Ливарні сплави

Визначення і загальна характеристика

ЛИВА́РНІ СПЛА́ВИ — багатокомпонентні металеві речовини з комплексом ливарних властивостей, що забезпечує отрима­н­ня виливків необхідної конфігурації з високою екс­плуатаційною здатністю, за­­даними роз­мірною точністю та якістю поверх­ні. Найважливішими ливар. властивостями сплавів є рідкоплин­ність (здатність у роз­плавленому стані заповнювати ливарну форму, чітко від­творюючи контури її поверх­ні), усадже­н­ня (зменше­н­ня обʼєму під час охолодже­н­ня в роз­плавленому стані, у процесі твердне­н­ня та в твердому стані під час охолодже­н­ня до температури довкі­л­ля), схиль­ність до ліквації (неоднорідність хім. складу в різних частинах виливка, що виникає під час його твердне­н­ня через різну роз­чин­ність окремих компонентів сплаву в його рідкій і твердій фазах), утворе­н­ня внутр. напружень і тріщин, неметал. вклю­чень, по­глина­н­ня газів. Вони проявляються як у рідкому стані, так і на всіх стадіях твердне­н­ня й охолодже­н­ня сплавів. Л. с. класифікують залежно від їхнього складу, властивостей і при­значе­н­ня. Сплави на основі заліза називають чорними (до них належать всі різновиди чавунів і сталей), на основі алюмінію, магнію, цинку, олова, свин­цю, міді, титану, молібдену, нікелю, кобальту, берилію та ін. металів, зокрема й благородних (срібла, золота, платини), — кольоровими. Для забезпече­н­ня необхід. властивостей литих деталей, напр., міцності, твердості, зносо­стійкості, у сплави в певній кількості вводять спец. домішки, т. зв. легуючі елементи, за вмістом яких роз­різняють низько- (менше 2,5 %), середньо- (від 2,5 до 10 %) і високолеговані (більше 10 %) сплави (див. також Легування).

Найпоширенішим матеріалом для одержа­н­ня фасон. виливків є чавун. Широке за­стосува­н­ня він отримав завдяки хорошим технол. властивостям. Викори­стовують сірі, високоміцні та ковкі чавуни, що від­різняються формою графіту. Серед них най­поширенішим є сірий чавун із пластинчастим графітом, з нього отримують найрізноманітніші литі деталі. З нього виготовляють найдешевші виливки (в 1,5 раза дешевше від сталевих, у кілька разів — від кольорових), які добре обробляються на металорізал. вер­статах. Сірий чавун має високу рідкоплин­ність, що під­вищується зі збільше­н­ням вмісту вуглецю, кремнію та фосфору, і мале усадже­н­ня. Ви­сокоміц. чавуну з кулястим графітом властиві значно вищі міцність і пластичність, ніж сірому. Такий чавун отримують шляхом модифікува­н­ня магнієм або церієм. Його властивості можуть бути значно покращені терміч. обробле­н­ням. З високоміц. чавунів виготовляють колінчасті вали, деталі турбін і ін. відп. деталі. Ковкий чавун з пластівчастим графітом отримують унаслідок тривалого від­палу виливків з білого чавуну з товщиною стінки до 40 мм. Леговані чавуни хромисті, нікеле­ві та ін. за­стосовують для ви­ливків відп. при­значе­н­ня. Ле­гува­н­ня чавунів покращує мех. характеристики, короз. стійкість, зносо­стійкість, жароміцність та ін. властивості. Легованими можуть бути і сірі, і високоміцні, і ковкі чавуни. Мех. властивості високоміц. і ковких чавунів ви­значаються пере­важно їхньою метал. основою. Пер­літні чавуни мають більш високу міцність при зниженій пластичності, феритні навпаки — мен­шу міцність, але більш високу пластичність. Властивості сірих чавунів залежать не тільки від метал. матриці, а й від кількості, морфології, роз­міру та роз­поділу графіту.

Сталь як ливар. матеріал за­стосовують для одержа­н­ня виливків деталей, що водночас із високою міцністю повин­ні мати хороші пластичні властивості. Сталеві виливки після від­повід. терміч. обробле­н­ня можуть не по­ступатися за мех. властивостями поковкам. Використовують вуглец. та леговані сталі. Вуглец. сталі по­ступаються чавуну за ливар. властивостями, зокрема мають удвічі меншу рідкоплин­ність. Це пояснюється високими вʼязкістю та поверх­невим натягом при т-рах роз­лива­н­ня, а також значно меншим пере­гріва­н­ням. Усадже­н­ня сталей досягає 2,5 %, однак із них можна отримувати складні виливки, різноманітні за конструк­цією, роз­мірами, масою, товщиною стінок. Найбільше пошире­н­ня отримали виливки з середньовуглец. сталей з вмістом вуглецю до 0,45 %. Легов. сталі за­стосовують для збільше­н­ня надійності, довговічності та зниже­н­ня маси литих деталей, а також на­да­н­ня їм спец. властивостей. Вибір легуючих елементів об­умовлюється при­значе­н­ням виливка, його кон­структив. і технол. особливостями. Від­носно до вуглецю легуючі елементи поділяють на карбідо­утворюючі та графітизувальні. Вони зумовлюють утво­ре­н­ня нових структур. складових і змінюють властивості існуючих фаз. Досить поширеними є сталі, леговані хромом, ні­келем, ванадієм, молібденом, міддю, кремнієм, марганцем у різних комбінаціях і спів­від­ноше­н­нях.

Мідні сплави за­стосовують для виливків, які повин­ні мати хорошу зносо­стійкість і антифрикц. властивості, високу короз. стій­кість в атмо­сфері, тех. і мор. воді. Вони немагнітні, добре по­ліруються й обробляються різа­н­ням, однак схильні до утворе­н­ня тріщин. Серед них найрозпо­всюдженіші сплави міді з цинком — латуні. Їх поділяють на прості (двокомпонентні) та складні (одержувані при додатк. легуван­ні алюмінієм, залізом, марганцем та ін. елементами). Прості ливарні латуні використовують рідко. Під час твердне­н­ня в них утворюються концентров. усадк. раковини, що викликає не­обхідність за­стосува­н­ня великих надливів. Легуючі елементи, що входять до склад. латуней, за­звичай сприяють поліпшен­ню ливар. властивостей. Біль­шість латуней мають лінійне уса­дже­н­ня 1,6–1,7 %, малу схильність до утворе­н­ня газ. пористості, оскільки добре дегазуються під час виплавле­н­ня в результаті виникне­н­ня парів цинку. Тому з латуней легше отримати щільні, герметичні виливки. Для виготовле­н­ня апаратури для мор. суднобудува­н­ня, що працює при т-рі 300 °С, втулок і сепараторів під­шипників, натиск. гвинтів і гайок прокат. станів, червʼяч. гвинтів за­стосовують складнолегов. латуні. Сплави міді з ін. елементами, крім цинку, — брон­зи. Оло­вʼяні бронзи містять 2–14 % олова та ін. компоненти. З них виготовляють арматуру, шестерні, під­шипники, втулки, що працюють в умовах стира­н­ня, під­вищеного тиску води та пари. Їхнє лінійне усадже­н­ня менше 1 %, завдяки чому виливки можуть бути отримані без надливів. Бронзи з великим вмістом олова мають добрі ливарні вла­стивості, але через дефіцитність і високу вартість олова за­стосовують тільки для виливків від­повід­ал. при­значе­н­ня. Без­­оловʼяні бронзи за деякими пара­метрами пере­вершують оловʼяні. У них кращі мех. і антифрикц. властивості, короз. стій­кість, однак гірші ливарні властивості. Серед сплавів цієї групи найчастіше за­стосовують алюм. бронзи. Їм властива висока короз. стійкість у пріс. і мор. водах, багатьох агресив. середовищах, вони добре чинять опір удару. Властивості алюм. бронз поліпшуються під час легува­н­ня залізом, марганцем, нікелем та ін. елементами. З алюм. бронз виготовляють гребні гвинти великих суден, важко навантаже­ні шестерні та зубчасті колеса, корпуси насосів, деталі хім. промисловості. Свинц. бронзи мають хороші антифрикц. властивості при ве­ликих питомих навантаже­н­нях і високих швидкостях ковза­н­ня. Їх використовують як замін­ники оловʼяних бронз під час виготовле­н­ня вкладок під­шипників. Особливістю свинц. бронз є схильність до ліквації свинцю. Дис­перс. роз­поділ свинцю мож­ливий лише при великих швидкостях кри­сталізації. Виливки з алюм. сплавів становлять бл. 70 % кольор. лиття. Вони мають високу питому міцність і від­мін­ні ливарні властивості, короз. стійкість в атмо­сфер. умо­вах. Їхня висока рідкоплин­ність забезпечує отрима­н­ня тонкостін. і склад. за формою виливків. Лінійне усадже­н­ня становить 1,0–1,25 %. Алюм. спла­ви мають невисоку температуру плавле­н­ня (550–650 °С). Найкращі ливарні властивості у сплавів системи Al–Si — силумінів. Із ме­талург. комбінатів їх по­стачають на маш.-буд., автомобіл., авіац., електротех. під­приємства. Також використовують алюм. сплави систем: Al–Cu, Al–Cu–Si, Al–Mg. Високі мех. і невисокі ливар-ні властивості — погану рідко­плин­ність, велике лінійне уса­дже­н­ня, схильність до утворе­н­ня усаджув. пухкостей і гарячих тріщин — мають магнієві сплави. Їх за­стосовують у приладобудуван­ні, авіац. промисловості, текс­тил. машинобудуван­ні. Залежно від хім. складу магнієві сплави поділяють на 3 осн. групи, що базуються на від­повід. системах: Mg–Al–Zn, Mg–Zn–Zr та Mg–РЗМ–Zr. Титан. сплави по­єд­нують малу густину (4,43–4,6 г/см³), велику питому міцність (найвищу серед за­стосовуваних у промисловості сплавів), над­­звичайно високу короз. стійкість, значну міцність при під­вищених т-рах. Вони за міцністю не по­ступаються сталям та в кілька разів міцніші від алюм. і магнієвих сплавів. Однак пошире­н­ня їх у техніці стримується високою вартістю та дефіцитністю титану, а також технол. труд­нощами отрима­н­ня виливків.

Літ.: Горшков А. А., Волощенко М. В., Дубов В. В., Крамаренко О. Ю. Справочник по изготовлению отливок из высококачествен­ного чугуна. Москва; К., 1961; Курдюмов А. В., Пикунов М. В., Бахтиаров Р. А. Плавка и затвердевание сплавов цветных метал­лов. Москва, 1968; Альтман М. Б. Метал­лургия ли­тейных алюминиевых сплавов. Москва, 1972; Гуляев А. П. Метал­ловедение. Москва, 1986; A. K. Chakrabarti. Casting technology and cast alloys. New Delhi, 2005; Бялік О. М., Черненко В. С., Писаренко В. М., Москаленко Ю. Н. Метало­знавство. К., 2010; H. Fredriksson, U. Akerlind. Solidification and Crystalli­zation Proces­sing in Metals and Alloys. Stockholm, 2012; Верховлюк А. М. Вза­имодействие жидких и твердых фаз в метал­лургических процес­сах. К., 2013.

А. М. Верховлюк, В. Л. Лахненко, С. В. Гнилоскуренко

Завантажити статтю