Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov

охлаждения. Направленное затвердевание металла и непрерывное питание формирующегося слитка горячим металлом сверху обеспечивают плотную,

мелкозернистую структуру слитка.

2.6. Строение стального слитка

Кристаллизация залитого в изложницу металла начинается у стенок из-

ложницы, а затем распространяется внутрь слитка. При заполнении излож-

ницы спокойной сталью около боковых стенок изложницы и дна с большой скоростью образуется тонкий слой мелких кристаллов 4

(рис.2.6). При дальнейшем охлаждении Рис. 2.6. Строение слитка из спокойной стали:

1 – прибыль; 2 - усадочная раковина; 3 - усадочная рыхлость; 4 - зона мелких кристаллов; 5 - зона крупных вытянутых (столбчатых) кристаллов; 6 -зона вытянутых разноориентированных кристаллов; 7 - зона мелких кристаллов (конус осаждения).

кристаллы растут в направлении отвода тепла, перпендикулярно стенкам из-

ложницы, образуя сначала зону столбчатых кристаллов 5, а затем по мере ох-

лаждения - зону разноориентированных кристаллов 6, в нижней части слитка формируется зона осаждения (зона мелких кристаллов 7), в верхней головной части слитка образуется усадочная раковина 2, а в средней – усадочная осе-

вая рыхлость 3.

Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают с массивной прибылью 1, сталь в которой длительное время остается жидкой,

поэтому усадочная раковина образуется не в слитке, а в прибыли.

Стальные слитки из спокойной стали неоднородны по химическому со-

ставу. Химическая неоднородность, или ликвация, возникает вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при переходе из жидкого со-

стояния в твердое. В слитках кипящей стали усадочные раковины не образу-

ются, нет ликвации, но при разливке стали раскисление продолжается в из-

31

ложнице с выделением газа СО, который образуют в слитке большое количе-

ство мелких пузырьков, что приводит к снижению качества стали. Полуспо-

койная сталь имеет строение слитка и свойства промежуточные между спо-

койной и кипящей сталью.

2.7. Способы повышения качества стали

Развитие современной техники и точного машиностроение потребовало производства высококачественных сталей, жаропрочных сплавов, чистых ме-

таллов, которые обычными способами получить невозможно. Такие металлы и сплавы должны содержать минимальное количество газов и неметалличе-

ских примесей и получить их можно только в специальных печах или при использовании специальных технологий. В настоящее время для повышения качества стали используют различные методы, основными из которых явля-

ются: использование вакуума при плавке стали, обработка расплавленного металла синтетическими шлаками, электрошлаковый переплав и другие ме-

тоды.

Наиболее совершенным методом вакуумной обработки стали является вакуум – плавка, осуществляемая чаще всего в индукционных печах. Сущ-

ность процесса состоит в том, что в плавильном пространстве печи создается и поддерживается в течение плавки вакуум, в результате чего газы и неме-

таллические включения, содержащиеся в расплаве, удаляются из металла.

Вакуумная дегазация - способ внепечной обработки стали, осуществ-

ляемый в ковше или изложнице, помещенных в вакуумные камеры. При по-

нижении давления над зеркалом металла происходит уменьшение содержа-

ния растворенных в металле газов и неметаллических включений.

Обработка металла синтетическими шлаками заключается в том, что в ковш перед заливкой в него стали заливают специально приготовленный шлак. Сливаемый в ковш металл интенсивно перемешивается со шлаком,

вследствие чего поверхность контакта металла и шлака резко возрастает,

происходит рафинирование металла.

32

Электрошлаковый переплав (ЭШП), разработанный в Институте элек-

тросварки имени Е.О.Патона, применяют для выплавки высококачественных сталей. Переплавке подвергают металл, выплавленный в электродуговой пе-

чи и прокатанный на круглые прутки. Источником тепла при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая за счет прохождения через нее электрического тока. Капли металла проходят через слой жидкого шлака специального со-

става, под слоем которого наплавляется и формируется слиток. Такой слиток имеет высокое качество металла, так как уменьшается содержание неметал-

лических включений, серы и газов.

2.8. Производство цветных металлов

Цветные металлы в современной технике играют существенную и не-

прерывно возрастающую роль. В машиностроительном производстве наибо-

лее широкое применение находят медь, алюминий, магний, титан цинк, ни-

кель, свинец, олово и их сплавы. Руды цветных металлов обычно отличаются небольшим содержанием ценного компонента и комплексным характером залегания. Это определяет сложность технологического процесса извлечения ценных компонентов и более высокую себестоимость их получения.

Производство меди

Медьметалл красного цвета с удельным весом 8,93 т/мз и температу-

рой плавления 1 083ºС. Медь обладает высокой тепло- и электропроводно-

стью и высокой пластичностью, что позволяет прокатывать ее в тонкие лис-

ты.

Исходным материалом для производства меди служат руды, содержа-

ние меди в которых обычно составляет 1 … 3%. Более богатые руды встре-

чаются редко. Медь находится в рудах большей частью в виде сернистых со-

единений. Окисные соединения меди встречаются реже, и еще реже медь встречается в виде карбонатов.

Переработка медных руд может осуществляться пирометаллургиче-

ским способом, протекающим при высоких температурах, или гидрометал-

33

лургическим, основанным на переводе в раствор выделяемого металла. Пи-

рометаллургическим способом можно перерабатывать как сульфидные, так и окисленные руды, тогда как гидрометаллургическим только окисленные ру-

ды.

Основным методом получения меди является пирометаллургический способ (рис. 2.7, а), который является многоступенчатым процессом и скла-

дывается из следующих этапов: обогащение, обжиг, плавка на штейн, полу-

чение черновой меди, рафинирование меди.

Производство алюминия

По содержанию в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов (около 8%). Алюминий - металл серебристо-белого цвета с удель-

ным весом 2,7т/м3 и температурой плавления 660ºС. На воздухе он быстро покрывается тонкой пленкой окисла Аl2Оз. Алюминий и его сплавы нашли широкое

Рис. 2.7.Схема про-

изводства цвет-

ных металлов:

а – меди; б -

алюминия; в –

магния; г - ти-

тана

применение благодаря дос-

таточно высо-

кой пластично-

сти, тепло- и электропроводности. Алюминий очень активный металл, по-

этому встречается в природе только в связанном виде - в виде оксидов и гид-

роокисей. Алюминий получают из бокситов, каолинов, нефелинов, алунита.

34

Основное сырье для получения алюминия - бокситы, в которых алю-

миний содержится в виде гидроокисей. Получение алюминия складывается из двух самостоятельных этапов: извлечение из руды окиси алюминия (гли-

нозема) и получение алюминия электролизом глинозема (рис. 2.7, б).

Производство магния

Магний – серебристобелый металл, плотность которого 1,7 т/м3, тем-

пература плавления 651ºС. Это очень активный металл, в свободном виде не встречается, является составляющей многих пород, в которых содержится в виде хлоридов или карбонатов, образуя магниевые руды: карналлит, магне-

зит, доломит, бишофит.

Основным методом получения магния является электролиз расплав-

ленных солей магния, упрощенная схема которого представлена на рис. 2.7,

в. Электролитом является безводный хлористый магний, в который добав-

ляют хлористые соли натрия, калия и кальция для снижения температуры плавления.

Производство титана

Титан – металл серебристого цвета с голубоватым отливом, плотно-

стью 4,5 т/м3, температурой плавления около 1 660ºС. Чистый титан облада-

ет достаточно высокой пластичностью и невысокой твердостью, технический титан – хрупкий и твердый.

В природе титан встречается в составе более семидесяти минералов, из которых наибольшее промышленное значение получили ильменит и рутил.

Основным методом переработки титановых руд является магнийтерми-

ческий способ, сущность которого заключается в получении четыреххлори-

стого титана и восстановлении из него металлического титана с помощью магния (рис. 2.7, г).

Контрольные вопросы

1.Что такое чугун и что такое сталь? Чем они отличаются?

2.Назовите исходные материалы для получения чугуна. Каково их назна-

чение?

35

3.В чем сущность доменного процесса получения чугуна?

4.С какой целью получают передельный чугун?

5.Перечислите сталеплавильные печи, назовите их достоинства, недос-

татки, область применения.

6.Какова роль флюсов и шлаков в металлургическом производстве?

7.Что такое раскисление стали?

8.Опишите строение стального слитка из спокойной стали.

36

ГЛАВА 3. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Литейное производство – один из самых древних и в настоящее время самый распространенный способ получения заготовок, которым получают отливки для всех отраслей промышленности. Это сравнительно простой и недорогой процесс, применяющийся для получения изделий любой массы,

габаритов и сложности практически из всех металлов и сплавов.

Во многих случаях литье оказывается единственным способом изго-

товления заготовок больших размеров, а также сложной конфигурации (бло-

ков цилиндров, поршней, рабочих колес, лопастей газовых турбин, станин станков), которые другими видами обработки (ковкой, штамповкой, сваркой)

получить затруднительно или невозможно.

Сущность литейного производства заключается в получении литых де-

талей (отливок) путем заливки расплавленного металла в специально приго-

товленные литейные формы, внутренняя полость которых соответствует очертаниям будущей отливки. В процессе кристаллизации и охлаждения в форме получается отливка, обладающая определенными механическими и эксплуатационными свойствами.

В промышленности применяются различные способы литья, которые можно разделить на две группы: получение отливок в разовых формах, раз-

рушающихся при извлечении отливок (литье в песчаные формы, оболочко-

вые формы, по выплавляемым моделям, газифицируемым моделям и другие),

и литье в многократные формы (литье в кокиль, под давлением, центробеж-

ное литье, непрерывное литье и другие). Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, размером отливок, видом используемого металла, требованиями к геометрической точности и шерохо-

ватости поверхности отливок, экономической целесообразностью т.д.

Принципиальная схема получения отливки в разовой песчаной форме,

применяемой для изготовления значительной части отливок в. машинострое-

нии, приведена на рис. 3.1.

37

Литейная форма состоит из нижней 8 и верхней 6 полуформ, которые получают в опоках 13 и 14 из формовочной смеси, состоящей в основном из кварцевого песка, глины и воды. Опока – жесткая рамка из стали, чугуна или Рис. 3.1 Схема получения отливки в разовой песчаной

форме:

1 - литая деталь; 2 - разъем-

ная модель; 3 – стержневой знак; 4 – стержень; 5 –

стержневой ящик; 6, 8 –

верхняя и нижняя полуфор-

мы; 7 – выпор; 9 – питатель;

10 - шлакоуловитель; 11 – стояк; 12 - литниковая воронка (чаша); 13, 14 –

опоки.

силумина, служащая для удерживания формовочной смеси при формовке.

Полость формы получается с помощью модели 2. Для оформления отверстий или других сложных контуров служат стержни 4, которые изготавливают в стержневых ящиках 5. Стержни крепят в форме с помощью знаков 3.

Подвод расплавленного металла в полость формы, ее заполнение и пи-

тание отливки при затвердевании осуществляется по каналам литниковой системы 9 - 12.

После затвердевания и охлаждения металла форму и стержень разру-

шают, извлекают отливку, очищают ее от формовочной смеси и отрезают литники.

3.1.Литейные сплавы

Всовременном машиностроении используется большое количество сплавов, важнейшими и широко применяемыми из которых для получения отливок являются чугуны, сталь и сплавы цветных металлов.

Наиболее распространенным литейным материалом является серый

38

растающие кристаллы имеют менее разветвленную и более компактную форму. Они в меньшей степени, чем в первом случае, замедляют скорость течения расплава и канал заполняется на большую длину.

Кроме формы выпадающих кристаллов, имеет значение и величина те-

плоты кристаллизации. Если выпадающая фаза обладает большей теплотой кристаллизации, то для охлаждения и затвердевания расплава требуется большее время, следовательно, сплав дольше находится в жидком состоянии и успевает дальше проникнуть в канал формы.

Повышение температуры заливки и температуры литейной формы уве-

личивает Ж сплавов. Увеличение теплопроводности материала формы, как и неметаллические включения в металле, снижает Ж и затрудняет продвиже-

ние его в форме.

Чем лучше отделка формы и литниковых каналов, тем быстрее и пол-

нее форма заполняется расплавом.

В практике литейного производства Ж оценивают с помощью специ-

альных спиральных проб, которые заливают расплавленным металлом. Дли-

на заполненной части спирали и служит мерой Ж, которая измеряется в мил-

лиметрах.

Усадка - это свойство литейных сплавов уменьшаться в объеме и ли-

нейных размерах при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. На величину усадки влияют,

прежде всего, природа металла, химический состав сплава, температура за-

ливки и свойства литейной формы. С повышением температуры заливаемого металла усадка увеличивается. Усадку принято делить на объемную и линей-

ную.

Объемная усадка – это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме. Объемная усадка приводит к образованию в отливках уса-

дочных раковин и рассеянной усадочной пористости. Усадочные раковины -

это сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, за-

40