Литейные сплавы: виды, свойства и марки

Что такое литейные сплавы

Литейные сплавы — металлические сплавы, из которых изготавливают детали литьём: расплав заливают в форму, он затвердевает и принимает её очертания. Так получают корпуса, крышки, радиаторы, крыльчатки, втулки, арматуру и станины, которые механической обработкой из проката делать долго и дорого или нельзя вовсе.

Литейное производство использует сплав там, где отливка заменяет сварную или точёную деталь: в машиностроении, приборостроении, электротехнике, на транспорте. Отливка сразу обладает формой, близкой к готовой детали, поэтому металла уходит в стружку меньше, а внутренние полости, рёбра и приливы получаются без сборки. Выбор материала для отливки определяет её массу, прочность, коррозионную стойкость, стоимость металла и то, каким способом её можно изготовить.

Металлы делят на литейные и деформируемые по тому, как из них получают изделие. Деформируемым сплавам нужна пластичность: их прокатывают, прессуют, куют и штампуют. Литейным нужно другое — хорошо заполнять форму, давать плотную отливку и не трескаться при остывании. Поэтому в литейных сплавах больше элементов, которые снижают температуру плавления и улучшают текучесть расплава: кремния в силуминах, углерода в чугуне, цинка и свинца в латунях. Обратная сторона — меньшая пластичность: относительное удлинение литых силуминов по ГОСТ 1583-93 — от 0,5 до 6 %, у деформируемых сплавов оно обычно выше.

Литейный вариант видно по марке. В ГОСТ 1583-93 у сплава АМг6л буква «л» означает литейный сплав, в ГОСТ 977-88 литейные стали обозначают буквой «Л» в конце: 35Л, 20ГСЛ, 110Г13Л. У чугуна отдельной пометки нет — он почти весь литейный.

Литейные свойства сплавов

Литейные свойства — технологические характеристики сплава, от которых зависит, получится ли отливка нужной формы без дефектов. Технолог смотрит на них раньше, чем на прочность: материал с высокой прочностью, который не заполняет тонкую стенку, для детали не годится, а качество отливки определяется именно литейными свойствами металла.

• Жидкотекучесть — способность расплава заполнять форму и воспроизводить её очертания. От неё зависит, какую минимальную толщину стенки, рёбра и мелкие детали рельефа можно отлить. Жидкотекучесть растёт с температурой заливки и выше у сплавов, близких к эвтектике: у силумина АК12 с 10–13 % кремния, у серого чугуна, у цинковых сплавов. Металлическая форма отводит тепло быстрее песчаной, поэтому для металлических форм нужен материал с высокой жидкотекучестью.
• Усадка — уменьшение объёма и размеров сплава при затвердевании и охлаждении. Объёмная усадка даёт усадочные раковины и пористость там, где металл затвердевает последним, линейная — расхождение размеров отливки с моделью. Модель делают больше детали на величину линейной усадки. Для серого чугуна ГОСТ 1412-85 даёт её от 1,0 % у СЧ10 до 1,3 % у СЧ30 и СЧ35.
• Склонность к трещинам. Затрудненная усадка в форме растягивает отливку. Пока между кристаллами остаётся жидкость, возникают горячие трещины, при охлаждении ниже температуры затвердевания — холодные. Чем шире интервал кристаллизации сплава, тем выше риск.
• Газопоглощение — растворение газов в расплаве. Расплав алюминия растворяет водород, который при затвердевании выделяется и даёт газовую пористость. ГОСТ 1583-93 нормирует содержание водорода и приводит методику оценки газовой пористости отливок.
• Ликвация — неоднородность химического состава по сечению отливки: элементы, которые затвердевают позже, скапливаются в середине и в верхней части. Её снижают составом сплава, скоростью охлаждения и термообработкой.

Химический состав и качество отливки

Качество отливки начинается с химического состава металла. Стандарт на сплав задаёт содержание основных легирующих элементов и предельное содержание примесей, и плавку проверяют химическим или спектральным анализом. Для алюминиевых сплавов главная вредная примесь — железо: оно образует хрупкие соединения и снижает пластичность, поэтому в чистых марках с буквой «ч» его допускается меньше. Механические свойства по ГОСТ 1583-93 определяют на отдельно отлитых образцах с литейной коркой, отлитых тем же способом, что и отливки, или на образцах из прилитой к отливке заготовки. Газовую пористость оценивают непосредственно на отливках или на вырезанных из них образцах.

Классификация литейных сплавов

По основному металлу литейные сплавы делят на чёрные — на основе железа — и цветные. Внутри каждой группы стандарт задаёт марки, химический состав и механические свойства, которые сплав должен показать в отливке.

Кроме этих групп, в литье применяют магниевые сплавы — самые лёгкие из конструкционных, — титановые для авиации и медицины, никелевые жаропрочные для лопаток турбин. В общем машиностроении и приборостроении больше всего отливок делают из серого чугуна, силуминов и цинковых сплавов.

Литейные алюминиевые сплавы по ГОСТ 1583-93

ГОСТ 1583-93 делит алюминиевые литейные сплавы на пять групп по основной системе легирования: I — алюминий — кремний — магний, II — алюминий — кремний — медь, III — алюминий — медь, IV — алюминий — магний, V — алюминий и прочие компоненты. Первые две группы — силумины, на них приходится основная часть алюминиевого литья: корпуса приборов и двигателей, радиаторы, крышки, кронштейны.

Как читать таблицу. Механические свойства литейного сплава зависят от способа литья и термической обработки, поэтому стандарт задаёт их отдельно для каждого сочетания. Прочерк значит, что такого сочетания в ГОСТ 1583-93 нет. Термообработку обозначают буквой Т с цифрой: Т1 — искусственное старение без закалки, Т2 — отжиг, Т4 — закалка, Т5 — закалка и неполное искусственное старение, Т6 — закалка и полное старение, Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск, Т8 — закалка и смягчающий отпуск. Закалка со старением поднимает прочность АК9 в кокиле со 157 до 245 МПа, но отливку после неё может повести, и чистовую механическую обработку делают уже после термообработки.

Сплавы группы I с 10–13 % кремния, как АК12, ближе всех к эвтектике: у них лучшая жидкотекучесть и наименьшая склонность к трещинам. Упрочняющей термообработки для АК12 стандарт не предусматривает, только отжиг Т2, поэтому его берут для деталей сложной формы со средней нагрузкой. Медь, которой легируют сплавы II группы — АК5М2, АК8М, АК8М3ч, — обеспечивает высокую прочность и хорошую обрабатываемость резанием, но снижает коррозионную стойкость. Такие сплавы используют для нагруженных корпусов и деталей двигателей, которые затем защищают окраской. Сплавы алюминия с магнием, как АМг6л, стойки к коррозии и при этом пластичнее силуминов — удлинение не менее 6 %, — но льются хуже. Сплав с медью АМ5 — один из самых прочных после термообработки, но по жидкотекучести уступает силуминам, и литья под давлением для него в стандарте нет.

Медные литейные сплавы: латуни и бронзы

Медные сплавы льют, когда деталь должна работать в паре трения, в воде и паре, проводить ток или тепло. Латуни — сплавы меди с цинком, литейные марки установлены ГОСТ 17711-93. Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами; оловянные литейные бронзы — ГОСТ 613-79.

Свинец в латунях ЛЦ40С и ЛЦ40Сд улучшает обрабатываемость резанием и работу в паре трения, марганец и железо в ЛЦ40Мц3Ж поднимают прочность почти вдвое. Оловянные бронзы обладают высокой износостойкостью в паре трения, но дороже латуней из-за олова, поэтому их берут там, где латунь не справляется: в нагруженных червячных колёсах, гайках ходовых винтов и подшипниках скольжения. Литья под давлением для оловянных бронз ГОСТ 613-79 не предусматривает — их льют в песчаные формы и кокиль.

Цинковые литейные сплавы

Цинковые сплавы с алюминием и медью — в обиходе ЦАМ — затвердевают при 375–404 °C — примерно на 200 °C ниже силуминов — и хорошо заполняют тонкие стенки. Их льют под давлением на высоких скоростях, а отливку сразу покрывают никелем и хромом: из ЦАМ делают фурнитуру, корпуса разъёмов, замки, мелкие шестерни и декоративные детали. Марки установлены ГОСТ 25140-93.

Сплавы ЦА4 и ЦА4М1 стандарт рекомендует для деталей, которым нужна стабильность размеров: в ЦА4М1 размеры практически не меняются при естественном старении. Медь повышает прочность и твёрдость, но у ЦА4М3 размеры со временем могут измениться до 0,5 %. Международные обозначения тех же составов ГОСТ 25140-93 приводит в одной таблице с отечественными: ЦА4М1 соответствует ZnAl4Cu1, ЦА4М3 — ZnAl4Cu3. Подробнее о литье этих сплавов — на странице о литье ЦАМ под давлением.

Литейный чугун: серый и высокопрочный

Чугун — сплав железа с углеродом более 2,14 %, самый распространённый материал литейного производства. Углерод выделяется в нём графитом, и от формы графита зависят свойства. В сером чугуне графит пластинчатый: такой чугун хорошо льётся, гасит вибрации и легко режется, но хрупок. Из него делают станины, корпуса редукторов и насосов, тормозные барабаны, крышки. В высокопрочном чугуне графит шаровидный, и при той же технологии литья чугун получает удлинение до 22 %, как у стали.

По таблице видно правило подбора серого чугуна: чем меньше в нём углерода и кремния, тем меньше графита и выше прочность, но больше усадка и хуже жидкотекучесть. Высокопрочный чугун по ГОСТ 7293-85 выпускают от ВЧ 35 (не менее 350 МПа, удлинение 22 %, 140–170 HB) до ВЧ 100 (1000 МПа, удлинение 2 %, 270–360 HB). Ходовые марки — ВЧ 50 (500 МПа, 7 %) и ВЧ 60 (600 МПа, 3 %): из них льют коленчатые валы, шестерни, детали насосов и арматуры, которые раньше делали из стального литья или поковок. После литья чугунные детали часто отжигают для снятия литейных напряжений — об этом на странице о термообработке железоуглеродистых сплавов.

Литейные стали

Сталь является основным материалом для отливок с высокой прочностью и ударной вязкостью, которых не даёт чугун. Её льют, когда форма детали слишком сложна для поковки: корпуса задвижек, рычаги, звёздочки, станины прессов, детали вагонов. Сталь плавится выше чугуна и хуже течёт, усадка у неё больше, поэтому отливку проектируют с более толстыми стенками и плавными переходами. ГОСТ 977-88 задаёт механические свойства после нормализации или после закалки с отпуском — литую сталь без термообработки в ответственных деталях не применяют.

Низкоуглеродистые 15Л, 20Л и 25Л обладают хорошей свариваемостью, поэтому их берут для литосварных конструкций. С ростом углерода прочность растёт, а удлинение и ударная вязкость падают. Как расшифровываются цифры и буквы легирующих элементов в марке — в статье о марках стали.

Способы литья и требования к сплаву

Способ изготовления отливки задаёт, с какой скоростью остывает металл, какая температура формы и как расплав её заполняет. Поэтому один и тот же материал в разных формах получает разные свойства: по ГОСТ 1583-93 сплав АК12 в кокиле имеет временное сопротивление не менее 157 МПа, а в песчаной форме с модифицированием — 147 МПа.

• Литьё в песчаные формы. Форма разовая, из формовочной смеси. Подходит для любых литейных сплавов и любых размеров отливки, от единичного до серийного производства. Металл остывает медленно, поверхность грубее, припуск на механическую обработку больше. Основной вид литья чугуна и стали.
• Литьё в кокиль. Металлическая форма служит тысячи заливок. Высокая скорость охлаждения даёт мелкое зерно и более высокие механические свойства, чем в песке. Применяется в серийном производстве отливок из алюминиевых и медных сплавов, реже из чугуна.
• Литьё под давлением. Поршень машины за доли секунды впрыскивает расплав в стальную пресс-форму. Получаются тонкие стенки, точные размеры и чистая поверхность, но пресс-форма дорогая и окупается на больших сериях. Используются сплавы с невысокой температурой плавления: силумины, цинковые сплавы, латуни.
• Литьё по газифицируемым моделям. Модель из пенополистирола заформовывают в сухой песок, и при заливке металл замещает её, газифицируя. Сложные внутренние полости получаются без стержней, а модель изготавливают быстрее, чем металлическую оснастку, поэтому способ выгоден для новых изделий и небольших партий.
• Литьё по выплавляемым моделям. Восковую модель покрывают керамической оболочкой и выплавляют. Отливка получается точной и с чистой поверхностью — так изготавливают небольшие сложные детали из стали и жаропрочных сплавов.

Как выбрать литейный сплав

Сплав выбирают вместе со способом литья: способ задаёт, какие сплавы вообще можно лить, а сплав — какие свойства получит деталь. Начинают с условий работы детали, затем проверяют, какие марки стандарт допускает для подходящего способа, и оценивают объём производства: от серии зависит, окупится ли металлическая оснастка.

• МассаЛёгкий корпус, радиатор, кронштейнСилумины АК12, АК9, АК7: плотность алюминия втрое ниже, чем у стали и чугуна
• ПрочностьНагруженная деталь, ударыВысокопрочный чугун ВЧ 50 и выше, литейные стали, из алюминиевых — АК8М3ч и АМ5 после термообработки
• ТрениеВтулка, вкладыш, гайка, червячное колесоОловянные бронзы БрО10Ф1, БрО10Ц2, латуни ЛЦ38Мц2С2 и ЛЦ40С
• ВодаМорская вода, судовая арматураЛЦ40Мц3Ж, БрО8Ц4, АМг6л, АК12 с медью не более 0,30 %
• ТочностьМелкая деталь сложной формы под гальваникуЦинковые сплавы ЦА4М1, ЦА4 под давлением
• ВибрацииСтанина, корпус редуктора, основаниеСерый чугун СЧ20, СЧ25: пластинчатый графит гасит колебания

Дальше — проверка способом литья. В таблице марки, для которых стандарты на сплавы задают механические свойства соответствующим способом:

Серый и высокопрочный чугун и литейную сталь льют в песчаные и холоднотвердеющие формы, по выплавляемым моделям и в кокиль; под давлением их не льют из-за высокой температуры плавления. Литьё по газифицируемым моделям применяют и для чугуна со сталью, и для цветных сплавов. Если марки из чертежа нет для выбранного способа, технолог предлагает замену с теми же или лучшими свойствами, и её согласуют с конструктором до запуска оснастки.

Литьё сплавов в технопарке ЗЭМ

Литейный участок технопарка отливает детали из цветных сплавов двумя способами и доводит их до готовой детали механической обработкой и покрытием на той же площадке. Отливки — до 30 кг, свободные мощности — до 450 т в год.

• Литьё по газифицируемым моделям — силумины АК12 и АК7 по ГОСТ 1583-93, отливки до 500 × 500 × 500 мм. Подготовка производства короче, чем у кокиля и литья под давлением, поэтому способ выгоден для новых изделий и небольших партий.
• Литьё под давлением — серийные отливки высокого качества из трёх групп материалов: алюминиевые сплавы АК12, АК9, АК5М2, АК8М для корпусов, крышек и радиаторов; латуни ЛЦ40С и ЛЦ40Мц3Ж для арматуры и деталей, работающих в воде; цинковые сплавы ЦАМ для фурнитуры и мелких точных деталей под гальваническое покрытие. Возможности оборудования — на странице о литье под высоким давлением.

В заявке укажите марку сплава из чертежа, массу и габариты отливки, годовую потребность и требования к поверхности. Если марка не задана, технолог предложит сплав по условиям работы детали и способу литья.