ГЛАВА 4

ЛЕЯРСКИ СВОЙСТВА НА МЕТАЛИТЕ И СПЛАВИТЕ



Не всички метали и сплави са еднакво пригодни за изработването на отливки. От някои сплави (напр. силумин, сив чугун и др.) могат сравнително лесно да се получат отливки със сложна форма и добро качество, а от други (напр. титанови сплави, стомана, месинг и др.), това е свързано с големи трудности. Възможността за получаване на висококачествени отливки от метали и сплави се определя от група технологични свойства, наречени леярски свойства. Те представляват съвкупност от физични, химични и физикохимични свойства, които се проявяват в определена степен при конкретните условия на производството. Най-важните леярски свойства са тънколивкост, склонност към поглъщане и отделяне на газове, склонност към ликвация и свиване.


4.1. Тънколивкост

Тънколивкост е свойството на металите и сплавите в течно състояние да запълват изцяло леярската форма, при което се образуват плътни отливки, отговарящи на изисквания за геометрични размери и механично-якостни показатели.

В определението на свойството тънколивкост е включено условието за получаване на плътни отливки с определени якостно-механични показатели, тъй като чрез изменение на тънколивкостта може да се осигури добро подхранване на отливката с течен метал по време на кристализация, да се подпомогне отделянето на неметалните включвания извън контурите на отливката (напр. в компенсаторите) и да се осигури благоприятно разпределение на газовата пористост и всмукнатините.

Технолозите предлагат разделянето на понятието на тънколивкост и запълняемост на формата, тъй като е установено, че те не са равнозначни. Тънколивкостта се разглежда като по-тясно понятие, т. е. като свойство на металите и сплавите да запълват леярската форма, като тя зависи главно от техните физични и химични свойства.

Запълняемостта на леярската форма се разглежда като по-широко понятие, което зависи не само от свойствата на металите и сплавите, но и от свойствата на формата (материал, грапавост на стените, топлопроводност, вентилация, газопропускливост и др.) и от условията за нейното запълване (налягане на метала, конструкция на леяковата система и др.). Предлагат се дори различни методи и проби за тяхното определяне.

Най-често запълването на леярските форми с метал става под действието на гравитацията. В специални случаи (леене под налягане, центробежно леене и др.) действуват и други сили. Срещу това действие се противопоставят вътрешното триене в стопилката и съпротивлението на формата. Ако по време на заливането двете сили се изравнят, отливката ще остане недозалята с неточни очертания на контура. Когато по време на заливане на формите металът се намира само под действието на силата на тежестта, възможно е да се достигне до такова състояние, при което металът да престане да тече във формата. Това състояние на стопилката се нарича нулева тънколивкост. Върху него обикновено най-голямо влияние оказва вътрешното триене - вискозитетът. Той нараства особено бързо при появата на твърда фаза - кристали в стопилката. Състоянието на нулева тънколивкост настъпва при определен процент на кристали (например, за чугуна 30%, за стоманата 20% и т.н.) от линията в температурния интервал между ликвидус и солидус-линията (фиг.4.1. - крива 1.).

Фиг.4.1. Температурни области за различните видове тънколивкост:
1 - нулева; 2 - условно-действителна; 3 - практическа;
АЕ - ликвидус линия; АМЕ - солидус линия.

Освен нулевата тънколивкост при разглеждане на леярските свойства на сплавите се използват и термините:

- практическа тънколивкост - определя се при една и съща температура на леене независимо от това къде е ликвидус
  линията на сплавта (фиг.4.1. - крива 3);
- условно-действителна тънколивкост - определя се при еднаква степен на прегряване над ликвидус линнята за сплави от
  един и същи вид (фиг.4.1. - крива 2). Този вид тънколивкост се използва за сравнителни изследвания на тънколивкостта.

Като технологично свойство тънколивкостта се влияе от фактори, чието действие е твърде сложно и многообразно. Затова не съществуват точни аналитични методи за нейното определяне. Тънколивкостта се определя експериментално с помощта на различни технологични проби. Те обикновено представляват канали (прави, спираловидни, U-образни и др.) или кухини (клиновидни и др.) във формата, които се запълват с метал и тънколивкостта се изразява със степента на тяхното запълване. Важно условие при това определяне на тънколивкостта е да се подбере онази технологична проба, условията на запълване на която са най-близки до тези на практиката. Затова те са изработени от формовъчна смес или метал и могат да имат постоянно, променливо или комбинирано сечение на канала или кухината. На фиг.4.2. е показана спирална проба за определяне на тънколивкостта.
Фиг.4.2. Спирална проба за определяне на тънколивкостта.

Тънколивкостта зависи от следните фактори:

- Състав на сплавта и свързания с нея интервал на кристализация. Най-добра тънколивкост имат чистите метали и сплавите, които кристализират в малък температурен интервал (евтектични сплави или химични съединения). Те образуват сравнително гладък фронт на кристализация (фиг.4.3-а). При кристализация в голям температурен интервал образуващите се дендрити пречат на движението на стопилката и тънколивкостта се влошава (фиг.4.3-б).

Фиг.4.3. Схематично представяне на характера на кристализация и тънколивкостта.

- Вискозитет на сплавта. Динамичният вискозитет на металите и сплавите оказва пряко влияние върху тяхната тънколивкост. Колкото по-голям е вискозитетът, толкова по-малка е тънколивкостта и обратно. За намаляване на вискозитета и увеличаване на тънколивкостта най-често се прибягва до прегряване на стопилката преди заливане.

- Повърхностно напрежение. Повърхностното напрежение на разделната граница метал-форма и умокрянето й определят получаването на точен отпечатък и пълномерни отливки. Затова те влияят силно върху тънколивкостта. Колкото по-малки са повърхностното напрежение и ъгълът на умокряне, толкова по-голяма е тънколивкостта. Тяхното влияние е най-силно при запълване на много тънки канали и стени във формата. При сплавите не е установена точна зависимост между тънколивкостта и повърхностното напрежение, тъй като при нейното определяне се намесва влиянието на състава на сплавите, тяхното модифициране и легиране върху повърхностното напрежение и ъгълът на умокряне.

- Материал на формата, която може да е метална или пясъчно-глинеста.

Чугунът в сравнение с другите сплави притежава сравнително висока тънколивкост, която се предопределя от химическия му състав - тя нараства при увеличаване на процентното съдържание на въглерода, силиция и фосфора. По правило карбидообразуващите елементи понижават тънколивкостта. При неколкократно претопяване на чугуна във вагрянка, без добавка на нови количества, тънколивкостта също се понижава вследствие повишаване съдържанието на газове окисни и шлакови включвания.


4.2. Ликвация

Ликвацията представлява химична нееднородност в отделните участъци на отливките или вътре в отделните кристали. Склонността на сплавите към ликвация често създава редица трудности за получаването на хомогенен състав и между първоначално образуваните участъци от твърда фаза и концентрацията на течната и образуваната по-късно твърда фаза. Тя е свързана с непълното протичане на дифузията по време на кристализация.

Различаваме три вида ликвация:

- дендритна (вътрешнокристална или микролкквация);
- зонална (макроликвация);
- тегловна (слоиста, ликвация по относително тегло).

Причините за поява на ликвация са различните температури на топене на елементите, участвуващи в сплавта, различната разтворимост на елементите в течния и в твърд метал и непълното протичане на процеси на дифузия при кристализационния процес.

Появата на дендритна ликвация се обяснява с различните температури на топене на елементите в сплавта. Например, ако в сплавта участвуват елементите А и В и елементът А е по-труднотопим и сплавта кристализира в температурен интервал, разликата в химичния състав се обяснява със схемата на фиг.4.4. Първите кристалчета от сплавта (фиг.4.4-а) са най-богати на труднотопимия елемент като повърхността на отливките е по-богата на по-леснотопимия метал. Това явление се обяснява с образуването на дендрити, при което в образуваните кухини между тях се просмуква течна сплав, по-богата на леснотопимия елемент. На фиг.4.4 позициите б, в, г показват образуване на слоеве, в които съдържанието на труднотопимия елемент намалява, а позиция д - напълно кристализираната структура.

Фиг.4.4. Механизъм за образуване на дендритна ликвация.

Склонността на сплавите към дендритна ликвация е толкова по-голяма, колкото по-голямо е разстоянието между ликвидус и солидус линиите от диаграмите на състоянията. То не може да се мени и затова на вътрешнокристалната ликвация може да се влияе само с изменение на вида и количеството на легиращи елементи, които подсилват или намаляват ликвацията и със скоростта на охлаждане.

Ликвация по плътност (тегловна) може да се наблюдава, когато образуващите се първоначално кристали са по-тежки и потъват в стопилката или са по-леки и изплават. В сплавите олово-антимон (за плъзгащи лагери) горните части на отливката може да са по-богати на антимон, а долните на олово. По същата причина в горната част на отливките от сив чугун и в леяците има повече графит. Този вид ликвация се намалява при по-бързо охлаждане и при движение на металната стопилка. Прилагането на вибрации, ултразвук и магнитно поле води до намаляването на всички видове ликвации.

Ликвацията в отливките не е непоправим дефект. Тя може да се премахне чрез термична обработка - хомогенизиращо отгряване. За целта сплавта се нагрява до определена температура, задържа се (за да може химичният състав да се изравни чрез дифузия) и се охлажда бавно (с пещта или на въздух).


4.3. Свиване на металите и сплавите и образуване на всмукнатини

Всички метали и сплави при нагряване се разширяват, а при охлаждане се свиват. Изключение прави бисмутът, който при охлаждане се разширява, и сивият чугун, който се разширява по време на кристализация и евтектоидно разпадане на аустенита, но сумарният процес при охлаждане на чугуна е отрицателен.

Свиването на металите и сплавите е едно от най-важните леярски свойства. То е причина за образуването на всмукнатини, изменение на размерите и възникването на напрежения в отливките, които могат да предизвикат деформация или появата на горещи или студени пукнатини или да останат като остатъчни вътрешни напрежения и да проявят неблагоприятното си въздействие при натоварване на детайлите в машините и съоръженията.

Свиването на металите зависи от налягането, упражнявано върху тях при охлаждане. Тъй като с изключение на леенето под налягане при всички останали методи леенето се извършва при еднакво, атмосферно налягане, при следващите разглеждания ще бъде изключено влиянието на налягането върху свиването.

За изучаване на свиването на металите и сплавите при охлаждане от температурата на заливане до стайна температура общото (пълното) им свиване се разглежда в три стадия - свиване в течно състояние, т.е. от температурата на заливане до температурата на ликвидуса, свиване по време на кристализация, т.е. между температурата на ликвидуса и солидуса и свиване в твърдо състояние - от температурата на солидуса до стайна температура.

Най-често за определяне на свиването се прибягва до измерване дължината на образци. Нейното изменение се нарича линейно свиване. То е свързано с обемното свиване, тъй като последното се изразява в намаление на размерите на отливките. Линейното свиване на сплави, кристализиращи при постоянна температура, започва при образуване на достатъчно здрава твърда корица на повърхността на отливката, а при сплави, кристализиращи в температурен интервал - след образуването на непрекъснат скелет от кристали (около 75-90% твърда фаза) в обема на стопилката. Затова температурата на началото на линейното свиване се намира между ликвидуса и солидуса. Тъй като липсват точни данни за температурния интервал на линейното свиване, за такъв се приема интервалът от солидуса до стайна температура. Линейното свиване, определено в този температурен интервал, се нарича действително свиване. То трябва да се взема под внимание при определяне на размерите на леярските модели.

Свиването на металите и сплавите в отливките зависи освен от температурата и коефициента на свиване и от други фактори: химичен състав, съдържание на газове, скорост на заливане и охлаждане, фазови промени в твърдо състояние, съпротивление на формата и др.

В практиката за определяне на действителното свиване често се използват формули, който отчитат крайните изменения в размерите на отливките в проценти.

При определянето на свиването трябва да се има в предвид, че изменението на размерите на отливки с хоризонтално и вертикално разположение е различно - фиг.4.5. При една и съща дължина на формата - lф, дължината lo` на хоризонталната отливка ще бъде по-голяма, в сравнение с тази на вертикалната lo, тъй като свиването на метала в течно състояние не се отразява върху дължината на хоризонталната отливка.

Фиг.4.5. Линейно изменение на отливки
с вертикално и хоризонтално разположение.

Най-голямо значение за качеството на готовите отливки има конструкцията на леярската форма, която трябва да осигурява свободно свиване на отливката при охлаждането й след кристализация. При съпротивление на стените на формата или сърцето се появява механично съпротивление от свиването. Тънките и дебелите стени на отливката се свиват с различна скорост, тъй като се охлаждат неравномерно. Това определя т.нар. термично съпротивление на свиването. Съпротивлението срещу свиване може да бъде и комбинирано.

В леярската практика често се използва понятието "леярско свиване", което е разлика от линейните размери на формата и на отливката, изразена в проценти. Леярското свиване за отливки от стомана е от 1,6 до 2% (за легирани стомани до 3%), за сив чугун - от 0,9 до 1,3% (средно 1%), за калаен бронз - 1,4%, за сплави алуминий-силиций - от 1 до 1,2%.

Всмукнатините са празни пространства в отливките, получени в периода на кристализацията им, които се получават в резултат на фазовите превръщания и особеностите при охлаждане. Теоретически те са безвъздушни пространства. Практически са запълнени с газове, отделени в отливката в резултат на възникналия вакуум. Повърхността на всмукнатините е груба и тъмна, формата им е неправилна. Често се наблюдават дендрити.

В зависимост от механизма на образуване в отливката, всмукнатините могат да бъдат концентрирани и разсеяни (пористост).

Процесът на формиране на всмукнатините може да се раздели на три етапа:

а) от заливане на метала до образуване на твърда кора по повърхността на отливката;
б) от образуване на твърдата кора до пълното втвърдяване;
в) до охлаждане на отливката до стайна температура след завършване на кристализацията.

За изясняване на механизма на образуване на всмукнатината се разглежда обемна кристализация на отливка с форма на куб - фиг.4.6.

Фиг.4.6. Схема на образуване на всмукнатина.

Непосредствено след заливане на формата металът има еднаква температура. След известно време, вследствие на топлоотвеждането от формата, в близост до стените й температурата се понижава под тази на кристализация - образува се твърда кора с минимално сечение 1. Получената черупкова повърхнина увеличава дебелината си, т.е. кристалите нарастват от повърхността към центъра на отливката 2. Кристализиралата част на отливката се свива, тъй като температурата й непрекъснато спада. Нарастването на кристалите продължава и малко преди да кристализира и последният обем от стопилката, се явява момент, в който стопилката не достига за запълване на обема очертан от вече втвърдената "външна черупка" (отливка). При това настъпва разкъсване между вътрешните повърхности на "черупката" в центъра на термичния й възел. Стопилката се изтласква в страни и се оформя празнината, наречена всмукнатина 3, след което кристализират и последните обеми стопилка.

За получаване на плътни и здрави отливки, в зависимост от конфигурацията и масата им, се създават подходящи условия за кристализация - обемна или насочена. При необходимост от извеждане на всмукнатината извън отливката, се предвиждат мъртви глави, компенсиращи обемния дефицит от стопилка в зоната на кристализация.

На фиг.4.7. са показани два начина за определяне мястото на топлинните възли. В случай (а) успоредно на контура на отливката се прекарват линии на еднакво разстояние. В мястото, където тези линии образуват затворен контур, има вероятност да се появят всмукнатини и там е топлинният възел. В случай (б) в напречното сечение на отливката се вписват окръжности, допиращи до контурните линии. Около центъра на най-голямата вписана окръжност е мястото на топлинния възел.

Фиг.4.7. Схема за определяне на мястото на топлинните възли.

Обемът на всмукнатините при различните сплави зависи от химичния състав, от конструкцията на отливката и от свойствата на леярската форма. За определяне на склонността на металите и сплавите към образуване на всмукнатини се използуват различни технологични проби. На практика обемът на всмукнатината в отливки от стомана е от 3 до 10%, а в отливки от сив чугун е от 1,5 до 3,5%. За да се намали обемът на всмукнатините, леенето трябва да се извършва при относително по-ниска температура и с относително по-малка скорост.


4.4. Напрежения и пукнатини в отливките

При охлаждане и кристализация на отливките протича свиване и възникват деформации. Ако деформациите се възпрепятстват, формират се напрежения. При условие, че стойностите им превишават границата на якостта на метала, се образуват пукнатини. Напреженията, предизвикващи еластични деформации, изчезват след изравняване на температурата в отливката. Тези обаче, който предизвикват пластична деформация, водят до образуване на остатъчни напрежения. Причините за тяхното възникване са:

- термични напрежения - поради разлика в температурата в различните сечения на отливката, вследствие на което скоростта
  на свиване е различна;
- механични напрежения - породени от възпрепятстващото действие на стените и сърцата на леярската форма върху
  свиването;
- появата на структурни (фазови) напрежения - поради промяната на структурата на отливките в твърдо състояние при стени
  с различна дебелина. Промените в тънките участъци изпреварват тези в по-дебелите.

Най-голяма стойност имат термичните напрежения, вследствие на което те оказват най-голямо влияние върху качеството на отливките. Поради големи термични напрежения в отливките могат да се получат пукнатини и изкривявания. Опростен пример за получаване на пукнатини и изкривявания в резултат на термични напрежения е представен на фиг.4.8.:

Фиг.4.8. Дефекти, получени в резултат на термични напрежения: а - пукнатини 5 във външния слой на отливката - 1; 2 - вътрешен слой на отливката;
б - пукнатини в зоната на прехода от дебела стена 4 в тънка 3; в - изкривяване на метална плоча 6, отлята в открита форма 7.

а) В повърхностния слой 1 при бързо свиване се появяват напрежения на опън, които, ако преминат якостта на материала,
    могат да предизвикат пукнатини - 5.
б) В отливка с голяма разлика в дебелините на стените 3 и 4 поради неравномерното охлаждане и свиване също могат да
    се получат пукнатини в зоната на прехода между 3 и 4.
в) Плочата 6, лята в открита форма 7, деформира, което се дължи на по-бързото охлаждане на горната й част.

За премахване на причините за поява на леярските напрежения, студените пукнатини и изкривявания се препоръчват някои от следните мерки:

- създават се (конструктивно) плавни преходи от дебелите към тънките части на отливките. По възможност е необходимо да
  се осигурява по-малка разлика в сеченията.
- равномерно наливане на течния метал, за да се осигури плавно охлаждане.
- да се избягва леене в студени метални форми.
- отливката да се изважда по-рано от леярската форма. След изваждането да не се допуска усилено едностранно
  охлаждане на отливката.
- да се усилват опасните сечения на отливката с допълнителни удебелявания (леярски ребра) срещу пукнатини.


4.5. Леярски свойства на чугуна и стоманата

Чугунът е най-разпространеният материал за изработване на отливки. Широкото му разпространение се дължи на добрите технологични свойства и ниската себестойност в сравнение с други леярски сплави. Възможностите за изменение на неговата структура и свойства чрез въздействие върху стопилката (прегряване, модифициране, легиране, въздействие по време на кристализация и др.), както и при термична обработка на отливките са също важна предпоставка за широкото му използване. Особено значение за производството на качествени отливки от чугун имат леярските му свойства. Чугунът се отличава с много добри леярски свойства, обусловени от графитизацията, химичния състав, малкия температурен интервал на кристализация, ниската температура на началото на кристализация.

Тънколивкостта на подевтектичния чугун расте с увеличаване на съдържанието на силиция, фосфора и особено на въглерода. Фосфорът увеличава тънколивкостта чрез намаляване на повърхностното напрежение и вискозитета вследствие на образуването на леснотопим фосфиден евтектикум. Затова в отделни случаи (при леене на радиатори, художествени отливки и др.) фосфорът достига до 1,0-1,5%.

Свиването на чугуна зависи от вида му и от условията на охлаждане. То е по-малко при сивия, отколкото при белия чугун. Поради това вътрешните напрежения са особено опасни за появата на студени пукнатини в отливки от бял чугун, с високо съдържание на фосфор, високояк със структура перлит + цементит + графит или перлит + графит, както и при високолегирани силициеви, хромови и манганови чугуни.

Стоманата намира широко приложение преди всичко за изработване на отливки, които наред с високата якост трябва да имат добра пластичност и да бъдат сигурни и дълготрайни в експлоатация.Тези изисквания не могат да се удовлетворят от чугуна. Колкото по-отговорно е предназначението на машините и са по-тежки условията за работа, (големи натоварвания, удари, високи температури, агресивни среди и пр.), толкова по-голям е делът на стоманените отливки. Добрата заваряемост на стоманата дава възможност и за изработване на много сложни лето-заварени конструкции. Производството на стоманени отливки е свързано с редица трудности поради по-неблагоприятните леярски свойства на стоманата в сравнение с тези на чугуна.

Тънколивкостта на стоманата е около 2 пъти по-малка, отколкото на чугуна. С увеличаването на съдържанието на въглерод тя също се увеличава. Наред с това се намаляват линейното свиване и склонността към образуване на горещи пукнатини, предизвикани от механично възпрепятстване на свиването. От друга страна обаче, въглеродът намалява топлопроводимостта и увеличава модула на еластичност. Поради това той предизвиква появата на по-големи термични напрежения и повишена склонност към образуване на студени пукнатини в отливките. При повишаване на съдържанието на въглерод се увеличава склонността на стоманата към образуване на всмукнатини, тъй като се увеличава обемното свиване в течно състояние и по време на кристализация.

Когато изискванията към отливките не се удовлетворяват от въглеродните стомани, се преминава към използване на легирани стомани. Легирането на стоманата, наред с изменение на механичните, физичните и химичните свойства, води до изменение на леярските свойства. Това създава допълнителни затруднения при производството на отливки от такива стомани.

« « « предходна страница             следваща страница » » »