Песчаными раковинами называются закрытые или открытые раковины. Полностью или частично заполненные формовочным материалом. Причины такого брака следующие: местное разрушение или засорение форм при сборке; недостаточная прочность формовочной и стержневой смесей, а также отсутствие или недостаточность литейного уклона в отливке, или красок; применение неисправных моделей, что приводит к осыпанию формовочной смеси; неправильное конструирование отъемных частей модели; недостаточное крепление выступающих частей формы; слабая или неравномерная набивка форм и стержней; несоответствие размеров знака стержней и формы, что приводит к обжиму формы и засорению ее при сборке; неправильный подвод литниковой системы, что приводит к размыву формы или стержня, обвал формы при установке груза; нетехнологичность конструкции отливки, т.е. наличие в ней углублений, которые образуют непрочные тонкие выступы и острые углы в форме.

Усадочными раковинами называются открытые или закрытые пустоты в теле отливки, имеющие шероховатую поверхность с грубокристаллическим строением.

Рыхлотами или пористостью называется крупнозернистое и неплотное строение сплава с наличием межкристаллических пустот большей или меньшей величины (усадочная пористость).

Причинами брака по усадочным раковинам и рыхлотам могут быть неправильная конструкция отливки, не обеспечивающая равномерного ее охлаждения (имеются местные скопления металла); недостаточное питание отливки жидким металлом в процессе затвердевания из-за неправильного расположения прибылей, выпоров и литников; неправильные размеры и установка холодильников (металлических вкладышей); повышенное содержание элементов, увеличивающих усадку; чрезмерно высокая температура заливки.

Трещинами горячими и холодными называют сквозные и несквозные разрывы или надрывы в стенках отливок. Поверхности излома в горячих трещинах, поскольку они появляются при высоких температурах, всегда окислены; в холодных трещинах поверхность излома совершенно чистая или покрыта легким цветом побежалости. Трещины обнаруживаются постукиванием, гидропробой и способом магнитной дефектоскопии.

Причинами появления горячих и холодных трещин могут быть неправильная конструкция отливки с резким переходом от толстых к тонким сечениям; острые внутренние углы в отливках; сопротивление форм и стержней нормальной усадке металла из-за чрезмерной плотности набивки; неправильно подготовленный состав формовочной и стержневой смесей и малая их податливость; неправильное расположение ребер опор или каркасов в стержнях, что препятствует усадке отливки; неправильный химический состав, т.е. повышенное содержание элементов, увеличивающих усадку или уменьшающих предел прочности при высоких температурах; неправильный режим заливки и термической обработки; заливка слишком горячим металлом и неправильный подвод металла, что уменьшает равномерное остывание отдельных частей отливки; удары при отбивке литников или при транспортировке отливок, имеющих большие внутренние напряжения.

Недолив и спай. Недолив характеризуется тем, что при заливке некоторые части отливки остаются незаполненными. Спай – сквозные или поверхностные с закругленными краями потоки преждевременно застывшего металла. Причинами такого брака являются недостаточное количество металла в ковше; низкая температура сплава при заливке и недостаточная его жидкотекучесть; утечка металла из формы вследствие неплотной сборки; недостаточная вентиляция формы и стержня, вызывающее повышенное давление газов в форме; недостаточное сечение литниковой системы; нерациональная конструкция отливки из-за наличия слишком тонких стенок.

Глава 3Свойства литейных сплавов и их влияние на качество отливки

1.Качество отливки, факторы влияющие на качество

Под качеством отливки понимается точность размеров, шероховатость поверхности, физико-химические свойства, герметичность и пористость. Операции заливки и охлаждения формы оказывают основное влияние на формирование качества отливок независимо от того, каким они способом изготавливаются. Возможность получения доброкачественных тонкостенных отливок, сложных по форме или больших по размерам, без раковин, трещин пригара и других литейных эффектов предопределяется качеством и свойствами формы (теплопроводностью) и литейными свойствами сплавов. Влияние этих факторов и проявляется именно при заливке жидкого металла в форму и в процессе ее охлаждения.

2.Свойства литейных сплавов

Качество металлов и сплавов оценивают по их свойствам. Свойства сплавов бывают: физические (теплопроводность), химические (коррозионная стойкость), механические (прочность, твердость и другие) и технологические.

К технологическим свойствам относят: обрабатываемость, свариваемость, ковкость, герметичность и литейные свойства.

Обрабатываемость – способность материалов обрабатываться режущими абразивными или иными инструментами.

Свариваемость – способность материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного материала.

Ковкость – способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением. Ковкость характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации.

Герметичность – способность материала не пропускать жидкость или газ при избыточном или пониженном давлении.

К основным литейным свойствам сплава относят следующее:

1. Жидкотекучесть – способность сплавов в жидком состоянии заполнять формы и точно воспроизводить их очертания в отливке.

2. Склонность к образованию в результате кристаллизации структуры сплава (кристаллизация).

3. Усадка и склонность к образованию усадочных раковин и пор.

4. Склонность к поглощению газов и образованию по этой причине дефектов в отливках (газы).

5. Склонность к образованию неметаллических включений.

6. Склонность к ликвации.

7. Склонность к образованию литейных напряжений и трещин.

Значение литейных свойств очень велико и должно быть учтено в следующих случаях:

1. В процессе создания и проектирования отливки; надежность и долговечность изделий в значительной степени предопределяется литейными свойствами используемого для их изготовления сплава.

2. При разработке технологического процесса изготовления отливок.

Р

ассмотрим более подробно литейные свойства сплавов и их влияние на формирование качества отливок.

3.Жидкотекучесть

Правильное представление о жидкотекучести различных сплавов можно получить только при соблюдении постоянства таких факторов, как конфигурация и размеры полостей, через которые течет расплав, и свойства формы. Поэтому жидкотекучесть сплавов определяют по стандартной пробе, отлитой в песчаную форму при постоянной температуре заливки. Наиболее простая проба имеет вид прутка и получается в форме, имеющей заливочную чашу стандартной величины Н, для того чтобы обеспечить постоянство напора, и канал Д калиброванного диаметра. Жидкотекучесть того или иного сплава определяется по длине пути l прутка. Чем длиннее пруток, тем больше жидкотекучесть сплава (см. рис. 8) Жидкотекучесть одного и того же сплава различна при различных температурах заливки t_зал . Это хорошо иллюстрируется диаграммой состояния сплава (рис. 9).

Рис8. Пример простой прутковой пробы на жидкотекучесть

При охлаждении сплав способен течь до определенной температурой ниже ликвидуса (линия 2). Эта температура называется температурой нулевой текучести (линия 3). У сплавов данной системы (А-В) температура нулевой текучести объясняется следующим. После того, как температура опустилась ниже ликвидуса (меньше t₁) произошло выделение твердой фазы из расплава, при этом получившаяся композиция представляет собой суспензию твердой фазы в жидкой. Появившаяся твердая фаза оказывает сопротивление продвижению сплава и при увеличении ее до 20- 30% (что происходит при температуре t₀) от всей композиции движение расплава прекращается вовсе, хотя жидкая фаза в сплаве присутствует, так как его температура выше температуры полного затвердевания или выше линии солидуса 1. Из диаграммы видно, что сплавы эвтектического состава имеют большую жидкотекучесть, чем затвердевающие в интервале температур t₁-t₂, т.е. жидкотекучесть зависит от состава сплава, что иллюстрируется диаграммой состав-текучесть (рис.9). Жидкотекучесть сплава кроме интервала затвердевания и перегрева сплава, зависит от его физических свойств: вязкости и поверхностного натяжения.

.

Рис.9 Зависимость жидкотекучести от состава сплава.

Вязкость сплавов – свойство динамическое и поэтому проявляется, когда расплав находится в движении. Это сила, которая возникает от взаимного трения частиц расплава, движущихся внутри потока с неодинаковой скоростью. Называется она динамической вязкостью и измеряется в пуазах. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть.

Поверхностное натяжение нельзя рассматривать только как свойства сплава без учета среды, с которой расплав соприкасается (атмосфера или форма). Это свойство проявляется лишь на поверхности контакта. Каждый атом на поверхности расплава с разной силой связан с соседним атомом среды. Таким образом, силы связи на поверхности сплава не уравновешены. Если силы связи атома на поверхности расплава с соседними атомами последнего преобладают над силами связи с соседними атомами среды, атом тем сильней будет удерживаться на поверхности расплава, чем больше равнодействующая этих сил, т.е. чем больше поверхностное натяжение расплава. При большом поверхностном натяжении расплав не смачивает поверхность соседней среды и не проникает в нее. Если же, наоборот, преобладают силы связи атомов, находящихся на поверхности расплава, с атомами соседней среды, атомы сплава будут проникать в соседнюю среду. В этом случае поверхностное натяжение обусловит смачиваемость среды расплавом. Смачиваемость формы проходит под действием капиллярных сил, которые как бы втягивают расплав между зернами песка на рабочей поверхности формы; в результате отливка получается с механическим пригаром. Смачиваемость и несмачиваемость имеют и положительные и отрицательные стороны. Для очень тонкостенных отливок желательно, чтобы расплав смачивал форму для лучшего заполнения формы. Толстостенным отливкам не угрожает недолив, но они могут получиться с пригаром, поэтому предпочтительна несмачиваемость формы.

4.Кристаллизация

Когда температура расплава снижается при данном давлении ниже температуры начала затвердевания, сплав изменяют агрегатное состояние. Такое изменение агрегатного состояния называют первичной кристаллизацией или затвердеванием. Хотя оба термина имеют довольно сходное содержание, они отражают различие в характере процесса: под первичной кристаллизацией понимается образование из расплава отдельных кристаллов и кристаллических зон в отливке, имеющих определенное строение, которое влияет на свойства литых изделий. Затвердевание же подразумевает увеличение количества твердой и уменьшение жидкой фазы в разных частях отливки независимо от характера образующихся первичных кристаллов. Первичная кристаллизация имеет для отливок гораздо большее значение, так как от нее зависит и вторичная, поэтому первичную кристаллизацию можно считать и решающим фактором, определяющим механические свойства отливок. Дефекты, возникающие при первичной кристаллизации, нельзя исправить термообработкой, и они проявляются в местных ухудшениях таких свойств отливки как: прочность, удлинение, сужение, ударная вязкость, изноустойчивость. В связи с этим возникает необходимость в управлении процессом первичной кристаллизации. Для этого надо уметь управлять строением отдельных кристаллов и кристаллических зон. Несмотря на многие попытки, эта проблема окончательно не решена. Ведь действительная прочность металлических материалов составляет только долю теоретической прочности, которая определяется межатомными силами. Такое различие вызывается субмикроспическими и иными дефектами как внутри кристаллов, так и на их границах. В лабораториях выращены бездефектные кристаллы железа с пределом прочности при растяжении более 1000 кгс/мм² (прочность углеродистой стали 40 кгс/мм²). Попытки повысить механические свойства путем создания отливки монокристалла не оправданы. Приходится идти обратным путем- так влиять на первичную кристаллизацию, чтобы получить множество мелких кристаллов, что также позволяет достигнуть высоких механических свойств. Чтобы иметь возможность влиять на процесс первичной кристаллизации, надо знать основные закономерности кристаллизации. На процесс кристаллизации оказывает влияние не только технолог–литейщик, но и в значительной мере конструктор, создающий деталь. Для образования кристалла из расплава требуется зародыш, или центр кристаллизации. Зародыши кристаллизации могут иметь различное происхождение. Одни зародыши образуются самопроизвольно в переохлажденном расплаве при быстром охлаждении, другие, несамопроизвольные зародыши, могут быть продуктами реакций металлургического процесса или попасть в расплав извне, например из футеровки (обкладки) плавильной плечи или ковша. Из зародыша кристаллизации при благоприятных условиях, а именно, если охлаждение, зародыша продолжается, может вырасти первичный кристалл определенных форм и размера. Форма и внутренне строение первичного кристалла зависят от того, с какой скоростью идет охлаждение, каково поверхностное натяжение на границе между твердой и жидкими фазами сплава, и наконец, от числа активных зародышей в единице объема расплава (чем их больше, тем мельче будут кристаллы, и наоборот). Внутренне строение и форма первичного кристалла обуславливается соотношением интенсивности теплового потока и величиной поверхностного натяжения между твердой и жидкими фазами. Если поверхностное натяжение велико, а тепловой поток слаб, образуются кристаллы с грубым внутренним строением (глобулиты) с незначительным разветвлением осей. Такие кристаллы растут одинаково быстро от граней, ребер и вершин зародыша (рис. 10). При меньшем поверхностном натяжении и увеличении теплового потока из зародыша получается древовидное образование, так называемый дендрит, на котором в дальнейшем затвердевает расплав. Пока отношение между поверхностным натяжением и скоростью охлаждения не достигнет нужного значения, дендрит растет приблизительно одинаково во всех направлениях. Образуется так называемый равноосный первичный дендрит или первичный кристалл. Его внутреннее строение мельче и сложней чем у глобулита (см. рис. 10). Чем более интенсивен тепловой поток (больше скорость охлаждения) при том же или меньшем поверхностном натяжении, тем мельче и сложнее поверхностное натяжение кристалла. В этом случае при значительном увеличении скорости охлаждения при направленности теплового потока уже будут получаться кристаллы не равноосные, а вытянутые в направлении наибольшего теплового потока. Такие кристаллы имеют вид столбиков, почему и называются столбчатыми. Их внутреннее дендритное строение еще мельче и сложней, чем у равноосных кристаллов (рис. 10). При дальнейшем увеличении скорости охлаждения получается структура, называемая литейной коркой состоящая из многочисленных мелких кристалликов с дисперсным внутренним строением. Химический состав корки в разных местах почти одинаков. Вследствие указанных обстоятельств литейная корка имеет превосходные механические и другие свойства. Идеалом было бы достигнуть по всему сечению отливки такой структуры, какую имеет литейная корка, т.е. состоящей из мелких кристаллов с весьма тонким внутренним строением. Чтобы получить кристаллики с тонким строением и при том мелкие, надо расплав наряду с быстрым охлаждением либо модифицировать (модифицирование введение в расплав веществ, обычно в малых количествах, которые способствуют кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме), чтобы увеличить число зародышей, либо подвергнуть внешнему силовому воздействию в процессе кристаллизации, чтобы разрушить образовавшиеся кристаллические скелеты и получить мелкие обломки. Так как силовое воздействие на песчаную форму не возможно, то на расплав воздействуют в процессе заполнения формы, осуществляя залитие через вибрирующую воронку. При литье под давлением силовое воздействие на сплав оказывается непосредственно в форме. По окончании заливки расплав в форме становится относительно спокойным. Кристаллизация отливок происходит в разных условиях, зависящих от различных факторов. Рассмотрим некоторые из них.