Введение

Литейные технологии отличаются наибольшей эффективностью по сравнению с другими технологиями формообразования, так как позволяют формировать изделия непосредственно из расплава при сравнительно низких затратах энергии, материалов и труда. Уровень развития литейного производства определяется совершенствованием традиционных, разработкой и практическим освоением новых технологий литья на основе использования достижений научно-технического прогресса.

Физическую основу литейных технологий составляет процесс кристаллизации расплава, от характера протекания которого зависит структура, и следовательно, механические свойства литой детали.

Свойства металлов зависят от формы кристаллов, от числа частиц, составляющих отдельные кристаллы, от расстояния между частицами в кристаллах, от взаимного расположения кристаллов. Большое влияние на свойства металлов оказывают также особенности процесса кристаллизации, т. е. явления, сопутствующие переходу металлов из жидкого состояния в твердое.

Перед полным затвердеванием свободный рост кристаллов прекращается, и их форма искажается вследствие взаимного давления. Таким образом, в изломе застывшего металла образуются кристаллы уже неправильной формы, называемые зернами.

• Процесс образования зерен имеет большое практическое значение, так как от расположения зерен, их формы и особенно от их величины зависят свойства металла. Это впервые обнаружил Д.К. Чернов. Он установил, что в местах разрыва артиллерийских орудий сталь имеет крупнозернистое строение и отличается меньшей прочностью по сравнению со сталью, состоящей из мелких зерен.

1. Механизм и закономерности кристаллизации металлов

При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики - центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш - устойчивым.

Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость - кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис.1.

Рис.1. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы

Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.

Механизм кристаллизации представлен на рис.2.

Рис.2. Модель процесса кристаллизации

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.3).

Рис. 3. Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рис. 3).

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей? т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста - большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей? т.в - мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.

2. Методы и условия получения сталей с мелкозернистой структурой

Методов получения мелкозернистой структуры сталей (если рассматривать металлургию в общем виде) существует, условно, всего два:-- при плавильном и литейном производстве с помощью введения модификаторов (растворимых поверхностных и нерастворимых внедряемых веществ-центров кристаллизации);-- процесс перекристаллизации в условиях проводимой термической обработки (нормализации или отжига) с последующим контролем величины зерен по ГОСТ 5639-82.При производстве или обработке сталей мелкое зерно необходимо для получения необходимых (заданных технологически) физических и механических свойств. Процесс кристаллизации сталей является процессом неотвратимым (происходит при остывании отливок или нагревании готовых металлических изделий до рассчитываемых температур).

Искусственное уменьшение размеров зерна происходит путем вмешивания в расплав нерастворимых нитридных, сульфидных и оксидных частиц. От количества этих частиц зависит количество образуемых кристаллов в условиях ограниченного объема металла.«Поверхностные» модификаторы являются растворимыми активными веществами, которые действуют методом «от обратного» -- осаждаясь на только сформировавшихся кристаллах предупреждают их дальнейший рост.

Суть отжига и нормализации в нагреве обрабатываемого изделия (или его части) выше температур Ас1, Ас3 (для отжига) и между ними (для нормализации). Но более важными составляющими и необходимыми условиями является выдержка при температуре (время для выдержки берется по таблице или рассчитывается индивидуально в зависимости от габаритов, толщины и конкретной марки стали) и остывание. Остывание может происходить вместе с печью (характерно для легированных сталей 12ХН3А или Х12МФ) или на спокойном воздухе (традиционные конструкционные стали ст40, 40Х, 45 и 40ХН).

Получение мелкозернистой структуры зависит еще и от методики нагрева (электричество или газ), при этом надо понимать, что оба варианта частично «выжигают» примеси, поэтому все работы происходят под постоянным контролем с отбором образцов и их экспресс-анализом.

В качестве справочной информации: снижению величины зерен способствуют - карбиды титана, молибдена и вольфрама. Катализируют рост зерен в отливках: марганец и фосфор.

Модифицирование зерна

В производстве черных и цветных металлов широко практикуется искусственное изменение размера и формы зерен введением в расплавленный металл нерастворимых веществ. Этот способ называется модифицированием.

Благодаря модифицированию металла зерна получаются более мелкими и приобретают несколько иную форму, чем в металле, не подвергаемом модифицированию.

Для модифицирования стали применяется порошок окиси алюминия, для модифицирования чугуна - сплавы железа с хромом, железа с кремнием, а также чистый магний и т. д.

По механизму воздействия модификаторы различают:

1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле - выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

2. Поверхностно -- активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Величину и форму зерен металла можно изменить и механическим воздействием на него ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением и другими способами, так называемой пластической деформацией.

В результате пластической деформации металл упрочняется, приобретая наклеп, при этом зерна его размельчаются и принимают форму, напоминающую волокна (рис. 4).

Такое внутреннее строение пластически деформированного металла не является устойчивым и его улучшают нагревом, под влиянием которого возникают новые зерна с недеформированной кристаллической решеткой. Этот процесс называется рекристаллизацией, а температура, при которой начинается образование новых зерен - температурой рекристаллизации.

Рис. 4. Микроструктура: а - кристаллическая структура, б - структура до деформации, в - пластически деформированный металл, г - структура после рекристаллизации

3. Сплавы с мелкозернистой структурой

Литая структура железоуглеродистых и других сплавов оказывает значительное влияние на свойства готовых изделий. Это влияние в наибольшей степени выражено в отливках и заготовках, полученных специальными способами литья и, прежде всего, непрерывными. Высокое качество расплавов -- одно из важнейших условий производства мелкозернистых отливок, получаемых при высоких скоростях охлаждения.

Для получения расплавов при производстве мелкозернистых отливок специальными способами литья использовали преимущественно плавку в вакуумных печах шахтного типа. Перед разливкой проводили глубокую очистку от неметаллических включений и обработку расплава методами физического воздействия. Экспериментальные исследования структуры и свойств сплавов выполнены на образцах и отливках, полученных в металлических формах.

С уменьшением размеров зерна от 120… 150 мкм до 0,5… 15 мкм установлено более высокое повышение относительного удлинения сплавов в отливках по сравнению с изменением предела прочности.

Для получения расплавов при производстве мелкозернистых отливок специальными способами литья использовали преимущественно плавку в вакуумных печах шахтного типа. Перед разливкой проводили глубокую очистку от неметаллических включений и обработку расплава методами физического воздействия. Экспериментальные исследования структуры и свойств сплавов выполнены на образцах и отливках, полученных в металлических формах.

Исследовано также влияние термической и термомеханической обработки на свойства антифрикционных сплавов. Результаты механических испытаний ряда сплавов с мелкозернистой структурой, полученных в металлических формах с интенсивным охлаждением, приведены в табл.1. С уменьшением размеров зерна от 120… 150 мкм до 0,5… 15 мкм установлено более высокое повышение относительного удлинения сплавов в отливках по сравнению с изменением предела прочности.

Более мелкую микроструктуру в сплавах получают специальным микролегированием и термической обработкой. Виды и режимы обработки зависят от природы сплавов. Сверхбыстрое охлаждение способствует переводу, например, медных, цинковых и алюминиевых сплавов в состояние структурной сверхпластичности. Одним из необходимых условий получения высокой пластичности является наличие в отливках сверхмелкого зерна. В таблице приведены составы ряда сверхпластичных цветных сплавов, обладающих ультрамелкозернистой структурой.

Таблица 1. Механические свойства мелкозернистых сплавов

сталь мелкозернистый кристаллизация

Заключение

В ходе изучения данной темы, можно прийти к выводу, что в металлургической и литейной промышленностях стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации - оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества -модификаторы.

По механизму воздействия различают:

- Вещества не растворяющиеся в жидком металле - выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

- Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Список использованной литературы

1. Толочко Н.К. Основы технологии новых материалов: учеб. пособ. Витебск, ВГТУ, 1996.

2. Пат. РБ. Модификатор для алюминиевых сплавов: B22D 21/00, 2008. No 13735.

3. Современные литейные технологии / Н.К. Толочко и др.; под ред. Н.К. Толочко, А.С. Калиниченко. Минск: БГАТУ, 2009.

Размещено на Allbest.ru