Основы литейного производства

Литература по литейному производству

1. Чуркин Б.С. и др. «Технология литейного производства». Екатеринбург. Изд-во Уральского проф. пед. ун-та. 2000. – 662 с. (621.74 Т384)

2. Технология литейного производства: литье в песчаные формы: учебник для вузов / А.П. Трухов и др. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 524 с. (621.74 Т 384)

3. Технология литейного производства: Специальные виды литья: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Э.Ч. Гини, А.М. Зарубин, В.А. Рыбкин; Под ред. В.А. Рыбкина. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 352 с. (621.74 Г492)

ЛИТЬЁ – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию отливаемой заготовки или детали. После кристаллизации из формы извлекается готовое изделие – ОТЛИВКА.

Преимущества литейного производства:

– литейное производство дает возможность получать заготовки практически любых размеров – от нескольких граммов до десятков и сотен тонн, практически любой конфигурации с весьма сложными внешними и внутренними поверхностями. При этом форма и размеры литых заготовок могут быть максимально приближены к параметрам готовой детали. Они нуждаются, как правило, лишь в небольшой механической обработке. Толщина стенок отливок может составить от 1 до 500 миллиметров и более, а их длина доходит до 30 метров;

– литью поддается подавляющее большинство металлических сплавов, литейщики используют практически всю гамму существующих в природе металлов;

– есть такие сплавы, из которых возможно изготовить изделие только в виде отливки, поскольку другие способы обработки металла или вообще неприменимы (например, ковка или штамповка), или вызывают серьезные технические затруднения (например, сварка); в первую очередь это относится к чугунам, из которых получают около 80 процентов всего объема изготовляемых отливок;

– практически все отходы литейного производства утилизируются в самом цехе; таким образом, оно близко к безотходному;

– современные литейные процессы достаточно легко механизируются, автоматизируются, при этом достигается высокая универсальность оборудования, допускающая в определенном интервале веса и габаритов отливок возможность гибко переходить в изготовлении от одной отливки к другой;

– широкие возможности получения тонкостенных отливок из прочных сплавов ведут к снижению материалоемкости машин и приборов и повышению их служебных характеристик. Литье часто позволяет вместо многих простых деталей изготовлять одну сложную, упрощая сборку изделия и повышая его работоспособность. Например, одна самолетостроительная фирма заменила сборную конструкцию из 125 штампованных деталей новой, состоящей всего из 5 литых деталей. Общая стоимость конструкции уменьшилась более чем в 20 раз.

Переход металла из жидкого состояния в твердое при определенной температуре называется кристаллизацией.

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Твердое тело Жидкость Газ

В газах отсутствует закономерность в расположении частиц.

Твердые кристаллические тела имеют правильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки определенным образом ориентированы по отношению друг к другу (дальний порядок).

В жидком металле атомы не расположены хаотично, как в газообразном состоянии, и в то же время в их расположении нет той правильности, которая характерна для твердого кристаллического тела. В жидкостях определенная ориентировка распространяется лишь на небольшое число атомов, образующих так называемые флуктуации. Таким образом, для жидкостей характерен только ближний порядок расположения атомов.

Вследствие интенсивного теплового движения атомов ближний порядок динамически неустойчив. Такие микрообъемы с правильным расположением атомов, возникнув, могут существовать некоторое время, затем рассасываться и возникать вновь в другом элементарном объеме жидкости. При охлаждении жидкости подвижность атомов падает, и вблизи температуры плавления образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы, как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами.

Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам. Кристалл растет послойно, при этом каждый слой имеет одноатомную толщину.

До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, и образуются так называемые кристаллиты – зерна. Рост продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ «питающей» жидкости. Взаимным ростом кристаллов и объясняется неправильная форма зерен.

Зерно – это кристалл неправильной формы, выросший из одного зародыша. Соседние зерна по своему кристаллическому строению имеют неодинаковую ориентировку решеток. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5-10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

Рис. 1. Температурная зависимость свободной энергии для жидкой и твердой фаз

Процесс кристаллизации подчиняется второму закону термодинамики, согласно которому всякая система стремится к минимальному значению свободной энергии

F = U – TS,

где F – свободная энергия; U – полная внутренняя энергия системы (состоящая из кинетической и потенциальной энергий ядра, электронов); T – температура, S – энтропия.

Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и плавится, если меньшей свободной энергией обладает жидкое состояние (рис. 1).

Различают теоретическую и фактическую температуру кристаллизации. Теоретической (Т_s) является та температура, при которой свободные энергии обоих состояний равны, когда их существование равновероятно. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Реальная кристаллизация начнется только тогда, когда этот процесс будет термодинамически выгоден системе, т.е. когда будет достигнуто некоторое переохлаждение (степень переохлаждения) относительно теоретической температуры кристаллизации (DТ=Т_s – Т_крист). Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации Т_крист. Чем больше степень переохлаждения D Т, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

Для начала роста кристаллов из жидкого металла вокруг возникающих центров кристаллизации необходимо, чтобы свободная энергия металла уменьшилась. Если же в результате образования зародыша свободная энергия металла увеличивается, то зародыш растворяется.

Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размер зародыша:

,

где σ — удельная поверхностная энергия (поверхностное натяжение); Т ₀ — теоретическая температура кристаллизации (плавления); L — скрытая теплота кристаллизации (плавления); Δ Τ — степень переохлаждения.

Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости их роста (с.р.). А это, в свою очередь, зависит от степени переохлаждения кристаллизующегося расплава (т.е. скорости кристаллизации), что можно наблюдать на кривых Таммана (рис. 2).

При малом переохлаждении (DТ₁) скорость роста велика, скорость зарождения сравнительно мала. В этом случае в объеме образуется сравнительно небольшое количество крупных кристаллов.

С увеличением степени переохлаждения (DТ₂) возрастает число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени. В результате формируется более мелкое зерно.

Если жидкость переохладить очень сильно (DТ₃и правее), то ч.ц. и с.р. становятся равными нулю, жидкость не кристаллизуется, а образуется аморфное тело.

Вывод: Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

С этих позиций легко объясняется и строение стального слитка:

I. Наружная мелкозернистая зона состоит из неориентированных в пространстве мелких кристаллов. Ее образование обусловлено резким перепадом температур: жидкий металл – холодные стенки изложницы. При контакте жидкого металла с холодными стенками изложницы степень переохлаждения велика, и, следовательно, число центров кристаллизации ч.ц. велико, а скорость их роста с.р. мала. В таких условиях формируется мелкозернистая корковая зона.

II. Зона столбчатых кристаллов. После образования мелкозернистой зоны условия теплоотвода меняются. Разница температур (степень переохлаждения) между жидким металлом и только что закристаллизовавшимися кристаллами корковой зоны – невелика. В результате из сравнительно небольшого числа центров кристаллизации в направлении отвода тепла (перпендикулярно к стенке изложницы) начинают расти столбчатые кристаллы. Развитие их в стороны сдерживается соседними дендритами.

III. Зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет определенной направленности отвода тепла. Степени переохлаждения небольшие, поэтому зерна в этой зоне крупные. Здесь зародышами обычно являются различные мелкие твердые частицы, оттесненные при кристаллизации к центру слитка.

Свойства литого металла зависят от степени развития II и III зон.

Очень важно уметь управлять структурой металла – регулировать размер и форму зерен – так как от этого зависит уровень механических свойств материала (чем мельче зерно, тем выше уровень механических свойств материала).

Способы управления структурой при кристаллизации сплава:

1. Температурно-скоростной режим заливки сплава и охлаждения отливки

Низкая температура разливки сплава, высокая скорость охлаждения отливки за счет повышения теплоотвода от металла в форму (например, использования металлической формы – кокиля) позволяют измельчить зерно металла.

Использование внутренних холодильников (в виде порошка металла, прутков или спиралей по химическому составу соответствующих составу отливки), которые устанавливают в форму при ее сборке. Они развариваются или расплавляются и остаются в теле отливки.

Условия отвода теплоты при кристаллизации значительно влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота от растущего кристалла отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равноосные кристаллы.

2. Выбор оптимального химического состава сплава (согласно его положения на диаграмме состояния) с узким температурным интервалом кристаллизации.

Чем шире интервал кристаллизации, тем обширнее зона крупных равноосных кристаллов. Поэтому наилучшими литейными материалами являются сплавы эвтектического и близкого к эвтектическому состава (имеющие постоянную температуру кристаллизации или узкий интервал кристаллизации).

3. Модифицирование сплава

В реальных условиях самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено. Источником образования зародышей служат различные твердые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления.

Модифицирование – это использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Как правило, введение в расплав модификаторов способствует кристаллизации структурных составляющих в округлой форме, их значительному измельчению, равномерному распределению и, как следствие, существенному повышению механических свойств. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно. При этом даже возможно исчезновению зоны столбчатых кристаллов.

Если частицы примеси имеют одинаковую кристаллическую решетку с решеткой затвердевающего металла (так называемые изоморфные примеси) и параметры сопрягающихся решеток примеси и кристаллизующегося вещества примерно одинаковы (отличие не превышает 9 %), то они играют роль готовых центров кристаллизации.

Различают модифицирование:

– поверхностно-активными к кристаллизующейся фазе веществами, которые тормозят скорость роста (с.р.) кристаллов, тем самым способствуя формированию мелкого зерна;

– нерастворимыми тугоплавкими веществами, которыми искусственно создают дополнительные центры кристаллизации (ч.ц.).

4. Внешнее воздействие (механическое перемешивание, заливка в вибрирующие формы, ультразвуковое воздействие, колебание электромагнитных полей, продувка жидкого металла инертными газами) способствует разрушению растущих дендритов, обломки которых становятся дополнительными центрами кристаллизации.

Дата добавления: 2014-01-20