книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

Возникающий на отливках пригар можно назвать физико-хими­ ческим, так как на поверхности формы и стержня происходят хими­ ческие реакции, способствующие пригару.

Пригар на отливках можно устранить:

1)снижением температуры заливки металла;

2)выбором формовочной смеси надлежащей зернистости и уплот­ нением рабочей поверхности формы;

3)припыливанием (при литье чугуна) поверхности сырой формы каменноугольной пылыо, выделяющей при заливке чугуна в форму

уменьшающими поверхностную пористость; наиболее распростра­ ненной краской для форм стальных отливок является маршалитовая, содержащая не менее 98% маршалита (пылевидного кварца) с добавкой какого-либо связующего и воды (плотность краски по ареометру 1,15—1,25);

5) уменьшением пор в формовочной и стержневой смеси введе­ нием маршалита (30—40%), мелкозернистого кварцевого песка, мо­ лотого кварца.

Для предупреждения образования механического пригара на крупных стальных отливках применяют специальные облицовочные смеси, которые приготовляют с добавкой хромистого железняка, просеянного через сито с ячейкой 3 x 3 мм..

Иногда при использовании некачественных формовочных ма­ териалов с недостаточной огнеупорностью на поверхности отливки вследствие расплавления или шлакования формовочной смеси обра­ зуется термический пригар. Этот пригар устраняется заменой фор­ мовочных материалов более огнеупорными.§

§ 3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ В ФОРМЕ

Залитый в форму металл при охлаждении начинает кристаллизо­ ваться. Кристаллизация — это процесс образования кристаллов при переходе нз жидкого или газообразного состояния в твердое, а также при превращении одной фазы в другую в процессе остыва­ ния затвердевающего сплава. Образование кристаллов при переходе из жидкого или газообразного состояния в твердое называют п е р ­

с т а л л и з а ц и е й. От первичной кристаллизации зависит и вто­ ричная кристаллизация. Поэтому первичная кристаллизация яв­ ляется важнейшим фактором, определяющим механические и другие свойства отливки..

Для образования кристалла из расплава необходим зародыш или центр,кристаллизации. При определенных условиях из заро­ дыша вырастает кристалл. Зародыши кристаллизации могут иметь различное происхождение. Некоторые зародыши образуются само­ произвольно в переохлажденном расплаве при быстром охлаждении.

210

В жидком состоянии атомы движутся беспорядочно и при умень­ шении свободной энергии (охлаждении сплава)' они способны обра­ зовать группы в виде зародышей кристаллизации. Однако центрами кристаллизации могут стать только зародыши некоторой критиче­ ской величины. Кроме самопроизвольно образующихся зародышей в сплаве всегда присутствуют зародыши в виде примесей — про­ дуктов реакций металлургических процессов в ванне печи и на поверхности футеровки. Эти зародыши также являются центрами кристаллизации.

Для начала кристаллизации необходимо уменьшить свободную энергию, т. е. переохладить сплав, отвести некоторое количество теплоты, чтобы на имеющихся в сплаве зародышах начался рост кристаллов. Такое переохлаждение сплава и максимальное число центров кристаллизации наблюдается вблизи стенок формы. По­ этому затвердевание отливки всегда начинается у стенок формы.

Рост первичного кристалла. Из зародыша кристаллизации мо­ жет вырасти кристалл, если сплав продолжает охлаждаться. Форма

ивнутреннее строение первичного кристалла зависят от скорости охлаждения, поверхностного натяжения на границе между твердой

ижидкой фазами и от числа активных зародышей в единице объема расплава.

Чем больше центров кристаллизации, тем мельче будут кри­ сталлы, и наоборот. Вследствие быстрого охлаждения сплава на по­ верхности отливки образуются мелкие кристаллы; в средней части отливки, где охлаждение медленное, происходит более свободный

рост столбчатых кристаллов по направлению к центру отливки. В центральной части отливки образуются более крупные равноос­ ные кристаллы, ориентированные беспорядочно.

В зависимости от различных факторов, влияющих на первичную кристаллизацию, строение отливки определяется видом и взаимным расположением кристаллов затвердевающего сплава. Структура от­ ливки, затвердевшей в песчаной или металлической форме, может иметь кристаллы трех видов: столбчатые или дендритные, с парал­ лельным расположением больших осей, глобулярные (шаровые) — округлой или шестигранной формы и смешанные с беспорядочной ориентацией осей.

Если столбчатые кристаллы простираются до оси симметрии се­ чения отливки, то такую структуру называют транскристаллической (рис. 151, б), а процесс образования такого строения — т р а н с ­ к р и с т а л л и з а ц и е й .

Кроме того, по величине кристаллов различают мелкозернистое- и крупнозернистое строение.

Наибольшей прочностью и пластичностью обладают отливки с мелкими, шаровидными кристаллами. Худшими свойствами об­ ладают отливки, и меющие столбчатую кристаллическую или транс­ крист аллическую структуру.

В фасонных отливках обычно присутствуют кристаллы трех ви­ дов. Наружная зона / около стенок формы состоит из шаровидных

211

зерен, а иногда даже из тонких игл; средняя зона II — из дендритов, а центральная зона III — из равноосных беспорядочно ориен­ тированных кристаллов. Стальные и чугунные отливки имеют более развитую зону смешанных кристаллов, а отливки из цветных спла­ вов — все перечисленные зоны. Это объясняется составом сплавов и их свойствами.

На структуру отливок влияет большое число факторов, главными из которых являются следующие: свойства шихтовых материалов и условия плавки, температурный интервал кристаллизации, примеси, содержащиеся в сплаве, условия подвода сплава в форму и охлажде­ ния отливки в форме, механическое воздействие на процесс кристал­ лизации.

Рис. 151. Кристалличе­ ское строение отливки:

а — нормальное; 6 — при т р а н с к р и ст а л л н за ц и и

Влияние свойств шихтовых материалов и условий плавки. Основ­ ные составные элементы шихтовых материалов почти целиком пере­ ходят в расплав, а затем в отливку. Поэтому кристаллическое строе­ ние отливки зависит от состава и состояния шихты, от температур­ ного режима плавки, раскисления металла. Установлено, что наи­ более благоприятное кристаллическое строение имеют стальные от­ ливки при ведении плавки с интенсивным кипением ванны, а также при тщательном рафинировании.

Влияние температурного интервала кристаллизации. Академик . А. А. Бочвар установил, что в сплавах с узким температурным интер­ валом кристаллизации, т. е. небольшой разницей между температу­ рами ликвидуса и солидуса, чаще всего образуются столбчатые кристаллы. В сплавах с широким интервалом кристаллизации образуются беспорядочно расположенные дендриты. Поэтому от­ ливки из чистых металлов, низкоуглеродпстых сталей, латуней, белого чугуна имеют развитую зону столбчатых кристаллов.

Влияние примесей. Акад. А. А. Байков установил, что нераство­ римые примеси, содержащиеся в расплаве, играют роль центров кристаллизации, если параметры их кристаллической решетки близки к параметрам решетки металлической основы сплава. Благо­ даря этому строение сплава получается мелкозернистое, свойства

212

его улучшаются. Однако при перегреве сплава выше определенной температуры происходит разрушение активного слоя на границе примеси и сплава и ее дезактивация.

Выяснение роли примесей в кристаллизации сплавов позволило направленно изменять кристаллическое строение отливок, т. е. модифицировать сплав, улучшая его свойства.

Влияние модифицирования. М о д и ф и ц и р о в а н и е — это обработка жидких сплавов малыми специальными добавками (мо­ дификаторами) перед заливкой их в формы с целью измельчения кристаллов в процессе первичной кристаллизации. В результате модифицирования сплав становится однородным, отливки — плот­ ными.

Различают модифицирование I и II рода. При модифицировании I рода модификатор, являясь поверхностно-активным веществом, препятствует росту кристаллов и способствует получению мелко­ зернистой структуры. При модифицировании II рода модификатор искусственно увеличивает число зародышей кристаллов. Например, этот эффект модифицирования достигается при введении бора, алю­ миния и других элементов в сталь.

Влияние условий заполнения формы и охлаждения отливки. Ме­ талл, заливаемый в форму, отдает теплоту стенкам формы. Однако вблизи питателя жидкий металл, прогреет стенки формы больше, в результате чего к моменту окончания заполнения температура металла в форме и температура в разных местах формы будут различные. Поэтому в фасонных отливках тепловые условия кристаллизации металла и кристаллическое строение его будут различные.

Скорость кристаллизации тонких и массивных частей отливок различна, поэтому они имеют различное кристаллическое строение.

величина первичных кристаллов уменьшается. Поэтому отливки, полученные в металлических формах, имеют мелкозернистое строе­ ние. Большое влияние на величину зерна оказывает температура заливки. С уменьшением температуры заливки величина зерна уменьшается.

Влияние механического воздействия. Впервые Д. К. Чернов указал на возможность управления кристаллическим строением слитка с помощью его кантования при затвердевании, а также пере­ мешивания жидкого незатвердевшего объема слитка. Механическое воздействие на кристаллизующийся сплав способствует разруше­ нию растущих дендритов, обломки которых могут быть дополни­ тельными центрами кристаллизации, изменяющими строение от­ ливки. На этом принципе основаны такие способы управления кри­ сталлизацией отливок, как заливка в вибрирующие формы, элект­ ромагнитное перемешивание и т. д. Эти способы позволяют получать фасонные отливки с мелкозернистой структурой из сплавов, склон­ ных к транскристаллизации.

213

§4. ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ОТЛИВКАХ

Вотливках при их затвердевании и охлаждении возникают внутренние напряжения, причиной которых является усадка ме­

талла. Эти напряжения могут приводить к короблению отливок, а иногда и к появлению в них горячих и холодных трещин.

Одной из основных причин образования трещин в отливках яв­ ляется торможение усадки формой. Во время усадки отливка давит своими выступающими частями на стержень или форму. Одновре­ менно форма препятствует усадке, вызывая напряжения в отливке. ‘Величина этих напряжений зависит от податливости формы и стерж­

£'фбфЕф = <т/,

откуда

б - af

фW

214

Подставляя значение бф в формулу (10), имеем

Решив относительно а, получим

( И )

Из формулы (11) следует, что усадочные напряжения в отливке, вызванные сопротивлением формы, зависят от физико-механических свойств отливки и формы в данном интервале температуры и соот-

ношения L

V

Обычно трещины в отливках возникают на участке с замедленной скоростью охлаждения, т. е. в горячих местах (рис. 152, б).

Допустим, что отливка имеет горячий узел длиной I. Тогда во время усадки вся отливка будет деформироваться за счет горячего узла, поэтому напряжения необходимо рассчитывать в этом узле, как наиболее опасном вследствие неравномерного охлаждения. Обозначим длину отливки без горячего узла через Lv тогда L1 = = L — I. Абсолютную деформацию более холодной части отливки можно найти по формуле

а абсолютную деформацию горячего участка

еу —al (Ti — To),

где Tj — температура участка длиной I в момент охлаждения основ­ ной части отливки до Г,, при этом Т2 ~> Т2.

Общая абсолютная деформация отливки

e = e0-f еу = а L1{T1 — T2) + al {Тг —Т»).

Так как эта деформация происходит за счет участка I, то отно­ сительная деформация на этом участке составит

в _ аЦ (Гх —Г2) Jr<x(T1 — T2).

Согласно уравнению (11) напряжения о на горячем участке длиной I и сечением Д можно определить по следующей формуле:

(12)

_ L , A . . _ L

Е ^ Fф Еф

Подставив в формулу (12) Lx = L — I, получим

а =

215

Из этой формулы видно, что напряжения в опасной зоне почти пропорциональны длине отливки. Поэтому чем длиннее отливка, тем больше вероятность образования трещин.

Из приведенного следует, что образование усадочных трещин зависит от величины 6Фи при 6Ф = а (Г; — Т2), т. е. при абсолют­ ной податливости формы, напряжения в отливке возникать не бу­

дут.

Горячие трещины имеют окисленную, неровную, темную или цвета побежалости поверхность. Это объясняется тем, что тре­ щины обычно проходят по границам зерен, а темный цвет по­ верхности трещины есть результат окисления при высоких

к тонкому.

На склонность сплава к образованию горячих трещин влияет содержание некоторых примесей, газов п неметаллических включе­ ний. Склонность стали и других сплавов к образованию горячих трещин резко повышается при увеличении содержания серы. Эго объясняется тем, что сульфиды располагаются между кристал­ лами и резко снижают прочность при температурах выше 1100— 1000° С.

С целью исключения образования горячих трещин в отливках необходимо на практике соблюдать следующее:

1) выплавлять сплав строго заданного химического состава;

2)устранять причины, вызывающие затрудненную усадку в про­ цессе охлаждения отливки в форме (применять податливые формо­ вочные и стержневые смеси с органическими добавками, выгораю­ щими и создающими пористость в форме, благодаря чему увеличи­ вается податливость формы и стержня; применять оболочковые формы и стержни);

3)при конструировании отливок устранять резкие переходы от толстых к тонким сечениям и делать плавные переходы;

4)обеспечивать равномерное охлаждение толстых и тонких се­ чений отливок с помощью холодильников;

5)применять конструкции литниково-питающей системы, исклю­ чающие местные перегревы формы и отливки;

6)применять ложные (усадочные) ребра для увеличения проч­ ности массивного сечения отливки, где часто образуются горячие трещины (при обрубке эти ребра удаляют).

Напряжения в отливках могут возникнуть не только из-за тор­ можения усадки отливки формой, но также часто из-за термического торможения усадки. Например, в отливке массивной чугунной рамы (рис. 153) тонкие ребра затвердевают первыми и оказывают сопротивление усадке массивной окантовки, затвердевающей несколько позже. В результате в углах рамы, затвердевающих последними, возможно появление трещин, так как в ней возник­ нут напряжения растяжения, а в тонких ребрах — напряжения сжатия.

216

Напряжения от механического и от термического торможения усадки ие всегда могут вызывать образование трещин в отливках. Очень часто эти напряжения приводят к короблению отливок, что также может быть причиной их брака. Например, если маховик имеет массивный обод и тонкие спицы, то тонкие спицы затверде­ вают первыми и испытывают сжатие при усадке массивного обода, который при усадке растягивается и, деформируясь, теряет свою форму. Если, наоборот, маховик имеет тонкий обод и массивные спицы, то затвердевший первым обод тормозит усадку спиц, которые испытывают растягивающие напряжения. Обод при этом сжимается, также деформируется и теряет правильную форму. Поэтому часто для уменьшения деформации отливки спицы делают S-образной формы, благодаря чему они пружинят, компенсируя частично воз­ никающие напряжения. Кро­ ме того, при литье шкивов с массивным ободом применяют внешние холодильники, что выравнивает скорость охлаж­ дения массивного обода и тон­ ких спиц, и напряжения уменьшаются.

В отливках с элементами типа балок таврового сечения, например направляющих ста­ нин станков, также очень ча­ сто возникают деформации, приводящие к потере точности

уже готовых станков.

рамы

Для устранения напряже­ ний отливки подвергают тер­

мической обработке. Чугунные отливки нагревают до температуры 850—900° С и затем медленно охлаждают, чтобы не допустить боль­ шой разницы температур в тонком п толстом сечениях. При нагреве напряженные части отливки могут деформироваться, благодаря чему напряжения уменьшаются. Отливки станин для точных станков

риодической механической обработкой. Сначала отливки подвер­ гают грубой механической обработке, оставляя припуски для последующей обработки, затем отправляют их на склад. По про­ шествии некоторого времени их вновь подвергают обработке и т. д.

При снятии стружки нарушается равновесное напряженное состояние отливки и она деформируется. В процессе выдержки между обработками происходит перераспределение напряжений и снижение их значений. Кроме естественного старения применяют искусственное старение, состоящее в нагреве отливки до 500—550° С и медленном охлаждении.

217

Г Л А В А П

ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Литейными свойствами называют технологические свойства ме­ таллов и сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и дальнейшем охлаждении отливки.

Наиболее важные технологические свойства — это жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность к ликвации, склон­ ность сплавов к образованию горячих трещин, склонность к погло­ щению газов и образованию газовой пористости.

§ 1. ЖИДКОТЕКУЧ ЕСТЬ

Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов в рас­ плавленном состоянии заполнять полость формы п точно воспроиз­ водить очертания отливки. Хорошая жидкотекучесть сплава обес­ печивает получение плотных высококачественных отливок, умень­ шение газовых и усадочных раковин, а также уменьшение опасности образования всех видов пористости, недоливов и др.

Способность металла или сплава заполнять полость формы за­ висит от их физических свойств: вязкости и поверхностного натяже­ ния. Кроме того, на жидкотекучесть влияют содержание примесей в металле или сплаве, склонность к окисляемостп п теплоотводя­ щая способность литейной формы. Почти у всех металлов и сплавов

трение частиц сплава при его движении, измеряется в пуазах. Вяз­ кость сплава зависит от его состава и температуры, наличия вклю­ чений. Например, твердые включения и продукты раскисления увеличивают вязкость сплава, жидкие же неметаллические включе­ ния с температурой плавления ниже температуры плавления основ­ ного металла уменьшают ее.

Вязкость одного и того же сплава может быть различной при различных способах металлургической обработки. Например, вяз­ кость стали, раскисленной шлаком, меньше вязкости стали, раскис­ ленной свежими раскисл'итёлями — ферросилицием и алюминием. Особенно высокую вязкость имеют титанистые стали с твердыми включениями ТЮа. Высокая вязкость часто является причиной брака отливок по недоливам.

Повышение температуры сплава снижает вязкость и соответ­ ственно повышает его жидкотекучесть. При понижении температуры вязкость сплава повышается, причем особенно сильно вязкость повы­ шается при температуре ниже линии ликвидуса.

По данным Ю. А. Нехендзи, нулевая жидкотекучесть (т. е. сплав перестает течь) наступает у чугунов при содержании 30% твердой фазы, а у сталей — 20%. ,

П о в е р х н о с т н о е н а т я ж е н и е — очень важная ха­ рактеристика жидкого сплава, измеряется в динах на сантиметр

218

(дн/см). С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучееть ухудшается, особенно при заполнении тонких каналов.

Для улучшения заполняемости форм рекомендуется разрушать окисные плены химическим путем. Например, при литье чугуна это достигается обрызгиванием рабочей поверхности формы нефтью или керосином, которые, разлагаясь, создают восстановительную атмо­ сферу в форме.

Влияние свойств формы. При заливке формы отнимают у распла­ ва теплоту. Способность формы отнимать от расплава теплоту опре­ деляется ее теплопроводностью X, теплоемкостью с и плотностью у материала формы, т. е. тепло­ аккумулирующей способностью формы

Ьф — Y Хсу [ккал/(м2ч1/2° С) ],

Величина 6Фхолодной формы из кварцевого песка меньше ве­ личины Ьф холодной формы из дробленого магнезита. Песча­ ная форма медленно отводит теплоту, и расплав заполняет ее лучше, чем форму из магнезита. ААеталлическую форму (кокиль) расплав заполняет хуже, чем песчаную форму, так как кокиль

более интенсивно отводит теплоту от движущегося металла. Разные места формы неодинаково нагреваются протекающим расплавом.

Между текущим расплавом и формой возникает трение. Это внешнее трение, оно тем больше, чем быстрее заливают расплав в форму, чем больше давление расплава на поверхность формы и выше коэффициент трения.

Коэффициент трения расплава о форму уменьшается с увеличе­ нием гладкости рабочей поверхности формы, причем уменьшается в значительной степени в случаях, когда на поверхности формы образуется тонкая газовая пленка из нанесенной на. поверхность формы краекн или припыла. Если количество образующихся в форме газов больше, чем это необходимо для создания газовой пленки на поверхности контакта, а газы и пары не выделяются свободно из формы, то в форме создается противодавление. В таких случаях необходимо устраивать выпоры на всех выступающих частях от­ ливки.

Влияние химического состава. Жидкотекучееть чугуна возрастает с увеличением содержания кремния, фосфора и, особенно, углерода, достигая максимума в чугунах эвтектического состава, определяе­

мого суммой С + у Si -f- ^ Р (рис. 154).

Фосфор улучшает жидкотекучееть чугуна, уменьшает его по­ верхностное натяжение и вязкость, образует легкоплавкую фосфид-

219