Литьё стали — теория и практика
Литье
Литье — это технологический процесс, суть которого состоит в заполнении литейной формы расплавленным материалом (литейным сплавом, пластмассой, поддающимся плавке и формообразованию горными породами) и дальнейшей обработке принявших твердую форму изделий. Говоря проще, литьем называется процедура изготовления отливок.
Существуют следующие разновидности литья:
- Литье в песчаные формы;
- в стержневые формы;
- в оболочковые;
- в многократные;
- Центробежное литье;
- По выплавляемым моделям;
- По замораживающим ртутным моделям;
- В кокиль;
- Литье под давлением;
- Вакуумное литье;
- Литье с утеплением;
- Электрошлаковое литье;
- По газифицируемым моделям.
Каждый отдельный взятый вид литья отличается от другого целым рядом параметров, поэтому часто признаются комбинированные варианты классификации — одно из них, например, электрошлаковое литье в кокиль.
Наиболее популярным и распространенным является литье в песчаные формы, когда модель (пластиковая, полученная методом быстрого прототипирования) литья копирует будущую деталь. Она засыпается песком или формовочной смесью (песок и связующий материал), которая заполняет пространство между моделью и двумя опоками (открытые ящики). Отверстия в детали получаются посредством размещенных в форме литейных песчаных стержней, которые копируют форму отверстия. Формующая смесь уплотняется встряхиванием, или же прессованием, или же она затвердевает в сушильной печи. Образовавшаяся полость заливается сплавами металла через литники — специальные отверстия. После остывания форма разбивается и извлекается отливка. Затем отделяется литниковая система (получается, как правило, обрубка), проводится термообработка.
Литье — это также продукция литейного производства, изделия народных промыслов и художественные изделия, изготовленные с помощью литья.
Рассмотрим подробнее каждый вид литья.
Литье в песчаные формы. Это, пожалуй, один из самых дешевых, и, в тоже время, грубых и массовых видов литья. Существуют и более современные направления литья в песчаные формы — они характеризуются применением вакуумируемых форм из сухого песка без связующего материала. Для получения отливки могут использоваться различные материалы, в том числе и песчано-глиняная смесь, песок в смеси со смолой и т.д. В качестве формы используют опоку, представляющей собой металлический короб без дна и крышки. Она состоит из двух полуформ — коробов.
Литье в кокиль. По сравнению с литьем в песчаные формы является более качественным способом получения отливки. Специально изготавливается кокиль — разборная форма, чаще всего из металла. В нее и производится литье. После того, как произойдет застывание и охлаждение материала, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Кокиль можно использовать повторно для копирования деталей. Литье в кокиль осуществляется из чугуна, стали, магниевых и алюминиевых сплавов. Особенно эффективно использовать для литья в кокиль алюминиевые и магниевые сплавы.
Кристаллизация твердых растворов
Эвтектические сплавы образуют один из основных типов сплавов, другой основной тип представляют твердые растворы или смешанные кристаллы (по устарелой терминологии). В состоянии равновесия структура таких сплавов, совершенно та же, как и структура чистых металлов, образована из некоторого числа однородных кристаллов. Руководствуясь обычными представлениями, определяемыми правилом фаз, мы представляем себе кристаллизацию твердых растворов следующим образом. На диаграмме состояния системы с широкой областью твердых растворов линия ликвидуса L указывает на начало затвердевания.
Сплав состава с при температуре образует вначале кристаллические зародыши иной концентрации, которая в соответствии с ходом линии солидуса сдвинута в сторону более тугоплавкого компонента, (более низкая концентрация). Щ)И этом расплав с понижением температуры обогащается до более высокой концентрации и, по прошествии некоторого времени, достигает. Кристаллические слои, отлагающиеся на зародышах при температуре Г, обладают теперь другим составом который определяется ходом линии солидуса S.
Учение о фазах рассматривает исключительно равновесные состояния, которые и устанавливаются, как правило, при очень медленном, охлаждении. Если предположить возможность установления такого равновесия, то концентрация внутри кристалла должна уравниваться вследствие диффузии с расплавом до одного и тою же состава затвердевания). В таком случае мы можем определить для каждого момента при помощи «правила рычага» количество выделившихся кристаллов, В сплаве вторая составляющая имеется в количестве с.
Расплав в количестве х состава. Кристаллы в количестве состава дают. Таким образом концентрация твердого раствора постепенно возрастает при продолжающемся затвердевании, пока она (при условии установления равновесия) не достигнет концентрации с. Этим заканчивается затвердевание при температуре так как по вышеприведенному равенству при количество х расплава становится равным нулю.
Законы образования промежуточных кристаллических фаз: В практике металловедения несомненно очень важно уметь рассчитать, даже без точного знания диаграммы состояния, какие промежуточные фазы могут встретиться в данной системе и каковы их свойства. Как раз этот вопрос уже довольно исчерпывающе решен рентгенографическими исследованиями.
Исследования Вестгрена показали, что для возникновения известного числа фаз решающим является отношение между количеством атомов и количеством валентных электронов. Как известно, атом по атомной модели Бора состоит ив положительно заряженного ядра — носителя массы — и отрицательно заряженных электрических частиц — электронов.
Дальше всего удалена внешняя оболочка, которая в большинстве случаев не заполнена и электроны которой поэтому особенно легко подвижны. Последние и определяют в первую очередь многие свойства атома, его проводимость, химическое поведение и т. д. Число этих электронов определяет также в большинстве случаев валентность элемента. Она следует из его положения в периодической системе. Медная группа и щелочные металлы имеют один валентный электрон, цинковая группа и щелочноземельные металлы — два, алюминий — три, олово, сурьма и мышьяк валентных электронов.
Влияние распада СО
Величины характеризуют сравнительные скорости реакций. Характер изменения относительной скорости восстановления, величины различен для материалов А В. У окатышей А она мало зависит от вида добавок и постепенно понижается с увеличением их концентрации. Понижение c увеличением концентрации всех добавок наблюдается и для агломерата Б.
Однако здесь для водорода «cod») оказывается ниже, чем при таких же добавках H2O и CO2. Для агломерата В расположение кривых иное: в случае введения водорода мало зависит от концентрации, а при добавках CO2 и в особенности H2O резко понижается с ростом их содержания. Пары воды тормозят распад СО сильнее, чем CO2, и в случае добавления H2O скорость восстановления окисью углерода снижается в меньшей степени, чем при CO2.
Однако восстановление также сильнее тормозится парами воды. Водород в принципе не должен тормозить восстановления окисью углерода, но он значительно интенсифицирует ее распад и поэтому резко снижает восстановительный потенциал СО. На агломерате Б, где реакция во всех случаях протекает гораздо быстрее, чем реакция, добавки водорода ухудшают использование СО на восстановление даже сильнее, чем такие же добавки CO2 и H2O.
На агломерате Добавка водяного пара тормозит восстановление сильнее, чем добавка CO2. Для примерной оценки возможной степени развития реакции в условиях, более близких к наблюдаемым в доменной печи, провели опыты с материалами А-В, при различном для каждой температуры содержании CO2, вводимой в смесь 40% СО+60% N2 за счет окиси углерода.
Даже при небольшой степени развития реакция заметно понижала скорость восстановления при 600°С, в особенности на окатышах А. Таким образом, в условиях современных доменных печей с высокой концентрацией CO2 и H2O в газе при 500 700°С и работе на обычных агломератах реакция распада углерода вряд ли может иметь заметное развитие. Но с увеличением восстановимости агломератов (окатышей) и с увеличением содержания в газе водорода роль этой реакции должна возрастать.
Добавки паров воды и углекислого газа к окиси углерода существенно тормозят реакцию ее распада. Степень торможения возрастает с увеличением концентрации добавок, причем НгО действует сильнее, чем CO2. Добавки водорода, в особенности первых порций (до 2%), значительно интенсифицируют распад окиси углерода. Между востановимостью и каталитическим действием различных материалов отсутствует строгое соответствие. Последнее, а также различный характер влияния газовых добавок на течение реакции можно объяснить исходя из адсорбционного механизма этой реакции.
Реакция вызывает значительное торможение косвенного восстановления окислов железа. При 500 600° С эта реакция идет с соизмеримой, а в ряде случаев с большей скоростью, чем процессы восстановления окисью углерода. Чем интенсивнее по тем или иным причинам протекает распад СО, тем сильнее тормозится восстановление. В современных доменных печах при работе на обычных агломератах развитие реакции сильно ограничено. По мере повышения содержания водорода в печных газах роль этой реакции должна возраст.
