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

ную эвтектику. Большое значение имеет повышенное содержание фосфора (до 1 —1,5%) для художественного литья, когда требуется повышенная жндкотекучесть. Сера и марганец в отдельности слабо влияют на жндкотекучесть, но при наличии обоих элементов обра­ зуется сульфид марганца, сильно понижающий жндкотекучесть.

Низкоуглеродистый перлитный чугун (2,8—3% С) на диаграмме состояния Fe — Fe8C располагается дальше от эвтектики (4,3% С), чем высокоуглеродистый (3,5% С), поэтому его жндкотекучесть меньше жидкотекучести серого чугуна. Белые чугуны обладают

Рис. 155. Технологическая проба для определения жидкотекучести чугуна

худшей жндкотекучестыо по сравнению с перлитными, так как они находятся еще дальше но составу от эвтектики. Никель и медь слабо влияют на повышение жидкотекучести низколегированных чугунов, а хром, молибден и титан понижают ее.

Определение жидкотекучести сплавов. Способность жидкого сплава заполнять форму необходимо рассматривать как комплексное технологическое свойство, на которое оказывают большое влияние свойства сплава, свойства формы и конфигурация ее полостей. Жндкотекучесть сплавов определяют с помощью заливки специаль­ ных технологических проб в виде тонких прутков, пластин прямых и спиральных. По пути, пройденному сплавом по каналам технологи­ ческой пробы (т. е. по длине прутка), находят.жндкотекучесть спла­ ва. Жндкотекучесть чугуна часто определяют по спиральной пробе (рис. 155) с трапециевидным сечением площадью 0,56 см2. После заливки измеряют длину заполненной части спирали, которая харак­ теризует жндкотекучесть чугуна.

220

ниях, а в относительных:

где /ф — линейный размер литейной формы; /0 — размер отливки при обычной температуре после затвердевания; Уф — объем формы; У0 — объем отливки при обычной температуре.

Линейная усадка. Линейную усадку определяют специальными приборами, один из них приведен на рис. 156.

Линейная усадка начинается не с момента окончательного за­

.htdtlrй-Фт- — ---------------------------

L__

1 2

Рис. 156. Прибор для определения линейной усадки:

1 — корпус; 2 — диск с циферблатом; 3 — индикаторная головка; 4 — роллк; 5 — форма; 6 — передняя каретка; 7 — шпилька; 8 — пробный бру­ сок 30 х 25 х 175 мм; 9 — контрольная планка; 10 — задняя каретка

достаточно прочного скелета из соприкасающихся между собой кри­ сталлов, способного противостоять давлению жидкого сплава. Следовательно, температурой начала линейной усадки будет тем­ пература, находящаяся между ликвидусом и солидусом. Только у чистых металлов начало линейной усадки совпадает с критической температурой.

С увеличением интенсивности теплообмена линейная усадка от­ ливки заметно возрастает, т. е. зависит от скорости охлаждения отливки.

В некоторых металлах и сплавах происходят фазовые превраще­ ния. Например, у чугуна — графитизация, у стали — выделение газов’и т. д. Эти превращения способствуют росту объема и увеличе­ нию линейных размеров отливки. Такое увеличение размеров назы­ вается п р е д у с а д о ч н ы м р а с ш и р е н и е м .

Предусадочное расширение существенно влияет на усадку, осо­ бенно высокоуглеродистых сплавов, когда в них происходив про-' цесс графитизации, а также на усадку многих легированных и

221

средне- и высокоуглеродпстых сталей. Предусадочное расширение сказывается на объеме усадочных раковин и склонности к образова­ нию трещин. При увеличении предусадочного расширения сплава объем усадочных раковин и склонность к образованию трещин

уменьшаются. !

Литейная усадка. Литейной усадкой называется разница между линейными размерами модели 1К0Л и отливки /отл:

&ЛПТ -- ^мод Аэтл 100%.

Литейная усадка отличается от линейной тем, что она зависит не только от свойств и состояния металла и сплава, но также и от конструкции отливки, кон­ струкции формы и некото­

рых других факторов. Сложные по конфигура­

ции отливки подвергаются

охлаждения жидкого чугу­ на объем его уменьшается.

Одновременно с этим происходит графнтизацпя чугуна, способ­ ствующая увеличению его объема. Суммарная объемная усадка жид­

чем меньше интервал кристаллизации и больше содержание графита, выделяющегося непосредственно из жидкого чугуна при затвердева­

ческое значение три: предусадочное расширение ерас, доперлитная усадка едп и послеперлитная усадка епп. Кроме того, различают полную еп и действительную ед усадку. В чугуне предусадочное расширение ерас зависит от процесса графитизации, от того коли­ чества графита, которое выделяется в твердой массе металла в пе­ риод затвердевания. На предусадочное расширение ерос влияют давление жидкого чугуна на твердую массу чугуна и выделение гра­ фита в жидкой части отливки.

Свободная усадка зависит главным образом от состава чугуна и скорости охлаждения. Свободная усадка тем меньше, чем больше содержание углерода и кремния и больше толщина отливки. При

222

этом послеперлитная усадка епп изменяется мало и составляет всего 1%. Полная усадка еп представляет собой сумму доперлитной и

пример, коэффициент объемной усадки жидкой стали составляет 0,9 -1СГ4 на 1° С, жидкой меди — 1,89 ПО-4

на 1° С. При затвердевании эти величины1,2для стали и меди соот­

ветственно будут 0,034 и 3,91 ПО-2 на 1°С.

V

Усадочные раковины

1,0

Усадочные раковины в отливках — это0,9полости, возникающие вследствие усадки сплавов при затвердевании.

Схема образования в фасонной отливке0,8 усадочной раковины

223

Твердая корка образуется не сразу после заливки формы металлом. В этот период отливка питается за счет литниковой системы. Затем следует усадка жидкого металла внутри твердой корки при охла­ ждении до температуры начала кристаллизации или температуры ликвидуса (рис. 159, б и в). Усадка сплава и уменьшение объема при переходе из жидкого состояния в твердое превышают усадку корки. Поэтому в определенный момент сплав отделяется под действием силы тяжести от верхней затвердевшей корки и опускается. В сле­ дующий период происходит кристаллизация жидкого металла внутри твердой корки, при которой металл усаживается, и в результате образуется раковина (рис. 159, г, д). В раковине в отливках из сплавов, не содержащих газов, создается разрежение, вследствие чего тонкая корка может прогнуться внутрь раковины.

Рис. 159. Схема образования усадочной раковины в фасонной отливке

Чтобы не допустить образования усадочной раковины, необхо­ димо на отливках устанавливать прибыли, из которых под действием силы тяжести жидкий сплав перемещается в затвердевающую от­ ливку. Усадочная раковина в этом случае образуется только в при­ были, которую отделяют от отливки.

Относительная величина усадочной раковины различна у разных сплавов. Например, объем усадочной раковины в отливках из стали составляет 3— 10°6 начального объема сплава, из серого чугуна 1.5— 2,5%, модифицированного чугуна 2—3,5%, белого чугуна 2.5— 6%, чугуна с шаровидным графитом 0—13%.

где е^от — усадка отливки.

Объем усадочной раковины зависит от многих факторов:

1)коэффициента усадки металла или сплава в жидком состоя­ нии, который зависит от химического состава металла или сплава;

2)температуры жидкого металла или сплава к началу затверде­ вания отливки; чем выше эта температура, тем больше объем уса­ дочной раковины;

224

3) величины усадки при затвердевании еКзЛв, зависящей только от природы и состава сплава;

4)степени графитизации чугунов; чем больше в чугуне графитизирующих элементов (кремния, углерода и др.), тем меньше его усадка;

5)податливости формы и стержня; чем податливее форма и стержень, тем больше усадка и наоборот;

6)конструкции отливки при резких переходах от толстых частей

ктонким. Чем больше разница этих частей по толщине, тем больше усадка.

Усадочная пористость

Усадочная пористость — это скопление мелких пустот (пор) неправильной формы, которые образовались в отливке в результате объемной усадки при отсутствии доступа жидкого металла.

У с а д о ч н ы е п о р ы появляются в междендритных про­ странствах в тот момент, когда объемная усадка еще продолжается, а доступ жидкого металла к порам прекратился. В процессе затвер­ девания сплава растущие дендриты соединяются, образуя изоли­ рованные друг от друга и от прибыли ячейки. При прекращении питания ячеек жидким металлом возникают небольшие раковины, совокупность которых дает усадочную пористость.

Различают следующие виды пористости: рассеянную, осевую и местную.

Р а с с е я н н а я пористость — очень мелкие поры, равномерно рассеянные по большей части объема отливки. Рассеянная пори­ стость сильно развивается при медленном затвердевании массивных отливок из сплавов с большим температурным интервалом между ликвидусом и солиДусом.

О с е в а я пористость образуется в центральных частях отли­ вок, а также в длинных и тонких сечениях. Это объясняется тем, что объемная усадка центральной части еще не закончилась, а доступ к ней жидкого сплава ухудшился или же вовсе прекра­ тился.

М е с т н а я пористость образуется в частях отливки, отделенных от жидкого сплава уже затвердевшим сплавом, который прекратил доступ жидкого сплава в них. Местная пористость состоит из пор больших размеров, сконцентрированных в утолщенных местах отли­ вок с резкими переходами от тонкой части к толстой и в местах под­ вода литников.

Способы устранения усадочных раковин и пористости

Усадочные раковины и усадочная пористость нарушают и ослаб­ ляют сечение отливки. Они часто являются также местами концен­ трации напряжений и образования горячих трещин. Обычно уса­ дочные раковины и поры возникают в тех местах отливок, которые затвердевают последними. Поэтому единственным способом полу­

чения отливок без усадочных раковин и пор является подача жид­ кого сплава в форму в течение всего процесса затвердевания сплава в форме. Подвод жидкого сплава к кристаллизующемуся месту должен быть непрерывным до полного затвердевания отливки. Избежать образования усадочных раковин и пористости можно только в том случае, если кристаллизующийся объем отливки будет находиться в непосредственном соприкосновении с жидким сплавом.

С этой целью на отливки устанавливают прибыли — искусст­ венные резервуары с необходимым запасом жидкого сплава для питания отливки в течение всего периода кристаллизации. Для обес­ печения питания отливки жидким сплавом из прибыли необходимо выполнять следующие условия: 1) запас сплава, т. е. объем при­ были, должен быть таким, чтобы его хватило на компенсацию у,садки во время затвердевания отливки; 2) прибыль должна затвер­ девать позже отливки; 3) необходимо ставить прибыль на отливке там, где она обеспечит доступ жидкого сплава на участки отливки, затвердевающие последними.

Для получения плотных отливок без усадочных раковин и по­ ристости должны быть созданы условия для направленного затвер­ девания сплава, т. е. наиболее удаленные от прибыли (питателя) участки отливки должны затвердевать в первую очередь, за ними менее удаленные участки и в последнюю очередь участки отливки, расположенные под прибылью, а затем и сама прибыль.

При направленном затвердевании обеспечивается непрерывное поступление жидкого сплава из прибыли в последовательно затвер­ девающие участки отливки, так как эти участки соединены непосред­ ственно с жидким сплавом, находящимся в прибыли.

При последовательном затвердевании создаются благоприятные условия для передвижения жидкого сплава по незатвердевшей части отливки, и поэтому легко образуется сосредоточенная усадочная раковина. Условия направленного затвердевания отливки улуч­ шаются при выравнивании отвода теплоты от ее массивных и тонких мест, что достигается установкой в форму холодильников — массив­ ных металлических элементов, обладающих повышенной теплоем­ костью и теплопроводностью.

Н а р у ж н ы е х о л о д и л ь н и к и устанавливают в форму с внешней стороны массивных частей отливки. Вследствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодильника отвод теплоты от массивной части отливки происходит интенсивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей затвердевания массивной и тонкой частей, уменьшению объема усадочной рако­ вины, а в некоторых случаях полному ее устранению. Для полного устранения усадочной раковины в массивных частях одновременно

схолодильниками используют-прибыли на этих частях.

Вн у т р е н н и е х о л о д и л ь н и к и устанавливают внутрь полостей формы, образующих неответственные массивные части отливки. Эти холодильники изготовляют из сплава одного хими­ ческого состава со сплавом отливки.

2 2 6

При заполнении формы внутренние холодильники омываются сплавом и частично расплавляются, соединяясь с ним. Однако иногда поверхность внутренних холодильников плохо сваривается с основным сплавом, поэтому в ответственных отливках применять их не рекомендуется. Способы установки холодильников различ­ ного типа приведены на рис. 221.

При объемном затвердевании кристаллизация происходит по всему объему отливки одновременно, поэтому сосредоточенной ра­ ковины не образуется, а возникает большое количество мелких ра­ ковин (усадочная пористость).

При промежуточном затвердевании образуются сосредоточенная усадочная пористость в отливках.

Для обеспечения оптимальных условий питания отливок и полу­ чения их без усадочных раковин и пористости используют различные способы, например установку прибылей с атмосферным и газовым давлением в стояке или изотермических прибылей, подогрев прибы­ лей, а также различные методы физического воздействия, например ультразвук, электромагнитное перемешивание, вибрацию и др. Этими способами можно в той или иной степени управлять процес­

в процессе затвердевания отливки. Причиной ликвации является различная растворимость отдельных компонентов сплава в его твер­ дой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. В железоуглеродистых сплавах заметно ликвируют сера, фосфор, углерод. Ликвация вызывает неоднородность механических свойств в различных частях отливки, что приводит к поломкам дета­ лей при эксплуатации.

Различают дендритную и зональную ликвацию. Дендритная лик­ вация — это химическая неоднородность отдельных дендритоз сплава. Она возникает вследствие процесса «избирательной кри­ сталлизации»: растущие первыми оси дендритов содержат меньшее количество примесей, чем исходный сплав, а остающийся жидкий сплав обогащается примесями. В результате в межосных простран­ ствах дендритов скапливаются примеси — возникает ликвация внутри дендритов.

Зональная ликвация — это химическая неоднородность сплава в различных частях затвердевшей отливки. В образовании зональной ликвации наряду с «избирательной кристаллизацией» большую роль играют процессы, приводящие к перемещению ликвирующих эле­ ментов из одной части отливки в другую при кристаллизации. Это могут быть диффузия примесей из двухфазной области кристалли­ зующейся отливки в объем незатвердевшего жидкого сплава, кон-

Раздел третий

ПРОИЗВОДСТВО о т л и в о к ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

ГЛАВА I

СЕРЫЕ ЧУГУНЫ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок благодаря хорошим технологиче­ ским свойствам и относительной дешевизне по сравнению с другими литейными сплавами.

Чугун — это многокомпонентный сплав железа с углеродом (бо­ лее 2%) и другими элементами, затвердевающий с образованием эвтектики.

Согласно диаграмме железо — углерод (рис. 160) при стабиль­ ном равновесии весь углерод в чугуне кристаллизуется в виде гра­ фита, а металлическая основа — в виде феррита (серый чугун); при метастабильном равновесии весь углерод кристаллизуется в составе цементита Fe3C (белый чугун). На характер кристаллизации чугуна, а также на форму, размеры и расположение образующихся фаз влияют следующие факторы: химический состав сплава, скорость охлаждения, толщина стенок отливки. Конечную структуру можно изменять воздействием на жидкий чугун (перегревом, модифициро­ ванием, вибрацией, ультразвуком и другими способами), а также термической обработкой отливок.

Серый чугун содержит углерод в виде графита и цементита, находящегося в перлите. Свойства серого чугуна во многом зависят от количества графита и перлита, а также от формы и величины гра­ фитных включений. Графит сильно влияет на основные свойства чугуна, особенно на прочность, характеризующую чугун как кон­ струкционный материал.

На прочностные свойства чугуна оказывают влияние включения графита, которые ослабляют поперечное сечение металлической основы в направлении, перпендикулярном к приложению внешней растягивающей силы, особенно при хаотическом расположении включений графита в чугуне.

Включения графита оказывают также «надрезывающее» действие на металлическую основу; «надрезывающее» действие пластинчатого графита снижает прочность чугуна тем больше, чем больше в нем

229