Классификация литейных сплавов

Категория:
Литейное производство


Классификация литейных сплавов

Литейными называют металлы и сплавы, которые применяются для изготовления литых заготовок.

Литейные сплавы можно разделить на несколько групп: чугуны и стали — сплавы железа с углеродом; бронзы и латуни — сплавы меди с различными элементами; сплавы алюминия с различными элементами; сплавы магния с различными, элементами; сплавы на основе цинка, свинца, олова. Кроме того, в промышленности применяются сплавы на основе никеля, титана и других элементов. Около 72% всех отливок (по массе) изготовляются из чугуна, 23% — из стали.

Чугуны

Чугун представляет собой весьма сложный многокомпонентный железный сплав, свойства которого зависят от многих факторов. Содержание углерода в чугунных отливках разных марок составляет 2,5—3,7%. Кроме углерода и железа, в чугуне обычно содержатся и другие компоненты — кремний, марганец, сера и фосфор, из которых одни являются полезными, а другие — вредными. Эти компоненты существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Для придания чугуну особых свойств, например, жаростойкости, износоустойчивости, кислотоупорности, при плавке вводят специальные легирующие компоненты: хром, никель, титан, алюминий, молибден. Подобные чугуны называют легированными.

Структура чугуна. Содержащийся в чугуне углерод может находиться в нем в свободном состоянии в виде графита или в связанном с железом состоянии в виде химического соединения — карбида железа Fe3C (цементита). В зависимости от состояния углерода чугуны подразделяются на белый и серый. В белом чугуне углерод находится в химическом соединении с железом. Такой чугун имеет белый лучистый излом, чрезвычайно хрупок и отличается большой твердостью. Обычно он применяется в качестве передельного чугуна — для передела в сталь и изготовления ковкого чугуна.

В сером чугуне весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в виде графита, придающего Излому чугуна темно-серый оттенок. Серые чугуны могут иметь следующие структуры: феррит + графит; феррит + перлит + графит; перлит+ графит.

Значительное влияние на структуру чугуна оказывает скорость его затвердевания. При медленном затвердевании размеры зерен и графитовых включений получаются более крупными, чем при быстром затвердевании. В связи с этим в крупных толстостенных отливках содержание углерода и кремния должно быть меньшим, а марганца большим, чем в тонкостенных быстрозастывающих отливках.

Влияние примесей. Компоненты, входящие в состав чугуна, существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Кремний. Важнейшей особенностью кремния является то, что он способствует выделению углерода в форме графита во время затвердевания отливки. Вследствие низкой плотности графита увеличивается объем замываемой отливки и заполняются мельчайшие отпечатки формы.

Марганец. Его влияние противоположно кремнию. Повышая растворимость углерода в железе, он препятствует выделению углерода в виде графита. Наряду с этим марганец обладает способностью обессеривать и раскислять чугун, очищая его от вредных кислородных примесей.

Сера, соединяясь с железом, образует легкоплавкое соединение с температурой плавления 985 °С и, располагаясь на границах кристаллов, приводит к снижению механических свойств чугуна, его жидкотекучести, повышению усадки и хрупкости. Нейтрализация вредного влияния серы достигается при содержании в чугуне марганца в 4—5 раз больше, чем серы. В этом случае образуются тугоплавкие сульфиды марганца.

Фосфор. Присутствие в чугуне фосфора способствует повышению жидкотекучести чугуна. Однако фосфор повышает и хрупкость чугуна. Поэтому в отливках для машиностроения его содержание должно быть ограничено 0,6—0,7%, а в более ответственных . отливках — до 0,2—0,3%. В тонкостенных отливках бытового назначения (для изготовления горшков, сковород, ванн и т. д.) и при художественных отливках, к которым не предъявляются высокие требования в отношении механических свойств, содержание фосфора может достигать 0,8—1,0%.

Чугун с пластинчатым графитом. Серый чугун, в котором углерод выделился в виде прямолинейных или более или менее искривленных (завихренных) пластинок графита, называется чугуном с пластинчатым графитом. Механическая прочность серого чугуна зависит от количества, величины и формы графитовых включений. Так как графит разъединяет металлическую основу, наличие его снижает механическую прочность чугуна.

Чугун со значительным выделением графитовых включений прямолинейной формы — феррито-графитовый — имеет низкие механические свойства. Лучшими свойствами обладает чугун, в котором графитовых включений меньше и форма их не прямолинейная, а завихренная. Это — феррито-перлито-графитовые и перлито-гра-фитовые чугуны. Наконец, наиболее высокие свойства по сравнению с обычным серым чугуном имеет модифицированный (видоизмененный) чугун.

Чугуны высоких марок (СЧ28-48—СЧ44-6.4), как правило, являются модифицированными. Модифицированию подвергается чугун, который при застывании имеет белый или полусерый излом. Примерный химический состав такого чугуна, в %: углерода — 2,9—3,4; кремния (до модифицирования) — 1,1—1,3; марганца — 0,8—1,1; фосфора —0,1—0,3; серы — 0,08—0,12.

Рис. 1. Схемы структур серого чугуна (Х300): а — феррито-графитового; 6 — феррито-перлито-графитового; в — перли-то-графитового.

При выдаче чугуна в ковш либо на желоб в него вводится модификатор в количестве 0,4—0,8% от массы чугуна, содержащий элементы, способствующие выделению графита. При затвердевании такой чугун имеет благоприятную форму графита — мелкие завихренные пластинки и перлитную структуру металлической основы. Подобный чугун отличается повышенными механическими свойствами. Наиболее широко применяются следующие модификаторы: ферросилиций ФС75, силикокальций, силикоалюминий.

Схемы основных структурных составляющих серого чугуна показаны на рис. 1.

Серый чугун с пластинчатым графитом по ГОСТ 1412—70 в зависимости от показателей механической прочности подразделяется на 11 марок: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60 и СЧ44-64. В обозначении этих марок буквы СЧ являются начальными буквами слов «серый чугун», первые цифры показывают наименьшее значение предела прочности при растяжении, а вторые — наименьшее значение предела прочности при изгибе, в кгс/мм2. Так, марка СЧ 18-36 обозначает: серый чугун с наименьшим значением предела прочности при растяжении 18 кгс/мм2 и при изгибе 36 кгс/мм2.

Чугун марок СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60 и СЧ44-64 получается только путем модифицирования, причем чугун последних трех марок — только при электроплавке.

Высокопрочный чугун. В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное—марганца. Включение графита в нем характеризуется не пластинчатой, а шаровидной формой (рис. 2), благодаря чему они разобщены между собой. Все это обеспечивает высокие прочностные и пластические свойства сплава, который с успехом применяется для отливки ответственных тяжелонагруженных деталей машин, ранее изготовлявшихся из стальных поковок и отливок.

Рис. 2. Схемы структуры высокопрочного чугуна (Х300).

Высокопрочный чугун был разработан в конце сороковых годов. Одним из зачинателей его внедрения в промышленность был ленинградский завод «Русский дизель», освоивший производство коленчатых валов для I дизелей мощностью 600 л. с. и дру- Я гих тяжелонагруженных деталей из высокопрочного чугуна. Вал длиной 4 м с диаметром шеек 200—220 мм ранее изготовлялся из стальной поковки массой 6300 кг при коэффициенте использования металла 30%. При применении высокопрочного чугуна масса отливки составила 2100 кг, а коэффициент использования сплава возрос до 80%. За эту работу литейщики завода совместно с сотрудниками ЦНИИТмаша были удостоены Государственной премии СССР.

При производстве высокопрочного чугуна в качестве модификатора применяются вещества, способствующие выделению шаровидного графита: магний, церий, литий и др. Наиболее широко используются магний и магниевые лигатуры, т. е. сплавы магния с другими элементами (например, с кремнием).

При модифицировании чугуна магнием одновременно с изменением формы графита происходит образование цементита, вследствие чего отливка отбеливается. Для устранения отбеливания чугуна повышают содержание в нем углерода до 3,2—3,6%, кремния — до 1,9—2,8% и понижают содержание марганца до 0,5—0,8%. Кроме того, после модифицирования магнием в ковш присаживается 75-процентный ферросилиций.

В чугуне, подвергающемся модифицированию магнием, может содержаться до 0,12% серы и до 0,15°/о фосфора. В процессе модифицирования происходит удаление серы, и содержание ее в чугуне понижается до 0,02—0,03%. Количество вводимых в чугун магния и ферросилиция зависит от химического состава чугуна и толщины стенок отливки и составляет соответственно 0,35—0,7 и 0,5—1,0%.

ГОСТ 7293—70 установлены 9 марок чугуна с шаровидным графитом. Буквы ВЧ в марке обозначают название чугуна—высокопрочный чугун; первое число указывает наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении, в кгс/мм2, второе — наименьшее относительное удлинение, в %.

Рис. 3. Схема структуры белого (а) и ковкого (б) чугунов (Х300).

Ковкий чугун. В процессе длительного отжига при высокой температуре отливок из белого чугуна (рис. 3, а) определенного состава получается ковкий чугун, графит в котором имеет хлопьевидную форму (рис. 3, б).

В зависимости от химического состава и режима отжига может быть получен чугун с ферритной или перлитной основой. При .ггжиге до полной графитизации получают чугун с ферритной основой, который имеет бархатисто-черный излом от обильно выделив-шегося графита. При графитизации с одновременным обезуглерожизанием получают перлитный по структуре и белосердечный по излому чугун. Когда к отливке предъявляются высокие требования в отношении пластичности, применяют ферритный черносердечный чугун, а в тех случаях, когда основным требованием является высокий предел прочности при растяжении, используют перлитный белосердечный чугун.

ГОСТ 1215—59 установлены 9 марок ковкого чугуна. Из них марки КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10 и КЧ37-12 — ферритные чугуны а марки КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2 — перлитные!

Ковкий чугун применяется для отливок с толщи-ной стенок не выше 40—50 мм, так как при большей толщине трудно получить структуру белого чугуна, а выделение в толстых частях отливки свободного графита приводит к низкой прочности ее после отжига.

Легированный чугун. В зависимости от количества легирующих элементов чугуны подразделяются на низко-, средне- и высоколегированные с содержанием легирующих элементов соответственно до 2,5, от 2,5 до 10 и свыше 10%.

В машиностроении наибольшее распространение получил низколегированный хромоникелевый чугун с содержанием 0,3—0,4% хрома и 0,1—0,2% никеля. В данном случае легирование производится для повышения прочностных свойств чугуна. Среднелегиро-ванный чугун обладает износоустойчивостью в условиях нормальной и повышенной температур, а высоколегированный — коррозионной устойчивостью, жаростойкостью и др.

Для легирования применяют сплавы легирующего элемента с железом или природнолегированные чугуны.

Стали

Железный сплав с содержанием углерода до 2% называется сталью. Кроме углерода, стали содержат также кремний, марганец, многие легирующие элементы и вредные примеси — фосфор и серу.

Углерод повышает прочность стали (пределы прочности при растяжении и текучести), одновременно снижая ее пластические свойства (относительное удлинение и ударную вязкость). Кремний и марганец раскисляют сталь, понижая в ней содержание вредной примеси — кислорода; марганец также несколько ослабляет вредное влияние серы, которая ухудшает механические свойства стали.

Отливки изготовляют из конструкционной нелегированной и легированной стали по ГОСТ 977—75 и из высоколегированной стали со специальными свойствами по ГОСТ 2176—77.

Применение легированных сталей непрерывно расширяется. При сравнительно небольших затратах легирование значительно повышает механические свойства сталей, что позволяет уменьшить сечения отливок и, следовательно, их массу.

Легирующие элементы придают стали особые свойства, например, повышенную прочность при растяжении, стойкость против разъедающего действия химических веществ, немагнитность и т. д В качестве таких элементов применяют кремний — при содержании свыше 0,6%, марганец — при содержании свыше 1% хром, никель, молибден, ванадий и некоторые другие- Обычно легирующие элементы (за исключением никеля, алюминия и кобальта) используются в виде ферросплавов. Добавки в сталь марганца, хрома и кремния увеличивают износостойкость литых деталей. Литые детали, длительно работающие при повышенных температурах, изготовляют из стали, содержащей наряду с другими легирующими элементами молибден.

Низколегированная хромоникелевая сталь обладает повышенной прочностью.

В марках стали две первые цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а цифры, следующие за буквами, — среднее содержание элемента в процентах. Если после соответствующей буквы цифры нет, то это означает, что среднее содержание данного элемента составляет около 1%. Легирующие элементы обозначены буквами: Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, Д — медь, М — молибден, Ф — ванадий, Т — титан, В — вольфрам. Буква Л в конце марки обозначает, что сталь применяется для изготовления отливок.

В зависимости от назначения отливки из стали разделяются на три группы.

Высоколегированные стали. В последнее десятилетие непрерывно расширяется производство отливок из высоколегированных сталей по ГОСТ 2176—77, которые в зависимости от основных свойств подразделяются на коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и т. д.

Коррозионно-стойкие стали. В этих сталях основным легирующим элементом является хром, а в некоторых — хром и никель. Другие элементы (кремний, марганец, молибден, вольфрам, ванадии, титан, ниобий и медь) вводятся в малых количествах. Из ких сталей изготовляют детали для нефтеперерабатывающих У тановок, корпусов насосов и другие, работающие в нефтяных РЗДах под давлением при температуре до 550 °С.

Безоловянные бронзы. Высокая стоимость и дефицит олова вызвали необходимость разработки сплавов, в состав которых входят более дешевые и менее дефицитные компоненты. Большинство таких бронз является сплавом меди с алюминием.

Сплав меди с 10% алюминия после затвердевания имеет крупнозернистое строение, что вызывает хрупкость отливок, поэтому в алюминиевые бронзы добавляют железо, марганец, никель, свинец. Железо способствует размельчению структуры, повышает предел прочности и твердость сплава. Марганец повышает не только прочностные, но и антикоррозионные свойства сплава. Никель улучшает его антифрикционные, антикоррозионные и механические свойства. При содержании в сплаве до 1 —1,5% свинца улучшаются его обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.

К вредным примесям в безоловянных бронзах, кроме цинка, сурьмы, фосфора и некоторых других элементов, относится олово, содержание которого в сплаве свыше 0,1—0,2% вызывает ухудшение механических свойств, пористость и хрупкость отливок.

В обозначениях марок бронз (оловянных и безоловянных) буквами указывается наличие элементов (О — олово, Ц — цинк, С —свинец, Н —никель, А —алюминий, Мц—марганец, Ж — железо), а цифрами — их среднее содержание в процентах.

Латуни. В зависимости от химического состава латуни разделяются на простые и сложные (специальные). Простая латунь представляет собой сплав меди с цинком и с небольшим количеством других элементов. Она хорошо обрабатывается давлением, однако в литейном производстве не применяется.

Сложные латуни, кроме меди и цинка, в определенных количествах содержат алюминий, кремний, марганец, свинец, олово. Соответственно различают латуни алюминиевые, кремнистые, марганцевые, свинцовые и оловянные.

Перечисленные элементы улучшают механические, физические и химические свойства латуни. При введении в сплав алюминия повышаются его прочность и коррозионная стойкость. Свинповая латунь широко применяется для изготовления деталей приборостроения, от которых требуется высокая чистота поверхности. Кремний повышает механические свойства сплава и придает ему хорошую жидкотекучесть, что обеспечивает заполнение Аормы и получение плотных тонкостенных отливок сложной конфигурации. Марганцевые латуни имеют высокие механические свойства и значительную коррозионную стойкость, сохраняют прочность при повышенных температурах. Оловянная (морская) латунь, содержащая около 2% олова, хорошо противостоит действию морской воды и морского влажного воздуха.

В маркировке первая буква Л означает латунь, а последующие буквы указывают на наличие других элементов, кроме меди; первая цифра указывает среднее содержание меди, а последующие цифры — содержание других элементов в процентах. Содержание цинка определяется разностью между 100% и суммой элементов, содержащихся в латуни.

Некоторые латуни, так же как и безоловянные бронзы, могут заменять оловянные бронзы.

Алюминиевые сплавы. Сплавы алюминия с кремнием, кремнием и медью, с магнием и некоторыми другими компонентами широко применяются в машино-, авиа- и приборостроении, так как обладают сравнительно высокими механическими свойствами и малой плотностью. Термическая обработка большинства отливок из сплавов разных марок улучшает их механические свойства.

В зависимости от химического состава ГОСТ 2685—75 установлено 35 марок алюминиевых сплавов, которые подразделены на 5 групп:
I — сплавы на основе системы алюминий — кремний: АЛ2, AJI4, АЛ4-1, АЛ9, АЛ9-1, АЛ34, АЛ4В, АЛ9В. Сплавы этой группы, называемые силуминамиобладают хорошими литейными свойствами, однако для получения мелкозернистой структуры нуждаются в модифицировании. Введение магния (0,17— 0,5%) придает сплавам способность к термической обработке, повышающей их механические свойства. Наиболее вредной примесью для силуминов является железо;
II — сплавы на основе системы алюминий — кремний — медь: АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛ6, АЛ32, АЛЗВ, АЛ 10В, АЛ 14В, АЛ15В. Сочетание в этих сплавах кремния и меди улучшает их литейные свойства и дает возможность применять термическую обработку. В сплавах этой группы вредными примесями, помимо железа, являются олово и свинец;
III— сплавы на основе системы алюминий — медь: АЛ7, АЛ19, АЛЗЗ. Эти сплавы обладают способностью к термической обработке;
IV —сплавы на основе системы алюминий — магний: АЛ8, АЛ 13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28. Сплав АЛ8 после термической обработки имеет временное сопротивление растяжению 29 кгс/мм2 и удлинение 9%. Дальнейшее повышение механических свойств этого сплава достигается сложным легированием: малыми добавками титана (0,05—0,15%), бериллия (0,05—0,15%) и циркония (0,05—0,20%). Получаемые сплавы АЛ27 и АЛ27-1 после термической обработки имеют временное сопротивление растяжению 32—35 кгс/мм2 и удлинение 12—15%. Вредными примесями в этих сплавах являются железо, медь и цинк;
V — сплавы на основе системы алюминий — прочие компоненты (никель, цинк, железо): АЛ1, АЛ 11, АЛ21, АЛ24, АЛ25, АЛЗОидр. Сплав АЛ1—жароупорный, служит для изготовления поршней.

Термическая обработка отливок из алюминиевых сплавов способствует их значительному упрочнению, улучшению обрабатываемости, повышению коррозионной стойкости.

Режимы термической обработки отливок назначаются в зависимости от марки сплава, условий работы деталей, их габаритов и условно обозначаются:
Т1 — искусственное старение — нагрев до 175 °С. После выдержки, установленной технологическим процессом, охлаждение на воздухе;
Т2 — отжиг — нагрев до 300 °С и после соответствующей выдержки охлаждение с печью или на воздухе;
Т4 —закалка — нагрев до 430—535 °С (в зависимости от марки сплава), выдержка и охлаждение в воде (при температуре 80— 100 °С) или в масле (при температуре 40—50 °С);
Т5 — закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение— нагрев до 515—525 °С, выдержка и охлаждение в воде. Затем при старении повторный нагрев до 175 °С, выдержка и охлаждение на воздухе;
Т6 — тот же режим, что и при Т5, но более длительная выдержка при старении;
Т7 —закалка и стабилизирующий отпуск — нагрев до 515— 530° С, выдержка и охлаждение в воде. Затем повторный нагрев до 230 °С и охлаждение на воздухе;
Т8 — закалка и смягчающий отпуск—нагрев до 535° С, выдержка и охлаждение в воде; повторный нагрев до 250 °С и охлаждение на воздухе.

Магниевые сплавы. Широкое распространение магниевых сплавов объясняется тем, что они обладают многими достоинствами: малой плотностью (составляющей 23% плотности стали и чугуна или 65% плотности алюминиевых сплавов), сравнительно высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и рядом других.

Недостатком их является легкая окисляемость. Предупреждение окисления и возгорания в процессе плавки достигается созданием на поверхности жидкой ванны сплава сплошного покровного флюса.

Химический состав литейных магниевых сплавов должен соответствовать требованиям ГОСТ 2856—68. Повышению их механических свойств способствует легирование небольшими количествами Р Дкоземельных металлов, а окисляемость уменьшается при введении малых количеств бериллия или кальция

Механические свойства сплавов значительно повышаются после термической обработки. Так, сплав MJI5 в исходном оянии имеет предел прочности на растяжение 15 кгс/мм2 и относительное удлинение 2%, а после закалки С охлаждением на воздухе механические свойства повышаются соответственно до 23 кгс/мм2 и 5%.

Вредными примесями для магниевых сплавов являются железо медь, кремний и никель.

Цинковые сплавы. Благодаря хорошим литейным свойствам, сравнительно невысокой температуре плавления и низкой стоимости эти сплавы широко применяются при литье под давлением деталей автомобилестроения (карбюраторов, корпусов бензонасосов, отстойников и т. д.), приборостроения, электротехники.

Для литья под давлением используют сплавы на основе системы цинк+медь+алюминий + магний с содержанием, в меди — 0,7—3,5; алюминия — 3—5; магния — не более 0,1; остальное — цинк.

Цинковый сплав марки ЦАМ10-5, содержащий 10—12% алюминия, 4—5,5% меди, 0,03—0,06% магния и остальное — цинк, является распространенным антифрикционным сплавом, из которого изготовляют подшипники скольжения.

Рис. 4. Цилиндрический образец для испытания на растяжение.

Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум