Металл для отливок

Для производства отливок применяют многочисленные литейные сплавы, к которым относятся: черные — сплавы на основе железа, к ним относится большая группа сталей и чугунов; цветные тяжелые — их основу составляет медь, к ним относятся бронзы и латуни; цветные легкие — на основе алюминия и магния и, наконец, тугоплавкие — на основе таких металлов, как молибден, титан, вольфрам, ниобий и др.

Так как более 96% отливок (по массе) производится из черных металлов, мы рассмотрим их более подробно. Что такое чугун и сталь? Это сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем и другими элементами. Отличают чугуны от сталей по содержанию углерода. Сталь содержит до 2% углерода, а чугун — свыше 2%. При затвердевании чугуна углерод выделяется в виде самостоятельной фазы и образует в металле изолированные скопления графита определенной формы. Именно из-за такой структуры чугун становится хрупким. Поэтому он не куется и трудно сваривается, но зато обладает другими замечательными свойствами. Он хорошо сопротивляется сжатию и изгибу, обладает высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, очень хорошо обрабатывается резанием. Кроме того (а для получения отливок это очень важно), чугун обладает превосходными литейными свойствами.

Для получения стальных отливок применяются главным образом углеродистые стали. Сталь имеет более высокий механические свойства, чем чугун, и применяется для производства деталей машин ответственного назначения. Кроме углеродистых сталей существует большая группа литейных легированных сталей, например коррозионностойкая сталь, содержащая никель, хром, молибден, ванадий и другие элементы, она служит для производства тяжело нагруженных отливок, работающих в агрессивных средах: в кислотах, в воде или при высоких температурах.

Все стали имеют более низкие литейные свойства, чем чугуны, поэтому получение качественных отливок из них сопряжено с большими трудностями.

Характеризуя тот или иной литейный сплав, мы говорим, что он обладает какими-то литейными свойствами. Что же это за свойства? Под литейными свойствами мы понимаем совокупность таких характерных свойств металлов и сплавов, которые проявляются в процессе заливки расплава в литейную форму, кристаллизации металла и охлаждения отливки в форме и определяют конечное качество отливки. К ним относятся жидкотекучесть, объемная усадка в жидком и линейная в твердом состоянии, усадочная пористость, газовая пористость, химическая и физическая неоднородность металла, трещиноустойчивость, литейные напряжения и активность взаимодействия металла с формой. Рассмотрим несколько подробнее некоторые из этих свойств. Жидкотекучесть — способность металла заполнять полость формы, другими словами, течь — определяется по специальным технологическим пробам, наипростейшая из которых представляет собой заливку металла в канал, выполненный в литейной форме; по длине заполнения этого канала определяют жидкотекучесть сплава. Жидкотекучесть сплава зависит от его физических, химических и теплофизических свойств: вязкости, поверхностного натяжения металла, теплопроводности металла и формы и т. д.

Объемная усадка металла в жидком состоянии объясняется физическим свойством жидких и твердых тел изменять свой объем при нагревании и охлаждении. Как правило, все вещества при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Так, объемная усадка в жидком состоянии серого чугуна составляет 4,25%, высокопрочного 8,0%, а ковкого — 5,75%. Объемная усадка с учетом усадки металла в жидком и твердом состоянии для серого чугуна составляет 6,9—8,1%, для высокопрочного 9,5—11,6%, а для ковкого чугуна 10,25—11,1%. Нетрудно себе представить вредное влияние объемной усадки металла на качество отливки. Если взять емкость в виде куба с размером грани 10 см и залить в нее металл, который имеет общую усадку 10%, то объем затвердевшего металла уменьшится ровно на 10%, т. е. на 100 см³. Но так как сплав начинает затвердевать с внешней стороны в глубь отливки послойно, при полном затвердевании металла внутри его образуется пустота, которая называется усадочной раковиной. Образование усадочной раковины в отливках недопустимо; такая отливка бракуется. В распоряжении литейщика есть много средств борьбы с усадочными раковинами. О некоторых из них будет рассказано в этой главе.

Важное значение имеет линейная усадка, которая проявляется при охлаждении уже затвердевшего металла. Возьмем тот же самый куб с размером стороны 10 см и измерим ту же грань, но уже в отлитом состоянии. Мы увидим, что охлажденная отливка будет иметь размер по грани менее 10 см. Но ущерб от линейной усадки не только в отклонении от заданных размеров. Отливка обычно почти не уменьшается в размерах, и виной тому литейная форма. Ведь отливка, охлаждаясь, стремится уменьшить свои размеры, а форма, нагреваясь от отливки, наоборот, стремится увеличить свои размеры. В результате металл отливки будет находиться в растянутом состоянии, т. е. в отливке возникают напряжения, которые называются литейными. Если эти напряжения превышают прочность металла, то в отливке появляется трещина. Линейная усадка чугуна незначительная и составляет 0,8—1,3%, поэтому чугунные отливки редко бывают поражены трещинами. По-иному обстоит дело в случае литой стали, линейная усадка которой составляет 2—2,3%, и если не принять специальных мер, то трещин в стальной отливке не избежать.

Как видно, анализ некоторых литейных свойств сплавов показывает их прямую связь с качеством отливок. Для количественной оценки литейных свойств сплавов разработаны специальные технологические пробы, на основании которых и делают вывод о «хороших» или «плохих» литейных свойствах того или иного сплава.