Литейные свойства

Категория:
Литейное производство


Литейные свойства

Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Из одних сплавов (оловянной бронзы, силумина, серого чугуна и др). без особого труда можно получить отливки сложной конфигурации и соответствующих свойств, из других (титановых легированных сталей, специальных бронз и латуней) получение отливок сопряжено с большими технологическими трудностями.

Возможность получения доброкачественных тонкостенных отливок, сложных по форме или больших по размерам, беэ раковин, трещин, пригара и других литейных дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов.

К литейным свойствам относят технологические свойства металлов и сплавов, которые прямо и непосредственно влияют на получение отливок заданной конфигурации, нужных эксплуатационных показателей, с поверхностями требуемой чистоты и точности размеров.

Проявляются они во время заливки жидкого металла в форму и в процессе кристаллизации.

Значение литейных свойств очень велико и должно быть учтено в следующих случаях:
1) при изыскании и разработке новых сплавов; следует останавливаться на композициях, обеспечивающих наиболее благоприятное сочетание рабочих (механических, физических и др). и литейных свойств;
2) в процессе создания и проектирования отливки; надежность и долговечность изделий в значительной степени предопределяется литейными свойствами используемого для их изготовления сплава;
3) во время разработки технологического процесса изготовления отливок; во всех случаях при прочих равных условиях, следует отдавать предпочтение сплавам с лучшими литейными свойствами.

Литейные свойства сплавов проявляются в жидком состоянии, при затвердевании, в жидко-твердом и твердо-жидком и твердом состояниях.

Номенклатура литейных свойств в зависимости от уровня производства сплавов и общего развития техники может со временем меняться. К основным литейным свойствам относятся следующие:
1) жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в жидком состоянии заполнять формы и точно воспроизводить в отливке ее очертания;
2) склонность к поглощению газов и образованию по этой причине дефектов в отливках:
3) склонность к образованию неметаллических включений;
4) усадка (объемная в жидком и жидко-твердом состояниях, объемная и линейная в твердо-жидком и твердом состояниях, а также при фазовых превращениях) и склонность к образованию усадочных раковин и пор;
5) склонность к ликвации;
6) склонность к образованию в результате первичной и вто-пичной кристаллизации макро- и микроструктуры;
7) склонность к образованию литейных напряжении и трещин.

Жидкотекучесть

Жидкотекучесть проявляется в способности металлов и сила вов в жидком состоянии течь по литейной форме, заполнять ее полости и четко воспроизводить все контуры отливки. Жидкотекучесть зависит от многих физических и физико-химических свойств сплава и ее нельзя охарактеризовать какой-либо одной физической или физико-химической константой.

Хорошая жидкотекучесть важна при проведении комплекса мероприятий для получения плотных доброкачественных отливок (улучшает условия вывода за пределы отливки усадочных раковин, уменьшает опасность образования всех видов пористости, трещин и т. д.).

При сравнении жидкотекучести различных металлов и сплавов предложено (Ю. А. Нехендзи) различать истинную, нулевую и практическую жидкотекучесть.

Истинная жидкотекучесть определяется при одинаковом перегреве выше температуры нулевой жидкотекучести.

Нулевая жидкотекучесть наступает тогда, когда металл или сплав перестает течь, находясь только под статическим напором.

Нулевая жидкотекучесть сплавов наступает при температуре, лежащей в интервале ликвидус-солидус, в момент, когда вязкость резко возрастает вследствие образования заметного количества твердой фазы.

Практическая жидкотекучесть — это жидкотекучесть, измеряемая для различных сплавов при одинаковой температуре заливки независимо от величины перегрева выше температур нулевой жидкотекучести и ликвидуса.

В производственных условиях трудно установить температуру нулевой жидкотекучести, поэтому определяют жидкотекучесть сплава при одинаковом перегреве выше температуры ликвидуса. Такую жидкотекучесть называют «условно истинной».

Природа жидкотекучести очень сложна и зависит от многих факторов, которые можно разделить на три группы.

К первой группе относятся факторы, связанные со свойствами, и строением металлов и сплавов в жидком состоянии (природой сплава, вязкостью, поверхностным натяжением, наличием включений, особенностью кристаллизации и строения образующейся твердой фазы, теплоемкостью, теплопроводностью и др.).

Известна определенная связь между жидкотекучестью и характером кристаллизации. Установлено, что при интенсивном развитии дендритной кристаллизации потеря жидкотекучести наступает даже при незначительном количестве твердой фазы.

Количество твердой фазы, при которой наступает нулевая жидкотекучесть, зависит от строения и размеров первичных кристаллов. Например, в обычных условиях заливки нулевая жидкотекучесть стали и чугуна наступает соответственно при содержании 20 и 30% твердой фазы.

Чистые металлы и большинство эвтектических сплавов затвердевают с резко очерченным фронтом кристаллизации и характеризуются лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и кристаллизующиеся в интервале температур. Тройные сплавы эвтектического состава обладают большей жидкотекучестью, чем двойные эвтектические сплавы.

Наличие в металлах и сплавах примесей может в одних случаях ухудшать жидкотекучесть, а в других — улучшать ее. Модифицирование иногда значительно улучшает жидкотекучесть, а иногда уменьшает ее (например, у сплавов системы Al-Si). Присутствие в алюминии незначительного количества железа, кремния и титана заметно ухудшает его жидкотекучесть. Во всех сплавах легкоплавкие эвтектики улучшают жидкотекучесть.

Жидкотекучесть связана и со степенью переохлаждения. При заливке в металлические формы заэвтектических алюминиевых сплавов наблюдается большая жидкотекучесть, чем у эвтектических. Известно, что вязкость любой жидкости зависит от наличия в ней суспензированных частиц (для литейных расплавов такими частицами могут быть графит, окислы, карбиды, нитриды j т п.). В соответствии с установленной А. Эйнштейном зависимостью’ вязкость жидкости повышается линейно с увеличением количества (объема) суспензий и не зависит от их размера. Следует отметить, что сама по себе высокая вязкость жидкости не мешает заполнению формы. (Весьма вязкий алебастр, а также малоподвижные смолы и пластмассы могут хорошо заполнять формы, в которых они растекаются под действием собственного веса. Для этого требуется только достаточное время.) Жидкий металл в момент заливки в формы имеет вязкость, соизмеримую с вязкостью воды при обычной температуре. Однако благодаря большой теплоотдаче жидкий металл быстро становится более вязким, в результате уменьшается скорость его движения в форме. Если бы удалось поддерживать высокую температуру перегрева металла в течение всего времени движения его по каналам формы, то нетрудно было бы получить из относительно вязких литейных сплавов очень тонкие отливки. Экспериментально было установлено, что жидкотекучесть зависит от вязкости в меньшей мере, чем от интервала кристаллизации сплава.

Способность сплавов заполнять полости формы связана и с поверхностным натяжением. Чем больше поверхностное натяжение, тем меньшей жидкотекучестью обладает сплав. Значение поверхностного натяжения проявляется тем в большей степени, чем тоньше полость литейной формы.

Жидкотекучесть зависит также и от характера движения потока. При турбулентном движении она будет меньшей, чем при ламинарном. На практике жидкотекучесть определяют при помощи различных методов и технологических проб. Используемые методы можно разделить на три группы. В первой группе фиксируют прекращение движения металла в сужающемся канале. Жидкотекучесть характеризуется линейными размерами заполненной или незаполненной полости канала, например клиновой пробы (рис. 2, а). Прекращение движения жидкого металла может наступить в результате кристаллизации и в жидком состоянии под действием сил поверхностного натяжения. Во второй группе прекращение течения металла наступает вследствие кристаллизации его в узком сечении короткого канала. Величина жидкотекучести может быть оценена по массе металла, вытекшего от начала испытания до прекращения течения. В пробах третьей группы фиксируют длину затвердевшей части металла в канале постоянного сечения. Известно большее разнообразие проб последней группы, которые широко используются в производстве и лабораторных исследованиях. Спиральную пробу (рис. 2, б) широко применяют для определения жидкотекучести чугуна и цветных металлов. Она состоит из чаши, фильтра, стояка, металлоприемника и спирального канала трапециевидного сечения с небольшими выступами.

Рис. 2. Технологические пробы для определения жидкотекучести

Газы

Газы (так будем называть элементы, существующие в обычных условиях в природе в газообразном состоянии, независимо от формы существования в сплавах или отливках) в литейных сплавах в одних случаях являются вреднейшими примесями, а в других используются для получения высококачественных плотных отливок и даже для улучшения ряда свойств (например, прочности, твердости, жаропрочности и др.)

В металлах и сплавах газообразные элементы могут присутствовать в следующих видах:
а) газовых включений (раковин и сферических пузырей);
б) твердых химических соединений с элементами, входящими в состав сплава (окислов, нитридов, гидридов и др.);
в) жидких и твердых растворов, в этом случае атомы газообразных элементов могут располагаться между атомами основного металла или войти (внедриться) в его кристаллическую решетку;
г) тонких слоев, адсорбированных на поверхности металла или сплава, например, в чугуне адсорбция газов может происходить на поверхности графитовых включений, расположенных в толще металлической матрицы.

Растворимость газов в металлах и сплавах в значительной степени зависит от вида и свойств газа, природы растворителя, температуры и давления. Из свойств газа на его растворимость большое влияние оказывает молекулярное и атомное строение.

В обычных жидкостях повышение температуры уменьшает растворимость газов. В жидких металлах и сплавах растворимость газов с повышением температуры может увеличиваться.

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 в системах жидкость-газ.

С повышением температуры получает развитие процесс активированной 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 активированной 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 диффундирующего газа.

В отличие от обычных жидкостей в твердых и жидких металлах растворимость газов с повышением температуры увеличивается. Это можно объяснить тем, что растворение газов в металлах является эндотермическим процессом. Вместе с тем, в некоторых случаях растворимость газов в металлах с повышением температуры уменьшается (например, растворимость водорода в титане, цирконии, ванадии при повышении температуры уменьшается). Процесс растворения газов в этих случаях является экзотермическим.

Закон квадратного корня действителен в случаях, когда двухатомный газ, адсорбируемый металлом, предварительно подвергается диссоциации с образованием двух атомов, растворяющихся независимо друг от друга, причем образуется раствор или химическое соединение с одним атомом растворяющегося вещества в молекуле. Этот закон нельзя применять для газов из присутствующих в металле и форме недиссоциированных химических соединений, в молекулы которых входит более одного атома растворяющегося газа. Это же относится и к случаю, когда молекула, растворяясь в металле или взаимодействуя с ним, распадается на большое число атомов,

На растворимость газов в металлах очень влияют размерный фактор и величина электроотрицательности атомов металла и растворяющегося газа. С этим, например, связывается различная творимость в металлах и сплавах азота и водорода. Азот от РаСорода отличается большими размерами атомов и высоким знанием первого ионизационного потенциала. Азот, как правило, Частворяется в металлах, с которыми он образует нитриды. Р Скорость растворения газов в металлах зависит от агрегатного состояния металла или сплава, его структуры, интенсивности перемешивания в плавильном агрегате, характера движения потока жидкого металла и т. п. Так, скорость растворения газа в жидком металле больше, чем в твердом.

При движении металла мелкими струйками или каплями в газовой среде растворяется больше газа, чем при движении потока газа над расплавленным металлом, находящимся под слоем шлака.

Турбулентный поток жидкого металла захватывает и растворяет при прочих равных условиях больше газа, чем ламинарный.

Барботаж жидкого металла газом может в одних случаях увеличить содержание газов, а в других способствовать дегазации сплава.

Фазовые превращения и изменения агрегатного состояния металлов и сплавов могут сопровождаться скачкообразным изменением растворимости азота в железе. Присутствие в металле различных примесей также существенно изменяет растворимость. На рис. 4 показано влияние некоторых элементов на растворимость азота в железе, а на рис. 5 — зависимость растворимости водорода от температуры в различных металлах.

Получение отливок без газовых раковин и пористости является одной из самых трудных задач литейного производства. Поэтому важно знать особенности не только растворения газов в металлах, но и обратного процесса — их удаления. Возможны два случая зарождения газовых пузырей в объеме жидкого кристаллизующегося металла: гомогенное и гетерогенное.

Рис. 3. Растворимость азота в железе 1, 2 — в твердом и жидком алюминии; 3,4 — в твердой и жидкой меди; 5,6 — в твердом и жидком железе; 7,8 — в твердом и жидком никеле; 9, 10 — в твердом и жидком магнии

Рис. 4. Влияние элементов на растворимость азота в железе

Рис. 5. Влияние температуры на растворимость водорода в различных металлах:

Расчеты показывают, что гомогенное зарождение газовых пузырьков в объеме жидкой (или кристаллизующейся) стали (или чугуна) возможно в случае, когда возникает внутреннее давление порядка или больше 2000 ат. Значительно легче и вероятнее происходит гетерогенное зарождение — газовые пузырьки возникают не в объеме жидкости, а на имеющихся поверхностях раздела, т.е. в местах, где нарушается сплошность строения жидкого металла. Такими местами могут быть фронт кристаллизации, взвешенные неметаллические включения, появляющиеся в металле кристаллики, микроскопические газовые образования, подина и стенки плавильного агрегата, копильника, а также стенки желоба литейного ковша, формы и т. п.

При больших краевых углах смачивания работа образования зародышей пузырьков минимальна, и, следовательно, интенсивность их зарождения в жидком металле возрастает.

Форма газового пузырька, возникающего на ровной горизонтальной поверхности, определяется соотношением межфазных натяжений на границах твердого тела с жидким расплавом и с газом, а также газа с жидким расплавом. В образовавшийся пузырь из одного газа могут диффундировать в атомарном состоянии другие газы, так как их парциальное давление в данном пузыре практически равно нулю. Внутри пузырька атомы газов могут ассоциировать в молекулы, чем обусловливается дальнейшая диффузия этих газов внутрь пузырька. Достигнув определенного размера, пузырёк отрывается от поверхности зарождения и всплывает.

Всплывающие пузырьки, барботируя жидкий металл, способствуют увеличению поверхности раздела фаз с высокой активностью и служат центрами газовыделения. Отдельные пузырьки газа при столкновении соединяются, что увеличивает скорость их всплывания.

Понижение температуры жидкого металла во время кристаллизации уменьшает растворимость газов в нем и повышает скорость дегазации. Но, происходящее наряду с этим увеличение вязкости жидкого металла затрудняет подъем и удаление газов.

Введение в жидкий металл поверхностно-активных веществ может сильно повлиять на величину поверхностного натяжения и на межфазную энергию на поверхностях раздела, изменить краевой угол смачивания 0 и сказаться на зарождении и росте газовых пузырьков.

Определенную группу металлов и сплавов можно применять Для изготовления отливок только при условии отсутствия в них измеримого количества газов или их следов. К ним относятся титан, цирконий, молибден, тантал, вольфрам, бериллий, уран.

Новые качественные характеристики сплавов совершенно исключают возможность содержания в них водорода, кислорода и азота. В обычных высококачественных литейных сплавах допускается незначительное содержание газов, но при этом должны быть созданы условия, предупреждающие выделение их из раствора и образование газовых раковин и пористости.

Особое внимание при приготовлении литейных сплавов должно быть обращено на чистоту шихтовых материалов. Например, в процессе плавки стали большое количество водорода вносится в сталь с ржавой шихтой. В плавильный агрегат 1% ржавчины в шихте вносит около 2,5 м3 водорода на 1 т стали. Многие ферросплавы трудно освободить от водорода даже при высокотемпературном прокаливании, например ферромарганец около 1000° С может содержать до 30 см3/100 г. водорода, ферросилиций при этой же температуре — до 60 см3! 100 г. водорода, никель и хром — соответственно 8 и 12 см31100 г.

Меры, обеспечивающие минимальное содержание газов и предупреждающие образование газовых раковин и пористости в отливках, можно разделить на три группы:
1) дегазация исходных шихтовых материалов, а также предупреждение поглощения газов металлами во время плавки, при выпуске в ковш, заливке в формы и в процессе затвердевания отливки в форме;
2) дегазация жидкого металла перед заливкой в формы;
3) предупреждение выделения газов из раствора в процессе кристаллизации металла в форме.

Первая группа мер охватывает практически весь производственный цикл приготовления жидкого металла, заливки форм и кристаллизации. Она учитывает состояние шихтовых материалов, свойства жидкого и твердого металла, ведение процесса плавки по оптимальному режиму, конструкцию литниковой системы, свойства формы и т. п. Меры первой группы являются общими для всех сплавов, но практическое применение их должно быть дифференцированно для разных сплавов в зависимости от требований, предъявляемых к отливкам, и от склонности сплава к газопоглощению, а также, от разности растворимости газа в твердом и жидком металле.

К первой группе мер относят подготовку и подбор качественных шихтовых материалов, сушку и вакуумирование их до загрузки в плавильный агрегат, ведение плавки в условиях той или иной среды (вакуума, защитной атмосферы), различные методы дегазации в процессе плавки и перед выпуском готового сплава из печи в ковш. Среди способов первой группы, позволяющих получить металл с низким содержанием газов, большой интерес представляет дуговая плавка с расходуемым электродом. Жидкий металл, отделяясь от электрода под действием силового электромагнитного поля, распадается на отдельные капли, из которых в вакууме благодаря большой поверхности образовавшихся капель и высокой температуре в зоне дуги интенсивно выделяются газы. Несмотря на значительную дегазацию сплава в вакууме, отсутствие регулирования времени пребывания в нем капель металла исключает возможность полного удаления газов.

Другой способ получения более чистых по содержанию газов металлов заключается в том, что внутри специально сконструированного индуктора помещают металлы, которые поддерживаются во взвешенном состоянии в электромагнитном поле и нагреваются токами высокой частоты до плавления. Жидкий металл в этом случае имеет форму капли. Особая ценность такого метода плавки в том, что металл можно не только расплавить в вакууме без контакта с тиглем, но и сразу залить в форму, чего нельзя осуществить в дуговой печи. Для плавки больших порций ответственных сплавов используют высоковакуумные индукционные печи, в которых в процессе плавки происходит дегазация. Удалению газов наряду с вакуумом способствует и энергичное перемешивание сплава под действием электромагнитного поля.

Вторая группа мер предусматривает создание условий для дегазации сплавов вне плавильного агрегата. К ним следует отнести вакуумирование сплава вне плавильного агрегата (в ковше или во время разливки), разливку в вакууме, выдержку перед разливкой с медленным охлаждением и последующим быстрым подогревом, обычную выдержку, фильтрацию, введение в расплав элементов, реагирующих с растворенным газом и образующих негазообразные продукты, продувку расплава газами (например, аргоном, хлором, молекулярным азотом), ультразвуковую обработку и другие методы физического воздействия.

Для приготовления специальных тугоплавких сплавов и сталей используют комплекс мер, относящихся к первой и второй группам (вакуумную плавку, различные методы вакуумной дегазации, разливку в вакууме и т. п.).

Определенные мероприятия, целью которых являются дегазация и удаление нежелательных неметаллических включений, вошли в технологические процессы плавки. Например, раскисление при выплавке сталей и многих цветных сплавов, «кипение» при выплавке стали, «дразнение» при выплавке меди и медных. сплавов, выдержка сплавов в печи и в ковше, и т. д.

К третьей группе мер относится метод кристаллизации под давлением, разработанный А. С. Бочваром и А. Г. Спасским для отливок из легких сплавов. Метод основан на том, что при повышенном давлении (4-5 am), 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 давле-ние, поддерживаемое до окончания затвердевания металла.

Аналогично высокому давлению при кристаллизации действует Ускоренное охлаждение. Задержать газовыделение из раствора До перехода в твердое состояние и предупредить образование газо-раковин в отливках может и повышенная скорость охлаждения интервале кристаллизации. Кроме того, повышенная скорость хождения является благоприятной еще и потому, что обеспе-Вает большой температурный градиент по сечению отливки

Литейное производство 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 жидкость в область, где сосредоточены усадочные раковины, которые при правильном технологическом процессе выводят в прибыли. Само собой разумеется, что это частный случай для условий, когда фронт кристаллизации не опережает газовыделение.

Неметаллические включения

Неметаллические включения в затвердевшем сплаве 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 располагаются внутри кристаллов. Легкоплавкие включения входят в эвтектические «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.

Различают три основных источника неметаллических включений в металлах и сплавах.
1) Неметаллические включения могут возникать вследствие особенностей технологического процесса приготовления сплавов и их последующей кристаллизации. Например, растворимость элементов, образующих включения, зависит от температуры: чем выше температура, тем больше концентрация [элементов в растворе. При понижении температуры кристаллизации эти элементы выделяются из раствора в виде мельчайших частичек и самостоятельно или, соединившись с другими компонентами сплава, образуют неметаллические включения. Часть неметаллических включений всегда имеется в шихтовых материалах и может остаться в сплаве.
2) Источником неметаллических включений могут быть химические реакции, происходящие в сплаве в результате целенаправленного процесса удаления нежелательных примесей (например, раскисления и др.). В результате таких реакций образуются нерастворимые в расплаве вещества (например, окислы, нитриды и др.). Возможно и образование окисных включений в процессе разливки в результате вторичного окисления.
3) Источником неметаллических включений в отливках могут быть частицы шлака, футеровки печей, желобов, ковшей, а также литниковой системы и литейной формы.

Количество удаляемых неметаллических включений при продувке расплава нейтральным газом тем больше, чем меньше пузырьки продуваемого газа.

При фильтрации сплав пропускают через пористую среду, которая может либо просто отфильтровывать неметаллические включения, либо задерживать их вследствие химического взаимодействия с ними. Для успешного осуществления процесса фильтрации необходимы предварительный подогрев материала фильтра или создание над фильтрующимся сплавом вакуума.

В качестве материалов фильтра для фильтрации легких сплавов применяют синтетический корунд, глинозем, обожженный чистый магнезит, циркон, карбид кремния и т. п.

Фильтрацию можно совместить с продувкой жидкого сплава нейтральным газом. В этом случае наряду с удалением неметаллических включений достигается и определенная степень дегазации.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум