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.

3.3 Усадочные раковины

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в мес­тах отливки, затвердевающих последними (рис. 3.3, а).

Рис. 3.3 – Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б). 1 – корка твердого металла; 2 – слой твердого металла; 3 – усадочная раковина; 4 – остатки жидкой фазы; 5 – разобщенные твердые ячейки;

6 – рассредоточенные усадочные раковины.

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. 3.3, 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. Множество 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.

Рис. 3.4 – Способы предупреждения усадочных раковин и пористости: 1,3 – прибыль; 2 – усадочная раковина и пористость; 4 – наружные холодильники; 5 – внутренний холодильник.

На рис. 3.4, 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. 3.4, б) предупреждает образование усадочной раковины и пористости.

Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильни­ков 4 (рис. 3.4, в) или внутренних холо­дильников 5 (рис. 3.4, г).

Наружные холодильники (рис. 3.4, в) устанавливают в форму с внешней сторо­ны массивных частей отливки. Вследствие 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. 3.4, 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. 3.5). 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 напуска 3 – утолщения стенок снизу вверх, а для узла 4 предусмотреть при­быль 5.

Рис. 3.5 – Определение теплового узла способом вписанных окружностей: 1,2,4 – тепловые узлы отливки; 3 – напуск (утолщение стенок снизу вверх);

5 – прибыль

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 чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Ликвация вызывает неоднород­ность механических свойств в различных частях отливки.

Различают дендритную (внутрикристаллитную) 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 не затвердевшего 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.

Поиск по сайту: