Тема 1.2. Литейные сплавы. Плавка сплавов

Вопросы:

1. Литейные свойства сплавов.

2. Ви­ды литейных сплавов и их сравнительная характеристика.

3. Плавка литейных сплавов.

1. Главнейшими литейными свойствами сплава являются: жидкотекучесть, усадка и склонность к ликвации.

Жидкотекучестью сплава называют его способность воспроиз­водить рельеф литейной формы. При недостаточной толщине стенки

отливки или низкой жидкотекучести сплава форма заполняется им неполностью, деталь получается с «недоливом» и бракуется.

Жидкотекучесть сплава измеряют при помощи особой техноло­гической пробы – спирали, имеющей трапециевидное поперечное сечение площадью 0,56 см². Модель спирали формуют в песчаной форме и заливают испытываемым сплавом. Чем больше жидкотеку­честь сплава, тем длиннее участок спирали зальется металлом.

Жидкотекучесть сплава зависит от его физико-химических свойств и температуры в момент заливки. Чистая медь обладает низкой жидкотекучестью, но добавка к меди олова или цинка резко увеличивает жидкотекучесть сплава. С повышением температуры заливаемого сплава его жидкотекучесть увеличивается.

Рассчитывая при проектировании толщину стенок отливок, обеспечивающую требуемую прочность и экономию металла, необ­ходимо учитывать жидкотекучесть сплава при оптимальной темпе­ратуре его заливки.

Усадкой называется свойство металлов и сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Объемная и линейная усадка обычно выражается в процентах. На величину усадки оказывают влияние химический состав и темпера­тура заливки сплава. С повышением температуры заливаемого сплава усадка отливки увеличивается.

Линейная усадка. Линейная усадка отливок из серого чугуна равна в среднем 1%, из стали – 2%, из большинства спла­вов цветных металлов – 1,5%. С усадкой сплава связаны многие затруднения в производстве отливок. Размеры модели и полости литейной формы приходится увеличивать по сравнению с чертеж­ными размерами отливки на величину линейной усадки данного сплава. Величину усадки не всегда удается установить достаточно точно, поэтому часто происходит отклонение размеров отливки от чертежных. Из-за усадки в отливке возникают напряжения, что не­редко приводит к ее короблению, а иногда и к образованию трещин.

Объемная усадка. Затвердевание отливки происходит послойно, начиная от стенок формы, и постепенно продвигается вглубь тела отливки. Усадка затвердевшей части отливки происхо­дит за счет еще не затвердевшей части. В результате этого в местах, где металл затвердевает в последнюю очередь, в отливке образуются усадочные раковины или усадочная пористость. Чем больше объемная усадка сплава, тем больше будет величина уса­дочной раковины в отливке.

Ликвацией называется появление неоднородности по химиче­скому составу в различных частях отливки. В сплавах различают два основных вида ликвации: внутрикристаллическую, когда не­однородность охватывает зерна металла, и зональную, когда различ­ные зоны отливки имеют различный химический состав.

На ликвацию оказывают значительное влияние химический состав сплава и скорость остывания отливки. Чем крупнее отливка, тем медленнее происходит охлаждение и тем больше развивается ликвация. В тонкостенных отливках зональная ликвация развита меньше. При сочетании в литой конструкции тонких и толстых сте­нок ликвационные включения концентрируются в толстых частях отливок. Поэтому при конструировании литых деталей необходимо изготовлять их с равномерной толщиной стенок или конструировать по принципу направленного затвердевания так, чтобы отливка затвердевала снизу вверх. В этом случае ликвирующие примеси скапливаются в прибыли, затвердевающей в последнюю очередь.

2. В современном машино­строении и ремонтном деле для производства отливок наибольшее применение получили следующие литейные сплавы: серые (литейные), белые (передельные) и высо­копрочные чугуны, углеродистые и легированные стали, бронзы, латуни, алюминиевые, магниевые, титановые, мо­либденовые, вольфрамовые и др. Технологические свой­ства литейных сплавов характеризуются температурой плавления, жидкотекучестью, способностью поглощать и выделять газы, усадкой и склонностью к ликвации. Чем ниже температура плавления сплава, тем лучше его литейные свойства.

Чугун имеет относительно невысокую темпера­туру плавления (1100…1200 °С), хорошую жидкотекучесть, малую усадку (около 1 %) однородную структуру в отливках. Для плавки чугуна применяют вагранки и электропечи.

Для отливок высокопрочных, легированных, а также ковких чугунов применяют дуплекс-процессы: плавку в вагранке, а за­тем доводку по составу в дуговой или индукционной электропе­чи; это дает возможность перегреть чугун и выдать его точно за­данного состава.

Литейные свойства стали хуже, чем у чугу­на: она не столь жидкотекуча, имеет усадку больше 2 %, поэтому усадочные раковины могут быть значительных размеров, сталь тугоплавка (температура плавления 1400…1540 °С). Чтобы избе­жать брака по усадочным раковинам, в формах кроме выпоров предусматривают прибыли, достаточные для питания жидкой ста­лью затвердевающей отливки.

Однако высокие прочность и вязкость стальных отливок опре­деляют их преимущества перед другими видами литья, поэтому стальные отливки применяют для нагруженных деталей в ряде отраслей машиностроения.

На литье идут доэвтектоидные углеродистые стали с массовым содержанием С 0,1…0,6 % и легированное стали с марганцем, крем­нием, никелем, хромом, медью, ванадием, вольфрамом, молибденом, титаном. Сталь для литья выплавляют в кислородных конверте­рах, мартеновских, двухванных печах или электропечах.

Углерод, марганец, кремний, фосфор улучшают жидко­текучесть чугунов и сталей, а сера и хром ухудшают. Чем меньше литейные сплавы поглощают газы в про­цессе их плавления и заливки форм и чем легче они их выделяют в процессе остывания отливки, тем лучше их литейные свойства.

Сплавы цветных метал­лов для литья выплавляют в электрических однофазных дуго­вых печах барабанного типа, индукционных печах, печах сопро­тивления и в пламенных газовых печах.

Для производства фасонных отливок наиболее широ­кое применение получили бронзы и латуни.

Цинковые сплавы имеют низкую температуру плав­ления и хорошие литейные свойства. Из них изготавли­вают небольшие фасонные отливки на машинах для ли­тья под давлением. Для плавки цинковых сплавов при­меняются главным образом тигельные печи.

Алюминиевые литейные сплавы, применяемые для из­готовления фасонных отливок, имеют хорошие техноло­гические и механические свойства, которые изменяются в зависимости oт состава сплава, методом литья и тер­мической обработки.

Магниевые сплавы имеют более низкие литейные и механические свойства, чем алюминиевые, но зато обла­дают меньшим удельным несом, благодаря чему широко используются в самолетостроении. Для повышения меха­нических свойств отливки из магниевых сплавов подвер­гаются термической обработке (закалке с последующим старением).

3. Шихта для получения жидкого чугуна состоит из металлических материалов, флюсов и топлива.

В качестве металлических материалов применяют литейный и передельный чушковой чугун, металлический лом, оборотный металл, т. е. бракованные отливки, литники, всплески, стружка, сплавы – раскислители и присадки – модификаторы.

Соотношение различных составляющих металлической шихты зависит от требований, предъявляемых к отливкам. Обычно она состоит из 25…40% литейных и передельных доменных чугунов, 60…40% машинного лома и возврата своего производства, 10…20% стального лома и различных ферросплавов.

Для образования шлака необходимой консистенции добавляют флюсы (известняк, доломит, плавиковый шпат), которые понижают температуру плавления шлаков и обеспечивают нормальный про­цесс плавки.

Основным топливом для вагранки является литейный каменно­угольный кокс.

Н аиболее распространенным плавильным агрегатом для получе­ния жидкого чугуна в литейных цехах является вагранка, – печь шахтного типа, в которой топливом служит литейный кокс. Ваг­ранка обеспечивает расплавление и достаточный перегрев жидкого чугуна требуемого химического состава при минимальном угаре и экономном расходе топлива.

На рис. 1 изображена вагранка цилиндрической формы. Ва­гранка опирается на фундамент 1 и на чугунные колонны 2.

Кожух 8 вагранки изготовлен из листового железа толщиной 8…20 мм. Стены 7 вагранки выложены огнеупорным кирпичом. Ко­жух установлен на массив­ную чугунную или стальную плиту с крышкой 3. Лещадь 4 вагранки набивают смесью из песка и формовочной земли с наклоном в сторону летки 14 для выпуска жидкого чу­гуна.

Воздух, нагнетаемый вен­тилятором 6, поступает через воздушное кольцо и фур­мы 5 в вагранку. Современные вагранки чаще всего имеют три ряда фурм, расположен­ных в шахматном порядке. Рис. 1 Схема устройства вагранки

Нижнюю часть вагранки от лещади до воздушных фурм называют горном.

Шихту загружают в ваг­ранку через окно 10 бадьей 13. Пространство над горном до загрузочного окна назы­вают шахтой печи. Футеров­ку верхней части шахты пре­дохраняют от ударов кусками шихты чугунные плиты 9. Продукты горения и частицы раскаленного кокса удаляют­ся через дымовую трубу 12 и искрогаситель 11.

Вагранка обычно имеет копильник 15 для сбора жидкого чугу­на, который выпускается через летку 17 непрерывно или периоди­чески в ковш 18. Шлак выпускают через отверстие 16. Диаметр копильника в свету принимают несколько больше диаметра вагранки; высота копильника равна его диаметру.

В качестве шихтовых материалов для изготовления фасонного литья из цветных сплавов применяют не только чистые металлы, но и вторичные. Медь, никель, цинк, алюминий, магний, свинец по­ступают в литейные цехи в виде слитков различной формы.

Медные сплавы преимущественно приготовляют в барабанных ду­говых однофазных электропечах емкостью 100…1000 кг (рис. 2, а). Железный барабан 6 футеруют фасонным шамотным кирпичом 7; графитированные электроды 4 устанавливают при помощи электро­держателей 9 в печь через ее торцовые стенки. Электроды имеют водяное охлаждение 8. Шихту загружают через окно в стенке печи, которое имеет желоб для выпуска металла. Корпус печи поворачи­вается электромотором 1 и приводным механизмом 2 при помощи зубчатого обода 5 и шестерни 3 вокруг горизонтальной оси с углом качания до 180°, что обеспечивает более равномерный прогрев и перемещение жидкого металла и ускорение плавки.

Рис.2 Современные печи для плавки цветных металлов и сплавов

Наиболее широкое применение получили электрические печи сопротивления и индукционные. На рис. 2, б приведена схема элек­тропечи сопротивления для плавки алюминиевых сплавов. Металл загружают в камеры 1, находящиеся с обеих сторон печи. Спирали 2, нагреваемые электрическим током, передают тепло металлу, на­ходящемуся в камере плавления; металл расплавляется и стекает в сборник 3. При помощи роликов 4 печь наклоняется и металл че­рез летку 5 выпускается в ковш.

Магниевые сплавы плавят в печах с нефтяным, газовым и элект­рическим обогревом. На рис. 2, в показана печь со стационарным тиглем для плавки магниевых сплавов емкостью 200…250 кг. Тигель 1 монтируется в горне 2. Печь нагревается при помощи неф­тяной форсунки или газовой горелки 3; температура регулируется автоматически.

На рис. 98, г приведена тигельная печь сопротивления с нагре­вательной обмоткой вокруг тигля.

В качестве металлической шихты применяют чушковый чугун, металлический лом, оборотный металл (литники, всплески, брако­ванные отливки и стружка), сплавы – раскислители и присадки – модификаторы. Флюсами служат известняк, доломит, плавиковый шпат, апатитовая руда, мартеновский шлак.

Высокая температура плавления, малая жидкотекучесть и высо­кая линейная усадка (2…3%) обусловливают особенности производ­ства стальных отливок.