Литейные сплавы, их свойства и приготовление
Основными литейными сплавами являются серый и ковкий чугуны, углеродистые стали, бронзы, латуни и алюминиевые сплавы. К менее распространенным литейным сплавам относятся легированные стали, сплавы на основе магния, цинка, титана, а также другие цветные и редкие металлы (табл. 1).
С учетом специфических условий получения фасонных отливок литейные сплавы, наряду с соответствующими физико-механическими свойствами, должны обладать хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой и малой склонностью к поглощению газов.
Жидкотекучесть — способность расплавленного литейного сплава хорошо заполнять самые тонкие и сложные полости формы и, таким образом, точно воспроизводить конфигурацию отливки. Величина жидкотекучести зависит от вида и химического состава литейного сплава, а также степени его перегрева при плавке. Жидкотекучесть особенно высока у силуминов (сплавов алюминия с кремнием), оловянистых бронз, серого чугуна, кремнистых латуней и др. Меньшей жидкотекучестью обладают углеродистые и низколегированные стали, белый чугун, а также безоловянистые бронзы. Пониженной жидкотекучестью обладают магниевые сплавы и высоколегированные стали. С увеличением содержания углерода, кремния и фосфора жидкотекучесть чугуна и стали возрастает, а с увеличением содержания серы она у этих сплавов уменьшается. Следует также иметь в виду, что жидкотекучесть расплава зависит от материала формы — она больше при литье в сухие песчаные формы и меньше при заливке сплава в сырые песчаные формы. Еще в большей степени снижается жидкотекучесть при литье в металлические формы, которые обладают высокой теплопроводностью.
Усадка — уменьшение линейных размеров и объема отливок при охлаждении, что объясняется свойством тел расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Для удобства усадку отливок выражают в процентах по отношению к первоначальным размерам полости формы (линейная усадка). Величина усадки отливок (см. табл. 1) зависит от химического состава сплава, от конфигурации детали, а также от других факторов. Изготовить отливки из сплавов, имеющих повышенную усадку, трудно, так как, кроме изменения размеров и объема, в отливках образуются усадочные раковины и большие напряжения.
Усадочные раковины образуются в результате неравномерного остывания отливки. Быстрее всего остывают наружные слои отливки, соприкасающиеся со стенками формы, а внутри наружной затвердевшей корки сплав в течение некоторого времени остается жидким. При дальнейшем охлаждении твердая наружная корка и расплав уменьшаются в объеме, но их усадка будет различна. Так как температура расплава выше, чем температура корки, то он сжимается в большей степени, благодаря чему к концу затвердевания во внутренней части отливки образуется полость неопределенной формы, которую называют усадочной раковиной. Для предупреждения образования усадочных раковин в литейной форме устраивают прибыли, являющиеся резервуарами расплава для питания отливок во время их охлаждения.
Внутренние напряжения являются следствием неравномерного охлаждения отливок и торможения усадки. Чаще всего они образуются в фасонных отливках с различной толщиной стенок. В процессе затвердевания температура отливки не везде одинакова: внутри и в наиболее массивных местах она выше, чем снаружи или в тонких сечениях. Следовательно, места отливки с наиболее высокой температурой дают большую усадку к моменту окончательного охлаждения. Так как части одной и той же отливки не могут сжиматься независимо друг от друга, они мешают друг другу совершать свободную усадку. Таким образом, в отливке возникают внутренние силы, которые могут покоробить отливку, а иногда и вызвать образование в ней внутренних напряжений и трещин. Внутренние напряжения и трещины могут также возникать в результате сопротивления свободной усадке сплава со стороны формы и стержней. Чтобы предупредить образование внутренних напряжений и трещин, необходимо создавать конструкции деталей машин с равномерной толщиной стенок и плавными переходами, устранять препятствия усадке со стороны формы и стержней (повышать их податливость) применять холодильники (см. гл. VIII).
Газонасыщенность сплавов. Литейные расплавы обладают способностью поглощать газы: водород, азот, кислород и др. Последние попадают в расплав из окружающей среды, из влаги и окислов (ржавчина) плавящихся исходных шихтовых металлов, топлива и др. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава она увеличивается крайне незначительно, несколько возрастает при плавлении и особенно резко повышается при перегреве расплава до температур, превышающих температуру плавления.
Во время заливки формы расплавы всегда содержат то или иное количество газов, а их выделение находится в прямой зависимости от степени увеличения вязкости охлаждающегося расплава и свойств литейной формы (ее материал, газопроницаемость формовочных смесей, наличие или отсутствие газоотводных каналов в стрежнях и др.). При затвердевании расплава, когда выделяется наибольшее количество поглощенных газов (вследствие уменьшения растворимости) и расплав оказывается вязким (из-за понижения температуры), создаются условия для образования в отливках газовых раковин.