12.5. Сплавы для изготовления отливок

Наибольшее количество отливок изготовляют из чугуна. Он имеет хорошие литейные свойства и низкую стоимость.

Серый чугун характеризуется высокой жидкотекучестью, малой усадкой (0,9–1,2 %). Отливки без усадочных раковин, пористости и трещин изготовляют в песчано-глинистых и оболочковых формах, кокилях, литьем по выплавляемым моделям, центробежным литьем. Высокопрочный чугун имеет такую же жидкотекучесть, но большую усадку (1,2–1,7%). Для ее компенсации предусматривают установку дополнительных прибылей. Отливки из высокопрочного чугуна получают теми же способами, что из серого. Детали из ковкого чугуна получают путем отжига тонкостенных отливок из белого чугуна. Пониженную жидкотекучесть белого чугуна компенсируют повышением температуры заливки. Усадка белого чугуна больше, чем серого, вероятность образования усадочных раковин, пористости и трещин выше. Отливки из белого чугуна получают в песчано-глинистых, оболочковых формах и кокилях.

Сталь по сравнению с чугуном имеет большую усадку (до 2,5 %) и низкую жидкотекучесть. Это приводит к образованию усадочных раковин и пористости. Низкоуглеродистые стали склонны к образованию горячих трещин вследствие повышенной температуры заливки. Из-за низкой теплопроводности в высокоуглеродистых сталях возникают значительные внутренние напряжения. Стальные отливки получают в песчано-глинистых формах и специальными способами литья.

Среди медных сплавов лучшими литейными свойствами обладают оловянные бронзы (хорошая жидкотекучесть, усадка 1 %). Но они имеют широкий интервал температур кристаллизации, что часто приводит к образованию пористости в толстостенных отливках. Бронзы без олова имеют хорошую жидкотекучесть, но большую усадку (2,4 %), что приводит к образованию усадочных раковин. Все медные сплавы склонны к образованию трещин. Около 80 % отливок из медных сплавов получают литьем в песчано-глинистые и оболочковые формы.

Среди алюминиевых сплавов лучшими литейными свойствами обладают силумины: хорошая жидкотекучесть, усадка 1 %, узкий температурный интервал кристаллизации, не склонны к образованию трещин. Большинство отливок из алюминиевых сплавов (до 80 %) получают литьем в кокиль или под давлением.

Основные виды брака при литье: газовые, усадочные, шлаковые и песчаные раковины, рыхлость, пористость; недостаточное заполнение литейной формы металлом; горячие и холодные трещины, коробление; несоответствие микроструктуры, химического состава, механических свойств металла отливок требованиям ГОСТа. Дефекты отливок выявляются различными методами контроля. Контроль размеров позволяет предупредить массовый брак из-за износа или коробления моделей и стержневых ящиков. Механические свойства и микроструктура контролируются периодическими испытаниями отдельных отливок. Внутренние дефекты выявляются методами радиографической или ультразвуковой дефектоскопии.

13. Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением – технологический процесс получения заготовок необходимой формы и размеров путем пластической деформации. Обработка давлением применима к пластичным материалам (стали, медные, магниевые и алюминиевые сплавы и др.) и может производиться и в холодном и в горячем состоянии.

При обработке металла в холодном состоянии зерна деформируются и вытягиваются в направлении деформации. Прочность и твердость металла при обработке непрерывно увеличиваются, пластичность и вязкость – уменьшаются. Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Большая плотность дислокаций и высокая концентрация точечных дефектов в наклепанном металле препятствует свободному перемещению дислокаций и затрудняет дальнейшую пластическую деформацию.

При обработке металла в горячем состоянии пластичность металла более высокая и увеличении степени деформации не изменяется. Даже при небольшом нагреве металла наклеп, возникающий при деформировании, начинает уменьшаться за счёт того, что частично исчезают дефекты решетки, образовавшиеся при этой деформации. Деформированные зерна форму сохраняют. Это явление называется возвратом металла. При деформировании с более высокой температурой наклеп исчезает полностью. Процесс образования новых более совершенных зерен (с минимальным количеством дефектов в кристаллической решетке), за счет деформированных, называется первичной рекристаллизацией. При дальнейшем нагреве происходит вторичная рекристаллизация, сопровождающаяся объединением и ростом отдельных зерен.

Температура, при которой в металле начинается процесс рекристаллизации, называется температурным порогом рекристаллизации (Т_р). Она связана с температурой плавления зависимостью А. Бочвара Т_р =   Т_пл. Коэффициент  зависит от состава и структуры металла (для сплавов – 0,5–0,6, для технически чистых металлов – 0,3–0,4). Температуры плавления металла – в градусах Кельвина.

Если деформирование металла происходит при Т > Т_р , то упрочнения металла не происходит так как одновременно идут процессы наклепа (упрочнения) и рекристаллизации (разупрочнения). Такая деформация называется горячей. Если деформирование металла происходит при Т < Т_рек, то деформация называется холодной и сопровождается наклепом (упрочнением) металла. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет не только нижний, но и верхний предел.

На рис. 13.1 показан интервал оптимальных температур 1 нагрева сталей, для горячей обработки давлением в зависимости от содержания углерода.

В ерхний предел зоны нагрева лежит на 150–200 °С ниже температуры начала плавления (линии солидуса), нижний – на 60–70 °С выше температур превращения перлита и цементита в аустенит. Зона 3 пережога находится на 100 °С выше зоны 2 перегрева. Пережог металла – неисправимый брак. В зоне перегрева происходит интенсивный рост зерна. Крупнозернистая структура металла делает его менее прочным и хрупким. Для исправления перегрева необходима термическая операция отжига, измельчающая зерно. Ниже линии нижних температурных пределов начинается зона наклепа. При горячей деформации зерно получается тем мельче, чем ближе окончание обработки к нижнему температурному пределу. Заготовки нагревают в пламенных или электрических печах (камерных, методических, индукционных). Нагревать заготовку нужно быстро, чтобы зерно металла не успело вырасти, и он не потерял пластичность, но равномерно, чтобы минимизировать термические напряжения.

В отличие от простых камерных печей, в методических печах рабочее пространство разделено на три зоны: подогрева заготовки (600–800 °С), максимального нагрева (1200–1300 °С) и зону выдержки.

В устройствах электроконтактного нагрева ток большой силы (при малом напряжении) проходит через заготовку, которая служит сопротивлением и разогревает ее.

В индукционных печах заготовка находится внутри индуктора (соленоида) и нагревается под действием вихревых токов Фуко. В этом случае время нагрева сокращается в 15–20 раз. При такой скорости нагрева, по сравнению с другими печами, отсутствует обезуглероживание поверхности заготовки и образуется меньший слой окалины.