Глава II Физические основы производства отливок

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 5000 кг/м³ (медные, никеле­вые, цинковые и др.) и на легкие - плот­ностью менее 5000 кг/м³ (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.

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, 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. 4.3, 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. 4.3, б). Такая смесь жидкого рас­плава со взвешенными дендритами теряет способность течь в каналах литейной фор­мы при наличии твердой фазы 20 ... 30 % от объема.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК

153

Рис. 4.3. 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. 4.4). Расплав­ленный металл заливают в чашу, отвер­стие в которой закрыто графитовой проб­кой. После подъема пробки металл плавно заполняет спираль. За меру жидкотекуче-сти принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.

Усадка - свойство литейных спла­вов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в от­ливках протекают с момента заливки рас-

Верк

Рис. 4.4. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов: 1,2- нижняя и верхняя полуформы; 3 - заливочная чаша; 4 - графитовая пробка

154

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

плавленного 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, %,

Ели„=(/ф-иЮ0//_от,

где /ф и /_от - размеры полости формы и

отливки при температуре 20 °С.

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 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, %,

Eo6=0Vot)100/F_ot,

где Кф и V_m - объем полости формы и

объем отливки при температуре 20 °С.

Объемная усадка приблизительно рав­на утроенной линейной усадке:

^Еоб ⁼ -'^лии •

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

Усадочные раковины - сравнительно крупные полости, расположенные в мес­тах отливки, затвердевающих последними (рис. 4.5, а). Сначала около стенок литей­ной формы образуется корка 1 твердого металла. Вследствие того, что усадка рас­плава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уро­вень металла в незатвердевающей части отливки понижается до уровня а - а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уро­вень жидкости далее понижается до уров­ня б - б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс затвердева­ния. Снижение уровня расплава при за­твердевании приводит к образованию со­средоточенной усадочной раковины 3. Со­средоточенные усадочные раковины обра­зуются при изготовлении отливок из чис­тых металлов, сплавов эвтектического со­става (сплав АК12) и сплавов с узким ин­тервалом кристаллизации (низкоуглероди­стые стали, безоловянные бронзы и др.).

Усадочная пористость - скопление пустот, образовавшихся в отливке в об­ширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплав­ленного металла (рис. 4.5, б). Вблизи тем­пературы солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобще­нию ячеек 5, заключающих в себе остатки жидкой фазы 4. Затвердевание небольшо­го объема металла в такой ячейке проис­ходит без доступа к ней питающего рас­плава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается не­большая усадочная раковина 6. Множест-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК

155

Рис. 4.5. Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б)

в) г)

Рис. 4.6. Способы предупреждения усадочных раковин и пористости

во таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам зерен металла. Получить отливки без усадочных рако­вин и пористости возможно за счет непре­рывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полно­го затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают прибыли-резервуары с рас­плавленным металлом, которые обеспечи­вают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим по­следними. На рис. 4.6, а прибыль 1 не мо­жет обеспечить доступ расплавленного

металла к утолщенному участку отливки. В этом месте образуются усадочная рако­вина 2 и пористость. Установка на утол­щенный участок прибыли 3 (рис. 4.6, б) предупреждает образование усадочной раковины и пористости.

Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильни­ков 4 (рис. 4.6, в) или внутренних холо­дильников 5 (рис. 4.6, г).

Наружные холодильники (рис. 4.6, в) устанавливают в форму с внешней сторо­ны массивных частей отливки. Вследствие

156

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

высокой теплопроводности и большой теп­лоемкости холодильника отвод теплоты от массивной части отливок происходит ин­тенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных раковин и пористости.

Внутренние холодильники (рис. 4.6, г) устанавливают внутрь полости формы, образующей массивные части отливки. Эти холодильники изготовляют из того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частич­но расплавляются и свариваются с основ­ным металлом.

Для получения плотных отливок необ­ходимо обеспечить надежное их питание и направленное затвердевание отливки, ко­торое должно проходить последовательно по всему объему отливки без образования в ней замкнутых объемов с расплавом. Направленность затвердевания определя­ют способом вписанных окружностей. Этот способ состоит в том, что в рассмат­риваемое сечение отливки вписывают ок­ружности в различных точках (рис. 4.7). Узлы 1 с окружностями наименьшего диаметра будут затвердевать первыми, затем узел 2 и в последнюю очередь узел 4. В ходе затвердевания в узлах 2 и 4 не­избежно появление усадочных дефектов (усадочных раковин и пористости) из-за затвердевания изолированных объемов расплава. Для предупреждения появления усадочной раковины в узле 2 необходимо увеличить толщину стенки отливки за счет

Г"Ь)( "+" 4—^ Рис. 4.7. Определение

| V~_-c^ теплового узла

ILrT>J способом вписанных

/ ^Ку\ окружностей

напуска 3 - утолщения стенок снизу вверх, а для узла 4 предусмотреть при­быль 5. Прибыли на отливках имеют тех­нологическое значение, и их в конце про­цесса изготовления отливки удаляют.

Ликвация - неоднородность хими­ческого состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвер­девания отливки из-за различной раство­римости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распреде­ляется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. В сталях и чу-гунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Ликвация вызывает неоднород­ность механических свойств в различных частях отливки.

Различают дендритную (внутрикри-сталлитную) и зональную ликвации.

Дендритная ликвидация -это неоднородность химического состава в мик­рообъемах сплава в пределах одного зерна (дендрита). Во-первых, оси дендрита, затвер­девшие раньше, обогащены тугоплавким и обеднены легкоплавким компонентами спла­ва по сравнению с межосными пространст­вами. Во-вторых, растущие первыми оси дендритов содержат меньше примесей, чем межосные пространства, в которые эти при­меси оттесняются при образовании дендри­тов. Это приводит к неравномерному распре­делению примесей по сечению кристалла.

Зональная ликвация - это не­однородность химического состава в микро­объемах с градиентом концентраций в от­ливке в целом или в отдельных ее частях. Она возникает в процессе диффузии приме­сей из двухфазной зоны кристаллизующейся отливки в объем незатвердевшего расплава всплывания загрязненных примесями объе­мов вследствие их меньшей плотности по сравнению с основным сплавом и т.д.

Дендритную ликвацию устраняют от­жигом отливок.

Зональная ликвация устраняется вы­равниванием толщин стенок отливок, применением рассредоточенного подвода металла к отливке, изготовлением отливок литьем в кокиль и другими способами..

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК

157

3. ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ С РАСПЛАВОМ

Газовые раковины и пористость в отливках. В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно по­глощать значительное количество водоро­да, кислорода, азота и других газов из ок­сидов и влаги исходных шихтовых мате­риалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающей среды, при заливке метал­ла в форму и т.д.

В жидких металлах и сплавах раство­римость газов с увеличением температуры повышается. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплыть на поверхность или остаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок. При заливке металла движущий­ся расплав может захватывать воздух в литниковой системе, засасывать его через газопроницаемые стенки каналов литни­ковой системы. Кроме того, газы могут проникать в металл из формы при испаре­нии влаги, находящейся в формовочной смеси, при химических реакциях на по­верхности металл - форма и т.д.

Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просу­шенных шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный ме­талл необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами и другими способами, а также уве­личивать газопроницаемость форм и стержней, снижать влажность формовоч­ной смеси, подсушивать формы и т.д.

Пригар на поверхности отливок. В процессе заливки, затвердевания и ох­лаждения металл отдает теплоту литейной форме конвекцией, излучением и посред­ством теплопроводности. Чем дольше протекает металл по определенным участ­кам формы и находится в них в жидком

состоянии, тем сильнее прогревается по­верхность формы и тем медленнее осты­вает расплав. В результате прогрева фор­мы на поверхности контакта ее с металлом интенсивно развиваются тепловые, физи­ко-химические и механические процессы, протекающие в период заливки, затверде­вания и охлаждения металла. Вследствие этих процессов на поверхности отливки образуется пригар, который представляет собой трудноотделимый от поверхности отливки слой из металла, его оксидов и частичек формовочной смеси. Пригар ухудшает поверхность отливки, увеличи­вает трудоемкость ее очистки, снижает стойкость инструмента при обработке ре­занием. Различают химический и механи­ческий пригары.

Химический пригар образуется на от­ливках в период соприкосновения формы с полузатвердевшим металлом, еще имеющим высокую температуру. Появле­нию химического пригара способствует наличие в формовочной смеси оксидов щелочных и щелочно-земельных метал­лов, образующих с оксидом железа сили­каты с низкой температурой плавления. Эти силикаты могут проникать между песчинками, образуя пригарную корку.

Для уменьшения химического пригара применяют формовочные смеси с мини­мальным содержанием оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов; в зависи­мости от сплава вокруг отливки создают либо восстановительную, либо окисли­тельную атмосферу; рабочую поверхность формы покрывают противопригарными покрытиями.

Механический пригар образуется вследствие механического проникания жидкого металла между песчинками на поверхности формы и стержней под дей­ствием напора жидкого металла и капил­лярных сил в процессе его заливки и за­твердевания. Этот вид пригара трудно удаляется с поверхности отливки из-за образования прочной корки, состоящей из формовочной смеси, пропитанной металлом.

158

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Для устранения механического пригара снижают температуру заливки металла; окрашивают формы защитными покрытия­ми; используют облицовочные смеси и т.д.

Кристаллизация сплавов в форме. Залитый в литейную форму металл при охлаждении начинает кристаллизоваться, т.е. образуются кристаллы при переходе из жидкого состояния в твердое. Для обра­зования кристаллов из расплава необхо­димы зародыши, или центры, кристалли­зации, которые могут образовываться са­мопроизвольно; в качестве центров кри­сталлизации могут служить примеси, об­разующиеся в расплаве из продуктов ре­акций плавки металла в печи. Условия протекания кристаллизации определяют структуру и свойства сплава и отливки. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче будут кристаллы, и наоборот. Структура отливок зависит от условий плавки; примесей, содержащихся в сплаве; способа подвода расплава в форму и ох­лаждения отливки в форме; интервала кристаллизации и других факторов. Зная влияние различных факторов на процесс кристаллизации сплавов, можно направ­ленно изменять кристаллическое строение отливок, улучшая их свойства.

Напряжения в отливках. В отливках в результате неравномерного затвердева­ния тонких и толстых частей и торможе­ния усадки формой при охлаждении воз­никают напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в те­ле ее образуются горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточные прочность и пластичность и способен противостоять действию возни­кающих напряжений, искажается геомет­рическая форма отливки.

Горячие трещины в отливках возни­кают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состоя­ния в твердое при температуре, близкой к температуре солидуса. Горячие трещины

проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметалличе­ских включений, газов (водорода, кисло­рода), серы и других примесей. Кроме того, образование горячих трещин вызы­вает резкие переходы от тонкой части от­ливки к толстой, острые углы, выступаю­щие части и т.д. Высокая температура за­ливки способствует увеличению зерна металлической структуры и увеличению перепада температур в отдельных частях отливки, что повышает вероятность обра­зования трещин.

Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создавать условия, способствующие фор­мированию мелкозернистой структуры; обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок; увели­чивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру залив­ки сплава.

Холодные трещины возникают в об­ласти упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части от­ливки охлаждаются и сокращаются быст­рее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызы­вают появление трещин. Холодные тре­щины чаще всего образуются в тонко­стенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность. Опасность образования холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (на­пример, фосфора в сталях). Для преду­преждения образования в отливках холод­ных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодиль­ников; применять сплавы для отливок с высокой пластичностью; проводить отжиг отливок и т.п.

Коробление - изменение формы и раз­меров отливки под влиянием напряжений,

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В ПЕСЧАНЫХ ФОРМАХ

159

возникающих при охлаждении. Коробление увеличивается при усложнении конфигура­ции отливки и повышении скорости охлаж­дения, что вызывает неравномерное охлаж­дение между отдельными частями отливки и различную усадку. Коробление отливки может быть также вызвано сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения короблений в отлив­ках необходимо увеличивать податливость формы; создавать рациональную конструк­цию отливки и т.д.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В чем заключается сущность классифи­кации литейных сплавов?