Лекция 2.
ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ, ИХ МАРКИРОВКА
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ (ЛИТЕЙНЫЕ) СВОЙСТВА
Литейные свойства сплавов
Основные технологические свойства литейных сплавов – это температура плавления, жидкотекучесть и усадка.
2.1.1. Температура плавления сплавов (или температурный интервал их кристаллизации) определяется их химическим составом и в значительной степени влияет на выбор технологического процесса литья, материала литейной формы, а также типа плавильного оборудования. Кроме того интервал кристаллизации сплава напрямую определяет и механизм его затвердевания (последовательное, объемное), то есть в конечном итоге – микроструктуру и физико-механические свойства сплава.
2.1.2. Жидкотекучесть сплава, т.е. его способность заполнять рабочую полость формы определяется в соответствии с ГОСТ 14438-70 по спиральной или U-образной пробе в песчаной или металлической формах (рис. 2.1.). Сечение спиралеобразной пробы – 50 мм2. Жидкотекучесть характеризуется длиной пути металла (l ж) в мм. Например, для серого чугуна рекомендуются следующие пределы жидкотекучести (в песчано-глинистой форме):
Толщина отливки, мм 3–6 6–15 15–25 > 25
Жидкотекучесть, мм 500–700 400–500 300–400 200–300
Низкая жидкотекучесть влечет спаи, недоливы, газовые раковины, усадочную пористость.
2.1.3.Усадка – это изменение объема и линейных размеров отливок при затвердевании и охлаждения в форме в результате термического сжатия, фазовых превращений и силового взаимодействия с формой. Например, для серого чугуна снижение температуры на каждые 100о С уменьшает его объем на 1,1–1,8%, а графитизация – увеличивает объем на 2,2% на 1% графита.
Различают усадку объемную и линейную. Объемную усадку определяют путем отливки специальной конической (рис. 2.2.) или шаровой пробы. Объем усадочной раковины определяют путем заполнения ее керосином, а также путем взвешивания технологической пробы на воздухе и в дисциллированной воде.
Линейную усадку (свободную или затрудненную) также определяют путем отливки специальных технологических образцов или с помощью прибора Большакова (рис. 2.3.).
Физические и литейные свойства сплавов приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1.
Свойства литейных сплавов
| Литейный сплав | Плотность кг/дм3 | Линейная усадка | Объемная усадка | Жидкотекучесть | Т-ра плавления, о С | |
| 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. | Сталь (~2% С) Серый чугун Ковкий чугун Высокопрочный чугун Алюминиевые сплавы Магниевые сплавы Бронзы оловянные Бронзы безоловянные Латуни Титановые сплавы | 7,8 7,0 7,2 7,2 2,6–2,9 1,8 9,0 8,1 8,6 4,5 | 1,5 1,3 1,3 1,5 2,2 2,3 2,0 | 4,5 3,9 до 4 4,5 4,5 6,5 5,5 | понижен. высокая понижен. удовл. хорошая удовл. хорошая понижен. хорошая хорошая | 1420–1510 1200–1250 1270–1320 1230–1260 590–645 590–650 920–1015 890–1140 890–980 1560–1670 |
2.2. Литейные сплавы на основе железа (черные сплавы) – это литейные стали и чугуны.
2.2.1. Литейные стали – это сплав железа с углеродом, содержание последнего – не превышает 2%. Кроме того, в них содержатся неизбежные примеси: кремний и марганец считаются полезными, сера и фосфор – вредными. Литейные углеродистые стали отличаются повышенными литейными свойствами, которые улучшаются с увеличением содержания в них кремния.
В соответствии с ГОСТ 977-88 литейные углеродистые стали имеют 9 марок: сталь 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л. Цифра означает содержание углерода в сотых долях процента, буква Л – литейная. Временое сопротивление при растяжении составляет от 200 до 350 Мн/м2, относительное удлинение – от 22 до 11%. Чем больше содержание углерода, тем выше sв и тем ниже пластичность.
Литейные углеродистые стали применяют для отливок в сварно-литых конструкциях; для несложных массивных отливок, работающих при низких (до –40° С) и средних температурах (до +45° С) под давлением, станин прокатных станов, шкивов, деталей турбин, корпусов подшипников; для деталей, работающих при вибрационных и ударных нагрузках; для ответственных деталей различных машин (зубчатые венцы и колеса, тормозные диски, катки и др.).
Низколегированные литейные стали (ГОСТ 977-88), средне и высоколегированные (ГОСТ 2176-77) маркируются аналогично: например, марка «Сталь 20Х5МЛ» означает, что содержание углерода в ней 0,20%, хрома – 5%, молибдена – до 1%, Л – литейная. Легированные литейные стали применяются в общем машиностроении ограниченно.
2.2.2. Чугуны.
Чугун – это сплав железа с углеродом, содержание которого более 2,14% (реальное содержание углерода в сером чугуне от 2,2 до 3,7%). Значительное влияние на свойства чугуна оказывают кремний (от 1,2 до 2,9%) и марганец (от 0,5 до 1%).
Чугуны – самые дешевые металлические материалы для деталей машин. Они обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, а также высокой износостойкостью.
В соответствии с ГОСТ 3443-77 в зависимости от формы графита в микроструктуре чугуны подразделяются на белые, серые, ковкие, высокопрочные, легированные и антифрикционные.
Белые чугуны в конструкциях машин не применяются, они, в частности, являются исходным материалом для получения ковкого чугуна.
Серый чугун (ГОСТ 1412-85) включает 8 марок: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45. Буквы заглавные СЧ означают серый чугун, цифра – предел прочности при растяжении в кг/мм2 или в МПа х 10-1. Твердость серого чугуна НВ = 143–289. В сером чугуне углерод находится в виде пластинчатого графита. Серый чугун имеет хорошие литейные свойства, хорошо обрабатывается. Одгнако серый чугун имеет низкую ударную вязкость и пластичность. Технология изготовления отливок из серого чугуна отличается простотой и высокими технико-экономическими показателями. Примеры отливок из серого чугуна: корпуса, цилиндры, тормозные барабаны, блоки и головки блоков двигателя, изложницы, кокили.
Ковкий чугун (ГОСТ 1215-79) включает 11 марок: ферритный ковкий чугун (КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12) и перлитный ковкий чугун (КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5). Буквы заглавные КЧ означают ковкий чугун, первая цифра – предел прочности при растяжении в кг/мм2, вторая цифра – пластичность «d» в %.
Ковкий чугун содержит от 2,4 до 2,9% углерода и от 1,1 до 1,6% кремния.
Ковкий чугун получают путем длительного (от 48 до 70 часов) отжига белого чугуна, что значительно усложняет и удорожает производство. Литейные свойства ковкого чугуна хуже, чем у серого чугуна, но он хорошо обрабатывается резанием. Графит в отожженном ковком чугуне – хлопьевидной формы.
Ковкий чугун применяют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических и знакопеременных нагрузок: палец режущего аппарата косилок, корпус задних мостов автомобиля, корпусов коробок передач, ступиц, муфт.
Высокопрочный чугун (ГОСТ7293–85) включает 8 марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100. Заглавные буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, цифры – предел прочности при растяжении в кг/мм2, пластичность ВЧ достигает 20%.
Высокопрочный чугун получают из серого чугуна путем модифицирования металлическим магнием или специальными лигатурами на железокремниевой основе (включают Мg, C, Cu, Ca, редкоземельные металлы) и др. В результате модифицирования графитовые включения приобретают шаровидную форму, что обуславливает высокую прочность и ударную вязкость высокопрочного чугуна. Содержание углерода – 2,7–3,8%, кремния – 0,5–3,8%.
Высокопрочный чугун имеет высокую жидкотекучесть, относительно небольшую линейную усадку, незначительную склонность к образованию горячих трещин.
Высокопрочный чугун применяют для изготовления ответственных тяжелонагруженных деталей машин– коленчатых и распределительных валов, зубчатых колес, цилиндров, станин и траверс молотов и прессов.
Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585-85) включают 6 марок антифрикционного серого чугуна с пластичным графитом (АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6), две марки высокопрочного чугуна (АЧВ-1 и АЧВ-2) и две марки ковкого чугуна (АЧК-1 и АЧК-2). Цифра означает номер сплава, остальные обозначения очевидны.
Это – специальные сплавы, способные работать в условиях трения как подшипники скольжения.
Структура этих чугунов отвечает правилу Шарпи: «включение твердой фазы в мягкую основу». Содержание углерода в них – от 2,6 до 4,3%; кремния – от 0,5 до 3,5%, кроме того в них вводят Cr, Cu, Ni, Ti, Sb, Al, Pb, Mg. Главный эксплутационный параметр – твердость НВ = 180–229.
Легированные чугуны (ГОСТ 7769-82) – это чугуны со специальными свойствами – жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, коррозионностойкие, немагнитные. Примеры маркировок: ЧХ1, ЧХ2, ЧХ9Н5, ЧС13, ЧН11Г7. Расшифровка марки, химсостава и свойств отливок приводится в таблицах ГОСТа.
Антифрикционные и легированные чугуны в традиционном машиностроении используются редко и в незначительных объемах.
Цветные сплавы
Цветные сплавы – это сплавы на основе любых металлов, кроме железа. Цветные металлы и сплавы условно подразделяются на легкие (плотность не более 5 г/см3) и тяжелые, плотность которых более 5 г/см3. Легкие литейные сплавы – это сплавы на основе магния, алюминия, титана и др. Тяжелые сплавы в машиностроении – это в основном сплавы на основе меди – бронзы и латуни, а также цинка.
2.3.1. Легкие цветные сплавы.
Алюминиевые литейные сплавы (ГОСТ 1583-89) включают 5 групп:
I – сплавы на основе системы Al–Si–Mg;
II – сплавы на основе системы Al–Si–Cu;
III – сплавы на основе системы Al–Cu;
IV – сплавы на основе системы Al–Mg;
V – сплавы на основе системы Al–прочие компаненты.
Наибольшее применение в промышленности находят сплавы I и II групп.
Сплавы I группы (силумины) широко используются в авиационной, автомобильной, тракторной, судостроительной, приборостроительной и электротехнической промышленности. Все они (кроме сплава АК12) имеют узкий интервал кристаллизации и хорошие литейные свойства – небольшую усадку, повышенную жидкотекучесть, малую склонность к трещинообразованию. Примеры маркировки: АК12, АК9, АК7ч. Наиболее вредной примесью является железо. Эти сплавы не упрочняются, как правило, термообработкой (sв = 15…24 кг/мм2).
Сплавы II группы в качестве основных легирующих элементов содержат кремний (4…22%) и медь (0,5…8%). Их широко применяют для отливок с повышенной твердостью и прочностью и имеющие высокую чистоту обработки – корпуса приборов, автомобильных и тракторных поршней, деталей авиационных двигателей воздушного охлаждения. Сплавы обеспечивают повышенную стабильность размеров, работают при повышенных температурах и давлениях, хорошо обрабатываются резанием. Сплавы могут подвергаться термической обработке. (sв = 16–25 кг/мм2). Сплавы обладают повышенной жаропрочностью. Примеры маркировки: АК5М, АК5М2, АК12ММгН.
Сплавы III группы на основе системы Al–Cu отличаются высокими механическими свойствами (sв = до 30 кг/мм2). Для повышения прочности они могут легироваться марганцем, титаном, церием и др. металлами, а ткже подвергаться термической обработке (закалке). Примеры маркировки: АМ5.
Сплавы IV группы отличаются малой плотностью, высокими коррозионной стойкостью и прочностью, хорошо выдерживают вибрационные нагрузки. Однако сплавы имеют низкие литейные свойства: повышенную склонность к окислению и образованию усадочных раковин, трещин и рыхлот; взимодействуют с влагой формы; характерны низкой жидкотекучестью, и склонностью к возгоранию. Для повышения прочности эти сплавы легируют цирконием, а присадки бериллия, бора предотвращают возгорание. Сплавы подвергают упрочняющей термообработке (закалке). Примеры маркировок: АМг4К1,5М, Амг10 (sв = 19–32 кг/мм2).
Сплавы V группы относятся к системам Al–Si–Zn (АК7Ц9) и Al–Zn–Mg (АЦ4Мч) и являются свариваемыми литейными алюминиевыми сплавами (sв = 20–27 кг/мм2).
Жидкотекучесть алюминиевых сплавов составляет 230–420 мм, линейная усадка – 0,9–1,25%, объемная усадка – 3–6,5%, твердость НВ = 50–70.
В маркировках алюминиевых сплавов буква А означает алюминиевый сплав, К – кремний, М – медь, Мг – магний, Ц – цинк, Н – никель, ч – чистый, цифра означает среднее содержание элемента в %.
Магниевые литейные сплавы (ГОСТ 2856-79) включают 19 сплавов. Маркировка: МЛ1…..МЛ19, где буква М означает магниевый сплав, Л – литейный, цифра – номер сплава. Химический состав – в таблицах ГОСТа.
Магниевые литейные сплавы подразделяются на 3 группы:
I группа – сплавы на основе системы Mg–Al–Zn
(МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6);
II группа – сплавы на основе системы Mg–Zn–Zr
(МЛ8, МЛ12, МЛ15);
III группа – сплавы, легированные редкоземельными элементами
(МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19).
Все сплавы I группы (за исключением МЛ3) относятся к числу высокопрочных (sв = 15–23 кг/мм2).
Основным упрочняющим элементом в этих сплавах является алюминий, в меньшей степени – цинк. Сплавы I группы предназначены для производства высоконагруженных отливок, работающих в условиях большой влажности. Для повышения коррозиционной стойкости в сплавы вводят 0,1–0,5% марганца. Недостатки сплавов – склонноость к образованию усадочных дефектов.
Сплавы II группы используют для изготовления отливок, работающих при 200…250° С и высоких нагрузках (sв = 21–26,5 кг/мм2).
Сплавы III группы обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Они предназначены для длительной работы при 250….350° С и кратковременной – при 400° С. Сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, однородные механические свойства в сечениях различной толщины, хорошо свариваются аргоно-дуговой сваркой (sв = до 22 кг/мм2).
Жидкотекучесть магниевых сплавов составляет 215–330 мм, линейная усадка 1,0–1,6%, объемная усадка – 3,4–5,0%.
Большинство магниевых сплавов подвергается термообработке.
Титановые литейные сплавы (ГОСТ 19807-74) подразделяется на 5 групп в зависимости от микроструктуры (a-сплавы, псевдо a-сплавы, a+b сплавы, псевдо b-сплавы, b-сплавы).
В состав титановых сплавов входят алюминий, ванадий, молибден, кремний, хром, цирконий и др. Эти сплавы обладают свойствами, выгодно выделяющих их из остальных сплавов: по прочности они не уступают сталям, имеют достаточно низкую плотность (~4,5 г/мм3), высокую химическую стойкость при температуре до 500 °С, высокую коорозионную стойкость во влажном воздухе, морской воде, азотной и соляной кислоте. Благодаря этим свойствам титановые сплавы интенсивно внедряются в авиа-, ракето- и кораблестроении.
В справочной литературе приводятся химсостав и механические свойства восьми литейных титановых сплавов – ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ14Л, ВТ22Л, где буква В означает наименование организации-разработчика (ВИАМ), Т – титановый сплав, Л – литейный, цифра – номер сплава. Упоминается и новый сплав ВТ35Л.
Титановые сплавы обладают хорошей жидкотекучестью (460–520 мм), небольшой линейной (0,8–1,2 %) и объемной (2,4–3,2%) усадкой.
Сплав ВТ3-1Л относится к числу наиболее освоенных в производстве.
Прочность титановых сплавов sв = 34….93 кг/мм2, пластичность d = 4–10%.
Главный недостаток титановых литейных сплавов – высокая температура плавления (до 1665 °С) и активное взаимодействие (при плавке) со всеми газами и огнеупорными материалами. Отсюда – проблема плавки (вакуумная, в атмосфере нейтральных газов) и материалов для литейных форм, что резко удорожает технологические процессы литья.
2.3.2. Тяжелые цветные сплавы.
Наибольшее применение среди тяжелых сплавов имеют сплавы на основе меди– бронзы и латуни. Для изготовления фасонных отливок в машиностроении используют три группы медных сплавов: оловянные бронзы,безоловянные бронзы и латуни.
Оловянные литейные бронзы (ГОСТ 613-79) – это сплавы меди с оловом (от 4 до 33%). Большое практическое значение имеют сплавы с содержанием олова до 10%. Кроме олова в бронзе присутствуют цинк, свинец, никель, фосфор.
Оловянные бронзы обладают хорошими литейными свойствами (коррозионными, антифрикционными). Примеры отливок – арматура в судостроении, химическом машиностроении, подшипники трения, гребные винты, венцы червячных колес).
Маркировка литейных оловянных бронз (всего 11 марок): БрО3Ц7С5Н1, БрО10Ц2, БрО10Ф1, где Бр – означает бронза, О – олово, Ц – цинк, С – свинец, Ф – фосфор, цифра –содержание элемента в %. Основные свойства: sв = 14,7–22,5 кг/мм2, пластичность 3–10%, линейная усадка 1,4–1,6%, объемная усадка 4–4,5%, жидкотекучесть 400–450 мм.
Безоловянные литейные бронзы (ГОСТ 493–79) – это сплавы меди с алюминием, свинцом, сурьмой, кремнием и др. По механическим, коррозионным и антифрикционным свойствам не уступают оловянным, но значительно дешевле оловянных. Но некоторым свойствам (разрушение в условиях кавитации, антифрикционный износ) – превосходят оловянные бронзы. Примеры отливок – грибные винты крупных судов, тяжелонагруженные шестерни и зубчатые колеса, корпуса насосов, вкладыши подшипников дизельных двигателей.
Маркировка литейных безоловянных бронз (всего 10 марок): БрА9Мц2Л, БрС30, БрА9Ж3Л, где Бр – означает бронза, А – алюминий, Мц –марганец, Л – литейная, С – свинец, цифра – содержание элемента в %.
Основные свойства: sв = 15,7–60,7 кг/мм2, пластичность 2–20%, линейная усадка 1,6–2,5%, объемная усадка 6–6,7%, жидкотекучесть 350–850 мм.
Латуни литейные (ГОСТ 17711-80) это сплав меди с цинком (до 50%) Для фасонного литья применяют сложнолегированные медноцинковые сплавы (включают кремний, свинец, железо, алюминий, марганец и др. элементы).
Латуни обладают высокой электро- и теплопроводностью, хорошими литейными свойствами. Примеры отливок: арматура для работ в морской воде, сепараторы подшипников, детали приборов, гайки нажимных винтов прокатных станов, червячные винты, гребные винты.
Маркировка литейных латуней (всего 11 марок): ЛЦ40С, ЛЦ40Мц3А, ЛЦ25С2, где буква Л – означает латунь, Ц – цинк, С – свинец, Мц – марганец, А – алюминий, цифры – содержание элемента в %. Основыные свойства: sв = 21,5–70 кг/мм2, пластичность 7–15%, линейная усадка 1,7–2,2%, объемная усадка 5–6%, жидкотекучесть 400–600 мм.
Прочие литейные сплавы имеют в машиностроении ограниченное применение.
 |
Рис. 2.1. Методы определения жидкотекучести:
а) по спирали, б) по U-образной пробе
 |
Рис. 2.2. Технологическая коническая проба для определения объема усадочной раковины сплава
 |
Рис. 2.3. Технологические пробы для определения свободной (а) и затрудненной (б) усадки, а также схема прибора Большакова (в)
1– песчаная форма, 2 – технологическая проба, 3 – индикатор