Теория литейных процессов том1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО–ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металлургии и литейного производства

М.А. Иоффе

ТЕОРИЯ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

УЧЕБНО–МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ТОМ 1

Институт машиностроительно–технологический

Специальность

150104.65 – литейное производство черных и цветных металлов

Специализации:

150104.65-05 – прецизионное и художественное литье

150104.65-09 – литейное производство и экономика металлургии

Направление подготовки бакалавра

150100.62 – металлургия

Санкт–Петербург Издательство СЗТУ

2009

2

Утверждено редакционно–издательским советом университета УДК 621.74.

М.А. Иоффе. Теория литейных процессов: учебно–методический комплекс. - Учеб. пособие, в 2-х томах, том 1 / М.А. Иоффе, – СПб.:

Изд–во СЗТУ, 2009. – 166 с.

Содержание учебного пособия соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования.

Втоме 1 описаны разделы курса, посвященные разделам: свойства

истроение металлических расплавов, физико–химические особенности процессов приготовления литейных сплавов, гидравлические процессы, взаимодействие расплава с материалом литейной формы, формирование отливок.

Втоме 2 приводятся сведения о кристаллизационных процессах, тепловых процессах, затвердевании отливок, усадочных процессах.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 150104.65 – литейное производство черных и цветных металлов и для подготовки бакалавров по направлению 150100.62 – металлургия.

Рецензенты: кафедра металлургии и литейного производства СЗТУ (доц. кафедры Баранцев А.С., канд. техн. наук); Шеверда Б.А. (канд. техн. наук) – директор ООО «Литье – сервис».

©Северо–Западный государственный заочный технический университет, 2009

©Иоффе М.А., 2009

3

ВВЕДЕНИЕ

Сущность литейного производства

Сущность метода литья заключается в том, что расплавленный металл заливают в литейную форму, внутренняя полость которой соответствует очертанию будущего изделия. Металл, охлаждаясь и затвердевая в форме, принимает заданную конфигурацию. После извлечения из формы литое изделие, если необходимо, подвергают термической обработке.

Таким образом, сущность литейного производства заключается в получении металлического сплава в жидком состоянии и в заливке его в заранее приготовленные литейные формы.

При изготовлении отливок применяют различные сплавы на основе железа, меди, алюминия, магния, титана, цинка и других металлов.

Масса изготовляемых промышленностью отливок колеблется от нескольких граммов до сотен тонн.

В курсе теории литейных процессов рассматривают общие закономерности, относящиеся ко всем видам литья, независимо от состава сплава, типа форм и методов их заполнения. Специфические особенности конкретных технологических процессов изучают в курсах «Технология литейных форм», «Технология чугунного и стального литья» и др.

Операции изготовления отливок делятся на пять основных групп: выплавка металла, изготовление форм и стержней, заливка металла и охлаждение отливок, первичная обработка отливок (выбивка, очистка, обрубка, термическая обработка) и контроль качества.

Процессы и явления, имеющие место при плавке, заливке, затвердевании, охлаждении отливок, называются литейными процессами.

4

Характеристики литейных сплавов, определяющие их поведение при формировании или изготовлении отливок, а также качество последних, называются литейными или технологическими свойствами.

Вряде случаев литейные свойства могут совпадать с физическими (температура плавления) или химическими (склонность к окислению при высоких температурах).

Вотличие от литейных эксплуатационные свойства сплавов определяют их поведение в условиях эксплуатации литых изделий. К таким свойствам относятся прочность, устойчивость против коррозии, герметичность, износостойкость и др.

Как и всякая теоретическая дисциплина, формирующая научнотехнические законы материального производства, теория литейных процессов должна содействовать научно обоснованному назначению параметров конкретных технологических процессов и прогнозирования результатов этих процессов.

Основная задача изучения данной дисциплины – теоретическое обоснование и оптимизация технологических процессов литейного производства.

Краткий исторический обзор возникновения теории литейных процессов

Металлические изделия изготовляют литьем, обработкой давлением, механической обработкой, сваркой и пайкой, порошковой металлургией и другими методами.

Производство металлических изделий методом литья – сравнительно простой и недорогой процесс, не требующий больших капитальных затрат. Этим объясняется историческая давность метода и очень широкое применение его в настоящее время.

5

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

Всовременных 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. проходит через операции литейного производства.

Литейное производство – одно из наиболее древних ремесел. В Китае, Индии и Египте найдены отливки, относящиеся ко II-III тысячелетиям 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 ремесленников-литейщиков относится к VI-VII вв. нашей эры.

Литейное производство получило развитие в период освоения литья колоколов, пушек и ядер к ним.

Втечение длительного времени основными литейными материалами были золото, серебро и олово. Лишь в конце XVII в. на Западе, а с начала XVIII в. (в эпоху Петра I) и в России начинается освоение нового литейного материала – чугуна для отливок промышленного и военного назначения. К концу XVIII в. чугун стали применять как основной сплав в литейном производстве.

Примерно в середине XIX столетия произошли изменения в технологии изготовления литейных форм. Вместо глино-песчаных смесей для изготовления форм стали применять песчано-глинистые смеси, изготовление форм из них осуществляется в несколько раз быстрее и легче.

6

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 гг.), А.С. Лаврова (18381904 гг.), Д.К. Чернова (1839-1921 гг.). Специальная книга по литейному производству впервые издана в России А.Ф. Мевиусом в 1859 г.

Разработка научных основ литейного производства началась в конце 20-х - начале 30-х годов XX в. Из советских ученых, внесших наиболее значительный вклад в становление теории литейного производства, необходимо назвать: В.Е. Грум-Гримайло (1864-1928), М.Г. Евангулова

(1870-1935), Н.П. Аксенова (1878-1940), Н.Н. Рубцова (1882-1962), Л.И.

Фанталова (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 применять 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 оловянных 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, труднообрабатываемых резанием сплавов на основе никеля, кобальта и железа. Несколько позже стали применять литье в оболочковые формы.

7

Бурное развитие атомной, реактивной и космической техники в 50- 60-е годы XX в. потребовало освоения производства отливок из тугоплавких и радиоактивных металлов и сплавов на их основе.

Наряду с развитием фасонно-литейного производства совершенствовалось как самостоятельный процесс производство слитков, и начался массовый выпуск рельсов, балок и других изделий методами обработки металлов давлением.

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

В40-х годах алюминиевые и магниевые слитки начали получать только способом непрерывного литья. В настоящее время получают этим способом значительную долю слитков из медных, никелевых и железных сплавов.

Огромное влияние на развитие литейного производства оказали советские ученые А.А. Байков, Н.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, Н.Н. Александров, Б.С. Мильман, Н.И. Клочнев и др.

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

Вопросы для самопроверки знаний

1.В чем сущность литейного производства?

2.Каковы основные этапы возникновения теории литейных процес-

сов?

3.Какова хронология развития специальных видов литья?

8

Раздел 1. СВОЙСТВА И СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

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 фаз с учетом присутствующей газообразной фазы.

Всоответствии с принятой классификацией, учитывающей природу

истроение, жидкости можно подразделять на следующие:

− с водородными связями (вода, спирты, органические кислоты);

− с молекулярными связями (бензол, расплавленные парафины, нафталины и др.);

− металлические, для которых характерно взаимодействие катионов со свободными электронами.

Чистые жидкие металлы имеют относительно простое строение в отличие от промышленных металлических расплавов, которые являются 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.

9

В свою очередь, структура расплава непосредственно связана с его физико-химическими свойствами (вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением, электропроводностью, скоростью звука и др.) и отражает структурные особенности металлических расплавов. Поэтому эти свойства называют структурно-чувствительными.

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

Общие сведения о жидком состоянии

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 газообразному состоянию. 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

10

плавления, жидкость по своим свойствам и структуре существенно ближе к твердым телам, чем к 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.

Объем большинства металлов при плавлении возрастает на 3 – 6 % (табл. 1.1), что соответствует изменению межатомных расстояний на 1 – 2 %. При испарении расстояния между частицами возрастают в десятки раз.

Таблица 1.1

Изменение объема металлов при плавлении

Элемент	V, %	Элемент	V, %
		Fe
Cu	4,53		2,2
Ag	3,3	Zn	4,2
Au	5,1	Li	1,65
Al	6,0	Sb	0,95

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.

О близости строения жидких и твердых металлов говорят и малые величины энтропии плавления Sпл, которая, согласно правилу Ригардса, приблизительно равна 8,4 Дж/(моль К). Гораздо большим изменением энтропии сопровождается процесс испарения. Величина Sпл составляет приблизительно 88 Дж/(моль К).