Литейные свойства сплавов

 

Строение жидкого металла

Качество литых деталей во многом зависит от свойств расплавленного металла.

Изучение строения жидкого металла показывает, что оно определяется температурными условиями, в которых расплавленный металл. Рентгеновскими исследованиями установлено, что в жидких металлах с температурой, близкой к точке плавления, расположение атомов частиц сходно с расположением их в твердых металлах.

Таким образом, расположение атомов и молекул в жидком металле не хаотическое и не случайное, а в известной степени близкое к расположению  их в твердом теле. Упорядоченное расположение атомов в пределах нескольких  соседних кристаллических решеток, характерное для жидкого состояния, называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для твердых кристаллических тел.

Значительное изменение в строении металла претерпевают при нагревании их до температуры кипения, когда они могут  переходить в парообразное состояние, причем  стройный порядок расположения молекул и атомом нарушается.

Технические металлы обычно имеют большую разницу между температурами  плавления и кипения.

Например железо плавится при 1535ᴼ, а кипит при температуре 3000ᴼ.

Температура заливки низкоуглеродистой стали составляет 1600-1650ᴼ.

Медь плавится при температуре 1084ᴼ, кипит при 2310ᴼ, а температура заливки меди и медных сплавов находится в пределах 1000-1250ᴼ.

По мере нагревания металла тепловое расширение приводит к такому увеличению расстояний между атомами, при котором устойчивость кристаллической решетки нарушается и металл из твердого состояния переходит в жидкое, характеризующееся определенной вязкостью и жидкотекучестью.

 Вязкость металлов

Вязкостью, или внутренним трением называют сопротивление, испытываемое средой при движении одних ее частиц относительно других. Коэффициент динамической вязкости представляет собой силу (в динах), которую надо приложить  к 1 см2 элементарной площадки  внутри движущейся жидкости для сообщения ей скорости 1 см/сек относительно другой, параллельной ей площадки, отстоящей от нее на 1 см.

Увеличение динамической вязкости замедляет скорость движения металла в форме. Значение динамической вязкости жидкого металла в литейном производстве  приобретает особое значение при заполнении сложных форм и получении отливок хорошего качества.

На вязкость металла оказывает влияние не только его строение, в жидком состоянии, но и наличие в жидкости твердых неметаллических включений, газов и т.п.

Для характеристики металла, движущегося в каналах, пользуются величиной V=n/d см2/сек, которую называют  кинематической вязкостью. Поток жидкости, движущейся в канале,  сохраняет ламинарный характер движения до тех пор, пока скорость его движения не будет выше критической, определяемой из гидродинамики критическим значением числа Рейнольдса

Reкр= vкрD/  √,

Где Re –число Рейнольдса (безразмерное);

D  — диаметр канала в см;

Vкр – критическая скорость движения в см/сек;

√ — кинематическая вязкость в см2/сек.

При течении жидкости в канале с диаметром D критическая скорость  Vкр до перехода из ламинарного в турбулентный  поток может быть тем более высокой, чем  больше  кинематическая вязкость .

В соответствующих расчетах потоков необходимо считаться с тем, что величины вязкости меняются при заполнении литейной формы, так как изменяется температура металла.

Величины динамической и кинематической вязкости жидких металлов приведены в табл 1.

Динамическая вязкость оказывает большое влияние на всплывание газовых и неметаллических включений, находящихся в жидком металле. Скорость всплывания неметаллических включений и газов в жидком металле определяется  формулой

V =2/9 · g · 1/ƞ ·r2(dм –dвкл)см/сек,

Где v – скорость всплывания включений в см/сек;

g – ускорение в см/сек2;

ƞ – динамическая вязкость в г/см·сек;

r – радиус включений в см;

dм  и  dвкл  — плотность металла и включений в г/см2.

Таблица 1.

материалТемпература  в СДинамическая вязкость в г/см · секКинематическая вязкость в см2сек
вода+200,01050,01050
ртутьНемного выше tпл0,02100,00155
железоТо же0,0400,00556
Сталь(0,3%С)1535ᴼ(на 25ᴼ выше tпл)0,02850,00407
1555ᴼ(+45ᴼ)0,02600,00375
1610ᴼ(+100ᴼ)0,02300,00339
Ковкий чугун(3,1%С)1340ᴼ(на 30ᴼ выше tпл)0,02650,00379
Серый чугун (4% С)1250ᴼ(на 100ᴼ выше tпл)0,02100,00317
Сталь (0,45%С)1550ᴼ(на 55ᴼ выше tпл)0,0055

 

Понижение вязкости металла в сплавов практически  достигается повышением  температуры  нагрева жидкого металла или введение в его состав дополнительных элементов.

Поверхностное натяжение

Следующей важной характеристикой жидкого металла является поверхностное натяжение. Поверхностный слой расплавленного металла отличается по своим свойствам от основной массы.

Частички (молекулы), находящиеся на поверхности жидкого металла, испытывают одностороннее притяжение внутренних частиц.

Это явление может быть представлено графически , рис. 1а.,  и молекулы никакой избыточной энергии не имеют. Молекулы, находящиеся на поверхности, не могут уравновешиваться, так как они не находятся в однородной среде , рис. 1 б. В силу этого на поверхности расплавленного металла образуется как бы тонкая пленка, которая сжимает металл.

схема действия поверхностного натяжения

   Чтобы увеличить поверхность расплавленного металла, необходимо совершить работу, преодолевающую молекулярную силу.  Работу, необходимую для образования 1 см2 новой поверхзности расплавленного металла, называют поверхностным натяжением;  размерность поверхностного натяжения эрг/см2, или дн/см.  Запас избытка  энергии частиц, затрачиваемой на единицу поверхности,    называют  поверхностной энергией.  Поверхностное натяжение α  связано с поверхностной энергией формулой α=F – T · dv/dT  и зависит от температуры.  Кроме того, величина поверхностного натяжения зависит от природы самой жидкости и от среды, с которой граничит поверхность жидкого металла.

Поверхностное натяжение жидкого металла имеет большое значение: изменяя его, можно воздействовать на  заполнение литейной формы и на чистоту поверхности получаемой детали.  Металлы и сплавы с т повышенным поверхностным натяжением не смачивают  поверхности формы, фиг. 2 а,  дают чистую поверхность отливки. Но для того чтобы такой жидкий металл заполнял форму, необходимо преодолевать  противодавление поверхностного натяжения:

 

P = 2G/r cos α г/см2,

Где  p – сила;

G – поверхностное натяжение;

r – радиус канала, в котором движется жидкость;

α – угол, образуемый металлом и формой (угол смачивания).

Сплавы с малым поверхностным натяжением (α <90ᴼ рис. 2 б) смачивают  поверхность  твердого тела и оказывают  незначительное сопротивление при течении металлов по каналам. Смачивание поверхности (рис 2,б)  приводит к получению более четкого рельефа отливки, но зато может получиться весьма прочное соединение металла с материалом формы за счет диффузии, молекулярного  сцепления или механического проникновения металла в поры формы.

схематическое изображение условий смачиваемости твердого тела жидким металлом

   Величина поверхностного натяжения меняется в зависимости от  состава и температуры жидкого металла. Величины поверхностного натяжения для отдельных металлов и сплавов приведены в табл.2.

величины поверхностного натяжения для некоторых металлов и сплавов

Жидкотекучесть

 Жидкотекучесть, т.е. способность металла в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, зависит от температуры, вязкости, поверхностного натяжения,  теплопроводности, теплоемкости сплава и т.п.

Для определения  жидкотекучести применяют технологические пробы, заполнение которых производится по возможности в  одинаковых условиях.

В литейном производстве применяется ьольшое количество различных технологических проб для определения жидкотекучести  металлов и сплавов. Применяемые технологические пробы можно  разделить на две группы: 1) с постоянным сечением и 2) с переменным сечением.

Технологические пробы первой группы показаны на рис.3.

конструкции технологических проб для определения жидкотекучести металлов и сплавов

 

Проба α заливается в сухую форму и используется для определения жидкотекучести стали и ряда цветных сплавов. Проба б заливается в металлическую форму и применяется для определения жидкотекучести стали.

Для определения жидкотекучести стали  применяется также спиральная проба в. Спиральная проба  г  применяется для определения жидкотекучести чугуна и отдельных цветных сплавов.

Для определения жидкотекучести ряда цветных сплавов  применяются пробы с переменным сечением – шариковая д.

При заливке пробы  д  клин 1 качается шарика 2, поэтому проба после затвердевания будет иметь отверстие. Диаметр отверстия в полученной пробе и характеризует  жидкотекучесть сплава.

При заливке клиновой пробы измеряют степень  заполнения клина. Более сложные технологические пробы применяются для контроля  заполняемости сложных тонкостенных отливок;  конструкция этих проб разрабатывается применительно к характеру отливаемых деталей.

Формы для заливки технологических проб  изготовляются  из различных материалов в зависимости от принятого технологического процесса литья. Обычно при выборе  конструкции технологической пробы и технологии ее изготовления стараются  приблизить  условия заливки проб к условиям литья деталей.

Большое влияние на жидкотекучесть оказывает характер кристаллизации сплавов. Сплавы с большим температурным интервалом  затвердевания прекращают течение, когда в чугуне имеется около 30% твердой фазы; течение стали прекращается при 20% твердой фазы. Для ряда цветных сплавов течение металла прекращается при 30-40% твердой фазы.

Технологические процессы литья разрабатываются  с таким  расчетом, чтобы литейная форма была заполнена до начала образования твердых кристаллов в жидкой фазе,  однако это условие при заливке  сложных тонкостенных деталей осуществить трудно, и практически  кристаллизация таких деталей начинается еще в процессе заполнения  формы.

  Влияние различных факторов на заполняемость литейных форм

Для выбора сплавов, обладающих наибольшей жидкотекучестью, пользуются технологическими диаграммами, которые строят на основании экспериментальных данных.

Для ряда типовых технических сплавов построены  технологические диаграммы, увязанные со  структурными диаграммами состояния.

На рис 4,  показана связь между диаграммой  состояния сплавов  магний – алюминий и жидкотекучестью.

жидкотекучесть сплавов магний-алюминий

   На рис. 5, показана зависимость жидкотекучести стали от содержания углерода и температуры заливки; на рис 5 б, — зависимость жидкотекучести от  содержания кремния и на рис. 5 в,  — от содержания марганца.

зависимость жидкотекучести стали от температуры заливки и химического состава

   На степень жидкотекучести сплава влияют и другие факторы, например теплопроводность материалов, из которых  изготовлена  форма. На заполнение песчаных форм влияет влажность формы, количество угля состав краски и др. на рис 6 показано влияние влаги и добавок угля в формовочные смеси на заполняемость форм при отливке деталей из ковкого чугуна.

влияние количества влаги и угля в формовочной смеси на заполняемость литейных форм

   Источник: П.П. Жевтунов.