Литейные свойства сплавов

Из схемы последовательности операций изготовления отли­вок в разовых формах (см. рис. 13.2) следует, что параллельно с изготовлением формы идет плавка металла и после сборки формы расплавленный металл заливают в нее.

Известно множество литейных сплавов на основе железа, алюминия, магния, меди, титана, цинка и др. Каждый из спла­вов характеризуется комплексом прочностных, эксплуатацион­ных, физических и технологических свойств. Так как из этих сплавов получают отливки, они должны обладать комплексом специфических технологических свойств, обеспечивающих полу­чение качественной отливки. К таким свойствам — их называют литейными — относятся жидкотекучесть, склонность к обра­зованию усадочных раковин, трещин, склонность к газонасы­щению и ликвации.

Жидкотекучесть — это способность металла заполнять ли­тейную форму и воспроизводить очертания ее внутренней полос­ти. Существует несколько методов оценки жидкотекучести, но наиболее распространено устройство в виде длинного тонкого канала, обычно свернутого в спираль, по длине заполнения кото­рого судят об уровне жидкотекучести. При низкой жидкотекуче­сти расплава возможен брак отливок по недоливам и спаям.

На жидкотекучесть оказывают влияние свойства формы и рас­плава. С ростом коэффициента теплопроводности, содержания влаги и теплоемкости смеси жидкотекучесть сплава падает, так же как и при росте коэффициента теплопроводности сплава, по­верхностного натяжения на границе расплав — воздух и ширины температурного интервала кристаллизации сплава. Несмотря на обилие факторов, влияющих на жидкотекучесть, в реальных усло­виях производства манипулировать ими сложно, так как в цехе существует сложившийся технологический процесс получения отливки, а ее материал задан конструктором. Основным факто­ром, с помощью которого удается регулировать жидкотекучесть,
является температура перегрева расплава. С ростом перегрева резко повышается жидкотекучесть. Поэтому тонкостенные ажурные отливки с развитой сложной поверхностью отливают первыми горячими порциями расплава сразу после его выдачи в ковш из печи, а толстостенные отливки получают из остыв­шего в ковше металла.

Различают три вида усадки металла: в жидком состоянии, в процессе кристаллизации и в ходе остывания металла от темпе­ратур кристаллизации. Наиболее безобиден первый вид усадки, который легко компенсируется снижением уровня расплайа в заливочной чаше или в стояке.

Усадка в процессе кристаллизации приводит к образованию усадочных раковин и пористости в отливках. Она связана с раз­ницей плотностей металлов в твердом и жидком состоянии. Если кристаллизация металла протекает в узком интервале температур, что способствует так называемому направленному затвердению, при котором сравнительно гладкий фронт кристал­лизации продвигается от поверхности к термическому центру отливки, увеличение плотности металла при переходе из жид­кого состояния в твердое приводит к снижению уровня расплава и образованию в верхней центральной части отливки концентри­рованной усадочной раковины. При широком температурном интервале кристаллизации (объемное затвердевание) концен­трированной усадочной раковины не образуется, зато появляется большое количество пор, рассеянных по всему объему отливки. Для устранения урадочных дефектов над массивными частями отливки устанавливают прибыли, толщина которых больше тол­щины питаемого ими узла, в результате чего усадочная раковина выводится в прибыль и удаляется вместе с ней после охлаждения отливки.

Схема установки прибыли 2 над отливкой 1 приведена на рис. 14.1. Прибыли бывают открытыми, когда их верхний уро­вень совпадает с верхним уровнем опоки, и закрытыми, когда он ниже. Предпочтительна сферическая форма прибылей. С целью повышения их эффективности прибыли утепляют путем установ­ки вставок 6 из сухой стержневой смеси. Условия питания отливок в процессе ее затвердевания более благоприятны, если образую­щая в прибыли раковина 3 соединяется с атмосферой. С этой целью в прибыль заформовывают высушенные стерженьки 4

Рис. 14.1.Отливка с прибылью

из стержневой смеси, а иногда устанавливают газотворные па­троны 5, которые, разлагаясь под действием расплавленного ме­талла, создают в раковине избыточное давление.

Основным фактором, определяющим объем усадочной рако­вины или суммарный объем пор, является разность плотностей в жидком и твердом состоянии. Для разных сплавов она раз­лична, что и определяет их различную склонность к образованию усадочных раковин. Известно, что стади, ковкие и высокопроч­ные чугуны, сплавы меди,, сплавы на основе алюминия (кроме Al—Si) склонны к образованию раковин и пористости, в то вре­мя как серые чугуны и силумины, наоборот, дают плотные от­ливки и не требуют установки прибылей.

Неравномерная усадка отливки в процессе ее остывания от температур кристаллизации приводит к возникновению в ней напряжений, а иногда и трещин. Различные сплавы характери­зуются различными коэффициентами линейной усадки, что и оп­ределяет их склонность к образованию трещин.

Кроме термических напряжений в отливке, связанных с не­равномерностью охлаждения отдельных ее частей, могут возни­кать механические (усадочные) напряжения, обусловленные торможением усадки формой или стержнем, и фазовые, связан­ные с неодновременным протеканием фазовых превращений в сплаве. Необходимо отметить, что термические напряжения могут быть вызваны тем, что поверхностные слои отливок охла­ждаются быстрее центральных зон, в результате чего в них воз­никнут растягивающие напряжения, а в нижележащих слоях — сжимающие.

Рассмотрим механизм образования напряжений за счет не­равномерности охлаждения различных частей отливки на базе изучения условий охлаждения массивной части отливки 2 и реб­ра 1 (рис. 14.2, а). На рис. 14.2, б показаны кривые охлажения этих частей отливки, здесь t_Kp— критическая температура пере­хода из пластического состояния в упругое. Выше этой темпера­туры напряжений не может возникнуть, так как пластическая деформация снимает их. На участке 1-2 (рис. 14.2, в; 1_Н — на­чальная, 1_к — конечная длина отливки) изменение длины частей отливки идет по закону, определяемому скоростью охлаждения ребра. В это время массивная часть пластична и напряжения снимаются за счет ее пластической деформации. Правее точки 2 металл обеих частей находится в упругом состоянии, но темпе­ратура массивной-части выше. Если бы ребро было отделено от отливки, то его усадка протекала бы по кривой 2-З_и а усадка массивной части — по кривой 2-3₂. Но так как обе эти части связаны между собой, то у них общая длина, определяемая точ­кой 3. В результате тонкая часть сжимается на величину, а массивная — растягивается на величину т.е. после нерав-

Рис. 14.2.Механизм образования напряжений: а — внешний вид отливки; б — кривые охлаждения частей отливки;в— изменения длины частей отливки

Ж

номерного охлаждения в тонкой части возникают сжимающие, а в массивной части растягивающие напряжения. Если их ве­личина превысит предел прочности металла, то в отливке воз­никнут трещины.

Разрушение металла (образование трещин) под действием внутренних напряжений происходит в различные периоды кри­сталлизации и охлаждения отливки, в связи с чем различают кристаллизационные, горячие и холодные трещины.

Помимо усадочных процессов и жесткости форм существен­ное влияние на склонность к образованию трещин оказывают состав сплава и особенно наличие примесей, образующих легко­плавкие эвтектики. Например, увеличение содержания в стали серы и фосфора повышает опасность возникновения горячих и холодных трещин.

Так как основной причиной образования напряжений явля­ется неравномерность охлаждения различных частей отливки, то главным средством борьбы с напряжениями, короблением и трещинообразованием считается выравнивание скоростей ох­лаждения путем утепления тонких сечений (установкой сухих стержней) и захолаживакия внутренними или наружными хо­лодильниками массивных частей.

Склонность к газонасыщению присуща большинству спла­вов. Газы (водород, азот, кислород, метан и оксиды углерода) наиболее часто встречаются в металле. Оксиды углерода СО и С0₂ присутствуют в виде отдельных пузырей, появившихся как следствие незавершенности процесса раскисления сплава. Ки­слород и основная масса азота находятся в связанном состоянии в виде оксидов и нитридов и на качество отливки существенного влияния не оказывают. Наиболее вредным газом считается водо­род, который в атомарном состоянии хорошо растворяется в жид­ких сплавах. По мере снижения температуры расплава в форме растворимость водорода снижается, и он в виде пузырьков вы­деляется из расплава и скапливается перед фронтом кристалли­зации. Если прибыль затвердевает позже питаемого ею узла, то пузырьки газа вытесняются в прибыль. В противном случае об­разуются подкорковые газовые пузыри, вскрываемые при меха­нической обработке.

Для предотвращения насыщения расплава водородом исход­ная шихта должна быть сухой, плавку необходимо вести форси­рованно, защищая металл толстым слоем шлака, нейтральными атмосферами (аргон, гелий) и вакуумом. Для удаления газов из металла после плавки применяют продувку инертным газом и обработку вакуумом.

Газовые раковины в отливке могут появиться и в связи с не­удовлетворительным качеством форм и стержней. Высокая га- зотворная способность смеси, высокая влажность и плотная набивка форм, а также их низкая газопроницаемость приводят к прорыву образующихся газов и паров в расплав и образова­нию поверхностных газовых включений.

Ликвация — это химическая неоднородность по сечению от­ливки, возникающая в процессе ее затвердевания. Различают внутрикристаллическую и зональную ликвации. Внутрикри- сталлическая неоднородность является следствием кристалли­зации, в результате которой центральная часть кристаллов содер­жит меньше растворенного в расплаве элемента, чем наружная. Эта неоднородность легко устраняется термической обработкой (высокотемпературным отжигом). Зональная ликвация харак­терна для сплавов, дающих при затвердевании гладкий фронт кристаллизации. В этом случае легкоплавкие примеси, газовые и неметаллические включения оттесняются фронтом в термиче­ский центр отливки. Основным средством борьбы с этим видом неоднородности считается вывод ликвата в прибыль.