2.2.        Требования, предъявляемые к литейным сплавам

Получение отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплава. Наиболее важными литейными свойствами сплава являются:

· жидкотекучесть,

· усадка (линейная или объемная),

· склонность к образованию трещин,

· склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках,

· склонность к ликвации.

Жидкотекучесть литейных сплавов – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. Жидкотекучесть зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости  и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и температуры формы, свойств материала литейной формы и других факторов. Жидкотекучесть оценивают при помощи технологической пробы – спиралевидной формы, в которую заливают расплав. Чем больше его жидкотекучесть, тем больший участок спирали заполнится расплавом.

Чистые металлы и сплавы (эвтектические сплавы), затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы  и затвердевающие в интервале температур.

Чем выше вязкость расплава, тем ниже его жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме.

С повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть расплава.

Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей – магниевые сплавы.

Усадка литейных сплавов – это свойство сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку.

Линейная усадка – уменьшение линейных размеров  отливки при  ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейная усадка определяется по формуле:

,

где εлин – линейная усадка, %; lф  и  lот – размеры полости формы и отливки при температуре 20 оС.

Объемная усадка – это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют по формуле:

,

где εоб – объемная усадка, %; Vф  и  Vот – объем полости формы и отливки при температуре 20 оС.

На усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкции отливки и литейной формы. Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

Усадочные раковины – это сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих  последними. Процесс затвердевания расплавленного металла при литье начинается с образования корки твердого металла около стенок формы. Вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, объем металла в незатвердевшей части отливки понижается. По мере нарастания корки объем жидкого металла уменьшается, и если процесс кристаллизации происходит в замкнутом пространстве без подвода жидкого расплава, то после полного затвердевания образуется усадочная раковина.

Усадочная пористость – это скопление пустот, образующихся в отливке в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними, без доступа к ним расплавленного металла.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости можно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают прибыли – резервуары с расплавленным металлом, которые облегчают  доступ жидкого металла к участкам отливки, затвердевающим последними.

Металлические холодильники, устанавливаемые в литейную форму, повышают скорость охлаждения массивных участков отливки, делают охлаждение более равномерным и, тем самым, предупреждают образование усадочных раковин.

При охлаждении отливки наблюдается механическое и термическое  торможение усадки, приводящее к росту напряжений.


Механическое торможение усадки происходит вследствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение усадки обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Торможение усадки необходимо учитывать на стадии проектирования отливки и разработки технологического процесса.

Трещины в отливках образуются в результате неправильного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении из-за возникновения внутренних напряжений. Если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в заготовке возникают горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, то возможно искажение геометрической формы отливки (коробление).

Горячие трещины возникают в процессе кристаллизации и усадки  металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре, близкой к температуре солидуса. Трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплава к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений и других примесей. Образованию горячих трещин также способствуют резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы и  выступающие части. Высокая температура заливки способствует росту зерна и повышению градиента температуры, что увеличивает вероятность образования трещин. Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создавать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры, обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок, увеличивать податливость литейных форм, снижать температуру заливки расплава.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате, в отливке возникают напряжения, превышающие предел проч

ности материала, которые вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.

Опасность возникновения холодных трещин в отливках усиливается в сплавах, имеющих повышенную концентрацию вредных примесей (фосфор, сера и т.п.). Для предупреждения образования в отливках холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников, применять сплавы с высокой пластичностью, проводить отжиг отливок и другие мероприятия, способствующие равномерному охлаждению.

Склонность к поглощению газов литейными сплавами негативно сказывается при затвердевании отливки, вызывая появление брака по газовой пористости. В значительной степени на образование газовой пористости влияет материал формы, при этом, чем выше газопроницаемость  формы, тем меньше образуются подобные дефекты в отливках.

Ликвацией называют неоднородность по химическому составу в различных частях отливки. Ликвация вызывает существенное влияние на механические  свойства сплава. Различают два вида ликвации: дендритную и зональную.

Дендритная ликвация проявляется в виде химической неоднородности в пределах объема отдельных кристаллитов. Она возникает вследствие избирательного затвердевания сплава и недостатка времени для выравнивания химического состава кристаллитов путем диффузии в процессе затвердевания. Дендритная ликвация может быть устранена диффузионным отжигом.

Зональная ликвация – химическая неоднородность сплава в разных частях отливки. Она развивается тем сильнее, чем медленнее охлаждение отливки. Причины зональной ликвации могут быть различными. Расслоение сплава по составу может произойти в жидком состоянии из-за различной плотности кристаллитов: более тяжелые осаждаются, а легкие – всплывают. Более тугоплавкие кристаллиты располагаются у стенок формы, легкоплавкие составляющие сплава сосредотачиваются в центре отливки или в прибыльной части.

Кроме перечисленных свойств литейные сплавы должны обладать хорошей свариваемостью, так как многие литейные дефекты могут быть исправлены путем заварки.