книги / Теория литейных процессов

Литьем получают изделия практически любой массы, габаритов и сложности из любых металлических и неметаллических материалов.

В современных машинах и механизмах доля литых деталей составляет 40-50 %, а стоимость их 10-15 %.

Подавляющая масса металлов в народном хозяйстве в виде элементов конструкции (рельсы, балки, арматура и другие металлоконструкции), на определенной стадии изготовления обязательно проходит через процессы плавки, заливки и затвердевания, т. е. через операции литейного производства.

Литейное производство - одно из наиболее древних ремесел. В Китае, Индии и Египте найдены отливки, относящиеся ко П-Ш тысячелетию до нашей эры. Технология их получения в большинстве случаев не выяснена. Есть основания предполагать, что для отливки предметов домашнего обихода и украшений широко использовали каменные формы. Археологические раскопки в различных районах нашей страны показывают, что в Древней Руси выделение

изготовления литейных форм. Вместо глинопесчаных смесей для изготовления форм стали применять песчано-глинистые смеси, изготовление форм из них в несколько раз быстрее и легче.

Производство стальных отливок было начато в конце XIX в. В России его основоположником был П. Н. Аносов. Трудами А. С. Лаврова и Д. К. Чернова была заложена научная основа получения литых изделий из стали.

Описание и систематизация производственного опыта приготовления слитков и отливок в научно-технической литературе начинаются в XVIII в., а первые эксперименты по исследованию формирования отливок и слитков и анализ этих процессов приведены в трудах выдающихся металлургов XIX в. П. П. Аносова (1797-1851), А. С. Лаврова (1838-1904), Д. К. Чернова (1839-1921). Специальная книга по литейному производству впервые издана в России А. Ф. Мевиусом в 1859 г.

(1883-1968), А. Г. Спасского (1895-1970), Ю. А. Нехендзи (1901-1968), П. П. Берга (1897-1974) и др.

Во время Первой мировой войны получает развитие фасонное литье из алюминиевых сплавов, начинают широко применяться металлические литейные формы (кокили). В 20-х годах XX в. осваивают фасонное литье из магниевых сплавов, в 30-х годах - литье под давлением из алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Появились заменители оловянистых бронз - алюминиевые и марганцевые бронзы.

В 40-х годах начали применять способ литья по восковым моделям, что связано с получением сложных фасонных отливок из жаропрочных, трудно обрабатываемых резанием сплавов на основе никеля, кобальта и железа.

совершенствовалось производство слитков как самостоятельный процесс, и начался массовый выпуск рельсов, балок и других изделий методами обработки металлов давлением.

Вначале слитки отливали в чугунные изложницы, примерно в 30-40-х годах стали применять водоохлаждаемые (для слитков из цветных сплавов) изложницы.

В 40-х годах алюминиевые и магниевые слитки начали получать только способом непрерывного литья. В настоящее время этим способом получают значительную долю слитков из медных, никелевых и железных сплавов.

Огромное влияние на развитие литейного производства оказали советские ученые А. А. Байков, H. Н. Рубцов, А. А. Бочвар, А. Г. Спасский,

Ю.А. Нехендзи, Н. Г. Гиршович, А. А. Рыжиков, А. А. Горшков, Б. Б. Гуляев,

Л.И. Леви, Г. Ф. Баландин, А. И. Вейник, П. Ф. Василевский, С. С. Жуковский,

А.А. Жуков, Ю. П. Васин, Г. И. Тимофеев, Д. Н. Худокормов,

H.Н. Александров, Б. С. Мильман, Н. И. Ключиев и др.

Всамостоятельную научную дисциплину теория литейных процессов выделилась в середине 50-х годов по инициативе Б. Б. Гуляева.

Вопросы для самоконтроля знаний

1.В чем сущность литейного производства?

2.Расскажите предысторию возникновения теории литейных процессов.

3.Какова хронология развития специальных видов литья?

Библиографический список

1.Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов / Б. Б. Гуляев. - Л. : Машиностроение, 1976.

2.Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей / Я. И. Френкель. - Л. : Наука, 1975.

ГЛАВА 2. СТРОЕНИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

2.1.Характеристика металлических расплавов

Многие металлургические процессы протекают с участием следующих жидких фаз: металлической, шлаковой (оксидной), штейновой (сульфидной), солевой (галогенидов металлов и солей кислородных кислот). Строение и свойства металлургических расплавов зависят от взаимодействия этих жидких

многокомпонентными жидкостями, включающими не только металлические, но и металлоидные, сульфидные, оксидные и другие составляющие.

Под строением металлических расплавов понимают количественное описание взаимного расположения в пространстве атомов и ионов. Взаимное расположение в пространстве частиц будет обусловливаться характером и величиной сил взаимодействия между ними. Следовательно, структуру жидких металлов и сплавов характеризуют два параметра - межатомное расстояние и координационное число.

В свою очередь, структура расплава непосредственно связана с его физико-химическими свойствами (вязкость, плотность, поверхностное натяжение, электропроводность, скорость звука и др.) и отражает структурные особенности металлических расплавов. Поэтому эти свойства называют структурно-чувствительными.

Закономерности изменения свойств под влиянием температурно­ временных и концентрационных факторов позволяют выявить особенности строения металлических расплавов.

2.2.Общие сведения о жидком состоянии

Одной из наиболее актуальных и в то же время наиболее сложных проблем современной физики является проблема изучения строения и свойств металлов и сплавов в жидком состоянии. До настоящего времени не существует общепринятой теории жидкого состояния даже применительно к чистым металлам. Между тем разработка правильной теории жидкого состояния имеет не только большое теоретическое, но и прикладное значение для металлургии и литейного производства.

Ранее многие исследователи предполагали, что в жидком состоянии имеет место совершенно хаотичное расположение атомов или ионов в пространстве. Подобное представление привело к отождествлению жидкого состояния вещества с газообразным. Однако в начале XX в. эта точка зрения подверглась коренному пересмотру благодаря изучению природы и свойств жидкой фазы с применением новых методов, в частности рентгеноструктурного анализа. Важную роль в изучении природы жидкой фазы сыграли работы Я. И. Френкеля, И. А. Принса, В. И. Данилова и др.

Выполнены обширные экспериментальные исследования структуры и особенностей жидкого состояния, развиты различные модельные представления. Тем не менее, Я.И. Френкель выдвинул идею, что жидкость при небольших перегревах представляет собой как бы разупорядоченное твердое тело, в котором продолжает существовать ближний порядок, нарушающийся вследствие теплового движения. Как отмечалось Н. А. Ватолиным и Э. А. Пастуховым, из многочисленных теорий, созданных для описания строения реальных жидкостей, наибольший успех имели те, в основе которых лежат представления о сходстве ближнего порядка в расположении атомов и их теплового движения в жидком и твердом состояниях. Теория строения жидкого металла основана на результатах дифракционных, термодинамических и физико-химических исследований.

Жидкое состояние является промежуточным между твердым и газообразным состояниями. Поэтому свойства и структура жидких металлов имеют общие черты как кристаллического строения (периодичность строения атомов), характерного для твердых тел, так и черты беспорядка, присущего для газообразного состояния. Характерной чертой жидких металлов является наличие в них ближнего порядка.

Ближний порядок - непосредственное окружение рассматриваемого атома, первая координационная сфера, ближайшие соседи. Сущность ближнего порядка состоит в том, что ближайшие соседи каждого атома размещены не беспорядочно, а занимают определенные позиции. Установлено, что у металлов с плотноупакованной кристаллической структурой ближний порядок в жидком состоянии очень похож на дальний порядок в кристаллической решетке. У таких металлов координационное число при плавлении уменьшается с 12 до 10-11. Дальний порядок - закономерное расположение частиц, выходящих за пределы первой координационной сферы. Плавление кристалла устраняет лишь трехмерную периодичность, но сохраняет ближний порядок в расположении атомов. При температурах, не слишком отличающихся от температур плавления, жидкость по своим свойствам и структуре существенно ближе к твердым телам, чем газу. Ликвидация дальнего порядка не сильно сказывается на таких свойствах, как удельный или мольный объем, теплоемкость, изотермическая сжимаемость. Все эти свойства определяются, прежде всего, взаимным расположением атомов и энергией связи между ними. В то же время

процесс плавления влияет на свойства, связанные с подвижностью, перемещением частиц.

Как мы увидим из дальнейшего изложения, объем большинства металлов при плавлении возрастает на 3-6 % (табл. 2.1), что соответствует изменению межатомных расстояний на 1-2 %. При испарении расстояния между частицами возрастают в десятки раз.

Плотности металлов в твердом и жидком состояниях близки друг к другу. Из-за смещения атомов на небольшие расстояния процесс плавления существенно не влияет на энергию взаимодействия между частицами в жидком и твердом состояниях. На это непосредственно указывают малые величины

приблизительно 88 Дж/(моль • К).

Малые различия в энергиях взаимодействия и межатомных расстояниях ведут к тому, что характер теплового движения атомов мало изменяется при плавлении. Подтверждением этого может служить близость значений теплоемкости Ср твердого и жидкого состояний (табл. 2.2).

Небольшие изменения объема, теплоемкости, малые величины теплот и энтропии плавления позволяют говорить не только о близости сил взаимодействия и расстояний между частицами в обоих конденсированных состояниях, но и об элементах сходства во взаимном расположении атомов.

В жидкости, где отсутствует кристаллическая решетка, атомы обладают весьма малым временем оседлой жизни. Время пребывания атома в одной точке составляет < КГ6 с, тогда как в твердом теле среднее время пребывания атома в узле решетки на много порядков больше. Именно поэтому под действием малых напряжений слои жидкости легко смещаются друг

относительно друга. Если время воздействия напряжения кратковременное, то могут возникать трещины, как у хрупкого вещества. Точно так же под действием длительной нагрузки твердые вещества (металлы) начинают медленно течь подобно жидкостям (явление ползучести).

Электрическое сопротивление при плавлении металлов увеличивается в 1,5-2,0 раза, а у переходных металлов всего лишь на несколько процентов. Тип проводимости в жидких металлах не изменяется и обусловливается наличием коллективизированных электронов.

В определенных условиях в жидкостях проявляются черты упругости, свойственные кристаллическим телам.

Высокочастотные ультразвуковые колебания, возбуждаемые в жидкостях, вызывают сдвиговые волны, аналогичные упругим волнам в твердых телах. В жидкостях наблюдается хрупкость при быстрых деформациях, а при взрывах в жидкости могут возникать кратковременные трещины.

Изменение температуры не оказывает существенного влияния на величину энергии активации, т. е. на величину энергетического барьера (порога). Однако повышение температуры может увеличивать кинетическую энергию колеблющихся атомов до уровня, достаточного для преодоления энергетического порога. Поэтому чем выше температура, тем большее количество атомов может перемещаться в пространстве, выходя из равновесных положений, тем больше наблюдается вакансионных узлов и дислоцированных атомов, т. е. количество «блуждающих» атомов, не связанных с определенным положением равновесия жидкого состояния, намного больше, чем твердого.

Таким образом, косвенное подтверждение о близости жидких и твердых металлов вблизи температуры кристаллизации следует из данных об изменениях удельного объема, теплоемкости, электрического сопротивления при плавлении, значений теплоты плавления по сравнению с теплотой испарения и ряда других физических свойств.

Температура плавления и температура кипения являются пороговыми величинами: при температуре плавления разрушается дальний порядок, характерный для кристаллизационного состояния, но сохраняется ближний порядок, т. е. порядок в пределах нескольких межатомных расстояний. При температуре кипения нарушается ближний порядок и жидкий металл утрачивает свойства твердого тела.

2.3.Методы исследования строения расплавленных металлов и сплавов

Для исследования строения и свойств жидких металлов и сплавов (жидкостей) используют следующие методы:

-термодинамические;

-дифракционные;

-физико-химические;

-теоретические, основанные на квантово-статистическом рассмотрении жидкости;

-моделирование на ЭВМ.

Остановимся более подробно на дифракционных и физико-химических методах исследований структуры жидкостей (глава 3).

Структурные параметры (степень равновесия, межатомные расстояния, числа ближайших соседей и т. д.) жидкостей могут быть определены дифракционными методами.

Следует сразу же отметить, что применение методов структурного анализа к жидким веществам связано с большими трудностями, так как размытые дифракционные картины затрудняют получение четких и однозначных выводов об их строении. Кристаллы дают дискретную дифракционную картину в результате взаимодействия излучения с пространственной решеткой. Для жидкостей нельзя использовать представление о решетке из-за отсутствия дальнего порядка в расположении атомов. Единственным способом описания структуры жидкостей является построение кривых радиального распределения атомов. Эти кривые связывают радиусы координационных сфер и числа атомов на этих сферах. Максимумы на кривых соответствуют наиболее вероятным межатомным расстояниям.

При изучении структуры жидких металлов и сплавов используют упругорассеянные частицы - фотоны, электроны или нейтроны, имеющие длину волны порядка межатомных расстояний. Применение слабо проникающих в металл электронов осложнено рядом трудноустранимых побочных эффектов (наличие оксидной пленки на поверхности металла, отличие состава поверхностных слоев от объемных вследствие адсорбции), однако требует существенно меньшей экспозиции для получения дифракционной картины. Рентгеновские фотоны, вероятно, наиболее подходят для исследования структуры металлических жидкостей, поскольку время пролета ими расстояний порядка размера атомов (~ 1СГ18 с) мало по сравнению с периодом колебания атома (10'12-1 0 'ь с), что предопределяет достаточно высокую разрешающую способность рентгеновского метода. Нейтроны меньше, чем рентгеновские лучи, поглощаются металлом, но их энергия при той же длине волны, что у фотона, примерно в 105 раз меньше, чем у последнего. Поэтому для нейтронов перераспределение энергии при столкновении с атомами (неупругое рассеяние) более существенно. Это необходимо принять во внимание. Электроны, обладающие малой проникающей способностью в жидкий металл, нашли применение для анализа пленок.

Наибольшее число исследований структуры жидких металлов и сплавов выполнено методом рентгенографии.

Коротковолновый, монохроматический и строго параллельный пучок рентгеновских лучей направляют на тщательно очищенную поверхность

жидкого сплава и измеряют интенсивность рассеянного излучения в зависимости от угла рассеивания.

Дифракционную картину снимают от плоской поверхности жидкости, помещая металл в тигель из материала, не взаимодействующего с исследуемым веществом. Обычно таким материалом служат оксиды алюминия, бериллия и циркония. Для получения плоской поверхности размеры тигля должны быть достаточно большими (площадь 12-14 см2, масса образца около 100 г). Измерения необходимо проводить в вакууме (до ÎO^-IO'2 Па) или в атмосфере очищенного инертного газа, чтобы предотвратить окисление расплава. Важной частью является нагреватель, который должен обеспечивать точное измерение температуры в течение длительного времени нагрева образца до заданной температуры, ее стабилизацию в ‘течение длительного времени, малый температурный градиент в исследуемом объекте. Нагреватель изготавливают из молибденовой или вольфрамовой проволоки, позволяющей нагревать образец до 2270 К и стабильно поддерживать его температуру. Рентгеновские дифрактометры целесообразно использовать в комплексе с ЭВМ, что позволяет не только ускорить, но и автоматизировать процесс рентгенографирования.

На рис. 2.1 приведены схемы дифракционных методов при использовании рентгеновских лучей. В дифракционном методе на отражение (рис. 2.1, а) узкий пучок рентгеновских лучей от источника 1 через монохроматор (на схеме не показан) направляется на чистую плоскую поверхность жидкого металла, имеющего точно заданную температуру. Рентгеновские лучи проникают на некоторую глубину в расплав и рассеиваются на атомах. При этом они взаимодействуют с электронами исследуемого объекта и приводят их в колебательное движение. Колеблясь с той же частотой, что и первичная волна, электроны порождают вторичное электромагнитное излучение, которое фиксируется детектором 2.

Рис. 2.1. Схема экспериментов по рассеянию рентгеновских лучей расплавленными металлами: а - метод отражения на открытой поверхности металла; б - способ на «просвет»; 1 - источник рентгеновского излучения; 2 - детектор; 3 - исследуемый расплав

В методе на просвечивание рентгеновские лучи от источника 1 через монохроматор проходят металлический расплав (рис. 2.1, б).

При использовании потока нейтронов применяют только метод на просвечивание. Рентгеновские лучи или нейтроны, рассеянные одним атомом, интерферируют с лучами, рассеянными его ближайшими соседями. Число ближайших соседей, а также расстояния между ними не остаются постоянными вследствие их большой подвижности в расплавленном металле, поэтому наблюдаемый дифракционный эффект является результатом среднего распределения атомов. Среднее распределение не зависит от атома, выбранного за начало отсчета. Задачей дифракционного анализа является установление особенностей этого среднего распределения.

Интенсивность рассеянного излучения 1(К) на различных углах 20 определяется счетчиком импульсов 2. Это первичная экспериментальная информация; она позволяет рассчитать и графически построить структурный фактор жидкости <з(К), парную функцию радиального распределения атомов от начала отсчета R(r)9 относительную парную функцию радиального распределения атомов g(r) = R(r)/R0, где R0 = NA!V - средняя атомная плотность, NA - число Авогадро, V - молярный объем жидкости, наиболее вероятные расстояния между атомами, координационные числа и некоторые другие функции, которыми оперирует статистическая теория жидкостей.

Первичную обработку результатов эксперимента по дифракции ведут в координатах I - К, где К = 4л-sin0/Я - вектор рассеяния; Я - длина волны излучения; 20 - угол рассеяния. Графическая зависимость 1(К) для жидких меди и никеля приведена на рис. 2.2.

Рассмотрим систему из N одинаковых атомов, облучаемых параллельным пучком монохроматического электромагнитного излучения, длиной волны Я.

рассеяния рентгеновского пучка изолированным атомом данного металла.

Вид функции J = y(sin0Ai) отражает неравномерность распределения частиц в расплаве. Наличие интерференционных максимумов на кривой J свидетельствует о существовании определенного порядка в расположении атомов. Рентгенограммы для жидких металлов имеют как бы промежуточный характер, но ближе к таковой для твердого состояния, но не газообразного.