Литейные свойства двух– и трехкомпонентных сплавов можно оценить по положению их на диаграмме состояния. Закономерности изменения литейных свойств определяются при построении кривых состав – литейное свойство в совокупности с диаграммой состояния. К литейным свойствам сплавов можно отнести жидкотекучесть, линейную и объемную усадки, трегциностойкость, поверхностное натяжение, вязкость и др.

Жидкотекучесть – свойство, характеризующее способность расплавов заполнять литейные формы.

Влияние различных факторов на жидкотекучесть. Величина жидкотекучести непосредственно не связана с вязкостью и поверхностным натяжением жидкого металла, а определяется интервалом кристаллизации и совокупностью теплофизических свойств металлов: теплотой кристаллизации, теплоемкостью и теплопроводностью, вязкостью, окисляемостью. При этом теплота кристаллизации является основным фактором: чем больше теплота кристаллизации, тем выше жидкотекучесть. Минимумы и максимумы жидкотекучести (X) сплавов в зависимости от состава отвечают определенным участкам и критическим точкам на диаграммах состояния (рис. 5.1). Сплавы с широким интервалом кристаллизации, как правило, обладают минимальной жидкотекучестью, а максимумы на диаграммах состав – жидкотекучесть соответствуют эвтектическим сплавам и химическим соединениям.

^{Рис. 5.1. Жидкотекучесть сплавов системы А-Б в зависимости от их состава.}

Необходимо также учитывать размеры, форму кристаллов, образующихся в начальной стадии затвердевания сплавов, и теплоту их образования. Прослеживается следующая зависимость. Если первичные кристаллы растут в виде разветвленных дендритов, граница нулевой жидкотекучести, соответствующей температуре, при которой поток перестает течь, находится вблизи линии ликвидуса,

Если первичные кристаллы растут компактно и имеют небольшие размеры, то граница нулевой жидкотекучести тяготеет к линии солидуса, т. е. при выделении значительной части твердой фазы металл продолжает течь, что объясняется несвязанностью между собой выделившихся первичных кристаллов. Таким образом, увеличение размеров первичных кристаллов и образование ими разветвленной структуры снижает жидкотекучесть. Оценивая величину жидкотекучести, для получения более точных результатов необходимо также учитывать формы кристаллов, образующихся в начальной стадии затвердевания сплавов, и теплоту их образования.

На жидкотекучесть влияют также условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме.

Пробы для измерения жидкотекучести. Количественные значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения.

Технологические пробы для определения жидкотекучести можно разделить на три вида:

– пробы, основанные на прекращении течения в сужающемся канале;

– пробы, основанные на прекращении течения вследствие кристаллизации металла в узком выходном канале;

– пробы, основанные на прекращении течения в длинном канале постоянного сечения вследствие охлаждения и кристаллизации.

К пробам первого вида (сужающийся канал) относятся клиновые пробы (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Клиновая проба для определения жидкотекучести.

Показателем жидкотекучести в клиновой пробе является расстояние I между вершиной клина и закругленной вершиной затвердевшего металла.

Пробы второго вида – шариковые – можно использовать для определения жидкотекучести по весу вытекшего металла.

Мерой жидкотекучести в шариковой пробе, предложенной А. Г. Спасским (рис. 5.3), является диаметр отверстия, образующегося в отливке, залитой в металлическую форму 1 с вертикальным разъемом. Металл заливается через воронку 4, поступает в полость формы через литниковый канал 5, заполняет полость формы и подтекает в пространство между планкой (клином) 3 и шариком 2 диаметром 20 мм, но не заполняет все пространство, оставляя отверстие.

^{Рис. 5.3. Шариковая проба для определения жидкотекучести (по А. Г. Спасскому):}

^{1 – полуформа; 2 – шарик; 3 – клин; 4 – воронка; 5 – литниковый канал.}

Клиновые и шариковые пробы можно использовать для оценки заполнения тонких рельефов.

К пробам третьего вида относятся прямые, спиральные, U-образные, лабиринтные и винтовые.

Пробы этого вида дают более точные результаты с меньшим разбросом параметров. Показателем жидкотекучести является длина пути потока металла до остановки. Пробы третьего вида заливают гравитационным или вакуумным методом. К этому же виду можно отнести пробы с несколькими каналами разной толщины, заполняемыми из общего центрального стояка.

Наибольшее распространение получили спиральные (рис. 5.4.) и U-образные (рис. 5.5) пробы с гравитационным заполнением. Испытание материала на жидкотекучесть заключается в заполнении спиральной или U-образной формы расплавленным металлом и определении длины полученной спиральной или U-образной пробы. На модели спирали и соответственно в форме имеются отметки через каждые 50 мм. Длина спирали (в спиральной пробе) или длина заполнившейся части вертикального канала диаметром б мм (в U-образной пробе), выраженные в миллиметрах, являются характеристикой жидкотекучести сплава в данных условиях.

^{Рис. 5.4. Спиральная проба для определения жидкотекучести по Самарину-Нехендзи:}

^{1 – чаша нарощалка; 2 – сетка, 3 – стояк, 4 – зумпф, 5 – бобышка спираль, 6 – выступы}

^{Рис. 5.5.}

^{U-образная проба для определения жидкотекучести литейных сплавов.}

Причем спиральная проба проводится для материалов с высокой жидкотекучестью (для чугунов, силуминов и т. д.), U-образная проба – для материалов, обладающих относительно низкой жидкотекучестью (для высоколегированных сталей, жаропрочных и тугоплавких металлов и сплавов).

При этом основным является определение условий остановки движущегося потока: выделение 20 % твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале литейной формы дендритов, препятствующих движению потока, накопление твердых кристаллов на конце потока.

Для обеспечения идентичных условий заполнения проб при сравнении жидкотекучести предложено различать два вида жидкотекучести: практическую и условную.

Практическая жидкотекучесть определяется в условиях постоянной температуры заливки (и, следовательно, неодинакового перегрева для всех сплавов данной группы). При этом можно оценивать влияние на жидкотекучесть изменений химического состава сплава в цеховых условиях, при поддержании постоянной температуры в плавильном агрегате. Условная жидкотекучесть определяется в условиях одинакового перегрева над температурой ликвидуса. Данный вид пробы получил наибольшее распространение.

Способность расплава не только заполнять форму, как в случае жидкотекучести, но и способность заливать тонкий рельеф поверхности формы, например черты лица, складки одежды, тончайший орнамент украшений, называется заполняемостью.

Заполняемость характеризует способность металлов и сплавов давать особо тонкие сечения отливок, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил.

Заполняемость форм металлом зависит от комплекса технологических факторов, характеризующих условия заполнения формы. Составляющими этого комплекса являются жидкотекучесть металла, теплопроводность формы и ее температура, конфигурация будущей отливки и ее расположение в форме, конструкция литниковой системы и др.

Заполняемость формы расплавом 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.

Очевидно влияние смачивания расплавом формы на ее заполняемость, а именно чем больше угол смачивания, тем лучше заполняемость.

Весьма эффективным способом получения тонких элементов отливок является центробежная заливка.

Металлы в жидком состоянии занимают больший объем, чем в закристаллизовавшемся. Поэтому при переходе металла из жидкого состояния в твердое и дальнейшем охлаждении занимаемый им объем уменьшается.

Эту особенность необходимо учитывать. Для получения отливки, близкой по конфигурации к готовому изделию, необходимо модель изделия изготавливать больше отливки на величину усадки. Величина усадки у каждого металла различна. Например, усадка олова при литье в песчано-глинистые смеси равна 0,2–0,3 %, серого чугуна 1,1–1,2 %, силумина столько же, фосфористая бронза дает усадку 1,3–1,4 %, алюминиевая бронза 1,4–1,5 %, томпак 2–2,1 %, нейзильбер 2–2,1 %, художественная бронза 1,5 %, сталь от углеродистой до легированной – от 0,8 до 2,5 % и т. д. Таким образом, зная величину усадки (она бывает свободная и затрудненная), можно определить, на сколько больше следует изготовить форму, чтобы получить отливку с определенной точностью размеров.

Объемная усадка металла – изменение объема металла при его охлаждении, которое практически зависит от изменения температуры (если нет агрегатных или аллотропических превращений):

V₁ = V₀ [1 – ?_? (t₀ – t₁)],

где V₁ – объем при данной температуре t₁; V₀ – начальный объем при температуре t₀; ?_? – коэффициент объемной усадки (сжатия), т. е. коэффициент, соответствующий усадке при понижении температуры на 1° в интервале t₀ – t₁.

Объемная усадка определяется различием плотности сплава в жидком и твердом состояниях, величиной интервала кристаллизации и характером кристаллизации внутри интервала.

Полная объемная усадка металлов и сплавов происходит в несколько этапов: усадка в жидком состоянии при охлаждении, усадка при затвердевании и усадка в твердом состоянии – и, соответственно, является их суммой. Это одно из основных литейных свойств, определяющих качество отливки.

Усадка металла в жидком состоянии — изменение объема жидкого металла при его охлаждении до температуры ликвидуса (t_л), в результате чего уровень жидкого металла понижается, а сечение остается неизменным и рассматривается как объемная усадка. Для сплава данного состава усадка в жидком состоянии (?_Vж) является переменной величиной, зависящей от коэффициента объемной усадки жидкого металла (?_Vж) и от температуры заливки (t_ж):

?_Vж = ?_Vж (t_ж – t_л).

Усадка металла при затвердевании — это изменение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое, реализующееся в основном в интервале температур между линиями ликвидуса и солидуса. Объем может уменьшаться (например, при затвердевании стали) или увеличиваться – предусадочное расширение (например, при затвердевании чугуна).