Литьё медных сплавов: виды, литейные бронзы и латуни, дефекты и контроль

Литьё медных сплавов — способ получить деталь сложной формы из бронзы или латуни без обработки давлением, сразу с рабочей геометрией. Метод литья выбирают под задачу: центробежное даёт плотные втулки и вкладыши, кокиль — серию с мелким зерном, выплавляемые модели — тонкостенную арматуру, песчаная форма — крупную или единичную отливку. Ниже разбираем пять основных технологий, литейные бронзы (оловянные БрО, безоловянные, свинцовые) и латуни, усадку и дефекты, а также контроль отливки перед отгрузкой.

Что такое литьё медных сплавов

Литьё медных сплавов — это заливка расплавленной бронзы или латуни в форму, где металл кристаллизуется и принимает её очертания. Температура заливки зависит от сплава: оловянные бронзы льют при 1100−1200 °C, алюминиевые — при 1150−1250 °C, латуни — при 950−1100 °C. Форма задаёт не только геометрию, но и скорость охлаждения, а от неё напрямую зависят структура зерна и плотность отливки.

Литьё выбирают там, где деталь сложно или невыгодно получить резанием и давлением: корпусная арматура, червячные колёса, подшипники скольжения, втулки, гребные винты, детали насосов и запорной арматуры. У медных сплавов есть и своя специфика литья — высокая теплопроводность быстро уводит тепло в форму, а широкий интервал кристаллизации у оловянных бронз растягивает затвердевание и разбрасывает усадку по всему объёму. Это определяет и выбор способа литья, и набор возможных дефектов.

Литейные сплавы отличаются от деформируемых по составу. В них специально вводят больше легирующих элементов (олово, свинец, цинк, алюминий, кремний), которые улучшают жидкотекучесть и заполняемость формы, хотя снижают пластичность. Поэтому марку под литьё берут из «литейных» ГОСТов, а не из стандартов на обработку давлением.

Виды литья медных сплавов

Пять способов литья отличаются оснасткой, скоростью охлаждения и достижимой толщиной стенки. Выбор идёт от геометрии детали, тиража и требований к плотности.

Центробежное литьё. Форму раскручивают, и расплав центробежной силой прижимается к стенкам. Металл затвердевает от периферии к центру плотным столбчатым фронтом, а газ, шлак и лёгкие примеси собираются у внутренней поверхности, откуда их снимают припуском на обработку. Так получают втулки, кольца, вкладыши подшипников и гильзы с плотной стенкой без внутренней рыхлоты. Стержень для отверстия не нужен — его образует сама центробежная сила.

Литьё в кокиль. Кокиль — многоразовая металлическая форма. Она отбирает тепло быстрее песка, поэтому отливка кристаллизуется с мелким зерном и выходит плотнее и точнее. Способ рассчитан на серию: оснастка дорогая, но выдерживает тысячи заливок. Минимальная стенка — 3−5 мм, крупные габариты кокилю недоступны.

Литьё по выплавляемым моделям. Модель из легкоплавкого воскового состава обмазывают огнеупорной суспензией, воск вытапливают, а в полученную керамическую оболочку заливают металл. Метод даёт тонкую стенку от 1−3 мм, острые кромки и чистую поверхность без разъёма формы. Применяют для деталей сложной геометрии — рабочих колёс, ответственной арматуры, художественного и точного литья.

Литьё в песчаные формы. Разовая форма из формовочной смеси. Оснастка дешёвая, а масса и габарит отливки практически не ограничены, поэтому способ держит крупное и единичное производство: корпуса насосов, венцы червячных колёс, массивные фланцы. Плата за это — грубая поверхность, толстая стенка от 5−8 мм и более рыхлая структура, чем у кокиля.

Непрерывное литьё. Расплав непрерывно вытягивают через охлаждаемый кристаллизатор, получая пруток, трубу или втулку постоянного сечения. Направленное охлаждение даёт плотный металл с минимумом усадочной пористости и высокий выход годного. Из таких заготовок затем точат втулки и детали, которым нужна повышенная плотность.

Литейные медные сплавы: бронзы и латуни

Литейные сплавы делят на три группы, каждую нормирует свой стандарт. Марка кодирует состав: буква — легирующий элемент, цифра — его доля в процентах, буква «Л» на конце обозначает литейный сплав.

Оловянные литейные бронзы по ГОСТ 613–79 «Бронзы оловянные литейные. Марки» — основной материал для арматуры и подшипников скольжения. Олово даёт хорошую жидкотекучесть и малую линейную усадку 1,4−1,6%, поэтому бронза заполняет тонкие сечения и точно повторяет форму. Свинец и цинк в составе улучшают заливаемость и антифрикционные свойства. Типичные марки — БрО3Ц7С5Н1, БрО5Ц5С5, БрО3Ц12С5, БрО10Ф1. Расплата за широкий интервал кристаллизации — рассеянная усадочная пористость по объёму, из-за которой оловянные бронзы дают вязкую элементную структуру и хуже держат герметичность под давлением без пропитки.

Безоловянные литейные бронзы по ГОСТ 493–79 «Бронзы безоловянные литейные. Марки» заменяют дорогое олово алюминием, железом, марганцем, никелем. Алюминиевые бронзы (БрА9Мц2Л, БрА10Ж3Мц2, БрА10Ж4Н4Л) прочнее оловянных — предел прочности доходит до 400−600 МПа, они стойки к износу и коррозии в морской воде. Кристаллизуются в узком интервале, поэтому усадка выше, 1,7−2,5%, и концентрируется в одном месте усадочной раковиной — её выводят в прибыль, как у стального литья. Отдельно стоит свинцовая бронза БрС30: до 30% свинца делают её антифрикционным материалом для тяжелонагруженных вкладышей, но свинец склонен к ликвации по плотности и требует быстрого охлаждения.

Литейные латуни по ГОСТ 17 711–93 «Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки» — сплавы меди с цинком свыше 20% и добавками. Марки ЛЦ40С, ЛЦ40Мц3Ж, ЛЦ16К4, ЛЦ23А6Ж3Мц2 льют арматуру, втулки, гайки ходовых винтов, детали судового машиностроения. Латуни дешевле бронз, хорошо льются и обрабатываются резанием, усадка — 1,6−2,2%. Кремнистые латуни (ЛЦ16К4) отличаются повышенной жидкотекучестью и герметичностью, поэтому идут на арматуру под давление.

Выбор группы идёт от задачи. Подшипник скольжения под удар и высокую скорость — оловянная бронза; узел с износом и коррозией в воде — алюминиевая; массовая недорогая арматура — литейная латунь; тяжелонагруженный вкладыш — свинцовая бронза. По нашей практике до половины вопросов на литьё решает выбор между оловянной и безоловянной бронзой, а способ литья тут вторичен.

Дефекты литья медных сплавов и контроль

Дефекты медного литья растут из двух причин — усадки при затвердевании и растворённых в расплаве газов. Понимание природы дефекта определяет и способ его отсеять.

• Усадочная пористость и раковины. Металл при кристаллизации уменьшается в объёме. У оловянных бронз с широким интервалом затвердевания усадка рассеивается мелкими порами по сечению, у алюминиевых — собирается концентрированной раковиной, которую выводят в прибыль. Рыхлота в теле отливки роняет прочность и герметичность.
• Газовая пористость. Водород и другие газы, растворённые в жидкой меди, при затвердевании выделяются и образуют круглые поры. Лечится дегазацией расплава, контролем влажности шихты и формы.
• Ликвация. Неоднородность состава по сечению. У оловянных бронз проявляется обратной ликвацией — выпотеванием легкоплавкой фазы на поверхность («оловянный пот»), у свинцовых — расслоением свинца по плотности. Снижается быстрым и направленным охлаждением.
• Горячие трещины и неспаи. Возникают при затруднённой усадке в форме и низкой температуре заливки, когда потоки металла не свариваются.

Контроль отливки идёт в несколько ступеней. Химсостав проверяют спектральным анализом на соответствие марке по ГОСТ 493–79, 613−79 или 17 711−93. Механические свойства подтверждают испытанием на растяжение по ГОСТ 1497–84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» и замером твёрдости по Бринеллю по ГОСТ 9012–59. Внутренние дефекты — раковины, рыхлоту, расслой — выявляют ультразвуковым и рентгеновским контролем; ответственную арматуру дополнительно испытывают на герметичность гидро- или пневмоопрессовкой. В СМ ультразвуковой контроль проходит каждая партия: скрытая усадочная раковина во втулке или вкладыше рвётся под нагрузкой, и УЗК отсеивает такой металл до отгрузки. При несоответствии — замена партии за счёт СМ.

Как выбрать метод литья и услуги СМ

Способ литья вытекает из четырёх параметров детали: геометрия, тираж, масса и требования к плотности. Тело вращения под нагрузку — центробежное литьё; серия компактных деталей — кокиль; сложная тонкостенная геометрия — выплавляемые модели; крупное или единичное — песчаная форма; заготовка постоянного сечения под последующую обработку — непрерывное литьё.

Сплав и способ подбираются вместе. Оловянная бронза с малой усадкой 1,4−1,6% прощает тонкую и сложную форму, но требует пропитки под герметичность; алюминиевая прочнее, однако её концентрированную усадку 1,7−2,5% закладывают в конструкцию прибылей ещё на этапе оснастки. Наши технологи считают усадку и прибыли под конкретную геометрию, чтобы раковина ушла в технологический припуск, а не в тело детали.

СМ ведёт контрактное литьё медных сплавов по чертежам заказчика: подбор марки и способа под задачу, изготовление оснастки, отливка, механическая обработка и контроль партии с сертификатом. Клиент приходит за готовой деталью, а не за слитком металла. По цветным сплавам — бронзе, латуни, меди — закрываем и мелкосерийные позиции, за которые не берутся крупные литейные заводы.

Заключение

Литьё медных сплавов — это выбор связки «способ + сплав» под конкретную деталь. Центробежное литьё даёт плотные втулки и вкладыши, кокиль — серию с мелким зерном, выплавляемые модели — тонкостенную сложную геометрию от 1−3 мм, песчаная форма — крупное и единичное, непрерывное литьё — плотную заготовку. Оловянные бронзы (ГОСТ 613–79) с усадкой 1,4−1,6% заполняют сложные сечения, безоловянные алюминиевые (ГОСТ 493–79) прочнее до 400−600 МПа, литейные латуни (ГОСТ 17 711–93) дешевле и хорошо льются. Качество отливки решает контроль — от спектрального анализа состава до ультразвука и испытания на герметичность.

Технологи СМ подбирают марку и способ литья под задачу, считают усадку и прибыли и подтверждают результат сертификатом с ультразвуковым контролем партии.

Статью подготовили

Автор: Сергей Ковриго

Эксперт в области: литьё медных сплавов и литейные бронзы

Редактор: Роман Отроков

Эксперт в области: металлургия цветных сплавов

Технолог «Специальные Материалы»