Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные размеры и форму отливок

15.11.2018

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 и образованию трещин и пористости, поглощению газов 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, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры металла и формы при заливке и т. д.

Технически чистые металлы и сплавы, кристаллизующиеся при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть уменьшается интенсивнее, когда канал в литейной форме тоньше. Жидкотекучесть улучшается с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту с меньшей скоростью, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму.

Жидкотекучесть сплавов зависит также от их химического состава: фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит больше углерода и кремния, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью.

Минимально возможная толщина стенки для различных литейных сплавов не одинакова и составляет при литье в песчаные формы для отливок из серого чугуна: мелких — 3...4 мм, средних — 8...10, крупных — 12...15 мм, а для отливок из стали — соответственно 6...7, 10...12 и 15...20 мм.

Жидкотекучесть металла устанавливают путем заливки специальных технологических проб и оценивают линейными размерами заполненной полости канала определенной формы. 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 расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выраженную 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

елин = (lф - lотл) * 100/lф,


где lф и lотл — размеры полости формы и отливки при температуре 20 °C.

На линейную усадку влияют: химический состав сплава, температура его заливки, масса, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшает повышенное содержание кремния. Увеличение температуры заливки сплава в форму приводит к возрастанию усадки отливки. Значения линейной усадки литейных сплавов приведены в табл. 33.1.

Объемная усадка — уменьшение объема сплава во время его охлаждения в литейной форме при формировании отливки. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке, в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и коробления.

Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 33.1, а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка твердого металла. Вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня а-а.

В следующий момент времени на корке нарастает новый слой, а уровень жидкости 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, которая формируется при изготовлении отливок из технически чистых металлов, сплавов эвтектического состава и сплавов с узким интервалом кристаллизации.

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. 33.1, б). Вблизи значений температуры солидуса кристаллы срастаются между собой. Это приводит к разобщению ячеек, заключающих в себе остатки жидкой фазы. 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. Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам кристаллов металла.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно с помощью непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью на отливках устанавливают прибыли-резервуары, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последними.

Прибыль не всегда может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки (рис. 33.2, а). В этом месте образуется усадочная раковина и пористость. Установка прибыли на утолщенный участок (рис. 33.2, б) предупреждает образование усадочных раковин и пористости.

Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильников (рис. 33.2, в) или внутренних холодильников (рис. 33.2, г). Вследствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодильника отвод теплоты происходит интенсивнее от массивной части отливок, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей, а также устранению усадочных раковин и пористости. Внутренние холодильники изготавливают из того же сплава, что и отливку. При заполнении формы внутренние холодильники частично расплавляются и свариваются с металлом отливки.

В результате неравномерного затвердевания тонких и массивных частей и торможения усадки формой при охлаждении в отливках возникают напряжения, которые тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного сплава на данном участке отливки, то в теле ее образуются трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность, пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, то при превышении предела текучести искажается геометрическая форма отливки после ее извлечения из формы.

Горячие трещины в изделиях 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, появление горячих трещин в отливках вызывает резкие переходы от толстой части к тонкой, острые углы, выступающие части и т. д. Высокая температура заливки повышает вероятность образования трещин в результате увеличения кристаллов металла и перепада температур в отдельных частях отливки.

Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры; обеспечить одновременное охлаждение тонких и массивных частей отливок; увеличить податливость литейных форм; по возможности снизить температуру заливки сплава.

Холодные трещины возникают в изделиях, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конструкции из сплавов с высокими упругими свойствами и усадкой при пониженных температурах, а также с низкой теплопроводностью. Опасность возникновения холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях).

Для предупреждения образования холодных трещин в отливках необходимо обеспечить равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников, применять сплавы с высокой пластичностью, проводить отжиг отливок и т. п.

Коробление — изменение формы и размеров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении. Коробление увеличивается при малой податливости формы и стержней, усложнении конфигурации отливки и повышении скорости охлаждения, которая вызывает неравномерное охлаждение между отдельными частями отливки и различную усадку. Для предупреждения коробления необходимо создать рациональную конструкцию отливки, обеспечивающую равномерное охлаждение. Благодаря применению холодильников (внутренних, наружных) удается выравнивать скорость охлаждения массивных и тонких частей отливки.

Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания изделия из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения заготовки.

Склонность к газопоглощению — это способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять кислород, азот и водород. Их растворимость растет с перегревом расплава (температуры заливки). Движение металла в форме мелкими струйками или турбулентными потоками также способствует повышению растворимости газов. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплывать на поверхность или оставаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок.

Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку металла следует вести под слоем флюса или в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, необходимо увеличивать газопроницаемость формы и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д.

В отливках также могут возникать такие дефекты, как недолив, перекос, шлаковые раковины, пригар и др.

Недолив возникает при неправильной конструкции литниковой системы, недостаточной жидкотекучести сплава или утечки металла в разъем формы.

Перекос может быть вызван неточной сборкой стержней или формы, случайным сдвигом полуформ под внешним воздействием.

Для предотвращения искажения формы отливок следует выработать более рациональную конструкцию отливки и технологию литья.

Шлаковые раковины образуются при пониженной вязкости шлака, недостаточной эффективности литниковой системы, неправильной или небрежной заливке.

Пригар — поверхностный дефект, возникающий из-за слишком высокой температуры заливки, излишней длительности затвердевания, слабого уплотнения или низкого качества формовочной смеси.

Наружные дефекты отливок обнаруживают внешним осмотром непосредственно после извлечения заготовок из формы или после их очистки, а внутренние выявляют радиографическими и ультразвуковыми методами.

При использовании радиографических методов (рентгенографии, гаммаграфии) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, величину и глубину его залегания.

При ультразвуковом контроле волна, проходящая через стенку отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично отражается. По интенсивности отражения судят о наличии, размерах и глубине залегания дефектов.

Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.

Обнаруженные дефекты могут быть исправимы и неисправимы. Так, коробление стальных отливок может быть исправлено правкой. Наружные дефекты заваривают дуговой или газовой сваркой. При недоливе крупных отливок иногда допускается исправление дефектов заливкой жидкого металла. Раковины и пористость устраняют пропиткой или заделывают различными замазками, шпаклевкой или клеями. В случае неисправимого брака следует пересмотреть конструкцию отливки или технологию ее получения.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: