Материаловед

2.2. Литейные сплавы

1. Чугун 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. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.

Серый чугун – наиболее распространенный литейный сплав, из него получают самые разнообразные литые детали. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз дешевле, чем из цветных металлов).

Серый чугун имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания углерода, кремния и фосфора и понижается с увеличением серы. Особо высокую жидкотекучесть имеет чугун для тонкого художественного литья (1,0…1,2 % серы).

Модифицирование обеспечивает получение наиболее благоприятной структуры с мелкими включениями графита завихренной формы и применяется для получения чугунов с перлитной основой.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность и пластичность, чем серый чугун. Такой чугун получают модифицированием магнием или церием. Свойства чугуна в основном определяются его металлической основой и могут быть значительно улучшены термической обработкой. Из высокопрочных чугунов изготавливают коленчатые валы, детали турбин и другие ответственные детали.

Ковкий чугун с хлопьевидным графитом получают отжигом отливок из белого чугуна. Механические свойства чугуна зависят от металлической основы. Перлитные чугуны имеют более высокую прочность при пониженной пластичности. Ферритные чугуны, имея меньшую прочность, обладают более высокой пластичностью. Ковкий чугун применяют для получения отливок с с толщиной стенки до 40 мм.

Легированные чугуны хромистые, никелевые и др. применяют для отливок ответственного назначения. Легирование чугунов улучшает механические свойства, коррозионную стойкость, износостойкость, жаропрочность и другие свойства. В качестве легирующих элементов применяют никель, хром, молибден, алюминий, медь, титан. Низколегированные чугуны с содержанием легирующих элементов до 3 % применяют в машиностроение. Широкое применение находят отливки из высоколегированных чугунов с особыми физическими свойствами, например кислотостойких (26…36 % Cr), немагнитных (до 12 % Mn, до 2 % Cu). Эти чугуны дешевле соответствующих сталей и обладают хорошими литейными свойствами.

Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик.

2. Сталь 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 т, 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.

Углеродистые стали. Жидкотекучесть углеродистой стали в среднем в два раза меньше жидкотекучести серых чугунов. Это объясняется высокими вязкостью и поверхностным натяжением при температурах разливки, а также значительно меньшим перегревом. Усадка сталей составляет до 2,5 %.

Литые углеродистые стали по литейным свойствам уступают чугуну, но из них можно получать сложные отливки, разнообразные по конструкции, размерам, массе, толщине стенок. Наибольшее распространение получили отливки из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,45 %.

Отливки из низкоуглеродистых сталей применяют в электротехнике.

Легированные стали. Легирование стали является одним из средств увеличения надежности, долговечности и снижения массы литых деталей, а также придания им специальных свойств. Выбор легирующих элементов обусловливается назначением отливки, ее конструктивными и технологическими особенностями.

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на карбидообразующие и графитизирующие.

Легирующие элементы вызывают образование новых структурных составляющих и изменение свойств существующих фаз.

Наибольшее распространение получили стали, легированные кремнием, марганцем, хромом, никелем, ванадием, молибденом, медью в различных комбинациях и соотношениях.

3. Медные сплавы – бронзы и латуни. Их применяют для отливок, которые должны иметь хорошую износостойкость и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость в атмосфере, технической и морской воде. Медные сплавы немагнитны, хорошо полируются и обрабатываются резанием. Все медные сплавы склонны к образованию трещин.

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

Простые латуни находят ограниченное применение. При затвердевании в них образуются концентрированные усадочные раковины, что вызывает необходимость устройства больших прибылей.

Обычно литейные латуни являются более сложными сплавами. Входящие в состав этих латуней алюминий, железо, марганец и другие элементы улучшают литейные свойства. Большинство латуней имеют линейную усадку 1,6…1,7 %, малую склонность к образованию газовой пористости, так как хорошо дегазируются при выплавке в результате образования паров цинка. Поэтому из латуней легче получить плотные, герметичные отливки.

Бронзы – сплавы меди с другими элементами, кроме цинка.

Оловянные бронзы содержат 2…14 % олова и другие компоненты.

Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки, работающие в условиях истирания, повышенного давления воды и пара.

Линейная усадка оловянной бронзы менее 1 %, отливки могут быть получены без прибылей.

Высокооловянистые бронзы имеют хорошие литейные свойства, но из-за дефицитности и высокой стоимости олова применяются только для отливок ответственного назначения.

Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже.

Среди сплавов этой группы наиболее широко применяют алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде и во многих агрессивных средах, хорошо сопротивляются удару. Свойства алюминиевых бронз улучшаются при легировании железом, марганцем, никелем и другими элементами.

В процессе выплавки алюминиевые бронзы склонны к окислению, сопровождающемуся загрязнением расплава дисперсными оксидами алюминия. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической промышленности.

Свинцовые бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами при больших удельных нагрузках и высоких скоростях скольжения. Их используют как заменители оловянной бронзы при изготовлении вкладышей подшипников. Особенностью свинцовых бронз является предрасположенность к ликвации свинца. Дисперсное распределение свинца может быть получено только при больших скоростях кристаллизации.

4. Алюминиевые сплавы.

Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях. Их высокая жидкотекучесть обеспечивает получение тонкостенных и сложных по форме отливок. Линейная усадка составляет 1,0…1,25 %. Сплавы имеют невысокую температуру плавления (550…650 0 С).

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.

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

Сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ19) имеют пониженные литейные свойства, малую коррозионную стойкость, склонны к образованию трещин и рассеянной усадочной пористости. Они хорошо обрабатываются резанием, имеют высокие механические свойства, тепловую прочность.

Сплавы алюминия с медью и кремнием (АЛ3, АЛ6, АКМ4) широко используют в промышленности для изготовления деталей достаточной прочности и твердости, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих хорошее качество обработанной поверхности.

Сплавы алюминия с магнием (АЛ8, АЛ13) обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Их применяют для сильно нагруженных деталей, но они плохо работают при повышенных температурах.

Сложнолегированные сплавы применяют для изготовления отливок, работающих при повышенных температурах и давлениях (АЛ1), с повышенной стабильностью размеров, а также для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатывающихся резанием (АЛ11, АЛ21).

5. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейные свойства невысоки. Применяют в приборостроении, в авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.

Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец предназначены для производства высоконагруженных отливок, работающих в атмосфере с большой влажностью. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы МЛ5, МЛ6.

Сплавы магния с цинком и цирконием являются высокопрочными, характеризуются повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Сплавы обладают удовлетворительными литейными свойствами, имеют измельченное зерно, способны упрочняться при термической обработке. Из них получают отливки с однородными свойствами в различных по толщине сечениях. Изготавливают отливки, работающие при температурах 200…250 0 С и высоких нагрузках.

Сплавы магния, легированные редкоземельными металлами, обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую склонность к образованию усадочных трещин, высокие и однородные механические свойства в сечениях различной толщины. Их применяют для изготовления отливок, работающих под действием статических и усталостных нагрузок при длительной работе при 250…350 0 С и кратковременной при 400 0 С.

Источник

Литейные сплавы

3.1. Литейные свойства сплавов

Простота изготовления фасонной отливки зависит от литейных свойств сплавов. Например, получить отливку сложной конфигурации и заданных свойств из серого чугуна значительно проще, чем из легированной стали и из некоторых сплавов цветных металлов.

Литейные свойства сплавов — это такие технологические свойства, которые непосредственно влияют наоплучение качественных отливок с хорошими эксплуатационными показателями. Основными литейными свойствами, которые влияют на выбор сплава в качестве литейного материала, являются: жидкотекучесть, усадка, ликвация, склонность к газопоглощению и трещинообразованию.

Жидкотекучесть — способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя и точно воспроизводя все ее контуры.

Жидкотекучесть сплавов зависит от следующих параметров:

1. Температурного интервала кристаллизации

где Т_л и Т_с — температуры ликвидуса и солидуса соответственно.

Чем меньше ΔТ, тем больше жидкотекучесть. Лучшей жидкотекучестью обладают чистые металлы и эвтектические сплавы, у которых ΔТ = 0. Худшая жидкотекучесть у сплавов, образующих твердые растворы, поскольку в процессе их заливки и охлаждения в литейной форме возникает дополнительное трение образующихся твердых кристаллов о ее стенки.

2. Вязкости и поверхностного натяжения расплава (чем они меньше, тем больше жидкотекучесть).

3. Температуры заливаемого металла и температуры формы

(чем они выше, тем выше жидкотекучесть).

4. Свойств литейной формы (чем больше ее теплопроводность, теплоемкость и влажность, тем меньше жидкотекучесть).

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют с помощью различных методов и технологических проб. Технологические пробы на жидкотекучесть поводят в специальных литейных формах с полостью в виде каналов, характер заполнения которых жидким металлом определяет его жидкотекучесть. Из разнообразных конструкций технологических проб наибольшее распространение получила спираль Керри — проба спиральной формы (рис. 1.24).

Жидкотекучесть определяют по длине пути, пройденному жидким металлом до его затвердевания, т. е. по длине прутка. Небольшие выступы, нанесенные через 50 мм, облегчают измерение длины спирали (прутка). Спиральный канал позволяет получить длинные прутки в сравнительно небольших формах.

Рис. 1.24. Технологическая спиральная проба (спираль Керри): 1 — чаша; 2 — стояк;

3 — металлоприемник; 4 — спиральный канал; 5 — выступы

Усадка — свойство металлов и сплавов уменьшать свой объем при затвердевании и охлаждении. Она приводит к уменьшению размеров отливки. Различают объемную и линейную усадки.

На усадку влияют следующие факторы:

1. Химический состав сплава (усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода С и кремния Si и увеличивается с повышением содержания фосфора Р и серы S; усадка алюминиевых сплавов уменьшается с повышением содержания кремния Si).

2. Температура заливаемого металла Т_мет (чем меньше Т_мет, тем меньше усадка).

3. Скорость охлаждения металла в форме или теплопроводность формы (чем больше скорость охлаждения, тем больше усадка).

4. Конструкция отливки и литейной формы (с увеличением толщины стенок чугунной отливки усадка уменьшается).

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

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин и усадочной пористости.

Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, расположенные в частях отливки, затвердевающих в последнюю очередь. Усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава и сплавов с узким интервалом кристаллизации (низкоуглеродистые стали, безоловянистые бронзы и др.). Как правило, усадочные раковины из отливок стремятся сместить в литниковую систему (выпор или прибыль), где металл затвердевает в последнюю очередь.

Усадочная пористость — скопление мелких пустот, образовавшихся в обширной зоне отливки в результате усадки в тех местах, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла. Усадочная пористость располагается по границам зерен металла.

Для получения отливок без усадочных раковин и пористости необходимо обеспечить, во-первых, непрерывный подвод расплавленного металла в форму в процессе его кристаллизации и, вовторых, движение фронта кристаллизации таким образом, чтобы последними кристаллизовались части отливки, граничащие с поверхностью формы или расположенные в литниковой системе. Первое достигается размещением в литейной форме прибылей, второе — наружных и внутренних холодильников.

Ликвация — неоднородность химического состава отливки в различных ее точках, возникающая при кристаллизации. На процесс развития ликвации (кроме химического состава сплава) влияют технологические факторы (конфигурация отливки, скорость охлаждения и др.). Различают три вида ликвации: зональную, дендритную и ликвацию по плотности.

Зональная ликвация наблюдается во всем объеме отливки из-за различия температур кристаллизации отдельных компонентов сплава. По мере кристаллизации металл слитка будет все более обогащаться легкоплавкими примесями, поэтому его химический состав по объему будет различным. Так, наружные участки и тонкие стенки стальных отливок, кристаллизующиеся в первую очередь, содержат ликвирующих более легкоплавких примесей (S, P) меньше, чем более массивные части, которые кристаллизуются позже.

Дендритная (внутрикристаллическая) ликвация наблюдается в объеме одного зерна. Чем больше температурный интервал между началом и концом кристаллизации, тем больше будут отличаться по составу отдельные участки внутри зерен. В дендритах оси первого порядка обогащены более тугоплавким компонентом и в них содержание примесей бывает минимальным. Кристаллизующиеся в последнюю очередь междендритные пространства содержат наибольшее количество более легкоплавких компонентов и примесей.

Ликвация по плотности наблюдается при сплавлении металлов значительно различающихся по плотности. Так, в сплавах системы

«свинец–сурьма» верхняя часть слитка будет обогащена сурьмой, а нижняя — более тяжелым свинцом, т. е. отличаться от среднего состава сплава.

Обычно ликвация является нежелательным явлением, поскольку в результате неоднородности химического состава свойства металла на различных участках отливкитбуду отличаться друг от друга.

Склонность к газопоглощению. В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать водород, кислород, азот и другие газы из оксидов и влаги шихтовых материалов при их плавке, а также сгорании топлива, из окружающей среды при заливке металла в форму и т. д. Как правило, растворимость в металлах газов с понижением температуры уменьшается, что вызывает их выделение в процессе кристаллизации. В результате этого в отливке могут образовываться газовые раковины и газовая пористость, которые ухудшают механические свойства и герметичность отливок. Для уменьшения газовых раковин и пористости плавку сплава проводят под слоем флюса, в среде защитных газов, с использованием просушенных шихтовых материалов. При этом перед заливкой расплавленный металл подвергают дегазации вакуумированием или продувкой инертными газами.

Для устранения газонасыщенности отливок следует увеличивать газопроницаемость литейных форм и стержней, снижать влажность формовочных смесей, подсушивать формы и т. д. (например, выплавка стали в вакуумных печах устраняет газонасыщенность).

Склонность к образованию трещин и короблению. В результате неравномерного затвердевания металла в тонких и толстых частях отливки, а также из-за торможения усадки формой при ее охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина внутренних напряжений превысит предел прочности сплава в данном месте, то в нем образуются горячие или холодные трещины.

Горячие трещины — как правило, хорошо видимые разрывы поверхности отливки, распространяющиеся по границам зерен и имеющие неровную окисленную поверхность, на которой при увеличении видно дендритное строение сплава. Эти трещины образуются при застывании расплава в форме. Характерными признаками горячих трещин являются их неровные (рваные) края и значительная ширина.

Холодные трещины — очень тонкие разрывы поверхности отливки, имеющие обычно чистую, светлую (с цветами побежалости) зернистую поверхность. Они образуются из-за внутренних напряжений или механического воздействия при температуре ниже температуры свечения отливки. В отличие от горячих трещин холодные распространяются непосредственно по зернам, а не по их границам, и располагаются преимущественно в острых углах и других местах с высокой концентрацией напряжений.

Холодные трещины, чаще всего, образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации. Вероятность их образования тем выше, чем больше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка (особенно при пониженных температурах) и чем ниже теплопроводность сплава. Вероятность образования холодных трещин в отливках также возрастает при наличии в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях).

Для предупреждения образования трещин необходимо осуществлять равномерное охлаждение отливок (во всех сечениях), применять сплавы, обладающие повышенной пластичностью, проводить дополнительный отжиг отливок и т. п.

Внутренние напряжения, возникающие при охлаждении отливок, могут привести к их короблению (изменению формы и размеров отливок). Вероятность коробления отливки увеличивается при усложнении ее конфигурации и повышении скорости охлаждения, вызывающие неравномерное охлаждение отдельных частей отливки и, как следствие, различную усадку. Коробление отливки также может быть вызвано сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения коробления отливки необходимо увеличивать податливость формы, создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.

3.2. Производство отливок из чугуна

При выборе материала для литья детали следует учитывать условия, в которых она работает, физико-механические свойства сплава, литейные свойства, условия кристаллизации в форме, а также стоимость сплава.

Литейные чугуны. Чугун является самым распространенным сплавом в литейном производстве. Так, около 80 % общего мирового выпуска отливок приходится на долю чугуна. В связи с улучшением его свойств и появлением высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, чугуна с вермикулярным графитом и легированных чугунов специального назначения область применения очудогулнжа ептр расширяться.

В машиностроении для производства деталей используют следующие чугуны: серые, с вермикулярным графитом, высокопрочные, ковкие и специального назначения, характеризующиеся наличием в их структуре свободного углерода в виде графита. Белые чугуны, в структуре которых углерод находится только в связанном состоянии в виде цементита, в машиностроении применяются редко из-за их высокой твердости, затрудняющей механическую обработку, и хрупкости. Эти чугуны применяются только для ограниченной номенклатуры отливок, подвергающихся в условиях эксплуатации сильному износу от трения при высоких удельных нагрузках (валки прокатных станов, щеки камнедробилок и т. п.).

Широкое применение чугунов обусловлено следующим:

1) высокими литейными свойствами этих сплавов, что позволяет изготавливать из них отливки сложной конфигурации, с тонкими стенками, а также производить механическую обработку этих отливок;

2) большей, чем у стальных деталей, способностью гасить вибрации;

3) меньшим, чем у сталей, влиянием концентраторов напряжений (риски, задиры, переходыогот одн на конструкционную прочность деталей;

4) высокими антифрикционными свойствами, обусловленными наличием в структуре чугуна свободного графита, являющегося естественной смазкой;

5) невысокой стоимостью отливок по сравнению со стоимостью отливок из стали и цветных сплавов.

Серый чугун — чугун с пластинчатой формой графитовых включений. Металлической основой серого чугуна является феррит, феррит – перлит или перлит (рис. 1.25). Он является наиболее распространенным литейным сплавом. Отливки из этого чугуна составляют до 80 % от общего объема чугунного литья.

Рис. 1.25. Микроструктура серого чугуна: а — ферритный чугун; б — феррито-перлитный; в — перлитный

Структура металлической основы практически не влияет на низкую пластичность серого чугуна (δ = 0,2. 0,5 %), но оказывает влияние на его прочность и твердость (σ_в = 100. 450 МПа; НВ = 143. 289). Он обычно содержит 2,9. 3,7 % С, 0,5. 1,1 % Мn, 1,2. 2,6 % Si, до 0,3 % Р, до 0,15 % S.

Маркируется серый чугун буквами СЧ (серый чугун) и двумя цифрами, обозначающими предел прочности при растяжении (кгс/мм 2 ). Согласно ГОСТ 1412-85 имеются следующие марки серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40 и СЧ45.

Кроме того, по требованию потребителя допускаются марки серого чугуна СЧ18, СЧ21 и СЧ24.

Для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе, используют чугуны марок СЧ10 и СЧ15, а для изготовления более ответственных деталей применяют чугуны остальных марок.

Следует отметить, что чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40 и СЧ45 относятся к группе модифицированных серых чугунов, которые получают добавлением в жидкий чугун перед его разливкой специальных добавок — графитизирующих модификаторов (ферросилиция, силикокальция, графита и др.) в виде кусков размером 1. 5 мм. Это позволяет получать в модифицированных чугунных отливках перлитную основу с вкраплениями небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины, что повышает их механические свойства.

Высокие литейные свойства серого чугуна позволяют получать самые разнообразные детали. Области применения серых чугунов представлены в таблице 1.2.

Применение серого чугуна в машиностроении

Источник