Литейные и физико-химические свойства сплавов

Литейными называют ряд свойств металлов и спла­вов, определяющих их технологичность в литейных процессах, т. е. пригодность для получения из них отливок необходимой конфигурации, с высокими эксплуатацион­ными свойствами, заданной размерной точностью и тре­буемым качеством поверхности. Литейные свойства про­являются как в расплавах, так и на всех стадиях их затвердевания и охлаждения. Важнейшими литейными свойствами сплавов являются жидкотекучесть, усадка, склонность к образованию неметаллических включений, к поглощению газов, ликвации, склонность к образова­нию внутренних напряжений, трещин и склонность к образованию трещин и отбелу.

Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки. При низкой жидкотекучести движение расплава в форме может прекратиться раньше, чем она будет заполнена.

На жидкотекучесть оказывают влияние многие факторы, связанные со свойствами, состоянием и строением расплава. Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектоидные сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твёрдые 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 снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет её лучше, чем металлическую форму. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.

Жидкотекучесть определяют по технологической пробе и оценивают по длине спирального или прямолинейного канала, заполненного расплавом в контрольной форме. Прутковую пробу чаще всего применяют для исследования жидкотекучести цветных сплавов, а спиральную – для исследования жидкотекучести чугуна.

В зависимости от температурных условий различают сравнение сплавов по значениям их практической и истинной жидкотекучести. Практическая жидкотекучесть определяется при одинаковой для сплавов данной системы температуре заливки. На слайде приведена диаграмма состояния сплавов с эвтектическим превращением. При определении практической жидкотекучести температура заливки для всех сплавов системы равна. Таким образом, сплавы разного состава с теплофизической точки зрения находятся в разных условиях. Так, например, при переходе от чистого металла А к сплаву эвтектического состава (сплав 2) перегрев над линией ликвидуса увеличивается, а при переходе о сплава 2 в чистому металлу В перегрев уменьшается. Таким образом, практическая жидкотекучесть не характеризует истинную способность сплава заполнять форму.

Для того, чтобы сравнить сплавы по их истинной жидкотекучести, необходимо выбирать температуру заливки при испытаниях таким образом, чтобы был обеспечен одинаковый перегрев над линией нулевой жидкотекучести. Нулевой жидкотекучестью называют температуру, при которой сплав или металл перестает течь в канале литейной формы. Однако, температура нулевой жидкотекучести зависти от многих факторов, поэтому определить ее точно для конкретных производственных условий практически не возможно.

В этой связи для сравнения истинной способности сплавов заполнять литейную форму чаще пользуются условно-истинной жидкотекучестью. Условно-истинная жидкотекучесть определяется для сплавов данной системы при постоянном перегреве над линией ликвидуса.

2. Усадка- свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Объёмная усадка- уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме от температуры заливки до температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла при формировании отливки. Объёмную усадку определяют соотношением, %

где V_ф, и V_отл - объем полости формы и отливки.

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. Линейную усадку определяют по формуле:

где 1_ф и 1_отл – размеры полости формы и отливки.

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

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение 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 торможения.

Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9... 1,3%, для высокопрочного чугуна 1,7%, для углеродистых сталей 2...2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9...1,5%, для медных 1,4...2,3%.

Усадку сплава определяют на специальных технологических пробах и оценивают по разности размеров (или объема) сплавов до затвердевания и после охлаждения.

Усадка в отливках проявляется в виде:

- усадочных раковин - сравнительно крупных полостей, расположенных в местах отливки, которые затвердевают последними;

- усадочной пористости - скопление пустот, образовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердели последними без доступа к ним расплавленного металла;

- трещин;

- короблений – изменение формы и размеров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении.

3. Ликвация- это химическая неоднородность, возникающая в сплаве в процессе кристаллизации. Ликвация возникает в результате того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает ликвация. Ликвацию определяют химическим способом или спектральным анализом.

Различают дендритную и зональную ликвацию. Дендритная ликвация – это химическая неоднородность, проявляющаяся в пределах одного дендрита – кристалла древовидной (ветвистой) формы. Причиной ее является так называемая избирательная кристаллизация, вследствие которой оси дендритов, растущие первыми, содержат меньше примесей, а затвердевающая позже между осями часть расплава обога­щается этими примесями, что и приводит к неоднородно­сти химического состава в различных частях каждого дендрита.

Зональная ликвация – химическая неоднородность в отдельных объемах отливки, т. е. различие химического состава в разных ее частях, возникающая в результате как избирательной кристаллизации, так и процессов перемещения ликвирующих элементов вместе с жидкой фазой из одной части отливки в другую при ее затверде­вании. Так, более тяжелые примеси могут концентриро­ваться в нижней, а более легкие – в верхней частях отливки (ликвация по плотности), легкоплавкие компо­ненты литейных сплавов, затвердевающие в последнюю очередь (при более низких температурах), оттесняются в среднюю часть стенки отливки, что приводит к обра­зованию разновидности зональной ликвации — осевой ликвации. Эта ликвация называется также прямой, в отличие от обратной, при которой в центральной части тела отливки содержатся более тугоплавкие компоненты, а легкоплавкие при кристаллизации вытесняются на ее поверхность.

Ликвация приводит к неоднородности механических и других эксплуатационных свойств литых деталей, вы­зывает их преждевременный износ и разрушение. Дендритную ликвацию в большинстве случаев удается устранить термической обработкой отливок, при которой за счет диффузионных процессов происходит выравнива­ние химического состава в пределах каждого кристалла (дендрита). Однако устранить образовавшуюся в отливке зональную ликвацию практически невозможно, поэтому стремятся предупреждать ее образование, создавая технологичные конструкции отливок, с равномерной толщиной стенок и без массивных узлов, вводя в сплавы добавки, уменьшающие ликвацию, применяя ускоренное охлаждение отливок.

4. Склонность к поглощению газов – 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 увеличивается незначительно, при этом, возрастает при плавлении и резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки и свойств литейной формы.

5. Отбел – склонность чугуна к выделению структурно свободных карбидов сверх необходимого для образования перлитной структуры. Величина отбела зависит в основном от скорости охлаждения отливки и химического состава чугуна. Чем выше скорость охлаждения, тем больше склонность чугуна к образованию отбела. Химическими элементами, уменьшающими отбел, являются углерод, кремний, алюминий, титан и др.; увеличивающими – ванадий, марганец, молибден, хром и др. Толщина проб для определения склонности чугуна к отбелу связана с преобладающей толщиной сечения стенок отливки.

Если к литым деталям не предъявляется высоких требований в отношении механических и других свойств, то обычно такие детали изготовляются из самого дешевого литейного сплава – чугуна, обладающего относительно невысокой температурой плавления, хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Но если детали должны иметь высокие механические свойства, то их необходимо изготовлять из стали, хотя она дороже чугуна и имеет высокую температуру плавления, худшую жидкотекучесть и большую усадку.

Иногда решающее значение имеет среда, в которой должны работать детали. Например, для работы в морской воде они изготовляются из более дорогих медных сплавов (бронзы и иногда латуни), так как чугун и обычная сталь в такой среде легко разрушаются из-за недостаточной химической стойкости.

При изготовлении отливок для самолетостроения, когда решающее значение имеет масса, применяют алюминиевые или магниевые сплавы, несмотря на их высокую стоимость.

Химические составы литейных сплавов указаны в ГОСТах и технических условиях. В существующих ГОСТах регламентируется качество более 200 литейных сплавов. Отливки из 400 литейных сплавов изготовляются по техническим условиям, принятым изготовителем и потребителем. Химический состав и механические свойства стальных отливок регламентируются ГОСТ 977-88, отливок c2оиз серого чугуна – ГОСТ 1412-85, высокопрочного модифицированного чугуна – ГОСТ 7293-85, из сплавов на основе алюминия – ГОСТ 1583-93, магниевых сплавов – ГОСТ 2856-79 и т.д.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите основные литейные свойства сплавов?.

2. Перечислите виды жидкотекучести?

3. По каким технологическим пробам определяют жидкотекучесть и

усадку сплавов?

4. Какие виды усадки сплавов вы знаете?

5. В чем разница между объемной и линейной усадкой сплавов7

6. Что такое ликвация?

7. Какие виды ликвации вы знаете?

8. Какие характеристики металлов регламентируются ГОСТами и ТУ?