Литейные сплавы

     Содержание  

     1. Классификация литейных сплавов…………………………………..3

     2. Требования к литейным сплавам……………………………………6

     3. Литейные свойства сплавов………………………………………….8

     4. Основные литейные сплавы………………………………………...13

     Список  используемой литературы……………………………………15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Классификация литейных сплавов

     В зависимости от метода переработки  в заготовки металлические сплавы разделяют на литейные (используемые при изготовлении фасонных отливок) и деформируемые, получаемые вначале  в виде слитков, а затем перерабатываемые ковкой, прокаткой, волочением, штамповкой. Различия в методах переработки оказывают существенное влияние на требования к свойствам, а следовательно, и на требования к составам литейных и деформируемых сплавов.

       Литейные сплавы классифицируются в зависимости от их состава, свойств, назначения. Сплавы на основе железа называют черными. К ним относят все разновидности чугунов и сталей. Остальные литейные сплавы на основе алюминия, магния, цинка, олова, свинца, меди, титана, молибдена, никеля, кобальта, бериллия и других металлов, в том числе и благородных (серебра, золота, платины), называют цветными.

       Для обеспечения требуемых эксплуатационных  свойств литых деталей, например  прочности, твердости, износостойкости,  в сплавы в определенном количестве вводят специальные добавки, так называемые легирующие компоненты. По содержанию их сплавы делят на низколегированные (менее 2,5% легирующих компонентов по массе), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).

       Помимо специально вводимых в литейные сплавы компонентов в них обычно присутствуют постоянные примеси, наличие которых связано с особенностями металлургических процессов приготовления сплава и составом исходных металлургических материалов (руд, топлива, флюсов). Часто эти примеси (например, сера и фосфор в сталях) являются вредными и содержание их ограничивают.

     Литейные  сплавы либо приготовляют из исходных компонентов (шихтовых материалов) непосредственно  в литейном цехе, либо сплавы поступают  с металлургических комбинатов в  готовом виде и их только переплавляют перед заливкой в литейные формы. Как в первом, так и во втором случае отдельные элементы в процессе плавки, входящие в состав литейного сплава, могут окисляться (угарать), улетучиваться при повышенных температурах (возгоняться), вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами или с футеровкой печи и переходить в шлак. Для восстановления требуемого состава сплава потери отдельных элементов в нем компенсируют, вводя в расплав специальные добавки (лигатуры, ферросплавы), приготовляемые на металлургических предприятиях. Лигатуры представляют собой вспомогательные сплавы, используемые как для введения в расплав основного литейного сплава легирующих элементов, так и для компенсации их угара. Лигатуры содержат помимо легирующего элемента также и основной металл сплава, поэтому они легче и полнее усваиваются расплавом, чем чистый легирующий элемент. Применение лигатур становится особенно необходимым, если температуры плавления основного литейного сплава и легирующего элемента имеют значительную разницу. Наиболее широко применяют лигатуры из цветных металлов, например: медь — никель (15— 33% Ni), медь — алюминий (50% Al), медь — олово (50% Sn), алюминий—магний (до 10% Mg). При литье черных сплавов широко используют ферросплавы: ферросилиций (сплав железа с 13% и более кремния), ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, ферромолибден и др. для введения легирующих элементов, а также для раскисления расплава. Используют также ферросплавы, состоящие из трех компонентов и более. К ферросплавам условно относят и некоторые сплавы, железо в которых содержится только в виде примеси, например силикоалюминий и силикокальций.

       Раскисление, для которого часто  используют ферросплавы, представляет  собой процесс удаления из  сплава кислорода, содержащегося в виде растворенных в металле оксидов (например, закиси железа FeO в стали). В процессе раскисления элементы, содержащиеся в ферросплавах, выполняют роль восстановителей:

       они соединяются с кислородом  оксида, растворенного в расплаве, восстанавливают металл, а сами, окислившись, переходят в шлак. Так, раскисление стали кремнием, содержащимся в ферросилиции, происходит по реакции 2FeO+Si→2Fe+SiO2.

       Очищение (рафинирование) расплава  раскислением способствует значительному  улучшению качества металла отливки, повышению его прочности и пластичности.

       Ряд сплавов, так же как и  металлов либо неметаллических  материалов (солей и др.), используют  в качестве модификаторов, которые  при введении в литейный сплав  в небольших количествах существенно  влияют на его структуру и свойства, например измельчают зерно и способствуют повышению прочности металла. Так, для получения высокопрочного чугуна широко используют модифицирование магнием.

       В настоящее время 95% всех производимых отливок (по массе) составляют чугунные и стальные. Следует однако учитывать, что из черных сплавов изготовляют большое количество крупных отливок, масса которых доходит до нескольких десятков и даже сотен тонн, а из сплавов цветных металлов отливают в основном мелкие и средние детали массой от нескольких граммов до нескольких десятков и редко — до нескольких сотен килограммов. Поэтому, несмотря на то что в общем выпуске масса отливок из цветных сплавов составляет около 5%. номенклатура их, так же как и методы литья, весьма разнообразна, а количество значительно. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Требования к литейным сплавам 

     Требования  к каждому литейному сплаву специфичны, однако существует и ряд общих  требований:

     - состав сплава должен обеспечивать получение заданных свойств отливки (физических, химических, физико-химических, механических и др.);

     - сплав должен обладать хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, несклонностью к насыщению газами и к образованию неметаллических включений, малой и стабильной усадкой при затвердевании и охлаждении, несклонностью к ликвации и образованию внутренних напряжений и трещин в отливках;

     - состав, свойства и структура сплава как в исходном состоянии, так и в готовой литой детали должны быть постоянными и не изменяться в процессе ее эксплуатации;

     - сплав должен быть по возможности простым по составу, легко приготовляться, не содержать токсичных компонентов, не выделять при плавке и заливке сильно загрязняющих окружающую среду продуктов;

     - потери сплава при его приготовлении и в процессе литья должны быть минимальными;

     - сплав должен быть технологичным не только в изготовлении отливок, но и на всех последующих операциях получения готовых деталей (при обработке резанием, сварке, пайке, термической, гальванической и других видах окончательной обработки);

     - сплав должен быть экономичным: содержать по возможности меньшее количество дорогостоящих компонентов (быть экономно легированным), иметь минимальные потери при переработке его отходов (литников, брака, сплесков).

       Выполнить все перечисленные  требования в большинстве случаев практически невозможно, поэтому для решения определенных технических задач используют сплавы, свойства которых отвечают какому-нибудь одному (основному) требованию, а остальные требования приобретают подчиненное ему значение. Так, для изготовления рабочих лопаток газотурбинного авиационного двигателя применяют сплавы на никелевой основе, обладающие хорошей прочностью при высоких температурах (800—1200°С), т. е. жаропрочные. Однако эти сплавы не отвечают многим другим требованиям: они плохо обрабатываются резанием, образуют оксидные плены, что вызывает необходимость ведения плавки и заливки форм в вакууме, имеют сложный состав (содержат до 10 легирующих компонентов), весьма дороги.

       Необходимо отметить, что при  выборе существующих или при  создании новых литейных сплавов наряду с эксплуатационными свойствами большое значение приобретают литейные, обеспечивающие возможность получения качественных отливок при минимальных затратах труда, материальных средств, энергии, металла и вспомогательных материалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Литейные 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 и трещин.

     Жидкотекучесть

     Жидкотекучесть  — способность металлов и сплавов  в расплавленном состоянии заполнять  литейную форму, четко воспроизводя контуры ее и поверхность. При низкой жидкотекучести движение расплава в форме может прекратиться раньше, чем она будет заполнена. Это наиболее вероятно при изготовлении крупных тонкостенных отливок, особенно если сплав в форме быстро охлаждается (например, при литье в металлические или сырые песчаные формы). Жидкотекучесть сказывается на заполняемости формы расплавом, четкости воспроизведения рельефа полости формы. На жидкотекучесть оказывают влияние многие факторы, связанные со свойствами, состоянием и строением расплава (его природа, температура при заливке, фазовый состав, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость и теплопроводность, наличие включений, газонасыщенность, степень окисленности, интервал кристаллизации), а также с состоянием и свойствами формы (например, ее температура, теплофизические свойства, состояние поверхности, газотворность и газопроницаемость) и условиями заливки (конструкция и размеры литниковой системы, напор расплава, скорость заливки, характер движения потока и т. д.).

       Для определения жидкотекучести  предложены различные пробы, отливаемые  в формах специальной конструкции.  Наиболее распространены различные  разновидности спиральных проб. Формы для отливки таких проб  имеют протяженный спиральный  канал, расположенный в горизонтальной плоскости. Поперечное сечение канала постоянно по всей длине и имеет обычно форму трапеции высотой 8 мм, шириной вверху 8 мм и внизу 7 мм. Одна из конструкций спиральной пробы представлена на рис. 5.1. Жидкотекучесть оценивается в миллиметрах по длине отлитой спирали. Для удобства замеров в верхней части канала сделаны выступы, расстояния между которыми 50 мм.

     Рис. 1. Проба на жидкотекучесть 

     Усадка

     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. Различают объемную и линейную усадки, выражаемые обычно в процентах.

       Результатом объемной усадки  являются усадочные раковины  и поры в отливке, для предупреждения  образования которых используют  различные технологические приемы: применяют прибыли и холодильники (см. гл. 1), направленное затвердевание,  суспензионное литье, кристаллизацию под поршневым давлением и др. При суспензионном литье в поток расплава, заполняющего литейную форму, вводят металлический порошок. Замешанные в расплав твердые металлические частицы выравнивают температуру в наружных и внутренних слоях отливки, уменьшают усадку, являются многочисленными центрами зарождения кристаллов при затвердевании расплава, что приводит к получению отливок с равномерной по сечению мелкокристаллической структурой. Однако суспензионный метод из-за значительного снижения жидкотекучести расплава малопригоден для изготовления тонкостенных, сложных отливок при заливке форм под действием гравитационных сил (без дополнительного давления).

       Линейная усадка является одним  из важнейших литейных свойств  сплавов, учитываемых при проектировании технологического процесса литья, так как величиной ее во многом определяется размерная точность получаемых отливок. Следует учитывать, что в реальных отливках линейная усадка может протекать свободно и затрудненно. Если свободная линейная усадка для сплава определенного состава и конкретных условий заливки его является величиной достаточно постоянной, то затрудненная усадка может изменяться в весьма широких пределах в зависимости как от факторов, определяющих величину свободной усадки, так и от многих других, прежде всего от конструкции той части отливки, где находится контролируемый размер, и податливости литейной формы. Так, обмерами сложной по конфигурации стальной отливки, изготовленной из углеродистой конструкционной стали, было установлено, что в местах, где линейная усадка была сильно затруднена, величина ее на ряде размеров была близка к нулю, но в других частях, где она протекала свободно, достигала 2,5%.

       При высоких требованиях к  размерной точности отливок, особенно  в условиях крупносерийного и массового производства, вначале по наиболее дешевой деревянной модельной оснастке изготовляют опытные партии отливок, обмерами их определяют линейную усадку для каждого из контролируемых размеров, после чего производят доводку модельной оснастки либо изготовляют новую, более точную (например, металлическую) для выпуска промышленных партий деталей. Это позволяет за счет повышения размерной точности отливок уменьшить припуски на их механическую обработку, сократить расход металла и трудоемкость изготовления деталей. При изготовлении штучных отливок или при выпуске их небольшими партиями оснастку изготовляют с учетом средних значений линейной усадки сплава, а неточности контролируемых размеров отливки компенсируют припуском на ее механическую обработку.

     Газопоглощение

     Газопоглощение  – 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; возрастает при плавлении; 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, вязкости сплава и свойств литейной формы.

     Ликвация

     Ликвация  — неоднородность химического состава  литейного сплава в различных  частях отливки, возникающая при  ее затвердевании, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его жидкой и твердой фазах. 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. Основные литейные сплавы

     1. Чугун (см. все записи с тегом  чугуны) является наиболее распространенным  материалом для получения фасонных  отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.

     Широкое распространение чугун получил  благодаря хорошим технологическим  свойствам и относительной дешевизне. Из серого чугуна получают самые дешевые  отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз – чем из цветных металлов). Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.

     2. Сталь (см. все записи с тегом  стали и сплавы) как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50% от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 тонн, иногда несколько сотен тонн) – до 60%. Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

     Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие  стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.

     Среди литейных материалов из сплавов цветных  металлов широкое применение нашли  медные и алюминиевые сплавы:

     1. Медные сплавы – бронзы и  латуни.

     Латуни  – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной  аппаратуры для морских судостроения, работающей при температуре 300о С, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.

     Из  оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают  арматуру, шестерни, подшипники, втулки.

     Безоловянные  бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической и пищевой промышленности.

     2. Алюминиевые сплавы. Отливки из  алюминиевых сплавов составляют  около 70% цветного литья. Они  обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

     Наиболее  высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной  и авиационной промышленности, электротехнической промышленности (см. Электротехника).

     Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.

     3. Магниевые сплавы обладают высокими  механическими свойствами, но их  литейные свойства невысоки. Сплавы системы магний–алюминий–цинк–марганец применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении. 
 
 
 
 
 

     Список  используемой литературы

1. Литейное  производство / А.М. Михайлов [и др.]. – М.: Машиностроение, 1987. – 256 с.
2. Материаловедение и технология конструкционных материалов / В.Б.Арзамасов [и др.]; под ред. В.Б.Арзамасова, А.А. Черепахина. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 404 с.
3. Материаловедение и технология металлов. / Г.П.Фетисов   [и др.]; под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2002. – 638  с.
4. Рыбкин В.А. Контроль  материалов  и  работ в литейном производстве / В.А. Рыбкин. – М.: Машиностроение, 1980. – 128 с.
5. Технология конструкционных материалов /А.М.Дальский  [и др.];  под ред. А.М. Дальского,  – М.: Машиностроение, 1992. – 448 с.
6. Технология конструкционных материалов / А.Г. Схиртладзе [и др.]; –  Старый оскол: ООО «ТНТ»,2006. – 360 с.
7. Технология металлов и конструкционные материалы / Б.А. Кузьмин [и др.]/ – М.: Машиностроение,1989. – 493 с.
8. Технология металлов и материаловедение /Б.В. Кнорозов [и др.];    – М.:Металлургия, 1987. – 800 с.
9. Титов, Н.Д. Технология  литейного  производства / Н.Д. Титов, Ю.А. Степанов. – М.: Машиностроение, 1985. – 400 с.