Литейные сплавы: свойства, классификация и способы производства

О чём речь? Литейные сплавы производят на основе черных и цветных металлов. С их помощью в металлургии возможно получение бездефектных отливок заданной конфигурации с определенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

На что обратить внимание? Литейные сплавы подразделяют на три класса: чугун, сталь и цветные соединения. Основные способы производства литых заготовок – литье в песчаные и оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением и центробежное. Они же задают сферы использования таких отливок.

Описание литейных сплавов

Литейные сплавы, основой которых могут быть черные или цветные металлы, обладают специфическими технологическими характеристиками. Эти материалы используются для отливки деталей, в том числе и сложной формы. Их применение позволяет получать изделия без дефектов, а также точно задавать физико-химические и эксплуатационные свойства готовой продукции.

Большую роль в обеспечении этих свойств играет сложный технологический процесс, однако самый важный фактор – именно сами сплавы, обладающие уникальным набором характеристик.

Свойства литейных сплавов

Фасонные отливки высокого качества без пустот и других дефектов можно изготавливать далеко не из любого металла. Если рассматривать материалы, которые оптимально использовать для решения таких задач, можно отметить, например, силумин или серый чугун. Литейные свойства сплавов на основе титана или легированных типов стали, напротив, не способствуют их применению для сложного литья.

Для того чтобы при заливке расплава в формы и его последующей кристаллизации не появлялись раковины, трещины и прочие изъяны, сплав должен удовлетворять ряду важных требований, касающихся его текучести, усадки, газопоглощения и ликвации, а также склонности к растрескиванию

Жидкотекучесть

Эта характеристика описывает, насколько хорошо расплав течет по каналам литейных форм. От данного параметра зависит заполнение полостей и точное воспроизведение контуров отливок. Чем выше жидкотекучесть литейного сплава, тем он более пригоден для отливки изделий сложной конфигурации.

Для определения жидкотекучести разработаны специальные пробы. Мерой служит длина, на которую расплавленный металл заполняет спиралевидную литейную форму. На это свойство влияют многочисленные факторы. К примеру, жидкотекучесть повышается при увеличении температуры, а снижаться может из-за высокой теплопроводности материала, из которого изготовлена форма, так как быстрое отведение тепловой энергии от расплава делает его менее текучим.

Сплавы приобретают способность лучше заполнять форму при введении в их состав неметаллических добавок. Так, сера, кислород и хром снижают жидкотекучесть, а фосфор, кремний, алюминий и углерод – повышают.

Жидкотекучесть сплава необходимо учитывать при выборе минимальной толщины стенок отливки. К примеру, когда речь идет о мелких изделиях из серого чугуна, для изготовления которых применяются песчаные формы, рекомендованная величина этого показателя колеблется от 3 до 4 мм. Если отливаются детали средней величины – от 8 до 10 мм, а если более габаритные – от 12 до 15 мм (для стали эти параметры должны составлять, соответственно, от 5 до 7, от 10 до 12 и от 15 до 20 мм).

Усадка и склонность к растрескиванию

В ходе охлаждения и кристаллизации, которая начинается при определенной температуре, а также уже после затвердевания металл, залитый в литейную форму, подвергается усадке. Последняя бывает линейной или объемной и измеряется в процентах. На ее величину влияют химический состав сплава, уровень нагрева, при котором выполняется литье, формы отливок и ряд других условий.

Если говорить о линейной усадке, то в наименьшей степени ей подвержены отливки из серого чугуна и силумина (от 0,9 до 1,3 %). Некоторые цветные сплавы усаживаются на 1,8 % и даже на 2,5 %. Большая усадка сильно затрудняет изготовление литых изделий, так как они страдают от формирования усадочных раковин и порообразования.

Предупредить образование пустот можно, используя прибыли – специальные дополнительные ванны с расплавом, из которых осуществляется питание отливок в ходе кристаллизации жидкого металла.

При неравномерном охлаждении отливок и механическом торможении усадки в толще металла формируется внутреннее напряжение. Особенно подвержены этому явлению изделия, имеющие стенки разной толщины. Там, где материал более толстый, он охлаждается и кристаллизуется медленнее. По этой причине величина усадки сплавов различна в разных местах изделия. Поскольку все части связаны друг с другом и не могут деформироваться по отдельности, возникающие напряжения вызывают растрескивание и приводят к короблению (температурной деформации).

Также важно избавлять отливку от элементов, которые затрудняют усадку. Для изготовления литейных форм и стержней следует использовать податливые материалы. Растрескиванию в наибольшей степени подвержены углеродистые и легированные типы стали, магниевые сплавы и значительная часть соединений на основе алюминия.

Газопоглощение

Расплавленные литейные соединения обладают способностью к растворению водорода, азота, кислорода и ряда других газов. В зависимости от того, в каком состоянии находится металл, происходит изменение интенсивности газопоглощения. Пока материал нагревается в твердом состоянии, значительного повышения не происходит.

Небольшой рост этого показателя наблюдается, когда начинается плавление, а затем в ходе дальнейшего нагревания расплава происходит резкое возрастание. В ходе кристаллизации и охлаждения газопоглощение снова возвращается к минимуму, а газы выделяются наружу, формируя пустоты в отливках.

На газопоглощение влияют химический состав соединений, температура, при которой выполняется литье, вязкость расплавленного металла и свойства используемых литейных форм. Чтобы снизить степень насыщения сплава газами, плавку выполняют в вакуумных камерах, в защитной атмосфере из инертного газа.

Ликвация

Этим термином принято обозначать неоднородный химический состав отливок. Ликвация может быть как зональной, так и дендритной или внутризеренной.

При зональной ликвации имеет место неоднородность химического состава по всему объему отливки после кристаллизации металла. Если речь идет о дендритном процессе, имеется в виду неоднородный состав в пределах отдельных дендритов или зерен сплава. На этот показатель оказывают влияние набор и процентные доли компонентов, форма отливаемых деталей, скорость охлаждения и другие факторы.

Классификация литейных сплавов

Литейными являются сплавы, входящие по принятой классификации в три основные группы.

Чугун

Так называется сплав на основе железа с содержанием углерода от 2,14 % и выше. Разная микроскопическая структура, физико-химические, технологические и эксплуатационные характеристики стали признаками, по которым этот металл делят на пять видов:

1. Серый чугун, в котором весь графит или его часть представляет собой прямые или слегка изогнутые пластинки.
2. Высокопрочный чугун с включениями сфероидального графита (их шаровидная форма обеспечивает большую прочность металлической матрицы).
3. Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ). Благодаря компактной червеобразной форме включений такой сплав располагают между серым и высокопрочным, однако он обладает высокой удельной теплопроводностью в сочетании с хорошей обрабатываемостью, что позволяет применять его для изготовления, например, блоков цилиндров ДВС для автомобилей, судов и тепловозов.
4. Ковкий чугун отливается так же, как белый, но с длительным отжигом, результатом которого становится формирование хлопьевидных включений графита.
5. Легированный чугун:
   • по содержанию легирующих добавок различают: низколегированный (не более 2,5 %), среднелегированный (от 2,5 до 10 %) и высоколегированный (от 10 % и выше);
   • по эксплуатационным характеристикам он бывает жаропрочным, жаростойким, износостойким, коррозионностойким, немагнитным и антифрикционным;
   • по химическому составу легированный чугун может быть хромовым, никелевым, кремнистым, алюминиевым, марганцовистым или ванадиевым.

Сталь

Литейный сплав на основе железа с содержанием углерода не более 2,14 % называют сталью. Она бывает:

1. конструкционной нелегированной (углеродистой);
2. конструкционной легированной:
   • низколегированной;
   • среднелегированной;
   • высоколегированной со специальными свойствами.

Сплавы цветных металлов

Основные группы таких литейных сплавов формируются в зависимости от цветного металла, на основе которого они создаются. Они могут быть:

• медными;
• никелевыми;
• свинцовыми;
• сурьмяными;
• цинковыми;
• алюминиевыми;
• магниевыми;
• титановыми;
• литиевыми.

Литейным сплавам на основе алюминия свойственны малый удельный вес, высокая прочность, пластичность, хорошая обрабатываемость. Наиболее широкое применение получили материалы из группы силуминов (алюминиевых соединений с добавлением кремния), которым присущи повышенная коррозионная стойкость, отличная свариваемость и другие полезные технологические и эксплуатационные характеристики.

Из литейных алюминиевых сплавов изготавливают блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, корпуса приборов, инструментов.

Соединениям на основе магния присущи малая плотность, высокая прочность и хорошая обрабатываемость. К недостаткам специалисты относят низкую коррозионную стойкость. Механические свойства подавляющего большинства таких сплавов повышают путем модификации с помощью гексахлорэтана, мела и ряда других веществ. Такие металлы используются при изготовлении корпусов насосного оборудования, приборов, инструментов и других изделий.

Сплавы на основе меди – бронза и латунь – обладают относительно высокими физико-химическими характеристиками, износостойкостью, хорошей устойчивостью к коррозии и обрабатываемостью. Оловянную бронзу часто заменяют безоловянной.

Бронзе, изготовленной без добавления олова, присущи более высокие механические характеристики. Они также в большей степени стойки к коррозии и изнашиванию. Из этих сплавов изготавливают арматурные стержни, подшипники, гребные винты судов, шестерни и т. д. При изготовлении приборов часто идут в ход соединения цветных металлов – алюминия, магния и меди.

Способы производства литых заготовок (отливок)

В машиностроении на литейных производствах изготавливаются штучные заготовки или детали. Расплавленный металл или комплекс металлов заливается в полости специальных форм для придания им требуемой конфигурации. Остывая, расплав кристаллизуется, формируя изделие, полностью повторяющее геометрию матрицы. Такие изделия принято называть отливками.

Литье принадлежит к числу наиболее часто применяемых технологий и отличается от остальных рядом преимуществ. Этот способ позволяет:

• изготавливать заготовки с высокой точностью и максимально экономить металл;
• получать отливки разной массы и размеров (от миниатюрных до гигантских);
• отливать изделия из сплавов, которые крайне плохо поддаются ковке и резанию.

Процесс кристаллизации имеет особенности, которые выражаются в неоднородности механических свойств металла отливок, если рассматривать их в сечении. Поверхностные слои всегда прочнее, чем глубокие.

Наиболее часто применяемые технологии литья предусматривают использование песчаных оболочковых форм (разовые), выплавляемых моделей, кокилей. Часто расплав заливается в матрицы под давлением или действием центробежной силы. Последние три способа подразумевают использование металлических форм.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.