2. Литейные сплавы
Классификация литейных сплавов и их основные характеристики
Для производства отливок используются различные сплавы, классификация которых приведена на рис. 2.1. Примерно 77 % (по массе) всех изготовляемых в машиностроении отливок делают из чугуна. Этому способствует самая низкая среди всех литейных сплавов стоимость чугуна, его сравнительно высокая прочность и хорошие литейные свойства.
Рис. 2.1. Классификация литейных сплавов
В литейном производстве 94 % чугунных отливок по массе изготавливают из серого чугуна марок СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20 и др. Механические свойства чугунов зависят от химического состава, структуры и массивности отливки. Механические свойства серых чугунов можно существенно улучшить при одновременном сохранении высоких литейных свойств, применяя модифицирование и легирование.
Примерно 5% чугунных заготовок производят из ковкого чугуна. Наиболее ходовыми марками ковкого чугуна являются КЧ37-12, КЧ35-10, КЧ33-8, КЧ30-6. Ковкий чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью, занимая по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Следует отметить, что процесс изготовления отливок из ковкого чугуна длителен и энергоемок, поэтому во многих случаях значительно экономичнее получение их из высокопрочных чугунов.
Высокопрочный чугун марок ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70 по механическим и литейным свойствам приближается к сталям, но дешевле их (в среднем на 25 %), плавится при более низкой температуре, лучше обрабатывается резанием.
Из стали производят около 21 % всех отливок по массе. По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Последние в зависимости от количества легирующих элементов делятся на низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%). Литейные стали 15Л, 20Л, 45Л, 10Х18Н9ТЛ, 110Г13Л обладают пониженной жидкотекучестью и большой усадкой. В связи с этим расход металла на отливку увеличивается примерно в 1,6 раза по сравнению с чугунной.
Литье из цветных сплавов составляет по массе примерно 4 % в общем объеме литейного производства. Наиболее распространены сплавы на основе меди – бронзы и латуни. Бронзы, применяемые в литейном производстве, подразделяются на две группы: оловянные (БрО10Ф1, БрО5И5С5, БрО5С25 и др.) и безоловянные (БрС30, БрА10Ж4Н4Л, БрА9Мц2Л и др.). Бронзы отличаются высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами. Они обладают хорошей жидкотекучестью, но сравнительно большой усадкой и склонностью к окислению.
Литейные латуни (ЛЦ16К4, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ30А3 и др.) имеют сложный химический состав. Кроме цинка, в их состав входят Al, Fe, Mn и другие элементы. Латуни имеют более высокие литейные свойства, чем бронзы, поэтому из них легче получить плотные, герметичные отливки.
Алюминиевые литейные сплавы (АЛ2, АЛЗ, АЛ6, АЛ7 и др.) содержат в своем составе, как правило, в незначительных количествах Мg, Si, Cu, Mn, Ni, Zn и другие элементы. По преобладающему после алюминия элементу они делятся на пять основных групп: кремниевые (Si ≥5 %), магниевые (Мg ≥ 4 %), медные (Сu ≥ 4 %), цинковые (Zn ≥ 3 %) и сложные по составу, отличающиеся повышенной жаростойкостью. Их высокие литейные свойства позволяют получать тонкостенные и сложные по форме отливки.
Магниевые литейные сплавы (МЛ5, МЛ6, МЛ8) по химическому составу делятся на три группы: I – сплавы на основе системы Mg-Al-Zn; II – Mg-Zn-Zr и III – Mg-РЗЭ-Zr. Магниевые сплавы уступают алюминиевым по пластичности и коррозионной стойкости. Сплавы имеют плохую жидкотекучесть, большую усадку, склонны к образованию усадочных рыхлот. Они способны воспламеняться в жидком состоянии, что затрудняет изготовление отливок.
К тугоплавким сплавам относятся сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия, ванадия. Эти сплавы имеют высокую температуру плавления (1700–3500 ºС) и отличаются повышенной прочностью при высоких температурах. Как конструкционный материал чаще используют титановые сплавы. Для фасонных отливок применяют сплавы: ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ3-1Л и др. Литейные свойства титановых сплавов характеризуются малым интервалом температур кристаллизации и высокой химической активностью по отношению к окружающей среде и формовочным материалам.
Цинковые сплавы (ЦАМ10-4) в качестве легирующих элементов могут содержать медь, алюминий и в незначительных количествах – магний и марганец.
Легкоплавкими являются сплавы, полученные на основе висмута, олова, свинца и кадмия. Эти сплавы имеют температуру плавления 70–420 ºС.
Области рационального применения литейных сплавов
Выбор материала отливки в первую очередь зависит от условий эксплуатации детали в собранной машине: испытываемых нагрузок, температуры, агрессивности окружающей среды и других факторов. Немаловажное значение при выборе материала играет сложность и точность отливок.
Фасонные детали, не подвергающиеся ударным нагрузкам, действию растяжения и изгиба, изготовляются обычно из чугуна. Для фасонных деталей машин, работающих в тяжелых условиях и испытывающих большие нагрузки, применяют сталь. Получение крупных отливок из стали затруднено.
Серый чугун, широко используемый для изготовления корпусных деталей, является хорошим конструкционным материалом, достаточно дешевым и обладающим хорошими технологическими свойствами (жидкотекучесть, обрабатываемость резанием). Механические, физические, технологические и другие свойств чугуна можно изменять в достаточно широких пределах, что значительно расширяет область использования этого материала. Из серого чугуна марок СЧ15, СЧ20 отливают корпусные детали металлорежущих станков, сельскохозяйственных машин, центробежных насосов, редукторов и многие другие. Ответственные детали автомобильных и тракторных двигателей (блоки, цилиндры, головки), которые должны обладать повышенной прочностью, изготовляют из серого чугуна марок СЧ25, СЧ30.
Корпусы высоконапорных центробежных многоступенчатых насосов делают из стального литья и высокопрочного чугуна.
Корпусы паровых турбин, работающие при давлениях до 200 Н/см2 и температуре до 250 ºС, изготавливают из серого чугуна марки СЧ25 и модифицированного чугуна марки СЧ30. Корпусы паровых турбин, работающие при температуре 250–400 ºС, производят из углеродистой стали марки 30Л. Для паровых турбин, работающих при температуре 400–500 ºС, применяют молибденовые и хромо-молибденовые стали марок 30ХНМЛ, 35ХГСЛ. Для более высокой температуры корпусы делают из стали с присадкой ванадия и титана (сталь марки 13ХНДФТЛ).
Для корпусных деталей, работающих в условиях вибрации или подвергающихся значительным изгибающим и скручивающим моментам и ударным нагрузкам, применяют ковкий чугун или сталь (например, корпусы редукторов самоходных комбайнов; корпусы заднего моста, дифференциала, руля).
Для деталей, работающих в специфических условиях, применяют высоколегированные стали со специальными свойствами: коррозионно-стойкие (25Х18Л и др.), кислотоупорные (15Х18Н9ТЛ и др.), окалиностойкие (15Х9С2Л и др.), жаропрочные (15Х22Н15Л и др.), износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при абразивном и ударном воздействиях в различных условиях (110Г13Л, 15Х34Л и др.). Следует помнить, что все высоколегированные стали обладают низкими литейными свойствами.
Большинство цветных сплавов обладают отличной жидкотекучестью и обрабатываемостью. Однако применение их в машиностроении ограничено более низкими, чем у черных металлов, механическими свойствами и главным образом гораздо более высокой стоимостью и дефицитностью.
Корпусы насосов, перекачивающих морскую воду, изготавливают из бронзы и латуни.
Алюминиевые сплавы широко используют в автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности для изготовления поршней, корпусов двигателей, деталей приборов.
Магниевые сплавы получили широкое применение в приборостроении и авиационной промышленности для изготовления корпусов приборов, деталей двигателей, инструментов и пр.
Особую группу составляют износостойкие подшипниковые сплавы, применяемые для заливки подшипников. Эти сплавы (баббиты Б83; Б16, БК и др.) состоят из свинца и олова с добавками твердых составляющих (сурьмы, кадмия, никеля, теллура, кальция и др.). Для тяжелонагруженных подшипников применяют бронзу и латунь.
Тугоплавкие материалы являются дорогостоящими и находят применение в основном в некоторых специфических отраслях машиностроения и приборостроения.
Легкоплавкие материалы ввиду низких механических свойств в машиностроении практического применения не нашли. Они используются главным образом в электротехнической промышленности.
Литейные свойства сплавов и их влияние на конструктивные размеры и форму отливок
К литейным свойствам сплавов относятся жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации и газопоглощению.
Жидкотекучесть – способность жидкого металла полностью заполнять полости литейной формы и четко воспроизводить очертания отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры заливаемого в форму сплава и теплопроводности материала формы. Фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит углерода и кремния больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью. Повышение температуры жидкого металла улучшает жидкотекучесть, и чем выше его перегрев, тем более тонкостенную отливку можно получить. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно охлаждает расплав. Минимально возможная толщина стенки отливки для различных литейных сплавов ввиду их разной жидкотекучести неодинакова и составляет (при литье в песчаные формы) для отливок из серого чугуна: мелких – 3–4 мм, средних – 8–10, крупных – 12–15 мм; для отливок из стали – соответственно 5–7 мм, 10–12 и 15–20 мм.
Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадки. На усадку (табл. 2.5) 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, алюминиевых сплавов – с повышением содержания кремния. Увеличение температуры заливки и скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию усадки отливки.
Таблица 2.5. Линейная усадка некоторых сплавов
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение 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.
Помимо искажения линейных размеров усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений. При правильном учете усадочных процессов затвердевание отливки должно идти снизу вверх с образованием концентрированной усадочной раковины (рис. 2.2). В противном случае в теле отливки образуется усадочная пористость.
1 – усадочная раковина; 2 – прибыль; 3 – отливка; 4 – место сосредоточения усадочной
пористости
Рис. 2.2. Схема процесса кристаллизации отливки
Ликвация – это неоднородность строения в различных частях отливки. Возможна ликвация по химическому составу (зональная или дендритная), по плотности, неметаллическим включениям и другим факторам. Зональная ликвация представляет собой химическую и другие неоднородности в объеме всей отливки; дендритная – в пределах одного зерна (дендрита). Склонность к ликвации зависит от химического состава сплава, скорости охлаждения сплава и размеров отливки. Неоднородность химического состава и структуры, по сечению приводит к неоднородности механических свойств отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки.
Склонность к газопоглощению – это способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять кислород, азот и водород. Их растворимость растет с перегревом расплава (температуры заливки). Движение металла в форме мелкими струйками или турбулентными потоками также способствует повышению растворимости газов. При охлаждении в литейной форме газонасыщенного расплава растворимость газов понижается и они, выделяясь из металла, могут образовать в отливке газовые раковины.
Механические свойства отливок
Механические свойства литого металла всегда хуже, чем деформированного, из-за более крупного размера зерна, неоднородности структуры, возможной пористости и других литейных дефектов. В связи с особенностями кристаллизации механические характеристики неоднородны по сечению отливки. Металл у поверхности обладает большей твердостью и прочностью, чем в осевой зоне поперечного сечения.
Прочность литой заготовки зависит от температуры заливки, толщины стенки, способа изготовления и характера охлаждения отливки в форме. Существует оптимальная температура заливки, обеспечивающая наиболее высокую прочность благодаря достижению благоприятных данных в условиях жидкотекучести и скорости охлаждения. С увеличением толщины стенки из- за замедления скорости охлаждения предел прочности литого металла уменьшается (рис. 2.3), а общая прочность заготовки повышается непропорционально увеличению толщины ее стенок.
Рис. 2.3. Зависимость предела прочности серого чугуна σвот толщины стенок отливки S
(А – область отбела)
Подобным же образом, изменяя скорость охлаждения, оказывает влияние на прочность заготовки и способ ее изготовления (табл. 2.6).
Таблица 2.6. Механические свойства и плотность бронзовой отливки
