Жидкотекучесть литейных салавов

Жидкотекучестью называется способность сплава в расплав-ленном состоянии заполнять полость формы и  воспроизводить её конфигурацию. Жидкотекучесть сплава зависит от его химического состава, температуры заливаемого в форму сплава и теплопрово-дности материала формы. Способность жидкого металла заполнять форму зависит также от состояния поверхности формы и стержня, размеров и формы поперечного сечения каналов литниковой систе-мы, скорости заливки, температуры  формы.

2.1.1. Влияние химического состава и температуры перегрева сплава на жидкотекучесть. Чистые металлы, а также эвтектические сплавы, кристаллизуются при постоянных темпера-турах и  имеют хорошую жидкотекучесть. Кроме того, эвтектические сплавы имеют самую низкую температуру плавления, чем другие сплавы той же системы и поэтому широко применяются для получе-ния отливок. Сплавы представляющие собой твердые растворы и химические соединения, обладают худшей жидкотекучестью.

При добавлении некоторых компонентов, например фосфора, жидкотекучесть чугуна и бронзы повышается. Так, введение от 0,5 до 1,5 % фосфора в чугун позволяет увеличить его жидкотекучесть настолько, что из такого чугуна без особых затруднений отливаются тонкостенные отопительные радиаторы, поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания и другие тонкостенные детали. Бронза с содержанием фосфора около 1 % используется для отливки художественных изделий: скульптур, барельефов, тонкостенных решеток, монументов и т. п. Кремний и углерод также улучшают жидкотекучесть чугунов. Наряду с этим существуют в литейных сплавах тугоплавкие компоненты, которые ухудшают жидкотеку-честь, например, вольфрам, ванадий, титан, молибден. Некоторые компоненты, например марганец и сера по отдельности, слабо влияют на жидкотекучесть, но при совместном наличии их в сплаве образуется химическое соединение MnS, значительно снижающее жидкотекучесть.

Чем выше температура перегрева и теплосодержание сплава, тем меньше его вязкость и  выше жидкотекучесть.

2.1.2. Влияние состояния формы на жидкотекучесть.  На жидкотекучесть литейного сплава сильное влияние оказывает теплопроводность материала формы, в которую его заливают. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее и расплавленный металл заполняет её лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно охлаждает расплав. Заполняемость жидким металлом нагретых форм лучше, чем холодных, так как холодная форма понижает температуру заливаемого металла, а, следовательно, и ухудшает его жидкотекучесть.

Состояние формы (сырая форма или сухая) также оказывает влияние на ее заполняемость. При изготовлении крупных, сложной конфигурации отливок формы и стержни окрашивают и высушивают, так как при заливке сырых форм жидким металлом происходит быстрое испарение влаги. Образовавшийся водяной пар накапли-вается в еще незаполненных, особенно тонких полостях, и противодействует дальнейшему заполнению формы металлом. Величина противодавления пара и других газов может достигнуть такой величины, что будут наблюдаться выбросы жидкого металла из формы. Следовательно, лучшей заполняемостью обладают сухие окрашенные формы.

Шероховатость каналов литниковой системы, полости формы и поверхности стержня ухудшают заполняемость формы. Поэтому лучшей заполняемостью обладают формы из мелкозернистых песков.

2.1.3. Влияние жидкотекучести на качество отливок. Хорошая жидкотекучесть литейного сплава позволяет получить    плотные и качественные отливки. Недостаточная жидкотекучесть расплава вызывает незаполнение отдельных тонких частей литейной формы– недоливы, а, следовательно, и искажение конфигурации и размеров отливки. Могут образоваться также такие дефекты отливок как спай, газовые и шлаковые раковины. Спай – углубление с закруглёнными краями на поверхности отливки, образовавшееся в результате смыкания потоков металла с недостаточной жидкотекуче-стью. При плохой жидкотекучести случайно попавшие в литниковую систему шлаковые включения не успевают всплыть в шлакоуловителе и при затвердевании металла остаются в стенках отливки. Шлаковая раковина - полость, частично или полностью заполненная шлаком.

2.1.4. Способы определения жидкотекучести сплавов [4]. Жидкотекучесть определяется путем заливки расплавленным сплавом специальных технологических проб при некоторой постоянной температуре. За ее меру принимают длину заполненной расплавом части полости пробы, измеряемую в миллиметрах. Жидкотекучесть чугуна, бронзы и алюминиевых сплавов принято определять с помощью спиральной пробы трапециадального сечения, модель которой представлена на рис. 2.1, а. На модели спирали и соответственно в форме имеются отметки через каждые 50 мм, облегчающие измерение длины спирали. Длина спирали, выраженная в миллиметрах, и является характеристикой жидкотекучести сплава в данных условиях. Для определения жидкотекучести стали пользуются пробами U-образного вида (рис. 2.1, б). Она  имеет вертикальное расположение канала в металлической разъемной форме. Количественной характеристикой жидкотекучести является длина заполнившейся части вертикального канала диаметром 10 мм. Жидкотекучесть стали, магниевых и других сплавов определяется по стержневой пробе, полученной в песчаной форме (рис. 2.1, в), где 1 – сама форма; 2 – канал, заполняемый жидким сплавом; 3 – литниковая воронка. В клиновой пробе (pиc. 2.1, г) металл заполняет полость металлической формы переменного сечения. При этом мерой жидко-

	Рис. 2.1. Пробы на жидкотекучесть: а - спиральная;  б – U – образная; в – стержневая; г - клиновая

 

 

текучести служит величина зазора l между затвердевшим металлом и вершиной угла клина (чем меньше l, тем больше жидкотекучесть).

Усадка литейных сплавов

 

Другим важным свойством, определяющим качество отливок является усадка. Усадкой металла или сплава называется свойство его уменьшаться в объеме и линейных размерах в процессе затверде-вания и при дальнейшем охлаждении отливки[5]. В отливках различают объемную и линейную усадку. Относительное изменение объёмов отливки V _от по сравнению с объемом формы V _ф, выраженное в процентах, определяет объемную усадку e_об, которая наблюдается при  кристаллизации и охлаждении отливки:

                           

где V _ф и V _от – объёмы полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.

Относительное изменение линейных размеров отливки l _от по сравнению с размерами полостей формы l _ф, выраженное в процентах, определяет линейную усадку e_лин, которая наблюдается при кристаллизации и охлаждении отливки:

                                                           (2.1)

где l _ф и l _от—размеры полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.

Величина линейной усадки зависит от химического состава сплава, температуры и скорости заливки его в форму, скорости охлаждения сплава в форме и сложности конфигурации самой отливки, а также от степени сопротивления усадке со стороны формы и стержня. Линейная усадка отливок из серого чугуна в среднем составляет 1 %, из стали – 2 %, из большинства сплавов цветных металлов – 1,5 %. Размеры моделей, по сравнению с предусмотрен-ными чертежом, увеличивают на величину линейной усадки литей-ного сплава. Линейная усадка может вызвать  в отливках возникно-вение напряжений, что приводит к короблению или образованию трещин в отливке. Такие трещины чаще возникают в тонкостенных отливках со сложной конфигурацией и с неравномерным сечением, изготовленных из сплавов с большой линейной усадкой.

Дефекты усадочного характера в отливках. С явлением усадки связаны основные технологические трудности производства фасонных отливок из-за образования в них усадочных раковин, пористости и трещин. Усадочная раковина – сравнительно крупная полость, располо-женная в местах отливки, затвердевающих в последнюю очередь (рис. 2.2, а). При затвердевании отливки сначала образуется около стенок формы корка 1, затем нарастает второй слой 2 и т. д., а уровень жид-кого сплава в результате уменьшения его объема   постепенно снижает-ся. В результате в отливке образуется усадочная раковина (рис. 2.2, а, б).

Рис. 2.2. Дефекты отливок усадочного характера: а – вынесение усадочных раковин в прибыльную часть отливок; б – усадочная раковина выявленная при механической обработке ступицы шкива; в, г, д – усадочная пористость 

Усадочная пористость – скопление мелких пустот неправильной формы в обширной зоне отливки.  Она в отливках появляется главным образом  при  затвердевании  сплавов  в  интервале  кристаллизации (рис. 2.2, в, г, д). Кристаллы, образующиеся одновременно во всем объеме отливки, срастаются друг с другом (рис. 2.2, в). Это приводит на этом этапе к образованию ячеек 2 с остатками жидкой фазы 3. Усадка кристаллов еще продолжается, а жидкий металл не может поступать в зону затвердевания, в результате образуются усадочные поры 1. Главным условием предупреждения в отливках усадочных раковин и пористости является непрерывный подвод жидкого металла к кристаллизующемуся сплаву. Для этого в форме образуют дополни-тельную полость, которая служит прибылью (рис. 2.2, а).

Жидкий металл из прибыли питает отливку, а усадочная раковина образуется в прибыли, которую затем отделяют от отливки. Размеры прибылей выбираются по техническим условиям в зависимости от вида и массы отливки.

2.3. Ликвация в отливках, склонность к образованию трещин и к газопоглощению

Ликвация, или химическая неоднородность, возникает при переходе из жидкого расплава в твёрдое состояние вследствие уменьшения растворимости примесей. Неоднородность химического состава в пределах одного кристалла называется дендритной ликвацией, а в различных частях отливки (слитка) – зональной ликвацией. На процесс развития ликвации оказывают влияние конфигурация отливки, скорость охлаждения и другие технологичес-кие факторы. Чем крупнее отливка, тем медленнее, она охлаждается и тем больше развивается ликвация.

Склонностью к образованию трещин называется совокупность свойств, определяющих прочность отливки в процессе кристаллиза-ции и охлаждения расплава. Различают горячие трещины, образую-щиеся в отливках при высоких температурах (см. стр. 10), и холодные, образующиеся при низких температурах. Холодные трещины образуются после полного затвердевания отливки в обла-сти упругих деформаций. Причиной образования холодных трещин является наличие внутренних напряжений в отливке, которые возникают за счёт неравномерного её затвердевания: тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем массивные. Для предотвращения образования холодных трещин в отливках необходимо обеспечить равномерное их охлаждение установлением холодильников в массивные места отливки или необходимо использовать сплавы с высокой пластичностью.

Склонностью к газопоглощению называется способность расплавов поглощать газы при нагреве и выделять их в период охлаждения. Газы в расплав попадают при протекании химических реакций (например, FеО + С→Fе + ↑СО), с поверхности раздела расплав-форма, при заполнении формы расплавом, из шихтовых материалов. С этим свойством связан весьма распространенный дефект отливок – газовая пористость. Растворимость газов в расплавах уменьшается с понижением температуры. В связи с этим понижение температуры заливаемого расплава является одной из мер предупреждения образования газовой пористости, к числу которых относятся также дегазация (прокалка или технологическая обработка в вакууме или инертной среде с целью удаления газов) шихтовых материалов, расплава перед его заливкой в форму и др.

Практическая часть