Материаловед

Для формирования заготовок методом литья наиболее подходят не чистые металлы, а их сплавы. Сплав – это микроскопически однородная система, сформировавшаяся в результате совместного расплавления и затвердевания ком­понентов. Компоненты сплавов – это химические элементы, образующие сплав. Они делятся на три группы:

– основа – металлический элемент, доля которого в составе сплава наиболее велика;

– легирующие добавки – элементы, вводимые в основу в определенных количествах в целях управления свойствами сплава;

– примеси в виде элементов или химических соединений, попадающие в сплав из руды, основы сплава, легирующих добавок, топлива, атмосферы, огнеупоров.

Примеси подразделяют на вредные, снижающие эксплуатационные или технологические свойства сплава, и нейтральные, не оказывающие существенного влияния на свойства сплава.

Сплавы называются однородными (гомогенными), если они имеют однофазную структуру, и разнородными (ге­терогенными), если структура их состоит из нескольких фаз (гомогенных частей, ограниченных поверхностью раздела).

Графическое изображение фазового состояния сплава как функции температуры и концентрации носит название диаграммы состояния. Диаграммы строят для условий равновесия или близких к ним. Истинное равновесие в практических условиях достигается крайне редко.

Академик Н.С. Курнаков установил, что между химическим составом сплавов и их свойствами существует определенная связь. Для разных типов диаграмм состояния им раскрыта закономерность изменения таких свойств, как плотность, твердость, удельное электрическое сопротивление.

Академик А.А. Бочвар на примере распределения усадочных дефектов в виде концентрированной раковины и пористости, а также изменения трещиностойкости показал, что существует зависимость между составом и технологическими свойствами.

Дальнейшим развитием этих идей явились работы профессора О. Н. Магницкого, в которых установлена связь кинетики кристаллизации сплавов различного состава с типом диаграммы состояния (рис. 1.1).

Кинетические диаграммы строились на основании термического анализа затвердевания реального слитка по показаниям одной термопары, расположенной в его центре. В частности, для сплавов с эвтектическим превращением фиксировалось время достижения центра слитка границами ликвидуса (начала выпадения первичных кристаллов).

Рис. 1.1 Связь свойств сплавов с диаграммой состояния: a – изменение физических свойств (по Н.С. Курнакову); б – изменение технологических свойств (по А.А. Бочвару); в – кинетика кристаллизации (по О.Н. Магницкому); 1 – объем рассеянной пористости; 2 – объем концентрированной усадочной раковины; 3 – время до начала выпадения первичных кристаллов; 4 – время окончания выпадения первичных кристаллов;5 – время эвтектической кристаллизации и солидуса (конца выпадения первичных кристаллов) и затвердевания эвтектики

В отличие от твердых растворов сплавы с эвтектическим превращением обладают высокими литейными свойствами. Хорошо известно, что такие эвтектические сплавы, как силумины и чугун, обладают высокой жидкотекучестью.

Жидкотекучесть. Под этим подразумевается способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее. Заполнение литейных форм является сложным гидродинамическим и физико-химическим процессом. Главным фактором, определяющим уровень жидкотекучести, являются свойства сплава в жидком состоянии: теплофизические свойства, особенности кристаллизации, вязкость, окисляемость.

Влияние литейной формы связано главным образом с ее теплофизическими свойствами, со смачиваемостью жидким металлом, с условиями физико-химического взаимодействия «металл–форма».

На жидкотекучесть влияют также условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме.

Количественные значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения. Наибольшее распространение получили технологические спиральные пробы, где канал с рисками, нанесенными через определенное расстояние, выполнен в виде спирали.

При теоретическом анализе характеристики жидкотекучести основным является определение условий остановки движущегося потока. Высказано несколько точек зрения на механизм остановки потока: выделение 20 % твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале литейной формы дендритов (древовидных кристаллов), препятствующих движению потока, накопление твердых кристаллов на конце потока.

Изменение жидкотекучести сплавов тесно связано с их диаграммами состояния. Академик А. А. Бочвар показал, что сплавы сохраняют основные свойства жидкого тела, в том числе способность к макроперемещениям, не во всем интервале температур между ликвидусом и солидусом, а только в той ее части, где кристаллы не образуют связанного каркаса, а движутся вместе с жидкостью.

С увеличением температурного интервала кристаллизации жидкотекучесть снижается. При этом большое значение имеют размеры и форма первичных кристаллов. Если первичные кристаллы растут в виде сильно разветвленных дендритов, граница нулевой жидкотекучести находится вблизи грани­цы ликвидус. Примером могут служить доэвтектические сплавы алюминия с кремнием и многие другие сплавы с широким интервалом кристаллизации и дендритной формой первичных кристаллов. Если же первичные кристаллы имеют компактные формы и небольшие размеры, граница нулевой жидкотекучести тяготеет к линии солидус. Несмотря на то, что выделяется значительная часть твердой фазы, металл продолжает течь, поскольку выделившиеся первичные кристаллы не связаны между собой. В качестве примера можно приве­сти заэвтектические силумины и заэвтектические чугуны.

Заполняемость. Она характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил. Заполнение тонких сечений отливок — это процесс взаимодействия металла и формы. Иногда этот процесс называют формовоспроизведением или формозаполнением. Эти термины следует признать менее удачными, поскольку заполнение острых кромок и тонких сечений в большей степени зависит от свойств металла.

Заполняемость обусловлена рядом факторов:

– поверхностным натяжением сплава и смачиваемостью формы;

– вязкостью сплава, связанной с его теплофизическими свойствами;

– температурным интервалом кристаллизации;

– формой и размерами первичных кристаллов;

– склонностью сплава к пленообразованию;

– теплофизическими свойствами формы;

– способом заливки металла (стационарный или центробежный);

– конструктивными особенностями литниковой системы;

– наличием газов в форме и условиями ее вентиляции.

Весьма эффективным средством, улучшающим заполнение тонких элементов отливок, является центробежная заливка. При заполнении каналов с малой площадью поперечного сечения потоку приходится преодолеть значительное давление, обусловленное действием капиллярных сил. При незначительном удалении таких элементов от оси вращения необходима большая скорость вращения цен­тробежного стола.

По мере продвижения потока металла по каналам литейной формы он охлаждается, меняется его вязкость, на конце потока могут накапливаться выпадающие кристаллы. Все это ухудшает заполняемость.

Характер затвердевания. Характер затвердевания металлов и сплавов определяет особенность перехода металла из жидкого в твердое состояние.

В процессе затвердевания реальной отливки в сплаве, кристаллизующемся в интервале температур, всегда развивается так называемая область затвердевания (рис. 1.2). Эта область ограничена изотермами ликвидус и солидус, которые в процессе охлаждения отливки последовательно перемещаются от ее поверхности к термическому центру.

Область затвердевания делится на две части: жидко-твердую и твердо–жидкую.

Жидко–твердая часть примыкает к изотерме ликвидус, твердо–жидкая – к изотерме солидус. Граница между ними носит несколько названий: выливаемости, нулевой жидкотекучести, начала линейной усадки. Положение этой границы связано с формой и размером первичных кристаллов. При сильной развитой дендритной форме она тяготеет к границе ликвидус, при компактной форме мелких кристаллов – к границе солидус.

Твердо–жидкая часть области затвердевания делится на две зоны границей питания. Между границей выливаемости и границей питания сросшиеся дендриты не препятствуют макроперемещениям жидкости. Между границами питания и солидус каркас из дендритов образует изолированные области, внутри которых возможно только микроскопическое перемещение жидкости.

Рис. 1.2. Области и зоны затвердевающей отливки (по Б. Б. Гуляеву)

Параметры области затвердевания во многом определяют качество отливок, которое оценивается по заполнению литейной формы, развитию усадочных дефектов, по вероятности появления трещин, по формированию литой поверхности.

Затвердевание металла является, прежде всего, тепловым процессом. Его развитие определяется в основном тем количеством теплоты, которое освобождается при переходе металла из жидкого состояния в твердое и условиями отвода теплоты из области затвердевания, что зависит от совокупности теплофизических свойств металла и форм.

Теплофизические свойства сплавов определяются теплотой затвердевания, теплоемкостью, теплопроводностью и плотностью. Причем для процесса затвердевания наиболее значима теплота затвердевания.

Большое значение для развития процесса затвердевания имеет зазор, образующийся между отливкой и формой, так как он является звеном, передающим теплоту от отливки к форме.

Характер формирования литой поверхности. Под характером формирования литой поверхности металлов и сплавов подразумевают и способность воспроизводить профиль поверхности формы (шероховатость, механический пригар), склонность к образованию макронеровностей (спаи), склонность к химическому взаимодействию с формой (химический пригар). Формирование литой поверхности определяется условиями взаимодействия расплава с материалом литейной формы. Эти условия зависят от целого комплекса факторов: от теплофизических свойств металла и формы, их химического состава, гидродинамики потока во время заполнения формы, от изменения физико-механических свойств металла и формы с изменением температуры.

В машиностроении к качеству литой поверхности предъявляются требования, обеспечивающие высокие механические свойства, химическую стойкость, низкие гидравлические потери, обрабатываемость литой детали и др.

Шероховатость поверхности отливки непосредственно зависит от шероховатости поверхности формы. Чем крупнее зерна формовочного материала, тем больше шероховатость поверхности отливки.

Формирование профиля литой поверхности определяется двумя факторами: смачиваемостью формы металлом и условиями теплоотвода на границе «металл–форма» в начальный период затвердевания отливки. Смачиваемость оценивают по краевому углу смачивания, интенсивность теплоотвода – по температуропроводности формовочного материала

Литейная форма является пористым телом. Ее пористость колеблется в пределах от 15 до 45 %. Причем основная часть пор относится к капиллярным, т. е. таким, в которых форма поверхности жидкости зависит от поверхностных сил и мало искажена силой тяжести.

Проникновение жидкого металла в поры формы происходит при условии, если давление металла на границе «металл–форма» превышает капиллярное противодавление формы. Таким образом, чтобы уменьшить проникновение металла в поры формы, следует идти по пути уменьшения радиуса поры за счет применения мелкозернистого песка и увеличения угла смачивания, зависящих от физических свойств металла и состава формовочной смеси. Так, краевой угол смачивания песчано–глинистой формы сталью зависит от содержания кислорода и серы в стали. Если металл не смачивает материал формы, то он может проникать в ее поры только под действием металлостатического давления. Пока капиллярные силы превышают металлостатическое давление, механический пригар не образуется.

На смачиваемость формовочных материалов расплавленным металлом влияет газовая атмосфера литейной формы. Например, при изготовлении стальных отливок в окислительной атмосфере ширина зоны взаимодействия металла с формой увеличивается в 1,5—2 раза по сравнению с изготовлением в воздушной атмосфере.

Механизм взаимодействия жидкой стали с формой, определяющий качество поверхности отливок, можно представить следующим образом. Если при заполнении формы жидкий металл проникает в поры формовочной смеси, происходит образование механического пригара. Эта стадия заканчивается формированием твердой корочки металла на поверхности отливки. Далее при взаимодействии металла с кислородом окружающей газовой атмосферы образуются жидкие оксиды, проникающие в формовочную смесь и вступающие с ней в химическое взаимодействие. Таким образом, с термодинамической точки зрения для уменьшения химического пригара на стальном литье желательно в форме создать восстановительную или же нейтральную атмосферу.

Объемная усадка. Объемная усадка металлов и сплавов характеризует изменение объема металла при понижении температуры в жидком состоянии, в процессе затвердевания и при охлаждении твердого металла.

Согласно схеме, предложенной А. А. Бочваром. полная объемная усадка распределяется между объемом концентрированной усадочной раковины и объемом усадочной пористости. Чем больше эффективная часть температурного интервала кристаллизации (разница температур начала усадки и солидуса), тем большая доля объемной усадки проявляется в виде усадочных пор. В сплавах, кристаллизующихся при постоянной температуре (чистые металлы, сплавы эвтектического состава), усадочная пористость практически не образуется.

Линейная усадка. Линейная усадка металлов и сплавов отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения отливки до комнатной температуры. В отливках из чистых металлов температура начала линейной усадки соответствует температуре плавления. Линейная усадка в этом случае пропорциональна линейному коэффициенту термического расширения и разности между температурами плавления и комнатной. Участок диаграммы состояния между температурой начала линейной усадки и температурой солидус назван А. А. Бочваром эффективным интервалом кристаллизации.

Трещиностойкость – это способность металлов и сплавов к релаксации (ослаблению, уменьшению) напряжений, возникающих в отливке при затвердевании и охлаждении, в результате усадки, фазовых превращений или температурного перепада. В практике литья обычно различают два вида трещин: горячие и холодные. Это деление весьма условно. Считается, что горячие трещины образуются в области, близкой к температуре солидус. По внешнему виду эти трещины отличаются окисленной поверхностью, в особенности на стальных отливках. Холодные трещины, в отличие от горячих, имеют блестящую поверхность и образуются в области упругих деформаций при температуре, которая значительно ниже температуры окончания кристаллизации.

Свариваемость. От свариваемости сплавов зависит качество исправления дефектов отливок и надежность соединения литых деталей методом сварки. В литейной практике свариваемость обычно оценивают по склонности к образованию сварочных трещин и по разупрочнению околошовной зоны. Трещины в зоне сварного шва могут появиться при его остывании в результате возникновения больших термических напряжений. Свариваемость оценивают также, сопоставляя свойства шва и околошовной зоны со свойствами основного металла.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие материалы лучше всего подходят для литья?
2. Из каких основных компонентов состоит сплав?
3. Какова связь диаграммы состояния двойного сплава с его свойствами?
4. Каким образом распределяются усадочные пустоты?
5. Как по типу диаграммы установить кинетику процесса кристаллизации?
6. Что такое жидкотекучесть?
7. Какими факторами определяется заполняемость формы расплавом?
8. Как происходит затвердевание отливки?
9. Что влияет на характер формирования литой поверхности?
10. В чем различие между линейной и объемной усадками?
11. Как влияют внутренние напряжения на качество отливки?