О производстве литья

Алюминиевый чугун это сплавы железа, углерода и алюминия обладают особыми свойствами благодаря различной структуре, которая формируется в зависимости от уровня графитизации         и специфических фаз.
Если содержание алюминия составляет 8%, структура включает Fe+Fe3AlCx (ɣ-фазу) с добавлением графита. При увеличении концентрации алюминия до 11–17% графит исчезает, а структура состоит только из феррита и ɣ-фазы, которая обладает повышенной твердостью (HV 640-850), при этом феррит имеет твердость HV 360-400. Количество ɣ-фазы определяется уровнем алюминия и углерода. В этом диапазоне концентрации феррит является парамагнитным, а ɣ-фаза — ферромагнитной.
При содержании Al 19–25% формируется однофазная  ферритная структура. Добавление церия либо его соединений в такой чугун приводит к образованию ферромагнитных  ɣ-компонентов, которые концентрируются по границам зерен феррита, а графит получается округлой формы.   Если в качестве модификатора используется Ca, ɣ-фаза  не образуется, а шаровидный графит становится более правильным.
При превышении 26% Al углерод полностью связывается в виде карбида Al4C3 (HV 960-1000).

Алюминиевый чугун применение и свойства

Алюминиевые чугуны широко применяются в промышленности благодаря жаростойкости и износостойкости. При 5–8% Al их окисление при 800C минимально (0,4 г/м2·ч). Но при  дальнейшем повышении температуры жаростойкость падает, и для её увеличения сплав дополнительно легируют Si, Ni, Cr и Cu. Оптимальная окалиностойкость достигается при общем содержании алюминия и кремния   на уровне 10,5%.
При 14% Al потери массы при 1000C составляют всего 0,1 г/м2·ч.  Из- за малых механических свойств, его хрупкости и сложной обработки такие чугуны редко применяются.
Наибольшую устойчивость к высоким температурам имеет чугун ЖЧЮ22Ш,  не окисляющийся     до 1100C, даже в агрессивных средах. Чугун ЧШГ сохраняет жаростойкость почти до температуры  плавления.
Пирофераль (29–31% Al) демонстрирует высокую устойчивость к окислению при 1100C          (потери массы ~0,2 г/м2·ч). Он стабилен в различных атмосферах, включая кислород, продукты        горения, цементационные расплавы при 920C и азотирующие соли при 550C.  Также этот        материал отличается высокой износостойкостью при высокой температуре.
Ограниченное применение пирофераля связано с его склонностью к самопроизвольному разрушению из-за наличия карбида Al4C3, который нестабилен при низких температурах,  особенно во влажной  среде. Кроме того, он склонен к растрескиванию и не поддается   механической обработке обыкновенным режущим инструментом. Добавление 0,3% Ti, а            также Cr или FeCe улучшает его структуру и стабильность.

Жаростойкость алюминиевых чугунов

Механические свойства алюминиевого чугуна

При увеличении содержания Al до 12% прочность алюминиевых чугунов снижается и остается на уровне 8-12 кгс/мм2. Добавление кремния также негативно влияет на прочность.
Твердость варьируется в широких пределах в зависимости от концентрации Al, Si и C, но       основной фактор – это содержание алюминия. Максимальные значения твердости наблюдаются при 10–17% и выше 26% Al.
Наиболее технологичным считается чугун с 19–25% Al:
При пластинчатом графите (ПГ)    прочность (Gв) составляет 6–12 кгс/мм2, При шаровидном графите (ШГ) –    32–40 кгс/мм2.
Модули упругости (E) при различных температурах:

Чугуны с 5-8% Al модифицируют магнием, а сплавы с 19-25% Al – церием, кальцием или комплексными присадками. Однако магниевый чугун обладает высокой хрупкостью, поэтому           его применение ограничено. При 11–17% Al и добавлении Si до 6% возможно получение шаровидного графита, но хрупкость остается высокой.
Таким образом, алюминиевые чугуны обладают уникальными свойствами, но требуют            тщательного подбора состава и модификаторов для получения оптимального сочетания жаростойкости, прочности и технологичности.
Алюминиевый чугун с шаровидным графитом (ЧШГ), содержащий 19-25% алюминия, сохраняет прочность даже после долгого пребывания при 1000 C .
Чугун с таким содержанием алюминия обладает приемлемой обрабатываемостью, причём повышение углерода улучшает этот показатель. Влияние алюминия, кремния и углерода на обработку такого чугуна при точении резцами из ВК2 .  Скорость резания алюминиевого чугуна ниже, чем у высокопрочного чугуна (ЧПГ), примерно в 1,5-2 раза из-за худшей             обрабатываемости. Для черновых и получистовых операций на низких скоростях с большими подачами (более 0,5 мм/об) рекомендуются сплавы ВК6. При чистовой обработке на высоких скоростях с малыми подачами (до 0,45 мм/об) лучше применять ВК2 и ВК3.

Плотность алюминиевого чугуна зависит от концентрации алюминия. При 5-8% Al она составляет 6,4-6,7 г/см3, а при 29-31% (пирофераль) падает до 5,3 г/см3.

Алюминиевый чугун и его теплопроводность

Теплопроводность ниже, чем у серого чугуна (СЧ), на 20-30%. Например, при 19-25% Al она составляет:

Среднее значение теплопроводности в диапазоне 20-900C – около (22-23)×10−6 1/C. Электросопротивление составляет 150-310 мкОм•см, а теплопроводность при                                   200-500C – 14-23 ккал/(м•ч•C). Эти показатели растут с повышением температуры.

 Алюминиевый чугун и его свойства

Производство алюминиевого чугуна осуществляется в индукционных печах (ИП)        промышленной и средней частот. Температура перегрева не должна превышать 1550C,               иначе возрастает насыщение водородом, что приводит к пористости отливок. При перегреве           до 1450-1520C содержание водорода – 7-12 см3/100 г, а при 1560-1600C увеличивается                 до 20-30 см3/100 г. В сплавах с содержанием алюминия выше 27% высокая температура способствует образованию хрупких соединений Al4C3. Потери алюминия при плавке в индукционных печах составляют 0,5-3%.

Высокое содержание алюминия снижает растворимость углерода в чугуне, что вызывает  выделение избытка графита и образование пористости в отливках. Чтобы этого избежать,         состав шихты подбирается так, чтобы содержание углерода соответствовало равновесному        уровню при заданном количестве алюминия. Для улучшения свойств проводят           модифицирование ферроцерием в печи перед выпуском металла.
Алюминиевый ЧШГ получают путём перемешивания расплавленного алюминия (до 800C) с чугуном (1350-1490C). В этом случае модифицирующие добавки растворяются в Al.
Отливки из таких чугунов можно изготавливать в сырых и сухих формах. Формы должны        хорошо вентилироваться, а большие плоскости размещаться вертикально либо под углом.            Для больших деталей желательно применять податливые смеси.
При содержании алюминия 18-24% температура кристаллизации чугуна на 120-150C выше,         чем у СЧ, и составляет 1230-1280C. Поэтому температура заливки должна быть выше,                   чем у СЧ. При снижении фосфора с 0,2 до 0,06% жидкотекучесть чугуна (ƛж) повышается.               В чугуне с 5-8% Al она почти не уступает СЧ.
Коэффициент литейной усадки алюминиевого чугуна составляет 1,5-1,8%, а у ЧШГ с 19-25% Al увеличивается до 2-2,6%. Снижение углерода и кремния усиливает усадку. Для алюминиевого ЧШГ она составляет 0,5-1,2%, а для ЧПГ – около 0,2%. Объём усадочной раковины зависит от состава и температуры заливки, колеблясь в пределах 2,6-4,0% (ЧПГ) и 4,2-7,0% (ЧШГ). Пирофераль обладает худшими литейными свойствами.
Остаточные напряжения в алюминиевых чугунах можно снизить отжигом.

Быстрая    термообработка снижает напряжения лишь при температурах выше 700-750C.                Оптимальная температура отжига – не менее 750C.

Используемая литература:

Справочник по чугунному литью  автор: Гиршович Н. Г.