Навигация по таблицам
- Таблица линейной усадки основных сплавов
- Таблица объемной усадки по группам сплавов
- Коэффициенты усадки сталей по маркам
- Усадка чугунов различных типов
- Усадка алюминиевых сплавов
- Усадка медных сплавов и бронз
Таблица линейной усадки основных литейных сплавов
| Группа сплавов | Линейная усадка, % | Температурный диапазон, °C | Особенности |
|---|---|---|---|
| Углеродистые стали | 1,8 - 2,2 | 1500 - 20 | Высокая усадка |
| Легированные стали | 2,0 - 2,5 | 1550 - 20 | Максимальная усадка |
| Серый чугун | 0,7 - 1,3 | 1200 - 20 | Графит компенсирует усадку |
| Высокопрочный чугун | 1,5 - 1,8 | 1200 - 20 | Умеренная усадка |
| Алюминиевые сплавы | 1,0 - 1,8 | 650 - 20 | Зависит от содержания Si |
| Медные сплавы | 1,0 - 2,2 | 1100 - 20 | Варьирует по составу |
| Магниевые сплавы | 1,0 - 1,6 | 650 - 20 | Низкая плотность |
| Титановые сплавы | 2,0 - 2,5 | 1650 - 20 | Высокотемпературная усадка |
Таблица объемной усадки по группам сплавов
| Тип сплава | Объемная усадка, % | Соотношение к линейной | Склонность к дефектам |
|---|---|---|---|
| Углеродистые стали | 5,4 - 6,6 | ≈ 3×линейная | Высокая |
| Легированные стали | 6,0 - 7,5 | ≈ 3×линейная | Очень высокая |
| Серый чугун | 2,1 - 3,9 | ≈ 3×линейная | Низкая |
| Алюминиевые сплавы | 3,0 - 5,4 | ≈ 3×линейная | Средняя |
| Медные сплавы | 3,0 - 6,6 | ≈ 3×линейная | Средняя |
| Магниевые сплавы | 3,0 - 4,8 | ≈ 3×линейная | Средняя |
Коэффициенты усадки сталей по маркам
| Марка стали | Тип | Линейная усадка, % | Температура заливки, °C |
|---|---|---|---|
| 20, 25 | Углеродистая конструкционная | 1,8 - 2,0 | 1520 - 1550 |
| 45, 50 | Углеродистая конструкционная | 2,0 - 2,2 | 1530 - 1560 |
| 15Л, 20Л | Углеродистая литейная | 1,9 - 2,1 | 1520 - 1540 |
| 35Л, 45Л | Углеродистая литейная | 2,0 - 2,3 | 1530 - 1570 |
| 20ХЛ, 30ХЛ | Легированная литейная | 2,1 - 2,4 | 1540 - 1580 |
| 40ХЛ, 35ХМЛ | Легированная литейная | 2,2 - 2,5 | 1550 - 1590 |
Усадка чугунов различных типов
| Тип чугуна | Марка | Линейная усадка, % | Графитная структура |
|---|---|---|---|
| Серый | СЧ10, СЧ15 | 0,7 - 1,0 | Пластинчатый графит |
| Серый | СЧ20, СЧ25 | 1,0 - 1,2 | Пластинчатый графит |
| Серый | СЧ30, СЧ35 | 1,1 - 1,3 | Пластинчатый графит |
| Высокопрочный | ВЧ40, ВЧ45 | 1,5 - 1,6 | Шаровидный графит |
| Высокопрочный | ВЧ50, ВЧ60 | 1,6 - 1,8 | Шаровидный графит |
| Ковкий | КЧ30-6, КЧ35-10 | 1,3 - 1,5 | Хлопьевидный графит |
Усадка алюминиевых сплавов
| Марка сплава | Система легирования | Линейная усадка, % | Содержание Si, % |
|---|---|---|---|
| АЛ2 (АК12) | Al-Si | 1,0 - 1,2 | 10-13 |
| АЛ4 (АК9) | Al-Si | 1,1 - 1,3 | 8-10,5 |
| АЛ9 (АК7) | Al-Si | 1,2 - 1,4 | 6-8 |
| АЛ5 (АМц) | Al-Mg | 1,3 - 1,5 | - |
| АЛ8 (АМг5) | Al-Mg | 1,2 - 1,4 | - |
| АЛ19 (АМг6) | Al-Mg | 1,3 - 1,6 | - |
| АЛ1 (АК21) | Al-Si-Cu | 1,4 - 1,6 | 20-22 |
| АЛ3 (АК9Ц6) | Al-Si-Cu | 1,3 - 1,5 | 9-11 |
Усадка медных сплавов и бронз
| Тип сплава | Состав | Линейная усадка, % | Применение |
|---|---|---|---|
| Оловянная бронза | БрО10 | 1,3 - 1,5 | Подшипники |
| Оловянная бронза | БрО8Ц4 | 1,4 - 1,6 | Арматура |
| Алюминиевая бронза | БрА10Ж3Мц2 | 2,0 - 2,2 | Винты, шестерни |
| Алюминиевая бронза | БрА7 | 1,8 - 2,0 | Втулки |
| Кремнистая бронза | БрКМц3-1 | 1,6 - 1,8 | Пружины |
| Латунь | ЛЦ40С | 1,5 - 1,7 | Арматура |
| Латунь | ЛЦ23А6Ж3Мц2 | 1,6 - 1,8 | Морская арматура |
Оглавление статьи
Введение в усадку сплавов при литье
Усадка металлов и сплавов при литье представляет собой фундаментальное физическое явление, которое заключается в уменьшении объема и линейных размеров отливки в процессе охлаждения от температуры заливки до температуры окружающей среды. Это явление обусловлено термическим сжатием материала и изменением кристаллической структуры при переходе из жидкого состояния в твердое.
Понимание процессов усадки критически важно для литейного производства, поскольку неучтенная усадка приводит к серьезным дефектам отливок, включая усадочные раковины, пористость, трещины и отклонения от заданных размеров. Современное литейное производство требует точного знания коэффициентов усадки для различных сплавов и умения их правильно применять в технологических расчетах.
Виды усадки и их характеристики
В зависимости от агрегатного состояния сплава и периода охлаждения различают три основных типа усадки, каждый из которых имеет свои особенности проявления и влияния на качество отливки.
Усадка в жидком состоянии
Жидкая усадка происходит при охлаждении расплава от температуры заливки до начала кристаллизации. Этот тип усадки характеризуется понижением уровня жидкого металла в литниковой воронке и прибылях. Жидкая усадка не влияет на размеры отливки, поскольку недостающий объем металла компенсируется поступлением расплава через литниковую систему.
Усадка в период затвердевания
Данный вид усадки протекает в интервале кристаллизации сплава и является наиболее опасным с точки зрения образования усадочных дефектов. В это время формируется твердый каркас отливки, который препятствует свободному поступлению жидкого металла для компенсации уменьшения объема. Результатом становится образование усадочных раковин и пористости.
Усадка в твердом состоянии
Твердая усадка начинается после полного затвердевания отливки и продолжается до ее охлаждения до комнатной температуры. Именно этот тип усадки определяет окончательные размеры отливки и должен учитываться при изготовлении модельной оснастки.
ε = α × (Tc - T0) × 100%
где:
ε - линейная усадка, %
α - средний коэффициент линейного расширения, 1/°C
Tc - температура начала затвердевания, °C
T0 - конечная температура, °C
Факторы, влияющие на величину усадки
Величина усадки сплавов определяется комплексом факторов, понимание которых позволяет прогнозировать и контролировать этот процесс в практических условиях литейного производства.
Химический состав сплава
Состав сплава является определяющим фактором усадки. Углеродистые и легированные стали демонстрируют максимальные значения усадки (2,0-2,5%), что связано с высокой температурой плавления и значительным температурным интервалом охлаждения. Серые чугуны, напротив, показывают минимальную усадку (0,7-1,3%) благодаря компенсирующему влиянию графитовых включений.
Скорость охлаждения
Интенсивность теплоотвода существенно влияет на проявление усадки. Быстрое охлаждение способствует образованию мелкокристаллической структуры и может увеличивать усадочную пористость. Медленное охлаждение позволяет лучше компенсировать усадку за счет подпитки расплавом, но может привести к образованию крупных усадочных раковин.
Конструкция отливки
Геометрия отливки значительно влияет на распределение усадочных напряжений. Наличие толстых сечений, концентраторов напряжений и переходов различной толщины создает неравномерность охлаждения и, как следствие, неоднородность усадочных процессов.
Для стальной отливки длиной 1000 мм при усадке 2% размер модели должен составлять:
L_модели = 1000 / (1 - 0,02) = 1020,4 мм
Методы расчета и измерения усадки
Точное определение коэффициентов усадки является основой для проектирования качественной модельной оснастки и технологических процессов литья. Существует несколько методов определения усадки, каждый из которых имеет свою область применения.
Экспериментальное определение
Наиболее точным методом является экспериментальное определение усадки на специальных образцах. Для этого используются стандартные формы в виде стержней, призм или цилиндров. Измерения проводятся при различных температурах охлаждения с использованием высокоточных измерительных инструментов.
Расчетные методы
Теоретический расчет усадки основывается на знании температурного коэффициента линейного расширения материала и температурного интервала охлаждения. Этот метод дает приближенные значения и требует корректировки по результатам практических испытаний.
Справочные данные
Для широко применяемых сплавов существуют справочные таблицы коэффициентов усадки, полученные на основе многочисленных экспериментов. Эти данные служат отправной точкой для технологических расчетов, но могут требовать корректировки в зависимости от конкретных условий производства.
εV ≈ 3 × εL
где:
εV - объемная усадка, %
εL - линейная усадка, %
Это приближенное соотношение справедливо для изотропных материалов.
Практическое применение коэффициентов усадки
Правильное применение данных об усадке является ключевым элементом успешного литейного производства. Коэффициенты усадки используются на различных этапах технологического процесса, от проектирования модельной оснастки до контроля качества готовых отливок.
Проектирование модельной оснастки
При изготовлении моделей все размеры увеличиваются на величину, соответствующую коэффициенту усадки конкретного сплава. Для этого используются специальные усадочные линейки, шкала которых увеличена пропорционально усадке. Такой подход обеспечивает получение отливок с требуемыми размерами после охлаждения.
Расчет припусков на механическую обработку
Знание точных коэффициентов усадки позволяет минимизировать припуски на механическую обработку, что приводит к экономии материала и снижению трудозатрат. Особенно это важно при производстве крупногабаритных отливок, где даже небольшая погрешность в расчете усадки может привести к значительному перерасходу материала.
Оптимизация литниковых систем
Усадочные характеристики сплава влияют на конструкцию литниковой системы и расположение прибылей. Сплавы с высокой усадкой требуют более развитой системы питания для предотвращения образования усадочных дефектов.
При производстве корпусной детали из стали 35Л размером 500×300×200 мм с усадкой 2,1%, размеры модели составят:
- Длина: 500 × 1,021 = 510,5 мм
- Ширина: 300 × 1,021 = 306,3 мм
- Высота: 200 × 1,021 = 204,2 мм
Предотвращение усадочных дефектов
Борьба с усадочными дефектами требует комплексного подхода, включающего правильное конструирование отливки, оптимизацию технологических параметров и применение специальных технологических приемов.
Конструктивные методы
Правильное конструирование отливки является первым шагом в предотвращении усадочных дефектов. Следует избегать резких переходов сечений, концентрации массы металла в отдельных узлах и создавать условия для направленного затвердевания от тонких сечений к толстым.
Технологические методы
К технологическим методам борьбы с усадкой относятся применение прибылей, холодильников, экзотермических вставок и регулирование температурных режимов заливки и охлаждения. Правильно спроектированная система прибылей обеспечивает подпитку отливки жидким металлом в процессе затвердевания.
Модифицирование сплавов
Введение в расплав модификаторов может существенно изменить усадочные характеристики. Например, модифицирование алюминиевых сплавов натрием или стронцием приводит к измельчению структуры и снижению склонности к образованию усадочной пористости.
Современные подходы к компенсации усадки
Современное литейное производство использует передовые технологии и методы для точного прогнозирования и компенсации усадочных процессов. Эти подходы позволяют повысить качество отливок и эффективность производства.
Компьютерное моделирование
Применение программных комплексов для моделирования процессов затвердевания позволяет прогнозировать распределение усадочных дефектов еще на стадии проектирования. Современные программы учитывают теплофизические свойства сплавов, конструкцию отливки и параметры технологического процесса.
Адаптивные технологии
Развитие систем автоматического контроля позволяет в реальном времени корректировать параметры процесса литья для минимизации усадочных дефектов. Такие системы могут регулировать температуру заливки, скорость охлаждения и другие критические параметры.
Новые материалы и технологии
Разработка новых сплавов с улучшенными литейными свойствами, включая пониженную усадку, открывает новые возможности для производства высококачественных отливок. Применение нанокомпозитов и специальных легирующих элементов позволяет управлять усадочными процессами на микроструктурном уровне.
Использование программных средств позволяет учесть:
- Неравномерность охлаждения
- Влияние формы на усадку
- Взаимодействие различных участков отливки
- Оптимизацию расположения прибылей
Развитие аддитивных технологий в литейном производстве открывает новые возможности для создания сложных форм и стержней, что позволяет более эффективно управлять процессами затвердевания и минимизировать усадочные дефекты. Интеграция различных современных технологий обеспечивает повышение качества литья и снижение отходов производства.
