Материал: 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