9.5. Сплавы для изготовления отливок

Наибольшее количество отливок изготовляют из чугуна. Он имеет высокие литейные свойства и невысокую стоимость.

Серый чугун характеризуется высокой жидкотекучестью, малой усадкой (0,9-1,2 %). Отливки качественные, без усадочных раковин, пористости и трещин. Отливки изготовляют: в песчано-глинистых и оболочковых формах, кокилях, литьем по выплавляемым моделям, центробежным литьем. Высокопрочный чугун имеет такую же жидкотекучесть, как и серый, но усадка больше (1,2-1,7%). Для ее компенсации предусматривают установку прибылей. Отливки из высокопрочного чугуна получают теми же способами, что из серого. Детали из ковкого чугуна получают путем отжига тонкостенных отливок из белого чугуна. Пониженную жидкотекучесть белого чугуна компенсируют повышением температуры заливки. Кроме того, усадка белого чугуна больше, чем серого. Поэтому велика вероятность образования усадочных раковин, пористости и трещин. Отливки из белого чугуна получают в песчано-глинистых, оболочковых формах и кокилях.

По литейным свойствам сталь значительно уступает чугуну: имеет большую усадку (до 2,5 %) и низкую жидкотекучесть. Это приводит к образованию усадочных раковин и пористости. Низкоуглеродистые стали склонны к образованию горячих трещин вследствие повышенной температуры заливки. Из-за низкой теплопроводности в высокоуглеродистых сталях возникают значительные внутренние напряжения. Стальные отливки получают в песчано-глинистых формах и специальными способами литья.

Лучшими литейными свойствами среди медных сплавов обладают оловянные бронзы (хорошая жидкотекучесть, усадка 1 %). Но они затвердевают в широком интервале температур, что приводит к образованию пористости. Бронзы без олова имеют хорошую жидкотекучесть, но большую усадку (2,4 %), что приводит к образованию усадочных раковин. Все медные сплавы склонны к образованию трещин. Около 80 % отливок из медных сплавов получают литьем в песчано-глинистые и оболочковые формы.

Лучшими литейными свойствами среди алюминиевых сплавов обладают силумины: хорошая жидкотекучесть, усадка 1 %, узкий температурный интервал кристаллизации, не склонны к образованию трещин. Большинство отливок из алюминиевых сплавов (до 80 %) получают литьем в кокиль или под давлением.

Основные виды брака при литье: газовые, усадочные, шлаковые и песчаные раковины, рыхлость, пористость; недостаточное заполнение литейной формы металлом; горячие и холодные трещины, коробление; несоответствие микроструктуры, химического состава, механических свойств металла отливок требованиям ГОСТа. Дефекты отливок выявляются различными методами контроля. Контроль размеров позволяет предупредить массовый брак из-за износа или коробления моделей и стержневых ящиков. Механические свойства и микроструктура контролируются периодическими испытаниями отдельных отливок. Внутренние дефекты выявляются методами радиографической или ультразвуковой дефектоскопии.

10. Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением – технологический процесс получения заготовок необходимой формы и размеров путем пластической деформации. Обработка давлением применима к пластичным материалам (стали, медные, магниевые и алюминиевые сплавы и др.) и может производиться и в холодном и в нагретом состоянии.

При обработке металла в холодном состоянии зерна деформируются, сплющиваются и вытягиваются в направлении деформации. Прочность и твердость металла при обработке непрерывно увеличиваются, пластичность и вязкость – уменьшаются. Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Большая плотность дислокаций и высокая концентрация точечных дефектов в наклепанном слое препятствует свободному перемещению дислокаций и затрудняет дальнейшую пластическую деформацию.

При обработке металла в нагретом состоянии сопротивление деформации уменьшается за счет увеличения пластичности металла. Наклеп при деформировании уменьшается даже при небольшом нагреве, когда частично исчезают дефекты решетки. Деформированная форма зерен сохраняется. Это явление называется возвратом металла. При нагреве до более высокой температуры наклеп исчезает полностью. Процесс образования новых более совершенных зерен, за счет деформированных, называется первичной рекристаллизацией. При дальнейшем нагреве происходит вторичная рекристаллизация, сопровождающаяся ростом отдельных зерен за счет других.

Температура, при которой начинается рекристаллизация, называется температурным порогом рекристаллизации (Т_р). Она связана с температурой плавления зависимостью А. Бочвара Т_р =   Т_пл. Коэффициент  зависит от состава и структуры металла (для сплавов – 0,5-0,6, для технически чистых металлов – 0,3-0,4). Температуры плавления металла – в градусах Кельвина.

Если деформирование металла происходит при Т > Т_р , то наклеп металла отсутствует: одновременно идут процессы упрочнения и разупрочнения – рекристаллизации. Такая деформация называется горячей. Если деформирование происходит при Т < Т_рек, то деформация называется холодной. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет не только нижний, но и верхний предел.

На рис. 10.1 показан интервал оптимальных температур 1 нагрева сталей, для горячей обработки давлением в зависимости от содержания углерода. Верхний предел зоны нагрева лежит на 150-200 °С ниже температуры начала плавления (линии солидуса), нижний – на 60-70 °С выше температур превращения перлита и цементита в аустенит. Зона 3 пережога находится на 100 °С выше зоны 2 перегрева. Пережженый металл идет только на переплавку. В зоне перегрева происходит интенсивный рост зерна. Крупнозернистая структура металла делает его непрочным и хрупким. Для исправления перегрева необходима термическая операция отжига, измельчающая зерно. Ниже линии нижних температурных пределов начинается зона наклепа. При горячей деформации зерно получается тем мельче, чем ближе окончание обработки к нижнему температурному пределу. Заготовки нагревают в пламенных или электрических печах (камерных, методических, индукционных). Нагревать заготовку нужно быстро, чтобы не успело вырасти крупное зерно, но равномерно, чтобы минимизировать термические напряжения. В отличие от простых камерных печей, в методических печах рабочее пространство разделено на три зоны: подогрева заготовки (600-800 °С), максимального нагрева (1200-1300 °С) и зону выдержки. В устройствах электроконтактного нагрева ток большой силы (при малом напряжении) проходит через заготовку, которая служит сопротивлением и разогревает ее. В индукционных печах заготовка находится внутри индуктора (соленоида) и нагревается под действием вихревых токов Фуко. В этом случае время нагрева сокращается в 15-20 раз. По сравнению с другими печами отсутствует обезуглероживание поверхности заготовки, меньше слой окалины.