3 Физические основы производства отливок

3.1 Классификация литейных сплавов

Для производства отливок используют специальные литейные сплавы, которые должны обладать высокими литейными, механическими и эксплуатационными свойствами; свойства, состав и структура сплава должны быть постоянными, не из­меняться в процессе эксплуатации готовой детали, по возможности содержать мини­мальное количество дорогостоящих ком­понентов и т.д.

Существуют различные классификаци­онные признаки литейных сплавов: хими­ческий состав, структура металла (основа), их свойства и назначение и т.д. В про­мышленной классификации литейные сплавы делятся на черные и цветные спла­вы.

К черным сплавам относят стали (уг­леродистые и легированные), чугуны (се­рые, высокопрочные, ковкие и др.).

Цвет­ные сплавы делятся на тяжелые – плотно­стью более (медные, никеле­вые, цинковые и др.) и на легкие – плот­ностью менее (литиевые, маг­ниевые, алюминиевые, титановые).

Для обеспечения требуемых механиче­ских и эксплуатационных свойств литых деталей (прочности, твердости, износо­стойкости, жаростойкости и др.) в сплавы вводят в определенном количестве специ­альные добавки (легирующие компонен­ты). По их содержанию сплавы делят на низколегированные (до 2,5 % по массе), среднелегированные (2,5...10 %) и высо­колегированные (свыше 10 %). Кроме то­го, в литейных сплавах присутствуют по­стоянные примеси (например, сера и фос­фор в сталях и чугунах), которые во мно­гих случаях являются вредными, и содер­жание их ограничивают.

3.2 Литейные свойства сплавов

К литейным свойствам относят техно­логические свойства металлов и сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме.

Наиболее важные ли­тейные свойства – это:

- жидкотекучесть,

- усадка (объемная и линейная),

- склонность сплавов к ликвации,

- склонность к образованию трещин, поглощению газов, пористости и др.

Жидкотекучесть – это способ­ность металлов и сплавов течь в расплав­ленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко вос­производить контуры отливки. Жидкотекучесть литейных сплавов за­висит от температурного интервала кри­сталлизации, температуры заливки и фор­мы, свойств формы, вязкости и поверхно­стного натяжения расплава и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затверде­вающие при постоянной температуре (эв­тектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образую­щие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Это объясняется тем, что для сплавов, затвердевающих при постоянной температуре или в узком ин­тервале температур (не более 30 °С), ха­рактерно последовательное затвердевание отливки (рис. 3.1, а) с образованием сплошной твердой корки на поверхности канала, внутри которой будет сохраняться жидкий расплав, способный вытекать в канал, заполняя его. Подвижность таких расплавов сохраняется вплоть до образо­вания 60...80 % в отливке твердой фазы. В отливках образуется столбчатая струк­тура, что обеспечивает высокую плот­ность и герметичность.

Сплавы, обладавшие широким интер­валом затвердевания (более 100 °С), и сплавы, затвердевающие в виде твердых растворов, образуют в расплаве разветв­ленные дендриты по всему сечению пото­ка (рис. 3.1, б). Такая смесь жидкого рас­плава со взвешенными дендритами теряет способность течь в каналах литейной фор­мы при наличии твердой фазы 20...30 % от объема.

Рис. 3.1 – Схема механизма останова потока расплава в канале литейной формы: а – эвтектических сплавов и сплавов, затвердевающих в малом интервале температур; б – сплавов, затвердевающих в широком интервале температур

Повышение температуры заливки и температуры литейной формы увеличива­ет жидкотекучесть сплавов.

Вязкость и поверхностное натяжение практически не оказывают влияния на жидкотекучесть литейных сплавов.

Сплавы, склонные к повышенному окис­лению с образованием сплошной и проч­ной оксидной пенки, обладают понижен­ной жидкотекучестью, так как при заливке оксидные пленки оказывают сопротивле­ние течению расплава, увеличивая внут­реннее трение расплавленного металла.

Однако оксидные пленки, образующие легкоплавкие жидкие фазы, наоборот, по­ложительно влияют на жидкотекучесть. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, пес­чаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее луч­ше, чем металлическую форму.

Жидкотекучесть литейных сплавов оп­ределяют путем заливки специальных технологических проб (рис. 3.2). Расплав­ленный металл заливают в чашу, отвер­стие в которой закрыто графитовой проб­кой. После подъема пробки металл плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей – магниевые сплавы.

Рис. 3.2 – Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов: 1,2 – нижняя и верхняя полуформы; 3 – заливочная чаша; 4 – графитовая пробка

Усадка – свойство литейных спла­вов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в от­ливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражае­мую в относительных единицах.

Линейная усадка – уменьшение линей­ных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линей­ную усадку определяют соотношением, %:

; (3.1)

где – размеры полости формы и отливки при температуре 20 °С.

На линейную усадку влияют химиче­ский состав сплава, температура его за­ливки, скорость охлаждения отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна умень­шается с увеличением содержания углеро­да и кремния. Усадку алюминиевых спла­вов уменьшает повышенное содержание кремния, усадку отливок – снижение тем­пературы заливки. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходят механическое и термическое торможения усадки.

Механическое торможение возни­кает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обу­словлено различными скоростями охлаж­дения отдельных частей отливки. Слож­ные по конфигурации отливки подверга­ются совместному воздействию механиче­ского и термического торможений.

Линейная усадка для серого чугуна со­ставляет 0,9...1,3 %, для углеродистых сталей – 2...2,4 %, для алюминиевых сплавов – 0,9...1,5 %, для медных – 1,4...2,3%.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объем­ную усадку определяют соотношением, %:

; (3.2)

где – объем полости формы и объем отливки при температуре 20 °С.

Объемная усадка приблизительно рав­на утроенной линейной усадке:

; (3.3)

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