидностью зональной ликвации является ликвация по удельному весу.

Газонасыщение металла происходит из топлива, шихтовых материалов, окружающей среды и из литейной формы, которая при заполнении ее жидким металлом выделяет газы. Газы могут находиться в металле в свободном состоянии или растворяться в нем, образуя оксиды, гидриды, нитриды. Растворенные в металле газы ухудшают его механические свойства и способствуют образованию литейных дефектов — газовых раковин.

Таким образом, литейные свойства являются определяющими при конструировании литой детали, выборе материала и способа получения отливки. Без учета их даже при самом совершенном технологическом процессе литья получить отливку без литейных дефектов невозможно.