2.4.13. Выбор способов литья

Разработка процесса изготовления отливки начинается с анали­за техно­логичности конструкции детали. При выборе способа изго­товления отливки определяю­щими факторами являются как техниче­ские требования, предъявляемые к изделию, так и технико-экономи­ческие показатели (КИМ, себестоимость детали в изготовлении, эко­номически оправданная серийность и др.), учиты­вающие расход ме­талла, стоимость оборудования и технологической оснаст­ки. Важную роль при выборе способа литья играет серийность производства. В единичном, мелкосерийном и се­рийном произ­водствах отливки часто изготавливаются литьем в песчаные формы, по выплавляемым моделям. В крупносерийном и массовом производствах применяют литье под давлением, в кокиль, в оболочковые формы, центро­бежное литье, литье в сырые песчаные формы, изготавливаемые на формовочных машинах или автоматических линиях, и др.

Выбор способа литья проводится в зависимости от требований к от­ливкам (габариты отливок, точность их размеров, чистота поверхности), а также возможностей способа литья (серийность производства, коэффициент использования металла, процент выхода годных изделий, себестоимость процесса литья). При выборе способа литья надо обязательно учитывать его возможности по обеспечению нужной конфигурации отливки, требуемого качества структуры металла и уровня механических и специальных эксплуа­тационных свойств. Важно, чтобы способ литья мог обеспечить качествен­ное литье из выбранного конструктором сплава, а также проведения (если есть необходимость) последующей термической обработки отливок.

Труд­ность выбора способа литья вызвана тем, что нередко отливка может быть изготовлена сразу несколькими способами, которые обеспечивают требуе­мые свойства литой детали. В этом случае решающими факторами, обуслов­ливающими выбор рационального способа литья, являются серийность про­изводства и экономичность процесса. Эти факторы, наряду с техническими характеристиками способа литья, могут помочь пра­вильно выбрать технологический процесс литья.

3. Обработка металлов давлением

Формообразование обработкой давлением основано на способности за­готовок из металлов и других материалов изменять свою форму без разру­шения под действием внешних сил. Обработка давлением — один из про­грессивных, экономичных и высокопроизводительных способов производст­ва заготовок в машино- и приборостроении. Почти 90% всей выплавляемой стали и 60% цветных металлов и сплавов подвергают тем или иным спосо­бам обработки давлением — прокатке, прессованию, волочению, ковке, объ­емной или листовой штамповке.

3.1. Понятие о механизме пластического деформирования при обработке давлением

Обработкой давлением могут быть получены заготовки или детали из материалов, обладающих пластичностью, т. е. способностью необратимо деформироваться без разрушения под действием внешних сил.

Установлено, что в монокристаллах пластическая деформация происхо­дит под действием касательных напряжений, вызывающих скольжение ато­марных плоскостей друг относительно друга — явление сдвига. Плоскости скольжения характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов в направ­лениях, по которым межатомные расстояния минимальны. Поэтому сдвиг атомов в этих плоскостях приводит к минимальным нарушениям правильно­сти их расположения, а, следовательно, смещение может быть осуществлено при наименьших напряжениях. Чем больше таких плоскостей в кристаллитах, тем более пластичен металл. Одной из главных причин, определяющих плоскости скольжения, является наличие в них дислокаций. Перемещаясь под действием сил вдоль плоскости скольжения последовательно за счет единичных перемещений атомов, дислокации способствуют снижению на­пряжений, при которых начинается процесс пластического деформирования, и, кроме того, существенно увеличивают пластичность металла. После окон­чания процесса скольжения по одной или нескольким плоскостям, что озна­чает, как правило, выход дислокации, расположенных в этих плоскостях, за границу кристаллита, начинается процесс скольжения в других плоскостях, где сопротивление было более высоким. Усилие деформирования будет воз­растать по мере включения в процесс скольжения новых плоскостей со все более высоким уровнем сопротивления движению дислокации.

Таким образом, механизм пластического деформирования скольжением при обработке давлением можно представить как лавинообразный процесс движения дислокации вдоль плоскостей скольжения под влиянием сдвиго­вых напряжений.

Другой механизм пластической деформации — двойникование, или двойниковый сдвиг — чаще всего встречается в металлах и сплавах, имею­щих гексагональную или объемно-центрированную кубическую решетку. В отличие от обычного сдвига двойниковый совершается только раз и не при­водит к значительным пластическим деформациям. Однако вместе с ним появляются дополнительные очаги сдвиговой деформации по механизму обычного скольжения.

Именно возможностью сочетания двойникования и сдвига объясняется высокая пластичность меди, аустенита, серебра, α-латуни, цинка, магния и др.

Процессы, происходящие при деформировании поликристалличе­ских тел, в которых кристаллиты разделены границами и имеют плоско­сти скольжения, различно ориентированные в пространстве, значительно более сложны, так как в поликристаллическом теле деформация одного, отдельно взятого зерна практически невозможна. Любое перемещение атомов в результате скольжения или двойникования обязательно вызыва­ет соответствующие групповые перемещения по границам зерен или в самих соседних зернах.

Механизм деформирования поликристаллического тела при обработке давлением можно представить в такой последовательности. Вначале под действием приложенных сил начинается сдвиговая пластическая деформация в зернах, плоскости скольжения которых совпадают или близки вектору мак­симальных касательных напряжений (рис. 3.1, а), а также по плоскостям, плотность дис­локации в которых максимальна. Затем последовательно в процесс включа­ются плоскости, сопротивление сдвигу которых более высокое. Одновременно происходит смещение и поворот соседних зерен, т. е. переори­ентация их в пространстве и по отношению к действующим силам (рис. 3.1, б). Зерна, переориентированные в положения, благо­приятные для деформирования, включаются в этот процесс, вызывая поворот других, соседних с ними зерен, и т. д.

Рис. 3.1. Схема развития пластической деформации

поликристалла: а — деформация зерен 1, 2, 3, 4,

плоскости скольжения ко­торых ориентированы

под углом 45° к направлению усилия; б — поворот

и скольжение новых зерен в положение, благо­приятное

для деформирования; в — зерна, вытянутые

в на­правлении интенсивного течения металла

Одновременно со сдвигом протекают и процессы двойникования. В результате структура металла, подвергнутого значи­тельным пластическим деформациям, ха­рактеризуется вытянутыми зернами, ориен­тированными в направлении интенсивного течения металла (рис. 3.1, в).

При обработке металла давлением различают деформацию внутрикристаллитную, т. е. протекающую внутри зерна, и межкристаллитную, протекающую по границам зерен. Межкристаллитная деформация (рис. 3.1, б) осуществляется путем взаимного поворота и перемещения скольжением одних зерен относительно других.

В процессе обработки металлов давлением оба вида деформа­ций протекают одновременно. Однако какой из видов деформации является преобладающим, определяется соотношением прочности зерен и их границ при данном состоянии металла или сплава.

При холодной обработке давлением, осуществляемой обычно при комнатной температуре, преобладает внутрикристаллитная де­формация, а при горячей обработке — межкристаллитная. Объясня­ется это тем, что металл в нагретом состоянии имеет зерна более прочные и менее пластичные, чем их границы.