Роль российских ученых в развитии научных основ и организации производства отливок и слитков

Литейное производство является одним из самых древних видов ис- кусства обработки металлов, с которым познакомилось человечество. Мно- гочисленные археологические находки, обнаруженные при раскопках курга- нов в различных пунктах нашей страны свидетельствуют, что и в Древней Руси медное и бронзовое литье производилось в достаточно большом коли- честве (котелки, наконечники стрел, украшения – серьги, запястья, кольца, головные уборы и др.). При раскопках обнаружены были уцелевшие горны и печи, каменные формочки, служившие для отливки полых топоров, колец, браслетов, металлических бус, крестов и др. Однако большая часть найден- ных в Древней Руси отливок была получена литьем по восковой модели. Оригинален способ изготовления модели: из провощенных шнуров сплетали узор, представляющий копию будущего изделия; на эту восковую модель на- носили глину, пока не получалась достаточно прочная форма, после высуши- вания форму прокаливали, воск выплавлялся, а шнуры выгорали, в образо- вавшуюся полость заливали металл, после охлаждения получалась отливка сложных очертаний.

В ХI в. на Руси возникли местные производственные центры для от- ливки предметов церковного (медные кресты, колокола, образки, подсвечни-

ки и др.) и домашнего (котелки, рукомойники и др.) обихода. Помимо Киева, Новгорода Великого, крупными центрами по выпуску медно-литых изделий стали Устюг Великий, Тверь. Татарское нашествие вызвало застой, продол-

жавшийся до середины ХIV в., после чего начался подъем литейного произ- водства. Это объясняется тем, что создалось централизованное крупное госу- дарство, в связи с чем начали развиваться города и потребовалось вооруже-

Л е к ц и я 1 Основные понятия литейного производства

ние, теперь уже огнестрельное. С производства сварных пушек перешли на бронзовые – литые, отливали колокола, создавали медно-литейные мастер- ские художественного литья. К середине ХVI в. московская артиллерия за- нимала в количественном отношении первое место среди артиллерии евро- пейских государств.

Петровская эпоха представляет скачок в развитии литейного произ- водства. Были созданы большие тульские и калужские заводы Никиты Деми-

дова и Ивана Баташова. Первые стальные отливки были получены во второй половине ХIХ в. почти одновременно в различных странах Европы. В России их изготовили в 1866 г. из тигельной стали на Обуховском заводе. Однако

качество отливок оказалось низким, так как литейные свойства стали значи- тельно уступали свойствам чугуна. Благодаря работам русских ученых- металлургов А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого, которые объяснили явления

ликвации и представили механизм возникновения усадочных и газовых рако- вин, а также разработали меры борьбы с ними, в полной мере раскрылись дос- тоинства стальных отливок. Поэтому фасонные отливки, полученные А.А. Из-

носковым из мартеновской стали на Сормовском заводе в 1870 г., оказались такого высокого качества, что демонстрировались на выставке в Санкт- Петербурге.

После выхода научных трудов основоположника металлографии Д.К. Чернова, создавшего науку о превращениях в сплавах, об их кристалли- зации, структуре и свойствах, начали применять термическую обработку, ко- торая улучшила качество стального литья. Теория металлургических процес-

сов была введена в высшей школе А.А. Байковым в 1908 г. в Петербурском Политехническом институте.

В период с 1927 по 1941 гг. происходит невиданный для прежней

России рост промышленности, строятся крупнейшие механизированные за- воды. Строятся и пускаются литейные цехи, работающие на поточном ре- жиме, с высокой степенью механизации, с конвейерами, с годовым выпус- ком до 100 тыс. т литья.

Одновременно проводятся научно-исследовательские работы, созда- ются теории рабочих процессов и методов расчета литейного оборудования.

Формируется научная школа Московского высшего технического училища, основанная и возглавляемая проф. Н.П. Аксеновым.

Широкое распространение литейного производства объясняется

большими его преимуществами по сравнению с другими способами произ- водства заготовок (ковкой, штамповкой). Литьем можно получить заготовки практически любой сложности с минимальными припусками на обработку. Кроме того, производство литых заготовок значительно дешевле, чем, на- пример, производство поковок.

Развитие литейного производства до наших дней проходило по двум направлениям:

1) разработка новых литейных сплавов и металлургических процес-

сов;

Л е к ц и я 1 Основные понятия литейного производства

2) совершенствование технологии и механизации производства.

Большие успехи были достигнуты в области изучения и улучшения механических и технологических свойств серых чугунов – наиболее распро-

страненных и дешевых литейных сплавов. Все большее распространение по- лучают и совершенствуются специальные виды литья: кокильное, под давле- нием, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям и др., обеспечи-

вающие получение точных отливок и, следовательно, уменьшение затрат на обработку резанием.

Классификация литейных сплавов и области их применения

В среднем на долю литых деталей приходится около 50 % массы ма- шин и механизмов, а их стоимость достигает 20–25 % от стоимости машин. В зависимости от метода получения литых заготовок сплавы подразделяют на литейные и деформированные. Литейные сплавы либо приготовляют из ис- ходных компонентов (шихтовых материалов) непосредственно в литейном цехе, либо получают с металлургических комбинатов в готовом виде и толь- ко переплавляют перед заливкой в литейные формы. Как в первом, так и во втором случае отдельные элементы в процессе плавки могут окисляться (уга- рать), улетучиваться при повышенных температурах (возгоняться), вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами или с футеровкой пе- чи и переходить в шлак.

Для восстановления требуемого состава сплава потери отдельных элементов в нем компенсируют, вводя в расплав специальные добавки (лига-

туры, ферросплавы), приготовляемые на металлургических предприятиях. Лигатуры содержат помимо легирующего элемента также и основной металл сплава, поэтому они легче и полнее усваиваются расплавом, чем чистый ле-

гирующий элемент. При плавке сплавов цветных металлов применяют лига- туры: медь–никель, медь–алюминий, медь–олово, алюминий–магний и др. При литье черных сплавов широко используют ферросплавы (ферросилиций,

ферромарганец, феррохром, ферровольфрам и др.) для введения легирующих элементов, а также для раскисления расплава. В процессе раскисления эле- менты, содержащиеся в ферросплавах, выполняют роль восстановителей: они

соединяются с кислородом оксида, растворенного в расплаве, восстанавли- вают металл, а сами, окислившись, переходят в шлак. Очищение (рафиниро- вание) расплава раскислением способствует значительному улучшению ка-

чества металла отливки, повышению его прочности и пластичности. Ряд сплавов, а также неметаллических материалов (солей и др.) используют в ка- честве модификаторов, которые при введении в литейный сплав в небольших количествах существенно влияют на его структуру и свойства, например, из-

мельчают зерно и способствуют повышению прочности металла. Так, для получения высокопрочного чугуна используют модифицирование магнием.

Л е к ц и я 1 Основные понятия литейного производства

Основными критериями качества литого металла являются механиче- ские свойства, показатели структуры, жаростойкости, износостойкости, кор- розионной стойкости и др., заданные в технических требованиях.

Сплавы принято разделять, как и металлы, прежде всего на черные и цветные, причем в последние входят и легкие сплавы. Сплавы подразделяют на группы в зависимости от того, какой металл является основой сплава.

Наиболее важными группами сплавов считаются следующие:

чугуны и стали – сплавы железа с углеродом и другими элементами; сплавы алюминия с различными элементами;

сплавы магния с различными элементами;

бронзы и латуни – сплавы меди с различными элементами.

В настоящее время наиболее широкое применение находят сплавы первой группы, т.е. сплавы черных металлов: около 70 % всех отливок по

массе изготовляют из чугуна и около 20 % – из стали. На долю остальных групп сплавов приходится сравнительно небольшая часть общей массы отливок.

В химическом составе сплава различают основные элементы (напри-

мер, железо и углерод в чугуне и стали), постоянные примеси, наличие кото- рых обусловлено процессом производства сплава, и случайные примеси, по- павшие в сплав вследствие тех или иных причин. К вредным примесям в стали и чугуне относятся сера, фосфор, закись железа, водород, азот и неме- таллические включения. Вредными примесями в медных сплавах являются закись меди, висмут и в некоторых из них – фосфор. Резко ухудшают свойст- ва оловянной бронзы примеси алюминия и железа, а в алюминиевой бронзе, наоборот, – олово. В алюминиевых сплавах должно быть ограничено содер- жание железа, в магниевых, кроме того, – меди, никеля и кремния. Газы и неметаллические включения во всех сплавах являются вредными примесями.

Требования к каждому литейному сплаву специфичны, однако суще- ствует и ряд общих требований:

состав сплава должен обеспечивать получение заданных свойств от-

ливки (физических, химических, физико-химических, механических и др.); сплав должен обладать хорошими литейными свойствами – высокой

жидкотекучестью, несклонностью к насыщению газами и к образованию не-

металлических включений, малой и стабильной усадкой при затвердевании и охлаждении, несклонностью к ликвации и образованию внутренних напря- жений и трещин в отливках;

сплав должен быть по возможности простым по составу, легко приго- товляться, не содержать токсичных компонентов, не выделять при плавке и заливке сильно загрязняющих окружающую среду продуктов;

сплав должен быть технологичным не только в изготовлении отливок,

но и на всех последующих операциях получения готовых деталей (например,

при обработке резанием, термообработке и т.д.);

сплав должен быть экономичным: содержать по возможности мень- шее количество дорогостоящих компонентов, иметь минимальные потери

при переработке его отходов (литников, брака).

Л е к ц и я 1 Основные понятия литейного производства

Литейные и физико-химические свойства сплавов

К основным литейным свойствам сплавов относят жидкотекучесть, усадку, ликвацию, склонность к образованию трещин и отбелу.

Жидкотекучесть – способность металла в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, четко воспроизводя ее контуры и поверхность. При низкой жидкотекучести движение расплава в форме может прекратиться

раньше, чем она будет заполнена. На жидкотекучесть оказывают влияние многие факторы, связанные со свойствами, состоянием и строением расплава (его природа, температура при заливке, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость и теплопроводность, наличие включений и др.). Жидкотеку-

честь определяют по технологической пробе и оценивают по длине спираль- ного (или прямолинейного) канала, заполненного расплавом в контрольной форме.

Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаж- дении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердев- шем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Разли-

чают объемную и линейную усадки, выражаемые в процентах. Результатом объемной усадки являются усадочные раковины и поры в отливке. Усадку сплава определяют на специальных технологических пробах и оценивают по

разности размеров (или объема) сплавов до затвердевания и после охлажде- ния.

Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных местах сечения отливки, возникшая при ее затвердевании. Ликвацию опре-

деляют химическим способом или спектральным анализом. Склонность сплавов к образованию трещин проявляется в процессе затрудненной усадки при охлаждении.

Отбел – склонность чугуна к выделению структурно свободных кар- бидов сверх необходимого для образования перлитной структуры. Величина отбела зависит в основном от скорости охлаждения отливки и химического

состава чугуна. Чем выше скорость охлаждения, тем больше склонность чу- гуна к образованию отбела. Химическими элементами, уменьшающими от- бел, являются углерод, кремний, алюминий, титан и др.; увеличивающими –

ванадий, марганец, молибден, хром и др. Толщина проб для определения склонности чугуна к отбелу связана с преобладающей толщиной сечения стенок отливки.

Если к литым деталям не предъявляется высоких требований в отно-

шении механических и других свойств, то обычно такие детали изготовляют- ся из самого дешевого литейного сплава – чугуна, обладающего относитель- но невысокой температурой плавления, хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Но если детали должны иметь высокие механические свойства, то их необходимо изготовлять из стали, хотя она дороже чугуна и имеет высо- кую температуру плавления, худшую жидкотекучесть и большую усадку. Иногда решающее значение имеет среда, в которой должны работать детали.

Л е к ц и я 1 Основные понятия литейного производства

Например, для работы в морской воде они изготовляются из более дорогих медных сплавов (бронзы и иногда латуни), так как чугун и обычная сталь в такой среде легко разрушаются из-за недостаточной химической стойкости. При изготовлении отливок для самолетостроения, когда решающее значение имеет масса, применяют алюминиевые или магниевые сплавы, несмотря на их высокую стоимость.

Химические составы литейных сплавов указаны в ГОСТах и техниче-

ских условиях. В существующих ГОСТах регламентируется качество более 200 литейных сплавов. Отливки из 400 литейных сплавов изготовляются по техническим условиям, принятым изготовителем и потребителем.

Химический состав и механические свойства стальных отливок рег- ламентируются ГОСТ 977-88, отливок из серого чугуна – ГОСТ 1412-85, вы- сокопрочного модифицированного чугуна – ГОСТ 7293-85, из сплавов на ос- нове алюминия – ГОСТ 1583-93, магниевых сплавов – ГОСТ 2856-79 и т.д.

Контрольные вопросы и задания

1. Какова история развития литейного производства в России?

2. Какова роль русских ученых в развитии научных основ и организа- ции производства отливок из сплавов черных и цветных металлов?

3. Каковы методы получения литых заготовок?

4. Какие литейные формы можно использовать для получения фасон- ных отливок?

5. Каким образом классифицируют литейные сплавы?

6. Каковы требования к литейным сплавам?

7. Перечислите основные области применения литейных сплавов.

8. В чем заключается сущность литейной технологии?

9. По каким технологическим пробам определяют жидкотекучесть и усадку сплавов?

10. Какие характеристики металлов регламентируются ГОСТами и ТУ?

Л е к ц и я 2

Дата добавления: 2014-11-25