2 Затвердевание и охлаждение отливки

Затвердевание отливки. Залитый в форму жидкий сплав постепенно теряет избыток содержащегося в нем тепла, затвердевает и охлаждается. Тепло от отливки отводится в форму и через нее в окружающую среду. Режим отвода тепла, особенно в период затвердевания отливки, имеет очень большое значение, он влияет на формирование струк­туры кристаллизующегося сплава, на его плотность и однород­ность.

Затвердевание отливки происходит обыкновенно не сразу по всему ее сечению; оно начинается в поверхностном слое, затем переходит в глубинные слои и заканчивается в прибыли.

На процесс первичной кристаллизации очень влияют примеси, содержащиеся в металле. Их влияние значительно.

Примеси, служащие зародышами будущих кристаллов, должны отвечать определенным требованиям. Кристалл металла может развиваться на частице примеси, как на подложке, только в том случае, если кристаллическая решетка примеси имеет хотя бы одно ребро, близкое по размерам ребру кристаллической решетки металла.

Результаты работ показывают, почему в ка­честве модификаторов должны использоваться только те вещества, кристаллическая решетка которых без предваритель­ного деформирования может наращиваться кристаллом металла или сплава. Это ограничительное условие сокращает круг веществ, пригодных служить модификаторами, и вызывает необходи­мость изыскивать модификаторы для каждого сплава в отдель­ности.

Общие положения теории кристаллизации дают возможность представить процесс затвердевания отливки. Рассмотрим процесс, не затрагивая количественных закономерностей и сде­лав ряд упрощающих допущений. Предположим, что чистый ме­талл или сплав залит в песчано-глинистую форму. Допустим, что металл обладает очень высокой теплопроводностью, а коэффициент теплоотдачи на границе металл - форма имеет, наоборот, относительно небольшую величину. В таких условиях охлаждение отливки с поверхности будет сопровождаться быстрым притоком тепла из ее внутренних слоев и постоянным выравнива­нием температуры по ее сечению. Из этого следует, что при приня­тых допущениях можно пренебречь температурным перепадом по сечению отливки.

Металл, заполнивший форму, продолжает охлаждаться. По мере отвода тепла температура отливки снижается, она дости­гает температуры затвердевания и продолжает па­дать. После того как переохлаждение превысит определенную величину, в жидкости начнут развиваться твердые кристаллы..

Снижение температуры в отливке прекратиться, как только отводимое тепло и выделяющаяся теплота кристаллизации окажутся равными.

3 Производство отливок из различных сплавов

3.1 Чугунное литье

Чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок. В разных странах, в зависимости от развития машиностроения и других отраслей производства, чугунные отливки составляют 74—83% (по массе) общего числа отливок.

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне по сравне­нию с другими литейными сплавами. Область применения чугуна все больше расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических свойств, а также разработки чугунов новых марок со специальными физическими и химичес­кими свойствами.

Чугун — это многокомпонентный сплав железа с углеродом и другими элементами.

На характер кристаллизации чугуна, а также на форму, раз­меры и расположение образующихся фаз влияет много факторов. К ним относится содержание элементов, постоянно присутствую­щих в чугуне (С, Si, Mn, S, Р), легирующих элементов, а также эле­ментов, находящихся в очень малом количе­стве. Большое влияние оказывает скорость охлаждения чугуна, из­менение которой в стен­ках разной толщины вызывает образование различных микрострук­тур в одной и той же отливке.

Конечную структуру чугуна можно изменять воздействием на жидкий расплав.

Структуры, получа­ющиеся при кристалли­зации чугуна в форме, можно существенно изменить последующей термической обработ­кой. Последнюю исполь­зуют не только для из­менения состояния металлической основы, но и для получения ковкого чугуна.

Совместное влияние указанных факторов определяет все мно­гообразие структур, получаемых в отливках.

На основные свойства чугуна сильное влияние оказывает графит. В первую очередь это сказывается на прочности, характеризующей чугун как конструкционный материал. Графит различается пластинчатый или шаровидный.

Влияние графита на прочностные свойства складывается из ослабления поперечного сечения металлической основы. Графитовые включения оказывают также «надрезывающее» влияние на металлическую основу. В общем случае графит уменьшает:

а) предел прочности при растяжении, а также пределы упругости и пропорциональности;

б) пластичность (относительное удлинение, ударную вязкость);

в) модуль упругости.

В тоже время чугун, в отличие от стали, обладает низкой чувствительностью к надрезам. Благодаря этому, возникающие в чугунной отливке надрезы (раковины, поры, неметаллические включения, риски после механической обработки и т.д.) в малой степени снижают ее конструктивную прочность.