В таблице 1.1. показан химический состав силуминов АЛ 2 , АЛ 4 и АЛ 9 . В АЛ2-10...12%Si; в АЛ9-7...8%Si; в АЛ4-от 8 до 10 % Si. Кроме того этот материал должен иметь высокие литейные свойства как у серого чугуна . К таким материалам относятся литейные алюминиевые сплавы.
Учитывая всё выше сказанное о чугунах СЧ 15 , СЧ 18 целесообразно рекомендовать для изготовления картера шестерен силумины : AL - Si и Al - Si - Mg . В справочниках /9/ ,/6/ рекомендованы для корпусных деталей картеров шестерен , разнообразных крышек использовать силумины ( алюминиевые литейные сплавы ) АЛ 2 ; АЛ 4 ; АЛ 9 .
Сплав АЛ 2 склонен к газовой пористости. Механические свойства сплава средние. Термической обработкой АЛ 2 не упрочняется . Такое количество Si позволяет иметь состав сплава близкий к эвтектическому ( 11,6 % ) . Поэтому силумины отличаются высокими литейными свойствами, а отливки из силумина - большей плотностью. В сплаве АЛ 2 кроме эвтектики
присутствуют кристаллы кремния игольчатой формы, которые играют роль внутренних разрезов и такой сплав будет обладать низкими механическими свойствами. Для измельчения структуры эвтектики устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют Na . Na смещает линии диаграммы состояния Al - Si и заэвтектический сплав АЛ 2 становится доэвтектическим. Вместо избыточного Si появляются кристаллы @- раствора . Сплавы АЛ 4 и АЛ 9 легируются Mg для упрочнения . Упрочняющие фазы Mg2 Si. Была установлена целесообразность введение небольших количеств Mn , Mg, Cu, Be для упрочнения бинарного сплава Аl - Si термической обработкой . Наибольший эффект на термическую обработку силумина оказывает Mg /9/ . При содержании Si до 9% и Mg до 0,7 % увеличивается эффект термической обработки. Однако пластичность силуминов с повышением Si падает . Кроме того, количество неметаллических включений и газовая пористость в силуминах прямо пропорциональны содержанию Si в сплаве. Поэтому сплав АЛ 9 применяется чаще чем АЛ4 , так как применение АЛ 9 связано с меньшими технологическими трудностями. Введение добавок Mn , Cr , Be проводится для нейтрализации вредного влияния железа.
В таблицах от 1.2. до 1.7. показаны механические и технологические свойства рекомендуемых чугунов и алюминиевых сплавов . Из этих таблиц видно , что временное сопротивление СЧ 15 , СЧ 18 и силумин АЛ 2 одинаковы = 150 - 180 Мпа ; у АЛ 4 и АЛ 9 выше = 2000-260 Мпа . Модель упругости (Е) так же выше у алюминиевых сплавов. Обрабатываемость резаньем хуже у алюминиевого сплава ,чем у чугуна.
Картер шестерен получают литьем в песчаную форму , поэтому важными характеристиками являются технологические свойства. Отливки должны иметь высокую жидкотекучесть так как качественная отливка сложной конфигурации зависит от жидкотекучести сплава и от способности заполнять форму при минимальной температуре. Жидкотекучесть у алюминиевых сплавов и у серого чугуна высокие. Кроме жидкотекучести важной характеристикой является усадка - изменение объёма и литейных размеров сплавов во время затвердевания и охлаждения. Из таблиц видно . сто литейная усадка силумина чуть выше чем у серого чугуна . У силуминов литейная усадка 0,8 - 1 % , а у серого чугуна 0,8 - 1,2 % . Объёмная усадка характеризует склонность сплава к усадочным дефектам ( раковины , пористость ) . Объёмная усадка ниже у алюминия , чем у серого чугуна . Плотность алюминиевого сплава ниже чем у серого чугуна . Герметичность алюминиевого сплава высокая. Алюминиевые сплавы при отливках не склонны к образованию горячих трещин .
В данном задании рекомендован СЧ 15 для изготовления картера шестерен , работающего при статических нагрузках.
Чугун является своеобразным композиционным материалов, механические и эксплуатационные свойства которого зависят от характеристик металлической основы ( прочность , пластичность , твердость ) , а также формы, размеров , количества и распределения графитовых включений. При этом решающее значение в ряде случаев имеет либо графит , либо металлическая основа. Так, модуль упругости чугуна зависит от формы и величины графитовых включений , а твердость в основном определяется свойствами металлической основы. Такие свойства , как временное сопротивление разрыву , ударная вязкость , длительная прочность зависят как от свойств металлической основы , так и от формы , размеров , количество графитовых включений. Структура серого чугуна зависит от скорости кристаллизации толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала . Формы графитового включения имеют значения при нагружении чугуна , так как они являются “надрезами” , снижающими прочность и пластичность серого чугуна.
Это происходит , во первых , в следствии некоторого уменьшения живого сечения металлической основы из-за полостей , занятых графитом , имеющим небольшую прочность на разрыв ; во-вторых , что наиболее важно , из-за высокой коцентрации напряжений , возникающей в местах графитовых включений особенно при пластинчатой форме графита. Чем длиннее пластинки графита , тем больше коэффициент концентрации напряжений. Все это приводит к резкой локализации пластических деформаций в механической основе, исчезновению пластичности материала в этих местах , развитию трещин и в итоге - к разрушению материала при средних напряжениях и показателях пластичности , более низких ,чем прочность и пластичность металлической основы серого чугуна /6/. Кроме того из-за разного коэффициента термического расширения графита и металлической основы при охлаждении отливок в чугуне возникают структурные напряжения , которые постепенно возрастая достигают предела упругости материала в местах концентрации напряжения. Поэтому дополнительная внешняя нагрузка любой величины вызывает необратимые пластические деформации в материале и сером чугуне в литом состоянии , по существу , не имеет предел упругости /6/. Модуль упругости уменьшается с увеличением нагрузки.
Наличие пластинчатого включения в чугуне делает его практически не чувствительным к надрезам , что позволяет конкурировать ему с более прочной сталью по сопротивлению усталости и пределу выносливости . Включения графита обеспечивает высокую износостойкость чугуна в условиях трения , скольжения и так далее. /6/ .
Герметичность отливок из чугуна зависит графитовой составляющей и от усадочной прочности. Несмотря на наличия графита герметичность чугуна достаточно велика , если в отливке отсутствуют литейные дефекты. Обрабатываемость серого чугуна зависит от твердости и от структуры металлической основы /6/ .
Учитывая недостатки и достоинства серого чугуна СЧ 15 , рекомендованного для изготовления картера шестерен , можно заменить этот чугун на другой материал , который не имел бы внутренних напряжений в отливках , горящих трещин . газовой пористости , усадочной пористости ; был бы более легким во многих отраслях народного хозяйства для изготовления литейных деталей , несущих большие нагрузки. Прочность АЛ 2 ( таблица 1.3.) такая же как у СЧ 15 и СЧ 18 , но пластичность выше . Отливка из АЛ 2 легче /9/.
СилуминАЛ 4 на основе Al - Mg - Mg содержит Si до 9 % и Mg до 0,5 % . Имеет меньшееколичество газовой пористости , так как она зависит прямо пропорционально от содержания кремния . Si влияет на прочность сплава , поэтому АЛ 4 имеет более высокие прочностные свойства ( = 260 Мпа , НВ = 700 Мпа , =4% ).
Он обладает сравнительно хорошими литейными свойствами , но хуже чем АЛ 2 . Прочность может быть повышена увеличением содержания Mg . Сплав АД 4 применяется для самых сложных и крупных деталей , несущих большие нагрузки. Но технология литья сплава АЛ 4 более сложная , чем технология литья АЛ 2 и АЛ 9 . Для получения отливок из сплава АЛ 4 рекомендуется применять кристаллизацию под давлением 5-6 атмосфер. Это объясняется тем , что сплав АЛ 4 имеет повышенную чувствительность к газонасыщению и образованию пористости в отливках /9/.
Наиболее типичным тройным сплавов Al - Si -Mg является сплав АЛ 9 , который обладает хорошими литейными свойствами , высокой герметичностью , несложной технологией литья детали и достаточно высокой прочностью и практичностью. Сплав Ал 9 очень восприимчив к термической обработке. АЛ 9 имеет сравнительно плохую обрабатываемость резанием и пониженную жаропрочность , поэтому он может быть рекомендован для работы при температуре до 180 С. Сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью , не склонен к образованию горящих трещин. В отливках из этого сплава незначительное усадочные напряжения. /9/.
Для выбора материала для изготовления картера шестеренок следует учитывать механические и технологические свойства и экономическую целесообразность. Механические и технологические свойства алюминиевого сплава доказаны в разделе 1.2. Кроме механических и технологических свойств на себестоимость детали влияют затраты на потерю энергии при термической обработке . Они ниже для алюминиевого сплава , чем для серого чугуна , так как температура закалки и искусственное старение ниже чем у серого чугуна . Для АЛ 9