Литейные свойства сплавов

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, образованию трещин, поглощению газов, пористости и др.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, температуры заливки и формы, свойств формы, вязкости и поверхностного натяжения расплава и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур.

Это объясняется тем, что для сплавов, затвердевающих при постоянной температуре или в узком интервале температур (не более 30 °С), характерно последовательное затвердевание отливки с образованием сплошной твердой корки на поверхности канала, внутри которой будет сохраняться жидкий расплав, способный вытекать в канал, заполняя его (рис. 2, а). Подвижность таких расплавов сохраняется вплоть до образования 60–80 % в отливке твердой фазы. В отливках образуется столбчатая структура, что обеспечивает высокую плотность и герметичность.

Сплавы, обладавшие широким интервалом затвердевания (более 100 °С), и сплавы, затвердевающие в виде твердых растворов, образуют в расплаве разветвленные дендриты по всему сечению потока (рис.2, в). Такая смесь жидкого расплава со взвешенными дендритами теряет способность течь в каналах литейной формы при наличии твердой фазы 20–30 % от объема. Повышение температуры заливки и температуры литейной формы увеличивает жидкотекучесть сплавов.

Вязкостьи поверхностное натяжение практически не оказывают влияния на жидкотекучесть литейных сплавов. Сплавы, склонные к повышенному окислению с образованием сплошной и прочной оксидной пенки, обладают пониженной жидкотекучестью, так как при заливке оксидные пленки оказывают сопротивление течению расплава, увеличивая внутреннее трение расплавленного металла.

Однако оксидные пленки, образующие легкоплавкие жидкие фазы, наоборот, положительно влияют на жидкотекучесть. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных технологических проб (рис. 3).

Металл заливается в форму через чашу нарощалку 1, через сетку 2, стояк 3 и зумпф 4 и попадает в спиральный канал 5, имеющий форму трапеции высотой 8, шириной 8 вверху и 7 мм внизу. Небольшие выступы 6, нанесенные через 50 мм, облегчают измерение длины спирали. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей – магниевые сплавы.

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, %,

?лин = (?ф − ?от) × 100, от

где lф и lот – размеры полости формы и отливки при температуре 20 °С. На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминиевых сплавов уменьшает повышенное содержание кремния, усадку отливок – снижение температуры заливки. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходят механическое и термическое торможения усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механического и термического торможений.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют соотношением, %,

?об = ( ф − от) × 100, от

где Vф и Vот – объем полости формы и объем отливки при температуре 20 °С. Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке:

?об = 3 ∙ ?лин.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений. Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 4, а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка 1 твердого металла. Вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уровень металла в незатвердевающей части отливки понижается до уровня а–а.

В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уровень жидкости далее 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 3. Сосредоточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава (сплав АК12) и сплавов с узким интервалом кристаллизации (низкоуглеродистые стали, безоловянные бронзы и др.).

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.4, б). Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек 5, заключающих в себе остатки жидкой фазы 4. 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 6. Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам зерен металла.

Получить отливки без усадочных раковини пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть дополного затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают прибыли – резервуары с расплавленным металлом, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к участкам отливки, затвердевающим последними.

Прибыль 1 не может обеспечить доступ расплавленного металла к утолщенному участку отливки (рис. 5, а). В этом месте образуются усадочная раковина 2 и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли 3 (рис. 5, б) предупреждает образование усадочной раковины и пористости.

Предупредить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных холодильников 4 (рис. 5, в) или внутренних холодильников 5 (рис. 5, г). Наружные холодильники (рис. 5, в) устанавливают в форму с внешней стороны массивных частей отливки. Вследствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодильника отвод теплоты от массивной части отливок происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных раковин и пористости.

Для получения плотных отливок необходимо обеспечить надежное их питание и направленное затвердевание отливки, которое должно проходить последовательно по всему объему отливки без образования в ней замкнутых объемов с расплавом. Направленность затвердевания определяют способом вписанных окружностей. Этот способ состоит в том, что в рассматриваемое сечение отливки вписывают окружности в различных точках (рис. 6).

Узлы 1 с окружностями наименьшего диаметра будут затвердевать первыми, затем узел 2 и в последнюю очередь узел 4. В ходе затвердевания в узлах 2 и 4 неизбежно появление усадочных дефектов (усадочных раковин и пористости) из-за затвердевания изолированных объемов расплава. Для предупреждения появления усадочной раковины в узле 2 необходимо увеличить толщину стенки отливки за счет напуска 3 утолщения стенок снизу вверх, а для узла 4 предусмотреть прибыль 5. Прибыли на отливках имеют технологическое значение, и их в конце процесса изготовления отливки удаляют.

Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Ликвация вызывает неоднородность механических свойств в различных частях отливки. Различают дендритную (внутрикристаллитную) и зональную ликвации.

Дендритная ликвидация – это неоднородность химического состава в микрообъемах сплава в пределах одного зерна (дендрита). Во-первых, оси дендрита, затвердевшие раньше, обогащены тугоплавким и обеднены легко-плавким компонентами сплава по сравнению с межосными пространствами. Во-вторых, растущие первыми оси дендритов содержат меньше примесей, чем межосные пространства, в которые эти примеси оттесняются при образовании дендритов. Это приводит к неравномерному распределению примесей по сечению кристалла.

Зональная ликвация – это неоднородность химического состава в микро-объемах с градиентом концентраций в отливке в целом или в отдельных ее частях. Она возникает в процессе диффузии примесей из двухфазной зоны кристаллизующейся отливки в объем незатвердевшего расплава всплывания загрязненных примесями объемов вследствие их меньшей плотности по сравнению с основным сплавом и т. д. Дендритную ликвацию устраняют отжигом отливок. Зональная ликвация устраняется выравниванием толщин стенок отливок, применением рассредоточенного подвода металла к отливке, изготовлением отливок литьем в кокиль и другими способами.