Курс лекций Технология конструкционных материалов Презентация 5 ОСНОВЫ

Курс лекций «Технология конструкционных материалов» Презентация 5 ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА. МГТУ имени Н. Э. БАУМАНА, кафедра МТ-13, доцент, к. т. н. Кочешков Игорь Владимирович 1

В ДАННОЙ ЛЕКЦИИ РАССМОТРЕНО: • Особенности кристаллизации металлов и сплавов; • Краткая характеристика литейного производства; • Определение и классификации отливок; • Литейные свойства сплавов; • Процессы взаимодействия литейной формы и материала отливок. 2

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ОБРАЗУЕТСЯ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЭТО – ПЕРЕХОД ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ТВЕРДОЕ С ОБРАЗОВАНИЕМ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ. 3

СУЩЕСТВУЮТ ДВА ВИДА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ САМОПРОИЗВОЛЬНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ – НЕСАМОПРОИЗВОЛЬНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ – ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЕСТЕСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ БЕЗ ПОСТОРОННИХ ВМЕШАТЕЛЬСТВ С УЧАСТИЕМ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ – МОДИФИКАТОРОВ 4

САМОПРОИЗВОЛЬНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ 5

НАЧАЛО КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОПРЕДЕЛЯЮТ – ДВА КОНКУРИРУЮЩИХ ПРОЦЕССА Уменьшение свободной энергии за счет образования кристалла Fжсв < Fкрсв+ Fкр/жп. р. при равном объеме Увеличение свободной энергии за счет образования поверхности раздела Т – Ж СУЩЕСТВОВАНИЕ ЗАРОДЫША КРИСТАЛЛА БОЛЬШЕ КРИТИЧЕСКОГО РАЗМЕРА ЗАВЕРШЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 6

Кривая охлаждения чистого металла. То и Тд – соответственно, теоретическая и действительная температура кристаллизации. V 2 V 1 < V 2 < V 3 Δ t 1 Δ t 2 Δ t 3 ВАЖНЫЙ ПАРАМЕТР ─ Δt = То –Тд - СТЕПЕНЬ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ 7

ЗАВИСИМОСТЬ ОТ СТЕПЕНИ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ (Δt) РАДИУСА КРИТИЧЕСКОГО ЗАРОДЫША RК, ЧИСЛА ЗАРОДЫШЕЙ (Ч. З. ) И СКОРОСТИ ИХ РОСТА (С. Р. ) Fсв 8

СХЕМА ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ВО ВРЕМЕНИ (а → б → в → г → д → е) 9

НЕСАМОПРОИЗВОЛЬНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ (ОСНОВАНА НА УЧАСТИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ – МОДИФИКАТОРОВ) МОДИФИКАТОРЫ – МОДИФИЦИРОВАНИЕ – ВЕЩЕСТВА ПРОЦЕДУРА ВЛИЯНИЯ С ПОМОЩЬЮ МОДИФИКАТОРОВ НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ВЛИЯНИЯ НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 10

СУЩЕСТВУЮТ ДВА ВИДА МОДИФИКАТОРОВ ОБЪЕМНЫЕ МОДИФИКАТОРЫ – СОЗДАЮТ «ИСКУСТВЕННЫЕ» ЦЕНТРЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ. (Необходимо, чтобы модификатор и металл имели аналогичные кристаллические решетки и атомные параметры. Модификатор для железа – вольфрам). ПОВЕРХНОСТНЫЕ МОДИФИКАТОРЫ – ИЗМЕНЯЮТ ПОВЕРХНОСТНУЮ ЭНЕРГИЮ НА ГРАНИЦЕ КРИСТАЛЛ – ЖИДКОСТЬ. (В качестве поверхностных модификаторов используются неметаллы с малой атомной массой. Например, модификатор для железа– бор. ) Модификаторы позволяют улучшать структуру металла, управлять размерами и формой кристаллов 11

КРИВЫЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СПЛАВОВ а) – сплавы «твердые растворы» с неограниченной растворимостью; б) – сплавы «механические смеси» не эвтектического состава; в) – сплавы «механические смеси» эвтектического состава и сплавы «химические соединения» ЧИСТЫЙ МЕТАЛЛ 12

ДАЙТЕ ХАРАКТЕРИСТИКУ ДИАГРАММЫ Техническое доэвтек. заэвтектоидная Железо Сталь 0, 02% доэвтектический Fe–Fe 3 C заэвтектический Чугун 2, 14% 6, 67% 13

ОСОБЕННОСТЬ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МАТЕРИАЛОВ С РАЗНЫМ ИНТЕРВАЛОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 14

В И Д Ы ПОРИСТИСТИ ПРИ РАЗНОМ ХАРАКТЕРЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ УСАДОЧНАЯ РАКОВИНА УСАДОЧНАЯ ПОРИСТОСТЬ 15

ВОПРОС. Как получить три разных макроструктуры слитка? «а» – типичную (1 – зона мелких равноосных кристаллов, 2 – зона столбчатых кристаллов, 3 - зона крупных равноосных кристаллов); «б» – «в» – транскристаллическую; однородную мелкозернистую. 16

Литейное производство /ЛП/ – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением отливок. Сущность ЛП – заключается в приготовлении расплавленного металла необходимого качества и заливке его в специальную литейную форму, имеющую рабочую полость, повторяющую конфигурацию будущей отливки. 17

ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА q Широкая номенклатура изделий – от маленьких деталей для радиоэлектронной и часовой промышленности (весом в несколько грамм) до многотонных отливок для станин станов и корпусов гидротурбин (массой в десятки и сотни тонн). q Широкая универсальность по: ü ü массе, конфигурации, используемым материалам, механическим и эксплуатационным свойствам). 18

УНИКАЛЬНЫЕ ДОСТОИНСТВА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА • ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ПРАКТИЧЕСКИ НЕОГРАНИЧЕННЫХ ГАБАРИТОВ И МАССЫ; • ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ИЗ СПЛАВОВ, НЕ ПОДДАЮЩИХСЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ; • ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ИЗ СПЛАВОВ ТРУДНО ОБРАБАТЫВАЕМЫХ РЕЗАНИЕМ. 19

ОТЛИВКА – заготовка или деталь, получаемая заливкой расплавленного металла в литейную форму. ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ОТЛИВКИ ФОРМИРУЮТСЯ: ü конфигурация, ü размерная точность, ü состояние поверхности, ü макро- и микро- структура сплава, что в дальнейшем определяет механические и эксплуатационные свойства отливок. 20

КЛАССИФИКАЦИЯ ОТЛИВОК ПО УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ – ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ отливки для деталей, не рассчитываемых на прочность и работающих при статических на прочность нагрузках ОСОБО ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ – отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках 21

КЛАССИФИКАЦИЯ ОТЛИВОК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНФИГУРАЦИИ, МАССЫ И ГАБАРИТОВ Группа сложности Характеристика формы отливки Примеры изделий 1 Отливки простой формы Крышки, рукоятки, диски, фланцы, муфты, колеса вагонеток, маховики для вентилей … 2 Отливки с сочетанием плоских, цилиндрических и криволинейных поверхностей, с наличием ребер, бобышек и внутренних поверхностей простой формы Маховики со спицами, зубчатые колеса, корпуса редукторов. . . Отливки коробчатой и цилиндрической формы с увеличением степени сложности конфигурации и ростом их габаритов Цилиндры ребристые, шпиндели, корпуса редукторов весом не менее 500 кг. . . Лопасти гидротурбин, станины прессов, корпуса насосов … Станины МРС, крышки цилиндров крупных дизелей, блоки цилиндров … 3 4 5 6 Отливки с особо сложными закрытыми коробчатыми и цилиндрическими формами. Станины специальных МРС, сложные Внутренние полости имеют особо сложные корпуса центробежных насосов, детали конфигурации с затрудненными выходами на воздуходувок, рабочие колеса гидротурбин. поверхность отливки 22

1. Связанные с условиями заливки расплава и качества литейной формы. 2. Связанные с условиями кристаллизации расплава и охлаждения отливки. ГРУППЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ КАЧЕСТВО ОТЛИВКИ 3. Связанные с получением заданной конфигурации, точности, свойств поверхностного слоя отливки 4. Связанные с получением заданной структуры отливки (уровня физ. -мех. свойств, эксп-х хар-к, появления разных дефектов - раковин, трещин …) 23

ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО ОТЛИВКИ НАДО ЗНАТЬ: ЛИТЕ ЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВА ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИТЕЙНОЙ МАТЕРИАЛА ФОРМЫ И ОТЛИВКИ 24

Литейными свойствами называют – такие технологические свойства металлов и сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и дальнейшем охлаждении отливки. Наиболее важные литейные свойства: ü ü Жидкотекучесть Усадка Склонность к ликвации Склонность к образованию горячих и холодных трещин ü Склонность к поглощению газов ü Склонность к образованию газовой и усадочной пористости 25

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. Жидкотекучесть зависит от многих факторов: ü от температурного интервала кристаллизации, ü вязкости и поверхностного натяжения расплава, ü температуры заливки и формы, ü свойств формы и т. д. Есть технологические пробы для оценки жидкотекучести 26

Взаимосвязь ЖИДКОТЕКУЧЕСТИ материала, с физико-технологическими факторами Фактор Положительное технологическое влияние Отрицательное технологическое влияние Интервал Кристаллизации Чистые металлы и эвтектики, а также сплавы с ΔTкр ≤ 30 С. Сплавы затвердевающие в широком интервале температур (ΔTкр > 100 С) Вязкость (сопр-ие Повышение температуры расплава, наличие жидких неметаллических включений Понижение температуры расплава, наличие твердых включений и продуктов раскисления ляется пленками на поверхности расплава) Создание восстановительной и нейтральной атмосферы в ЛФ, или ее вакуумирование. Окисные пленки, образующие ЛЖФ Активное окисление расплава и наличие тонких каналов в ЛФ. Свойства Лит. формы Снижение теплопроводности материала формы Увеличение теплопроводности материала формы действию внешних сил, вызывающих их течение) Поверхностное натяжение (опреде- 27

УСАДКА – уменьшение объема материала в процессе его охлаждения Различают объемную, полную и линейную усадку. q Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении от температуры заливки до комнатной температуры. q Полная объемная усадка складывается из: ü Усадки металла в жидком состоянии; ü Усадки металла при затвердевании; ü Усадки металла в твердом состоянии. ε =ε V Vж + ε Vзат + ε Vтв q Линейная усадка – это уменьшение линейных размеров отливки при охлаждении от температуры, при которой на ее поверхности образуется прочная «корка» , до комнатной температуры. 28

ВЕЛИЧИНА УСАДКИ СТРУКТУРА МАТЕРИАЛА ФОРМА ЗАГОТОВКИ СКОРОСТЬ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЕСЛИ ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ БОЛЬШЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛА, ТО РАЗРУШЕНИЕ 29

ТЕМПЕРУРНЫЙ ИНТЕРВАЛ ХРУПКОСТИ ПРИМЕСИ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ ГОРЯЧИЕ ТРЕЩИНЫ УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗМЕРА ЗЕРНА ПЕРЕПАДЫ ТОЛЩИН ЗАГОТОВКИ 30

ПОНЯТИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА ХРУПКОСТИ δ, σв Тс – температура солидус; Тл –температура ликвидус. Температура Тс Тл ТИХ (Температурный интервал хрупкости) 31

СТЕПЕНЬ УСАДКИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ НИЗКИЕ ТЕПЛОПРОДНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ ХОЛОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ НАЛИЧИЕ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ ТОНКОСТЕННОСТЬ, ПЕРЕПАДЫ ТОЛЩИН, СЛОЖНОСТЬ ФОРМЫ 32

ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВОЙ ПОРИСТОСТИ • Выделение газов из металла; Растворимость газов • Большая скорость заливки металла в литейную форму; Температура • Недостаточно горячий металл; Тсолидус Тликвидус • Плохая газопроницаемость литейной формы и стержней; • Недостаточное сечение или неправильное расположение выпора; • Неправильная конструкция литниковой системы; • Конструкция литейной формы и т. д. 33

ЛИКВАЦИЯ – неоднородностью химического состава в разных участках заготовок. Причина – разная растворимость отдельных компонентов в жидкой и твердой фазах. РАЗЛИЧАЮТ: ЗОНАЛЬНАЯ ЛИКВАЦИЯ - ДЕНДРИТНАЯ ЛИКВАЦИЯ – химическая неоднородность в пределах одного зерна (дендрита). Устраняется отжигом. хим. неоднородность в разных частях заготовки. Удалить сложно. Для предотвращения: • Выравнивание толщин; • Рост скорости охлаждения; • Снижение т-ры нагрева сплава. 34

ТРЕБОВАНИЯ К ЛИТЕЙНЫМ МАТЕРИАЛАМ 1. НАЛИЧИЕ ХОРОШИХ ЛИТЕЙНЫХ СВОЙСТВ: ü ü ü ВЫСОКАЯ ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ, НИЗКАЯ УСАДКА НИЗКАЯ СКЛОННОСТЬ К ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН НИЗКАЯ СКЛОННОСТЬ К ПОГЛАЩЕНИЮ ГАЗОВ НИЗКАЯ СКЛОННОСТЬ К ЛИКВАЦИИ 2. ХОРОШИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: СВАРИВАЕМОСТЬ, ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ 3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 4. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ 35

ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ Тип Материала Ж Т Усадка УР и ГТ СЧ (серый чугун) В 0, 91, 3% - КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ, СТАНИНЫ СТАНКОВ … ВЧ (выс-ый чугун) В 1, 251, 7% + ТО ЖЕ, ЧТО ИЗ «СЧ» С ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТЬЮ + ТЕПЛОВОЗО- ЭНЕРГОСТРОЕНИЕ, ТЯЖЕЛОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ СОЧЕТАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ + АППАРАТУРА МОРСКОГО СУДОСТРОЕНИЯ и др. ВЫСОКИЕ ПРОЧНОСТНЫЕ, ФРИКЦИОННЫЕ, ИЗНОСОСТОЙКИЕ СВОЙСТВА - АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНАЯ ТЕХНИКА, АВТОМОБИЛЬНАЯ И ПРИБОРНАЯ ПРОМ-ТЬ БОЛЕЕ 70% ОТЛИВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ + ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, АВИА И ТЕКСТИЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ СКЛОННЫ К САМОВОЗГОРАНИЮ ПРИ ПЛАВКЕ + АВИА- И ОБОРОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, МЕДИЦИНА БОЛЬШАЯ СКЛОННОСТЬ К ПОГЛАЩЕНИЮ ГАЗОВ Стали Бронзы и латуни Ал. cплавы (Al-Si) Mg сплавы Ti сплавы Н 2, 5% В 1, 62, 4% В 0, 81, 1% Н повыш В 1% Область использования Примечание САМЫЕ ДЕШЕВЫЕ ОТЛИВКИ (В 1, 5 РАЗА ДЕШЕВЛЕ СТАЛЬНЫХ И МНОГОКРАТНО ДЕШЕВЛЕ ЦВЕТНЫХ ОТЛИВОК) 36

Процессы Взаимодействия Литейной Формы и Материала Отливки. При литье отливка и форма испытывает следующие виды взаимодействия ТЕПЛОВОЕ СИЛОВОЕ ХИМИЧЕСКОЕ 37

ПЕРИОДЫ ТЕПЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И МАТЕРИАЛА ОТЛИВКИ 1. Заполнение формы расплавленным металлом. Основная цель – качественное заполнение ЛФ. Возможные дефекты – недолив и спай. Силовое взаимодействие 2. Отвод теплоты перегрева. Основная цель – понижение температуры до Т кристаллизации 3. Затвердевание отливки (кристаллизация) !!! Развитие усадочных явлений, газовыделение, ликвация Химическое взаимодействие, Силовое взаимодействие 4 -5. Охлаждение отливки в ЛФ и после извлечения Возникновение термических напряжений и т. п. 38

СИЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И МАТЕРИАЛА ОТЛИВКИ Силовое взаимодействие между отливкой и формой начинаются с момента заливки металла и заканчиваются после извлечения из формы. Различают следующие виды силового взаимодействия: ü Гидродинамическое; ü Гидростатическое; ü Напряжения усадки (со стороны формы и отливки) ü Термические напряжения из-за разности температур ü Фазовые напряжения 39

СИЛОВОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИГАР – трудно отделимый слой металла, его оксидов и частичек формовочной смеси. Механический пригар Химический пригар – образуется за счет механического проникновения жидкого металла между зернами песка. взаимодействия оксидов щелочно земельных металлов, содержащихся в формовочной смеси, с металлом отливки. Для устранения понижают температуру заливки, используют облицовочные смеси и защитные покрытия. Для устранения рабочую поверхность ЛФ покрывают противопригарными покрытиями и используют формовочные смеси с минимальным содержанием оксидов щелочно - земельных металлов. 40