2.3. Литейные сплавы и их свойства

Для производства отливок используются сплавы черных металлов: серые, высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов; углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов; медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые, вольфрамовые и др.

Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свой­ствами; требуемыми физическими и эксплуата­ционными свойствами. Выбор сплава для тех или иных литых деталей является сложной задачей, поскольку все требования в реальном производстве учесть не представляется возможным.

Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склон­ность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, запол­нять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т. д.

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных технологических проб. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы.

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 усадку, выражаемую в относительных единицах.

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, %:

ε_лин = (l_ф – l_от)100 / l_от ,

где l_ф и l_от — 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.

Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9…1,3 %, для углеродистых сталей 2…2,4 %, для алюминиевых сплавов 0,9…1,5 %, для медных 1,4…2,3 %.

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

ε_об = (V_ф – V_от)100 / V_от ,

где V_ф и V_от — объем полости формы и объем отливки при температуре 20°С.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пори­стости, трещин и короблений.

Усадочные раковины — сравнительно крупные по­лости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними.

Усадочная пористость — скопление пустот, обра­зовавшихся в от тестах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла.

В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлажде­нии возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина внутрен­них напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или хо­лодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, искажается геометрическая форма отливки.

Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристалли­зации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Кроме того, образование горячих трещин вызывают резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы, выступающие части и т. д.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин.

Коробление — изменение формы и размеров отливки под влия­нием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Для предупреждения короблений в отливках необходимо увеличивать податливость формы; создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.

Ликвация — это неоднородность химического состава сплава в различ­ных частях отливки. Развитие химической неоднородности может происхо­дить как в микрообъемах сплава (внутри отдельных дендритов слитка) — внутрикристаллическая (дендритная) ликвация, так и по отдельным его зо­нам (макрообъемам) — зональная ликвация. Одной из разновидностей зо­нальной ликвации является ликвация по плотности (гравитационная ликва­ция). Дендритную ликвацию устраняют гомогенизацией — высокотемпера­турным диффузионным отжигом, приводящим к выравниванию химического состава в пределах микрозерна. Гравитационную ликвацию подавляют перемешиванием расплава, его быстрым охлаждением, а также применением ле­гирующих добавок, образующих с основой разветвленные кристаллы (дендриты), мешающие перемещению в расплаве твердой фазы.

Растворенные в расплаве газы (водород, азот и др.) при затвердевании и охлаждении отливки могут выделяться в виде химических соединений, а также образовывать газовые раковины и поры. Существенное уменьшение газонасыщенности сплавов достигается при их плавке в вакууме.