1. Влияние элементов на структуру и механические свойства сплавов

Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5 % Si.

Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна.

Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна.

Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%.

Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 2).

В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных - шаровидную, а в ковких - хлопьевидную.П римеры обозначения чугунов:

Формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки. Основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна, являются его химический состав (см. табл. ниже) и скорость охлаждения отливки в форме.

2. Углеродистые литейные стали в соответствии с гост 977-85

Литейные стали маркируются числом, которое обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквой Л.

По ГОСТ 977-85 стали бывают ст 10Л, ст15Л, ст 20Л, ст 25Л, ст 30Л, ст 35 Л.

Литейные стали отличаются от деформируемых большим допуском на содержание примесей, а также несколько пониженной пластичностью в зависимости от назначения и предъявляемых требований. Все отливки из углеродистых и легированных сталей подразделяют на 3 группы:

1. Отливки общего назначения, которые контролируются по внешнему виду, размеру и хим. составу

2. Отливки ответственного назначения контролирутся по Внешний вид, размеры, химический состав, механические свойства; предел текучести или временное сопротивление и относительное удлинение

3. Отливки особо ответственного назначения контролируются по Внешний вид, размеры, химический состав, механические свойства; предел текучести или временное сопротивление, относительное удлинение и ударная вязкость

3. Механизм процессов взаимодействия фаз

В сплавах компоненты могут вступать во взаимодействие с образованием различных фаз. Различают следующие фазы металлических сплавов:

• жидкие растворы;

• твердые растворы;

• химические соединения.

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.

Жидкие растворы. Большинство металлов растворяются друг в друге в жидком состоянии неограниченно (в любых соотношениях). При этом образуется однородный жидкий раствор, в котором атомы растворимого металла равномерно распределены среди атомов металла-растворителя.

Твердые растворы. В твердом растворе металл-растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а растворимый элемент (металл или неметалл) распределяется в ней в виде отдельных атомов.

Химические соединения. Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металлических сплавах многообразны. Они имеют характерные особенности, отличающие их от твердых растворов:

• их кристаллическая решетка отличается от кристаллических решеток компонентов, образующих соединение;

• соотношение элементов в них кратно целым числам;

• их свойства отличны от свойств образующих элементов;

• они плавятся при постоянной температуре;

• их образование сопровождается значительным тепловым эффектом.

• Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость.

• При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения той же концентрации.

• Сочетание повышенной прочности и хорошей пластичности позволяет использовать твердые растворы как основу конструкционных сплавов.

• Благодаря высокой пластичности сплавы – твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатываются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.

• При образовании твердых растворов значительно увеличивается электросопротивление. Поэтому сплавы – твердые растворы широко применяют для изготовления проволоки электронагревательных элементов и реостатов.

• Для получения высоких литейных свойств концентрация компонентов в сплавах должна превышать их предельную растворимость в твердом состоянии и приближаться к эвтектическому составу. Эвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью. Но при появлении в структуре сплава эвтектики сильно снижается его пластичность. Поэтому в деформируемых сплавах содержание компонентов не превышает величины предельной растворимости при эвтектической температуре.

• Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных составляющих в сплавах.

Билет №4

1.Чугуном принято называть железоуглеродистые сплавы, содержащие углерод при нормальных условиях кристаллизации выше предела растворимости в аустените и эвтектику в структуре. В соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, чугуном являются сплавы, содержащие углерода более 2%. Эвтектика в структуре этих сплавов, в зависимости от условий её образования, может быть карбидной или графитной. Структура чугуна остаётся важнейшим классификационным признаком, так как она определяет его основные свойства. Структура графитизированных чугунов состоит из металлической основы, пронизанной графитными включениями. Последние очень благоприятно влияют на износостойкость и циклическую вязкость чугуна.

КЛАССИФИКАЦИЯ:

По химическому составу чугуны делятся на нелегированные и легированные.

По степени графитизации, формам графита и условиям их образования различают следующие типы чугунов:

а) белый,

б) половинчатый,

в) серый с пластинчатым графитом,

г) высокопрочный с шаровидным графитом и

д) ковкий.

Белые чугуны — получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe₃C, а не графит. Белые чугуны, , отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.

Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Половинчатые чугуны — занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe₃C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:

Степень эвтектичности S_Э — отношение концентрации углерода С в чугуне к его концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:

Углеродный эквивалент определяется как:

С_эк = С + 0,3(Si + P)

Чугуны подразделяются на: доэвтектические (S_э < 1, C_эв < 4,2–4,3), эвтектические (S_э  1, С_эк  4,2–4,3) и заэвтектические (S_э > 1, C_эв > 4,2–4,3).

2. Силуми́н — сплав алюминия с кремнием. Химический состав — 4-22 % Si, основа — Al, незначительное количество примесей Fe, Cu,Mn, Ca, Ti, Zn, и некоторых других. Некоторые силумины модифицируются добавками натрия или лития. Добавка всего 0,05 % лития или 0,1 % натрия позволяет увеличить содержание кремния в эвтектическом сплаве до 14 %. Сплавы Al-Si (силумины) обладают наилучшими литейными свойствами. В двойных сплавах Al-Si эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния. В легированных силуминах (АК9ч) помимо двойной эвтектики имеются тройные и более сложные эвтектики. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Плотность силуминовых сплавов от 2,5 до 2,94 г/см³ По сравнению с алюминием обладают бо́льшей прочностью и износоустойчивостью, но уступают в этом дюралям — сплавам алюминия с медью. В отличие от дюралюминия, силумины устойчивы к коррозии во влажной атмосфере и морской воде, в слабокислой и щелочной среде. Применяются для литья деталей в авто-, мото- и авиастроении (напр. картеров, блоков цилиндров, поршней), и для производства бытовой техники (теплообменников,мясорубок), в скульптурной технике.

3. Шихтовыми материалами или шихтой называют металлические и неметаллические материалы, используемые для приготовления литейных сплавов. К металлическим относятся доменные чугуны, лом черных и цветных металлов, возврат литейных и механических цехов (бракованные детали и отливки, литники, прибыли, брикитированная стружка и др.) и легирующие элементы (хром, никель, молибден, титан и др.), вводимые в шихту для получения отливок с заданными механическими свойствами. Типичные требования к качеству шихты определяются обеспечением стабильности и воспроизводимости результатов процесса, в котором она используется:

• постоянство химического состава;

• однородность по химическому, минералогическому и гранулометрическому составу;

• оптимальная крупность компонентов шихты;

• оптимальная влажность.

Билет №5

1.Шихтовыми материалами или шихтой называют металлические и неметаллические материалы, используемые для приготовления литейных сплавов. К металлическим относятся доменные чугуны, лом черных и цветных металлов, возврат литейных и механических цехов (бракованные детали и отливки, литники, прибыли, брикитированная стружка и др.) и легирующие элементы (хром, никель, молибден, титан и др.), вводимые в шихту для получения отливок с заданными механическими свойствами. К неметаллической части шихты относятся флюсы, применяемые для обравования и удаления из жидкого сплава легкоплавких шлаков. Для приготовления расплава с требуемыми свойствами и, следовательно, для получения качественной отливки выполняют контроль шихтовых материалов на соответствие их требованиям стандартов и технических условий. Для литейных алюминиевых сплавов в качестве шихты используют металлы (алюминий, бериллий, ванадий, кремний, кальций, титан, литий и др.), а также лигатуры. Лигатуры представляют собой сплав алюминия с легирующим элементом, вводимым в требуемом количестве. В состав шихты магниевых сплавов кроме первичных металлов и сплавов в чушках, возврата и лигатуры, вводят неметаллические легирующие добавки в виде солей (хлористого марганца, фторбериллата натрия, фторцирконата калия), флюсов, модификаторов (магнезит, мел, углекислый газ, гексахлорэтан). Флюсы при плавке магниевых сплавов предупреждают также окисление и возгорание твердой шихты.

2.Возможны два пути образования графита в чугуне.

1. При благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.

2. При разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше 738^oС цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме

.

При температурах ниже 738^oС разложение цементита осуществляется по схеме:

.

При малых скоростях охлаждение степень разложения цементита больше.Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации. Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации. Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.Структура чугунов зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.

3. Вагранка представляет собой печь шахтного типа с круглым сечением.

Ведение плавки. Вагранка с новой футеровкой прежде всего подвергается просушке.

При пуске вагранки на лещади при открытом рабочем окне и фурмах разводят огонь, разжигая дрова. Когда огонь сделается достаточно сильным, через колошниковое окно засыпается кокс в количестве, достаточном для заполнения всего горна, несколько выше фурм (примерно на 400 мм). Это так называемая холостая колоша. Назначение холостой колоши заключается в том, чтобы дать необходимое для начала плавки тепло, а также служить опорой для лежащего на ней слоя плавящегося чугуна и флюсов. Верхний уровень холостой колоши должен во все время плавки поддерживаться по возможности на одинаковой высоте (пополнение сгорающей части происходит за счет опускающихся сверху слоев топлива).

После этого при закрытом рабочем окне пускается дутье, сначала слабое для продувки холостой колоши и затем нормальное. С пуском дутья начинается загрузка вагранки поочередно порциями топлива, чугуна и флюса.

Для получения надлежащего шлака обычно в ваграночную шихту, состоящую из литейного материала и топлива, прибавляется известняк. Ваграночный шлак должен быть в достаточной степени жидкотекуч во избежание застывания у фурм, что может повлечь прекращение работы вагранки.

Слишком жидкие шлаки могут оставаться в виде включений в чугуне, ухудшая свойства последнего.

Известняк загружается в вагранку в количестве 3—4% от веса металлической шихты (в зависимости от загрузки металла и характера топлива). Кроме известняка, в качестве флюсов применяют также плавиковый шпат, доломит, мартеновский и доменный шлак.

Выпускное очко в начале процесса плавки оставляется открытым, вследствие чего часть пламени устремляется вниз и способствует лучшему прогреванию горна.

Начиная плавиться, чугун стекает каплями вниз; накопившись на лещади, чугун начинает вытекать через выпускное очко (летку). Если находят, что вытекающий чугун недостаточно прогрет (имеет красный цвет), его не задерживают, а выпускное очко замазывается лишь тогда, когда температура вытекающего чугуна будет достаточно высокой (яркобелый цвет).

После закупорки выпускного отверстия начинается накопление расплавленного чугуна в горне. Количество накапливаемого чугуна определяется, с одной стороны, размером горна, а с другой — потребностью в чугуне для данной отливки.

При плавке в вагранке перегрев чугуна происходит тотчас после расплавления во время протекания капель расплавленного чугуна через слой раскаленного топлива; это является большим преимуществом ваграночной плавки перед другими способами, так как здесь устраняется потеря времени на ожидание, пока расплавленный металл примет надлежащую температуру.

Выпуск чугуна достигается пробиванием выпускного отверстия. Расплавленный чугун выпускают в ковш.

Работа вагранки может протекать непрерывно, пока производится загрузка ее колошами топлива, чугуна и флюса.

Если плавку прекращают, то прекращают загрузку вагранки, дают расплавиться всему чугуну и. выпускают его; после этого прекращают дутье, открывают рабочее окно и очищают под вагранки от несгоревшего топлива и шлаков. Если вагранка имеет откидное дно, то очистку ее производить более просто.

Билет №6

1.Известны способы обработки литейных сплавов в жидком состоянии с целью их рафинирования, модифицирования или легирования, осуществляемые методами внешнего воздействия на металл: перемешивание, вибрация и т.п. Перемешивание производят специальным перемешивающим устройством, помещенным в жидкий металл. Недостатком известных способов является малый уровень воздействия на металл, что приводит к слабым или неустойчивым эффектам по улучшению свойств сплавов.

2. Физико-химические особенности дуговой плавки чугуна. Дуговые электропечи могут иметь как кислую, так и основную футеровку. Соответственно и процесс плавки является кислым или основным. Все приведенные положения о взаимодействии фаз при тех или иных шлаках действительны и для плавки чугуна в дуговых печах, т. е. при кислом процессе Si угорает меньше, а Мп больше, чем при основном. После загрузки шихты электроды опускают и начинается процесс плавки, который характеризуется высоким усвоением тепла шихтой, со всех сторон окружающей дугу (в период расплавления КПД достигает 85%). В районе дуговых разрядов возможны очень высокие температуры (рис. 63). При этом элементы не только угорают (см, графики на рис - 63), но могут и испариться. Это главная особенность дуговой электроплавки. Когда весь металл расплавляется, горение дуги становится спокойным и передача тепла происходит лишь у поверхности расплавленного металла, причем более интенсивно в районах дуговых разрядов н менее интенсивно на остальной поверхности. Поэтому КПД при перегреве ниже. Элементы выгорают при высоких температурах и наличии в атмосфере печи кислорода. Сначала окисляется железо, затем закись железа окисляет элементы (С, Si, Мп). В связи с этим равновесие распределения (FeO)^[FeO] сдвигается влево и кипения ванны, т. е. выделения СО по реакции (5.59), не происходит. В средней части тигля происходит местное увеличение температуры за счет того, что в пристеночной области перемешивание, влияющее на распределение температур, создает «мертвую» зону между верхним и нижним контурами (рис. 64). Протекание этой реакции (5.60), а также растворение углерода и других элементов — наиболее характерные особенности индукционной плавки.

3.сплавы на основе магния. Характеризуются малой плотностью (1,5 1,8 г/см ³), высокой уд. прочностью,способностью к поглощению энергии удара и вибрац. колебаний. Легко обрабатываются резанием,свариваются разл. видами сварки, паяются, склеиваются. Основные легирующие элементы М. с. - Al, Zn, Zr,Mn, РЗЭ (Се, La, Nd, Y) и др. Общее кол-во добавок в М. с. составляет 10-14% по массе. Среди М. с.,обладающих высокой прочностью при комнатной т-ре, преобладают сплавы с Аl, Zn, Zr, при повышенной-сплавы с РЗЭ. Необходимые св-ва М. с. достигаются комплексным легированием, различием методоввыплавки и технологии изготовления узлов и деталей. По способу произ-ва различают литейные идеформируемые М. с. В каждой из этих категорий выделяют высокопрочные, жаропрочные и др. сплавы.Литейные высокопрочные сплавы предназначены для длит. эксплуатации при т-рах до 150-200 °С. По хим.составу различают сплавы на основе Mg-Al-Zn и Mg-Zn-Zr. Перед использованием их подвергаютупрочнению путем закалки или закалки с послед. старением. Прочность таких М. с. в зависимости от составасплава, фазового состояния, структуры, режима термич. обработки достигает 170-340 МПа при относит.удлинении 2-6%.   Повышения коррозионной стойкости достигают максимально возможным снижением кол-ва вредныхпримесей, особенно Ni, Fe, Cu, Si и др. Жаропрочные литейные сплавы пригодны для длит. эксплуатациипри 250-300 °С. Эти сплавы в осн. легированы РЗЭ и Zr, а также Zn. Перед применением такие сплавыупрочняют разл. методами термич. обработки (закалка, старение, отпуск, отжиг и т. п.). После обработкидлит. прочность этих сплавов за 100 ч составляет 70-115 МПа при 250 °С, 50-60 МПа при 300 °С, 25 МПа при350 °С. Выплавляют литейные М. с. в шахтных, отражательных, тигельных индукционных печах. Отливкиполучают литьем в песчаные, гипсовые и др. формы, литьем в кокиль, под давлением, полужидкойштамповкой. Из деформируемых М. с. получают листы, прутки, штамповки, плиты и др. полуфабрикаты,изготовляемые прессованием, прокаткой, ковкой и др. Прочность деформируемых М. с. 180-380 МПа (см.табл.). Узлы и детали из полуфабрикатов изготовляют после горячей обработки давлением, термич.обработки, учитывая анизотропию их мех. св-в. Для увеличения коррозионной стойкости М. с. защищаютнеметаллич. неорг. покрытиями, лаками, красками. При соединении деталей из М. с. с деталями из др.металлов следует избегать контактной коррозии. Коррозионная защита М. с. обеспечивает надежную работудеталей из них в атм. условиях, щелочных средах, минер. маслах, бензине, керосине. М. с. не применяютдля работы в морской воде, р-рах и парах солей и к-т. Нек-рые высокопрочные деформируемые М. с.склонны к коррозии под напряжением. М. с. широко используют в автомобильной пром-сти,тракторостроении (коробки передач, картеры двигателей, барабаны колес и др.), электро- и радиотехнике(корпуса приборов, детали электродвигателей), в оптич. (корпуса биноклей и фотоаппаратов) и текстильнойпром-сти (бобины, шпульки, катушки), полиграфии (клише, матрицы), авиационной и ракетной технике(детали корпусов и двигателей) и др. 

7 билет

1. Топливо и флюсы применяемые в составе шихтовых материалов

Исходными материалами, т. е. шихтой для доменной плавки, являются железорудный агломерат, кокс и флюсы. Топливом для плавки являются кокс и природный газ.Кокс — твердое пористое вещество — является про­дуктом сухой перегонки каменного угля. В коксе, по­мимо углерода, содержится 9—10% золы, 0,4—1,9%  кремния, 0,8—1,5% летучих, до 4 % влаги. В состав золы входят Si0₂, A1₂0₃, Fe₂0₃, CaO и др.

Качество кокса тем выше, чем больше в нем содер­жится углерода и меньше серы, золы и летучих.

Для удаления пустой породы в шихту вводят флю­сы— преимущественно известняки. Составляющие флюса, вступая в химическое взаи­модействие с пустой породой и золой, образуют   шлак. В шихту для агломера­ции флюс добавляют в таком количестве, чтобы агло­мерат получился офлюсованным. Это офлюсованное сырье вместе с коксом и составляет шихту современной доменной печи. Флюсы при плавке магниевых сплавов предупреждают также окисление и возгорание твердой шихты.

2. Получение высококачественного чугуна с пластинчатым графитом.

Получение высококачественного чугуна связано с применени­ем внепечной обработки расплава — модифицирования. Однако для эффективного модифицирования выплавленный чугун должен удовлетворять определенным требованиям.

Как известно, для получения чугуна с высокими прочностью и твердостью необходимо выплавить металл с пониженным со­держанием углерода и кремния при некотором повышении со­держания марганца. Для получения чугунов марок СЧ40 и СЧ45 необходимо, кроме того, снизить содержание серы и фосфора.

Содержание вредных примесей — серы и фосфора, допусти­мое для чугунов вплоть до СЧ35, составляет соответственно 0,12 и 0,3 %. Оно обеспечивается при плавке на обычной шихте в печах с кислой футеровкой. Для получения СЧ40 и СЧ45, содержащих серы и фосфора не более 0,02 % каждого, необходимы специальные приемы плавки и внепечной обработки.

Поэтому для получения серого чугуна высокого качества необ­ходимо:

о использовать шихту стабильного состава и обеспечить точ­ность дозирования ее компонентов;

• обеспечить оптимальные уровни перегрева и продолжитель­ности выдержки в условиях применения электроплавильных агре­гатов;

• обеспечить надежность контроля процесса плавки на всех его этапах и возможность оперативного воздействия на него;

• использовать внепечную обработку.

Модифицирование являет­ся наиболее простым, эффективным и, поэтому, самым распрос­траненным способом повышения прочностных свойств чугуна.

В качестве модификатора при производстве отливок серого чу­гуна чаще всего используют ферросилиций ФС75, обладающий одновременно раскисляющей и графитизирующей способностя­ми. За счет его свойств можно получить мелкозернистую структу­ру отливки, снизить отбел и повысить механические свойства металла. Количество модификатора зависит от различных произ­водственных условий и увеличивается от 0,2...0,4 % для СЧ25 до 1,5...2% для СЧ45.

Важно отметить, что для достижения максимального эффекта модифицирования исходный чугун должен иметь пониженный углеродный эквивалент и при затвердевании без модифицирова­ния образовывать структуру белого или половинчатого чугуна. Модификатор вводится в таком количестве, что углеродный эк­вивалент модифицированного чугуна оказывается равным его ве­личине в немодифицированном чугуне, имеющем структуру на грани отбела для данной толщины стенки отливки. Кроме модифицирования разработаны многочисленные мето­ды внепечной обработки, из которых для получения высококаче­ственного серого чугуна в настоящее время наибольшее практи­ческое значение имеет обρабоτка чугуна жидкими син­тетическими шлаками с целью снижения содержания серы, фосфора, неметаллических и газовых включений.

3. Углеродистые литейные стали

Углеродистые стали используют и для получения фасонных отливок. Содержание углерода в сталях для фасонного литья составляет от 0,15 до 0,55 %. Во всех литейных сталях содержится кремний (0,2-0,4 %) и марганец (0,3-0,9 %). Примесь серы допускается до 0,06-0,08 %, фосфора - до 0,08 %. При получении фасонных отливок вред этих примесей выражается в том, что они вызывают образование горячих трещин. Стали при указанном содержании углерода обладают сравнительно небольшим интервалом кристаллизации, и поэтому в фасонных отливках их усадка проявляется в виде сосредоточенных раковин. Углеродистые стали для фасонного литья обозначают марками, в которых цифрами показывают содержание углерода в сотых долях процента, а большая буква Л указывает, что это литейный сплав (например, сталь 25Л).

Отливки из углеродистых сталей обладают грубой микроструктурой с крупными и ориентированными в одном направлении выделениями феррита. Это происходит из-за длительного пребывания стали в аустенитной области, где сильно возрастает зерно, и замедленного охлаждения в ходе превращений Аr₃ и Аr₁. Кроме того, в литой стали, как следствие неравновесной кристаллизации, сильно развита дендритная неоднородность. Грубая микроструктура и дендритная неоднородность обусловливают низкие механические свойства, главным образом низкую ударную вязкость. Поэтому фасонные отливки из углеродистых сталей всегда подвергают термической обработке: гомогенизации (нагреву и выдержке вблизи лини солидус) и фазовой перекристаллизации (нагреву выше превращений Ас₁ и ускоренному охлаждению).

8 билет

1. Плавка чугуна в во гранках. Металлургические процессы

3.2 Металлургические процессы плавки чугуна в коксовой вагранке Металлургические процессы заключаются в диссоциации известняка, образовании шлака, угаре элементов и других окислительно-восстановительных реакциях между газовой фазой, шихтой и шлаком. Содержание влаги в шихте невелико (1,5…2,5% в известняке, 3…6% в коксе), и испарение ее происходит в самом верхнем слое шахты вагранки. В этой же зоне происходит выделение из кокса летучих веществ, составляющих обычно не более 1% от массы кокса. Интенсивное разложение известняка происходит при температуре 900…1000°С, когда упругость его диссоциации, увеличивающаяся с подъемом температуры, превышает парциальное давление . В этих условиях образующаяся при разложении известняка легко удаляется из его внутренних пор, увеличивая реакционную поверхность и ускоряя тем самым процесс диссоциации. Известняк подается в вагранки для образования жидкотекучего шлака из посторонних продуктов, поступающих вместе с шихтой, из оплавившейся футеровки, золы кокса, продуктов окисления шихты. Состав шлака определяет его основные свойства: температуру плавления, вязкость и основность. Наиболее тугоплавкими являются окислы ( = 1625° С), СаО ( = 2370° С), А1 «О3 (= 2060° С). Образование двойных и тройных соединений этих окислов, особенно эвтектического состава, понижает шлака. Количество шлака, его основность и содержание в нем FеО и МnО наряду с расходом кокса, температурным и шлаковым ежимом плавки оказывают большое влияние на угар элементов. Количество шлака при кислом процессе составляет 5…8%, а при основном 8…10% от массы чугуна Легированные конструкционные литейные стали конструкционным сталям относятся углеродистые и легированные стали. Введение ЛЭ в эти стали существенно повышает их конструкционную прочность, что связано с формированием более мелкого размера зерна и большей прокаливаемостью. Легирование существенно повышает сопротивление вязкому разрушению и температурный запас вязкости. Конструкционные легированные стали делятся на строительные и машиностроительные. Конструкционные машиностроительные легированные стали применяются в тех случаях, когда должны быть обеспечены высокие механические свойства в изделиях больших сечений или сложной конфигурации в результате термической или химико-термической обработки. зависимости от содержания углерода и термической обработки эти стали можно классифицировать следующим образом: - 0,10…0,25 % С - цементуемые стали, подвергаемые после цементации закалке с низким отпуском; - 0,30…0,50 % С - улучшаемые стали, подвергаемые закалке с высокотемпературным отпуском; - 0,5…0,7 % С - пружинные стали, подвергаемые закалке со средним отпуском; - 0,95…1,15 % С – стали с высокой износостойкостью в условиях поверхностной усталости, шарикоподшипниковые стали, подвергаемые закалке с низким отпуском. 3. влияние элементов на структуру и механические свойства (mn/cu/p)

Легирование - это введение в состав стали элементов, оказывающих полезное влияние на ее структурное состояние и свойства. Легирующими считают любые компоненты, введенные в сталь, кроме основных - железа и углерода, если они не являются примесями. Как правило, содержание примеси в составе стали ограничивается верхними пределами. Легирующими компонентами могут быть: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий и др.

Примесями в первую очередь являются: сера, фосфор, кислород, водород и др., т.е. такие элементы, которые оказывают вредное влияние на свойства сталей. 

Все легирующие компоненты разделяются на две группы: расширяющие или сужающие область аустенита (рисунок 6.1). К элементам, расширяющим γ-область, и понижающим критическую точку Ас₃, относятся: Mn, Co, Ni, Cu. Сужают аустенитную γ-область и повышают критическую точку Ас₃: Si, Al, Cr, Mo, W, V, Ti. При большом содержании компонентов, расширяющих γ-область (рисунок 6.1, а), температура полиморфного превращения может снизиться ниже комнатной. В этом случае равновесной фазовой составляющей сталей становится аустенит (γ-фаза), и такие стали называют аустенитными. Растворенные в аустените, все легирующие элементы понижают содержание углерода в эвтектоиде. Причем почти все легирующие элементы, за исключением никеля и марганца, повышает температуру эвтектоидного превращения Все легирующие элементы (за исключением кобальта), растворенные в твердом растворе - аустените, при переохлаждении с высоких температур увеличивают устойчивость его к распаду, смещая вправо С-образные линии диаграмм изотермического распада (глава 7). Это очень сильно уменьшает критическую скорость закалки, позволяет проводить закалку легированных сталей в масле или, даже на воздухе. Это также снижает опасность образования закалочных трещин, уменьшает коробление изделий и увеличивает прокаливаемость сталей. Комплексное легирование несколькими элементами (Cr, Ni, Mo, W, V) в количестве 5 - 10% позволяет создавать стали с практически сквозной прокаливаемостью даже для очень крупных изделий.

Растворенные в переохлажденном аустените, легирующие элементы (кроме кобальта) понижают точки начала и конца мартенситного превращения (рисунок 6.4). Наиболее сильно влияют на положение мартенситных точек марганец, хром и никель.

10 билет.

1. Производство высокопрочного чугуна

Производство высокопрочного чугуна с шаровидным графитом освоено многими отраслями машиностроения. [1]

При производстве высокопрочного чугуна получили широкое применение герметические камеры с избыточным давлением воздуха ( автоклавы), предназначенные для модифицирования жидкого чугуна магнием. Модифицирование в автоклавах обеспечивает высокое усвоение магния, равномерное распределение модификатора в расплаве и стабильную сфероидизацию графита. [2]

Церий при производстве высокопрочного чугуна по сравнению с магнием имеет то преимущество, что исключает полностью брак литья по черным пятнам, свойственный магниевому чугуну

Основная трудность при производстве высокопрочного чугуна заключается в снижении содержания серы в расплаве перед модифицированием и во введении в расплав магния, который является основным модификатором. Для получения расплава с низким содержанием серы тщательно подбирают исходную шихту, плавку ведут в печах с основной футеровкой или удаляют серу обработкой шлаковыми смесями. Трудность во введении магния заключается в низкой температуре его кипения ( 1107 С), высокой упругости паров и химической активности, что приводит к выбросам металла из ковша и пироэффекту. 

2. Плавка стали в конверторе

В литейных цехах обычно применяют малобессемеровские конверторы в сочетании с вагранкой, осуществляя дуплекс-процесс (рис. 7.5). Конвертор имеет форму реторты, несимметричной относительно вертикальной оси, что позволяет предусмотреть в верхней ее части горловину для заливки чугунного расплава. Уклон горловины, равный 30°, позволяет заливать его при горизонтальном положении. Футеровка конвертора кислая, выполняется из динаса. Емкость конвертора составляет 1—5 т расплава. Шихта для плавки чугуна в вагранке состоит из 40—60% стального лома и 60—40% передельного чугуна. Процесс получения стали начинается с разогрева конвертора до температуры 1000—1100°С газовыми горелками, после чего в него заливают чугунный расплав со следующим химическим составом (%): 2,8—3,5 углерода; 0,9—2,2 кремния; 0,7—1,0 марганца; серы не более 0,06 и фосфора не более 0,07. Температура расплава 1300— 1400°С. Продувка чугунного расплава воздухом осуществляется при давлении 0,02—0,04 МПа, который нагнетается воздуходувкой. Процесс передела чугунного расплава в сталь основан на окислении железа, кремния, марганца и углерода. К преимуществам конверторной плавки стали следует отнести малую длительность ее цикла, обусловливающую высокую производительность этого прогрессивного металлургического процесса

3. Жидкотекучесть сплавов. Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литейной формы. Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так , песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. Так же влияет химический состав сплава (с увеличением содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с увеличением содержания фосфора, кремния,алюминия, углерода жидкотекучесть увеличивается).

Билет № 11

1)Газы в литейных сплавов.

Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенопласта по качеству фасонных отливок, экономичности, экологичности и высокой культуре производства наиболее выгодно. Мировая практика свидетельствует о постоянном росте производства отливок этим способом, которое в 2007 году превысило 1,5 млн т/год, особенно популярна она в США и Китае (в одной КНР работает более 1,5 тыс. таких участков), где всё больше льют отливок без ограничений по форме и размерам. В песчаной форме модель из пенопласта при заливке замещается расплавленным металлом, так получается высокоточная отливка. Чаще всего форма из сухого песка вакуумируется на уровне 50 кПа, но также применяют формовку в наливные и легкоуплотняемые песчаные смеси со связующим. Область применения  — отливки массой 0,1—2000 кг и более, тенденция расширения применения в серийном и массовом производстве отливок с габаритными размерами 40—1000 мм, в частности, в двигателестроении для литья блоков и головок блоков цилиндров и др.

На 1 тонну годного литья расходуется 4 вида модельно-формовочных (неметаллических) материалов:

• кварцевого песка — 50 кг,

• противопригарного покрытия — 25 кг,

• пенополистирола — 6 кг,

• плёнки полиэтиленовой — 10 кв.м.

Отсутствие традиционных форм и стержней исключает применение формовочных и стержневых смесей, формовка состоит из засыпки модели песком с повторным его использованием на 95-97 %.

2) влияние элементов на структуру и механические свойства сплавов.

На механические, физические и химические свойства стали большое влияние оказывают присадки легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, титана и др. Большинство специальных примесей и углерод повышают прока-ливаемость стали, так как увеличивают устойчивость аустенита и замедляют процесс распада его при охлаждении.

Основное влияние большинства специальных примесей и углерода заключается в том, что они снижают критическую скорость охлаждения и при определенном содержании могут вызвать закалку даже при охлаждении на воздухе. При сварке большинства легированных сталей вероятность образования мартенсита в наплавленном металле и в зоне термического влияния вбсьма высока, потому что отвод тепла от металла шва к металлу зоны термического влияния происходит значительно быстрее, чем отвод тепла в окружающий воздух. Это является одним из основных затруднений при сварке легированных сталей.

В зависимости от структуры, получаемой при охлаждении на спокойном воздухе, стали часто делят на следующие структурные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный. К перлитному классу относят стали, которые при охлаждении на воздухе приобретают структуру перлита, сорбита или троостита.

К мартенситному классу относят легированные стали, в которых при охлаждении на воздухе появляется структура мартенсита. К аустенитному классу относят легированные стали, когда в них не наблюдается распада аустеннта при самом большом содержании примесей. К сталям карбидного класса относят стали мартенситного или аустенитного класса с карбидообразующимн элементами (хром, вольфрам и др.), благодаря чему в структуре металла наряду с мартенситом или аустенитом содержится значительное количество карбидов.

Структура сталей перлитного класса. К сталям перлитного класса относят углеродистые и низколегированные стали. Одной из особенностей структурных изменений в сталях перлитного класса при сварке является возможность получения в зоне влияния структуры мартенсита. Появление мартенсита в зоне термического влияния основного металла крайне нежелательно не только из-за повышенной твердости и уменьшения пластических свойств зоны, но и главным образом из-за возможного образования микроскопических или даже субмикроскопических трещин.

Появление хрупкой структуры мартенсита можно предупредить путем предварительного подогрева детали перед сваркой. Подогрев также рекомендуется при сварке сталей с высоким содержанием углерода. При сварке сталей перлитного класса металл шва чаще всего имеет структуру сорбита или сорбитообразного перлита (рис. 13).

Рис. 13. Структура наплавленного металла при сварке стали перлитного класса

У некоторых сталей этого класса, имеющих значительное содержание углерода и легирующих элементов, находящихся у границы мартенситного класса, возможно появление структуры мартенсита в наплавленном металле.

При сварке незакаленной стали в зоне термического влияния наблюдаются следующие участки, структура которых во многом зависит от содержания в металле углерода и легирующих элементов:

1. Участок перегрева часто имеет структуру крупноигольчатого мартенсита. На большом удалении от шва строение мартенсита более мелкое. Механические свойства металла относительно высокие.

2. Участок нормальной закалки имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита. При недостаточной скорости охлаждения или пониженном содержании углерода наряду с мартенситом встречается троостит.

Иногда оба участка объединяют под общим наименованием «участок полной закалки», так как между ними нет резкой границы.

3. Участок частичной закалки в легированных сталях имеет структуру мартенсита с сеткой феррита. Величина участка незначительна. Все три участка образуют хрупкую зону закалки с высокой твердостью (рис. 14), что затрудняет последующую механическую обработку, а также способствует развитию трещин в основном металле.

4. Участок рекристаллизации в структурном отношении отличается от основного металла только при наличии предварительной пластической деформации.

5. Участок синеломкости так же, как и у низкоуглеродистых сталей, не имеет структурных отличий от основного металла. Если перед сваркой сталь была подвергнута закалке с отпуском, то характер структур участка перегрева, участков нормальной и частичной закалки остается таким же, но характер структур участков рекристаллизации и синеломкости будет отличаться. Здесь появляется участок отпуска, так как максимальный нагрев при сварке был ниже 720° С. Структурные изменения в зонах закалки и отпуска вызывают необходимость последующей (после сварки) термообработки сварных изделий.

Рис. 14. Характеристика изменения твердости в сварном соединении: I и V — основной металл; II и IV — зоны термического влияния; III — наплавленный металл; 1 — изменение твердости в сварном соединении непосредственно после сварки; 2 — изменение твердости в сварном соединении после термической обработки

Структура сталей мартенситного класса. Основной металл имеет структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита и карбидов. Участок зоны термического влияния, нагретый при сварке до температуры выше 720° С, после охлаждения будет иметь структуру мартенсита с некоторым количеством карбидов. Участок, нагретый при сварке до температуры ниже критической, будет участком отпуска со структурой троостита или сорбита. Зона термического влияния у мартенситных сталей будет иметь только два участка: закалки и отпуска. Изменение твердости в зоне термического влияния стали мартенситного класса показано на рис. 15.

Структура сталей аустенитного класса. Типичной для аустенитного класса сталей является сталь типа Х18Н9, содержащая 18% хрома и 9% никеля. После закалки с высоких температур, необходимых для перевода карбидов в твердый раствор, структура стали однородная — аустенит (рис. 16). В околошовных участках наблюдается рост зерен. В тех участках, где при сварке металл нагревается до температуры 680—780° С, наблюдается частичный распад твердого раствора и выпадение по границам зерен карбидов, что понижает коррозионную стойкость стали. Так как структура стали становится неоднородной, возможно также развитие межкристаллитной коррозии в агрессивных средах.

Рис. 15. График изменения твердости в зоне термического влияния стали мартенситного класса

Рис. 16. Структура стали аустенитного класса: 1 — однородный аустенит; 2 — аустенит с выделениями карбидов; 3 — аустенит с карбидами

Структура сталей ферритного класса. Основным типом ферритных сталей являются стали с большим содержанием хрома, что резко повышает их жаростойкость. Под воздействием процесса сварки в околошовных участках наблюдается интенсивный рост зерен (рис. 17). Для предупреждения роста зерен в высокохромистые стали добавляют такие элементы, как титан и ниобий, которые, связывая углерод, образуют прочные карбиды.

Карбиды, располагаясь как внутри, так и между зернами, препятствуют их росту при нагреве.

Структура сталей карбидного класса. Наиболее распространенной для производства инструментов сталью карбидного класса является быстрорежущая сталь. Химический состав стали: 0,7-0,9% С; 14—18% W; 3,5— 5% Сr; 1,2—2% V. Быстрорежущая сталь имеет в литом состоянии структуру ледебурита сложного состава и и аустенита. Ледебурит придает стали хрупкость (рис. 18). Для раздробления ледебуритной сетки и превращения ее в отдельные зерна карбидов литую сталь подвергают проковке. После закалки от температуры 1280—1310° С и двух-трехкратного отпуска при температуре 560° С структура основного металла — мартенсит и карбиды. Структура наплавленного металла состоит из аустенита и ледебурита. Структура наплавленного металла после проковки и отжига состоит из троостита и неравномерно распределенных карбидов (рис. 19).

Рис. 17. Структура стали ферритного класса (рост зерна) в зоне термического влияния

При стыковой сварке углеродистой и быстрорежущей стали в зоне термического влияния первым участком будет участок частичного расплавления со структурой аустеннта и ледебурита, затем участок закаленного металла со структурой аустенита, мартенсита и карбидов. Структура серого чугуна состоит из зерен феррита, участков перлита и включений графита. Под влиянием теплового процесса сварки в околошовных участках в области взаимной кристаллизации происходит оплавление по границам зерен аустенита.

При холодной сварке (без подогрева) возникают прослойки белого чугуна (рис. 20).

При горячей сварке (с подогревом) успевает произойти графитизация (рис. 21). За областью взаимной кристаллизации происходит частичное растворение графита в зернах аустенита. Остатки графита приобретают более округлую форму. Росту зерен аустенита мешают графитные включения.

При холодной сварке чугуна в зоне термического влияния при охлаждении возникают закалочные структуры — мартенсит и продукты его распада, а также включения графита. При горячей сварке перекристаллизация аустенита происходит при небольших скоростях охлаждения, что приводит к возникновению дисперсной феррито-перлитной структуры. При сварке или наплавке чугуна зона термического влияния основного металла состоит из тех же участков, что и у низкоуглеродистой стали, но в структуре этих участков будут содержаться наряду с описанными ранее составляющими выделения графита. Основной металл имеет обычную для серого литейного чугуна структуру, состоящую из перлита, феррита и вытянутых пластинчатых выделений графита. В участке нормализации структура сильно измельчена (сорбитизирована). Между основным и наплавленным металлом имеется тонкий отбеленный слой — зона частичного расплавления.

Структура алюминия и его сплавов. Наряду с чистым алюминием широко используют двойные сплавы алюминия с марганцем (сплавы типа АМц) или магнием (сплавы типа АМг), а также сплавы типа дюралюминия. Алюминий и его сплавы с марганцем и магнием для улучшения механических свойств упрочняют нагартовкой.

Термическая обработка этих сплавов не повышает механических свойств.

Сплавы типа дюралюминия резко повышают свои прочностные свойства после закалки и старения.

При сварке алюминия и сплавов типа АМц и АМг под действием тепла дуги наблюдается снятие нагартовки и некоторый рост зерен.

Наличие примесей несколько затрудняет рост зерен. В области взаимной кристаллизации при нагреве происходит оплавление эвтектики. После охлаждения зерна твердого раствора в этой части соединения окаймляются хрупким сплавом. Это не только резко понижает механические свойства сплава, но часто является причиной возникновения трещин. За областью взаимной кристаллизации; где происходит распад твердого раствора, прочностные свойства сплава резко понижаются, пластические свойства возрастают. При дальнейшем удалении от шва в сплаве возникают процессы искусственного старения, которые изменяют его механические свойства.

3) строение и свойства фаз, участвующих в процессах плавки литейных сплавов.

Строение и свойства твердых и жидких металлов. Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют поликристаллнческую структуру, определяющую их свойства. Изучением взаимодействий состава, структуры и свойств занимается металловедепие. Для металлургических процессов важно, в какой степени сохраняется кристаллическая структура в жидких металлах, так как она влияет на их свойства и после их затвердевания. Это объясняется тем, что жидкие сплавы представляют собой неравновесную систему, имеющую микрогетерогенную структуру, в которой нарушен дальний и сохранен ближний порядок расположения атомов. Степень сохранности кристаллической структуры определяет так называемую наследственность, т. е. сохранение в какой-то мере свойств исходных металлов и сплавов после их расплавления и затвердевания в отливке. Из свойств металлов для процессов плавки наибольшее значение имеют температура плавления, плотность, вязкость и поверхностное натяжение (табл. 6). Характеристика карбофазы. Углерод широко применяется в металлургических процессах. Известны четыре кристаллические модификации углерода: графит, алмаз, карбид и лонсдейлит. Твердый углерод в природе содержится в графите и алмазе. Алмаз при нормальных условиях неустойчив, и его существование объясняется лишь тем, что энергия связи между атомами и кристаллической решетке алмаза достаточно велика, чтобы Полностью тормозить переход его в устойчивое состояние. Графит представляет собой серо-черную непрозрачную чешуйчатую массу с металлическим блеском. Он состоит из кристаллов гексагональной структуры. В нормальных условиях термодинамическиустойчив. Твердый углерод в коксе, древесном угле, саже представляет собой «аморфный» углерод, который не является самостоятельной разновидностью и имеет неупорядоченную структуру мелкокристаллического графита. В металлургии широко применяется кокс и другие углеродистые материалы. Все он и имеют кристаллическое строение с той или иной степенью упорядоченности структуры. Характеристика огнеупоров. Огнеупорная футеровка плавильных печей принимает участие в процессе плавки. Оксиды, как правило составляющие основную массу футеровки, в результате ее оплавления переходят в шлак и влияют на металлургические процессы. Основу кислых огнеупоров составляет оксид кремния Si02. Глиноземистые огнеупоры (основа А1203) по своим свойствам близки к нейтральным. В связи с S1O2 они становятся полукис - лыми.

Билет № 12

1. Усадочные свойства сплавов.

Усадкой называется уменьшение объема и линейных размеров отливки в процессе ее формирования, а также охлаждения с температуры заливки до температуры окружающей среды. Усадка является одним из важнейших литейных свойств сплавов. Виды усадки. Для оценки усадки используют понятия: относительная усадка и коэффициент усадки в интервале температур. В зависимости от агрегатного состояния сплава различают усадку в жидком, твердо-жидком и твердом состояниях. Полная усадка является суммой этих трех слагаемых. Основу усадки составляет термическое сжатие, которое увеличивается или уменьшается в результате фазовых превращений и изменения растворимости газов. У ряда сплавов вблизи от температуры ликвидуса наблюдается увеличение объема, называемое предусадочным расширением. Для характеристики усадки на различных этапах формирования отливки используют следующие способы ее оценки. Объемная усадка – относительное изменение объема сплава – используется для характеристики изменения в жидком или твердожидком состоянии, а также для полного изменения объема. Линейная усадка оценивает относительное изменение размеров отливки с момента перехода ее в твердое или твердожидкое состояние с разрозненными включениями жидкой фазы и твердой наружной коркой. Литейная усадка – относительная (в процентах) разность линейных размеров модели и отливки Она оценивает полное изменение размеров отливки и поэтому наиболее удобна для использования в технологических расчетах и операциях. Литейная усадка зависит не только от свойств и состояния сплава, но также от конструкции отливки и формы, от технологических условий литья и других факторов. В связи с торможением усадочного процесса формой (для фасонных отливок) необходимо различать свободную и затрудненную усадку, которые численно не совпадают. Общее уменьшение объема сплава в процессе усадки отливки дают три составляющие - наружная усадка, усадочная раковина и пористость. Наружная усадка - изменение наружных размеров и объема. Именно этот вид усадки оценивается характеристикой Е лит.. Усадочная раковина – - полость в теле отливки или прибыльной части, образующаяся вследствие некомпенсированной объемной усадки при затвердевании. Различают внутренние раковины; образующиеся обычно в тепловых узлах, и наружную раковину, которая может быть открытой или закрытой (т.е. под коркой металла). Размер усадочной раковины зависит от усадочных свойств сплава, условий формирования отливки и технологических условий литья. Усадочная пористость – скопление мелких пустот, возникающих в изолированных микрообъемах отливки, обычно в междуосных пространствах дендритов, в условиях отсутствия питания жидким расплавом. Различают рассеянную пористость, распределенную более или менее равномерно по всему объему отливки, и зональную пористость ,сосредоточенную в осевых частях, в тепловых узлах и других частях отливки. Формирование пористости при затвердевании отливки идет параллельно с процессом выделения газов, которые заполняют поры и могут создавать в них значительное давление. В связи с этим в реальных условиях пористость в большинстве случаев имеет газоусадочный характер. Развитие усадочных дефектов и их, распределение в отливке зависят от взаимодействия факторов, отражающих усадочные свойства сплава, а также тепловые и кинетические условия формирования отливки. Склонность сплава к образованию усадочных дефектов (раковин и пористости) определяется на технологических пробах – небольших отливках, имеющих форму усеченного конуса или шара. Конфигурация и размеры проб ГОСТом не регламентируются. Линейная усадка цветных металлов и сплавов определяется согласно ГОСТ 16817 – 71 путем отливки пробы в сухую песчаную или металлическую (полукокильную) форму. Проба представляет собой призматический образец сечением 25 х 25 мм и длиной 130 мм с выемками с обоих концов. В результате усадки при затвердевании образец перемещает подвижную часть формы , что фиксируется стрелочным индикатором. Линейная усадка большинства сплавов колеблется в пределах 0,7 – 2,2 % (углеродистой стали 1,2 – 2,2 %, серого чугуна 0,7 – 1,3 %, силумина 1 – 1,2 %, магниевых сплавов 1 – 1,6%, бронзы 1 – 1,5 %). Образование усадки. Исследованиями А.А. Бочвара установлено, что в сплавах, кристаллизующихся в интервале температур, линейная усадка проявляется после образования в отливке твердого кристаллического скелета когда, несмотря на наличие остаточного количества жидкости, в целом отливка ведет себя как твердое тело. В зависимости от формы первичных кристаллов, степени развития и разветвленности дендритов количество твердой фазы, при котором формируется твердый скелет, колеблется в очень широких пределах – от 20 до 80 % от общего объема сплава. Соответственно на диаграмме состояния может быть нанесена линия образования твердого скелета (ЛОТС), которая располагается возле границы выливаемости, несколько ниже ее (рис. 1). При достижении температуры образования твердого скелета сплав с технологической точки зрения переходит в твердое состояние и в нем может оцениваться линейная усадка; при температуре выше Тск усадочные процессы возможно оценивать только объемной усадкой. Температура Тск делит температурный интервал кристаллизации на две области: эффективный интервал кристаллизации и эффективный интервал затвердевания. Рис. 1. Распределение объем ной усадки между усадочной раковиной (1), пористостью (2) и наружной усадкой (3) в сплавах эвтектической системы (по данным А. А. Бочвара) Формирование усадочной раковины происходит главным образом в интервале температур после образования сплошной твердой корки на поверхности отливки, а формирование усадочной пористости – большей частью в интервале при затрудненности питания междуосных пространств дендритов .Таким образом, развитие усадочных дефектов того или иного типа оказывается непосредственно связанным с положением фигуративной точки сплава на диаграмме состояния относительно точек Ср, С’р и Сэ а также Сск. Впервые общая схема распределения усадочных пустот между раковиной и порами, в зависимости от Ткр была приведена в работах А.А. Бочвара. Последующие исследования уточнили зависимость с учетом положения ЛОТС (или точки Сск.) и неравновесного солидуса. Максимум развития пористости фиксируется при концентрациях вблизи точек Ср или С’р (см. рис. 1). Усадочные свойства некоторых сплавов приведены ниже: В целом картина аналогична изменению положения минимума жидкотекучести в зависимости от концентрации Ср. Общий вывод заключается в следующем: щирокоинтервальные сплавы склонны к образованию усадочной пористости, в узкоинтервальных сплавах усадочные изменения объема сосредоточены в усадочной раковине. По наблюдениям Б. Б. Гуляева, при смещении технологических границ сплава (ЛОТО и расположенной ниже ее границы питания) к ликвидусу, зона осевой пористости в отливках сужается, но рассеянная пористость может увеличиваться. При смещении технологических границ к солидусу зона осевой пористости может расширяться, но общий объем всех видов пористости должен уменьшаться. Рис. 2. Изменение линейной усадки е1 в сплавах эвтектической системы Закономерности изменения линейной укладки в зависимости от положения сплавов на диаграмме состояния иллюстрирует рис. 2. 1. В сплавах с существенной растворимостью в твердом состоянии (Ср >1 – 5 %) на участке до точки СА ск.Еl изменяется по некоторой ниспадающей кривой, а на участке между точками СА ск. и СВ ск. наблюдается закон аддитивности – прямолинейная зависимость (сплавы А1 – Мg и др.). Иногда излом кривой происходит в точках Ср или С'р, а на участке Ср – СА ск. , отмечается площадка (сплавы А1 – Si). 2. Если усадочные свойства первичных выделений (1 и ) сильно отличаются, то происходит разрыв аддитивной зависимости вблизи от эвтектической точки, или точки СА ск.(СВ ск.) – рис. 2 (сплавы Sn – Рb, А1 – Sn и др.). Отрезки прямых располагаются горизонтально, т. е. усадка целиком определяется той структурной составляющей, которая преобладает в смеси кристаллов. В сложных многокомпонентных сплавах распределение усадочных пустот и изменение в, в общем подчиняется рассмотренным выше зависимостям. Влияние технологических факторов на усадку. Перегрев сплава перед заливкой влияет на все виды усадки вследствие увеличения разности объемов жидкого (при Тзал.) и твердого металлов и изменения кинетики роста первичных выделений дендритов. Обычно отмечают увеличение объема усадочной раковины при одновременном возрастании пористости и грубозернистости (в этом заключается одна из причин, заставляющих ограничивать перегрев металла перед заливкой). Скорость охлаждения отливки изменяет ее кристаллическое строение – форму, размеры и разветвленность дендритов, а также размер структурных составляющих. Вследствие этого с увеличением скорости охлаждения возрастает плотность сплава, увеличивается объем усадочной раковины (за счёт сокращения пористости), несколько возрастает линейная усадка.большое значение имеет также направленность затвердевания отливки. При правильном построении этого процесса практически все усадочное изменение объема может быть сведено к наружной усадке или усадочной раковине, выведенной в прибыльную часть отливки. Внешнее давление оказывает сильное влияния на перераспределение, усадочных пустот между порами и раковиной. Крисдаллизация при повышенном давлении используеся как технологический прием для снижения пористости и повышении плотности и герметичности отливок; наружная усадка при этом несколько возрастает. Газонасыщенность металла обычно приводит к резкому увеличению пористости (газовой и газоусадочной) при одновременном уменьшении размеров усадочной раковины снижается также линейная усадка. Повышенноегазосодержание резко ухудшает комплекс свойств металла и отливки и поэтому недопустимо. Модифицирование сплавов приводит к измельчению зерна и структурных составляющих, уменьшает газонасыщенность и тем самым способствует повышению плотности сплава.

2. Модифицирование сплавов

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СПЛАВОВ

— искусственное изменение структуры литого металла и сплава, заключающееся в измельчении микрозерна, изменении формы, размера и распределения структурных составляющих. Модифицирования сплавов производится добавлением в расплав в небольших количествах модификаторов — веществ, к-рые, присутствуя в малых количествах, влияют на процесс кристаллизации, изменяя структуру. Измельчение зерна металла и структурных составляющих сплава при кристаллизации может быть достигнуто созданием концентрационного градиента, тормозящего рост кристаллов, и искусственным образованием труднорастворимых частиц, к-рые, являясь затравками, способствуют началу кристаллизации во всем объеме жидкости. Обычно в качестве модификатора выбирают добавку, к-рая образует с компонентами сплава тугоплавкие соединения, кристаллизующиеся в первую очередь. Такой способ модифицирования применяется для алюминиевых сплавов (введение Ti, V, Zr, Мп), для чугунов (обработка Mg с целью изменения формы графита — см. Модифицирование чугуна), для сталей (добавление А1). Модифицирование структуры литого сплава оказывает влияние на св-ване только в литом состоянии, но и при всей последующей обработке сплава. Модифицирование улучшает горячуюдеформируемость сплава, повышает механич. св-ва и влияет на процессы превращения в твердом состоянии. Напр., в алюминиевых сплавах модифицирование уменьшает склонность к росту зерна при рекристаллизации, в сталях приводит к получению т. н. природно-мелкозернистых сплавов, т. е. сталей с малой склонностью к росту аустенитного зерна при нагревах для термич. обработки.. Др. способ модифицирования структуры литейных сплавов заключается в создании условий, увеличивающих переохлаждение расплава, т. е. приводящих к снижению фактич. темп-ры кристаллизации сплава. Такие условия возникают в результате значительного перегрева жидкого металла. Более эффективен способ введения спец. модификаторов. Напр., для литейных алюминиевых сплавов (силуминов) чаще применяется обработка расплава натрием или его солями.

3. Плавка стали в дуговых сталеплавильных печах

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен снаружи заключена в металлический кожух. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, а может быть из водоохлаждаемых панелей, как и стенки. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным током, но есть печи постоянного тока. Современная мощная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводят до нужных состава и степени чистоты внепечной обработкой в ковше.

Билет 13