Литье металлов

Литье металлов это процесс, при котором расплавленный металл заливается в формы, где и застывает. Такая технология обработки металлов известна ещё с глубокой древности: так например, в Египте найдены литые бронзовые статуэтки третьего тысячелетия до нашей эры. В настоящее время литье - это сложный технологический процесс, в котором широко применяется автоматизация производства.

Наиболее простой способ литья литье в песчаные формы. Сначала изготавливаются деревянные шаблоны, а на их базе песчаные формы. После этого в песчаную форму заливается расплавленный металл, который постепенно застывает.

При удалении полученной отливки форма разрушается.

Другим, более эффективным методом литья является литье в постоянные формы. Расплавленный металл заливается в термостойкие металлические формы. Перед заливкой их покрывают специальным составом и нагревают до определенной температуры, которую в дальнейшем поддерживают постоянной.

Металл входит в форму под действием силы тяжести, поэтому получаются отливки, свободные от шлаковых и газовых включений. В целях повышения производительности труда применяется карусельный способ, причем созданы комплексы, в которых весь процесс, включая заливание расплава, автоматизирован.

Способом литья в постоянные формы получают отливки массой от нескольких грамм до нескольких тонн.

Самым перспективным способом литья считается литье под давлением. Металл заливается на высокой скорости, благодаря чему хорошо заполняются все полости, а отливка получается довольно плотной.

Недостатком такого способа является образование пузырьков воздуха в отливке, но благодаря достижениям в науке и технике эти дефекты сведены к минимуму.

При отливке под давлением получают высококачественные отливки с чистой поверхностью.

Структура металлов

Из 104 элементов периодической системы Д.И. Менделеева 82 элемента являются металлами. Все металлы являются кристаллическими телами, в которых атомы расположены закономерно и периодически.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого количества мелких различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Вследствие условий кристаллизации, кристаллы имеют неправильную форму, называются кристаллами или зернами металла.

Металлы в твердом состоянии и отчасти в жидком состоянии обладают высоко тепло - и электропроводностью, а также положительным температурным коэффициентом электросопротивления. Большое количество металлов обладает сверхпроводимостью, термоэлектронной эмиссией хорошей отражательной способностью. Наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легко подвижных электронов проводимости. Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Атом в стационарном состоянии нейтрален. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра и соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе элементов.

Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов. Связь электрона с атомом определяется работой выхода электрона, то есть работой, необходимой для удаления из изолированного атома внешнего электрона.

Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную решетку, определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие имеет название металлической связи. Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами, которые не имеют резко выраженного направленного характера. Атомы (ионы) стремятся расположиться на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.

Под структурой понимают строение металла. Структуру металла делят на макроструктуру и микроструктуру. Макроструктура - это строение металла видимое невооруженным глазом или при не большом увеличении. Макроструктуру можно исследовать по методике излома и на специальных макрошлифах. Изучение излома - это методика для определения переднего фронта вязкой трещины. В отличие от аморфного тела, кристаллическое тело имеет зернистый излом. По излому определяют о размере зерна, особенностям выплавки и литья (температура литья, скорость и равномерность охлаждения), термической обработки, а, следовательно, свойствах металла. Крупнозернистый излом отвечает более низким механическим свойствам, чем мелкозернистый. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению, для определения трещин.

Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, т.е. не большой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. Микроструктуру металлов наблюдают в оптическом металлографическом микроскопе, в котором изучаемый объект рассматривается в отраженном свете. В настоящее время применяется прямой метод исследования трещин на просвет. В этом случае исследуют трещины, их образцы, приготовленные из массивных образцов и прозрачных для электронов. Для изучения металлов применяют электронный микроскоп. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дает возможность различать детали очень малых размеров.

Выявление микроструктуры при травлении основано на том, что различные фазы протравливаются, не одинаково и поэтому окрашиваются по-разному.

Электронный микроскоп, дающий на один - два порядка большее разрешение, чем оптический позволяет изучить тонкую структуру металла. Один из методов электронной микроскопии это есть наблюдение дефектов кристаллической структуры. Различают косвенные и прямые методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике приготовления тонких слепков - пленок (реплик), отображающих рельеф травленого шлифа. Исследуя полученную реплику, можно наблюдать детали структуры, минимальный размер которых равен 2-5 нм.

Прямые методы позволяют исследовать тонкие металлические фольги толщиной до 300 нм. Этот метод дает возможность наблюдать различные не совершенства кристаллик строения: дислокации, дефекты скопления.

На электронном микроскопе изучается не сам металл, а лаковый или кварцевый слепок, полученный с поверхности протравленного шлифа и воспроизводящий детали его рельефа. Электронная микрофрактография изучает с помощью электронного микроскопа вязкие трещины, изломы в стали.

Микроанализ позволяет установить величину, форму и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие изменения внутреннего строения металлов.

Свойства металлов

Металл, испытывающий в работе многократные переменные нагрузки разрушается. Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называют усталостью металла, а его свойства сопротивляться разрушению от усталости называют приделом выносливости. В результате усталостного разрушения возникает характерный излом, состоящий из двух зон. Первая зона имеет гладкую притертую поверхность, ее называют зоной усталости, ее образование происходит постепенно. На наиболее слабом участке образуется трещина. Вторая зона у хрупких металлов имеет грубо кристаллическое, а у вязких волокнистое строение. Вязкая трещина возникает на поверхности в первой зоне. В этой зоне сосредоточены максимальные напряжения и разрушения происходят по поверхности действия наибольших растягивающих напряжений. Исследования показали, что если металл выдерживает определенное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе нагрузок. Придел выносливости определяют на вращающемся образце, с приложением изгибающей нагрузки. Испытывают не менее шести образцов.

Многие детали современных машин работают в условиях высоких температур. Повышение температуры влияет на механические свойства, понижают модуль упругости, приделы прочности. Механические свойства при высоких температурах зависят от скорости приложения нагрузки. При высоких температурах и постоянно действующей нагрузки наблюдается нарастание пластической деформации при напряжениях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию.

Пластическая или достаточная деформация - это деформация, которая остается после прекращения действия сил вызвавших ее. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием напряжений происходит необратимое перемещение атомов. После снятия напряжений в теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров образца, при чем оплошность тела или образца не нарушается. При небольшой величине напряжений атомы смещаются не значительно, после снятия напряжений они возвращаются в исходное положение. При увеличении напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, то есть происходит пластическая деформация. В результате развития пластической деформации может произойти разрушение путем сдвига.

В кристаллической решетке сдвиг происходит по плоскостям. Наиболее легкий сдвиг по определенным плоскостям и направлениям объясняется тем, что при этом величина перемещения атомов из одного устойчивого равновесного положения в узле решетки в другое такое же положение будет минимальной. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла. По современным представлениям пластическая деформация происходит под действием напряжений в результате перемещения дислокации.

Разрушение металла при высоких температурах - это деформация и разрушение по границам зерен. Этот метод объясняет, что по границам зерен, содержащих большое количество дефектов (вакансий, дислокаций, трещин), легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжение отсутствует, диффузионные перемещения пограничных атомов не имеют направленного характера. При наличии даже не больших напряжений передвижение атомов на границах зерен способствует ползучести металла и приводит к остаточной деформации вследствие перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела. В результате испытаний определяется наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенное время на превышает заданной величины. Один из методов для устранения трещин - специальные установки, в которых образец помещается в электропечь и при постоянной температуре подвергается длительному действию постоянно растягивающей силы. В процессе испытания фиксируется деформация образца.

К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали относятся трещины - внутренние или наружные деформации. Трещины возникают при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжение, возникающие в результате мартенситного превращения, превышают сопротивление, стали разрушение. Трещины образуются при низких температурах. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением стали содержанием углерода, повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.

Другой причиной образования трещин является наличие в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местный вырезки, углубления).

Трещины - не исправимый дефект. Для предупреждения их образования существует методика. При конструировании изделий надо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким. Закалка деталей должна производиться с более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; а медленное охлаждение в мартенситном интервале температур достигается ступенчатой закалкой. Должна производиться изотермическая закалка сразу же после закалки деталей.

При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий: заграждение трещины и ее распространение через все сечения образца (изделия).

Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы суп зерен, зерен всевозможные включения), что приводит концентрации напряжений достаточных для образования микротрещины.

В результате взаимодействия дислокаций кристаллической решетки возможны образования трещины. Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение, вязкая трещина происходит со значительной пластической деформацией. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика, близка к скорости звука. Поэтому ни редко хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины.

По виду микроструктуры разрушения встречаются транскристаллитные и интеркристаллитные. При транскристаллитном разрушении трещины распространяются по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерна. При распространении трещины по телу зерна происходит вязкое разрушение. По внешнему виду излома можно судить о характере разрушения. Волокнистый излом свидетельствует о вязком разрушении. Вязкое разрушение характеризуется «чашечным» разрушением вязкой трещины.

Хрупкое разрушение происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической информации. Очагом хрупкого разрушения являются микротрещины или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной вязкой трещиной разрушения, а не ее зарождением.

Многие металлы, имеющие кристаллические решетки в зависимости от температуры могут разрушаться вязко. Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости.

Температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому получила название критической температуры хрупкости (порог хладноломкости). Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости.

Запас вязкости - это интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения.

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцом для разных температур и строят кривую в зависимости ударной вязкости от температуры испытания. Хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно различить по виду излома. Порог хладноломкости определяют по проценту волокна матовой, волокнистой составляющей в изломе. За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50% волокна. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а зависит от его структуры, условий испытания наличия концентраторов напряжения. Чем выше прочность номинального напряжения, тем выше порог хладноломкости.

Разрушение металла под действие повторный или знакопеременных напряжений называют усталостью металла. Трещина чаще всего возникает на поверхности. Сопротивление металла характеризуется наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за большое число циклов. Предел выносливости резко снижается при наличии концентраторов напряжении.

С увеличением размера образца предел выносливости уменьшается. Чем тщательнее обработана поверхность образца (детали), тем выше придел выносливости. Сильно понижает придел выносливости коррозия.

Свойства стали определяются размером действительного зерна. Увлечение его размеров сравнительно мало влияет на предел прочности, но резко снижает вязкость и повышает критическую температуру хрупкости. Следовательно, перегретая сталь с крупным зерном имеет пониженные механические свойства, особенно пластичность и вязкость, т.е. склонна к хрупкому разрушению.

Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные с понижением температуры прочность растет и при определенных условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.

Размер зерна кристаллических материалов является одним из основных параметров микроструктуры. Уменьшение размеров зерен позволяет увеличить прочность и вязкость металла, поэтому при измельчении зерна возрастает вязкость разрушения. Использование такого метода как контроль процесса выплавки и особенно раскисления стали, понижение температуры конца прокатки, термоциклическая и термомеханическая обработка, которые способствуют измельчению зерна, позволяет одновременно повысить вязкость разрушения.

Влияние лидирующих элементов на вязкость разрушения, прежде всего, обусловлено их воздействием на величину зерна. Элементы, которые способствуют измельчению зерна, повышают вязкость разрушения, а элементы, упрочняющие твердые растворы наоборот понижают вязкость разрушения. Знания параметров вязкости разрушения позволяют обеспечить надежность конструкции, это важно в тех случаях, когда применяются высокопрочные материалы в новых проектах, которые не имеют аналогов в прошлом, а безопасность изделий должна быть, бесспорно, обеспечена.

Ударная вязкость стали уменьшается при увеличении содержания углерода, серы, фосфора и азота. Ухудшение ударной вязкости наблюдается: участок крутого спада температурной кривой зависимости, ударной вязкости смещается в сторону более высоких температур. Ударную вязкость часто измеряют для контроля правильности термообработки.

С увеличением мелкозернистости структуры растет ударная вязкость, и участок резкого спада смещается в сторону более низких температур. Контроль ударной вязкости - единственный метод обнаружения закалочной хрупкости. Закалочной хрупкостью обладает такая сталь, которая при медленном охлаждении обладает меньшей вязкостью.

Конструкционные стали кроме высоких механических свойств должны иметь высокую прочность. К свойствам, определяющим надежность материала против внезапных разрушений относятся: прочность, долговечность. Конструкционная сталь должна обладать хорошими технологическими свойствами - легко обрабатываться давлением иметь малую склонность к деформации и трещинообразованию при закалке.

Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатанной, калиброванной и шлифованной стали, в виде листов полос фасованных профилей. Для получения более чистой по примесям стали ее рафинируют жидким синтетическим шлаком в ковше, применяют так же электрошлаковый переплав. В некоторых случаях проводят вакумнодуговой и выплавку вакуумных индукционных печах. Применение рафинирования снижает загрязненность стали. Данные методы выплавки повышают ударную вязкость и трещиностойкость, что объясняется повышением чистоты стали. Порог хладноломкости в результате рафинирования в стали меняется мало, снижается анизотропия свойств пластичности и вязкости.

Литье металлов. Технология литья металлов

Литье металлов - это процесс получения металлических изделий способом заливки (литья) расплавленного горячего металла в специальную форму. Такая форма, из которой родится будущая «отливка» (так называют полученное при литье металлов металлическое изделие), получила название «литейной формы». Рабочая часть литейной формы представляет собой полость, в которой металл при литье, охлаждаясь, затвердевает и получает вид конечного изделия.

Процессу литья можно подвергать любые металлы. Однако не все металлы обладают важным для литья свойством - жидкотекучестью, то есть способностью принять конфигурацию литейной формы. Жидкотекучесть зависит от свойств самого металла: его химического состава и структуры. Немаловажна температура плавления металла. Чем меньше температура плавления, тем легче поддается он промышленному литью. Из металлов самую высокую температуру плавления имеет сталь. Сталь - это черный металл, также как и чугун. Цветные металлы - это все оставшиеся металлы, которые не содержат в больших количествах железо. Для литья металлов хорошо подходят сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка. На сегодняшний день известно множество видов литья металлов.

Наиболее широкое применение получили следующие виды:

- литье в землю,

- литье по выплавляемым моделям,

- статическая заливка, литье в свободную металлическую форму (кокиль),

- литье металлов под давлением,

- литье с кристаллизацией под высоким давлением,

- центробежное литье,

- вакуумная заливка.

Чаще всего используется метод статической заливки, когда осуществляется заливка металла в неподвижную литейную форму.

Отливки металлические находят применение в промышленности при изготовлении деталей в станкостроении, автомобильной промышленности, а также встречаются и в повседневной жизни: отливки из драгоценных металлов широко используют в ювелирном деле и при лечении зубов (коронки металлические, пломбы), в современной электронике. Применяю отливки металлов и при изготовлении бытовой техники (светильниках, стационарных телефонах, пылесосах, стиральных машинах).

Особенности изготовления отливок из различных сплавов

Технологические режимы изготовления отливок из различных сплавов обусловлены их литейными свойствами, конструкцией отливок и требованиями, предъявляемыми к их качеству.

Отливки из алюминиевых сплавов

Литейные свойства. Согласно ГОСТу литейные алюминиевые сплавы разделены на пять групп. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы I группы - силумины. Они имеют хорошую жидкотекучесть, небольшую линейную усадку, стойки к образованию трещин, достаточно герметичны. Однако они склонны к образованию грубой крупнозернистой эвтектики в структуре отливки и растворению газов.

При литье силуминов в кокиль структура отливок вследствие высокой скорости кристаллизации получается мелкозернистой. Основной недостаток сплавов I группы при литье в кокиль - склонность к образованию рассеянной газовой пористости в отливках.

Сплавы II группы (медистые силумины) также нередко отливают в кокиль. Эти сплавы обладают достаточно хорошими литейными свойствами и более высокой прочностью, чем силумины, менее склонны к образованию газовой пористости в отливках.

Сплавы III-V групп имеют худшие литейные свойства - пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку (до 1,3%), склонны к образованию трещин, рыхлот и пористости в отливках. Получение отливок из этих сплавов требует строгого соблюдения технологических режимов, обеспечения хорошего заполнения формы, питания отливок при затвердевании.

Все литейные алюминиевые сплавы в жидком состоянии интенсивно растворяют газы и окисляются. При затвердевании сплава газы выделяются из раствора и образуют газовую и газоусадочную пористость, которая снижает механические свойства и герметичность отливок. Образующаяся на поверхности расплава пленка окислов при заполнении формы может разрушаться и попадать в тело отливки, снижая ее механические свойства и герметичность. При высоких скоростях движения расплава в литниковой системе пленка окислов, перемешиваясь с воздухом, образует пену, попадание которой в полость формы приводит к дефектам в теле отливок.

Сущность процессов литья металлов

Литьем (или литейным производством) называют метод производства, при котором изготовляют фасонные заготовки деталей путем заливки расплавленного металла в заранее приготовленную литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки детали. После затвердевания и охлаждения металла в форме получают отливку-заготовку детали.

Основной задачей литейного производства является изготовление литейных сплавов отливок, имеющих разнообразную конфигурацию с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам детали (при литье невозможно получить отливку, форма и размеры которой соответствует форме и размерам детали).

Инструментом литейного производства является литейная форма - приспособление образующее рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом и после охлаждения получают отливку.

По степени использования формы делят на разовые, полупостоянные и постоянные. Разовые формы служат для изготовления только одной отливки и изготовляют их из кварцевого песка, зерна которого соединены каким-либо связующим веществом. Полупостоянные формы - это формы, в которых получают несколько отливок (до 10-20), такие формы изготовляют из керамики.

Постоянные формы - формы, в которых получают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч отливок. Такие формы изготовляют обычно из чугуна или стали.

Различные по форме, размерам и точности отливки из различных сплавов невозможно наиболее экономично получить одним и тем же способом. Экономически целесообразно изготовлять отливку с определенными качественными свойствами каким-либо одним или двумя способами.

В настоящее время в производстве используют около 15 способов литья, а в производстве приборов применяют следующие способы литья:

1) литье в песчаные формы («землю»);

2) литье в ЖСС (жидкие самоотвердевающие смеси);

3) литье в оболочковые формы;

4) литье в кокиль (металлические защищенные формы);

5) литье по выплавляемым моделям;

6) литье под давлением;

7) центробежное литье;

Основные этапы производства отливок.

Последовательность производства отливок рассмотрим на примере литья в песчаные формы. Этот способ изучается в учебных мастерских:

1. Разработка чертежа отливки.

2. Изготовление модели и стержневого ящика.

3. Изготовление формы из заранее приготовленной формовочной смеси.

4. Сборка формы.

5. Заливка формы ранее расплавленным сплавом или металлом.

6. Охлаждение формы с отливкой.

7. Освобождение отливки от формы.

8. Отрезка литников и прибылей

9. Отжиг отливок.

10. Термообработка.

11. Контроль.