4.2. Литейные свойства металлов и сплавов и принципы конструирования литой детали

Сплав, применяемый для получения отливок, наряду с определенными механическими, физическими и химическими свойствами должен обладать также высокими литейными свойствами. Литейными свойствами называются такие технологические особенности металла и сплава, которые определяют его пригодность для получения качественной отливки (без литейных пороков-раковин, рыхлот, трещин и т. д.). Литейные свойства оказывают большое влияние на выбор технологического процесса изотовления отливок. Основными из них являются жидкоте-кучесть, усадка и склонность к ликвации.

Жидкотекучестью называется технологическое свойство жидкого сплава, характеризующее его способность заполнять самые тонкие и сложные полости формы. Это свойство зависит от состава сплава, степени его перегрева, а также от материала формы. Поэтому для сравнения жидкотекучести отдельных сплавов нужно сохранять одинаковыми условия подготовки формы и последующего заполнения ее металлом. Жидкотекучесть наиболее высока у силуминов, оловянистых бронз, серого чугуна, кремнистых чугунов и др. и меньше у углеродистых и низколегированных сталей, белых чугунов и безоловянистых бронз.

Жидкотекучесть выше при заливке сплава в сухие формы и меньше при заливке в сырые песчаные формы. Еще меньше она при литье в постоянные металлические формы.

Сравнительная Жидкотекучесть различных сплавов определяется с помощью специальных технологических проб. Наиболее распространена спиральная проба. Для ее проведения в литейной форме делают спиральный канал постоянного сечения. Путь, проходимый металлом до затвердевания (длина спирали), будет определять величину жидкотекучести.

Усадкой называется свойство металлов и сплавов уменьшать свой объем и размеры при затвердевании и последующем охлаждении. Линейная и объемная усадка выражается в относительных величинах.

Линейная усадка:

где

- размер и литейной форме (на модели);

-размер затвердевшей отливки.

Объемная усадка равна:

где

-объем полости формы;

- объем затвердевшей отливки.

С усадкой связано много затруднений в производстве отливок. Она является причиной образования внутренних пустот в отливках, трещин и коробления.

Величина усадки сплава определяется его химическим составом и температурой перегрева. Так, усадка серого чугуна уменьшается при увеличении содержания С и Si или при снижении Мn и S.

При получении сложных отливок (рис. 4.2, б) выступающие части формы и стержня противодействуют усадке, поэтому действительная ее величина может оказаться меньше по сравнению со свободной усадкой, имеющей место при отливке деталей простой конфигурации (рис. 4.2, а).

Кроме механического торможения усадки, 'при остывании отливки, имеющей значительную разницу в толщине отдельных сечений, возникает термическое торможение усадки из-за неодновременности остывания (рис. 4.2, в). Возможно также одновременное действие механического и термического торможения усадки (рис. 4.2, г).

Рис. 4.2. Сечение отливок, дающих различную усадку: а - свободную; б - с механическим торможением; в - с термическим торможением; г - с комбинированным торможением

Механическое и термическое торможение усадки вызывает возникновение в остывающей отливке внутренних (литейных) напряжений. При механическом торможении усадки со стороны формы или стержней могут появиться «горячие» трещины, возникающие в области высоких температур (когда сплавы имеют низкую прочность). Термическое торможение усадки обычно приводит к образованию «холодных» трещин или короблению отливок из-за больших термических напряжений, могущих превысить предел прочности.

Ликвацией называется неоднородность по химическому составу в различных точках отливки. Различают дендритную и зональную ликвацию. При дендритной ликвации происходит образование неоднородных по своему составу кристаллов, а при зональной - неоднородных зон в различных частях отливки. Ликвация увеличивается при увеличении в сплаве содержания примесей, имеющих большой удельный вес (W, Мо и др.) или низкую температуру плавления (S, Р и др.).

Зональная ликвация в противоположность дендритной увеличивается при медленном охлаждении отливки, когда создаются условия для перемещения различных фаз под действием разницы удельных весов. Характерным для зональной ликвации является то, что наружные участки и тонкие стенки отливки, охлаждаемые в первую очередь, содержат ликвирующих примесей (S, Р) меньше, чем застывающие позже более массивные части.

При дендритной ликвации легкоплавкие компоненты скапливаются на поверхности отливок или в промежутках между затвердевающими кристаллами.

На физико-механические свойства отливок и эксплуатационные качества литых деталей, кроме рассмотренных выше свойств, влияют и другие факторы. Среди них следует отметить способность металлов и сплавов поглощать газы (Н₂, N₂, О₂ и др.), попадающие из шихтовых материалов, окружающей среды, материала формы и т. д. Растворимость газов в расплавленном металле зависит от температуры, понижаясь с ее уменьшением.

Рассмотренные выше литейные свойства сплавов и их влияние на механические свойства отливок необходимо учитывать при проектировании литых деталей.

Принимая во внимание жидкотекучесть отдельных сплавов, нельзя устанавливать, например, толщину стенок детали меньше некоторых предельных значений. Так, при литье в песчаные формы рекомендуются следующие минимальные толщины стенок (в мм): для медных сплавов-2; для ковкого чугуна-2,5; для серого чугуна и алюминиевых сплавов - 3; для стальных отливок-5. Чем тоньше стенки и сложнее конфигурация отливки, тем выше должна быть температура заливки для обеспечения заполнения формы.

Наиболее радикальной мерой предотвращения усадочных раковин является устройство прибылей на тепловых узлах отливок. Не устраняя самого процесса усадки, прибыль питает основную часть отливки, уводя тем самым усадочную раковину за пределы отливки. Не рассматривая подробно способы расчета прибылей, укажем только, что давление газов в замкнутой усадочной раковине в обычной прибыли меньше атмосферного. Но эффект питания отливки со стороны прибыли будет выше при повышении давления газов в полости усадочной раковины, образующейся в прибыли. С этой целью применяют прибыли, действующие под атмосферным, газовым и повышенным воздушным давлением (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Прибыли: 1 - открытая; 2 - обыкновенная отводная закрытая; 3 - закрытая с пористым стержнем (под атмосферным давлением); 4 - закрытая с подачей сжатого воздуха в прибыль; 5-закрытая с газообразующим патроном (под газовым давлением); 6 - холодильник

В прибылях, действующих под газовым давлением, устанавливается специальный патрон с газообразующим зарядом (мел или мел с термитом). Стерженек должен прогреться и начинать выделять газ только после образования на прибыли сплошной твердой корки металла.

Усадочные дефекты получаются в тепловых узлах, т. е. в наиболее массивных местах отливок, которые затвердевают последними. Более тонкие места, затвердевающие быстрее, получаются здоровыми, так как подпитываются жидким металлом из более массивных тепловых узлов.

На рис. 4.4 показано неправильное и правильное конструктивное решение теплового узла, характерного для многих отливок. Решение б обеспечивает разрядку теплового узла, так как выравнивает толщину сечения. Трудоемкость же изготовления стержня в литейном цехе как в том, так и в другом случае практически одинакова.

Отливки, сочетающие в себе толстые и тонкие части, не технологичны также вследствие возникновения в них при охлаждении литейных напряжений. Чем более неравномерна по сечению отливка, тем больше возникающие в ней напряжения. При этом последние имеют место как в пластичном, так и в упругом состоянии отливки. Если напряжения достигают значительных величин, то они приводят к образованию трещин или короблению отливок.

Для уменьшения напряжений и опасности образования трещин отливка должна иметь равномерную толщину стенок, что обеспечивает более равномерное охлаждение. Однако одного этого условия недостаточно. Даже при равномерных, но сопрягающихся под острым углом стенках получается сочетание теплового узла, (а следовательно, концентрация усадочных дефектов) и слабины из-за различной ориентации кристаллов (рис. 4.5, а). При возникновении напряжений из-за затрудненной усадки в месте стыка образуются трещины. Одностороннее округление в месте сопряжения двух стенок уменьшает опасность образования трещин (рис. 4.5, б). Однако термический узел останется, что вызовет образование усадочной рыхлоты или раковины, являющейся концентратором напряжений. Только двухстороннее скругление значительно улучшит условия кристаллизации (рис.5,в).

В ответственных тонкостенных отливках, в особенности работающих под давлением, следует делать еще более плавные переходы.

Рис. 4.4. Конструкция тепловых узлов отливки: а - неправильно; б - правильно

Рис. 4.5. Варианты сопряжений прямоугольных стенок

При необходимости сопряжения тонких и толстых стенок для предупреждения трещин (из-за термического торможения усадки) вместо резких переходов толщин следует делать плавные.

При производстве отливок из сплавов с повышенной усадкой для устранения трещин и рыхлот в стыке ребер со стенкой иногда предусматриваются дополнительные тонкие ребра, которые называются литейными или усадочными. Они выполняются обычно не по модели, а прорезкой узких щелей в форме.

Литейные ребра имеют меньшую толщину, чем стенки отливки, они затвердевают в первую очередь и воспринимают значительную часть возникающих напряжений, предохраняя отливку от горячих трещин.