Дефекты отливок и способы их устранения
Билет 7 по УПОМ
Общая храктеристика литейных сплавов. Дефекты литья и способы их устранения. Критерий практичекой жидкотекучести и его физический смысл.
В производстве отливок важную роль играют литейные свойства сплавов, обеспечивающие хорошее заполнение литейной формы и получение отливок без дефектов — раковин, трещин и др. К основным литейным свойствам сплавов относятся: жидкотекучесть, заполняемость, усадка и ликвация.
Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее. На жидкотекучесть влияют условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме
Усадка — это уменьшение объема сплава, залитого в форму, при его охлаждении. Уменьшение объема сплава при охлаждении до температуры затвердевания и при затвердевании называетсяобъемной усадкой.Уменьшение линейных размеров отливки по сравнению с размерами модели называется линейной усадкой.
Значение усадки сплава в литейной форме зависит от его химического состава, конфигурации отливаемого изделия, температуры заливки в форму, скорости охлаждения в форме и других факторов. Среднее значение линейной усадки серого чугуна около 1%, стали — 2%, медных сплавов — 1,5%.
Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях сечения отливки, возникающая при его кристаллизации. Наиболее заметна ликвация в массивных сечениях отливки.
Дефекты отливок и способы их устранения
Брак отливок составляет от 5 до 20 % массы выпускаемой продукции. Наиболее часто встречаются внешние дефекты отливок, обнаруживаемые при поверхностном осмотре (несоответствие размеров, спаи, недоливы, заливы, пригар и др.); объемные дефекты, расположенные внутри отливки (трещины, раковины и пр.); несоответствие требованиям химического состава и структуры металла; неудовлетворительные механические и другие свойства.
Несоответствие размеров отливки чертежу является следствием дефекта модели, неточности сборки формы или вздутия слабо набитой формы при заливке.
Спаи и недоливы образуются при снижении жидкотекучести металла и его затвердевании до заполнения формы, что происходит при низкой температуре металла или малом сечении питателей тонкостенных отливок.
Заливы (заусенцы) и перекосы образуются по разъему форм вследствие небрежного спаривания полуформ, износа опок и моделей, контрольных штырей и втулок.
Пригар является следствием недостаточной огнеупорности формовочных материалов и красок.
Ужимины могут быть следствием теплового воздействия металла, когда поверхностные слои формы разогреваются и деформируются или отслаиваются, образуя в отливке вмятину. Ужимины также возникают из-за переуплотнения формы, ее повышенной влажности или неоправданно высокой температуры заливки металла.
Горячие трещины возникают в отливках при высокой температуре заливаемого металла, слабой податливости форм и стержней, при неправильной конструкции литников и прибылей. Холодные трещины являются следствием неравномерной усадки отливки в тонких и толстых ее частях.
Газовые раковины наблюдаются при чрезмерной влажности формовочной смеси, недостаточной вентиляции форм и стержней, сыром стержне, газонасыщенном металле, низкой температуре литья. Земляные раковины возникают при низкой прочности форм и стержней, смываемых струей заливаемого металла.
Шлаковые включения образуются при неправильной конструкции литниковой системы и заливке неочищенным от шлака металлом.
Усадочные раковины появляются при неправильной установке литников и прибылей, при высокой температуре заливки металла.
Основные способы исправления дефектов отливок — электро- и газовая сварка, заливка эпоксидной смолой, металлизация, механическая заделка. Дефектные места разделывают зубилами, высверливают и заваривают стальными, медными и медно-никелевыми электродами. Для снятия напряжений после заварки применяют отжиг отливок при 450—500 °С.
Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять полость стандартной формы (пробы) и точно воспроизводить очертания отливки. Жидкотекучесть зависит от: а) состава и физико-химических свойств сплава; б) теплофизических свойств формы; в) технологических условий литья. Наибольшая жидкотекучесть характерна для чистых металлов и эвтектических сплавов (рис. 12.1), а наименьшая — для сплавов на основе твердых растворов или гетерогенных структур (представляющих собой твердые растворы с распределенными в них частицами других фаз). Это связано с различным характером процесса затвердевания отливки, обусловленным шириной температурного интервала кристаллизации ДГкр — перепада температур между температурой начала (ликвидус) и конца (солидус) кристаллизации для конкретного сплава. Для узкоинтервальных сплавов (ДГкр < 30 °С) характерно последовательное затвердевание отливки от поверхности к центру,
2. Критические линии и точки диаграмм состояния разного типа их характеристики и назначение.
Начало формы
Для характеристики изменений структуры сплавов в зависимости от состава и температуры строят диаграммы состояния. Они представляют собой графическое изображение равновесного или неравновесного состояния сплавов и строят их в координатах температура – состав.
Равновесное состояние сплавов достигается при малых скоростях охлаждения или длительном нагреве. Неравновесное состояние, приводящее к повышению механических и других свойств, характеризуется ограниченной устойчивостью и способностью перехода в другие устойчивые состояния.
Без знания диаграмм состояния нельзя научно обоснованно выбирать сплавы с заданными свойствами и выбирать режимы литья, термической обработки и обработки давлением.
Диаграммы состояния обычно строятся с помощью термического метода анализа металлов и сплавов. Сущность метода сводится к определению критических точек металлов и сплавов. Строят кривые охлаждения, которые выражают графическую зависимость между изменением температуры металла (сплава) при охлаждении и временем, в течение которого эти изменения происходят. Эти кривые строятся в координатах температура (ось ординат) – время охлаждения (ось абсцисс).
Так как фазовые превращения в металлах и сплавах сопровождаются тепловыми эффектами, то на кривых охлаждения можно наблюдать либо остановки (площадки), либо перегибы. Появление площадки говорит о том, что фазовые превращения происходят при постоянной температуре. Перегибы появляются в результате изменения скорости охлаждения, в этом случае фазовые превращения протекают в интервале температур.
Температуры начала и конца фазовых превращений, определяемые по кривым охлаждения, называются критическими. Соответствующие им точки на кривых охлаждения называются критическими точками. На основании кривых охлаждения строится диаграмма состояния сплавов.
Диаграмма состояния двойных сплавов – первого типа, образующих при затвердевании механическую смесь, характеризует сплавы, компоненты которых в жидком состоянии неограниченно растворимы друг в друге, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химического соединения. По диаграмме состояния первого типа кристаллизуются сплавы Рb-Sb; Pb-Sn; Zn-Sn и др.
В качестве примера рассмотрим диаграмму состояния свинец – сурьма. На рис. 10, а-г приведены кривые охлаждения для чистых металлов и сплавов с разным содержанием сурьмы. Как видно из приведенных кривых на рис. 10, а, чистые металлы (Pb, Sb) и эвтектические сплавы (рис. 10, в) имеют одну критическую точку, а сплавы – две (рис. 10, б, г). Верхняя критическая точка соответствует началу, а нижняя – концу затвердевания, причем нижняя критическая точка для всех сплавов одинакова и равна 246°С.
Рис. 10. Кривые охлаждения металлов и сплавов:
а – чистых металлов; б, в и г – сплавов;
На рис. 11 приведена диаграмма состояния сплавов свинец – сурьма. Выше линии ABC все сплавы представляют собой однофазный жидкий раствор (ж. р.). Эта линия называется линией ликвидус (с греч. – жидкий), линия DBE – линия солидус (с греч. – твердый). Ниже линии DBE все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, соответствующий точке В, называется эвтектическим. Для данной системы он имеет строго определенный состав (87% Рb и 13% Sb) и обладает самой низкой температурой плавления (246°С). Сплавы, расположенные влево от эвтектики, называются доэвтектическими, а вправо – заэвтектическими. Пользуясь диаграммой состояния, можно определить температуру начала и конца кристаллизации сплавов и их строение.
Рис.11. Диаграмма состояния двойных сплавов 1 типа В – эвтектических сплавов
Диаграмма состояния двойных сплавов – второго типа – характеризует сплавы, компоненты которых обладают полной взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом состояниях и не образуют химических соединений. По диаграмме состояния второго типа кристаллизуются сплавы Сu – Ni, Fe – Ni, Fe – Cr, Bi – Sb и др.
В качестве примера рассмотрим диаграмму состояния системы Сu – Ni. Эту диаграмму состояния, как и в предыдущем случае, строят по критическим точкам на кривых охлаждения. Общий вид диаграммы приведен на рис 12. Линия АmВ – линия ликвидус, линия АnB – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в виде твердых растворов (т.р.). Между линией ликвидус и солидус находится двухфазная область, в которой одновременно существуют кристаллы твердого раствора и жидкий раствор.
Рис. 12. Диаграмма состояния двойных сплавов II типа
Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии – третьего типа – характеризует сплавы, у которых оба компонента неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно – в твердом, образуют при кристаллизации эвтектику (рис. 13). Сюда относятся системы А1 – Сu, Fe – С, Mg – Al, Mg – Zn и др.