Материаловедение

Литейные сплавы цветных металлов

1. Алюминиевые сплавы

Алюминиевые литейные сплавы обладают высокой удельной прочностью (σ / ρ) (большей, чем у углеродистых сталей), высокой коррозионной стойкостью, достаточно высокими тепло- и электропроводностью.

Кроме того, сплавы на основе алюминия имеют хорошие технологические литейные свойства, легко обрабатываются. Именно этими обстоятельствами объясняется применение алюминиевых сплавов во всех отраслях промышленности, особенно в авиации и автостроении.

Классификация литейных сплавов приведена в ГОСТ 1583-93, в соответствии с которым они подразделяются на пять групп (в табл. 1, прил. 1) приведены их химический состав и механические свойства):

  • I – сплавы на основе системы Al-Si-Mg;
  • II – сплавы на основе системы Al-Si-Cu;
  • III – сплавы на основе системы Al-Cu;
  • IV – сплавы на основе системы Al-Mg;
  • V – сплавы на основе системы Аl-Э (прочие элементы, являющиеся компонентами сплава).

Сплавы I и II групп являются наиболее распространенными и называются «силуминами». Их можно подразделить на простые (АЛ2) и специальные силумины, содержащие кроме А1 и Si дополнительно Mg (десятые доли процента) или совместно Mg (в тех же количествах) и Сu. Для изготовления отливок (используют доэвтектические (до 9 % Si) и заэвтектические (до 25 % Si) сплавы (рис. 1).

Как видно из диаграммы фазового равновесия системы, Al-Si эвтектика содержит 11,7 % Si и состоит из твердого раствора кремния в алюминии. Максимальная растворимость кремния в алюминии составляет 1,65 % при эвтектической температуре 577 °С. По мере увеличения в доэвтектических сплавах содержания кремния в их структуре возрастает количество эвтектики и улучшаются литейные свойства.

Обычная структура доэвтектических силуминов состоит из дендритов твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики: твердый раствор – кремний. Крупные выделения пластинок кремния в эвтектике, являясь концентраторами напряжений, сильно снижают пластичность сплава (подобно крупным пластинкам графита в чугуне), для измельчения включений кремния сплавы модифицируют солями натрия (NaF + NaCl). Эффект модифицирования тем больше, чем выше содержание кремния, так как модификатор действует только на кремний.

В сплавах, содержащих менее 8 % Si, применение модифицирования теряет смысл, так как улучшение свойств незначительное и может перекрываться влиянием скорости охлаждения.

Диаграмма состояния алюминий-кремний

Рис. 1. Диаграмма состояния алюминий-кремний

Особенности литейных свойств алюминиевых сплавов. Литейные свойства алюминиевых сплавов, как и других, определяются интервалом кристаллизации. Сплавы I и II групп, как правило, имеют интервал кристаллизации, меньший или равный 50 °С, поэтому обладают высокой жидкотекучестью, хорошей стойкостью против горячих и холодных трещин, склонны к сосредоточенным усадочным раковинам.

В отличие от них сплавы III, IV и V групп имеют широкий интервал кристаллизации, низкую жидкотекучесть, при литье в металлические формы склонны к горячим трещинам, образованию усадочной пористости и ликвации. Высокой склонностью к газонасыщению (особенно водородом) и образованию газовой и газоусадочной пористости характеризуются все алюминиевые сплавы, особенно сплавы Al-Mg (IV группа).

Именно для алюминиевых сплавов А. А. Бочваром и А. Г. Спасским был предложен способ литья в автоклаве для уменьшения газовой пористости в отливках и повышения их плотности. Повышенная окисляемость в расплавленном состоянии, а также взаимодействие с азотом воздуха и парами воды приводят к образованию неметаллических включений и оксидных пленок, что требует дегазации, фильтрации расплавов и тщательного конструирования литниковых систем для спокойного заполнения формы.

2. Сплавы на основе меди

Медь относится к пластичным металлам с высокой плотностью (8950 кг/м3). Температура ее плавления 1083 °С. Широко применяется в промышленности в виде сплавов, имеющих высокую химическую устойчивость, теплопроводность, электропроводность, износостойкость и другие ценные качества. Благодаря высокой жидкотекучести медь и ее сплавы с древних времен применяют для художественного литья.

В настоящее время в технике известно довольно большое количество двойных, тройных и многокомпонентных медных сплавов. В качестве компонентов в медных сплавах используются олово, цинк, свинец, алюминий, марганец, кремний, бериллий, никель, железо, хром, фосфор, титан, золото, серебро и др.

Сама медь маркируется буквой «М» и порядковым номером, характеризующим степень ее чистоты. Так, в меди М00 содержится суммарно 0,01 % примесей, в меди марок M1, М2, М3 – 0,1, 0,3 и 0,5 % примесей, соответственно.

Медные сплавы принято делить на две большие группы: бронзы и латуни.

К бронзам относят сплавы меди с другими элементами, кроме цинка и никеля. Ранее бронзами называли сплавы меди с оловом. Название сплава меди с оловом сохранилось в бронзах, обозначаемых как оловянные бронзы. Но они кроме олова содержат другие элементы. Бронзы, не содержащие олова, называются безоловянными.

К латуням относят сплавы меди с цинком (до 50 %) с добавкой некоторого (обычно небольшого) количества других элементов. Маркировка бронз и латуней начинается соответственно с букв «Бр» и «Л». За ними следуют буквы, обозначающие элементы, и цифры, указывающие на их среднее содержание в процентах.

Приняты следующие обозначения элементов:

  • О – олово,
  • А – алюминий,
  • Ц – цинк,
  • К – кремний,
  • Ф – фосфор,
  • С – свинец,
  • Ж – железо,
  • Мц – марганец,
  • Н – никель.

Например, марка БрА7Мц15Ж3Н2Ц2Л обозначает бронзу с содержанием 7 % Al, 15 % Mn, 3 % Fe, 2 % Ni, 2 % Zn и остальное Сu; марка ЛЦ40Мц3Ж обозначает латунь с содержанием 40 % Zn, 3 % Mn и до 1,5 % Fe, oстальное Cu. Буква «Л» в конце ставится для того, чтобы отличить литейную бронзу от деформируемой такого же химического состава.

Литейные бронзы. Механические свойства литейных бронз в соответствии с ГОСТ 613-79 приведены в табл. 1.

Таблица 1. Механические свойства бронз

Группа бронз Марка сплава Суммарное содержание

упрочняющих легирующих

элементов, %

Механические

свойства, не менее

σв,

Н/мм2

δ, % НВ
Оловянные и оловянно- цинковые Бр08Ц4 12 196 10 75
Бр010Ц2 12 225 10 75
Бр010Фl 11 245 3 90
Оловянно-цинково-свинцовые БрО4Ц4С17 8 147 12 60
БрО5Ц5С5 10 176 4 60
БрО3Ц12С5 15 206 5 60
Свинцовые и оловянно-свинцовые БрС30 0 59 4 25
Бр05С25 5 137 6 60
Бр010С10 10 196 6 78
Алюминиевые БрА9Мц2Л 11 392 20 80
БрА10Мц2Л 12 490 12 110
БрА10Ж3Мц2 15 490 12 120
БрА10Ж4Н4Л 18 578 6 170
БрА11Ж6Н6 23 578 2 250
БрА7Мц15Ж3Н2Ц2 29 607 18

В таблице указаны свойства сплавов по ГОСТ 613-79 и ГОСТ 493-79 при литье в кокиль. При литье в песчаные формы σв сплавов ниже: у оловянных бронз на 20–40 Н/мм2, у алюминиевых на 40–100 Н/мм2.

В оловянных бронзах содержание олова составляет от 3 до 10 %. Максимальная растворимость олова в меди при эвтектической температуре 798 °С составляет СР = 13,5 %. Поэтому структура бронз, содержащих меньше 8 % Sn, представляет собой твердый раствор дендритного строения с неоднородным распределением компонентов, вследствие дендритной ликвации. Структура сплавов с содержанием более 8 % Sn состоит из α-фазы и эвтектоида (α + Cu3Sn8). Появление интерметаллидной фазы Cu3Sn8 вызывает возрастание твердости и прочности, их максимумы соответствуют содержанию 20–25 % Sn (примерно такое же содержание олова в колокольной бронзе).

Для сокращения расхода олова в оловянные бронзы вводят одну из основных добавок: цинк (от 2 до 12 %), который входит в твердый раствор (в меди растворяется до 39 % Zn). Найдено несколько удачных сочетаний содержания цинка и олова, при которых достигаются наилучшие литейные и механические свойства. Примером таких сочетаний являются бронзы, называемые пушечными. В них содержится около 6 % Sn и 3 % Zn, а также 5 % Sn и 5 % Zn. Эти сплавы широко используются в качестве антифрикционных.

Так же, как и Zn, вспомогательным элементом в оловянных бронзах является свинец. Главное назначение свинца – улучшение антифрикционных свойств бронзы. Свинец образует в структуре медных сплавов самостоятельные выделения мягкой металлической фазы, которая снижает механические свойства, но обеспечивает хорошую прирабатываемость.

Большую группу бронз в настоящее время составляют безоловянные или специальные бронзы, содержащие в качестве легирующего компонента Al, Mn, Si, Рb, Ве и др. и называемые по каждому из этих легирующих компонентов. Так, в свинцовой бронзе БрС30 свинец оказывает такое же действие, как и в оловянно-свинцовых бронзах. Следует отметить, что свинцовые бронзы сильно склонны к гравитационной ликвации.

В алюминиевых бронзах содержится 5–12 % Al, максимальная растворимость алюминия в меди Cр = 7,5 %. С увеличением содержания алюминия прочность и твердость медно-алюминиевых сплавов возрастают, а относительное удлинение и ударная вязкость уменьшаются, что связано с появлением в структуре интерметаллида Cu3Al.

Алюминиевые бронзы имеют достаточно высокие антифрикционные свойства и коррозионную стойкость в атмосферных условиях, морской воде, большинстве органических кислот и углекислых растворах. Они морозостойки, немагнитны и не дают искры при ударе.

Добавки железа, марганца, никеля оказывают положительное влияние на свойства алюминиевых бронз. Железо измельчает структуру, марганец и никель, повышают прочностные свойства.

Кроме свинцовых и алюминиевых безоловянных бронз применяются также кремнистые, марганцевые, бериллиевые и другие бронзы.

Латуни. Эту группу медных сплавов подразделяют на двойные (простые) и специальные, содержащие Fe, Mn, Ni, Si, Sn, Рb.

Как уже было отмечено, цинк растворяется (раствор замещения) в меди до Ср = 39 %. При концентрации цинка более 39 % появляется βр-фаза – твердый раствор на основе соединения CuZn. Наибольшей пластичностью, но меньшей прочностью обладают однофазные β-латуни. Они используются, главным образом, при обработке давлением. Следует отметить, что свойства сплавов Cu-Zn изменяются аналогично сплавам Cu-Al.

Добавки железа и марганца оказывают на сплавы Cu-Zn такое же действие, как и на сплавы Cu-Al: измельчают зерно, увеличивают прочность.

Для измельчения структуры медных сплавов (и бронз, и латуней) используют модифицирование, вводя добавки Мо, Nb, V, В в количестве до 0,1 %.

Особенности литейных свойств медных сплавов. Медные сплавы характеризуются прежде всего высокой жидкотекучестью, и некоторые из них используются в художественном литье (БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3, ЛЦ20К3С3 и др.). При этом, естественно, учитываются не только литейные, но и декоративные и антикоррозионные свойства. Для медных сплавов, как и для других литейных сплавов, важное значение имеет интервал их кристаллизации. Ниже (табл. 2) приведены значения интервала кристаллизации некоторых бронз и латуней.

Таблица 2. Интервала кристаллизации бронз и латуней

Медный сплав БрО10С10 БрО8Ц4 БрО5Ц5С5 ЛЦ16К4 ЛЦ40А1Ж1 БрА10Ж1
Интервал кристаллизации 167 150 145 96 17 8

Так же, как и другие, в зависимости от интервала кристаллизации, медные сплавы можно разделить на три группы, характеризующиеся узким 8…50 °С (например, БрА10Ж1), средним 50…100 °С (например, ЛЦ15К4) и широким >100 °C (например, БрО10С10) температурным интервалом кристаллизации.

В отливках из сплавов с широким интервалом кристаллизации образуется рассеянная пористость, и их сложно получить плотными и герметичными. В отливках из сплава с узким интервалом кристаллизации образуются сосредоточенные усадочные раковины, которые технологически легко выводятся в прибыль. Линейная усадка медных сплавов составляет 1,5…2,0 %.

При изготовлении отливок из медных сплавов с широким интервалом кристаллизации возможно появление горячих трещин, особенно в металлических формах. К холодным трещинам медные сплавы практически не склонны. При плавке медных сплавов необходимо обеспечивать минимальное их насыщение газами. В сплавах Cu-Sn, Cu-Sn-Pb причиной газовой пористости могут быть О2, водяной пар, углекислый и сернистый газы. Латуни с высоким содержанием цинка надежно защищаются парами цинка от насыщения водородом. Для уменьшения газонасыщенности используются различные методы дегазации, в числе которых, например, продувка гексахлорэтаном (так же, как и для алюминиевых сплавов), вакуумирование и т. п.

При плавке медных сплавов возникает опасность загрязнения оксидными пленами и другими неметаллическими включениями. Поэтому некоторые сплавы, например, алюминиевые бронзы, подвергают фильтрованию через керамические магнезитовые фильтры и металлические сетки из молибдена. При заливке необходимо обеспечивать плавное заполнение формы, используя расширяющиеся литниковые системы. Медные сплавы, особенно оловянные·и алюминиевые бронзы, склонны к дендритной ликвации, а свинцовые бронзы (как уже отмечалось выше) – к гравитационной ликвации.

3. Магниевые сплавы

Магниевые сплавы широко применяют в авиастроении, ракетной технике, при изготовлении различных транспортных машин, так как при малой объемной массе они имеют высокую удельную прочность, что позволяет снизить массу двигателей и агрегатов и других узлов машин. Положительным свойством магниевых сплавов является то, что они хорошо поглощают механические вибрации.

Вместе с тем магниевые сплавы обладают рядом недостатков. Они значительно уступают алюминиевым сплавам по пластичности и коррозионной стойкости; отличаются очень высокой окисляемостью в жидком состоянии, способны воспламеняться при температуре 400–550 °С, что затрудняет изготовление отливок.

Литейные свойства у магниевых сплавов невысокие: недостаточная жидкотекучесть, большая линейная усадка, склонность к образованию усадочных рыхлот и горячих трещин.

Литейные магниевые сплавы обозначают буквами МЛ (магниевый, литейный) и цифрами, указывающими номер сплава, например, МЛ5, MЛ6, МЛ8.

В зависимости от химического состава их разделяют на три основные группы:

  • I – сплавы на основе системы Mg-Al-Zn;
  • II – Mg-Zn-Zr;
  • III – Mg-РЗЭ-Zr (РЗЭ – редкоземельные элементы).

Лучшими, чем у других магниевых сплавов, литейными свойствами отличаются наиболее широко применяемые сплавы системы Mg-Al-Zn МЛ5 и МЛ6, относящиеся к высокопрочным сплавам (σв < 220 МПа). Их используют при изготовлении нагруженных деталей двигателей автомобилей, самолетов с рабочими температурами до 150 °С. Сплав МЛ4, обладающий высокой коррозионной стойкостью, склонен к микропористости и образованию горячих трещин. По сравнению со сплавами системы Mg-Al-Zn, сплавы системы Mg-Zn-Zr обладают более высокими прочностными свойствами (σв = 220…250 МПа), меньшей чувствительностью, лучшими механическими свойствами к влиянию микрорыхлот.

Типичным представителем этой группы является сплав МЛ12, отличающийся более высокими пластическими свойствами по сравнению со сплавами 1 группы, большей коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами. Легирование цирконием повышает его жаропрочность. Сплавы этой группы МЛ8, МЛ15 дополнительно легированы кадмием, лантаном и неодимом, что улучшает их технологические и механические свойства.

Сплавы этой группы применяют для изготовления высоконагруженных деталей, работающих при ударных нагрузках и повышенных температурах (до 150–200 °С). Сплавы системы Mg-РЗМ-Zr (МЛ9, МЛ 10, МЛ11, МЛ19) используют как жаропрочные. При длительной эксплуатации они могут работать до 250–300 °С, а при кратковременной – до 400 °С. Основным легирующим элементом в сплавах МЛ9, МЛ10, МЛ19 является неодим, а в МЛ11 – цериевый мишметалл (75 % Се, остальное – РЗМ). Все сплавы третьей группы легированы также цирконием, они обладают хорошими литейными и технологическими свойствами.

Особенности плавки магниевых сплавов. В отличие от других металлов и сплавов (цинк, медь, алюминий), магниевые сплавы в расплавленном состоянии обладают высокой реакционной способностью: легко образуют соединения с кислородом и азотом воздуха, разлагают пары воды и поглощают водород. По этой причине плавку магниевых сплавов проводят в тигельных печах под слоем флюса, плавящегося при более низкой температуре, создающего защитный слой, который предохраняет жидкий металл от соприкосновения с атмосферным воздухом, или в специальных печах без доступа воздуха. Для выплавки магниевых сплавов применяют стальные тигли, поскольку графитовые подвержены разъеданию плавильными флюсами, а шамотные загрязняют сплав силицидом и оксидом магния.

Флюсы должны удовлетворять следующим требованиям:

  • иметь температуру плавления ниже температуры выплавляемого сплава;
  • обладать высокой рафинирующей способностью (удалять из сплава оксиды и нитриды);
  • обладать высокой жидкотекучестью;
  • иметь большую плотность при температуре выплавки (750 °С), чем плотность магниевого сплава при этой же температуре.

При исследовании процесса удаления твердых неметаллических включений из магниевых сплавов установлено, что при повышении температуры включения достаточно быстро осаждаются на дно тигля. При температуре 750 °С достигается практически полное осаждение из расплава твердых оксидов и нитридов. Эффект отстаивания расплава при повышении температуры связан с увеличением разности в плотности магниевого сплава и взвешенных неметаллических частиц.

Более полное удаление твердых неметаллических частиц обеспечивается путем обработки жидкого металла расплавленным флюсом. Для ускорения процесса удаления неметаллических примесей расплав рекомендуется перемешивать.

После перемешивания происходит процесс оседания частиц примесей на дно тигля. Степень очищения расплава от взвеси оксидов, хлоридов зависит от поверхностной активности флюса к сплаву, плотности и продолжительности отстаивания расплава. Для окончательного оседания флюса расплав перегревают (до 850–900 °С). При перегреве вязкость металла уменьшается, что приводит к оседанию флюса на дно тигля, а также обеспечивается измельчение структурных составляющих сплава, что повышает механические свойства отливаемых деталей. Перегрев сплава осуществляют непосредственно в тиглях с последующим охлаждением до температуры заливки металла в формы.

Помимо перегрева на измельчение структурных составляющих сильное влияние оказывает элементарный углерод, образующийся из газообразных или летучих соединений углерода, вводимых в расплав при температуре 740 °С. В настоящее время широко используется способ модифицирования магниевых сплавов введением углекислых кальция и магния.

В некоторых случаях плавку магниевых сплавов проводят в нейтральной атмосфере под газовым слоем аргона или в специальных печах закрытого типа. Печи оборудованы местной вентиляцией. Подача в тигель газа, защищающего металл от окисления, осуществляется периодически из баллона через редуктор, ротаметр и трубопровод, введенный в верхнюю часть тигля через отверстие в крышке. Подачу шихты в тигель также осуществляют через отверстие в крышке.

4. Титановые сплавы

Областями применения отливок из литейных титановых сплавов, имеющих высокую стоимость, являются самолето- и вертолетостроение, где значительным оказывается выигрыш от высокой удельной прочности (σв / ρ) и малой плотности (4500 кг/м3), а также химическая, нефтеперерабатывающая промышленность, черная и цветная металлургия, где экономически оправдан эффект от повышения срока службы деталей, работающих с агрессивными технологическими средами, вследствие образования на поверхности плотной защитной пленки TiО2. Данные сплавы использовались также для изготовления памятников (например, памятник Ю. Гагарину в Москве) и спортинвентаря (например, клюшки для гольфа). По структуре сплавы титана подразделяются на три группы:

  • однофазные α-сплавы;
  • двухфазные (α + β)-сплавы;
  • однофазные β-сплавы.

Основой титановых сплавов является система Ti-Al (рис. 2), в которой содержание алюминия изменяют от 2,6 до 7,0 %. Для маркировки титановых сплавов используют буквы «ВТ», номер и букву «Л». Химический состав промышленных сплавов приведен в табл. 3.

Диаграмма состояния Ti-Al

0 10 20 30 %Al

Рис. 2. Диаграмма состояния Ti-Al

Таблица 3. Химический состав литейных титановых сплавов, масс. %

Марка сплава Al Mo V Zr Cr Si Sn Fe
ВТ5Л 4,1–6,2
ВТ6Л 5,0–6,5 3,5–4,5
ВТ31Л 5,3–7,0 2,0–3,0 0,8–2,3 0,15–0,40 0,2–0,7
ВТ9Л 5,6–7,0 2,8–3,8 0,8–2,0 0,8–2,0 0,20–0,35
ВТ14Л 4,3–6,3 2,5–3,8 0,9–1,9
ВТ20Л 5,5–6,8 0,5–2,0 0,8–1,8 1,5–2,5
ВТ21Л 5,8–7,0 0,4–1,0 0,8–1,5 4,0–6,0 4,0–6,0
ВТ35Л 2,6–3,6 0,2–1,0 14,8–15,8 0,2–0,8 2,5–3,5 2,5–3,5

Сплавы ВТ5Л, ВТ20Л, ВТ21Л являются однофазными α-сплавами, сплавы ВТ6Л, ВТ31Л, ВТ9Л, ВТ14Л – двухфазные (α + β)- сплавы со значительным содержанием β-фазы, сплав ВТ35Л – псевдо-β-сплав.

Титановые сплавы являются одними из самых тугоплавких промышленных сплавов (температура ликвидуса от 1620 до 1670 °С).

Кроме того, следует отметить низкую теплопроводность этих сплавов, которая в 15 раз меньше, чем у алюминия, и в 4 раза меньше, чем у железа. По прочности титановые сплавы превосходят углеродистые и не уступают легированным сталям).

Однако по жесткости (модулю упругости) при растяжении-сжатии титановые сплавы уступают даже углеродистой стали, приближаясь к серым чугунам. Титановые сплавы имеют очень высокую химическую активность, поэтому для их получения используют гарнисажную вакуумную дуговую плавку с расходуемым электродом, которым является цилиндрический титановый слиток заданного химического состава. Для литейных форм чаще всего используют графит.

Заливку также проводят в вакууме на центробежных машинах. Термическая обработка практически не влияет на макро- и микроструктуру титановых сплавов. Одним из средств, влияющих на литую структуру сплавов, является модифицирование.

Проведение модифицирования осложняется тем, что для плавки используется вакуумная гарнисажная плавка.

Положительные результаты были получены только для низколегированных марок типа ВТ5Л, ВТ6Л и только при использовании бора или карбида бора в количестве 0,007–0,01 %. Для сплавов ВТ9Л и ВТ12Л модифицирование не дало положительных результатов.

Азот и кислород образуют с титаном растворы внедрения и являются упрочнителями. Однако, когда процент этих газов превышает их некоторое предельное содержание (0,12–0,20 % О2 и 0,05 % N2), они переходят в разряд вредных примесей.

Водород так же, как и О2 и N2, является вредной примесью. Характерной особенностью водорода является высокая скорость его диффузии в титан, а также способность растворяться в твердом титане в больших количествах с образованием раствора внедрения.

Для устранения вредного влияния водорода его практически полностью удаляют из твердого титана путем вакуумного отжига. Отмеченная особенность обратимого легирования водородом используется в развивающейся водородной технологии производства отливок из титановых сплавов. При этом водород может использоваться в качестве защитной среды при высоких температурах, так как растворимость Н2 с повышением температуры падает. Для уменьшения затрат энергии при отделении литниковой системы используют метод локального водородного охрупчивания и т. п.

Углерод также относится к вредным примесям, если его содержание выше 0,2 %. В этом случае он образует карбиды, которые ухудшают механические свойства и обрабатываемость титановых сплавов, которая и без карбидов является затруднительной.

Титановые сплавы характеризуются достаточно хорошей жидкотекучестью. Но при этом следует отметить пониженную свариваемость встречных потоков, из-за чего в отливках встречаются дефекты типа неспаев.

Из-за низкой теплопроводности в отливках из титановых сплавов и их разностенности возникает существенная разность температур, следствием которой является высокий уровень остаточных напряжений. Для снятия напряжений применяют полный отжиг в отливках из сплавов ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л и ВТ20Л при 800 °С, а для сплава ВТ9Л – при 940 °С.

Для всех сплавов применяется неполный отжиг при температуре 600 °С. При этом снимается до 70 % остаточных напряжений, поэтому он широко применяется для большинства несложных отливок. Неоднородность температур в объеме отливки может приводить к короблению отливок, поэтому используют дополнительные разного рода перемычки, которые удаляют после отжига отливок.

5. Цинковые сплавы

Технически чистый цинк обладает удовлетворительными механическими свойствами, хорошо поддается прокатке, прессованию, волочению и штамповке в холодном состоянии и в интервале температур 130…170 °С. Цинк имеет высокую плотность в твердом (7130 кг/м3) и жидком (6810 кг/м3) состоянии, низкую температуру плавления (419,5 °С) и кипения (907 °С), линейную усадку 1,6 %.

Выпускают несколько марок цинка, различающихся количеством примесей: от ЦВОО с суммарным содержанием примесей менее 0,005 % до Ц3 – менее 2,5 %. Цинковые сплавы маркируются буквой «Ц», далее следуют буквы элементов, входящих в химический состав (например, А – алюминий, М – медь), и цифры, указывающие их процентное содержание. Широкое распространение получили цинковые сплавы ЦА4 и ЦАМ4-1 для литья под давлением и антифрикционные литейные сплавы ЦАМ9-1,5Л и ЦАМ10-5Л.

Сплав ЦА4Л содержит 4,0 % Al. Его структура состоит из первичных кристаллов α-твердого раствора алюминия в цинке (1,1 % Al), эвтектики, образующейся при температуре 382 °С и состоящей из кристаллов того же α-раствора и кристаллов β-твердого раствора. При температуре 265 °С должен происходить эвтектоидный распад, который при литье под давлением из-за большой скорости охлаждения блокируется. Но затем при комнатной температуре этот распад, получивший название «естественное старение», происходит с малой скоростью.

В процессе старения изменяются свойства и уменьшаются линейные размеры (примерно на 0,08 %) Для стабилизации размеров проводят отжиг – нагрев до 100 °С и выдержка в течение 3–10 ч при этой температуре. Следует отметить высокую чувствительность сплавов Zn-Al к межкристаллитной коррозии из-за загрязненности некоторыми примесями, особенно свинцом, оловом, кадмием. При этом содержание примесей ограничивается соответственно величинами, % (не более): Рb 0,015; Sn 0,001; Cd 0,003. Магний в цинковых сплавах является полезной примесью, он повышает коррозионную стойкость и уменьшает объемные изменения.

Сплав ЦАМ4-1 отличается от ЦА4 добавкой меди (1,0 %), которая целиком находится в твердом растворе, не вызывает появления новых фаз, придает сплаву более высокие прочность и твердость. Поэтому сплав ЦАМ4-1 находит более широкое применение. Названные цинковые сплавы используются в автомобильной промышленности для изготовления корпусов карбюраторов, насосов и т. д., а также для декоративных деталей. Антифрикционные цинковые литейные сплавы являются, как правило, тройными Zn-Al-Cu с более высоким содержанием алюминия и меди. Для изготовления отливок используют литье под давлением, литье в кокиль и, реже, в песчано-глинистые формы.

Особенности литейных свойств цинковых сплавов. Цинковые сплавы являются «узкоинтервальными», имеют высокую жидкотекучесть из-за низкой температуры Тпл, благодаря чему воспроизводят тонкий рисунок. Широко используются в шрифтолитейном производстве. Из них получаются плотные отливки. Линейная усадка их составляет 1,0–1,2 %. При литье в металлические формы проявляется их склонность к образованию горячих трещин. Для предотвращения испарения, насыщения газами и образования неметаллических включений плавку проводят в защитной атмосфере (азот), не перегревая сплав выше 480 °С.

6. Никелевые сплавы

Никель относится к тяжелым цветным металлам; его плотность 8900 кг/м3, температура плавления 1452 °С, температура кипения 3000 °С. Технически чистый никель (99,5 %) применяют для изготовления слитков. Для фасонных отливок используют никель с добавкой, %: Si 1,0–2,0; Mn 1,0–1,5; С менее 0,3; S менее 0,03; Mg 0,08–0,1; Fe 1,0 и Сu менее 0,3. Кроме того, он используется в качестве составляющей самых разнообразных сплавов: инвара (сплав на основе железа с содержанием Ni 36 %; температурный коэффициент линейного расширения 1,5 · 10–5 К–1), пермалоя (Ni 80 %, имеет высокую магнитную проницаемость), монетного мельхиора, нихрома и уникальных жаропрочных сплавов, применяемых для отливок лопаток газотурбинных двигателей.

Названные сплавы так же, как и сам никель, обладают высокой коррозионной стойкостью, жаростойкостью и, особенно, жаропрочностью.

Единая маркировка никелевых литейных сплавов в настоящее время отсутствует. Имеются сплавы с маркировкой легированных сталей, как, например, нихром Х20Н80, сплав ХН78Т, а также с маркировкой буквами и порядковым номером (ЖС3, Ж6, ЖС6К).

Никелевые сплавы в большинстве случаев имеют узкий интервал кристаллизации, но достаточно высокую температуру ликвидуса, поэтому они характеризуются удовлетворительной жидкотекучестью. Склонны к образованию сосредоточенных усадочных раковин. Линейная усадка находится в пределах 1,9–2,0 %. В отливках могут образовываться горячие трещины, газовая пористость, дендритная ликвация, неметаллические включения, плены.

В производстве отливок из жаропрочных сплавов используются самые современные технологические процессы: плавка и заливка в вакууме, организация направленной кристаллизации с целью получения структуры столбчатых кристаллов, расположенных вдоль оси главных растягивающих напряжений (лопатки) или вдоль оси магнитов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.