Рис. 23. Схема торможения усадки: а)- механическое; б) тепловое;

в) комбинированное. 1- отливка 2- форма.

Подробнее о напряжениях см. стр. 68

Глава 4Литейные сплавы и их характеристики

1.Чугуны

Чугун – это многокомпонентный сплав железа с углеродом (2-4 %) и другими элементами.

Структура и свойства чугунов различны. Если весь углерод сплава кристаллизуется в виде графита, а металлическая основа в виде феррита, то это серый ферритовый чугун. Если же весь углерод кристаллизуется в составе цементита Fe₃C, то это белый чугун. В половинчатом чугуне наряду с графитом находится структурно свободный цементит.

На характер кристаллизации чугуна влияет много факторов. К ним относится содержание элементов, постоянно препятствующих в чугуне (С, Si, Mn, S, P) легирующих элементов. Большое влияние оказывает скорость охлаждения чугуна, изменение которой в стенках разной толщины вызывает образование различных микроструктур в одной и той же отливке.

Структуры, получающиеся при кристаллизации чугуна в форме, можно существенно изменить последующей термической обработкой.

По сравнению со сталью в чугунах с одинаковой металлической основой меньше: а) предел прочности при растяжении, а также пределы упругости и пропорциональности; б) пластичность (относительное удлинение и ударная вязкость); в) модуль упругости.

В то же время чугун, в отличии от стали, обладает низкой чувствительностью к надрезам. Благодаря этому возникающие в чугунной отливке надрезы (раковины, поры, неметаллические включения, риски после механической обработки и так далее) в малой степени снижают ее конструктивную прочность. Подобные же надрезы в стальной отливке резко ухудшают ее свойства, особенно пластичность и усталостную прочность.

Благодаря этим преимуществам чугун в ряде случаев оказывается более надежным конструкционным материалом, чем сталь. Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам (хорошая жидкотекучесть и обрабатываемость резанием) и относительной дешевизной по сравнению с другими литейными сплавами. Область применения чугуна все более расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических свойств, а также разработки чугунов новых марок со специальными физическими и химическими свойствами.

2.Стали

Сталью называются железоуглеродистые сплавы, содержащие до 20%С. Наряду с углеродом в сталях присутствуют Mn, Si, S, P, N, H, O и другие элементы, попавшие в них, в процессе изготовления. Такие элементы, как Cr, Ni, Mo, V, W, добавляют для придания стали особых физических, физико-химических свойств или повышения ее прочности. Стали с добавками этих элементов называются легированными.

В промышленности применяют три группы литейных сталей: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами.

Из конструкционных сталей изготовляют детали несущие механические нагрузки. По химическому составу их подразделяют на углеродистые (низко и средне-углеродистые) и легированные.

Из инструментальных сталей изготовляют литой инструмент (режущий, мерительный, штамповочный и так далее).

Из сталей со специальными свойствами (коррозионно-стойкие, жаропрочные, кислотоупорные, износостойкие) выполняют литые изделия, подвергающиеся воздействию различных сред высоких температур и нагрузок.

В приборостроении наиболее широкое применение нашли углеродистые стали.

Углеродистая сталь. В зависимости от содержания углерода сталь делят на низкоуглеродистую (до 0,20%С), среднеуглеродистую (от 0,20% до 0,45%С), высокоуглеродистую (более 0,45%С).

Углерод является основным элементом, определяющим механические свойства углеродистых сталей. Увеличение содержания углерода повышает прочность и снижает пластичность стали. В зависимости от содержания углерода (от 0,12 до 0,6%) сталь делят на девять марок (15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л). Марки стали обозначают цифрами, соответствующими среднему содержанию углерода (указываются сотые доли процента) и буквой Л (литая). Например, сталь, содержащую 0,35% С, обозначают 35Л.

Литейные свойства углеродистых сталей ниже чугунов. Например, жидкотекучесть в среднем в два раза меньше жидкотекучести чугунов. Усадка в два раза больше усадки чугунов.

Усадка стали в жидком состоянии и в период кристаллизации, вызывает образование усадочных раковин и пористости.

Получение плотных отливок обеспечивается правильной конструкцией отливки, установкой прибылей и созданием направленного затвердевания.

Усадка стали в твердом состоянии может вызвать образование горячих и холодных трещин, коробление отливок, высокие внутренние напряжения и изменение линейных размеров.

Стали, особенно, легированные, обладают плохими литейными свойствами.

3.Алюминиевые сплавы

Для изготовления отливок используют пять групп алюминиевых сплавов: 1) на основе системы алюминий-кремний, 2) алюминий-медь, 3) алюминий-магний, 4) системы алюминий-кремний-медь, 5) прочие сплавы.

Алюминиевые сплавы имеют высокую удельную прочность при нормальной температуре, хорошо противостоят коррозии в атмосферных условиях, обладают высокими литейными свойствами.

По ГОСТу алюминиевые сплавы обозначают: АЛ1, АЛ2, ...АЛ27 (числа – порядковый номер).

Наибольшее применение в промышленности получили сплавы первой и четвертой групп.

Сплавы системы алюминий-кремний (типичный представитель – сплав АЛ2) широк применяемый в промышленности. По содержанию кремния он близок к эвтектическому и поэтому обладает лучшими, чем другие сплавы литейными свойствами.

Двойные доэвтектические сплавы алюминия и кремния имеют невысокую прочность. Поэтому в состав их вводят магний, образующий с кремнием химическое соединение MgSi, упрочняющее сплав в процессе термической обработки, например сплав АЛ9.

Наиболее вредной примесью для силуминов является железо. Образуя хрупкие тройные (Al-Fe-Si) и более сложные фазы, кристаллизующиеся в виде пластин, железо существенно снижает пластические свойства сплавов. Для нейтрализации вредного влияния железа в сплав вводят марганец. Десятые доли марганца способствуют переводу выделенной железистой составляющей в более благоприятную (компактную) форму, например сплав АЛ4, содержащий Al-Mg-Mn-Mg.

При литье в песчаные формы легирование силуминов магнием и марганцем не обеспечивает еще получение необходимых механических свойств из-за грубого выделения в эвтектике. Поэтому при литье в разовые, низкотеплопроводные формы сплавы системы алюминий- кремний, содержащие не менее 6%С Si, подвергают модифицированию. Для этой цели в расплав вводят 0,01- 0,1% Na. В присутствии натрия эвтектический кремний выделяется в виде тонких тонкодисперсных пластин, что благоприятно отражается пластических свойствах. Аналогичное влияние оказывают на структуру сплава присадки кальция и калия, окислов щелочных металлов, сурьма, висмут, литий, бор и так далее.

Сплавы на основе системы алюминий-медь (например сплав АЛ7) обладают низкой коррозионной стойкостью и недостаточной пластичностью. В отличии от сплавов первой группы они хорошо обрабатываются резанием. В следствии широкого интервала кристаллизации сплавы этой группы склонны к образованию усадочных трещин и рассеянной усадочной пористости. Отличительной особенностью алюминиево-медных сплавов является их теплопрочность. Механические и эксплутационные свойства сплавов улучшают присадками марганца и титана (сплав АЛ19) и термической обработкой (содержат Al-Cu-Mn-Ti).

Алюминиевые сплавы с медью и кремнием широко используют для изготовления деталей, обладающих достаточной твердостью и прочностью, сохраняющих постоянство в процессе эксплуатации и отвечающих требованиям по чистоте обработанной поверхности (корпусы различных приборов). Среди сплавов этой группы наиболее благоприятными свойствами обладает АЛ-4.

Сплавы системы алюминий-магний (типичный представитель сплав АЛ8) отличаются низкой плотностью и высокой коррозионной стойкостью и прочностью; их используют для изготовления отливок, испытывающих большие вибрационные нагрузки или подвергающиеся воздействию морской воды. Вводят добавки Mn и Si, например сплав АЛ13 содержит Al-Mg-Mn-Si.

Вследствие повышенной склонности к окислению, образованию усадочных трещин и рыхлот, взаимодействию с влагой формы, пониженной жидкотекучести, изготовление отливок магниевых сплавов в состав формовочных смесей вводят специальные присадки (борную кислоту, серу и пр.), предохраняющиеся расплав от загорания в форме.

В зависимости от состава сплава отливки проходят определенный режим термический обработки. Характерным является также пропитка пористых отливок различными лаками.

В последнее время разработаны новые высокопрочные литейные алюминиевые сплавы марок АЛ2М, АЛ4Д, АЛ11М.

Сплавы марок АЛ4Д и АЛ2М относятся по своему составу к системе алюминий-кремний-медь-магний.

Дополнительное легирование сплавов типа силумин медью и магнием позволило получить сплавы с высокой прочностью и высокой технологичностью при литье под давлением и в кокиль.

Сплав марки АЛ4Д разработан применительно для литья под давлением, поэтому для предотвращения возможности приваривания металла к форме в его состав введены наибольшие добавки марганца и хрома. Добавки титана в сплав измельчают структуру. Механические свойства образцов из сплава АЛ4Д, вырезанных из деталей, отлитых под давлением с применением вакуума следующие _в=33-38 кгс/мм², =1,5-3%, что соответствует прочности углеродистой стали.

Комплексное легирование сплава АЛ2М добавками редких элементов: титаном, бериллием, цирконием, бором и применение исходных материалов высокой чистоты обеспечивает высокие механические свойства. Сплав был успешно опробован при литье деталей методом штамповки жидкого металла и при литье в кокиль.

Механические свойства на вырезанных образцах: _в=37 кгс/мм² , =3%.

Сплавы АЛ4Д и АЛ2М являются термически упрочняемыми, поэтому высокие механические свойства этих сплавов могут быть получены только после закалки и искусственного старения.

Сплав АЛ11М разработан на основе стандартного сплава АЛ11 системы алюминий-цинк-кремний. Этот сплав дополнительно легирован титаном, цирконием, бериллием, медью, магнием и бором.

Следует отметить, что в оптическом приборостроении наиболее широкое применение получил сплав АЛ2. Из этого сплава льются детали, изготовляемые как литьем в землю, так и литьем под давлением. Применение этого сплава для литья под давлением не имеет убедительных оснований, так как основное его преимущество – высокая жидкотекучесть, теряется из-за специфики литья под давлением. Основные же недостатки – плохая обрабатываемость резанием, невысокие механические свойства, а особенно относительное удлинение. Не случайно, поэтому, в большинстве стран в качестве типовых сплавов для литья под давлением приняты сплавы типа: алюминий-кремний-медь, алюминий-магний.

Медь повышает предел прочности при растяжении, и что особенно важно в алюминиевых сплавах, повышает их твердость, жидкотекучесть, уменьшает склонность к образованию цветов побежалости, улучшая внешний вид отливки и их обрабатываемость.

4.Магниевые сплавы

Отливки из магниевых сплавов широко применяются главным образом там, где они позволяют снизить массу изделия. Магниевые сплавы в 4-4,5 раза легче стали, их плотность колеблется от 1,7 до 1,9 кг/см³. Область применения сплавов непрерывно расширяется, что обусловлено их относительно высокими механическими и эксплутационными качествами, а также снижением стоимости. Последнее обстоятельство определяется постепенным снижением стоимости электроэнергии, являющейся основной статьей расходе при производстве металлического магния.

По ГОСТу магниевые сплавы обозначают: Мл1, Мл2, ... Мл27 (числа- порядковый номер).

По химическому составу литейные магниевые сплавы делят на следующие группы сплавов: 1 – системы магний-марганец (Мл2); 2 – магний-алюминий-цинк (Мл3, Мл4, Мл5, Мл6, Мл7-1); 3 – магний-цинк-цирконий (Мл-12, ВМл-3); 4 – легированные редкоземельными металлами (Мл9, Мл10, Мл11); и 5 – содержащие торий (Мл14, ВМл1).

Для изготовления отливок чаще других используют сплавы второй группы. Лучшими литейными свойствами из них обладают Мл5 и Мл6. Эти сплавы предназначены для производства высоконагруженных отливок, работающих в тяжелых атмосферных условиях с высокой влажностью.

Сплав Мл3 используют при изготовлении отливок простой конфигурации с повышенной герметичностью для работы при средних статических и динамических нагрузках. В отличие от Мл5 и Мл6, сплав Мл3, обладающим небольшим интервалом кристаллизации и малой склонностью к образованию микропористости, имеет повышенную склонность к образованию трещин, а при затрудненной усадке и низкую жидкотекучесть. Самый широкий интервал кристаллизации из сплавов второй группы имеет Мл4. По этой причине отливки из этого сплава предрасположены к микропористости и горячеломкости. Сплав Мл4 обладает высокой коррозионной стойкостью. Все сплавы второй группы упрочняются термической обработкой.

5.Сплавы на медной основе

Различают две основные группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком и бронзы – сплавы меди с другими элементами за исключением цинка. Обозначаются сплавы начальной буквой (Л – латунь, Бр – бронза), после чего следуют буквы основных элементов, например, О – олово, Ц – цинк, Мц – марганец, Ж – железо, Ф – фосфор и так далее. Цифры, следующие за буквой, указывают количество легирующих элементов. Например, ЛЖМц-59-1-1 – латунь, содержащая 59% Cu, 1%Fe, 1%Mn и остальное цинк; или Бр0Ф6,5-0,15 – бронза, содержащая 6,5% Sn, 0,15% P и остальное медь.

Медные сплавы имеют сравнительно высокие механические и антифрикционные свойства, хорошо противостоят коррозии (в среде морской воды, пара и так далее), сохраняют высокую пластичность при низких температурах. Они не магнитны, легко полируются и обрабатываются резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства.

6.Титан и его сплавы

Титан – металл серебристо-белого цвета, обладает низкой теплопроводностью (в 13 раз меньше, чем у алюминия), низким модулем нормальной упругости, высоким электросопротивлением и значительной анизотропией некоторых физических свойств.