Свойства сплавов для художественного литья

К металлам и сплавам, применяемым в литейном производстве, предъявляются особые специфические требования.

Жидкотекучесть

Жидкотекучесть - способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее.

Заполнение литейных форм является сложным гидродинамическим и физико-химическим процессом. Главным фактором, определяющим уровень жидкотекуч сети, являются свойства сплава в жидком состоянии: теплофизические свойства, особенности кристаллизации, вязкость, окисляемость.

Влияние литейной формы связано главным образом с ее теплофизическими свойствами, со смачиваемостью жидким металлом, с условиями физико-химического взаимодействия металл - форма. На жидкотекучесть влияют также условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме.

Течение металла в литейной форме сопровождается кристаллизацией. Поэтому движущийся поток рассматривают как гетерогенную жидкость. Из гидравлики известно, что движение таких жидкостей начинается только после того, как касательное напряжение становится больше определенного значения Go, называемого предельным напряжением сдвига. В гидравлике все тела условно делятся на несколько категорий в зависимости от отношения предельного напряжения сдвига о0 к плотности р (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Категории тел в гидравлике

С(/р, СМ

Категория тела

0

Идеальная жидкость

0,5

Структурная жидкость

0,5-2,0

Жидкая паста

2,0-15,0

Густая паста

Св. 15,0

Твердое тело

Основываясь на положениях гидравлики и учитывая фактор смыва и накопления твердой фазы в движущемся металле, можно представить механизм остановки потока следующим образом.

При поступлении металла в канал литейной формы на стенках канала образуется твердая корочка из-за высокой интенсивности охлаждения металла в начальные моменты. С течением времени, по мере прогревания формы, интенсивность теплоотвода уменьшается. Но перенос теплоты к корочке за счет поступления новых порций металла остается постоянным, и она начинает оплавляться. Уменьшению размеров корочки способствует также смывание части кристаллов движущимся потоком. Накопление обломков кристаллов на конце потока приводит к постепенному нарастанию сил внутреннего трения. Условия течения металла заметно ухудшаются. Наконец в определенный момент количество накопившихся обломков становится настолько большим, а сопротивление внутреннему трению настолько значительным, что поток останавливается. Схема остановки потока металла показана на рис. 6.6.

Схема остановки потока металла

Рис. 6.6. Схема остановки потока металла: а - макроструктура спиральной пробы и отдельных ее участков; б - строение потока к моменту остановки

Заполняемость

Заполняемость характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил.

Заполнение тонких сечений отливок - это процесс взаимодействия металла и формы. Иногда этот процесс называют формовоспроизведением или формозаполнением. Эти термины следует признать менее удачными, поскольку заполнение острых кромок и тонких сечений в большей степени зависит от свойств металла.

Заполняемость обусловлена рядом факторов:

  • 1. поверхностным натяжением сплава и смачиваемостью формы;
  • 2. вязкостью сплава, связанной с его теплофизическими свойствами;
  • 3. температурным интервалом кристаллизации;
  • 4. формой и размерами первичных кристаллов;
  • 5. склонностью сплава к пленообразованию;
  • 6. теплофизическими свойствами формы;
  • 7. способом заливки металла (стационарный или центробежный);
  • 8. конструктивными особенностями литниковой системы;
  • 9. наличием газов в форме и условиями ее вентиляции.

На примере титана можно оценить влияние смачивания формы металлом на заполняемость. Угол смачивания титаном электрокорунда составляет 120°, а магнезита - 107°. Заполняемость корундовой формы для изготовления пластины толщиной 3 мм значительно хуже, чем магнезитовой (рис. 6.7).

Весьма эффективным средством, улучшающим заполнение тонких элементов отливок, является центробежная заливка.

На рис. 6.8 показаны зависимости центробежного и капиллярного давления для некоторых сплавов титана от поверхностного натяжения. В расчетах переменными факторами были скорость и радиус вращения, поверхностное натяжение.

Отливки из сплава ВТ5Л в виде пластин толщиной 3 мм, полученные в магнезитовой (а) и электрокорундовой (о) формах

Рис. 6.7. Отливки из сплава ВТ5Л в виде пластин толщиной 3 мм, полученные в магнезитовой (а) и электрокорундовой (о) формах

Зависимость центробежного и капиллярного давления от толщины отливки и радиуса вращения при различной частоте вращения п и поверхностном натяжении а

Рис. 6.8. Зависимость центробежного и капиллярного давления от толщины отливки и радиуса вращения при различной частоте вращения п и поверхностном натяжении а

Центробежное давлениери рассчитывали по формуле:

где р - плотность; со - окружная скорость вращения; R - радиус вращения.

где ст_- поверхностное натяжение; 0_- угол смачивания; г - толщина каналу.

При заполнении каналов с малой площадью поперечного сечения потоку приходится преодолеть значительное давление, обусловленное действием капиллярных сил. При незначительном удалении таких элементов от оси вращения необходима большая скорость вращения центробежного стола.

По мере продвижения потока металла по каналам литейной формы он охлаждается, меняется его вязкость, на конце потока могут накапливаться выпадающие кристаллы. Все это ухудшает заполняемость.

Известно, что в ювелирном литье центробежная заливка является наиболее эффективным способом получения качественных отливок, отличающихся чрезвычайно тонкими сечениями элементов.

Характер затвердевания

Характер затвердевания металлов и сплавов определяет особенность перехода металла из жидкого состояний в твердое.

В процессе затвердевания реальной отливки в сплаве, кристаллизующемся в интервале температур, всегда развивается так называемая область затвердевания (рис. 6.9). Эта область ограничена изотермами ликвидус и со- лидус, которые в процессе охлаждения отливки последовательно перемещаются от ее поверхности к термическому центру. Область затвердевания делится на две части - жидко-твердую и твердо-жидкую.

Жидко-твердая часть примыкает к изотерме ликвидус, твердо-жидкая - к изотерме солидус. Граница между ними носит несколько названий: выли- ваемости, нулевой жидкотекучести, начала линейной усадки. Положение этой границы связано с формой и размерами первичных кристаллов. При сильной развитой дендритной форме она тяготеет к границе ликвидус, при компактной форме мелких кристаллов - к границе солидус.

Области и зоны затвердевающей отливки (по Б.Б. Гуляеву)

Рис. 6.9. Области и зоны затвердевающей отливки (по Б.Б. Гуляеву)

Твердо-жидкая часть области затвердевания делится на две зоны границей питания. Между границей выливаемости и границей питания сросшиеся дендриты не препятствуют макроперемещениям жидкости. Между границами питания и солидус каркас дендритов образует изолированные области, внутри которых возможно только микроскопическое перемещение жидкости.

Параметры области затвердевания во многом определяют качество отливок, которое оценивается по заполнению литейной формы, развитию усадочных дефектов, по вероятности появления трещин, по формированию литой поверхности. Последнее особенно важно для художественного литья.

Характер формирования литой поверхности

Под характером формирования литой поверхности металлов и сплавов подразумевают их способность воспроизводить профиль поверхности формы (шероховатость, механический пригар), склонность к образованию макронеровностей (спаи), склонность к химическому взаимодействию с формой (химический пригар).

Формирование литой поверхности определяется условиями взаимодействия расплава с материалом литейной формы. Эти условия зависят от целого комплекса факторов: от теплофизических свойств металла и формы, их химического состава, гидродинамики потока во время заполнения формы, от изменения физико-механических свойств металла и формы с изменением температуры.

Качество поверхности художественной оливки во многом определяет эстетическую ценность изделия. Важное значение имеет отражательная способность поверхности, обрабатываемость (шлифуемость и полируемость), взаимодействие с различными реагентами при патинировании.

В машиностроении к качеству литой поверхности предъявляются другие требования, обеспечивающие высокие механические свойства, химическую стойкость, низкие гидравлические потери, обрабатываемость литой детали и др.

Шероховатость отливки непосредственно зависит от шероховатости поверхности формы. Чем крупнее зерна формовочного материала, тем больше шероховатость поверхности отливки.

Формирование профиля литой поверхности определяется двумя факторами - смачиваемостью формы металлом и условиями теплоотвода на границе металл - форма в начальный период затвердевания отливки. Смачиваемость оценивают по краевому углу смачивания, интенсивность теплоотвода - по температуропроводности (м2/с) формовочного материала а = А/(срр).

Литейная форма является пористым телом. Ее пористость колеблется в пределах от 15 до 45 %. Причем основная часть пор относится к капиллярным, т. е. таким, в которых форма поверхности жидкости зависит от поверхностных сил и мало искажена силой тяжести.

Проникновение жидкого металла в поры формы происходит при условии, если давление металла рм на границе «металл-форма» превышает капиллярное противодавление формы рк:

Давление металла

где Я - гидростатический напор металла (высота столба); р - плотность жидкого металла; g - ускорение силы тяжести.

Капиллярное противодавление:

где а - поверхностное натяжение; 0 - краевой угол смачивания формы металлом; г - радиус поры формы.

Таким образом, чтобы уменьшить проникновение металла в поры формы, следует идти по пути уменьшения г за счет применения мелкозернистого песка и увеличения a, cos0, зависящих от физических свойств металла и состава формовочной смеси. Если металл не смачивает материал формы, то он может проникать в ее поры только под действием металлостатического давления.

Объемная усадка

Объемная усадка металлов и сплавов характеризует изменение объема металла при понижении температуры в жидком состоянии, в процессе затвердевания и при охлаждении твердого металла.

Согласно схеме, предложенной А.А. Бочваром, полная объемная усадка распределяется между объемом концентрированной усадочной раковины и объемом усадочной пористости. Чем больше эффективная часть температурного интервала кристаллизации (разница температур начала усадки и солидуса), тем большая доля объемной усадки проявляется в виде усадочных пор. В сплавах, кристаллизующихся при постоянной температуре (чистые металлы, сплавы эвтектического состава), усадочная пористость практически не образуется.

Линейная усадка

Линейная усадка металлов и сплавов отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения отливки до комнатной температуры.

В отливках из чистых металлов температура начала линейной усадки соответствует температуре плавления. Линейная усадка в этой случае пропорциональна линейному коэффициенту термического расширения и разности между температурами плавления и комнатной:

где е - коэффициент линейной усадки, %; at - средний линейный коэффициент расширения металла в интервале от tnn до /20; t„n и /20 - соответственно температуры плавления и комнатная.

Участок диаграммы состояния между температурой начала линейной усадки и температурой солидус назван А.А. Бочваром эффективным интервалом кристаллизации.

Трещиностойкостъ

Это способность металлов и сплавов к релаксации (ослаблению, уменьшению) напряжений, возникающих в отливке при затвердевании и охлаждении, в результате усадки, фазовых превращений или температурного перепада.

В практике литья обычно различают два вида трещин - горячие и холодные. Это деление весьма условно. Считается, что горячие трещины образуются в области, близкой к температуре солидус. По внешнему виду эти трещины отличаются окисленной поверхностью, в особенности на стальных отливках. Холодные трещины, в отличие от горячих, имеют блестящую поверхность и образуются в области упругих деформаций при температуре, которая значительно ниже температуры окончания кристаллизации.

Свариваемость

От свариваемости сплавов зависит качество исправления дефектов отливок и надежность соединения литых деталей методом сварки.

Для художественных отливок это свойство имеет большое значение. Особенно важно обеспечить надежное соединение крупных элементов скульптур.

В литейной практике свариваемость обычно оценивают по склонности к образованию сварочных трещин и по разупрочнению околошовной зоны. Трещины в зоне сварного шва могут появиться при его остывании в результате возникновения больших термических напряжений. Свариваемость оценивают также, сопоставляя свойства шва и околошовной зоны со свойствами основного металла.

Выбор литейных сплавов

Выбор сплавов для художественного литья - довольно сложная задача. Ее решение зависит от замысла художника, определяющего форму и цвет изделия, особенностей технологии литья и окончательной обработки отливки, себестоимости изделия.

Сплавы для литья ювелирных изделий и бижутерии. В ювелирной промышленности применяются сплавы, основой которых являются драгоценные металлы: золото, серебро и платина.

В конце XIX в. в качестве заменителей драгоценных металлов стали широко применяться декоративные латуни - сплавы меди с цинком, алюминием, другими металлами, обладающие широкой цветовой гаммой.

Из всех бронз в ювелирной промышленности чаще всего используется бериллиевая бронза. Она отличается высокой твердостью и наиболее стойка к коррозии.

Медно-никелевые сплавы с цинком, алюминием и другими металлами обладают высокими декоративными свойствами, имитируя серебро.

  • - Мельхиор - двухкомпонентный медный сплав, содержащий 18-20% никеля, обладает красивым серебристым цветом, хорошо сопротивляется атмосферной коррозии. Широко применяется для изготовления столовых приборов и недорогих ювелирных изделий.
  • - Нейзильбер - трехкомпонентный медный сплав, содержащий 13,5-16,5 % никеля и 18-22 % цинка. Нейзильбер дешевле мельхиора, обладает достаточной коррозионной стойкостью и широко применяется в ювелирной промышленности.

Для изготовления бижутерии применяют сравнительно дешевые легкоплавкие сплавы на основе цинка, олова, свинца и алюминия. Для сплавов на основе первых трех металлов разработана специальная технология литья в резиновые пресс-формы.

Сплавы для кабинетных украшений

Металлические кабинетные украшения весьма разнообразны. Это статуэтки, подсвечники, шкатулки, бра, плакетки, тарелки, предметы с инкрустацией. Среди них выделяются изделия из чугуна. Высокого совершенства художественного чугунного литья достигли уральские литейщики, и в частности - каслинские мастера.

Одним из основных требований, предъявляемых к чугуну для литья кабинетных украшений, является высокая жидкотекучесть, которая обеспечивает заполнение форм, как правило, имеющих очень сложную, ажурную конфигурацию.

Очень много художественных кабинетных украшений делают из сплавов на основе меди. Наибольшее распространение получили изделия из бронзы. Бронза хорошо поддается различным видам обработки (чеканке, гравировке, резанию), имеет красивый цвет, высокую коррозионную стойкость.

Сплавы для литья статуй

Для изготовления массивных статуй применяют обычный серый чугун. Химический состав чугуна должен быть близок к эвтектической концентрации, обеспечивающей высокую жидкотекучесть. Одним из основных требований является исключение отбела, который делает отливку непригодной для отделочных работ, особенно чеканки.

Из нержавеющих сталей для литья скульптур чаще используют хромоникелевую сталь Х18Н9, отличающуюся хорошими литейными свойствами. Простые хромистые стали применяются реже из-за некоторых сложностей выплавки, связанных с устранением оксидных плен. Появление этих плен на поверхности отливки резко ухудшает внешний вид изделия.

Сплавы для оград, перил, архитектурных украшений

Как правило, это крупносерийные изделия, не требующие никакой обработки, кроме зачистки. Поэтому их отливают из наиболее дешевого и технологичного материала - обыкновенного серого чугуна. Каких-либо особых требований, кроме качества внешнего вида, к этим отливкам не предъявляется.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >