15А. Что такое раскисление стали, для чего его проводят?

Заключительным этапом плавки является ее раскисление, цель которого - удаление оксида железа. В жидкую сталь вводят раскислители – марганец, кремний (в виде ферросплавов) и алюминий:

FeO + Mn = Fe + MnO;

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂;

3FeO + 2Al = 3Fe + Al₂O_3.

Раскисление проводят в конвертере или в ковше. В зависимости от степени раскисления различают кипящие, спокойные и полуспокойные стали. Кипящие стали – это стали раскисленные ферромарганцем. В них остаются примеси оксида железа, и процесс раскисления продолжается в изложнице ¹⁾ по реакции:

FeO + C = Fe + CO.

Выделение пузырьков СО выглядит как «кипение» стали. Спокойную сталь получают при раскислении ее одновременно ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. При таком раскислении полностью удаляются оксиды железа, и «кипения» в изложнице не происходит. Полуспокойная сталь – это сталь, которую раскисляют ферромарганцем и пониженным количеством ферросилиция. Она занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью.

¹⁾ Изложница – металлическая форма различного сечения для заполнения расплавленным металлом и получения слитка.

16. Электроплавку осуществляют в индукционных и электродуговых печах.

17. Все металлы и металлические сплавы суть твердые кристаллические тела, в которых атомы расположены в пространстве в строго определенном порядке в узлах воображаемой кристаллической решетки. Наименьшая часть кристаллической решетки, перемещая которую в пространстве в направлениях xyz можно получить весь кристалл, называется элементарной ячейкой.

18. Типы кристаллических решеток: ОЦК (объемно- центрированная кубическая), ГЦК (гранецентрированная кубическая), ГПУ (гексагональная плотноупакованная).

19. Полиморфизм металлов – способность некоторых металлов (Fe, Sn, Ni, Zr) изменять в зависимости от температурного интервала свою кристаллическую решетку, а, следовательно, и свойства. Например, железо ниже температуры 911 ⁰С имеет решетку ОЦК, а в интервале 911 -1392 ⁰С - решетку ГЦК, а при нагреве выше 1392 ⁰С решетка железа опять трансформируется в модификацию ОЦК и вплоть до температуры плавления, т.е. в интервале 1392 – 1539 ⁰С – железо существует в ОЦК-модификации. Температуры 911, 1392 ⁰С называют температурами полиморфного превращения. При охлаждении идет обратный процесс: при температурах полиморфного превращения ОЦК-железо превращается в ГЦК и опять в ОЦК.

20. Расстояния между атомами в кристалле в различных направлениях неодинаковы, Неодинакова и плотность расположения атомов по различным плоскостям. Вследствие этого химические, физические и механические свойства монокристаллов зависят от направления исследования данного свойства. Зависимость свойств от направления называют анизотропией. Анизотропия это явление зависимости свойств, в том числе механических в зависимости от направления приложения нагрузки. Анизотропия свойственна монокристаллам и деформированным в холодную поликристаллам.

21. Псевдо или квазиизотропия свойственна поликристаллическим телам, которые состоят из множества кристаллов неправильной формы,т.е. зерен, которые ориентированы хаотично. Поэтому вне зависимости от направления приложения нагрузки свойства будут одинаковы. В поликристаллическом материале, коими являются металлы и сплавы, все зерна ориентированы хаотически. Поэтому металлы и сплавы являются псевдоизотропными (говорят, квазиизотропные). При холодной обработке металлов появляется преимущественная ориентированность кристаллов – текстура, а следовательно, появляется анизотропия свойств. Текстурирование используют, например, в производстве электротехнических сталей.

22. Все металлы – суть поликристаллические тела. Кристаллы неправильной формы, сформировавшиеся в процессе кристаллизации (затвердевания) называют кристаллитами или зернами.

23. Сплав, полученный сплавлением или спеканием двух или более металлических элементов (компонентов) с возможным присутствием незначительного количества неметаллов и сохраняющий свойства, присущие металлу, а именно высокую электропроводность, теплопроводность, пластичность, называют металлическим сплавом.

24. Строение сплава более сложное по сравнению с чистым металлом. При сплавлении компонентов возможно образование различных фаз. Фаза – это часть сплава, обладающая своим химическим составом, своей кристаллической решеткой, своими физико-химическими и механическими свойствами имеющая границы раздела, переходя через которые все перечисленные свойства меняются скачком.

Среди наиболее часто встречающихся фаз могут быть твердые растворы и химические соединения. При отсутствии взаимодействия между компонентами возможно образование механических смесей, состоящих из отдельных зерен обоих компонентов. Механическая смесь может состоять из разных фаз, например из твердого раствора и химического соединения. Форма, размеры, характер взаимного расположения фаз в сплаве – все это в совокупности называют структурой сплава. Структуру изучают на полированных и потравленных микрошлифах в металлографическом микроскопе. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, состоящие из различных фаз с присущими им характерными особенностями.

25.Твердый раствор – это фаза, в которой один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую, а атомы второго компонента (забыв о своей кристаллической решетке) в виде отдельных атомов размещаются в решетке растворителя, изменяя ее размеры (периоды). Твердые растворы замещения – это фазы, в которой атомы растворенного компонента замещают часто атомов растворителя в его кристаллической решетке. Твердые растворы могут быть ограниченные и неограниченные (ГЦК: серебро – золото; никель- медь; ОЦК: молибден-вольфрам; ванадий-титан). Твердые растворы внедрения- это фазы, в которых второй компонент занимает свободные места ( междоузлия, т.е. пустоты в решетке растворителя. Такие растворы бывают только ограниченными.

27. Перлит – это механическая смесь феррита и цементита, образующаяся из аустенита в результате эвтектоидного превращения стали при постоянной температуре. Для углеродистой стали это температура 727 ⁰С. Перлит является структурной составляющей углеродистых сталей после отжига, т.е. в равновесном состоянии. Перлит входит в состав ледебурита в белых чугунах, а также может являться структурой металлической основы в графитизированных чугунах.

Ледебурит – это механическая смесь двух твердых фаз: аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого чугуна, в котором растворено 4,3 % углерода при постоянной температуре 1147 ⁰С. При дальнейшем охлаждении аустенита, в котором в результате этектической реакции растворено 2,14 % углерода, концентрация углерода в нем уменьшается. Углерод из аустенита выделяется в виде цементита. При охлаждении до температуры 727 ⁰С в аустените остается 0,8% углерода, и этот аустенит претерпевает эвтектоидное превращение, в результате которого образуется перлит. Поэтому при комнатной температуре, так же при нагреве до 727 ⁰С ледебурит – это смесь перлита и цементита.

28. Фазовый состав стали и чугуна зависит от содержания углерода и температуры.

Ниже 727 ⁰С в стали и чугуне присутствуют две фазы: феррит и цементит. Структура стали и чугуна зависит от содержания углерода. В интервале концентраций более 0,02 и менее 0,8 % углерода структура стали содержит две структурные составляющие: феррит и перлит. При содержании углерода 0,8 % структура стали – перлит (одна структурная составляющая). При содержании углерода более 0,8 и менее 2,14 % структура стали состоит из двух структурных составляющих: перлита и цементита вторичного. При содержании углерода более 2,14 и менее 4,3 % структура чугуна состоит их трех структурных составляющих: перлита, ледебурита и цементита вторичного. При содержании углерода 4,3 % структура чугуна состоит из одной структурной составляющей – ледебурита. При содержании углерода более 4,3 и менее 6,67 % структура чугуна состоит из двух структурных составляющих: ледебурита и цементита первичного.

29. Углеродистые конструкционные стали содержат менее 0,65% углерода. Их фазовый состав при комнатной температуре (в равновесном состоянии, т.е. при медленном охлаждении) - феррит (твердый раствор углерода в железе с решеткой ОЦК) и цементит (химическое соединении Fe₃C – карбид железа). Структура конструкционной стали при комнатной температуре (в равновесном состоянии) – феррит и перлит (механическая смесь феррита и цементита, образовавшаяся из аустенита при 727⁰ С в результате эвтектоидного превращения). Механические свойства конструкционных сталей характеризуются удовлетворительной прочностью и высокой пластичностью и вязкостью. Конструкционные стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием и могут подвергаться ОМД (обработке металлов давлением). Причем с увеличением содержания углерода прочность и твердость возрастают, а пластичность и вязкость падают. Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные. Качество стали зависит от количества вредных примесей – серы и фосфора. Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст и цифрой от 0 до 6. Цифра – условный номер, который зависит от химического состава стали. В конце марки добавляют буквы, которые указывают вид раскисления: кп – кипящая сталь, пс –полуспокойная, сп – спокойная. Например, Ст1кп, Ст3пс. Сталь обыкновенного качества применяют в виде листового и сортового проката для изготовления различных строительных конструкций, мостов, болтов.

Качественные конструкционные стали обозначают цифрами: 08,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,58,60. Цифры означают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 60 содержит 0,6 % углерода. Из стали 08, 10… 25 изготавливают холодной штамповкой шайбы, болты, винты. Из средне и высокоуглеродистых сталей (марки 30… 55) изготавливают оси, коленчатые валы, цилиндры, шестерни, зубчатые колеса.

30. Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,7 до 1,3 %. Их маркируют буквой У и цифрой, указывающей на содержание углерода в десятых долях процента (У7…У13), например, сталь У7 содержит 0,7% углерода. Фазовый состав углеродистой инструментальной стали при комнатной температуре в равновесном состоянии - феррит и цементит. Структура инструментальной стали при комнатной температуре в равновесном состоянии зависит от содержания углерода. В стали У7 структура – феррит и перлит, в стали У8 – перлит, в сталях У9 – У13 – перлит и вторичный цементит. Применение: Стали марок У7 – У9 - зубила, клейма по металлу, пилы, топоры. У10 –У13 – напильники, острый хирургический инструмент, простые штампы для холодного деформирования. Рабочие свойства стали зависят от конечной структуры, которая формируется в процессе необходимой термической обработки.

32. Какой сплав называют легированной сталью? Как маркируют легированные стали?

Легированная сталь-это сталь, которая помимо железа и углерода (хотя есть и безуглеродистые стали) содержит другие элементы, специально введенные в сталь при выплавке для получения специальных свойств, не присущих обычной углеродистой стали. Номенклатура легированных сталей разнообразна: высокотвердые, быстрорежущие, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, с особыми физическими свойствами т.д.

Маркировка легированных сталей. Легированные стали маркируют с помощью цифр и букв, указывающих на примерный химический состав стали. Первые цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы указывают на присутствие легирующего элемента. Каждый элемент обозначается своей буквой: Н – никель, Г – марганец, Х – хром, Ц – цирконий, Т – титан, К – кобальт, М – молибден, В – вольфрам, П – фосфор, Ф – ванадий, Б – ниобий, Ю – алюминий, С – кремний, Д – медь, А – азот. Цифры за буквой означают примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании элемента менее 1-1,5 % цифра отсутствует. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Высококачественные стали обозначают буквой А, которая стоит в конце марки, например, 38ХН3МФА. Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), это говорит о том, что сталь легирована азотом. Если в конце марки через де фис стоит буква Ш, значит сталь особовысококачественная. Если в конце марки стоит буква Л, это означает, что сталь предназначена для изготовления деталей литьем, например, 110Г13Л. Для некоторых групп сталей используют нестандартную маркировку. Подшипниковые стали обозначают буквами ШХ и цифрой, указывающей на содержание хрома в десятых долях процента, например, ШХ15 (содержание хрома 1,5 %). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, первая цифра указывает на содержание основного легирующего элемента - вольфрама, например, Р18 (18 % W), Р6М5 (6 % W, 5 % Mo).

33. Графит в чугунах может быть пластинчатой, хлопьевидной и шаровидной формы.

34. Белым называют чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии: основная часть в химическом соединении карбиде железа (цементите), а также в твердых растворах (феррите и аустените), Белым назван по виду излома. Белые чугуны хрупкие и в качестве конструкционного материала не используют.

35. Графитизированные чугуны или чугуны со свободным графитом это чугуны, в которых связанный углерод может находиться в количестве не более 0,8 %, а остальная его часть находится в свободном состоянии в виде графита. Графитизированные чугуны – это самый дешевый конструкционный материал.

36. Серый чугун – это чугун с пластинчатым графитом. Его получают при медленном охлаждении расплава и добавлении в него кремния в качестве графитизатора. Серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрой, указывающей предел прочности σ_В в кг/мм² : СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Например, СЧ15 имеет предел прочности σ_В = 15 кг/мм² ~150 МПа (в системе СИ). Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от нескольких граммов до 100 тонн и более. (σ_В - предел прочности или временное сопротивление при испытаниях на растяжение). Преимущества серого чугуна: хорошая жидкотекучесть, малая усадка. Серый чугун хорошо обрабатывается резанием, обладает хорошими антифрикционными свойствами. Серый чугун имеет высокие демпфирующие свойства, т.е. хорошо гасит вибрации и резонансные колебания. Из серого чугуна изготавливают картеры двигателей, барабаны сцепления, поршни цилиндров, станины станков и др.

37. Ковкий чугун – это чугун с хлопьевидным графитом. Его получают путем специального длительного (до 2-х суток) отжига при температуре 950 – 970⁰С отливок белого чугуна. Отжиг на ковкий чугун называется томлением. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности в кг/см² и относительное удлинение δ, в %: КЧ 33-8, КЧ 37-12 (ферритные чугуны), КЧ 55-4, КЧ65-3 (перлитные чугуны). Например. КЧ33-8 имеет σ_В = 33 кг/мм² (~323 МПа) и δ= 8%. Широко применяют в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении, в судостроении, котлостроении, вагоностроении, дизелестроении. Ковкий чугун идет на изготовление деталей высокой прочности, которые подвержены истиранию и ударным знакопеременным и вибрационным нагрузкам (картеры, редукторы, фланцы). Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготавливать из него детали водо- и газопроводных установок. К недостаткам ковкого чугуна можно отнести его высокую стоимость из-за продолжительного и дорогостоящего отжига.

38. Высокопрочный чугун – это чугун с шаровидным графитом. Его получают модифицирование перед заливкой в форму магнием или церием в количестве 0,03-0,07%. Его маркируют буквами Вч и цифрой, указывающей предел прочности в кг/мм²: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ 45, ВЧ50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВчЧ100. Например, ВЧ 80 имеет σ_В = 80 кг/мм². Применяют высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей зубчатых колес, коленчатых валов.

39. Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлов и сплавов в твердом состоянии, т.е. готовых изделий и полуфабрикатов с целью получения необходимых физико- механических свойств за счет изменения их внутреннего строения (структуры).

Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры: максимальная температура нагрева, время выдержки при температуре нагрева, скорость нагрева и скорость охлаждения. Термическая обработка может быть сложной, состоящей из многократных нагревов, прерывистого или ступенчатого нагрева и охлаждения, охлаждения в область отрицательных температур и т.д.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металла. Термическую обработку используют либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости полуфабриката давлением, резанием и др., либо как окончательную операцию технологического процесса, обеспечивающую заданный уровень физико-механических свойств детали.

40. Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение.

41. Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла до определенной температуры, выдержки и охлаждении с печью (т.е. с минимально возможной скоростью, порядка 50-100 град/час). Основная цель отжига – получение равновесной структуры, снятие напряжений, снижение твердости и повышение пластичности.

42. Нормализация – это разновидность отжига. При нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе. При этом скорость охлаждения составляет 200–250 град/час. Нормализация – более дешевая операция, чем отжиг, т.к. печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации. Охлаждение осуществляют на воздухе, вне печи.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых – устранить дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья и ковки), или подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием или закалке). Однако довольно часто отжиг, а особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой. Это происходит в том случае, когда после отжига или нормализации сталь имеет свойства, удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали, и не требуется дальнейшего их улучшения с помощью закалки и отпуска.

43. Закалка – это термическая операция, которая заключается в нагреве сплава до определенной температуры и охлаждении с высокой скоростью. В зависимости от того происходит ли в сплаве полиморфное превращение, цель закалки различна. Если в сплаве не протекает полиморфного превращения, закалкой можно зафиксировать при комнатной температуре высокотемпературное структурное состояние. Если в сплаве протекает полиморфное превращение, а это углеродистые и низколегированные стали, закалку применяют для получения другой структуры –мартенсита.

Под закалкой углеродистой или низколегированной стали, претерпевающей полиморфное превращение при нагреве и охлаждении (α → γ; γ → α), понимают термическую обработку, которая заключается в нагреве стали выше температуры фазового превращения, т.е. до образования фазы аустенит, выдержке при этой температуре и охлаждении с высокой скоростью, выше некоторой критической. Критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость, охлаждая с которой в стали не происходит диффузионного распада аустенита с образованием структур перлитного типа, таких как перлит, сорбит, тростит, а также бейнит. При охлаждении со скоростью выше критической в стали происходит бездиффузионное (сдвиговое) превращение. Образовавшаяся в результате такого превращения структура названа в честь ученого-металлурга Мартенса мартенсит. Мартенсит. представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в феррите.

Мартенсит – это неравновесная (метастабильная) структура, которая характеризуется максимальной твердостью и прочностью (для данной марки стали), но пластичность при этом практически равна нулю. Мартенсит получают закалкой из аустенитного состояния.

44. Отпуск – заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения, выдержке и охлаждении на воздухе. Целью отпуска является получение более равновесной структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

Различают три вида отпуска. Низкий отпуск углеродистой стали проводят при температуре 150-200⁰С. Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с содержанием углерода 0,7 – 1,3 %.

Средний отпуск проводят при температуре 350-450 ⁰С. При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшения сопротивляемости действию ударных нагрузок. Структура стали после среднего отпуска – тростит отпуска (дисперсная механическая смесь феррита и зернистого цементита). Закалку и средний отпуск проводят для пружин, рессор, ударного инструмента (стали с содержанием углерода 0,5 – 0,7 %).

Высокий отпуск проводят для среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3 – 0,45%. Он заключается в нагреве закаленной стали до температуры 550 - 650 ⁰С. Цель высокого отпуска– достижение оптимального сочетания прочности, пластичности и вязкости. Структура стали после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска (смесь феррита и зернистого цементита, более крупного по сравнению с цементитом тростита отпуска). Термическая обработка, состоящая из закалки и последующего высокого отпуска, является основным видом термической обработки ответственных изделий из конструкционных сталей, подвергающихся в процессе эксплуатации действию высоких напряжений и ударных, часто знакопеременных нагрузок. Закалку с последующим высоким отпуском называют улучшением.

45. См.44.

46. Перлитное (эвтектоидное) превращение - это диффузионное превращение в стали (реакция), которое заключается в том, что при охлаждении стали до температуры 727 ⁰С одна твердая фаза - аустенит (твердый раствор углерода в ГЦК-железе), в которой растворено 0,8 % углерода, претерпевает превращение, в результате которого образуется механическая смесь двух твердых фаз: феррита и цементита (феррит – это твердый раствор углерода в ОЦК-железе, цементит – это карбид железа Fe₃С). Эту смесь за перламутровый блеск при рассмотрении под металлографическим микроскопом назвали перлитом. Механизм превращения – диффузионный. В процессе превращения протекает диффузия углерода и происходит его перераспределение между ферритом и цементитом. Это превращение протекает при постоянной температуре в течение определенного времени как при охлаждении, так и при нагреве, только в противоположном направлении. Это превращение является полиморфным, т.к. ГЦК-решетка железа преобразуется в ОЦК-решетку железа и наоборот. Перлитное превращение делает сталь уникальным сплавом, структуру которого можно многократно изменять в процессе термической обработки, получая при этом необходимую структуру, а, следовательно, и механические свойства.

(Температура эвтектоидного превращения легированной стали выше и зависит от легирующих элементов.)

Мартенситное превращение – это бездиффузионное (сдвиговое) превращение аустенита в структуру, которую назвали мартенситом. Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в феррите. Термическая обработка, в результате которой получают структуру мартенсита, называют закалкой См.вопрос 43.

47. Латунь и бронза – это сплавы на основе меди. Латуни – это двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Простые латуни – это двухкомпонентные сплавы меди с цинком, в которых цинка содержится менее 45%. Латуни, содержащие цинка менее 39%, называются однофазными, они пластичны, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Двухфазные латуни содержат цинка более 39%. Они менее пластичны, но более прочны. Их обрабатывают в основном в горячем состоянии. Простые латуни маркируют буквой Л и цифрой, указывающей содержание меди. Например, Л68 (68% меди), Л95 (95% меди). Цинк дешевле меди. Чем больше цинка в латуни, тем ниже ее стоимость. Из однофазных латуней изготавливают холодным деформированием ленты, гильзы патронов, трубки теплообменников, проволоку. Специальные латуни – это латуни, дополнительно легированные другими элементами (алюминием, железом, никелем, марганцем) для увеличения прочности и улучшения обрабатываемости на станках. Литейные латуни отливают в песчаные формы, кокиль. Они идут на изготовление арматуры и деталей для судостроения, гаек нажимных болтов для сложных условий работы, втулок вкладышей, подшипников. ЛО70-1 (70% меди, 1% олова, остальное, т.е. 29% – цинк), ЛО62-1.

Бронзы – это двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами, среди которых может быть и цинк (т.е. цинк не является основным легирующим элементом). Пример маркировки деформируемых бронз: БрОФ4-2,5 (олово -4%, фосфора – 2,5%) назначение – трубки аппаратов и приборов; БрОЦ4-3 (олова 4%, цинка – 3%), назначение – ленты, полосы, проволока для пружин. Пример маркировки литейных бронз: БрО10Ф1(олово -10%, фосфор -1%), применение – сложное литье, подшипники, шестерни.

Дуралюмины и силумины – это сплавы на основе алюминия. Дуралюмины – это деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой, которая называется старением. Наиболее распространенным является дуралюмин Д1 (4% меди, 0,5% марганца, 0,5 % магния). Применяют в пищевой и холодильной промышленности. Силумин – это наиболее широко распространенный литейный сплав на основе алюминия, содержащий 10-13% кремния, например, АЛ2. Силумины применяют для средних и крупных деталей ответственного назначения. Сплав АЛ9 применяют для изготовления корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания.

48. Литье – способ изготовления заготовки или изделия заполнением полости заданной конфигурации жидким металлом с последующим его затвердеванием. Заготовку или изделие, получаемое методом литья, называют отливкой.

1) Литые заготовки являются наиболее дешевыми, зачастую имеют минимальный припуск на механическую обработку;

2) во многих случаях литье – единственно возможный способ получения заготовок сложной формы;

3) коэффициент использования металла (КИМ) – отношение массы детали к массе заготовки (КИМ определяет эффективность производства) при литье наиболее высокий и составляет 0,70-0,95, в то время как при ОМД КИМ – 0,30-0,70.

На машиностроительные заводы литейный чугун поступает в виде отливок – чушек. В литейных цехах чушки переплавляют в вагранках, плазменных, электродуговых и индукционных печах. Благодаря простоте конструкции наибольшее распространение получила вагранка.

48а. Жидкотекучесть – способность металла течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, полностью заполнять ее полости и точно воспроизводить очертания будущей отливки. Жидкотекучеть зависит:

1) от температурного интервала кристаллизации сплава т.е. температуры начала и конца его затвердевания);

2) вязкости и поверхностного натяжения сплава (чем они выше, тем жидкотекучесть ниже);

3) температуры расплава, чем она выше, тем выше жидкотекучесть;

4) температуры литейной формы, чем она выше, тем выше жидкотекучесть;

5) теплопроводности материала формы (уменьшение теплопроводности снижает жидкотекучесть

49. Модель – часть модельного комплекта, предназначенная для образования отпечатка в литейной форме, соответствующего наружной конфигурации и размерам отливки. Модели изготавливают из древесины, металлических сплавов, специальных модельных сплавов, пластмасс.

50. Литейная форма – это конструкция, состоящая из элементов, образующих рабочую полость, заполнение которой расплавом обеспечивает получение отливки заданных размеров и конфигурации.

51. Формовка – это процесс изготовления литейных форм из формовочных смесей. Формовка бывает ручная и машинная.

52. Литейная оснастка – это комплект приспособлений, используемых для изготовления отливок. Часть оснастки, включающая все приспособления, необходимые для образования рабочей полости литейной формы при ее формовке называют модельным комплектом. В модельный комплект входят: модели отливок и элементов литниковой системы, модельные и сушильные плиты, стержневые ящики, контрольные и сборочные шаблоны для конкретной отливки. «Формовочный комплект» - это полный комплект оснастки, используемый для получения разовой формы. В него дополнительно входят (наряду с модельным комплектом) опоки, скобы и др.

53. Литниковая система – это система каналов и элементов литейной формы, обеспечивающей подвод расплавленного металла полость формы и ее заполнение, а также питании отливки при затвердевании.

54. Элементы литниковаой системы – литниковая чаша (воронка), стояк, питатель, выпор (предназначен для отвода газов и всплывающих шлаков из полости формы), прибыль (компенсирует усадку отливки).

55. Помимо песка и глины для улучшения технологических и рабочих свойств в формовочные смеси вводят каменноугольную пыль, мазут, древесные опилки, торфяную крошку.

56. Литье в песчано- глинистые формы, специальные методы литья: литье в кокиль, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, центробежное литье.

57. Литье в кокиль. Кокиль – литейная форма, изготовленная из металла. Основное достоинство кокиля по сравнению с песчаными формами – многократное их использование, более высокая производительность труда.

Кокили делают разъемными и неразъемными. Они могут быть одногнездными и многогнездными, т.е. для получения одной отливки или сразу нескольких. Процесс литья в кокиль м.б. ручным (немеханизированным), механизированным, автоматизированным и автоматическим. Материалы, используемые для изготовления кокилей, должны хорошо противостоять термическим ударам, возникающим при заливке металла, хорошо обрабатываться, быть недефицитными и недорогими. Наиболее полно этим требованиям отвечает серый чугун, иногда используют стали, легированные хромом, никелем и молибденом, алюминиевые и другие сплавы. Охлаждение кокиля м.б. естественным или принудительным (воздушным, водяным, масляным). Подвод металла может осуществляться сверху (в виду возможности разбрызгивания металла в полости формы метод применяют для несложных и неответственных отливок небольшой высоты) или снизу (сифоном). В первом случае для ослабления удара падающей струи металла применяют зигзагообразные стояки. Для предотвращения физико-химического взаимодействия металла с формой на рабочую поверхность кокиля кистью или пульверизатором наносят огнеупорное покрытие. В качестве огнеупорной основы используют пылевидный кварц, шамот, графит, оксид цинка, тальк. Связующим чаще всего служит жидкое стекло. Перед заливкой кокиль подогревают до определенной температуры. Низкая температура кокиля может привести к потере текучести сплава, а в случае чугунной отливки ускоренный теплоотвод может вызвать отбел чугуна. Изготовление кокиля – дорогой и трудоемкий процесс, поэтому литье в кокиль оправдано при серийном или массовом производстве каких-либо изделий.

58. Центробежное литье. Суть способа заключается в формировании отливки под действием центробежных сил при свободной заливке металла во вращающуюся форму. Применяют металлические, песчаные, керамические, графитовые формы. Литейные центробежные машины исполняются в трех вариантах: с горизонтальной, вертикальной и наклонной осью вращения. На рабочую поверхность металлических форм (изложниц), предварительно нагретых до 300 ⁰С, наносят огнеупорное покрытие в виде красок, облицовок. Покрытие повышает стойкость формы и, снижает скорость охлаждения отливки и возможность образования в ней трещин. Расплав заполняет полость литейной формы и затвердевает под воздействием центробежной силы. Центробежное литье применяют, в основном для получения пустотелых отливок типа тел вращения: втулки, роторы, водонапорные и канализационные трубы, гильзы двигателей внутреннего сгорания, поршневые кольца, цилиндры компрессоров, подшипники качения, диски, барабаны. Толщина стенок полых отливок колеблется в пределах 4,0 – 350 мм. Центробежное литье применяют для получения биметаллических изделий типа сталь-бронза, чугун- бронза, сталь-сталь, сталь-чугун, например, сталь 45 – высокохромистый чугун, сталь 25Л – нержавеющая сталь 08Х18Н10Т. В промышленности получение биметаллических заготовок осуществляют последовательной заливкой сначала одного, затем другого сплава, формирующих соответственно наружный и внутренний слои отливки. Использование биметаллических деталей позволяет экономить дефицитные сплавы и одновременно повышать в 2-3 раза ресурс работы изделий.

Преимущества способа:

1. высокая производительность;

2. возможность автоматизации метода;

3. высокий выход годного металла (90-95%);

4. высокая плотность и мелкозернистое строение отливок за счет больших скоростей охлаждения;

5. реализация направленного затвердевания отливок;

6. возможность получения тонкостенных отливок с низкой жидкотекучестью.

Недостатки способа:

1. химическая неоднородность (ликвация) в толстостенных отливках;

2. высокие внутренние напряжения в поверхностном слое, способствующие образованию трещин;

3. возможность деформации формы под давлением жидкого металла;

4. разностенность по высоте отливок, полученных в машинах с вертикальной осью вращения.

59. Литье по выплавляемым моделям. Сущность способа состоит в получении специальных моделей из легкоплавких материалов, сборке их в блоки (соединение моделей отливок с моделью литниковой системы), покрытие моделей огнеупорной оболочкой, удалении моделей (выплавлением, растворением, выжиганием), прокалывании оболочковых форм и заливке в них жидкого металла. К преимуществам литья по выплавляемым моделям относят возможность получения сложных отливок из разнообразных сплавов, в том числе труднообрабатываемых ковкой и резанием. При этом снижается на 30 – 80% трудоемкость механической обработки, повышается коэффициент использования металла, снижается себестоимость изготовления деталей. Таким способом получают отливки массой от нескольких граммов до 100 кг.

Модельные материалы в зависимости от механизма удаления моделей из оболочек разделяют на выплавляемые, растворяемые и выжигаемые. Наиболее широко используемые выплавляемые модели: содержат парафин, стеарин, буроугольный и торфяной воски (битумы). Основные составляющие растворяемых моделей – карбамид, нитриды и нитраты щелочных металлов. Материал выжигаемых моделей – вспенивающиеся и компактные термопласты (полистиролы).

Изготовление моделей осуществляют свободной заливкой расплавленного модельного состава в металлические пресс-формы, запрессовкой под давлением пастообразного модельного состава специальными шприцами и на машинах-автоматах. Готовые модели собирают в блоки, припаивая их к модели литниковой системы. Затем на поверхность модельного блока наносят огнеупорную оболочку, состоящую из чередующихся слоев суспензии и обсыпки. Модельные блоки опускают в суспензию (гидролизованный раствор этилсиликата и огнеупорного наполнителя, например пылевидного кварца) и обсыпают зернистым огнеупорным материалом и сушат до отверждения. Так наносят 4 – 6 слоев, для крупных отливок до 10 слоев. Выплавление производят в горячей воде, нагретой до температуры выше температуры плавления модельного материала, продувкой горячим воздухом или перегретым водяным паром.

60. Литье в оболочковые формы. Литейная форма представляет собой оболочку толщиной 6 – 10 мм, изготовленную из материала огнеупорной основы и синтетической смолы в качестве связующего. Принцип получения оболочки заложен в свойствах связующего материала необратимо отверждаться при нагревании. Литьем в оболочковые формы изготавливают отливки средней массы 5 – 15 кг, реже 100 – 150 кг практически из любых сплавов. В качестве огнеупорной основы используют кварцевый песок, Чем меньше в песке примесей, тем выше качество формы. Связующим являются фенолформальдегидные синтетические термореактивные смолы. При бункерном способе получения оболочки на поворотном бункере со смесью закрепляют предварительно нагретую металлическую плиту с моделью. После чего бункер поворачивается на 180⁰ Смесь падает на модельную плиту, обсыпая ее рабочую поверхность. Смола нагревается, расплавляется, а затем отверждается. Толщина слоя зависит от времени выдержки на модели, ее температуры и теплофизических свойств наполнителя. При достижении необходимой толщины бункер поворачивается в исходное положение. Непрореагировшая смесь ссыпается в бункер. Для лучшего и более быстрого отверждения модельную плиту с оболочкой подают в печь, нагретую до температуры 280-320⁰С. После отверждения оболочку снимают с модельной плиты и направляют на сборку форм. Весь процесс получения оболочки длится несколько минут. Параллельно по такой же технологии изготовляют вторую полуформу ( оболочку), а также стержни.

Стержни – это элементы литейных форм, служащие для образования отверстий, полостей различной формы, а также сложных внешних очертаний отливок. Поскольку при заливке расплавленного металла в форму стержни находятся в более жестких условиях, в их состав входят связующие материала (жидкое стекло, синтетические смолы) для придания им дополнительной прочности. Часто стержень изготавливают на металлическом каркасе. В зависимости от вида связующего материала стержни подвергают сушке или нагреву.

Выбор способа изготовления отливок. Оптимальным может

61. ОМД – это обработка металлов давлением (прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка). Основные преимущества ОМД по сравнению с обработкой резанием:

1) малые отходы;

2) высокая производительность;

3) изменение свойств металлов в нужном направлении с целью повышения эксплуатационных характеристик

Различными способами ОМД обрабатывают до 90% всей выплавляемой стали и более 50% цветных металлов.

62. ОМД базируется на явлении пластичности, т.е. способности металла необратимо, и без разрушения изменять форму и размеры под действием внешних механических сил.

На пластичность металлов влияют:

1) химический состав (наибольшей пластичностью обладают чистые металлы, причем, чем чище металл, т.е., чем меньше в нем примесей, тем он пластичней);

2) кристаллическое строение металла. Наиболее пластичными являются металлы и сплавы с кристаллической решеткой ГЦК (медь, алюминий) со структурой твердого раствора. Непластичными (как правило, литейными, являются сплавы со структурой эвтектики: чугуны, силумины);

3) температура (возрастание температуры приводит к увеличению пластичности в результате увеличения подвижности атомов);

4) скорость деформации (повышение скорости деформации приводит к уменьшению пластичности;

5) вид напряженного состояния (чем больше сжимающие напряжения и меньше растягивающие, тем выше пластичность обрабатываемого металла.

63. ОМД можно обрабатывать сплавы, в структуре которых нет эвтектики и большого количества химических соединений. Лучше всего деформируются сплавы с решеткой ГЦК, структура которых твердый раствор.