Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • оборудование для пекарни для вас на сайте www.Food-service.Ru.

ЛИТЬЕ МЕДНЫХ СПЛАВОВ I

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СПЛАВОВ

В машиностроении медные сплавы — латуни и бронзы — полу­чили широкое распространение. Литые латуни — многокомпонент­ные сплавы, в состав которых, кроме меди и цинка, входят один или несколько легирующих элементов: алюминий, никель, же­лезо, кремний, марганец, олово, свинец. Легирующие элементы придают латуням специальные свойства или улучшают ординар­ные (прочность, литейные свойства и пр.).

Структура латуни обычно состоит из а-твердого раствора цинка в меди; при наличии в ней более 30% Zn в структуре содержится кроме а-твердого раствора и p-твердый раствор, основой кото­рого является химическое соединение CuZn. Увеличение содержа­ния цинка приводит к увеличению в структуре сплава твердого раствора |3, к повышению прочности и к снижению пластичности. Количество p-раствора увеличивается и при повышении скорости затвердевания отливки.

Латуни отличаются небольшим интервалом кристаллизации, что обусловливает их хорошую жидкотекучесть. Вместе с тем они имеют большую усадку: 1,6—2,5%, в зависимости от их химиче­ского состава (минимальная усадка у марганцовистых латуней, максимальная — у алюминиевых). Обычно латуни имеют малую склонность к образованию усадочной пористости, исключение составляют алюминиевые. Присутствие в латунях кремния уве­личивает растворимость водорода и ухудшает качество отливок [109].

В качестве основных компонентов бронзы могут быть олово (оловянные бронзы) и алюминий (алюминиевые бронзы). Кроме этого, применяют марганцевые, кремнистые, бериллиевые, свинцо­вые, сурьмянистые и другие бронзы. Свойства каждого из спла­вов определяются в основном количеством основного легирую­щего элемента. Зависимость механических свойств оловянной бронзы от содержания олова, показана на рис. 141.

Оловянные бронзы имеют усадку в пределах 1,4—1,6% и от­носительно высокую жидкотекучесть. Жидкотекучесть пони­жается с повышением содержания олова; присутствие цинка, свинца, никеля увеличивает ее значение. Так, бронза Бр. ОЦ 10-2 имеет жидкотекучесть, равную 21 см, а бронза Бр. ОЦС 3-12-5 — 60 см. Вместе с тем оловянные бронзы, ввиду большого интервала кристаллизации, имеют повышенную склонность к образованию усадочной пористости. Увеличение скорости затвердевания отли­вок из оловянных бронз повышает их герметичность.

Свинцовые бронзы подвержены сильной ликвации вследствие особенностей кристаллизации, которая происходит в несколько

Рис. 141. Зависимость механических свойств оловянной броизы от содержания олова

Стадий и сопровождается расслое­нием расплава на два жидких слоя (монотектический процесс). Умень­шить и даже устранить ликвацию можно ускоренным затвердева­нием отливки.

Алюминиевые бронзы дают плотные отливки (ввиду малого интервала кристаллизации), но имеют большую усадку и повышен­ную окйсляемость в жидком состоянии, что объясняется большим сродством алюминия к кислороду.

Отливки из кремнистых бронз так же, как из кремнистых ла — туней, легко поражаются газовой пористостью, причиной этого является кремний. Увеличение количества свинца в кремнистых бронзах способствует получению более плотных отливок, но ухуд­шает их механические свойства.

В последнее время все более широкое распространение в элек­тромашиностроении получают фасонные отливки из практически чистой меди с весьма малым количеством легирующих элементов (до 1,0%), повышающих ее прочность и улучшающих литейные свойства. Чистая медь, имея высокую электропроводность, от­личается низкой прочностью и плохими литейными свойствами — низкой жидкотекучестью, значительной усадкой (1,8—2,0%), что способствует образованию трещин, усадочных раковин и пор в от­ливках. Кроме того, жидкая медь способна растворять большое количество газов, выделение которых при затвердевании вызывает образование газовых’раковин. и’пористости. Окислы меди, раство­ряясь в расплаве, обогащают его’кислородом, снижают электропро­водность и ухудшают и литейные, и механические свойства металла.

Электропроводность меди снижается также при вводе неко­торых элементов. Это необходимо учитывать при выборе легирую­щей добавки для улучшения механических и литейных свойств. Такими элементами, например, являются кадмий и хром. В сплаве меди с 0,6—1,0% Cd сохраняется 05% электропроводности и по­вышается прочность до 710 МПа (71 кгс/мм2). Ввод хрома до 0,5— 0,7% снижает электропроводность на 20%, но значительно по­вышает прочность и жаропрочность. Однако эти присадки не устраняют повышенной склонности меди к образованию горячих трещин.

2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И КАЧЕСТВО ОТЛИВОК

Литье в кокиль медных сплавов обеспечивает повышение свойств металла, что объясняется особенностями затвердевания, кристаллизации и питания отливки в условиях ускоренного за­твердевания (гл. II—IV). Так, например, бронза Бр. АЖ9-4 при литье в песчаные формы имеет ов = 400 МПа (40 кге/мм2) и б = = 10%, а при литье в кокиль — 500 МПа (50 кгс/мм2) и 12% соот­ветственно.

О повышении механических свойств оловянной бронзы при увеличении скорости затвердевания говорилось в гл. III (см. рис. 15 и 16) при обсуждении вопроса о комплексном параметре процесса кристаллизации.

Отливки из бронз со свинцом (Бр. ОЦС 4-4-17, Бр. АЖС 7-1,5-1,5 и др.) при замене песчаных форм кокилями значительно повы­шают антифрикционные свойства и износостойкость, что связано с резким измельчением включений свинца.

Некоторые медные сплавы (например, оловянные бронзы) при литье в кокиль настолько повышают свои свойства, что ока­зывается возможным заметно уменьшать в них дефицитные добавки.

Благотворно действует на структуру и свойства сплавов Cu— Sn—Ni повышение скорости затвердевания с одновременной до­бавкой алюминия: в этом случае свойства сплава в литом состоя­нии приближаются к свойствам термически обработанного, от­литого в обычных условиях (без алюминия и в песчаных формах).

О преимуществах литья в кокиль свидетельствует, в частности, тот факт, что латунные отливки могут устойчиво выдерживать дав­ление свыше 30 кгс/см2 только тогда, когда они отлиты в кокиле. Только при литье в кокиль можно обеспечить достаточную плот­ность отливок из оловянных бронз.

Уменьшение и полное устранение брака по газовым раковинам в отливках из кремнистой латуни возможно только при замене песчаных форм кокилями. Литье в кокиль не только позволяет снизить расход металла на заготовку, но и уменьшить толщины стенок готовых деталей (из-за более высоких свойств).

Таким образом, литье в кокиль сплавов на медной основе имеет явные преимущества перед литьем в разовые формы и целе­сообразность его применения очевидна. Однако необходимо по­мнить о некоторых особенностях этого процесса. Особенности литья в кокиль меди и ее сплавов обусловлены прежде всего низ­кой их трещиноустойчивостью. Для преодоления этого недостатка необходимы такие меры, как раскисление, модифицирование и ра­финирование. Из-за трещин сложные тонкостенные латунные от­ливки весьма трудно получать в кокилях, однако тщательная обработка сплава фтористым натрием позволяет решать эту про­блему [161].

Присадка легирующих элементов в сплавы меди с целью по­вышения служебных свойств часто вызывает одновременно сниже­ние их трещиноустойчивости. Так как при литье в кокиль слу­жебные свойства медных сплавов повышаются представляется воз-

Можность применять легирующие в меньших дозах и тем самым повышать трещиноустойчивость.

Для устранения ликвации в отливках из свинцовой бронзы, предупреждения пористости в отливках из латуни и оловянной бронзы необходимо применять процессы литья, обеспечивающие повышенную скорость затвердевания. Это достигается исключе­нием песчаных стержней и вставок, охлаждением кокилей водой, применением высокотеплопроводных материалов для кокилей. Один из примеров литья бронзы с применением металлического стержня описан в работе [15]. На рис. 142, а представлен эскиз гребенчатой втулки из латуни JIK 80-3JI с толщиной стенок до 5 мм. Получают ее в двухразъемном кокиле с центральным метал­лическим стержнем (рис. 142, б). Заливка производится через прибыль высотой 100 мм.

По конструкции стержни могут быть самые различные и, в частности, — водоохлаждаемые. В работе [47] говорится об успешном использовании подобных стержней при литье деталей из оловянных бронз. Внутренние стенки полых стержней охла­ждают водяным душем. При этом обращается внимание на следую­щую особенность: при раннем пуске воды стержень не успевает прогреться, более поздний пуск воды вызывает трещины в от­ливках.

Особенность литья в кокиль медных сплавов состоит также в целесообразности использования специальных способов повыше­ния скорости затвердевания отливок. Так, в работе [44] указы­вается, что литье в обычные кокили не обеспечивало получения здоровых отливок из свинцовистой бронзы с содержанием 9,0— 11,0% Pb. Брак золотников по усадочной пористости и ликвации достигал до 60% . Была опробована технология литья наморажива­нием на водоохлаждаемый кокиль-кристаллизатор. Применение нового способа позволило сократить брак золотников до 3%.

3. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ЛИТЬЯ

Литье втулок. Втулки — наиболее характерные отливки из сплавов меди; они, как правило, представляют собой детали от­ветственного назначения, для которых высокие плотность, износо­стойкость и прочность являются главными требованиями. Рас­смотрим некоторые примеры.

Освоен процесс литья втулок наружного диаметра 320 мм, внутреннего — 160 мм, высотой 1200 мм из бронзы Бр. АЖ 10-3-1,5. Стержни для них изготовляются из цельнотянутых труб толщиной 5—10 мм [78].

Интересный способ литья в кокиль втулок и полувтулок больших диаметров из бронзы Бр. ОЦС 5-5-5 приведен в работе [155]. Диаметр втулок более 400 мм, высота до 1000 мм. Для пре­дупреждения^ усадочной пористости на внутренней поверхности

Втулок применен металлический стержень (рис. 143). Стержень по­лый, состоит из трех или четырех собранных вместе секторов. Поло­сти между секторами засыпают фор­мовочной смесью, а зазоры между секторами заделывают быстросохну­щим составом.

Один из видов податливых стержней показан на рис. 144. Стержень состоит из трех частей: центральной части 3 в виде тра­пеции и двух боковин 4, кото­рые разжимаются разрезными коЛь-

Рис. 143. Эскиз кокиля для литья крупных втулок:

1 — поддон; 2 — формовочная смесь; 3 — стер­жень; 4 — корпус кокиля; 5 — литниковый стержедь

Защитные покрытия, заливка и термическая обработка

A-A

5

Рис. 144. Схема устройства податливого металлического стержня: 1 — плита; 2 — корпус кокиля; 3 — центральная часть стержня; 4 — две боковниы;

5—7 — разрезные кольца; 6 — обойма; 8 — отливка

Цами 5 и 7. Стержень фиксируется внизу в гнезде плиты 1 ко­киля, а вверху — в обойме 6. При затвердевании и усадке от­ливки 8 боковины 4 стержня сжимаются и выталкивают централь­ную часть 3, отчего стержень и делается податливым. На раз­борку и сборку такого стержня затрачивается не более 3 мин.

В отливках типа втулок используют простые литниково-пи- тающие системы, например дождевую, если высота отливки не очень большая. Для более высоких втулок рекомендуется си­фонная литниковая система. При условии I : d > 10 (/ — высота, d — диаметр отливки) вертикальное расположение отливки в ко­киле может быть заменено горизонтальным.

Литье фасонных отливок. Литье в кокиль широко и эффек­тивно используют для изготовления из медных сплавов различ­ных фасонных (в основном арматурных) отливок. При серийности мелких арматурных отливок около 10 ООО шт. их выгоднее изго­товлять в кокилях, чем литьем под давлением. И лишь для серий по 20 ООО отливок более экономичным оказывается литье под дав­лением.

4. ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ЗАЛИВКА И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

В настоящее время используют различные покрытия кокилей. На Череповецком металлургическом заводе им. 50-летия СССР, например, при литье медных головок кислородных фурм при­меняют покрытие следующего состава, %: 26 лака ПВБ; 26 гид­ролизного спирта, 48 графита. Плотность краски — 1,12— 1,14 г/см3; наносят ее через две заливки и получают отливки с чистой поверхностью [149].

305

Могут быть рекомендованы покрытия кокилей для латуней и бронз, состоящие из органического или водного растворителя — 100%, термореактивной смолы — 2—5% (сверх 100%) и огнеупор­ного порошка (ZxOv MgO, Al3O3, диатомит)—8—15% (сверх 100%),

Поданным работы [117], при литье в кокили деталей из бронз Бр. ОЦС6-6-3, Бр. ОФ 10-1, Бр. AMn 9-2, Бр. АЖ 9-4 применение в качестве защитного покрытия консистентной смазки ЦНИИТМАШ-201 дало хорошие результаты: отливки получались без пор, раковин и свищей. Наносят смазку слоем 0,3—0,8 мм. Расход ее составляет приблизительно 500 г на 1 т отливок. Такое покрытие может быть рекомендовано как для оловянных, так и для безоловянных бронз.

Для отливок из сплава на медной основе применяют различные виды термической обработки: отжиг для снятия напряжений, гомо­генизирующий отжиг для получения однородной структуры и свойств, закалку с последующим отжигом, а также смягчающий от­жиг с целью изменения механических свойств. Отливки, получен­ные в кокилях, в большей мере, чем заливаемые в песчаные формы, нуждаются в выравнивании структуры и снижении напряжений.

Виды и режимы термической обработки для различных спла­вов различны. Для латуней используют гомогенизирующий от­жиг, проводимый по режиму: нагрев до температуры примерно на 50 град, ниже температуры солидуса и выдержка при этой тем­пературе в течение 4—6 ч.

Отжиг латуней для снятия напряжений производится при 530— 570 К с выдержкой 2 ч и последующим медленным охлаждением с печью. Свойства кремнистой латуни можно значительно повы­сить термообработкой, состоящей из нагрева до 1020—1030 К (750—760° С), выдержки при этой температуре 1,0—1,5 ч, охла­ждении с печью до потемнения и дальнейшего охлаждения на воздухе. В этом случае предел прочности при растяжении уве­личивается до 410 МПа (41 кгс/мм2), а относительное удлинение — до 38% против 390 МПа и 17% соответственно до термообработки.

Отливки из оловянной бронзы, которые отличаются резко вы­раженной дендритной структурой, подвергают гомогенизирую­щему отжигу при температуре 920—1020 К Отжиг для снятия напряжений проводят при 470 К в течение 10—20 ч. Кроме того, для этих бронз термическая обработка может быть использована с целью уменьшения пористости. Рекомендуется следующий ре­жим: нагрев до 870—950 К в течение 4—6 ч, выдержка при этой температуре 1—3 ч и дальнейшее охлаждение с печью.

Отливки из алюминиевых и кремнистых бронз, кроме гомоге­низирующего отжига для снятия напряжений, можно подвергать термообработке с целью улучшения механических свойств — за­калке с последующим отжигом. Значительное улучшение меха­нических свойств в результате термической обработки наблюда­ется у бериллиевой бронзы. Чаще всего обработка состоит из на­грева до 1070 К- выдержки в течение нескольких часов для получе­ния однородного твердого раствора и охлаждения в воде; после этого отливки подвергают старению при температуре около §70 К-