» » Литейные свойства сплавов
22.04.2015

Ранее описаны главные физические и физико-химические свойства металлов и сплавов, имеющие значения для приготовления сплавов и для затвердевания отливок. Однако исследования и производственная практика показали, что невозможно полностью и однозначно оценить поведение металлического сплава при получении отливок непосредственно по значениям этих свойств. Происходящие процессы и явления определяются столь сложными взаимодействиями различных свойств сплава, что не удается их выразить в очевидной и пригодной для пользования форме. Поэтому для оценки сплавов как литейных материалов изучают непосредственно их технологические свойства, которые называют литейными свойствами. Для определения литейных свойств разработаны специальные пробы, позволяющие получать количественные данные.
Основы учения о литейных свойствах были созданы в 30—40-х годах, акад. А.А., Бочваром. Большой вклад в изучение литейных свойств внесли Н.Н. Рубцов, А.Г. Спасский, А.М. Самарин, Ю.А. Нехендзи, А.М. Корольков. Исследование литейных свойств сплавов продолжается непрерывно: совершенствуются методики, выявляются новые стороны в поведении сплавов, изучаются литейные свойства новых сплавов.
В настоящее время к числу литейных свойств сплавов относят жидкотекучесть, линейную и объемную усадку, трещиноустойчивость. В качестве литейного свойства рассматриваются также макро- и микроструктура, склонность сплава к газонасыщению и к загрязнению окисными пленками при плавке, проявление ликвационной неоднородности состава.
Жидкотекучесть. Это свойство выражается в способности сплава заполнять литейную форму. Жидкотекучесть измеряют с помощью прутковых проб по длине заполненного канала небольшого сечения (рис. 30—32).
Литейные свойства сплавов

Исследования показали что прекращение течение расплава в узком канале определяется тепловыми условиями и характером кристаллизации сплава. Повышая температуру расплава, можно добиться заполнения канала любой длины. Если же заливка производится с одной температуры или при равном перегреве над ликвидусом, то обнаруживается явная связь между жидкотекучестью и положением сплава на диаграмме состояния (рис. 33). Чистые металлы, эвтектики, а также все сплавы, не имеющие интервала кристаллизации, обладают значительно большей жидко-текучестью по сравнению со сплавами той же системы, кристаллизующимися в интервале температур. Эта закономерность объясняется условиями прекращения течения расплава в заполняемом канале. В сплаве, кристаллизующемся в интервале температур, образуются разветвленные дендриты, которые существенно затрудняют течение расплава. Скорость продвижения потока расплава в канале уменьшается, и расплав успевает проникнуть в канал лишь на ограниченное расстояние. Если же проба заливается чистым металлом или сплавом без интервала кристаллизации, вырастающие кристаллы имеют менее разветвленную и более компактную форму. Они в меньшей степени, чем в первом случае, замедляют скорость течения расплава. Поэтому канал заполняется на большую длину.
Литейные свойства сплавов

Однако не выявляется строгой прямой пропорциональности между жидкотекучестью и интервалом кристаллизации. Это связано с тем, что форма выпадающих кристаллов определяется не только интервалом кристаллизации, но и кристаллографической структурой данной фазы. Если выпадающие кристаллы имеют ограненную форму, то, несмотря на увеличение интервала кристаллизации, жидкотекучесть не снижается. Это наблюдается в сплавах сплавов системы свинец—сурьма, где имеется эвтектика при 13 % Sb. Жидкотекучесть в этой системе увеличивается до 25 % Sb, когда сплавы имеют значительный интервал кристаллизации (около 75 °С).
Кроме формы выпадающих кристаллов, имеет значение и величина теплоты кристаллизации. Если выпадающая фаза обладает большой теплотой кристаллизации, то для охлаждения и затвердевания расплава требуется большее время, а следовательно, сплав дольше находится в жидком состоянии и успевает дальше проникнуть в канал формы. Влияние теплоты кристаллизации можно видеть на сплавах системы алюминий—кремний. Кремний по сравнению с алюминием обладает более чем в 4 раза большей теплотой кристаллизации, и жидкотекучесть сплавов продолжает расти и после перехода эвтектической точки (12 % Si), достигая максимума при 18 % Si, когда интервал кристаллизации возрастает до 100 °C. Большой жидкотекучести заэвтектических силуминов способствует также компактная ограненная форма кристаллов кремния.
Таким образом, жидкотекучесть как способность жидкого сплава заполнять форму определяется интервалом кристаллизации, формой первичных кристаллов, величиной теплоты кристаллизации первично выпадающей фазы. Какой-либо связи между жидкотекучестью сплавов и их вязкостью и поверхностным натяжением не обнаруживается.
Для оценки способности сплава заполнять очень тонкий рельеф используют клиновую или шариковую пробы. В этих пробах расплав должен проникнуть в острую вершину клинообразной полости или затечь под шарик, прилегающий к плоской стенке. Мерой жидкотекучести служит длина незаполненной острой вершины в клиновой пробе и диаметр незалитого отверстия в шариковой пробе Эти показатели зависят в основном от прочности окисных пленок на поверхности расплава и поверхностного натяжения. Показатели жидкотекучести по прутковым пробам и по клиновой или шариковой пробам никак между собой не связаны.
Литейные свойства сплавов

Линейная усадка. Это свойство сплавов определяется температурным коэффициентом линейного расширения и температурой начала линейной усадки сплава. Известно, что сплавы, кристаллизующиеся в интервале температур, приобретают способность сохранять форму выше точки солидуса, когда выпало около 50 % кристаллов. Эта температура и называется температурой начала линейной усадки. Ее проявление хорошо видно на диаграммах зависимости линейной усадки сплавов от состава в двойных системах с простой эвтектикой (рис. 34). На кривой линейной усадки отмечаются два перелома, которые примерно соответствуют точке пересечения линии начала линейной усадки с эвтектической горизонталью на диаграмме состояния.
Литейные свойства сплавов

У многих сплавов довольно часто наблюдается временное расширение, которое предшествует усадке. Это явление называют предусадочным расширением. Оно составляет 0,1—0,3 %. Его связывают с выделением газов, расширением скелета из-за разогрева отливки в момент отхода ее от стенок формы, капиллярным давлением жидкости в каналах между осями дендритов. У чугунов предусадочное расширение объясняется графитизацией в процессе затвердевания.
Линейная усадка сплавов предопределяет линейную усадку отливок, но эти два показателя не совпадают по величине. Линейная усадка сплава — величина постоянная при заданных условиях получения образцов. Линейная усадка отливки может быть как меньше, так и больше линейной усадки сплава.
Объемная усадка. Это свойство определяется различием плотности сплава в жидком и твердом состояниях, величиной интервала кристаллизации и характером кристаллизации внутри интервала. Изучают и определяют объемную усадку, отливая небольшие образцы в виде шара, куба или конуса и замеряя объем усадочных пустот.
Как уже отмечалось, объемная усадка в отливках и, следовательно, в опытных образцах проявляется в двух видах: в виде сосредоточенных усадочных раковин и рассеянной усадочной пористости. Было выяснено, что усадочные раковины образуются только в тех случаях, когда отливка затвердевает послойно, а это возможно лишь при отсутствии у сплава интервала кристаллизации. Следовательно, в опытных образцах из чистых металлов, из сплавов, соответствующих по составу эвтектикам, конгруэнтно плавящимся промежуточным фазам, максимумам и минимумам, объемная усадка будет выражаться только в виде сосредоточенных усадочных раковин.
Усадочная пористость возникает в средней части отливок из сплавов с интервалом кристаллизации из-за того, что в них развиваются двухфазные переходные области, ширина которых и определяет величину объема отливки, пораженную усадочной пористостью. Из рассмотренного ранее механизма образования двухфазных переходных областей видно влияние интервала кристаллизации сплава: его возрастание приводит к расширению двухфазных областей. Объем усадочной пористости определяется количеством жидкости в двухфазной области в момент, когда в средней части отливки исчезает жидкая область. Все эти обстоятельства приводят к следующей зависимости проявления объемной усадки двойных сплавов от состава (рис. 35).
Литейные свойства сплавов

В случае интенсивного охлаждения (литье образцов в металлическую форму) пористая область занимает лишь сравнительно небольшую центральную часть. Наибольшая ширина пористой области приходится примерно на составы, соответствующие на диаграмме состояния точкам пересечения линии начала линейной усадки и эвтектической горизонтали (кривая 1 на рис. 35, а). Именно у этих сплавов в ходе затвердевания образцов была наиболее широкая двухфазная переходная область, содержавшая наибольшее количество жидкости. Поэтому у этих сплавов и обнаруживается наибольший объем усадочной пористости (кривая 3 на рис. 35, а). Поскольку общая объемная усадка в этих системах меняется по плавной кривой (кривая 2 на рис. 35, а), объем усадочных раковин у данных сплавов соответственно наименьший. В случае чистых компонентов и сплавов около эвтектики в образцах имеются лишь усадочные раковины без пористости. На рис. 35 объем усадочных раковин измеряется ординатами между кривыми 2 и 3.
При замедленном охлаждении образцов в песчаной форме ширина пористой области значительно больше, ее максимум наблюдается у сплавов с наибольшим интервалом кристаллизации (кривая 1 на рис. 35, б). При обсуждении процесса затвердевания отливок в песчаных формах отмечалось, что двухфазная переходная область в них длительное время занимает практически все сечения. Однако в конце затвердевания происходит питание периферийных слоев жидкостью эвтектического состава, приходящей из более глубоких слоев. Эта подпитка приводит к тому, что пористость возникает лишь в центральной части и периферийные слои оказываются плотными. Процесс питания должен идти тем успешнее, чем больше в сплаве эвтектики, и поскольку ее количество непрерывно возрастает при изменении составов сплавов в сторону эвтектической концентрации, наблюдается монотонное уменьшение ширины пористой области до полного исчезновения в сплавах вблизи эвтектики.
Объем пористости изменяется, как и в случае металлических форм, по кривой с двумя максимумами у сплавов, составы которых соответствуют точкам пересечения кривой температуры начала линейной усадки tн.л.у с эвтектической горизонталью, так как у этих сплавов оказывается наибольшая доля жидкости в двухфазной переходной области (кривая 3 на рис. 35, б). Абсолютный объем усадочной пористости значительно больше, чем при литье в металлические формы. Поэтому объем усадочных раковин соответственно меньше. Надо отметить, что при использовании песчаных форм для образцов из сплавов с достаточно большим интервалом кристаллизации вместо образования усадочной раковины наблюдается общее понижение уровня расплава в форме и затем как бы смятие верхней части отливаемого образца. Это объясняется длительностью существования образцов в двухфазном состоянии, когда сначала они ведут себя как жидкость (пока выпало мало кристаллов), а затем деформируются из-за ухода жидкости под действием тяжести, атмосферного давления и капиллярных сил.
Tрещиноистойчивостъ. Этим термином определяют способность сплава противостоять образованию трещин в литых образцах. Противоположное свойство называют склонностью к образованию трещин или горячеломкостью.
Литейные свойства сплавов

Трещиноустойчивость измеряют на образцах, отливаемых таким образом, чтобы они испытывали затрудненную линейную усадку (рис. 36). Затруднения создаются специальным грузом Р, которым образец, имеющий форму двутавра 12, нагружается вследствие линейной усадки (рис. 36, а), или металлическими вставками — стержнями на кольцевых образцах (рис, 36, б). Показателем трещиноустойчивости являются напряжения, которые выдерживает двутавровый образец не разрушаясь. Чем больше эти напряжения, тем выше трещиноустойчивость сплава. На кольцевых образцах показателем трещиноустойчивости служит наименьшая ширина кольца без трещин. Чем она меньше, тем более трещиноустойчив сплав. Используются и другие пробы и методы оценки трещиноустойчивости сплавов.
Трещиноустойчивость очень сильно зависит от состава сплава (рис. 37). В двойных системах с эвтектикой она велика у чистых компонентов и у сплавов, содержащих достаточное количество эвтектики в структуре. Соответственно горячеломкость этих сплавов минимальна. Наименьшей трещиноустойчивостью обладают сплавы с наибольшим эффективным интервалом кристаллизации, который представляет разность между температурой начала линейной усадки и температурой неравновесного солидуса. На рис. 37 область эффективного интервала заштрихована.
Литейные свойства сплавов

Важно отметить, что трещиноустойчивость каждого чистого компонента очень резко снижается при введении другого компонента. В сплавах, содержащих эвтектику, трещиноустойчивость сохраняется на высоком уровне в широкой области составов. Изменение трещиноустойчивости сплавов теснейшим образом связано с ходом кристаллизации, проявлением линейной усадки, прочностью и пластичностью сплава в эффективном интервале кристаллизации. Раз рушение затвердевающего образца происходит в тех случаях, когда начавшаяся линейная усадка вызывает такую пластическую деформацию, которая превосходит пластичность сплава при данных условиях. Величина линейной усадки до окончания кристаллизации примерно пропорциональна эффективному интервалу кристаллизации. Поэтому трещиноустойчивость резко падает (а горячеломкость растет) с увеличением этого интервала. Когда же этот интервал отсутствует, трещиноустойчивость высока.
Трещиноустойчивость зависит также от формы выпадающих кристаллов. В случае разветвленных дендритов она существенно меньше, чем при компактных кристаллах. Зависимость трещиноустойчивости от величины эффективного интервала кристаллизации однозначна лишь для сплавов с одинаковыми первичными и вторичными фазами. Поэтому нельзя оценивать трещиноустойчивость сплавов на основе разных металлов, сопоставляя их эффективные интервалы кристаллизации.
Трещиноустойчивость в основном определяется способностью сплава противостоять образованию кристаллизационных трещин. Надо отметить, что в кольцевых пробах, где усадке препятствуют прочные металлические стержни-вставки, могут возникать как горячие, так и холодные трещины.
Как видно из изложенного, литейные свойства сплавов во многом зависят от их положения на диаграмме состояния, которое определяет особенности процесса кристаллизации. Эти особенности заключаются в величине температурного интервала кристаллизации сплава (общего и эффективного). Большое значение имеет концентрационный интервал кристаллизации — разница в составе первых выпадающих кристаллов и последней исчезающей жидкости.
Лучшее сочетание литейных свойств отмечается у сплавов, лежащих около эвтектической точки и содержащих в своей структуре достаточно большое количество эвтектической составляющей. В большинстве случаев литейные сплавы, предназначенные для производства фасонных отливок, являются именно такими сплавами. Конечно, имеются литейные сплавы с невысокими литейными свойствами, созданные и применяемые ради их высоких рабочих свойств.