Классификация литейных сплавов и их основные характеристики.

 

Приблизительно 75% по массе всех изготовляемых в машиностроении отливок делают из чугуна. Этому способствует самая низкая среди всех литейных сплавов стоимость чугуна, его сравнительно высокая прочность и хорошие литейные свойства.

В литейном производстве наибольший процент чугунных отливок по массе изготавливают из серого чугуна следующих марок: СЧ10 (σ­_В = 100МПа), СЧ15 (σ­_В = 150МПа), СЧ18 (σ­_В = 180МПа), СЧ20 (σ­_В = 200МПа).

В состав чугуна входит: углерод, железо, кремний (для увеличения жидкотекучести), сера и фосфор.

Из СЧ15 и СЧ20 отливают корпусные детали металлорежущих станков, сельскохозяйственных машин, редукторов, центробежных насосов и др.

Из СЧ25 и СЧ30 изготавливают ответственные детали автомобильных и тракторных двигателей (блоки, цилиндры, головки и др.).

Приблизительно 5% чугунных заготовок производится из ковкого чугуна, который плавится при наиболее низкой температуре: КЧ 37-12 (σ­_В = 370МПа, относительное удлинение ψ = 12%), КЧ 35-10, КЧ 33-8, КЧ 30-6.

Ковкий чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью, занимая по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Процесс изготовления отливок из ковкого чугуна длителен и энергоёмок, поэтому во многих случаях значительно экономичнее получение их из высокопрочных чугунов: ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70.

Высокопрочный чугун по механическим и литейным свойствам приближается к сталям, но дешевле их примерно на 25%, плавится при более низкой температуре и лучше обрабатывается резанием.

Ковкий чугун и сталь применяются для изготовления корпусных деталей, работающих в условиях вибрации или подвергающихся значительным изгибающим и скручивающим моментам и ударным нагрузкам (корпуса заднего моста, руля, редукторов самоходных комбайнов).

Из высокопрочного чугуна делают корпуса высоконапорных центробежных многоступенчатых насосов.

Из сталей производят около 21% всех отливок по массе. По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Легированныестали, в зависимости от количества легирующих элементов, делятся на низколегированные (общее количество легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (общее количество легирующих элементов до 2,5-10%), и высоколегированные (общее количество легирующих элементов свыше 10%).

К литейным сталям относятся: 15Л (содержание углерода 0,15%), 20Л (содержание углерода 0,20%), 45Л (содержание углерода 0,45%), 10Х18Н9ТЛ (содержание углерода 0,1%, хрома 18%, никеля 9%, титана до 1%). Эти стали обладают пониженной жидкотекучестью и большой усадкой. В связи с этим расход металла на отливку увеличивается приблизительно в 1,6 раза по сравнению с чугуном.

Для сталей, работающих в специфических условиях, применяют высоколегированные стали со специальными свойствами:

· Коррозионные – 25Х18Л и др.;

· Кислотоупорные – 15Х18Н9ТЛ и др.;

· Окалиностойкие – 15Х9С2Л (С-кремний) и др.;

· Жаропрочные – 15Х22Н15Л и др.;

· Износостойкие с высокой сопротивляемостью износу при образивном и ударном воздействиях в различных условиях – 15Х34Л и др.

 

Однако следует помнить то, что все высоколегированные стали обладают низкими литейными свойствами.

 

Литье цветных сплавов составляет по массе около 4% в общем объеме литейного производства. Большинство цветных сплавов обладает хорошей жидкотекучестью и обрабатываемостью, но применение их в машиностроении ограничено более низкими, чем у черных металлов, механическими свойствами и более высокой стоимостью и дефицитностью. Наиболее распространены сплавы на основе меди: бронзы и латуни.

Бронзы, применяемые в литейном производстве, подразделяются на 2 группы:

- оловянные БрО10Ф1

БрО5С25 и др.

 

- безоловянные БрС30

БрА10Ж4Н4Л

БрА9Мц2Л и др.

 

Бронзы отличаются высокими механическими, коррозионными и антифрикционными свойствами, обладают хорошей жидкотекучестью, но сравнительно большой усадкой и склонностью к окислению.

Латуни литейные

ЛЦ16К4 (цинк 16%, кобальт 4%, остальное - медь);

ЛЦ40Мц3Ж (цинк 40%, марганец 3%, железо до 1%, остальное - медь);

ЛЦ30А3 (цинк 30%, алюминий 3%, остальное - медь).

 

Кроме цинка в состав латуней входят: алюминий, железо, марганец и другие элементы. Латуни имеют более высокие литейные свойства, чем бронза, поэтому из них проще получить прочные герметичные отливки. Из бронзы и латуни изготавливают детали, работающие в агрессивной среде.

Алюминиевые литейные сплавы.

АЛ2, АЛ3, АЛ6, АЛ7 (цифра в конце обозначения – номер сплава).

 

Силумины (Al+Si) (Al+Cu)

 

В своем составе они содержат магний, кремний, медь, марганец, никель, цинк. По преобладающему после алюминия элементу они делятся на 5 основных групп:

· Кремниевые (Si ³ 5%);

· Магниевые (Mg ³ 4%);

· Медные (Cu ³ 4%);

· Цинковые (Zn ³ 3%);

· Сложные по составу, отличающиеся повышенной жаропрочностью.

Высокие литейные свойства алюминиевых сплавов позволяют получать тонкостенные и сложные по форме отливки. Алюминиевые сплавы широко используют в автомобильной, авиационной и других областях промышленности для изготовления поршней, корпусов двигателей, деталей приборов.

Магниевые литейные сплавы МЛ5, МЛ6, МЛ8 (цифра в конце обозначения – номер сплава). По свому химическому составу магниевые литейные сплав делятся на 3 группы:

· Сплавы на основе Mg-Al-Zn;

· Сплавы на основе Mg-Zn-Zr;

· Сплавы на основе Mg-РЗЭ-Zr.

 

РЗЭ (редкоземельные элементы) располагаются в третьей группе таблицы Менделеева: Sc, Y, La.

Магниевые сплавы уступают алюминиевым по пластичности и коррозионной стойкости. Они имеют низкую жидкотекучесть, большую усадку, склонны к образованию усадочных рыхлот, способны воспламеняться в жидком состоянии, что затрудняет изготовление отливок.

Магниевые сплавы получили широкое применение в авиационной промышленности и приборостроении для изготовления деталей двигателей, корпусов приборов и др.

Цинковые сплавы.

 

ЦАМ10-4 (алюминий 10%, медь 4%);

ЦАМ10-5 (алюминий 10%, медь 5%).

 

Zn: r = 7,13 г/см³, Т_пл = 419,5°С.

 

В качестве легирующих элементов цинковые сплавы могут также содержать Al, Cu и в незначительном количестве Mg и Mn. В литом виде сплавы применяют для монометаллических вкладышей, втулок и т.д. ЦАМ10-5 применяют для отливки биметаллических изделий со стальным корпусом. Вследствие высоких антифрикционных свойств и достаточной прочности (σ_В = 250…400МПа) при Т = 120°С эти сплавы могут заменять бронзы для узлов трения, температура которых £ 100°С. При более высоких температурах сплавы размягчаются и налипают на вал.

Легкоплавкие сплавы получают на основе олова, свинца, кадмия и висмута. Они имеют температуру плавления Т_пл = 70-90°С. Ввиду низких механических свойств в машиностроении широкого применения не нашли. Они используются, главным образом, в электротехнической промышленности.

Тугоплавкие сплавы. К ним относятся сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия, ванадия. Эти сплавы имеют высокую температуру плавления Т_пл = 1700…3500°С и отличаются повышенной прочностью при высоких температурах. Чаще всего используются титановые сплавы следующих марок: ВТЛ1, ВТЛ5, ВТЛ6, ВТ3-1Л, ВТ-14Л.

Литейные свойства титановых сплавов характеризуются малым интервалом температур кристаллизации и высокой химической активностью по отношению к окружающей среде и формовочным материалам.

Сплавы титана применяют там, где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии. Титановые сплавы применяются в ракетной технике, в авиации, в химическом машиностроении, медицине и т.д.

Молибден и вольфрам в чистом виде используются в электронной промышленности (нити накаливания, контакты, нагреватели), в химическом машиностроении.

Ниобий применяется для изготовления конструкций ядерных реакторов в связи с отсутствием взаимодействия с расплавленными щелочными металлами.

 

Литейные свойства сплавов.

 

К ним относятся:

· Жидкотекучесть;

· Усадка;

· Склонность к ликвации;

· Газопоглощение.

 

Жидкотекучесть – способность жидкого металла полностью заполнять полости литейной формы и четко воспроизводить очертание отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры заливаемого в форму сплава и теплопроводности материала формы. Углерод, кремний и фосфор улучшают жидкотекучесть, а сера ухудшает.

Минимально возможная толщина стенки отливки для различных литейных сплавов, ввиду их разной жидкотекучести, неодинакова и составляет при литье в песчаные формы для отливок:

из серого чугуна: из стали:

Мелких: 3-4мм 5-7мм

Средних: 8-10мм 10-12мм

Крупных: 12-15мм 15-20мм

 

Усадка – свойство литейных сплавов изменять объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму и вплоть до полного охлаждения отливки.

Различают линейную и объемную усадку:

 

;

,

где , - соответственно линейный размер и объем полости формы;

, - соответственно линейный размер и объем отливки при t = 20°С.

 

Линейная и объемная усадка связаны следующим соотношением:

.

 

На усадку влияет химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Кроме искажения линейных размеров, усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

При правильном учете усадочных процессов, затвердевание отливки должно идти снизу вверх с образованием концентрированной усадочной раковины. В противном случае в теле отливки образуется усадочная пористость.

 

 

Ликвация – неоднородность строения в различных частях отливки. Возможны ликвации по химическому составу (зональная, дендритная), по плотности, по неметаллическим включениям и др. факторам.

Зональная ликвация представляет собой химические и другие неоднородности в объеме всей отливки, а дендритная – в пределах одного зерна.

Склонность к ликвации зависит от химического состава сплава, скорости охлаждения сплава и размеров отливки. Для уменьшения ликвации увеличивают скорость охлаждения отливки.

Склонность к газопоглощению – способность литейных сплавов в жидком состоянии растворять кислород, азот, водород. Их растворимость растет с перегревом расплава. При охлаждении в литейной форме газонасыщенного расплава растворимость газов понижается и они, выделяясь из металла, могут образовывать в отливке газовые раковины.