- •Литейные сплавы и плавка предисловие
- •Литейные свойства сплавов
- •1.1. Технологические свойства сплавов и важность их определения для практики
- •1.2. Номенклатура литейных свойств сплавов
- •1.3. Жидкотекучесть. Технологические пробы
- •Взаимосвязь толщин стенок отливок и площади их поверхности при литье в кокиль
- •Взаимосвязь толщины стенок отливки и площади их поверхности при литье под давлением
- •1.4. Склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости
- •V1, v2, v3 и v0 - объемы сплава при соответствующих температурных условиях
- •Температурные коэффициенты объемного сжатия (ткос) в жидком состоянии (индекс «ж») и объемная усадка затвердевания (индекс «з»)
- •1.5. Линейная усадка сплавов и отливок
- •1.6. Усадочные напряжения в отливках
- •1.7. Склонность сплавов и отливок к горячим трещинам
- •1.8. Склонность сплавов и отливок к холодным трещинам
- •3.9. Склонность сплавов к насыщению газами и образованию газовой пористости
- •Растворимость водорода в металлах
- •1.10. Неметаллические включения и плены в сплавах
- •1.11. Склонность компонентов сплавов к ликвации
- •1.12. Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок
- •Механические свойства и рекомендуемый химический состав серого чугуна по гост 1412-85
- •Механические свойства серых чугунов, не предусмотренные гост 1412-85
- •Физические свойства чугунов
- •5.3. Высокопрочный чугун
- •Механические свойства*1 и рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по гост 7283—85
- •5.4. Чугун с вермикулярным графитом
- •Зависимость механических свойств и объема усадочных раковин в чвг от содержания шаровидного графита (шг)
- •5.5. Ковкий чугун
- •Содержание с и Si в отливках из ковкого чугуна в зависимости от толщины стенок
- •Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна по гост 7293-79 (изм. В 1991 г.)
- •Марки, содержание углерода и механические свойства литейных углеродистых сталей по гост 977-88
- •Средний химический состав легированных сталей, мае. %
- •Механические свойства легированных сталей
- •Литейные сплавы цветных металлов
- •6.1. Алюминиевые сплавы
- •Химический состав и механические свойства алюминиевых литейных сплавов по гост 1583—93
- •* В данной таблице обозначения способов литья те же, что в табл. 6.1; то — термическая обработка; ств — временное сопротивление разрыву; стт — предел текучести; 5 — относительное удлинение.
- •Химический состав литейных титановых сплавов, мае. %
- •Линейная усадка 8/ и объем ву.Р усадочных раковин в отливках титановых сплавов
- •Механические свойства бронз
- •Механические свойства латуней
- •Средний химический состав и прочностные свойства никелевых литейных сплавов при температурах 800 и 900 °с
- •Основные понятия и определения
- •Классификация огнеупорных материалов
- •Типовые операции и процессы плавки литейных сплавов Горение топлива
- •Шлакообразование. Строение шлаковых расплавов
- •8.3. Окислительное рафинирование
- •8.4. Закономерности угара элементов в кислых и основных печах
- •Удаление вредных примесей из железоуглеродистых сплавов
- •8.7. Раскисление металла
- •Науглероживание расплавов железа
- •Взаимодействие футеровки с расплавами шлакаи металла
- •Исходные материалы для плавки литейных сплавов Первичные металлические материалы
- •Соотношение содержаний с и Si в литейных чугунах
- •9.2. Вторичные металлические материалы
- •Вторичные черные металлы
- •Физические характеристики* важнейших шихтовых материалов
- •Топливо
- •Важнейшие характеристики каменноугольного кокса
- •9.4. Флюсы
- •Состав известняка, мае. %
- •9.5. Расчет шихты
- •Список компонентов шихты и ограничений по их содержанию
- •Угар (пригар) химических элементов при плавке чугуна
- •Угар элементов при выплавке цветных сплавов, отн. %
- •Примечание. В числителе — угар при плотной шихте, в знаменателе — угар при некомпактной шихте.
- •Примечание. Минимальное значение функции равно 2720,49 руб./т.
- •10.1. Принцип действия и разновидности конструкций коксовых вагранок
- •Особенности горения кокса в вагранках
- •Изменение температуры и химического состава газовой фазы по высоте вагранки
- •Влияние высоты холостой колоши на процесс плавки в вагранке
- •Влияние размеров рабочих колош на процесс плавления шихты в вагранке
- •Влияние качества кокса на тепловые процессы в вагранке
- •Влияние подготовки шихты на ход ваграночной плавки
- •Влияние величины удельного расхода кокса и воздуха на ход ваграночной плавки
- •Способы интенсификации ваграночного процесса
- •Металлургические процессы плавки в коксовой вагранке
- •Расчет требуемого расхода известняка
- •Данные о характере газовой фазы в зонах вагранки
- •Значение коэфициента к науглероживания в холостой колоше
- •Зависимость концентрации серы в чугуне от содержания ее в коксе
- •Особенности плавки в вагранках с основной футеровкой
- •Особенности плавки в металлургических вагранках
- •Особенности плавки чугуна в коксогазовых вагранках
- •Плавка чугуна в бескоксовых вагранках
- •Стабилизация химического состава чугуна, выплавляемого в вагранках
- •Плавка чугуна в дуговых печах
- •11.2. Технология плавки
- •Особенности конструкции и технологии плавки чугуна в дуговых печах постоянного тока
- •Плавка чугуна в индукционных печах
- •Выбор частоты тока для питания индукционных тигельных печей
- •Электромагнитное перемешивание металла в тигле
- •12.4. Основные элементы конструкции печей промышленной частоты
- •Изготовление футеровки печи
- •Технология плавки чугуна в индукционных тигельных печах промышленной частоты
- •12.7. Особенности плавки чугуна в индукционных тигельных печах средней частоты
- •Индукционные канальные печи в чугунолитейном производстве
- •Преимущества и недостатки индукционных канальных печей.
- •12.9. Сравнительный анализ процессов плавки чугуна в современных чугуноплавильных печах
- •Технологические особенности плавки различных сортов чугуна
- •13.1. Технология получения высококачественного серого чугуна с пластинчатым графитом
- •13.2, Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
- •13.3. Производство чугуна с вермикулярным графитом
- •13.4. Производство ковкого чугуна
- •Рекомендации по введению легирующих элементов при плавке легированных чугунов
- •Плавка стали
- •14.1. Плавка стали в мартеновских печах
- •Плавка стали в мартеновской печи с основной футеровкой.
- •Плавка стали в основной дуговой печи с окислением примесей.
- •14.4. Плавка стали в индукционных тигельных печах Общая характеристика особенностей плавки стали в индукционных тигельных печах.
- •Плавка в печи с кислой футеровкой.
- •Особенности плавки в индукционных тигельных печах с основной футеровкой.
- •14.6. Электрошлаковый переплав стали
- •Плавка сплавов цветных металлов
- •15.1. Плавка сплавов на основе алюминия
- •Характеристики двойных алюминиевых лигатур
- •Состав модификаторов и параметры процесса модифицирования алюминиевых сплавов
- •15.2. Плавка сплавов на основе магния
- •Режимы модифицирования магниевых сплавов
- •15.3. Плавка сплавов на основе цинка
- •Составы лигатур для плавки медных сплавов
- •Список литературы к разделу 1
- •К разделу II
1.7. Склонность сплавов и отливок к горячим трещинам
Образование горячих трещин происходит в тех случаях, когда возникающие временные усадочные напряжения, главным образом механические, достигают значений временного сопротивления ав при растяжении в заданных условиях деформирования (по температуре, скорости, величине деформации, схеме напряженного состояния, наличию концентраторов напряжений).
Разрушение при образовании горячих трещин происходит по границам зерен (межкристаллитный излом). Поверхность разрушения при образовании горячих трещин имеет крупнокристаллическое строение, сильно окислена. В трещине можно часто наблюдать затеки металла, не приварившиеся к поверхности разрушения. Характерными признаками горячих трещин являются рваные края и значительная ширина. В большинстве случаев горячие трещины образуются в интервале температур кристаллизации, точнее, в температурном интервале хрупкости, при этом чем шире интервал кристаллизации, тем вероятнее образование горячих трещин.
Первопричиной образования горячих трещин являются механические напряжения, возникающие в затвердевающей отливке в результате сопротивления формы и стержней усадке отливки. Реже трещины возникают вследствие взаимодействия отдельных элементов отливки.
Выше было отмечено, что величина механических напряжений зависит от усадки сплава и модуля упругости, с одной стороны, податливости форм и стержней, с другой. В металлических формах они максимальны, в сырых песчаных минимальны, поэтому при использовании металлических форм (при литье в кокиль или под давлением) горячие трещины в отливках возникают чаще.
Из изложенного должно быть понятно, почему литейщики с давних пор пытаются в условиях данной технологии подобрать сплав, в отливках из которого исключались бы горячие трещины. Поэтому появился термин «горячеломкость сплава». Однако обоснованного критерия сравнительной оценки сплавов долгое время найти не удавалось. Ни временное сопротивление (предел прочности) сплава, ни его пластичность (относительное остаточное удлинение при разрыве) не давали однозначной связи с горячими трещинами в отливках.
Экспериментально многими исследователями доказано, что сплавы в интервале температур кристаллизации разрушаются хрупко. У хрупких же материалов деформационная способность определяется не остаточной пластической составляющей, а упругой составляющей.
Реологические исследования алюминиево-кремниевых сплавов по специальной методике и расчеты показали, что в качестве характеристики деформационной способности сплавов в интервале кристаллизации в первом приближении может быть принята предельная упругая деформация. Установлено также, что общая деформационная способность всегда больше усадки, поэтому при соответствующей отработке технологии трещины в отливках возникать не должны, несмотря на низкие механические свойства сплавов в интервале температур кристаллизации. На этом основании предложен критерий горячеломкости сплавов — минимальный запас прочности
,
где — напряжение, возникающее при полном торможении усадки образца с однородной по длине температурой при охлаждении до данной температуры.
Для всех литейных сплавов справедливо неравенство пспл > 1. Так, для углеродистой стали пспл = 6, для сплава А1 — 2,5 % Si пспл = 20, для магниевого сплава МЛ5 — пспл = 7. Для чугунов, которые при эвтектической кристаллизации и сразу после нее претерпевают расширение вследствие выделения графита (серого и высокопрочного чугунов), приведенный выше критерий пспл не имеет смысла, поскольку усадочные напряжения в таких чугунах в интервале кристаллизации являются сжимающими и вместо усадки происходит расширение, поэтому чугуны с графитом не будут склонны к горячим трещинам.
Что касается белого и других чугунов с эвтектическим цементитом, то они имеют примерно такую же горячеломкость, как и углеродистые стали. Возникает вопрос: что же является причиной образования горячих трещин в отливках? Дело в том, что в отливках особенно при высоких температурах наблюдается неоднородность свойств, возникающая вследствие различия температур в объеме отливки и приводящая к явлению, называемому локализацией деформаций, и именно в горячих, чаще всего массивных элементах отливки, образуются горячие трещины. Это связано с тем, что прочностные свойства сплавов в интервале кристаллизации в сильной степени зависят от температуры и большая часть усадочной деформации происходит в горячих местах.
В этих местах напряжения достигают предела прочности, и отливка разрушается. При этом в тонких местах сплав полностью затвердел, а в толстых, как правило, еще имеется незатвердевшая жидкая фаза.
Представление о локализации напряжений и деформаций в горячем толстом месте можно получить при рассмотрении напряжений в ступенчатой отливке, состоящей из толстого элемента малой длины и тонкого элемента большей длины (рис. 1.25). Напряжения в отливке будем рассматривать при полном торможении усадки. Предположим, что толстый элемент длиной l1 с момента τ1 появления в системе напряжений до рассматриваемого момента τ2 охладился на ∆T1, тогда как тонкий элемент длиной l2 за этот же промежуток времени охладился на ∆T2 (рис. 1.25, б). Необходимо определить напряжения и линейные перемещения в толстом и тонком элементах.
Рис. 1.25. Ступенчатая проба (а) и изменение температур при ее охлаждении (б) в толстом (1) и тонком (2) элементах пробы
Для решения задачи заменим мысленно место крепления образца силой Р. Определим усадочное линейное перемещение отливки по уравнению
.
Очевидно, оно будет равно суммарному линейному перемещению при растяжении элементов отливки силой Р:
Следовательно,
и (18)
Поскольку известно, что в интервале температур кристаллизации сплавы являются хрупкими, а следовательно, и упругими телами, то по закону Гука найдем:
(19)
(20)
Примем, что l2 = 10 l1, ∆T2 = 10∆T1 а также, что площадь F1 поперечного сечения толстого элемента равна двум площадям F2 тонкого элемента, т.е.
F1 = 2F2 и модуль упругости толстого элемента в 2 раза меньше модуля упругости тонкого элемента, т.е. Е2 = 2Е1.
Подставив значения ив уравнение (18) и решив его относительноР с учетом принятых выше соотношений параметров, получим
(21)
Определим перемещение при растяжении толстого элемента силой Р. Для этого значение силы Р из уравнения (21) подставим в уравнение (19) и найдем
(22)
Зная, что,получаем
и соответственно
Видно, что перемещение в толстом элементе при усадке отливки в 9,2 раза больше собственно усадочного перемещения этого элемента, а напряжение в нем также в 9,2 раза больше по сравнению с усадочным напряжением при полном торможении усадки толстого элемента. Следовательно, налицо локализация перемещений, напряжений и деформаций в толстом элементе.
Сочлененный стержень можно уподобить двум последовательно соединенным пружинам: короткой с малой жесткостью и протяженной с жесткостью в несколько раз большей, чем у короткой. При растяжении такой пружины перемещения будут происходить, главным образом, только в слабой пружине.
Степень локализации перемещений () и деформаций (ɛ) можно найти из соотношения
(23)
где и ɛ — действительные перемещения и деформации; и— свободные усадочные перемещения и деформации.
Очевидно, что степень локализации определяется конструкцией реальной отливки, для которой необходимо сопоставлять предел прочности и действительные напряжения . Следовательно, коэффициент запаса прочности для отливки
. (24)
Действительные напряжения можно определить с использованием степени локализации как. Подставив это значение в уравнение (24), получим
или
(25)
Горячие трещины в отливках возникать не будут, если п0 > 1 или если из уравнения (25) пспл > m и, т.е. если горячеломкость сплава будет больше степени локализации напряжений в отливке, горячие трещины в отливках возникать не будут.
Запас прочности и степень локализации деформации являются физически обоснованными критериями. Однако сведений о параметрах, необходимых для их определения, недостаточно, поэтому сохраняют свое значение технологические пробы как метод сравнительной оценки горячеломкости сплавов.
В пробах, как правило, провоцируется явление локализации деформаций. На степень локализации деформаций влияют много факторов, в том числе податливость форм. Для оценки горячеломкости сплавов в условиях данной технологии предложено использовать отливки пробы с одноосным растяжением и полным торможением усадки.
Примером такой отливки-пробы может служить рассмотренная выше ступенчатая отливка, в которой следует изменять длину l2 тонкого элемента при l1 = const. За критерий горячеломкости можно принять минимальную длину l1+ l2, при которой в отливке возникает трещина. Этот принцип реализован в пробе, называемой «арфой» (рис. 1.26). При этом металлическая разъемная форма состоит из двух половин 5, 6 с центрирующими штырями и втулками 4, 8 и поддона 7. Металл в собранную форму заливают через общую чашу 1, из которой по питателям 2 он попадает сначала в толстые части 3, а затем в тонкие 9 восьми образцов пробы с изменяемой длиной l2var.
Технологическая проба является простейшей отливкой, однако по результатам испытаний нельзя судить о вероятности образования горячих трещин в более сложных отливках. В каждой отливке существует свое температурное поле, поэтому, если даже проба является элементом сложной отливки, тепловые условия в ней будут другими, чем в пробе в результате влияния соседних элементов. Кроме того, напряженное состояние в отливках обычно сложнее, только в отдельных случаях условия силового и теплового взаимодействия в пробе будут такими же, как в отливке или ее элементе. Таким примером является проба для отработки технологии изготовления панельных отливок.
Рис. 3.26. Проба «арфа»:
1— заливочная чаша; 2 — питатели; 3 — толстая часть образца; 4, 8 — центрирующие штыри и втулки;
5, 6 — половины металлической формы; 7 — поддон; 9 — тонкая часть образца.
В связи со сложностью явлений, происходящих при образовании горячих трещин, следует использовать комплексный подход для борьбы с этим дефектом, включающий: 1) конструирование отливки и выбор сплава; 2) разработку технологии изготовления отливки; 3) выбор допустимых колебаний параметров технологического процесса.
Правильность конструирования и выбора сплава зависит от сотрудничества конструкторов и литейщиков. При этом должны быть решены вопросы о допустимой разностенности, оформлении сопряжений, переходов, необходимых радиусов сопряжений, конструктивном оформлении литейных ребер. Марку сплава необходимо подбирать не только с точки зрения прочностных и других характеристик при рабочих температурах, но и с учетом его горячеломкости.
В связи с тем, что конструирование технологичной отливки не всегда возможно и в отливках возникают большие перепады температур, приводящие к локализации деформаций, литейщики вынуждены предусматривать технологические решения по предотвращению горячих трещин, например использовать холодильники, усадочные ребра, увеличивать податливость смесей.
Большое, иногда решающее значение имеют правильные подвод металла и установка прибылей, поскольку даже в технологичных отливках они могут быть причиной образования горячих трещин. В нетехнологичной отливке подвод металла и установку прибылей можно использовать для предотвращения дефекта. Особенно эффективна установка прибылей в тех случаях, когда причиной возникновения горячих трещин является образование усадочных раковин или пористости.
Одним из наиболее эффективных средств предотвращения горячих трещин является искусственное рассредоточение деформаций. Идеальное рассредоточение деформаций будет в том случае, когда в каждом сечении по длине отливки в любой момент времени пo = 1, т.е. деформация в каждом сечении равна свободной усадке. Близкое к идеальному рассредоточению обеспечивают силы трения отливки о неподатливую форму до момента их преодоления. Примером действия сил трения для рассредоточения деформаций и борьбы с горячими трещинами может служить литье чугунных труб в изложницу с шероховатой стенкой. В некоторых случаях эффективно рассредоточение с помощью выступов и впадин литейной формы, в некоторых случаях по типу противоужиминной сетки.
До сих пор обсуждали мероприятия, которые можно предусматривать при проектировании технологического процесса и его отладке. В текущем производстве добиться устранения или некоторого снижения брака по горячим трещинам можно путем установления допустимых колебаний основных технологических параметров (в частности температуры и скорости заливки), химического состава (в пределах заданной марки сплава) и ковшовой обработки металла, типа и количества модификатора.
По рассмотренным вопросам имеется обширная литература, в которой встречаются противоречивые сведения, особенно относительно температуры заливки и химического состава сплава. Одной из причин этих противоречий является различие условий получения данных.
Для конкретной отливки технологические параметры, химический состав и технологию ковшовой обработки устанавливают путем статистической обработки данных, полученных в условиях производства и с учетом частоты брака. По результатам обработки получают корреляционные зависимости между частотой брака и изучаемыми параметрами. При этом полезна классификация однотипных отливок, хотя бы на две группы: склонные к трещинам и не склонные к ним. Таким образом, например, подбирали химический состав и температуру заливки для автомобильных отливок из ковкого чугуна. Повышение температуры заливки приводило к увеличению частоты появления брака, поэтому заливку рекомендовано было проводить при минимально допустимой температуре.
Практически одинаково мнение различных исследователей о влиянии примесей серы, фосфора и соотношения марганца и серы на образование горячих трещин в отливках из ковкого и высокопрочного чугуна, а также сталей. При увеличении содержания серы, как правило, наблюдается резкое увеличение брака. Влияние фосфора несколько слабее. При увеличении соотношения содержаний Mn/S число отливок, пораженных трещинами, уменьшается.