Литейные свойства сплавов

Литейное производство

Литейное производство – производство, продукция которого – отливки, получаемые в литейных формах, заполняемых жидкими сплавами с последующей кристаллизацией сплавов в формах. В определении указано главное, что характеризует литейное производство:

· продукция – отливки

· инструмент – литейная форма

· заготовка – жидкий (расплавленный) сплав

· процесс образования отливки – кристаллизация

Почему литейную форму следует считать инструментом?

· Литейная форма придаёт бесформенной массе расплавленного металла очертания будущей отливки. Это очевидно, легко воспринимается и запоминается

· Литейная форма обеспечивает определённым (литейщиком заданным) образом теплоотвод от расплавленного металла, её заполняющего. В результате формируется та или иная структура металла, обеспечивающая механические характеристики (свойства) отливки. Эта функция литейной формы не так очевидна, воспринимается с трудом, легко забывается.

Литейная технология возникла очень давно. Среди всех способов обработки металлов с ней по степени древности может конкурировать только свободная ковка. Литейной технологи несколько тысяч лет. За те тысячи лет, пока существует литейная технология, возникло много других технологий изготовления металлических изделий. Но литьё всегда (тысячи лет!) успешно конкурировало с ними. За счёт чего? За счёт своей универсальности.

· Можно изготовлять отливки из любых металлических сплавов. Любой металл (сплав) можно расплавить и залить в форму – получится отливка. Конечно, не всё так легко и просто, но принципиальная возможность расплавить и залить существует всегда.

· Можно изготовлять отливки любой массы: от долей грамма до многих сотен тонн. В ювелирном деле используют литейную технологию для литья элементов (деталей) ювелирных украшений. Известны исторические отливки большой массы: Царь-пушка, её ствол – бронзовая отливка 39 тонн, Царь-колокол, бронзовая отливка 200 тонн.

· Можно изготовлять отливки любых очертаний. Достаточно вспомнить каслинское художественное литьё.

Конечно, литьё уступает обработке давлением по объёмам производства. Обработкой давлением производят сотни миллионов тонн заготовок и изделий в год. Литьём производят заготовок и изделий на порядок меньше. Но обработка давлением и литьё мало конкурируют друг с другом. Обработкой давлением производят заготовки и изделия из пластичных сплавов. Литьё – технология производства заготовок и изделий, в основном, из хрупких (не пластичных) сплавов.

Способы литья принято разделять на две группы: литьё в песчаные формы и специальные способы литья. К специальным способам относят: литьё в оболочковые формы, литьё по выплавляемым моделям, литьё по газифицируемым моделям, литьё в постоянные формы (литьё в кокили), литьё под высоким давлением, литьё под низким (регулируемым) давлением, литьё вакуумным всасыванием, центробежное литьё, непрерывное литьё, литьё выжиманием, литьё в замороженные формы, электрошлаковое литьё и др. Почему один способ литья (в песчаные формы) выделен в самостоятельную группу, а все остальные (более двух десятков) собраны в другой?

Литьё в песчаные формы развивалось и совершенствовалось тысячи лет. Технологии его разнообразны, технологические возможности огромны. Это универсальный способ литья, которым можно изготовлять любые отливки. Почти 3/4 всех отливок (по массе) изготовляется литьём в песчаные формы.

Всеми специальными способами литья вместе изготовляется около четверти всех отливок (по массе). Это тоже много; много миллионов тонн отливок. Каждый специальный способ имеет свою, достаточно узкую, область применения, за пределами которой он либо не эффективен, либо не осуществим. Именно поэтому способы и называются специальными. Даже сумма технологических возможностей всех специальных способов литья вместе взятых меньше, чем технологические возможности универсального литья в песчаные формы. Зачем же тогда нужны специальные способы литья? Именно затем, что они специальные. Каждый специальный способ литья, в пределах своей, достаточно узкой, области применения, оказывается эффективным, экономически более целесообразным, чем другие специальные способы и чем универсальное литьё в песчаные формы.

Литейные сплавы

Почти 3/4 всех отливок (по массе) изготовляется из чугунов, около 1/5 из сталей, остальные из различных цветных сплавов. Чугун - самый дешёвый металлический материал, к тому же у него очень хорошие технологические литейные свойства. Поэтому чугун и стал самым массовым литейным сплавом. Когда требуются отливки повышенной прочности и ударной вязкости, их отливают из более дорогой и менее технологичной стали. Из цветных сплавов изготовляют отливки, когда они должны иметь особые свойства, которых нет у чугунов и сталей.

Однако не следует считать чугун главным литейным сплавом, а цветные сплавы, чем-то малосущественным. Во-первых, из цветных сплавов изготовляют миллионы тонн отливок. Во-вторых, если пересчитать отливки не в тоннах, а в штуках, то окажется, что отливок из цветных сплавов изготовляют больше, чем из чугунов и сталей вместе. Нет главного, самого важного литейного сплава. Все они и важны, и нужны.

Литейные свойства сплавов

Сплавы, применяемые для изготовления отливок, следует рассмотреть с точки зрения их литейных технологических свойств.

1. Температура плавления (кристаллизации) сплава. Сплавы, в отличии от простых металлов, плавятся (кристаллизуются) не при конкретной температуре, а в интервале температур. Чем шире этот интервал температур и чем выше он расположен на температурной шкале, тем больше возникает трудностей при производстве отливок из него. Это очевидно.

2. Жидкотекучесть – способность (свойство) жидкого сплава заполнять полость формы. Сплав, обладающий высокой жидкотекучестью, хорошо заполняет форму, проникает во все самые тонкие сечения полости формы. Иными словами: из сплава с высокой жидкотекучестью можно отливать сложные отливки с тонкими протяжёнными стенками. Низкая жидкотекучесть приводит к не заполнению некоторых объёмов полости формы. В результате получается литейный брак – недолив.

Жидкотекучесть расплавленного металла не следует отождествлять с вязкостью этого расплава. Разумеется, физическое свойство вязкость лежит в основе жидкотекучести. Но это не одно и то же. Жидкотекучесть это способность расплава течь в литейной форме. Жидкотекучесть есть результат взаимодействия расплава некоторой вязкости со стенкой, по которой (вдоль которой) он течёт. Стенка притормаживает расплав и отводит от него теплоту. Со стенки начнётся процесс кристаллизации расплава. Практически жидкотекучесть литейного сплава определяется по спиральной пробе. Изготовляется специальная литейная форма со спиральным каналом. В неё заливается исследуемый литейный сплав. Чем выше жидкотекучесть, тем дальше по спиральному каналу протечёт сплав. По длине проникновения жидкого литейного сплава в спиральный канал и оценивается количественно его жидкотекучесть.

Жидкотекучесть зависит от природы основного компонента сплава: сплавы на основе разных металлов имеют разную жидкотекучесть. Влияют на жидкотекучесть другие компоненты сплава, добавленные к основе. “Добавки” могут, как повышать жидкотекучесть основы, так и снижать её. Например, в сплавах на основе железа увеличение количества углерода, кремния и фосфора увеличивает жидкотекучесть. Именно поэтому чугуны имеют лучшую жидкотекучесть, чем стали. Увеличение количества серы в сталях и чугунах снижает их жидкотекучесть. Сильно зависит жидкотекучесть от температуры расплава. Чем выше перегрет расплав над температурой плавления, тем выше его жидкотекучесть.

3. Усадка – уменьшение объёма сплава при его кристаллизации и охлаждении. Ясно, что уменьшение объёма сопровождается уменьшением линейных размеров отливки в сравнении с размерами полости формы, в которой она образуется. Уменьшение объёма называется объёмной усадкой и выражается формулой:

EV=(Vф−Vотл)/Vф⋅100%,

где: EV – объёмная усадка,

Vф – объём полости формы,

Vотл – объём отливки.

Уменьшение линейных размеров называется линейной усадкой и выражается формулой:

El=(lср−lотл)/lср⋅100%,

где: El – линейная усадка,

lср – линейный размер в полости формы,

lотл – линейный размер отливки.

Следует заметить, что EV и El не две разных усадки, а два разных выражения для количественной оценки одного и того же физического явления. Поэтому они определённым образом связаны между собой:

El≃E1/3

Литейщики, как правило, пользуются линейной усадкой El.

Чем больше усадка, тем больше проблем у литейщиков. Усадка искажает форму и размеры отливки. Это, чисто геометрическое, затруднение практически полностью можно устранить. Достаточно сделать полость формы такой, что все её размеры будут больше размеров отливки на величину линейной усадки El.

Усадка создаёт в отливке технологические литейные напряжения. Дело в том, что отливка кристаллизуется и остывает не равномерно. Быстрее остывают её наружные поверхности, внутренние – медленнее. Быстрее остывают тонкие стенки отливки, толстые – медленнее. Быстрее остывает поверхность отливки, медленнее – сердцевина. Всё это приводит к тому, что отливка в разных точках своего объёма усаживается с разной скоростью и на разную величину. Рассмотрим простой и очень важный случай, изображённый на рисунке.

Тонкая стенка закристаллизуется раньше и будет остывать быстрее, чем толстая. На стыке тонкой и толстой стенок, из-за их не одновременной (не синхронной) усадки, возникнут большие технологические литейные напряжения, которые могут привести к растрескиванию отливки в этом месте. Отливки следует конструировать плавных очертаний, со стенками более-менее одинаковой толщины.

Усадка приводит к тому, что не вся полсть формы будет заполнена металлом отливки, после её кристаллизации. В отливке может возникнуть усадочная пористость или усадочная раковина. Усадочную пористость и усадочные раковины устраняют, организуя процесс направленной кристаллизации отливки, от тонких сечений к толстым. На самой толстой части отливки устанавливают технологический прилив – прибыль. Прибыль кристаллизуется самой последней и вмещает в себя усадочную раковину.

4. Ликвация – неоднородность химического состава отливки, возникающая в процессе её кристаллизации из однородного расплава. Химическая неоднородность приводит к неоднородности структуры и, следовательно, к неодинаковости механических свойств материала в разных частях отливки. Различные литейные сплавы подвержены ликвации в большей или меньшей степени. Есть у литейщиков технологические приёмы, уменьшающие ликвацию. Но обсуждение этих интересных и важных вопросов уведёт нас далеко в металловедение. Будите изучать металловедение, вспомните о ликвации.

5. Склонность к поглощению газов. Расплавленные металлы интенсивно поглощают (растворяют) газы из окружающей среды. Насыщенный газами расплав, в процессе кристаллизации выделяет растворённые газы. В результате в отливке могут возникнуть газовая пористость и газовые раковины. Для борьбы с ними следует обеспечить хороший газоотвод из полости формы (вентиляцию формы).

На сколько важны литейные свойства сплавов? Сравним сталь и чугун.

Из сравнения видно, что чугун по технологическим литейным свойствам лучше, чем сталь. Отливки из чугуна в Европе научились делать сразу, как освоили выплавку чугуна – в 13 веке. А отливки из стали, которую Европа узнала раньше чугуна, научились делать только в 19 веке. Чугун плавили и получали из него отливки по кустарной средневековой технологии. А для того, чтобы плавить сталь и получать стальные отливки, пришлось создать серьёзное машинное производство и заложить основы металловедения.