1463

Для определения жидкотекучести сплава пользуются мето­ дом отливки различных проб. Например, жидкотекучесть чугуна определяют путем отливки спирали (рис. 98). С этой целью изготовляют форму из формовочного состава. Моделью служит спираль с сечением в виде трапеции площадью 0,56 см2. Зали­ вают форму испытуемым сплавом и определяют его жидкотеку­ честь по длине отлитой спирали. Сравнительная жидкотекучесть литейных сплавов приведена в табл. 23.

Рис. 98. Спиральная проба для определения жидко­ текучести:

1 — спираль; 2 — литниковая чаш а

Усадка

При охлаждении жидкого сплава в форме происходит умень­ шение его объема. При этом в отливках из ряда сплавов обра­ зуются усадочные раковины или рыхлоты. Некоторые сплавы, как, например, чугуны с высоким содержанием углерода и крем­ ния, увеличиваются в объеме вследствие сильной графитизации при затвердевании. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходит при последующем охлаж­ дении в твердом состоянии. Общее уменьшение объемов и раз­ меров отливок называют усадкой.

Усадка сплава изменяется в зависимости от температуры перегрева и заливки сплава и от его химического состава. Чем выше эти температуры, тем больше будет усадка. Усадка чугу­ на с повышением содержания углерода и кремния и понижением марганца и серы уменьшается. В алюминиевых сплавах повы­ шение содержания кремния уменьшает усадку, а наличие меди и магния увеличиваете.

Изготовление отливок из сплавов, имеющих склонность к по­ вышенной усадке, кроме значительных изменений размеров и образования усадочных пороков (усадочные раковины и рыхло­ ты), обычно вызывает в отливках большие напряжения, кото­ рые могут привести к короблению и образованию трещин.

При изготовлении отливок из сплавов, имеющих повышен­ ную усадку, образующих усадочные раковины и рыхлоты (на­ пример, из стали, высокопрочного чугуна, бронзы и др.), в верх­ них частях массивных отливок устанавливают прибыли. Они представляют собой резервуары жидкого сплава, питающие от­ ливки при их затвердевании и восполняющие объем. Размеры и расположение прибылей делают такими, чтобы сплав в них затвердевал последним. Тогда усадочные раковины перемеща­ ются в прибыль.

Для этой цели наиболее благоприятными являются прибыли шаровой или сферической формы, имеющие меньшую наружную поверхность при данном объеме и поэтому меньше охлаждаю­ щиеся, чем прямоугольные и цилиндрические. Иногда для мест­

холодильники или холодильники из других теплопроводных материаловч

Внутренние (литейные) напряжения

К литейным напряжениям, которые образуются в отливке, относятся напряжения усадочные (возникающие при затруднен­ ной усадке), тепловые (при неравномерном охлаждении отдель­ ных частей отливки) и фазовые (при изменении кристалличе­ ского строения отливки).

В практических условиях при затвердевании и охлаждении сплава в форме в той или иной степени имеются препятствия усадке в виде выступающих частей формы, стержней и т. п., что приводит к неравномерной усадке в разных частях отливок. Ох­ лаждение отдельных частей отливки в форме также происходит не с одинаковой скоростью: тонкие части охлаждаются быстрее, чем толстые. Вследствие неравномерного охлаждения в отлив­

ках также возникают напряжения. Кроме этого, в сплавах при охлаждении происходит изменение структуры и размеров от­ дельных зерен, т. е. протекают фазовые превращения, что вы­ зывает увеличение или уменьшение объема отливок, а следова­ тельно, и напряжений в них.

Перечисленные явления вызывают литейные напряжения в отливках. В зависимости от их величины наблюдаются следую­ щие явления:

1)если литейные напряжения в отливке меньше предела текучести сплава, то они могут усиливаться при последующей обработке или эксплуатации;

2)если напряжения больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то происходит коробление отливки;

3) если напряжения больше предела прочности сплава, то в отливке образуются трещины.

Принято различать в отливках горячие и холодные трещины. Горячие трещины образуются, когда температура отливки близ­ ка к температуре плавления сплава. При высоких температурах сплавы обладают невысоким пределом прочности. Например, углеродистая сталь имеет предел прочности около 0,2 кг/мм2 и относительное удлинение до 1%. Поэтому достаточно небольшо­ го препятствия усадке при высоких температурах, чтобы в от­ ливках из такой стали возникли напряжения, превосходящие предел прочности.

Горячие трещины имеют окисленную темную поверхность. Они вызываются главным образом механическим сопротивле­ нием усадке, оказываемым формой или стержнем. Склонность к образованию трещин тем больше, чем значительнее усадка при высоких температурах, меньше прочность, пластичность и тепло­ проводность при высоких температурах. Поэтому повышенная склонность к образованию горячих трещин характерна для ле­ гированных сталей. По склонности (отн. ед.) к образованию го­ рячих трещин стали можно расположить в следующем порядке:

Серый и высокопрочный чугуны имеют незначительную усад­ ку при высоких температурах, поэтому в отливках из этих спла­ вов редко образуются горячие трещины. Большинство медных Сплавов из-за сравнительно высокой теплопроводности не склон­ ны к образованию горячих трещин. Алюминиевые и магниевые

сплавы по склонности к образованию горячих трещин распре­ деляются в следующей последовательности:

С клонность к образованию

Для предотвращения горячих трещин в отливках наиболее важно устранять препятствия усадке сплава, оказываемые фор­ мой и стержнями, предусматривать в конструкции отливок рав­ номерные сечения и плавные переходы. При получении толсто­ стенных отливок необходимо заливать формы с меньшей ско­ ростью. Сплав должен иметь пониженную температуру.

К образованию холодных трещин более склонны сплавы с вы­ сокими упругими свойствами, малой теплопроводностью, боль­ шим изменением объема при фазовых превращениях. К ним относятся низколегированные стали, а сплавы цветных метал­ лов этой склонностью почти не обладают. Наличие в сплавах (особенно в стали) вредных примесей усиливает образование холодных трещин. Например, высокоуглеродистая сталь с по­ вышенным содержанием фосфора обладает свойством хладно­ ломкости, т. е. имеет склонность к образованию холодных тре­ щин. Холодные трещины в отличие от горячих имеют светлую неокисленную поверхность.

Чтобы предотвратить образование холодных трещин, создают равномерные сечения в отливках и медленно охлаждают их пос­ ле затвердевания.

Литейные напряжения в отливках могут быть устранены при термической обработке путем медленного их нагрева до умень­ шения упругих свойств сплава, а затем медленным и равномер­ ным охлаждением отливок. Например, для снятия литейных на­ пряжений в стальных отливках их нагревают до 650° С и мед­ ленно охлаждают до температуры цеха.

Поглощение газов

Сплавы и металлы обладают способностью поглощать зна­ чительное количество газов водорода, азота, кислорода, окисла углерода и углекислоты, метана *и др. Чем больше содержание газов в сплаве или металле, тем ниже их литейные и механиче­ ские свойства. Газы в сплавах и металлах могут находиться в виде механических включений, в растворенном состоянии и в химических соединениях.

Механически включенные газы удаляются при остывании и мало влияют на образование газовых раковин в отливках. Раст­ воримость газов зависит от температуры и давления. В твердых сплавах и металлах с повышением их температуры раствори­ мость газов незначительно увеличивается.

При плавлении сплавов и металлов растворимость газов рез­ ко увеличивается и возрастает с повышением температуры до некоторого предела, а затем падает и при кипении сплавов и

всплаве. При выделении их в отливках могут образовываться

вопределенных условиях газовые раковины и тем больше, чем выше содержание газов в сплаве. Для понижения газонасыщенности жидкого сплава плавку ведут в вакуумных печах, пропус­ кают через жидкий металл другой газ, например азот (для цвет­ ных сплавов) и окись углерода, аргона и др. (для стали).

Ликвация

Ликвация в отливках бывает зональная, внутрикристаллитная и возникающая в результате разности удельных весов со­ ставляющих сплавов. Чем больше склонность сплава к ликва­ ции, тем менее однородна по качеству отливка в разных частях.

Практически для большинства сплавов наиболее нежела­ тельной является зональная ликвация. Обычно зональная ликва­ ция образуется вследствие того, что отдельные составляющие в сплаве из-за различных температур затвердевания и удельных весов вытесняются как в жидком состоянии, так и при затвер­

девании сплава. В стали, в чугуне ликвируют сера, фосфор, уг­ лерод, газы, неметаллические включения, располагаясь главным образом в верхней и осевой частях отливки. Мелкозернистое строение отливки уменьшает влияние зональной ликвации.

Внутрикристаллитная ликвация образуется при ускоренном охлаждении отливок во время затвердевания сплава, в резуль­ тате чего состав отдельных частей кристаллов не успевает вы­ равняться. Она менее отрицательна, чем зональная ликвация. Ее действие может быть ослаблено термической обработкой отливок.

Ликвация* возникающая в результате разности удельных ве­ сов, главным образом наблюдается у сплавов, содержащих в своем составе тяжелые металлы, например высокосвинцовую бронзу. В ней ликвирует свинец, имеющий большой удельный вес. Такая ликвация предотвращается перемещиванием сплава перед заливкой в формы и большой скоростью охлаждения его во время затвердевания.

Макростроение сплавов

Более высокие механические свойства имеют сплавы с мел­ козернистой макроструктурой, не ориентированной, без проме­ жуточных пленок окислов и сульфидов, ослабляющих связь между отдельными кристаллами. Для образования мелкозер­ нистой структуры необходимо, чтобы в затвердевающем сплаве было больше зародышей, которыми могут быть элементарные кристаллы или группы кристаллов данного сплава, а также отдельные включения некоторых веществ. Для получения мелко­ зернистой не ориентированной структуры в сплавы вводят раз­ личные модификаторы, которые одновременно являются и раскислителями, а некоторые из них — десульфураторами. Наибо­ лее распространенными модификаторами для чугуна являются кремний, сплав кремния с кальцием (силикокальций), магний, для стали — алюминий, титан и др., для силумина — натрий и др. Мелкозернистую структуру сплава можно получить в результа­ те увеличения скорости охлаждения отливки во время ее затвер­ девания или путем встряхивания в этот период.

В отливках, имеющих различную толщину стенок, более крупнозернистое строение получается в толстых сечениях вслед­ ствие их более медленного охлаждения, следовательно сплав-

вэтих местах имеет пониженные механические свойства. Разница

вмеханических свойствах толстых и тонких сечений проявляет­ ся больше при пользовании сплавом, имеющим широкий интер­ вал затвердевания, а также в котором происходит выделение составляющих веществ с низкими механическими свойствами.

Например, у серого модифицированного чугуна, имеющего пре­ дел прочности при изгибе 54 кг/мм2, разница уменьшается при­ мерно в два раза при увеличении толщины стенки от 2 0 до 1 2 0 мм, так как в более толстых стенках выделяются более круп­ ные включения графита. Поэтому повышение содержания угле­ рода, кремния и фосфора усиливает неоднородность механиче­ ских свойств, а никель, молибден, отчасти хром и медь — умень­ шают ее.

На однородность свойств серого чугуна благоприятное влия­ ние оказывает его высокий перегрев, способствующий получению в нем мелкозернистого графита.

Неметаллические включения в сплавах также ухудшают его свойства. Особенно отрицательное действие оказывают включе­ ния остроугольной или вытянутой формы, расположенные по границам зерен в виде пленок или цепочек. Включениями могут быть окислы, сульфиды, нитриды и другие составляющие. Для удаления окислов производится раскисление сплава. Неметал­ лические включения удаляют отстаиванием жидкого сплава, про­ дувкой через сплав нейтральных газов, кипением ванны и дру­ гими методами.

Кроме перечисленных основных свойств, литейные сплавы также характеризуют удельную прочность, обрабатываемость резанием и стоимость.

Значения удельной прочности сплавов, выраженные в кг/мм2 и отнесенные к единице удельного веса, примерно равны

Из приведенных данных следует, что более высокую удель­ ную прочность имеют магниевые сплавы, низколегированные стали и сплавы на основе алюминия.

Обрабатываемость сплавов резанием на металлорежущем оборудовании, выраженная временем, необходимым для удале­ ния единицы объема сплава, характеризуется следующими дан­ ными:

В отношении обрабатываемости сплавы цветных металлов значительно превосходят железоуглеродистые сплавы, чугун и сталь.

Примерная стоимость тонны отливок из различных сплавов следующая:

Из приведенных данных следует, что стоимость одной тонны отливок из оловянной бронзы, высоколегированной стали и маг­ ниевых сплавов во много раз превышает стоимость отливок из серого чугуна. Главной причиной низкой стоимости отливок из серого чугуна является невысокая стоимость исходных материа­ лов, весьма хорошие его литейные свойства, способствующие получению из него разнообразных и дешевых отливок. Но сле­ дует учитывать, что из одной тонны сплавов на основе алюми­ ния и магния можно изготовить значительно большее количест­ во отливок, чем из железоуглеродистых и медных сплавов. По­ этому действительное соотношение стоимости отливок для этих сплавов будет более благоприятным.

3. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОТЛИВОК

Для плавки металла при изготовлении отливок в качестве исходных материалов применяют огнеупоры, металлические шихтовые материалы, топливо и флюсы.

Исходные материалы оказывают существенное влияние на качество получаемых отливок и их стоимость.

Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы применяются в литейном производ­ стве для футеровки плавильных и нагревательных печей, раз­ ливочных ковшей и различных других устройств, нагрев в ко­ торых достигает высоких температур.

В качестве огнеупорных материалов в основном применяют шамотный кирпич, огнеупорную глину, динасовый кирпич, квар­ цевый песок, магнезитовый кирпич, магнезитовые и доломитовые порошки, хромомагнезитовые кирпичи и угольные блоки.