1463
.pdfТемпература плавления и разливки различных сплавов цвет ных металлов (на основе меди, алюминия, магния и цинка) при ведена в табл. 22.
|
|
Т а б л и ц а 22 |
||
Температура плавления |
и разливки сплавов цветных металлов |
|||
Н аим енование и марка сплава |
Т ем пература, °С |
|||
плавления | |
разливки |
|||
|
|
|||
Слов пнистые бронзы: |
|
|
|
|
Бр.ОЦЮ -2 , Бр. ОЦСБ-6-3 и Бр.ОцСЗ-12-5 |
1000—1015 |
1 10 0 — 12 0 0 |
||
Бр. СЗО . . |
|
990 |
1030— 1060 |
|
Бр. ОФЮ-1 . |
|
970 |
1060— 1180 |
|
Бр. ОЦС4-4-17............................. |
|
920 |
1000—1150 |
|
Бр. ОЦСНЗ-7-5-1, Бр. ОЦС5-5-5 |
975—990 |
1100—1280 |
||
Бр. ОС5-25 . . |
|
890 |
950—1050 |
|
Безоловянистые бронзы: |
|
|
|
|
Бр. АЖ9-4Л, Бр. АЖц9-2л, |
Бр. АЖС7-1,5-1,5 |
920 |
1000—1150 |
|
Бр. АЖМц10-3-1,5 |
|
1080 |
1140—1200 |
|
Бр. АЖН10-4-4л |
|
1140 |
1220—1280 |
|
Латуни: |
|
|
|
|
ЛКС80-3-3 ..................................................... |
ЛМцЖ55-3-1, |
890 |
950—1000 |
|
ЛАЖ60-1-1л; ЛМцС58-2-2; |
|
|
||
ЛМцЖ52-4-1; ЛС59-1л |
|
900—920 |
970—1080 |
|
ЛА67-2-5 . . |
|
950 |
1020—1060 |
|
ЛАЖМц66-3-2 . . |
|
980 |
1100—1150 |
|
Алюминиевые сплавы: |
............................. |
590 |
680—780 |
|
АЛ2 ........................ |
||||
АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6 , АЛ8 , АЛ9, АЛЮ, |
612—626 |
700—760 |
||
АЛ1, АЛ7, АЛЮ |
|
630-636 |
710—760 |
|
АЛЮ . . . |
|
645 |
720—780 |
|
Магниевые сплавы: |
|
643—650 |
720—780 |
|
МЛ1 и МЛ2 |
|
|||
МЛ5 и МЛ6 ................ |
|
610—628 |
690—790 |
|
Цинковый сплав ЦАМ10-5 |
|
395 |
450—500 |
Жидкотекучесть
Под жидкотекучестью сплава понимают его способность хо рошо заполнять литейную форму. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры перегрева, температуры за ливки, окисленности и газонасыщенности сплава. Такие элемен ты, как углерод, фосфор и кремний до определенных пределов способствуют повышению жидкотекучести чугуна и стали; сера понижает ее. Чистая медь имеет низкую жидкотекучесть, при садка олова повышает ее жидкотекучесть. Чем выше темпера тура перегрева сплава и его температура при заливке, тем выше жидкотекучесть.
16 Н . А. Баринов н д р .
Для определения жидкотекучести сплава пользуются мето дом отливки различных проб. Например, жидкотекучесть чугуна определяют путем отливки спирали (рис. 98). С этой целью изготовляют форму из формовочного состава. Моделью служит спираль с сечением в виде трапеции площадью 0,56 см2. Зали вают форму испытуемым сплавом и определяют его жидкотеку честь по длине отлитой спирали. Сравнительная жидкотекучесть литейных сплавов приведена в табл. 23.
Рис. 98. Спиральная проба для определения жидко текучести:
1 — спираль; 2 — литниковая чаш а
Сравнительная |
|
|
|
|
Т а б л и ц а 23 |
|||
жидкотекучесть литейных |
сплавов |
|
||||||
Ж и дк отек у |
|
|
Н аим енование сплава |
|
|
|||
честь |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высокая |
Цинковые |
и оловянные |
сплавы, |
сплав |
алюми |
|||
|
ния с |
кремнием, |
безоловянные |
бронзы |
(типа |
|||
|
Бр. АМц9-2Л), кремнистая |
латунь, |
серый |
модифи |
||||
|
цированный |
и высокопрочные |
чугуны, некоторые |
|||||
|
высоколегированные |
стали |
|
|
|
|
||
Средняя |
Сплавы алюминия с медью и |
магнием, |
оловян |
|||||
|
ные бронзы, латунь (кроме кремнистой), белый |
|||||||
|
чугун, углеродистые и низколегированные стали |
|||||||
Пониженная |
Магниевые сплавы |
|
|
|
|
|
Усадка
При охлаждении жидкого сплава в форме происходит умень шение его объема. При этом в отливках из ряда сплавов обра зуются усадочные раковины или рыхлоты. Некоторые сплавы, как, например, чугуны с высоким содержанием углерода и крем ния, увеличиваются в объеме вследствие сильной графитизации при затвердевании. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходит при последующем охлаж дении в твердом состоянии. Общее уменьшение объемов и раз меров отливок называют усадкой.
Для удобства усадку принято выражать в процентах к пер воначальному объему жидкого сплава (объемная усадка) или к первоначальным размерам в полости формы (линейная усадка).
Объемная усадка равна
V — V
Еоб = — v'— TJ 100.
Линейная усадка равна |
* |
Т В |
|
|
|
Г7 |
^зал |
/тв 1 г \г \ |
Д л и н = |
-------- 1-------------- |
1 0 0 . |
*тв
Для ряда сплавов объемная усадка примерно в три раза больше линейной.
Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению ее объема и линейных размеров, такую усадку называют свобод ной. Примерные значения свободной линейной усадки для наи более распространенных литейных сплавов приведены в табл. 24.
Т а б л и ц а 24 Свободная линейная усадка литейных сплавов________
Н аим енование и марка сплава |
Л инейная |
усадк а % |
Белый чугун Серый и модифицированный чугун
Высокопрочный чугун Сталь углеродистая и низкоуглеродистая
высоколегированная:
1Х13Л, 2Х13Л, Х9С2Л, Х6С2МЛ Х25ТЛ, Х28Л, Х34Л Х18Н9ТЛ, Х25Н19С2Л
Бронзы оловянистые безоловянные:
Бр.АЮ, Бр.АМц9-2Л, Бр.АЖН10-4-4Л Бр.АЖ9-4Л, Бр.АЖМцЮ-З-1,5
кремнистые Латуни кремнистые и марганцевые:
ЛК80-ЗЛ, ЛКС80-3-3, ЛМцС58-2-2, ЛМцЖ55-3-1
Латуни алюминиевые ЛА67-2.5 и др. Алюминиевые сплавы:
АЛ2, АЛ4 АЛЗ, АЛЮ, АЛ11, АЛЮ
АЛ5, АЛ6 , АЛ9, АЛ 13, АЛ 14В АЛ1, АЛ7, АЛ8
Магниевые сплавы:
МЛ4, МЛ5, МЛ6 , МЛ7-1 МЛЗ МЛ1, МЛ2
Цинковые сплавы ЦАМ10-5 и др. Титан и его сплавы
1,7—2,0 U — 1,3 0,7— 1,2 2,2—2,5
1,9—2,0 1,5— 1,8 2,5—2,8 1,4—1,6
1,7—1,8 2,3—2,5
1 ,6—1,8
1 ,6—1,8
1.3— 1,5
0,9—1,1 1,2— 1,4 1,1— 1,3 1,3—1,5
1,1-1,4 1,4— 1,6 1,6— 1,9 0,9—1,2 1,5—2,3
Усадка сплава изменяется в зависимости от температуры перегрева и заливки сплава и от его химического состава. Чем выше эти температуры, тем больше будет усадка. Усадка чугу на с повышением содержания углерода и кремния и понижением марганца и серы уменьшается. В алюминиевых сплавах повы шение содержания кремния уменьшает усадку, а наличие меди и магния увеличиваете.
Изготовление отливок из сплавов, имеющих склонность к по вышенной усадке, кроме значительных изменений размеров и образования усадочных пороков (усадочные раковины и рыхло ты), обычно вызывает в отливках большие напряжения, кото рые могут привести к короблению и образованию трещин.
При изготовлении отливок из сплавов, имеющих повышен ную усадку, образующих усадочные раковины и рыхлоты (на пример, из стали, высокопрочного чугуна, бронзы и др.), в верх них частях массивных отливок устанавливают прибыли. Они представляют собой резервуары жидкого сплава, питающие от ливки при их затвердевании и восполняющие объем. Размеры и расположение прибылей делают такими, чтобы сплав в них затвердевал последним. Тогда усадочные раковины перемеща ются в прибыль.
Для этой цели наиболее благоприятными являются прибыли шаровой или сферической формы, имеющие меньшую наружную поверхность при данном объеме и поэтому меньше охлаждаю щиеся, чем прямоугольные и цилиндрические. Иногда для мест
ного охлаждения массивной |
части отливки и |
перемещения |
||
усадочной |
раковины |
в противоположную сторону (например, |
||
в верхнюю |
прибыль) |
в формы |
устанавливают |
металлические |
холодильники или холодильники из других теплопроводных материаловч
Внутренние (литейные) напряжения
К литейным напряжениям, которые образуются в отливке, относятся напряжения усадочные (возникающие при затруднен ной усадке), тепловые (при неравномерном охлаждении отдель ных частей отливки) и фазовые (при изменении кристалличе ского строения отливки).
В практических условиях при затвердевании и охлаждении сплава в форме в той или иной степени имеются препятствия усадке в виде выступающих частей формы, стержней и т. п., что приводит к неравномерной усадке в разных частях отливок. Ох лаждение отдельных частей отливки в форме также происходит не с одинаковой скоростью: тонкие части охлаждаются быстрее, чем толстые. Вследствие неравномерного охлаждения в отлив
ках также возникают напряжения. Кроме этого, в сплавах при охлаждении происходит изменение структуры и размеров от дельных зерен, т. е. протекают фазовые превращения, что вы зывает увеличение или уменьшение объема отливок, а следова тельно, и напряжений в них.
Перечисленные явления вызывают литейные напряжения в отливках. В зависимости от их величины наблюдаются следую щие явления:
1)если литейные напряжения в отливке меньше предела текучести сплава, то они могут усиливаться при последующей обработке или эксплуатации;
2)если напряжения больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то происходит коробление отливки;
3) если напряжения больше предела прочности сплава, то в отливке образуются трещины.
Принято различать в отливках горячие и холодные трещины. Горячие трещины образуются, когда температура отливки близ ка к температуре плавления сплава. При высоких температурах сплавы обладают невысоким пределом прочности. Например, углеродистая сталь имеет предел прочности около 0,2 кг/мм2 и относительное удлинение до 1%. Поэтому достаточно небольшо го препятствия усадке при высоких температурах, чтобы в от ливках из такой стали возникли напряжения, превосходящие предел прочности.
Горячие трещины имеют окисленную темную поверхность. Они вызываются главным образом механическим сопротивле нием усадке, оказываемым формой или стержнем. Склонность к образованию трещин тем больше, чем значительнее усадка при высоких температурах, меньше прочность, пластичность и тепло проводность при высоких температурах. Поэтому повышенная склонность к образованию горячих трещин характерна для ле гированных сталей. По склонности (отн. ед.) к образованию го рячих трещин стали можно расположить в следующем порядке:
Углеродистая |
сталь |
марки |
25Л |
. . |
1,0 |
Низколегированная |
сталь |
перлитного |
2,3 |
||
класса |
. . |
аустенитная |
сталь |
||
Высоколегированная |
4,5 |
Серый и высокопрочный чугуны имеют незначительную усад ку при высоких температурах, поэтому в отливках из этих спла вов редко образуются горячие трещины. Большинство медных Сплавов из-за сравнительно высокой теплопроводности не склон ны к образованию горячих трещин. Алюминиевые и магниевые
сплавы по склонности к образованию горячих трещин распре деляются в следующей последовательности:
С клонность к образованию
трещ ин |
Сплав |
|
|
|
|
Малая |
АЛ2 , АЛ4, АЛ9 |
АЛ 12, |
Средняя |
АЛЗ, АЛ5, АЛб, |
|
Повышенная . . |
АЛ13, АЛ14В |
и МЛ1 |
АЛ1, АЛ7, АЛ8 |
|
|
Особо повышенная |
МЛ2 и МЛЗ |
|
Для предотвращения горячих трещин в отливках наиболее важно устранять препятствия усадке сплава, оказываемые фор мой и стержнями, предусматривать в конструкции отливок рав номерные сечения и плавные переходы. При получении толсто стенных отливок необходимо заливать формы с меньшей ско ростью. Сплав должен иметь пониженную температуру.
К образованию холодных трещин более склонны сплавы с вы сокими упругими свойствами, малой теплопроводностью, боль шим изменением объема при фазовых превращениях. К ним относятся низколегированные стали, а сплавы цветных метал лов этой склонностью почти не обладают. Наличие в сплавах (особенно в стали) вредных примесей усиливает образование холодных трещин. Например, высокоуглеродистая сталь с по вышенным содержанием фосфора обладает свойством хладно ломкости, т. е. имеет склонность к образованию холодных тре щин. Холодные трещины в отличие от горячих имеют светлую неокисленную поверхность.
Чтобы предотвратить образование холодных трещин, создают равномерные сечения в отливках и медленно охлаждают их пос ле затвердевания.
Литейные напряжения в отливках могут быть устранены при термической обработке путем медленного их нагрева до умень шения упругих свойств сплава, а затем медленным и равномер ным охлаждением отливок. Например, для снятия литейных на пряжений в стальных отливках их нагревают до 650° С и мед ленно охлаждают до температуры цеха.
Поглощение газов
Сплавы и металлы обладают способностью поглощать зна чительное количество газов водорода, азота, кислорода, окисла углерода и углекислоты, метана *и др. Чем больше содержание газов в сплаве или металле, тем ниже их литейные и механиче ские свойства. Газы в сплавах и металлах могут находиться в виде механических включений, в растворенном состоянии и в химических соединениях.
Механически включенные газы удаляются при остывании и мало влияют на образование газовых раковин в отливках. Раст воримость газов зависит от температуры и давления. В твердых сплавах и металлах с повышением их температуры раствори мость газов незначительно увеличивается.
При плавлении сплавов и металлов растворимость газов рез ко увеличивается и возрастает с повышением температуры до некоторого предела, а затем падает и при кипении сплавов и
металлов |
уменьшается |
|
до |
нуля |
|
|
|
|
||||
(рис. 99). |
|
|
|
|
нагреве |
|
|
|
|
|||
|
Поглощение газов при |
|
|
|
|
|||||||
сплавов и металлов происходит из |
|
|
|
|
||||||||
ржавчины, из влаги исходных мате |
|
|
|
|
||||||||
риалов топлива и из атмосферы пе |
|
|
|
|
||||||||
чи. |
Например, |
1% ржавчины |
на |
|
|
|
|
|||||
стальном ломе вносит в сталь в 20 |
|
|
|
|
||||||||
раз |
больше |
водорода, |
чем объем |
|
|
|
|
|||||
самой |
стали. |
Если при |
плавлении |
|
|
|
|
|||||
куски |
металла в печи не |
покрыты |
|
|
|
|
||||||
защитным |
слоем |
шлака, |
они легко |
— ► Температура |
||||||||
поглощают |
|
газы из окружающей |
||||||||||
среды. Покрытие |
шлаком |
замедля Рис. 99. |
Зависимость между |
|||||||||
ет растворимость |
газов |
металлом. растворимостью газа в металле |
||||||||||
Жидкие сплавы к моменту заливки |
и температурой: |
|||||||||||
его в формы всегда содержат неко |
а — в твердом м еталле; |
б — во вре |
||||||||||
мя плавления; |
в — при |
повышении |
||||||||||
торое количество газов, которые при |
воримости |
газов при дальнейш ем по |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
температуры ; г |
— ум еньш ение раст |
||
понижении |
температуры |
|
частично |
вышении |
температуры |
|||||||
выделяются, |
а частично |
|
остаются |
|
|
|
|
всплаве. При выделении их в отливках могут образовываться
вопределенных условиях газовые раковины и тем больше, чем выше содержание газов в сплаве. Для понижения газонасыщенности жидкого сплава плавку ведут в вакуумных печах, пропус кают через жидкий металл другой газ, например азот (для цвет ных сплавов) и окись углерода, аргона и др. (для стали).
Ликвация
Ликвация в отливках бывает зональная, внутрикристаллитная и возникающая в результате разности удельных весов со ставляющих сплавов. Чем больше склонность сплава к ликва ции, тем менее однородна по качеству отливка в разных частях.
Практически для большинства сплавов наиболее нежела тельной является зональная ликвация. Обычно зональная ликва ция образуется вследствие того, что отдельные составляющие в сплаве из-за различных температур затвердевания и удельных весов вытесняются как в жидком состоянии, так и при затвер
девании сплава. В стали, в чугуне ликвируют сера, фосфор, уг лерод, газы, неметаллические включения, располагаясь главным образом в верхней и осевой частях отливки. Мелкозернистое строение отливки уменьшает влияние зональной ликвации.
Внутрикристаллитная ликвация образуется при ускоренном охлаждении отливок во время затвердевания сплава, в резуль тате чего состав отдельных частей кристаллов не успевает вы равняться. Она менее отрицательна, чем зональная ликвация. Ее действие может быть ослаблено термической обработкой отливок.
Ликвация* возникающая в результате разности удельных ве сов, главным образом наблюдается у сплавов, содержащих в своем составе тяжелые металлы, например высокосвинцовую бронзу. В ней ликвирует свинец, имеющий большой удельный вес. Такая ликвация предотвращается перемещиванием сплава перед заливкой в формы и большой скоростью охлаждения его во время затвердевания.
Макростроение сплавов
Более высокие механические свойства имеют сплавы с мел козернистой макроструктурой, не ориентированной, без проме жуточных пленок окислов и сульфидов, ослабляющих связь между отдельными кристаллами. Для образования мелкозер нистой структуры необходимо, чтобы в затвердевающем сплаве было больше зародышей, которыми могут быть элементарные кристаллы или группы кристаллов данного сплава, а также отдельные включения некоторых веществ. Для получения мелко зернистой не ориентированной структуры в сплавы вводят раз личные модификаторы, которые одновременно являются и раскислителями, а некоторые из них — десульфураторами. Наибо лее распространенными модификаторами для чугуна являются кремний, сплав кремния с кальцием (силикокальций), магний, для стали — алюминий, титан и др., для силумина — натрий и др. Мелкозернистую структуру сплава можно получить в результа те увеличения скорости охлаждения отливки во время ее затвер девания или путем встряхивания в этот период.
В отливках, имеющих различную толщину стенок, более крупнозернистое строение получается в толстых сечениях вслед ствие их более медленного охлаждения, следовательно сплав-
вэтих местах имеет пониженные механические свойства. Разница
вмеханических свойствах толстых и тонких сечений проявляет ся больше при пользовании сплавом, имеющим широкий интер вал затвердевания, а также в котором происходит выделение составляющих веществ с низкими механическими свойствами.
Например, у серого модифицированного чугуна, имеющего пре дел прочности при изгибе 54 кг/мм2, разница уменьшается при мерно в два раза при увеличении толщины стенки от 2 0 до 1 2 0 мм, так как в более толстых стенках выделяются более круп ные включения графита. Поэтому повышение содержания угле рода, кремния и фосфора усиливает неоднородность механиче ских свойств, а никель, молибден, отчасти хром и медь — умень шают ее.
На однородность свойств серого чугуна благоприятное влия ние оказывает его высокий перегрев, способствующий получению в нем мелкозернистого графита.
Неметаллические включения в сплавах также ухудшают его свойства. Особенно отрицательное действие оказывают включе ния остроугольной или вытянутой формы, расположенные по границам зерен в виде пленок или цепочек. Включениями могут быть окислы, сульфиды, нитриды и другие составляющие. Для удаления окислов производится раскисление сплава. Неметал лические включения удаляют отстаиванием жидкого сплава, про дувкой через сплав нейтральных газов, кипением ванны и дру гими методами.
Кроме перечисленных основных свойств, литейные сплавы также характеризуют удельную прочность, обрабатываемость резанием и стоимость.
Значения удельной прочности сплавов, выраженные в кг/мм2 и отнесенные к единице удельного веса, примерно равны
Серый чугун марок: |
|
|
1,6 |
СЧ12-28 |
|
|
|
СЧ38-60 |
|
35Л. . . |
6,4 |
Среднеуглеродистая сталь марки |
|||
Низколегированная сталь после закалки иотпуска |
7,6—11,5 |
||
Оловянная бронза |
................................. |
1,7—2,9 |
|
Безоловянная бронза |
5,3—6,7 |
||
Алюминиевые сплавы |
марок АЛ4, АЛ5, АЛ9 после |
6,8—8,6 |
|
термической обработки . . |
. . |
||
Магниевые сплавы марок МЛ4, МЛ5 . |
12,2—12,8 |
Из приведенных данных следует, что более высокую удель ную прочность имеют магниевые сплавы, низколегированные стали и сплавы на основе алюминия.
Обрабатываемость сплавов резанием на металлорежущем оборудовании, выраженная временем, необходимым для удале ния единицы объема сплава, характеризуется следующими дан ными:
Магниевые сплавы (принятые за |
|
единицу) |
1,0 |
Алюминиевые сплавы |
1,8 |
Латунь |
2,2 |
Серый чугун |
3,3 |
Сталь . |
5,0 |
В отношении обрабатываемости сплавы цветных металлов значительно превосходят железоуглеродистые сплавы, чугун и сталь.
Примерная стоимость тонны отливок из различных сплавов следующая:
Серый чугун (принятый за единицу) |
1,0 |
|
Высокопрочный чугун |
1,1—1,3 |
|
Ковкий чугун . . |
|
1 ,2—1,5 |
Углеродистая сталь . . |
2,0—2,5 |
|
Низколегированная |
сталь |
2,5—4,0 |
Высоколегированная сталь |
6,0—10,0 |
|
Оловянная бронза |
. |
10—И |
Латунь . |
4,0—5,0 |
|
Алюминиевые сплавы |
5,0—6,0 |
|
Магниевые сплавы |
|
15—18 |
Из приведенных данных следует, что стоимость одной тонны отливок из оловянной бронзы, высоколегированной стали и маг ниевых сплавов во много раз превышает стоимость отливок из серого чугуна. Главной причиной низкой стоимости отливок из серого чугуна является невысокая стоимость исходных материа лов, весьма хорошие его литейные свойства, способствующие получению из него разнообразных и дешевых отливок. Но сле дует учитывать, что из одной тонны сплавов на основе алюми ния и магния можно изготовить значительно большее количест во отливок, чем из железоуглеродистых и медных сплавов. По этому действительное соотношение стоимости отливок для этих сплавов будет более благоприятным.
3. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОТЛИВОК
Для плавки металла при изготовлении отливок в качестве исходных материалов применяют огнеупоры, металлические шихтовые материалы, топливо и флюсы.
Исходные материалы оказывают существенное влияние на качество получаемых отливок и их стоимость.
Огнеупорные материалы
Огнеупорные материалы применяются в литейном производ стве для футеровки плавильных и нагревательных печей, раз ливочных ковшей и различных других устройств, нагрев в ко торых достигает высоких температур.
В качестве огнеупорных материалов в основном применяют шамотный кирпич, огнеупорную глину, динасовый кирпич, квар цевый песок, магнезитовый кирпич, магнезитовые и доломитовые порошки, хромомагнезитовые кирпичи и угольные блоки.