Процесс растворения газов в металлах и сплавах начинается с адсорбции, которая обычно вызывает понижение поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-газ.

Поверхностная физическая адсорбция является первоначальной стадией сорбционных процессов для большинства случаев взаимодействия жидкость- газ.

С повышением температуры сплава получает развитие процесс активизированной адсорбции, являющейся предварительной стадией диффузии газов в металл. Этот вид адсорбции, характерный для большинства систем металл-газ, отличается от обычной увеличением количества адсорбированного газа на поверхности адсорбента с повышением температуры.

Теплота активизированной адсорбции значительно превышает соответствующие величины физической адсорбции и приближается к величинам теплоты химических реакций. В процессе активированной адсорбции молекулы адсорбируемого газа на поверхности адсорбента диссоциируют и могут вступать с ним в химическое взаимодействие. Большое развитие получают процессы активированной адсорбции в системах металл- водород.

Газы, адсорбируемые поверхностью металла, в атомарном состоянии – диффундируют в металл. Процесс диффузии регулируется температурой, давлением и адсорбцией, величина которой, в свою очередь, зависит от состояния поверхности и структуры металла- адсорбента. Чем больше активная поверхность адсорбента, тем большим будет и количество диффундируемого газа.

Получение отливок без газовых раковин и пористости является одной из самых трудных задач литейного производства. Поэтому важно знать особенности не только растворения газов в металле, но и обратно процесса - их удаления.

Меры, обеспечивающие минимальное содержание газов и предупреждение образования газовых раковин и пористости в отливках, можно разделить на три группы:

1. дегазация исходных шихтовых материалов;

2. дегазация жидкого металла перед заливкой в форму;

3. предупреждение выделения газов из раствора в процессе кристаллизации металла в форме.

Так как первые два метода характерны для всех способов литья и не зависят от конструктора детали, то остановимся только на последнем мероприятии. К ним относятся: кристаллизация под давлением и литье под давлением с подпрессовкой.

Метод кристаллизации под давлением основан на том, что при повышенном давлении (4-5 атм.), создаваемом над кристаллизующимся в форме сплавом, в растворенном состоянии в металле может остаться больше газов, чем при атмосферном давлении. Поэтому над формами после заливки в автоклаве создают повышенное давление, поддерживаемое до окончания затвердевания.

Аналогично по воздействию на затвердевающий металл и давление подпрессовки при литье под давлением. Подобно высокому давлению при кристаллизации действует ускоренное охлаждение. Задержать газовыделение из раствора до перехода в твердое состояние и предупредить образование газовых раковин в отливках может и повышенная скорость охлаждения. Кроме того, повышенная скорость охлаждения является благоприятной еще и потому, что обеспечивает большой температурный градиент по сечению отливки в период кристаллизации. Это уменьшает слой, в котором протекает кристаллизация в данный момент. Поэтому газы, успевшие выделиться из раствора, могут легче и быстрее удалиться через еще жидкий сплав.

7.Неметаллические включения

В затвердевшем сплаве (окислы, нитриды и др.) являются телами, нарушающими сплошность и единообразие его структуры. Твердые неметаллические включения часто имеют острые углы и края, в которых образуются значительные концентрации напряжений. Тугоплавкие для данного сплава включения, температура плавления которых превышает температуру плавления данного сплава, обычно располагается внутри кристаллов. Легкоплавкие включения входят в электрические «сетки» и располагаются по границам зерен, часто вызывая хрупкость или красноломкость. Неметаллические включения могут неблагоприятно сказаться и на процессах вторичной кристаллизации.

Некоторые включения могут понижать химическую стойкость сплавов, так как они образуют с основным металлом сплава коррозионные гальванические пары, способствующие развитию электрохимических процессов коррозии.

8.Ликвация

В процессе затвердевания реальной отливки содержащаяся внутри отливки жидкость находится в непрерывном движении. В центральной зоне отливки происходит конвективное перемещение сплава. Кроме того внутри переходной зоны жидкость циркулирует между растущими кристаллами. Однако в большинстве отливок наблюдается химическая неоднородность сплава в виде зональной ликвации отдельных элементов. Обычно, ликвируют элементы, растворимость которых в первоначально образующихся твердых кристаллах относительно мала. Например, медь неравномерно распределяется по сечению отливки из алюминиево-медного сплава. При выделении кристаллов с пониженным содержанием ликвирующего элемента, этот элемент скапливается в жидкости, окружающий кристалл. Возникает значительная разница в концентрации элемента внутри жидкости переходной и в составе маточного раствора в центре отливки. Под действием градиента концентрации в жидком сплаве происходит диффузия элемента к центру отливки, что вызывает развитие зональной ликвации.

Характер ликвации зависит от скорости охлаждения отливки. Очевидно, что большая скорость охлаждения приводит к получению отливки с лучшими механическими свойствами. Поэтому конструктор должен помнить, что при использовании для изготовления изделия сплава склонного к ликвации, при выборе способа литья следует отдавать предпочтение процессу с быстрым охлаждением. Например, при литье под давлением ясно выраженная зональная ликвация не успевает развиваться. Дендритная же ликвация не оказывает существенного влияния на качество отливок.

9.Напряжения в отливках и их последствия

Каждой температуре соответствует вполне определенный удельный объем данного сплава во всех агрегатных состояниях. С изменением температуры изменяется удельный объем сплава- сплав претерпевает расширение или сужение. Свободное расширение сплава всегда отличается от расширения этого сплава в отливке, потому что при расширении (сжатии) отливки всегда возникает торможение, препятствующее расширению (сжатию).

Встречаются три основных механизма торможения: механическое торможение усадки (рис.23, а), тепловое торможение усадки (рис. 23, б) и комбинированное торможение усадки (рис. 23, в) при этом в отливке возникают напряжения. Когда численные значения напряжений превысят предел прочности материала отливки, то она разрушается. Нарушение сплошности материала отливки, возникающее при высоких температурах, называются горячими трещинами, а при комнатной или несколько более высокой температурах холодными трещинами. Часто отливки не разрушаются, но в них остаются внутренние напряжения, которые изменяются в процессе хранения, эксплуатации, что приводит к короблению отливок и изменению их размеров. Особенно заметно изменение размеров после механической обработки отливок.

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.