Литейные металлы и сплавы

Содержание статьи

Металлов литье, получение металлических изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в литейную форму. Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой материал, затвердевая при охлаждении, приобретает конфигурацию и размеры нужного изделия.

Металлы для литья

Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью – способностью заполнять литейную форму любой конфигурации. Литейные свойства зависят главным образом от химического состава и структуры металла. Важное значение имеет температура плавления.

Металлы с низкой температурой плавления легко поддаются промышленному литью. Из обычных металлов наивысшая температура плавления у стали. Металлы делятся на черные и цветные. Черные металлы – это сталь, ковкий чугун и литейный чугун. К цветным относятся все другие металлы, не содержащие в значительных количествах железа.

Для литья применяются, в частности, сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка.См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ; СПЛАВЫ.

Черные металлы

Стали

Различают пять классов сталей для промышленного литья: 1) малоуглеродистые (с содержанием углерода менее 0,2%); 2) среднеуглеродистые (0,2–0,5% углерода); 3) высокоуглеродистые (более 0,5% углерода); 4) низколегированные (менее 8% легирующих элементов) и 5) высоколегированные (более 8% легирующих элементов).

На среднеуглеродистые стали приходится основная масса отливок из черных металлов; такие отливки представляют собой, как правило, промышленную продукцию стандартизованной сортности. Различные виды легированных сталей разработаны для достижения высокой прочности, пластичности, ударной вязкости, коррозионной стойкости, теплостойкости и усталостной прочности.

Литые стали по своим свойствам близки к кованой стали. Предел прочности такой стали при растяжении составляет от 400 до 1500 МПа. Масса отливок может изменяться в широком диапазоне – от 100 г до 200 т и более, толщина в сечении – от 5 мм до 1,5 м. Длина отливки может превышать 30 м. Сталь – универсальный материал для литья.

Благодаря своей высокой прочности и пластичности она представляет собой превосходный материал для машиностроения.

Ковкий чугун

Существуют два основных класса ковкого чугуна: обычного качества и перлитный. Делают отливки также из некоторых легированных ковких чугунов. Предел прочности при растяжении ковкого чугуна составляет 250–550 МПа.

Благодаря своей усталостной прочности, высокой жесткости и хорошей обрабатываемости он идеален для станкостроения и многих других массовых производств.

Масса отливок составляет от 100 г до нескольких сот килограммов, толщина в сечении обычно не более 5 см.

Литейный чугун

К литейным чугунам относят широкий диапазон сплавов железа с углеродом и кремнием, содержащих 2–4% углерода. Для литья применяются четыре основных вида литейного чугуна: серый, белый, отбеленный и половинчатый.

Предел прочности при растяжении литейного чугуна составляет 140–420 МПа, а некоторых легированных литейных чугунов – до 550 МПа. Для литейного чугуна характерны низкая пластичность и низкая ударная прочность; у конструкторов он считается хрупким материалом. Масса отливок – от 100 г до нескольких тонн.

Отливки из литейного чугуна применяются практически во всех отраслях промышленности. Их себестоимость невелика, и они легко обрабатываются резанием.

Чугун с шаровидным графитом

Шаровидные включения графита придают чугуну пластичность и другие свойства, выгодно отличающие его от серого чугуна. Шаровидность включений графита достигается путем обработки чугуна магнием или церием непосредственно перед литьем.

Предел прочности при растяжении чугуна с шаровидным графитом составляет 400–850 МПа, пластичность – от 20 до 1%. Правда, для чугуна с шаровидным графитом характерна низкая ударная прочность образца с надрезом.

Отливки могут иметь как большую, так и малую толщину в сечении, масса – от 0,5 кг до нескольких тонн.

Цветные металлы

Медь, латунь и бронза

Существует много различных сплавов на основе меди, пригодных для литья. Медь применяется в тех случаях, когда необходима высокая тепло- и электропроводность.

Латунь (сплав меди с цинком) используется, когда желателен недорогостоящий, умеренно коррозионностойкий материал для изготовления разнообразных изделий общего назначения. Предел прочности при растяжении литой латуни составляет 180–300 МПа.

Бронза (сплав меди с оловом, к которому могут добавляться цинк и никель) применяется в тех случаях, когда требуется повышенная прочность. Предел прочности при растяжении литых бронз составляет 250–850 МПа.

Никель

Медно-никелевые сплавы (типа монель-металла) обладают высокой коррозионной стойкостью. Для сплавов никеля с хромом (типа инконеля и нихрома) характерно высокое тепловое сопротивление. Молибдено-никелевые сплавы отличаются высокой стойкостью к соляной кислоте и окисляющим кислотам при повышенных температурах.

Алюминий

Литые изделия из алюминиевых сплавов в последнее время применяются все шире благодаря их легкости и прочности. Такие сплавы обладают довольно высокой коррозионной стойкостью, хорошей тепло- и электропроводностью. Прочность на растяжение литых алюминиевых сплавов находится в пределах от 150 до 350 МПа.

Магний

Магниевые сплавы применяются там, где на первом месте стоит требование легкости. Предел прочности при растяжении литых магниевых сплавов составляет 170–260 МПа.

Титан

Титан – прочный и легкий материал – плавится в вакууме и отливается в графитовые формы. Дело том, что в процессе охлаждения поверхность титана может загрязняться вследствие реакции с материалом формы.

Поэтому титан, отлитый в какие-либо другие формы, кроме форм из механически обработанного и прессованного порошкового графита, оказывается сильно загрязненным с поверхности, что проявляется в повышенной твердости и низкой пластичности при изгибе.

Титановое литье применяется главным образом в авиакосмической промышленности. Прочность на растяжение литого титана – свыше 1000 МПа при относительном удлинении 5%.

Редкие и драгоценные металлы

Отливки из золота, серебра, платины и редких металлов применяются в ювелирном деле, зубоврачебной технике (коронки, пломбы), литьем изготавливаются также некоторые детали электронных компонентов.

Способы литья

Основные способы литья таковы: статическая заливка, литье под давлением, центробежное литье и вакуумная заливка.

Статическая заливка

Чаще всего применяется статическая заливка, т.е. заливка в неподвижную форму. При таком способе расплавленный металл (или неметалл – пластмасса, стекло, керамическая суспензия) просто заливается в полость неподвижной формы до ее заполнения и выдерживается до затвердевания.

Литье под давлением

Литейная машина заполняет металлическую (стальную) литейную форму (которая обычно называется пресс-формой и может быть многогнездной) расплавленным металлом под давлением от 7 до 700 МПа.

Преимущества такого метода – высокая производительность, высокое качество поверхности, точные размеры литого изделия и минимальная потребность в его механической обработке. Типичные металлы для литья под давлением – сплавы на основе цинка, алюминия, меди и олова-свинца.

Благодаря низкой температуре плавления такие сплавы весьма технологичны и позволяют обеспечить малые допуски на размеры и превосходные характеристики отливок.

Сложность конфигурации отливок в случае литья под давлением ограничивается тем, что при отделении от пресс-формы отливка может быть повреждена. Кроме того, несколько ограничена толщина изделий; более предпочтительны изделия тонкого сечения, в котором расплав быстро и равномерно затвердевает.

Литейные машины для литья под давлением бывают двух типов – с холодной и горячей камерой прессования. Машины с горячей камерой прессования применяются в основном для сплавов на основе цинка.

Горячая камера прессования погружена в расплавленный металл; под небольшим давлением сжатого воздуха или под действием поршня жидкий металл вытесняется из горячей камеры прессования в пресс-форму.

В литейных машинах с холодной камерой прессования расплавленный алюминиевый, магниевый или медный сплав заполняет пресс-форму под давлением от 35 до 700 МПа.

Отливки, полученные литьем под давлением, применяются во многих бытовых приборах (пылесосах, стиральных машинах, телефонных аппаратах, светильниках, пишущих машинках) и очень широко – в автомобильной промышленности и в производстве компьютеров. Отливки могут быть массой от нескольких десятков граммов до 50 кг и более.

Центробежное литье

При центробежном литье расплавленный металл заливается в песочную или металлическую литейную форму, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси.

Под действием центробежных сил металл отбрасывается от центрального литника к периферии формы, заполняя ее полости, и затвердевает, образуя отливку.

Центробежное литье экономично и для некоторых видов изделий (осесимметричных типа труб, колец, обечаек и т.д.) более подходит, нежели статическая заливка.

Вакуумная заливка

Такие металлы, как титан, легированные стали и жаропрочные сплавы, плавятся в вакууме и заливаются в многократные формы, например графитовые, помещенные в вакуум. При этом методе значительно снижается содержание газов в металле. Слитки и отливки, получаемые вакуумной заливкой, весят не более нескольких сот килограммов.

В редких случаях большие количества стали (100 т и более), выплавленной по обычной технологии, разливают в вакуумной камере в установленные в ней изложницы или литейные ковши для дальнейшего литья на воздухе. Металлургические вакуумные камеры больших размеров откачиваются многонасосными системами.

Получаемая таким методом сталь используется для изготовления специальных изделий ковкой или литьем; этот процесс называется вакуумной дегазацией.

Литейные формы

Литейные формы делятся на многократные и разовые (песочные). Многократные формы бывают металлические (изложницы и кокили), либо графитовые или керамические огнеупорные.

Многократные формы

Металлические формы (изложницы и кокили) для стали делают обычно из чугуна, иногда – из жаростойкой стали. Для литья цветных металлов, таких, как латунь, цинк и алюминий, пользуются чугунными, медными и латунными формами.

Изложницы

Это наиболее распространенный вид многократных литейных форм. Чаще всего изложницы делают из чугуна и применяют для получения стальных слитков на начальном этапе производства кованой или катаной стали. Изложницы относятся к открытым литейным формам, поскольку металл заполняет их сверху самотеком.

Применяются также «сквозные» изложницы, открытые и сверху, и снизу. Высота изложниц может составлять 1–4,5 м, диаметр – от 0,3 до 3 м. Толщина стенки отливки зависит от размеров изложницы. Конфигурация может быть разной – от круглой до прямоугольной.

Полость изложницы несколько расширяется кверху, что необходимо для извлечения слитка.

Готовая к заливке изложница располагается на толстой чугунной плите. Как правило, изложницы заполняются сверху. Стенки полости изложницы должны быть гладкими и чистыми; при заливке нужно следить за тем, чтобы металл не расплескивался и не разбрызгивался на стенки.

Залитый металл затвердевает в изложнице, после чего слиток вынимают («раздевают слиток»). После остывания изложницы ее чистят изнутри, опрыскивают формовочной краской и используют снова. Одна изложница позволяет получить 70–100 слитков.

Для дальнейшей обработки ковкой или прокаткой слиток нагревают до высокой температуры.

Кокили

Это закрытые металлические литейные формы с внутренней полостью, соответствующей конфигурации изделия, и литниковой (заливочной) системой, которые выполняются путем механической обработки в чугунном, бронзовом, алюминиевом или стальном блоке.

Кокиль состоит из двух или большего числа деталей, после соединения которых остается лишь небольшое отверстие сверху для заливки расплавленного металла. Для формования внутренних полостей в кокиль закладываются гипсовые, песочные, стеклянные, металлические или керамические «стержни».

Литьем в кокиль получают отливки из сплавов на основе алюминия, меди, цинка, магния, олова и свинца.

Литье в кокиль применяется лишь в тех случаях, когда требуется получить не менее 1000 отливок. Ресурс кокиля достигает нескольких сотен тысяч отливок. Кокиль идет в скрап, когда (из-за постепенного выгорания от расплавленного металла) начинает недопустимо снижаться качество поверхности отливок и перестают выдерживаться расчетные допуски на их размеры.

Графитовые и огнеупорные формы

Такие формы состоят из двух или большего числа деталей, при соединении которых образуется требуемая полость.

Форма может иметь вертикальную, горизонтальную или наклонную поверхность разъема либо разбираться на отдельные блоки; это облегчает извлечение отливки.

После извлечения форму можно собрать и использовать снова. Графитовые формы допускают сотни отливок, керамические – лишь несколько.

Графитовые многократные формы можно изготовить путем механической обработки графита, а керамические легко формуются, так что они значительно дешевле металлических форм. Графитовые и огнеупорные формы могут использоваться для повторного литья в случае неудовлетворительных отливок, полученных литьем в кокиль.

Огнеупорные формы делают из фарфоровой глины (каолина) и других высокоогнеупорных материалов. При этом используются модели из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразный или гранулированный огнеупор замешивают с глиной на воде, полученную смесь формуют и заготовку литейной формы обжигают так же, как кирпичи или посуду.

Разовые формы

На песочные литейные формы налагается гораздо меньше всяческих ограничений, нежели на любые другие.

Они пригодны для получения отливок любых размеров, любой конфигурации, из любого сплава; они наименее требовательны к конструкции изделия.

Песочные формы изготавливают из пластичного огнеупорного материала (обычно кремнистого песка), придавая ему нужную конфигурацию, чтобы залитый металл по затвердевании сохранил эту конфигурацию и мог быть отделен от формы.

• Формовочную смесь получают, замешивая на воде в специальной машине песок с глиной и органическими связующими.
• При изготовлении песчаной формы в ней предусматривают верхнее литниковое отверстие с «чашей» для заливки металла и внутреннюю литниковую систему каналов для питания отливки расплавленным металлом в процессе затвердевания, так как иначе из-за усадки при затвердевании (свойственной большинству металлов) в отливке могут образовываться пустоты (усадочные раковины).
• 

Оболочковые формы

Такие формы бывают двух типов: из материала с низкой температурой плавления (гипс) и из материала с высокой температурой плавления (на основе тонкого порошка диоксида кремния).

Гипсовую оболочковую форму изготавливают, замешивая на воде гипсовый материал с крепителем (быстроотверждающимся полимером) до тонкой консистенции и облицовывая такой смесью модель отливки.

После того как материал формы затвердеет, ее разрезают, обрабатывают и сушат, а затем «спаривают» две полуформы и заливают. Такой способ литья пригоден только для цветных металлов.

Литье по восковым выплавляемым моделям

Такой метод литья применяется для драгоценных металлов, стали и других сплавов с высокой температурой плавления. Сначала изготавливают пресс-форму, соответствующую отливаемой детали. Ее обычно выполняют из легкоплавкого металла или (механической обработкой) из латуни.

Затем, заполняя пресс-форму парафином, пластмассой или ртутью (после этого замораживаемой), получают модель для одной отливки. Модель облицовывают огнеупорным материалом. Материал оболочковой формы получают из тонкого порошка огнеупора (например, пудры диоксида кремния) и жидкого связующего.

Слой огнеупорной облицовки уплотняют вибрацией. После того как он затвердеет, форму нагревают, парафиновая или пластмассовая модель расплавляется и жидкость вытекает из формы.

Затем форму обжигают для удаления газов и в нагретом состоянии заливают жидким металлом, который поступает самотеком, под давлением сжатого воздуха или под действием центробежных сил (в машине для центробежного литья).

Керамические формы

Керамические формы изготавливаются из фарфоровой глины, силлиманита, муллита (алюмосиликаты) или других высокоогнеупорных материалов. При изготовлении таких форм обычно пользуются моделями из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы.

Порошкообразные или гранулированные огнеупорные материалы смешивают с жидким связующим (этилсиликатом) до студнеподобной консистенции. Только что изготовленная форма пластична, так что модель можно извлечь из нее, не повредив полость формы.

Затем форму обжигают при высокой температуре и заливают расплавом нужного металла – стали, твердого хрупкого сплава, сплава на основе редких металлов и пр.

Такой метод позволяет изготавливать формы любых типов и пригоден как для мелкосерийного, так и для крупносерийного производства.См. также КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ.

Литейные металлы и сплавы — О металле

В последнее время достаточно большое распространение получили алюминиевые сплавы. Это связано с тем, что они обладают исключительными эксплуатационными качествами.

Существует просто огромное количество различных видов алюминия, классификация зависит от химического состава и многих других показателей. Довольно большое распространение получили литейные алюминиевые сплавы.

Они могут применяться для изготовления самых различных деталей, в большинстве случаев, корпусов. Рассмотрим особенности литейных алюминиевых сплавов подробнее.

Литейные алюминиевые сплавы

Общая характеристика и свойства

Существует довольно большое количество разновидностей литейных алюминиевых сплавов, каждый из которых обладает своими особенностями. Алюминиевый литейный сплав характеризуется следующими эксплуатационными качествами:

1. Высокие литейные качества. Подобный металл довольно часто применяется для литья по форме. Высокие литейные качества позволяют создавать детали сложной формы.
2. Плотность. Химический состав алюминиевых литейных сплавов определяет то, что их плотность относительно невелика. За счет этого вес получаемой конструкции относительно небольшой.
3. Коррозионная стойкость также высокая. Она может снижаться за счет добавления различных легирующих элементов.
4. Рассматривая свойства сплавов следует отметить и повышенную прочность, а также твердость. Эти качества достигаются путем добавления самых различных веществ.
5. Высокая степень обрабатываемости. Путем литья достаточно часто получают заготовки, которые в дальнейшем доводят до готового состояния путем механической обработки на фрезерном или другом оборудовании.

Подобные материалы обладают хорошими литейными свойствами, что позволяет получать детали со сложными поверхностями. Сплавы с высоким содержанием магния или других легирующих элементов могут подвергаться дополнительной термообработке.

В большинстве случаев к данному материалу предъявляют следующие требования:

1. Хорошие литейные свойства. Именно они считаются наиболее важными при рассмотрении алюминиевых сплавов данной группы. Чем менее выражены литейные качества, тем хуже раствор заполняет созданную форму. Литейные свойства могут определяться самыми различными методами.
2. Небольшая усадка. Процесс усадки практически неизбежен при литье по форме. Однако некоторые составы более склонны к образованию раковин и других дефектов при литье, другие меньше. Чем меньше усадка, тем более качественным получается изделие.
3. Высокая жидкотекучесть. Если созданная форма для литья имеет большое количество сложных поверхностей, то для их заполнения состав должен обладать повышенным показателем жидкотекучести.
4. Малая склонность к образованию горячих трещин. При выполнении литейных операций возникает вероятность появления трещин, которые снижают прочность структуры и эксплуатационные качества материала.
5. Низкая склонность к пористости. Пористая структура обладает менее привлекательными эксплуатационными качествами, так как она имеет меньшею прочность, впитывает влагу и может быть подвержена воздействию коррозии.
6. Оптимальные механические и химические свойства. Современные методы легирования позволяют сделать легкий материал более прочным. Для этого проводится добавление самых различных компонентов. Оптимальные механические свойства представлены сочетанием легкости и прочности, а также другими качествами.
7. Мелкозернистая однородная структура. При рассмотрении особенностей структуры получаемых изделий следует отметить, что однородная лучше воспринимает оказываемые нагрузки и вероятность появления дефектов существенно снижается. Неоднородную структуру можно охарактеризовать тем, что изделие может иметь разный показатель твердости поверхности, на одной части может появляться коррозия, другая может оказаться быть более устойчивой к подобному воздействию.

Исключить вероятность образования многих дефектов можно путем соблюдения технологии отливки и обработки полученного сплава. Кроме этого, используемый состав также в той или иной степени определяет вероятность образования дефектов.

Литейные алюминиевые сплавы в чушках

Наиболее важным качеством можно назвать жидкотекучесть. Она определяет способность заполнения литейной формы.

Кроме этого уделяют внимание тому, какова склонность состава к образованию газовых и усадочных пустот. Измеряется показатель жидкотекучести тем, какая емкость и за какое время может заполниться.

Стоит учитывать, что повышенное содержание оксидов становится причиной снижения показателя жидкотекучести.

Процесс литья также определяет высокую вероятность образования усадочных раковин. При охлаждении расплав уменьшается в объеме. Выделяют два основных типа образующейся раковины:

Для определения степени усадки используются различные методы.

При литье также часто встречается деформация, которая становится причиной образования трещин. Она связана с процессом, который определяется сжимающим напряжением между уже затвердевшим и кашеобразным составом.

Различают несколько разновидностей алюминиевых литейных сплавов, о которых далее поговорим подробнее.

Все литейные сплавы алюминия можно условно разделить на несколько основных групп:

1. Высокопрочные и жаропрочные сплавы. Наиболее распространенным материалом из этой группы можно назвать алюминиевый сплав АЛ19. Его легируют путем добавления титана, за счет чего придаются более высокие механические свойства. Добавление легирующих элементов может проводится при низких или комнатных температурах. Жаропрочность определяет то, что механические свойства и линейные размеры остаются неизменными даже при нагреве состава до температуры 350 градусов Цельсия. Сплавы этой группы хорошо свариваются, а также обладают высокой обрабатываемостью. Стоит учитывать, что за счет легирования коррозионная стойкость относительно невысокая. Существенно повысить прочность можно путем закалки или старения. Подобные марки литейных алюминиевых сплавов широко используются при литье крупногабаритных отливок по песчаной форме.
2. Конструкционные герметичные алюминиевый сплав обладают более высокими литейными свойствами. Распространенные марки: АЛ4 и АЛ9. Также следует отметить достаточно высокую коррозионную стойкость. Стоит учитывать тот момент, что термическая обработка в этом случае не проводится. При закалке или старении эксплуатационные качества не улучшаются. Хороший комплекс технологических свойств определяет популярность алюминиевого сплава.
3. Коррозионностойкие металлы. К данной группе относится маркировка АЛ27 и АЛ8. Следует учитывать, что подобный тип металла обладает высокой стойкостью к воздействию повышенной влажности. Высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средствах существенно расширяет область применения металла. Кроме этого, структура определяет хорошую свариваемость и обрабатываемость резанием. Однако отметим, что металл обладает низкой жаропрочностью – структура не может выдержать воздействие температуры выше 80 градусов Цельсия. За счет легирования снижаются и литейные свойства. Исключением можно назвать сплав АЛ24, основные свойства которого сохраняются при температуре до 150 градусов Цельсия.

Последняя группа сплавов получила достаточно широкое распространение при изготовлении корпусов и деталей, на которые оказывается воздействие морской воды. Из-за высокой концентрации соли на поверхности довольно часто образуется коррозия.

К литейным сплавам принято относить составы, в которых есть от 10 до 13% кремния. Довольно часто в состав добавляются магний, медь и другие присадки, способные существенно повысить прочность. Также в состав добавляют титан и цирконий. В свою очередь, марганец может существенно повысить антикоррозионные свойства.

Несмотря на то, что в большинстве случаев железо и никель считаются вредными примесями, в данном случае они добавляются для существенного повышения жаропрочности.

Рассматривая маркировку отметим, что для этого применяется обозначение от АЛ2 до АЛ20. Эти материалы сегодня еще называют силуминами. Их химический состав, от которого зависят механические качества, может существенно отличаться. Именно поэтому следует подробно рассматривать состав каждой марки.

Применение

Алюминиевый литейный сплав сегодня применяется при производстве фасонных отливок. Отметим, что разделают как чистый алюминий, так и полученный после вторичной переработки. В химической и пищевой промышленности может использоваться чистый алюминий. Этот материал применим и в электротехнике. Важным моментом является то, что на алюминий приходится более 20% литейных сплавов.

Детали из литейных алюминиевых сплавов

Рассматривая особенности производства отметим, что первичный металл производится в чушках на специализированных алюминиевых заводах. Есть и вторичная цветная металлургия, которая предусматривает применение вторичного лома или отходов. За счет применения менее дорого сырья существенно снижается стоимость материалов.

В России только 50% заводов проводит использование лома в качестве основы. В более развитых странах мира, к примеру, США, Японии, Германии сегодня при производстве алюминиевых сплавов вторичное сырье применяется не менее чем в 90%. За счет этого существенно снижается стоимость различных изделий, а также повышается экологическая чистота.

Применение литейного алюминия весьма обширно:

1. Изготовление корпусных деталей. Именно при производстве корпусных деталей чаще всего применяют литейные алюминиевые сплавы. Это связано с тем, что подобным образом существенно снижается их стоимость. Для получения сложных изделий из стандартной заготовки применяют современное фрезерное оборудование, которое стоит дорого и требует соответствующей оснастки.
2. Получение различных заготовок в сфере кораблестроения и авиастроения. На протяжение нескольких столетий алюминий используется для изготовления деталей, которые применяются при сборе самолетов и различных летательных аппаратов.
3. Изготовление деталей сложной формы и различных размеров. Детали, представленные телами вращения и плоскими поверхностями сложны в изготовлении при применении оборудования по механической обработке.
4. Получение элементов, которые применяются для осуществления подачи электричества. При добавлении легирующих элементов получаются сплавы, обладающие хорошими токопроводящими способностями.

Очень большое количество деталей в моторостроении получается также путем литья. Данный метод изготовления позволяет получить детали с высокоточными размерами и качественной поверхностью.

В заключение отметим, что сегодня данный тип металла получил широкое применение в самых различных областях промышленности. Это также можно связать с тем, что стоимость производства подобного металла относительно невысока. Сочетание высоких эксплуатационных качеств с низкой стоимостью и определяют широкое распространение металла в самых различных отраслях промышленности.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Литейные сплавы и их классификация | Агентство Литьё++

Литейными называются сплавы черных и цветных металлов, обладающие комплексом специфических технологических свойств, обеспечивающих получение различными способами литья бездефектных отливок заданной конфигурации с регламентируемыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Выполнение указанных требований определяется полным циклом технологического процесса, но наиважнейшим фактором, при этом, выступает состав и технология приготовления сплава. Учитывая технологические и экономические аспекты, литейные сплавы должны обеспечивать:

1. Низкую температуру плавления (чем ниже температура плавления, тем ниже энергопотребление и затраты на плавку и перегрев сплава, естественно, ниже себестоимость производства)
2. Небольшую усадку при затвердевании и охлаждении (чем ниже усадка, тем ниже объем прибылей на ее компенсацию, что повышает выход годного и снижает затраты на выплавку 1 тонны годного литья)
3. Незначительную способность к поглащению газов в жидком состоянии (что уменьшает вероятность образования дефектов в виде газовых раковин и пористости; исключает затраты на закупку оборудования и материалов для рафинирования расплава)
4. Низкую ликвацию (что исключает различие в химическом составе различных частей отливки)
5. Благоприятное кристаллическое строение (микроструктуру), обеспечивающее высокие физико-механические свойства отливок
6. В состав литейных сплавов не должны входить дефицитные элементы

Классификация литейных сплавов

Промышленные литейные сплавы принято классифицировать на три крупных класса: чугуны, стали и цветные сплавы.

Чугуны

В зависимости от микроструктуры, механических и эксплуатационных свойств, химического состава, чугун для производства отливок подразделяют на следующие виды:

1. Серый чугун с пластинчатым графитом (в котором углерод выделяется в виде прямолинейных или немного искривленных пластинок графита)
2. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (включения графита в нем имеют шаровидную форму, которая в значительно меньшей степени, чем «пластины» ослабляет металлическую матрицу и тем самым повышает механические свойства)
3. Чугун с вермикулярным графитом (характеризуется компактной формой графита, прочностные характеристики занимают середину между серым и высокопрочным чугунами, но замечательные тепло-физические свойства дали ему широкое применение для производства блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания и дизелей в автомобилестроении, судостроении и тепловозостроении)
4. Ковкий чугун (отливается как «белый чугун», который подвергают длительному отжигу, в результате выделяется графит имеющий хлопьевидную форму)
5. Легированный чугун:
   • В зависимости от содержания легирующих элементов подразделяется на: низколегированный чугун (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированный чугун (от 2,5 до 10% легирующих элементов), высоколегированный чугун (содержит более 10% легирующих элементов)
   • В зависимости от эксплуатационных свойств легированные чугуны классифицируют на: жаропрочные, жаростойкие, износостойкие, коррозионностойкие, немагнитные, антифрикционные
   • В зависимости от химического состава легированные чугуны классифицируют как: хромовые, никелевые, кремнистые, алюминиевые, марганцовистые, ванадиевые

Стали

Стали, используемые для для производства отливок, классифицируют на:

1. Конструкционные нелегированные (углеродистые) стали
2. Конструкционные легированные стали
   • низколегированные стали
   • среднелегированные стали
   • высоколегированные стали со специальными свойствами

Цветные сплавы

Цветные литейные сплавы обычно классифицируют по металлу-основе:

1. Медные сплавы
2. Никелевые сплавы
3. Свинцовые сплавы
4. Сурьмяные сплавы
5. Цинковые сплавы
6. Алюминиевые сплавы
7. Магниевые сплавы
8. Титановые сплавы
9. Литиевые сплавы

Литейные сплавы

• Для производства отливок используются сплавы черных металлов: серые,
• высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов;
• углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов;
• медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые
• сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые, вольфрамовые и др.

Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, малыми усадкой и склонностью к образованию трещин и др.); требуемыми физическими и эксплуатационными свойствами. Выбор сплава для тех или иных литых деталей сложной задачей, поскольку все требования в реальном учесть не представляется возможным.

Изготовление отливок специальными способами литья.

Быстрыми темпами развиваются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие, позволяющие получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключающие ее, обеспечивают высокую производительность труда и т. д.

Литье в оболочковые формы.

Оболочковые формы (разъемные, тонкостенные), изготовляют следующим образом: металлическую модельную плиту, нагретую до температуры 200—250 °С, закрепляют на опрокидывающем бункере с формовочной смесью и поворачивают его на 180° .

Формовочная смесь, состоящая из мелкозернистого кварцевого песка (93—96 %) и термореактивной смолы ПК-104 (4—7 %), насыпается на модельную плиту и выдерживается 10—30 с. От теплоты модельной плиты термореактивная смола в пограничном слое переходит в жидкое состояние, склеивает песчинки с образованием песчано-смоляной оболочки толщиной 5—20 мм в зависимости от времени выдержки.

Бункер возвращается в исходное положение, излишки формовочной смеси ссыпаются на дно бункера, а модельная плита с полутвердой оболочкой снимается с бункера и

нагревается в печи при температуре 300—350 °С в течение 1—1,5 мин, при этом термореактивная смола переходит в твердое необратимое состояние. Твердая оболочка снимается с модели специальными толкателями.

Аналогично изготовляют и вторую полуформу. Готовые оболочковые полуформы склеивают быстротвердеющим клеем на специальных прессах, предварительно установив в них литейные стержни, или скрепляют скобами.

Кроме оболочковых форм этим способом изготовляют оболочковые стержни, используя нагреваемые стержневые ящики.

Оболочковые формы и стержни изготовляют на одно- и многопозиционных автоматических машинах и автоматических линиях.

Заливка форм производится в вертикальном или горизонтальном положении.

При заливке в вертикальном положении литейные формы помещают в опоки-контейнеры и засыпают кварцевым песком или металлической дробью для предохранения от преждевременного разрушения оболочки при заливке расплава.

1. Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометрическую точность отливок, так как формовочная смесь, обладая высокой подвижностью, дает возможность получать четкий отпечаток модели.
2. Литье по выплавляемым моделям.
3. Этим способом отливки получают путем заливки расплавленного металла в формы, изготовленные по выплавляемым моделям многократным погружением в керамическую суспензию с последующими обсыпкой и отверждением.

Модельный состав в пастообразном состоянии запрессовывают в пресс-формы. После затвердевания модельного состава пресс-форма раскрывается и модель выталкивается в ванну с холодной водой. Затем модели собирают в модельные блоки с общей литниковой системой. В один блок объединяют 2—100 моделей.

Керамическую суспензию приготовляют тщательным перемешиванием огнеупорных материалов (пылевидного кварца, электрокорунда и др.) со связующим — гидролизованным раствором этил-силиката.

Формы по выплавляемым моделям изготовляют погружением модельного блока в керамическую суспензию , налитую в емкость с последующей обсыпкой кварцевым песком в специальной установке. Затем модельные блоки сушат 2—2,5 ч на воздухе или 20—40 мин в среде аммиака. На модельный блок наносят четыре—шесть слоев огнеупорного покрытия с последующей сушкой каждого слоя.

• Модели из форм удаляют выплавлением в горячей воде. Для этого их
• погружают на несколько минут в бак , наполненный водой , которая
• устройством нагревается до температуры 80—90 °С .

После охлаждения отливки форма разрушается. Отливки на обрезных прессах или другими способами отделяются от литников и для окончательной очистки направляются на химическую очистку в 45 %-ном водном растворе едкого натра, нагретом до температуры 150 °С. После травления отливки промывают проточной водой, сушат, подвергают термической обработке и контролю.

Литье в кокиль.

При литье в кокиль отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы — кокили. По конструкции различают кокили: вытряхные; с вертикальным разъемом; с горизонтальным разъемом и др.

Полости в отливках оформляют песчаными, оболочковыми или металлическими стержнями. Кокили с песчаными или оболочковыми стержнями используют для получения отливок сложной конфигурации из чугуна, стали и цветных сплавов, а с металлическими стержнями — для отливок из алюминиевых и магниевых сплавов.

Рабочую поверхность кокиля и металлических стержней очищают от ржавчины и загрязнений. Затем на рабочую поверхность кокиля наносят теплозащитные покрытия для предохранения его стенок от воздействия высоких температур заливаемого металла, для регулирования скорости охлаждения отливки, улучшения заполняемости кокиля, облегчения извлечения отливки и т. д.

1. При сборке кокилей в определенной последовательности устанавливают
2. металлические или песчаные стержни, проверяют точность их установки и
3. закрепления, соединяют половины кокиля и скрепляют их.

Заливку металла осуществляют разливочными ковшами или автоматическими заливочными устройствами.

Затем отливки охлаждают до температуры выбивки, составляющей 0,6—0,8 температуры солидуса сплава, и выталкивают из кокиля. Этот способ литья высокопроизводителен.

Недостатки кокильного литья: высокая трудоемкость изготовления кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления сложных по конфигурации отливок.

• Литье под давлением.
• Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс- формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки
• осуществляют под давлением. Изготовляют отливки на машинах литья под

давлением с холодной или горячей камерой прессования. В машинах с холодной камерой прессования камеры прессования располагаются либо горизонтально, либо вертикально.

На машинах с горизонтальной камерой прессования порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования который плунжером под давлением 40—100 МПа подается в полость пресс-формы, состоящей из неподвижной и подвижной полуформ. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45кг.

Центробежное литье. При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется в период действие центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.

1. Центробежным литьем отливки изготовляют в металлических, песчаных,
2. оболочковых формах и в формах для литья по выплавляемы моделям на
3. центробежных машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращения.

Преимущества центробежного литья — получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней; большая экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок, что достигается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза и т. д.).

3. Методика назначения режимов при точении

Элементы режима точения выбирают в следующей последовательности. Вначале задаются значением глубины резания. При этом стремятся снять за один проход весь припуск. Если, исходя из технологических требований, необходима последующая чистовая обработка, то за первый черновой проход снимается 80% припуска, а за второй-остальные 20%.

Затем выбирается величина подачи. При этом необходимо назначать наибольшую допустимую подачу, исходя из требований точности и шероховатости обработанной поверхности. На практике для выбора величины подачи (S, мм/об) и глубины резания (t, мм) существуют соответствующие таблицы.

В зависимости от выбранных глубины резания и подачи определяется оптимальная скорость резания v = CV КV /T *mS*xv t*yv, где CV – коэф, учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала, материала режущей части инструмента и т.д., Т- период стойкости инструмента. Выбирается в зависимости от технологической схемы обработки.

Для наружного точения Т= 60-90 мин, t – глубина резания, мм, S – подача в мм/об, Кv – поправочный коэф, учитывающий особенности геометрии заточки инструмента, применение смазочно-охлаждающих средств и т.п.

, m, xv, yv – показатели степеней, величины которых определяются свойствами обрабатываемого и инструментального материалов и условиями обработки. По оптимальной скорости резания находят частоту вращения шпинделя станка: n= 1000v / пи * D

4. Организация проведения обязательной и добровольной сертификации

Сертификация – это действие, проводимое независимо от участвующих сторон, лиц или органов и доказывающее, что идентифицированная продукция, процесс и услуги соответствуют конкретному стандарту или другому нормативному документу.

Сертификация продукции включает в себя комплекс проверок, цель которых – выявление соответствия товара требованиям качества и безопасности. Данная проверка проводится независимо от изготовителя и потребителя данной продукции, сертификацией занимается уполномоченная организация (орган по сертификации).

По результатам проверку производитель получает документ, который и подтверждает полное соответствие товара всем вышеперечисленным требованиям. Этот документ называется Сертификатом соответствия или Сертификатом качества.

Сертификацию принято подразделять на обязательную, проводимую уполномоченными на то органами, подтверждающим соответствие качества оказываемых услуг требованиям стандарта, и добровольную, проводимую по инициативе изготовителя или потребителя продукции.

Проведение сертификации обуславливается необходимостью поддержания качества технического сервиса. Основные этапы сертификации: 1. Оценка деятельности предприятия 2. Оценка технологических процессов 3. Оценка качества услуг по ТО и ремонту 4. сопоставление оценочных показателей с нормативными 5. Выдача заключения комиссией по сертификации 6. принятие решения по выдаче сертификата.

Литейные сплавы

Самое большое распространение для изготовления отливок получили чугуны, алюминиевые сплавы — силумины и сплавы па основе меди — бронзы. Структура и свойства таких сплавов подробно рассмотрена выше (см. 7.1, 7.2, 8.1 и 8.2), поэтому здесь мы остановимся только на их литейных свойствах.

Чугуны. Наибольшее количество отливок в машиностроении по массе (около 70%) — это чугунное литье. Из чугуна изготавливают массивные отливки (станины станков, прессов и др.) — детали, обеспечивающие прочность, жесткость и точность оборудования. Из чугунов отливают различные корпуса (например, коробки передач), а также некоторые нагруженные детали — коленчатые валы.

Высокие литейные свойства определяются наличием в структуре чугунов эвтектики (см. рис. 4.4, диаграмма «Fe — Fe3C»). Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические чугуны, их химический состав определяется содержанием углерода, постоянных примесей и легирующих компонентов.

Эвтектическая концентрация углерода равна 4,3% (см. рис. 4.4). Эвтектический чугун имеет очень низкую прочность из-за большого количества в структуре хрупкого цементита. Повышение концентрации углерода (более 4,3%) ухудшает одновременно и прочность (металл становится очень хрупким), и литейные свойства.

Для обеспечения удовлетворительных механических свойств содержание углерода в чугуиах должно составлять 2,5…3,5%. Однако при этом температура ликвидус (т.е. начала затвердевания) повышается, ухудшая тем самым жидкотскучесть.

Структура чугунов зависит не только от содержания углерода, по также и от других компонентов.

Они могут присутствовать в чугунах в качестве примесей (кремний) или в виде специально вводимых легирующих элементов (например, специально вводимый кремний в количествах больших, чем примесные, никель и др.). Их наличие и количество изменяет эвтектическое содержание углерода и тем самым жидкотекучесть.

Жидкотекучесть чугунов различного химического состава оценивают степенью эвтектичности (5з). При 53 = 1 чугун является эвтектическим. Интегральная оценка влияния химического состава чугуна на его жидкотекучесть, т.е. 53, описывается следующей зависимостью:

Для того чтобы соблюдалось равенство 5э = 1, т.е. чтобы чугун имел эвтектический состав, необходимо равенство числителя и знаменателя. Таким образом, все компоненты, уменьшающие значение знаменателя сдвигают эвтектический состав чугуна к меньшему содержанию углерода, и наоборот.

Наиболее сильное влияние на структуру чугунов оказывает кремний, который понижает растворимость углерода в аустените, уменьшая тем самым его концентрацию в эвтектике. Линия SE и эвтектическая точка С диаграммы «железо — углерод» сдвигаются влево, в сторону меньших концентраций углерода (см. рис. 4.4, 6.7).

Из приведенной зависимости следует, что 1% кремния снижает содержание углерода в эвтектике примерно на 0,3%. Если в сплавах без кремния содержание углерода в эвтектике (ледебурите) 4,3%, то при 4% кремния содержание углерода в ледебурите уменьшается до 3,1%. Такой чугун наряду с высокой жидкотекучестью обладает удовлетворительной прочностью.

Аналогично кремнию влияние фосфора, который повышает жидкотекучесть чугунов вследствие образования легкоплавкой фосфидной эвтектики (температура плавления 950 °С).

В связи с этим допустимое содержание фосфора (вредная примесь, снижающая прочность) в чугунах значительно больше, чем в сталях: 0,1…0,2% для чугунов, применяемых в машиностроении, 0,4…

0,5% для изготовления литых изделий сложной формы (например, художественное литье).

Увеличивают содержание углерода в эвтектике карбидообразующие компоненты — хром (наиболее значительно), молибден, марганец.

Малая усадка чугунов (1,5%) обеспечивается за счет фазы малой плотности, имеющей больший удельный объем, — графита. Его плотность (1,7…1,9 г/мм3) значительно меньше, чем железа (7,8 г/мм3).

Силумины. Это литейные сплавы па основе алюминия, в которых основным легирующим компонентом является кремний. Силумины не конкурируют с чугунами, имея собственную область применения. Их прочность значительно ниже, поэтому из них изготавливают ненагру- женные детали.

Основное отличие силуминов от чугунов (и это их достоинство) — малая плотность, что обусловливает их применение в конструкциях, где необходима экономия веса (авиация, космос). Низкая температура плавления и малая усадка (1,2%) определяют возможность применения сплавов для изготовления деталей сложной формы.

Отливки получают литьем в песчаные формы, литьем под давлением.

Повышение механических свойств с сохранением высокой жидкотекучести силуминов достигается модифицированием хлористыми и фтористыми солями натрия (2/3 NaF +1/3 NaCl). Модификатор вводится в расплав перед разливкой металла в формы.

Покажем влияние модифицирования на свойства сплава АК12 эвтектического состава (10… 12% Si, остальное — А1). Модифицирование снижает температуру кристаллизации (затвердевания) эвтектики и меняет ее химический состав. Эвтектика содержит больше кремния (рис. 11.

2); сплав превращается в доэвтектический, при этом температура начала кристаллизации практически такая же, как у немо- дифицированного эвтектического сплава. Вследствие понижения температуры эвтектического превращения эвтектика получается мелкозернистой.

В структуре доэвтектического сплава гарантированно отсутствуют хрупкие включения кремния.

Такое изменение структуры приводит к повышению и прочности, и пластичности: предел прочности возрастает со 130 до 180 МПа; предел текучести с 20 до 80 МПа; относительное удлинение с 2 до 6%.

Бронзы. Их применение в качестве литейных материалов определяется прежде всего малой усадкой за счет большой рассеянной пористости, при этом в отливках пет

Рис. 11.2. Влияние модифицирования на условия кристаллизации (диаграмму состояния) сплавов системы «А1 — Si»:

1 — без модифицирования; 2 — с модифицированием

усадочной раковины. Большая пористость — следствие широкого интервала кристаллизации, т.е. большой разницы между температурами ликвидус и солидус (см. рис. 8.3). Минимальную усадку имеют оловянные бронзы (0,8% при литье в песчаные формы и 1,4% при литье под давлением).

Малая усадка наряду с высокой коррозионной стойкостью обусловливает их основное применение — художественное литье (памятники и т.п.). В машиностроении литые бронзы используют в качестве антифрикционного материала в парах скольжения. Поры являются маслозадерживающими емкостями. Наличие смазки в зоне трения уменьшает коэффициент трения и тем самым износ деталей трущейся пары.