Основы литейного производства. Физ. природа кристаллизации металлов

1. Основы литейного производства. Физ. природа кристаллизации металлов.

Литейное производство - одна из отраслей промышленности, продукцией которой являются отливки, получаемые в литейных формах при заполнении их жидким сплавом. Годовой объём производства отливок в мире превышает 80 млн. т. Методами литья изготовляется в среднем около 40% (по массе) заготовок деталей машин, а в некоторых отраслях машиностроения, например в станкостроении, доля литых изделий составляет 80%. Из всех производимых литых заготовок машиностроение потребляет примерно 70%, металлургическая промышленность — 20%, производство санитарно-технического оборудования — 10%. Литые детали используют в металлообрабатывающих станках, двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах, электродвигателях, паровых и гидравлических турбинах, прокатных станах, автомобилях, тракторах, локомотивах, вагонах. Значительный объём литых изделий, особенно из цветных сплавов, потребляют авиация, оборонная промышленность, приборостроение. Л. п. поставляет также водопроводные и канализационные трубы, ванны, радиаторы, отопительные котлы, печную арматуру и др. Широкое применение отливок объясняется тем, что их форму легче приблизить к конфигурации готовых изделий, чем форму заготовок, производимых др. способами, например ковкой. Литьём можно получить заготовки различной сложности с небольшими припусками, что уменьшает расход металла, сокращает затраты на механическую обработку и, в конечном счёте, снижает себестоимость изделий. Литьём могут быть изготовлены изделия практически любой массы — от нескольких г до сотен т, со стенками толщиной от десятых долей мм до нескольких м. Основные сплавы, из которых изготовляют отливки: серый, ковкий и легированный чугун (до 75% всех отливок по массе), углеродистые и легированные стали (свыше 20%) и цветные сплавы (медные, алюминиевые, цинковые и магниевые). Область применения литых деталей непрерывно расширяется.

Историческая справка. Производство литых изделий известно с глубокой древности (2—1-е тысячелетия до н. э.): в Китае, Индии, Вавилоне, Египте, Греции, Риме отливали предметы вооружения, религиозного культа, искусства, домашнего обихода. В 13—14 вв. Византия, Венеция, Генуя, Флоренция славились своими литыми изделиями. В русском государстве в 14—15 вв. отливались бронзовые и чугунные пушки, ядра и колокола (на Урале). В 1479 построена в Москве "пушечная изба" — первый литейный завод. В царствование Ивана IV созданы литейные заводы в Туле, Кашире и др. городах. В 1586 А. Чохов отлил "Царь-пушку" (около 40 т). При Петре I изготовление отливок увеличилось, были созданы литейные заводы на Урале, Юге и Севере государства. В 17 в. чугунные отливки экспортировались за границу. В России созданы замечательные образцы литейного искусства: в 1735 "Царь-колокол" (свыше 200 т) И. Ф. и М. И. Маториными, в 1782 памятник Петру I "Медный всадник" (22 т) Э. Фальконе, в 1816 памятник К. Минину и Д. М. Пожарскому В. П. Екимовым, в 1850 скульптурные группы Аничкова моста в Петербурге П. К. Клодтом и др. Одна из самых крупных отливок в мире — шабот (нижняя часть, воспринимающая удар) парового молота (650 т) изготовлена в 1873 на Пермском заводе. Известно мастерство литейщиков старых русских заводов — Каслинского, Путиловского, Сормовского, Коломенского и др.

Первые попытки научного обоснования некоторых процессов  литья сделали в своих работах 

Р. Реомюр, М. В. Ломоносов  и др. учёные. Однако до 19 в. при литье использовали ранее накопленный многовековой опыт мастеров. Лишь в начале 19 в. были заложены теоретические основы литейной технологии, были применены научные методы в решении конкретных производственных задач. Труды

Д. Бернулли, Л. Эйлера, М. В. Ломоносова послужили прочной базой  для разработки и совершенствования  литейной технологии. В работах русских  учёных П. П. Аносова, Н. В. Калакуцкого и А. С. Лаврова были впервые научно объяснены процессы кристаллизации, возникновения ликвации и внутренних напряжений в отливках, намечены пути к повышению качества отливок. В 1868 Д. К. Чернов открыл критические точки металлов. Его труды продолжили А. А. Байков, А. М. Бочвар, В. Е. Грум-Гржимайло, позднее

Н. С. Курнаков и др. русские учёные. Большое значение для развития Л. п. имели работы Д. И. Менделеева.

В годы Советской власти Л. п. развивалось ускоренными темпами: в 1922 впервые налажено производство отливок из алюминиевых сплавов, в 1929 — из магниевых; с 1926 производилась  реконструкция существовавших литейных цехов и строительство новых. Строились и вводились в эксплуатацию литейные цехи с высокой степенью механизации, с выпуском отливок  до 100 тыс. т и более в год. Л.п. и сейчас продолжает развиваться.

Кристаллизация - это процесс перехода от жидкого состояния расплава к твердому состоянию с образованием структуры. Кристаллизация сплава происходит в направлении перпендикулярном поверхности теплоотвода. Скорость кристаллизации меняется от максимальной у поверхности до минимальной в центре стенки отливки (рис.1).

Рис. 1. Изменение кристаллической структуры по сечению отливки. 1 - литейная “корка”. 2 - столбчатые кристаллы. 3 - крупнозернистые кристаллы. 4 - литейная форма.

Для создания равномерной кристаллической  структуры желательно уменьшить  толщину отливки. Наилучшие свойства имеют сплавы при мелкокристаллической (мелкозернистой) структуре. Изменением скорости охлаждения невозможно достигнуть равномерной структуры. С целью  получения мелкозернистой структуры  в сплавы вводят особые добавки - модификаторы для силумина АЛ -2 - натрий, для серого чугуна - магний. Процесс кристаллизации и кристаллическое строение отливки  зависят от ее формы, температуры  заливки сплава, от марки сплава, от вида литейной формы. На рис.1 показана качественная картина влияния этих параметров на кристаллическое строение отливки.