Технология литейного производства. Литейные сплавы.
Жевтунов П.П.
Машгиз, 1957 г.
ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Литейные сплавы, применяемые для изготовления фасонных деталей, можно разделить на шесть характерных групп:
Первая группа — углеродистая и легированная сталь. Наряду с увеличением количества стального литья из углеродистой стали все большее распространение получают отливки из легированной стали. При этом наибольшее количество конструкционных деталей изготовляется из низколегированной стали.
Вторая группа — чугун: с пластинчатым и шаровидным графитом, легированный, ковкий, отбеленный и белый.
Третья группа — медные сплавы: бронза и латунь, называемые тяжелыми цветными сплавами.
Четвертая группа —алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы, называемые легкими сплавами, широко используются в авиационной промышленности и в отдельных отраслях машиностроительной промышленности.
Пятая группа — магниевые сплавы. Магниевые сплавы являются наиболее легкими техническими сплавами, они нашли широкое распространение в авиационной промышленности.
Шестая группа — сплавы на основе олова, свинца и цинка. Эти сплавы используются как антифрикционные для изготовления фасонных деталей и подшипников.
2. Влияние различных факторов на заполняемость литейных форм
Для выбора сплавов, обладающих наибольшей жидкотекучестыо, пользуются технологическими диаграммами, которые строят на основании экспериментальных данных.
Для ряда типовых технических сплавов построены технологические диаграммы, увязанные со структурными диаграммами состояния.
На фиг. 4 показана связь между диаграммойсостояниясплавовмагний — алюминий и жидкотскучестыо.
На фиг. 5, а показана зависимость жидкотекучести стали от содержания углерода и температуры заливки; на фиг. 5 б — зависимость жидкотекучести от содержания кремния и па фиг. 5, в —от содержания марганца.
На степень жидкотекучести сплава влияют и другие факторы, например теплопроводность материалов, из которых изготовлена форма. На заполняемость песчаных форм влияют влажность формы, количество угля, состав краски и др. На фиг. 6 показано влияние влаги и добавок угля в формовочные смеси на заполняемость форм при отливке деталей из ковкого чугуна.
§ 3. ЛИКВАЦИЯ 1. Понятие о ликвации
В некоторых отливках после их затвердевания наблюдается
неоднородность по химическому составу в отдельных зонах отливки или внутри отдельных зерен. это явление называется ликвацией.
Основной причиной ликвации является то, что при затвердевании сплава твердая и жидкая фазы имеют различный состав в результате избирательного затвердевания.
Неравномерное распределение компонентовсплава по сечению
отливок ухудшает их качество и часто служит причиной поломки
деталей.
Обратная зональная ЛИКВАЦИЯ характерна для сплавов с компонентами имеющими большую разницу в температурах плавления, и для сплавов с большим температурныминтервалом затвердевания.
При затрудненной линейной усадке в скелете из твердых кристаллов могут образовываться трещины, которые заполняются ликватом. Заполнение образующихся трещин ликватом происходит за счет давления или за счет разрежения, которые создаются в момент затвердевания отливок.
Точно такое же явление может наблюдаться и в отливке с газовыми раковинами. Так, например, если давление газа в раковине меньше, чем давление жидкого ликвата, последний может заполнять полости раковин. Все это приведет к местной зональной ликвации в отдельных участках отливки.
В стальных отливках ликваты, загрязненные неметаллическими включениями, поднимаются вверх. В магниевых отливках ликваты и загрязнения могут опускаться вниз.
Зональная ЛИКВАЦИЯ по удельному весу может происходить по двум основным причинам: в связи с расслоением жидкого сплава по удельному весу, которое происходит при недостаточном перемешиваниисплава при плавке и заливке, или при выпадении из жидкого сплава легких и тяжелых кристаллизующихся фаз. Характерным примером зональной ликвации по удельному весу может служить высокосвинцовая бронза и свннцовосурьмянистые баббиты, при медленном охлаждении которых свинец опускается вниз.
Основные способы устранения ликвации по удельному весу — это хорошее перемешиваниесплава и быстрое его охлаждение в форме. Лнквация в отливках — крайне нежелательное явление, так как она снижает качество отливок.
3. Методы борьбы с явлением ликвации
Методы борьбы с явлениями ликвации в отливках применяются в зависимости от характера ожидаемой ликвации — виутрикристаллической или зональной.
При литье деталей, склонных к внутрикристаллической ликвации, отливки необходимо быстро охлаждать в период затвердевания. После затвердевания эти отливки необходимо медленно охлаждать, чтобы за счет диффузии при высоких температурах и медленном охлаждении произошло выравнивание состава сплава.
Основные методы устранения зональной ликвации в литых деталях сводятся к следующему.
В сплавы, содержащие ликвирующие компоненты, необходимо вводить дополнительные элементы, которые будут уменьшать ликвацию. Толщина стенок фасонной отливки должна быть равномерной. При значительной разнице в толщине стенок трудно достигнуть равномерного затвердевания отливки, и поэтому ликваты концентрируются в утолщенных ее частях.
2. Модифицирование чугуна
Модифицированием называется обработка жидких сплавов малыми добавками тех или иных элементов» приводящая к такому изменение формы и размеров первичных кристаллов, которое обеспечивает повышение механических и дру1нх свойств металла.
Различают два вида процессов, которые протекают в металле при введении модификаторов: 1) образование на поверхностикристаллов активных пленок, препятствующих росту кристаллов; 2) измельчение зерен структурысплава или образование зародышей — центров кристаллизации.
Модифицирование широко применяется в современной практике литейною производства.
Модифицирующие добавки вводятся в низкоуглеродистый чугун, в котором мало центров графитизации. Такой чугун без модифицирования затвердевает белым (фиг. 36, /) или отбеленным (фиг. 36, Па)-Жидкий чугун перед модифицированием необходимо нагревать Д( более высоких температур и очищать от окислов, шлаков и газов. Хорошие результаты при модифицировании обычного чугуна достигаются после продувки его кислородом.
По гораздо проще осуществить процесс модифицирования, если взять для этой цели исходный чугун, в котором склонность к графитизации понижена Такой чугун без модифицирования затвердеет с образованием структур. Введение модифицирующих добавок в такой чугун приведет к образованию искусственных Центров кристаллизации, и углерод успеет выделиться из раствори в достаточном количестве, но вырасти до значительных включений не успеет.
Процессы, происходящие при модифицировании чугунов, в настоящее время еще недостаточно изучены. Считают, что при получении модифицированных чугунов с пластинчатым графитом главную роль играют зародыши — центры кристаллизации. Полагают, что при получении модифицированного чугуна с шаровидным графитом главную роль играют поверхностно активные пленки.
Модифицирование серого чугуна с пластинчатым графитом производится различными добавками (Al, Si, Ca и др.)
Механические свойства и примерный химический состав модифицированного чугуна СЧ 32-52. СЧ 35-56, СЧ 38 60 приведены в табл. 10.
В современной практике литейного производства большое значение приобретает процессмодифицированиячугунов с целые получения в чугуне шаровидного графита. Для модифицированиячугунов с целью получения шаровидного графита берутся чугуны с большой суммой углерода и кремния (С + Si =5,2—6,5%).
Пары магния рафинируют чугун и освобождают его от значительного количества газов.
4. Рафинирование алюминиевых сплавов азотом
При дегазации алюминиевых сплавовазотом газ из баллона подают по резиновой трубке через кварцевую трубку, которая опускается в нижний слой металла. Для очисткиазота от кислорода его пропускают через трубки, наполненные медной стружкой, нагретой до 900°. Продувкусплаваазотом начинают при температуре 680—690°. процессрафинирования длится 5—10 мин. После рафинированиятемпературуметалла быстро повышают, снимают шлак и разливают металл в формы.
Азот с водородом не вступают в химическую реакцию, поэтому механизмрафинированияазота можно представить в виде схемы (фиг, 140). Пузырьки азота наполняются водородом и всплывают на поверхность. Выделяясь к поверхности ванны, азот увлекает за собой перешедший в него водород. По мере поступления новых пузырьков азота растворенный в металлеводород будет переходить в пузырьки и вместе с ними удаляться из сплава.
Одновременно с удалением водорода из сплава удаляются и неметаллические включения в виде окислов и шлака, которые прилипают к пузырькам азота и, на основе законов флотации, всплывают на поверхность.
Температуру металла при рафинировании необходимо поддерживать низкой, так как азот в сплаве может давать значительное количество нитридов. Поэтому для сплавов, содержащих значительное количество магния, рафинированиеазотом применять не рекомендуется.
Продувка алюминиевых сплавовазотом не дает достаточно хороших результатов, поэтому ее применяют в отдельных случаях в сочетании с другими способами рафинирования.
5. Рафинирование алюминиевых сплавов хлором
Продувка сплавовхлором имеет значительные преимущества перед другими способами рафинирования. Хлорированиеалюминия и алюминиевых сплавов широко применяется как на металлургических заводах, так и в литейных цехах.
5. Плавка алюминиевых сплавов в электротигельных печах
Тигельные печи с электрическим обогревом широко применяются дли плавки небольшого количества сплава. Перед плавкойтигель очищают от шлака, исправляют окраску и загружают шихту. Шихтовые материалы перед загрузкой подогревают до 120—150° для удаления влаги. Расплавляют часть шихты и затем добавляют оставшуюся часть, погружая ее в жидкую ванну.
Расплавленный сплав нагревают до заданной температуры и рафинируют. После рафинирования снимают шлак, нагревают сплав и заливают формы.
При плавке алюминиевокремниоых сплавов их нагревают до заданной температуры, модифицируют солями., выдерживают некоторое время, снимают шлак и модификатор и производят заливку форм.
Плавка в этих печах связана со значительным расходом электрической энергии, который составляет 550—600 квт-ч на 1 т сплава. Поэтому тигельные лечи используют в большинстве случаев для комбинированной плавки и обработки алюминиевых сплавов, сочетая их с другими плавильными печами. Кроме того, эти печи используют в качестве разборных печей при литье алюминиевых сплавов в кокиль и под давлением. В этих случаях рабочий сплав в тигли подается в готовом виде, расплавленным, или в виде чушек. В разборных тиглях периодически производят рафинированиесплава дли восстановления его литейных свойств.
§ 7 ПРИМЕРЫ ПЛАВКИ НЕКОТОРЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
1. Плавка алюминиевого сплава АЛ2
Сплав АЛ2 можно изготовлять из чушковых силуминов. В случае отсутствия силуминов в качестве шихтовых материалов можно использовать чушковый алюминий и кремний.