Классификация литейных сплавов

В зависимости от метода переработки в заготовки металлические сплавы разделяют на литейные (используемые при изготовлении фасонных отливок) и деформируемые. Различия в методах переработки оказывают существенное влияние на требования к свойствам, а следовательно, и на требования к составам литейных и деформируемых сплавов.
Литейные сплавы классифицируются в зависимости от их состава, свойств, назначения. Сплавы на основе железа называют черными. К ним относят все разновидности чугунов и сталей. Остальные литейные сплавы на основе алюминия, магния, цинка, олова, свинца, меди, титана, молибдена, никеля, кобальта, бериллия и других металлов, в том числе и благородных (серебра, золота, платины), называют цветными.
Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств литых деталей, например прочности, твердости, износостойкости, в сплавы в определенном количестве вводят специальные добавки, так называемые легирующие компоненты. По содержанию их сплавы делят на низколегированные (менее 2,5% легирующих компонентов по массе), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).
Помимо специально вводимых в литейные сплавы компонентов в них обычно присутствуют постоянные примеси, наличие которых связано с особенностями металлургических процессов приготовления сплава и составом исходных металлургических материалов (руд, топлива, флюсов). Часто эти примеси (например, сера и фосфор в сталях) являются вредными и содержание их ограничивают.

Литейные сплавы либо приготовляют из исходных компонентов (шихтовых материалов) непосредственно в литейном цехе, либо сплавы поступают с металлургических комбинатов в готовом виде и их только переплавляют перед заливкой в литейные формы. Как в первом, так и во втором случае отдельные элементы в процессе плавки, входящие в состав литейного сплава, могут окисляться (угарать), улетучиваться при повышенных температурах (возгоняться), вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами или с футеровкой печи и переходить в шлак. Для восстановления требуемого состава сплава потери отдельных элементов в нем компенсируют, вводя в расплав специальные добавки (лигатуры, ферросплавы), приготовляемые на металлургических предприятиях. Лигатуры представляют собой вспомогательные сплавы, используемые как для введения в расплав основного литейного сплава легирующих элементов, так и для компенсации их угара. Лигатуры содержат помимо легирующего элемента также и основной металл сплава, поэтому они легче и полнее усваиваются расплавом, чем чистый легирующий элемент. Применение лигатур становится особенно необходимым, если температуры плавления основного литейного сплава и легирующего элемента имеют значительную разницу. Наиболее широко применяют лигатуры из цветных металлов, например: медь — никель (15— 33% Ni), медь — алюминий (50% Al), медь — олово (50% Sn), алюминий—магний (до 10% Mg). При литье черных сплавов широко используют ферросплавы: ферросилиций (сплав железа с 13% и более кремния), ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, ферромолибден и др. для введения легирующих элементов, а также для раскисления расплава. Используют также ферросплавы, состоящие из трех компонентов и более. К ферросплавам условно относят и некоторые сплавы, железо в которых содержится только в виде примеси, например силикоалюминий и силикокальций.
Раскисление, для которого часто используют ферросплавы, представляет собой процесс удаления из сплава кислорода, содержащегося в виде растворенных в металле оксидов (например, закиси железа FeO в стали). Очищение (рафинирование) расплава раскислением способствует значительному улучшению качества металла отливки, повышению его прочности и пластичности.
Ряд сплавов, так же как и металлов либо неметаллических материалов (солей и др.), используют в качестве модификаторов, которые при введении в литейный сплав в небольших количествах существенно влияют на его структуру и свойства, например измельчают зерно и способствуют повышению прочности металла. Так, для получения высокопрочного чугуна широко используют модифицирование магнием.

Требования к литейным сплавам

Требования к каждому литейному сплаву специфичны, однако существует и ряд общих требований:
состав сплава должен обеспечивать получение заданных свойств отливки (физических, химических, физико-химических, механических и др.);
сплав должен обладать хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, несклонностью к насыщению газами и к образованию неметаллических включений, малой и стабильной усадкой при затвердевании и охлаждении, несклонностью к ликвации и образованию внутренних напряжений и трещин в отливках;
состав, свойства и структура сплава как в исходном состоянии, так и в готовой литой детали должны быть постоянными и не изменяться в процессе ее эксплуатации;
сплав должен быть по возможности простым по составу, легко приготовляться, не содержать токсичных компонентов, не выделять при плавке и заливке сильно загрязняющих окружающую среду продуктов;
потери сплава при его приготовлении и в процессе литья должны быть минимальными;
сплав должен быть технологичным не только в изготовлении отливок, но и на всех последующих операциях получения готовых деталей (при обработке резанием, сварке, пайке, термической, гальванической и других видах окончательной обработки);
сплав должен быть экономичным: содержать по возможности меньшее количество дорогостоящих компонентов (быть экономно легированным), иметь минимальные потери при переработке его отходов (литников, брака, сплесков).
Выполнить все перечисленные требования в большинстве случаев практически невозможно, поэтому для решения определенных технических задач используют сплавы, свойства которых отвечают какому-нибудь одному (основному) требованию, а остальные требования приобретают подчиненное ему значение. Так, для изготовления рабочих лопаток газотурбинного авиационного двигателя применяют сплавы на никелевой основе, обладающие хорошей прочностью при высоких температурах (800—1200°С), т. е. жаропрочные. Однако эти сплавы не отвечают многим другим требованиям: они плохо обрабатываются резанием, образуют оксидные плены, что вызывает необходимость ведения плавки и заливки форм в вакууме, имеют сложный состав (содержат до 10 легирующих компонентов), весьма дороги.

Литейные свойства сплавов

Литейными называют ряд свойств металлов и сплавов, определяющих их технологичность в литейных процессах, т. е. пригодность для получения из них отливок необходимой конфигурации, с высокими эксплуатационными свойствами, заданной размерной точностью и требуемым качеством поверхности. Литейные свойства проявляются как в расплавах, так и на всех стадиях их затвердевания и охлаждения. Важнейшими литейными свойствами сплавов являются жидкотекучесть, усадка, склонность к образованию неметаллических включений, к поглощению газов, ликвации, склонность к образованию внутренних напряжений и трещин.

• Жидкотекучесть
• Усадка
• Ликвация

Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, четко воспроизводя контуры ее и поверхность.

Усадка — свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Различают объемную и линейную усадки, выражаемые обычно в процентах.

Ликвация — неоднородность химического состава литейного сплава в различных частях отливки, возникающая при ее затвердевании, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его жидкой и твердой фазах.