Литейные сплавы и их особенности

Урок №28

Основы литейного производства

Общая характеристика литейного производства

Литейные сплавы и их особенности

Литые детали в конструкциях многих машин составляют
от 30 до 80 % их массы. Например, масса отливок тягача достигает 55 %, экскаватора — 70 %, тяжелых станков — 80% [45]. Литье готовых деталей обладает преимуществами перед другими способами их производства, заключающимися не только в более низкой трудоемкости и стоимости процесса, отсутствии анизотропии свойств, в увеличении жесткости и точности размеров, но и в возможности изготовления деталей, которые нельзя получить другими способами. Такое литье позволяет повысить коэффициент использования металла до 65-95% вместо 15-30% при изготовлении деталей из поковок и штамповок, в 3-4 раза сократить расход металла в стружку, в 5-6 раз снизить трудоемкость и уменьшить себестоимость изделия.

Эти обстоятельства определяют важность грамотного
конструирования литых деталей. Конструкция детали зависит от следующих основных факторов: служебного назначения в изделии; достаточной прочности при минимальной массе; долговечности; возможности безремонтной эксплуатации в течение всего срока службы; материала; технологии получения заготовки, механической обработки детали, измерения ее размеров, сборки изделия и др.

Использование жидкого металла позволяет получать литые детали практически любой желаемой формы. Вместе с тем, это же обстоятельство приводит к особым трудностям, связанным с тем, что при переходе металла из жидкого в твердое состояние в нем развивается усадка, металл в различных сечениях отливки получает неоднородную структуру и соответственно разную прочность, возникают внутренние напряжения. Конструкцию литой детали необходимо проектировать так, чтобы можно было более полно использовать механические свойства металла, из которого она изготавливается.

Достичь этого можно разработкой такой конструкции, при которой форма детали и сопряжение ее элементов будут предупреждать развитие внутренних литейных пороков, и снижать концентрации напряжений. Для создания качественной конструкции литой детали, имеющей наименьшие затраты при ее производстве, конструктор должен иметь знания о литейном производстве и владеть основными правилами конструирования таких деталей.

Литейное производство — это производственный комплекс по изготовлению отливок методом заливки расплавленного сплава в литейные формы. Отливки могут быть законченными изделиями или заготовками. Заготовки в процессе изготовления деталей подвергают механической обработке. По форме и размерам отливки должны максимально приближаться к получаемым из них деталям; припуски на механическую обработку должны быть минимальными, материал по возможности дешевым и обладать необходимыми физико-механическими свойствами. В современном машиностроении этим требованиям отвечают многие сплавы, наиболее распространенными из черных сплавов являются чугуны и стали, из цветных — сплавы на основе алюминия, меди, магния и др.

Литейные свойства сплавов. Наиболее важные технологические литейные свойства – жидкотекучесть, усадка (объёмная и линейная), склонность сплава к ликвации, образованию горячих и холодных трещин, поглощению газов образованию газовой и усадочной пористости.

Жидкотекучесть сплава зависит от его природы (химического состава) и физических свойств (вязкости и поверхностного натяжения).

Наибольшей жидкотекучестью обладают чистые металлы и сплавы эвтектического состава, а также сплавы с узким интервалом кристаллизации (Δt < 30^оС). Например, высокая жидкотекучесть – силумины, серый чугун. Низкая – магниевые сплавы и сталь.

Жидкотекучесть сплавов определяют путём заливки специальных технологических проб. Наибольшее распространение получила спиральная технологическая проба (рис. 6). Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъёма пробки металл плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах.

Усадка – свойства литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку.

Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы.

Объёмная усадка – уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объёмная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

Усадочная раковина – дефект в виде скрытой или открытой полости. Усадочные раковины сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 7, а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка 1 твёрдого металла. Уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня, а – а. На корке 1 нарастает новый твёрдый слой 2, а уровень жидкости опять понижается до уровня б – б. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины

Усадочная пористость – дефект, представляющий собой мелкие поры (рис. 7, б и рис. 8). Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек 2, заключающих в себе остатки жидкой фазы Затвердевание небольшого объёма металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина 1. Множество таких межзёренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границе зёрен металла.

Вероятность формирования усадочных раковин или усадочной пористости главным образом зависит от температурного интервала кристаллизации сплавов.

Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания отливки из-за

различной растворимости отдельных компонентов сплава в твёрдой и жидкой фазах. Например, в сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор, кислород и углерод.

Ликвация вызывает неоднородность механических свойств в различных частях отливки. Различают дендритную и зональную ликвацию.

Горячие трещины – дефект в виде разрыва или надрыва усадочного происхождения, возникающего в теле отливки в температурном интервале хрупкости, когда имеются жидкие фазы по границам кристаллов (рис. 9).

Термические напряжения в отливке появляются из-за неравномерности распределения температур по толщине стенок отливки или между отдельными её частями.

Характер термических напряжений различен: в массивных частях отливки имеют места растягивающие напряжения, в более тонких – сжимающие.

Фазовые напряжения возникают в отливках вследствие выделения или исчезновения различных фаз или структур составляющих, имеющих удельный объём, отличающийся от удельного объёма основной матрицы.

Холодные трещины возникают, когда отливки будут находиться в области упругих деформаций, при температурах значительно ниже температуры солидуса. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации.

Опасность появления холодных трещин возрастает при наличии в сплаве вредных примесей. С повышением упругих свойств сплава и его усадки при пониженных температурах вероятность образования холодных трещин увеличивается.

Для предупреждения образования в отливках холодных трещин необходимо:

• обеспечивать равномерное охлаждение во всех сечениях использовать холодильники или малотеплопроводные смеси;
• проводить отжиг отливок;
• применять сплавы с повышенной пластичностью при изготовлении сложных отливок и т.д.

Коробление – изменение формы и размеров отливки под влиянием литейных напряжений.

Вероятность коробления возрастает при увеличении протяжённости отливки, усложнении её конфигурации, уменьшения толщины её стенок. Коробление может вызываться неправильным охлаждением отдельных частей отливки, сопротивлением усадки отдельных частей отливки со стороны литейной формы или же самой отливки. Для предупреждения коробления в отливке нужны мероприятия, которые применяются для предупреждения холодных трещин, следует предусматривать рёбра жёсткости в конструкционных тонкостенных литых деталей, увеличивать податливость формы, создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.

 

 

  Урок № 29