Литейные свойства сплавов.
Тема 1.2. Литейные сплавы. Плавка сплавов
Вопросы:
2. Виды литейных сплавов и их сравнительная характеристика.
1. Главнейшими литейными свойствами сплава являются: жидкотекучесть, усадка и склонность к ликвации.
Жидкотекучестью сплава называют его способность воспроизводить рельеф литейной формы. При недостаточной толщине стенки
отливки или низкой жидкотекучести сплава форма заполняется им неполностью, деталь получается с «недоливом» и бракуется.
Жидкотекучесть сплава измеряют при помощи особой технологической пробы – спирали, имеющей трапециевидное поперечное сечение площадью 0,56 см2.Модель спирали формуют в песчаной форме и заливают испытываемым сплавом. Чем больше жидкотекучесть сплава, тем длиннее участок спирали зальется металлом.
Жидкотекучесть сплава зависит от его физико-химических свойств и температуры в момент заливки. Чистая медь обладает низкой жидкотекучестью, но добавка к меди олова или цинка резко увеличивает жидкотекучесть сплава. С повышением температуры заливаемого сплава его жидкотекучесть увеличивается.
|
|
Рассчитывая при проектировании толщину стенок отливок, обеспечивающую требуемую прочность и экономию металла, необходимо учитывать жидкотекучесть сплава при оптимальной температуре его заливки.
Усадкой называется свойство металлов и сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Объемная и линейная усадка обычно выражается в процентах. На величину усадки оказывают влияние химический состав и температура заливки сплава. С повышением температуры заливаемого сплава усадка отливки увеличивается.
Линейная усадка. Линейная усадка отливок из серого чугуна равна в среднем 1%, из стали – 2%, из большинства сплавов цветных металлов – 1,5%. С усадкой сплава связаны многие затруднения в производстве отливок. Размеры модели и полости литейной формы приходится увеличивать по сравнению с чертежными размерами отливки на величину линейной усадки данного сплава. Величину усадки не всегда удается установить достаточно точно, поэтому часто происходит отклонение размеров отливки от чертежных. Из-за усадки в отливке возникают напряжения, что нередко приводит к ее короблению, а иногда и к образованию трещин.
Объемная усадка. Затвердевание отливки происходит послойно, начиная от стенок формы, и постепенно продвигается вглубь тела отливки. Усадка затвердевшей части отливки происходит за счет еще не затвердевшей части. В результате этого в местах, где металл затвердевает в последнюю очередь, в отливке образуются усадочные раковины или усадочная пористость. Чем больше объемная усадка сплава, тем больше будет величина усадочной раковины в отливке.
|
|
Ликвацией называется появление неоднородности по химическому составу в различных частях отливки. В сплавах различают два основных вида ликвации: внутрикристаллическую, когда неоднородность охватывает зерна металла, и зональную, когда различные зоны отливки имеют различный химический состав.
На ликвацию оказывают значительное влияние химический состав сплава и скорость остывания отливки. Чем крупнее отливка, тем медленнее происходит охлаждение и тем больше развивается ликвация. В тонкостенных отливках зональная ликвация развита меньше. При сочетании в литой конструкции тонких и толстых стенок ликвационные включения концентрируются в толстых частях отливок. Поэтому при конструировании литых деталей необходимо изготовлять их с равномерной толщиной стенок или конструировать по принципу направленного затвердевания так, чтобы отливка затвердевала снизу вверх. В этом случае ликвирующие примеси скапливаются в прибыли, затвердевающей в последнюю очередь.
2. Всовременном машиностроении и ремонтном деле для производства отливок наибольшее применение получили следующие литейные сплавы: серые (литейные), белые (передельные) и высокопрочные чугуны, углеродистые и легированные стали, бронзы, латуни, алюминиевые, магниевые, титановые, молибденовые, вольфрамовые и др. Технологические свойства литейных сплавов характеризуются температурой плавления, жидкотекучестью, способностью поглощать и выделять газы, усадкой и склонностью к ликвации. Чем ниже температура плавления сплава, тем лучше его литейные свойства.
Чугун имеет относительно невысокую температуру плавления (1100…1200 °С), хорошую жидкотекучесть, малую усадку (около 1 %) однородную структуру в отливках. Для плавки чугуна применяют вагранки и электропечи.
Для отливок высокопрочных, легированных, а также ковких чугунов применяют дуплекс-процессы: плавку в вагранке, а затем доводку по составу в дуговой или индукционной электропечи; это дает возможность перегреть чугун и выдать его точно заданного состава.
Литейные свойства стали хуже, чем у чугуна: она не столь жидкотекуча, имеет усадку больше 2 %, поэтому усадочные раковины могут быть значительных размеров, сталь тугоплавка (температура плавления 1400…1540 °С). Чтобы избежать брака по усадочным раковинам, в формах кроме выпоров предусматривают прибыли, достаточные для питания жидкой сталью затвердевающей отливки.
Однако высокие прочность и вязкость стальных отливок определяют их преимущества перед другими видами литья, поэтому стальные отливки применяют для нагруженных деталей в ряде отраслей машиностроения.
На литье идут доэвтектоидные углеродистые стали с массовым содержанием С 0,1…0,6 % и легированное стали с марганцем, кремнием, никелем, хромом, медью, ванадием, вольфрамом, молибденом, титаном. Сталь для литья выплавляют в кислородных конвертерах, мартеновских, двухванных печах или электропечах.
Углерод, марганец, кремний, фосфор улучшают жидкотекучесть чугунов и сталей, а сера и хром ухудшают. Чем меньше литейные сплавы поглощают газы в процессе их плавления и заливки форм и чем легче они их выделяют в процессе остывания отливки, тем лучше их литейные свойства.
Сплавы цветных металлов для литья выплавляют в электрических однофазных дуговых печах барабанного типа, индукционных печах, печах сопротивления и в пламенных газовых печах.
Для производства фасонных отливок наиболее широкое применение получили бронзы и латуни.
Цинковые сплавы имеют низкую температуру плавления и хорошие литейные свойства. Из них изготавливают небольшие фасонные отливки на машинах для литья под давлением. Для плавки цинковых сплавов применяются главным образом тигельные печи.
|
|
Алюминиевые литейные сплавы, применяемые для изготовления фасонных отливок, имеют хорошие технологические и механические свойства, которые изменяются в зависимости oт состава сплава, методом литья и термической обработки.
Магниевые сплавы имеют более низкие литейные и механические свойства, чем алюминиевые, но зато обладают меньшим удельным несом, благодаря чему широко используются в самолетостроении. Для повышения механических свойств отливки из магниевых сплавов подвергаются термической обработке (закалке с последующим старением).
3. Шихта для получения жидкого чугуна состоит из металлических материалов, флюсов и топлива.
В качестве металлических материалов применяют литейный и передельный чушковой чугун, металлический лом, оборотный металл, т. е. бракованные отливки, литники, всплески, стружка, сплавы – раскислители и присадки – модификаторы.
Соотношение различных составляющих металлической шихты зависит от требований, предъявляемых к отливкам. Обычно она состоит из 25…40% литейных и передельных доменных чугунов, 60…40% машинного лома и возврата своего производства, 10…20% стального лома и различных ферросплавов.
Для образования шлака необходимой консистенции добавляют флюсы (известняк, доломит, плавиковый шпат), которые понижают температуру плавления шлаков и обеспечивают нормальный процесс плавки.
Основным топливом для вагранки является литейный каменноугольный кокс.
Наиболее распространенным плавильным агрегатом для получения жидкого чугуна в литейных цехах является вагранка, – печь шахтного типа, в которой топливом служит литейный кокс. Вагранка обеспечивает расплавление и достаточный перегрев жидкого чугуна требуемого химического состава при минимальном угаре и экономном расходе топлива.
На рис. 1 изображена вагранка цилиндрической формы. Вагранка опирается на фундамент 1 и на чугунные колонны 2.
|
|
Кожух 8 вагранки изготовлен из листового железа толщиной 8…20 мм. Стены 7 вагранки выложены огнеупорным кирпичом. Кожух установлен на массивную чугунную или стальную плиту с крышкой 3. Лещадь 4 вагранки набивают смесью из песка и формовочной земли с наклоном в сторону летки 14 для выпуска жидкого чугуна.
Воздух, нагнетаемый вентилятором 6,поступает через воздушное кольцо и фурмы 5 в вагранку. Современные вагранки чаще всего имеют три ряда фурм, расположенных в шахматном порядке. Рис. 1 Схема устройства вагранки
Нижнюю часть вагранки от лещади до воздушных фурм называют горном.
Шихту загружают в вагранку через окно 10 бадьей 13. Пространство над горном до загрузочного окна называют шахтой печи. Футеровку верхней части шахты предохраняют от ударов кусками шихты чугунные плиты 9. Продукты горения и частицы раскаленного кокса удаляются через дымовую трубу 12 и искрогаситель 11.
Вагранка обычно имеет копильник 15 для сбора жидкого чугуна, который выпускается через летку 17 непрерывно или периодически в ковш 18. Шлак выпускают через отверстие 16. Диаметр копильника в свету принимают несколько больше диаметра вагранки; высота копильника равна его диаметру.
В качестве шихтовых материалов для изготовления фасонного литья из цветных сплавов применяют не только чистые металлы, но и вторичные. Медь, никель, цинк, алюминий, магний, свинец поступают в литейные цехи в виде слитков различной формы.
Медные сплавы преимущественно приготовляют в барабанных дуговых однофазных электропечах емкостью 100…1000 кг (рис. 2, а).Железный барабан 6 футеруют фасонным шамотным кирпичом 7; графитированные электроды 4 устанавливают при помощи электродержателей 9 в печь через ее торцовые стенки. Электроды имеют водяное охлаждение 8. Шихту загружают через окно в стенке печи, которое имеет желоб для выпуска металла. Корпус печи поворачивается электромотором 1 и приводным механизмом 2 при помощи зубчатого обода 5 и шестерни 3 вокруг горизонтальной оси с углом качания до 180°, что обеспечивает более равномерный прогрев и перемещение жидкого металла и ускорение плавки.