Технологические процессы в машиностроении

1. Опишите процессы, происходящие при заполнении литейной формы, затвердевании расплавленного металла и его охлаждении. Раскройте влияние структуры отливок на их свойства.

Процесс формирования структуры в реальных отливках зависит от многих факторов, которые определяются свойствами каждого конкретного сплава, формой и конструкцией отливки. На затвердевание влияют теплофизические свойства сплава и формы, температура заливки сплава и формы перед заливкой, металлоемкость формы и средняя толщина стенки отливки. Начинается кристаллизация всегда у стенок формы по гетерогенному типу. Величина структурных зон в отливке, от которой зависят эксплуатационные свойства готовой литой детали, зависит от технологических процессов по регулированию кристаллизационных процессов. После выпуска металла из плавильной печи в ковш при температуре tк в течение времени Շк металл выдерживается и охлаждается в ковше. Это необходимо, чтобы доставить ковш от участка плавки к месту заливки форм, а также произвести ковшовые металлургические операции (добавка легирующих и модификаторов для получения заданной структуры и свойств литого металла, рафинирование жидкого металла путем продувки инертными газами, обработки специальными шлаками, вакуумирование, фильтрование через кусковые или сетчатые фильтры и т.д.). По достижении требуемой температуры заливки tзал производится заливка металла в форму. С этого момента и до момента выбивки Շв (извлечение из формы) металл охлаждается в форме, отдавая ей свою теплоту перегрева Δtпер над ликвидусом, теплоту затвердевания в интервале ликвидус–солидус Δtинт, а затем теплоту охлаждения в α-твердом состоянии от солидуса tс до температуры фазового превращения tпр и в (α + β)- состоянии до выбивки из формы. Дальнейшее охлаждение отливки происходит на воздухе.
За время Շв охлаждения металла в форме от tзал до tв последовательно происходит ряд процессов, определяющих качество отливки:
– течение металла при заполнении полости формы и внутри затвердевающей отливки;
– кристаллизация металла, то есть переход из жидкого состояния в твердое с образованием центров кристаллизации, рост которых приводит к формированию литой структуры;
– выделение растворенных в металле газов при понижении температуры расплава и в процессе его затвердевания с образованием крупных газовых пузырей (газовых раковин) и микроскопических пузырьков (пор);
– выделение неметаллических включений, их всплывание в жидком металле и удаление, а также застревание в объеме кристаллизующегося твердожидкого металла;
– ликвация примесей в результате избирательной кристаллизации и перемещения жидкой фазы, обогащенной примесями, по сечению отливки с образованием макроскопической (зональной) и микроскопической (дендритной) ликвации;
– объемная усадка (сокращение объема) металла при понижении температуры и фазовом переходе с образованием концентрированных усадочных раковин и рассеянной усадочной пористости;
– линейная усадка (сокращение наружных размеров) отливки, вызывающая появление деформаций, напряжений, коробления и трещин.
Перечисленные процессы, включающие сложный комплекс взаимосвязанных физических явлений теплообмена, гидродинамики, диффузии, фильтрации и так далее. При нерациональной технологии изготовления отливки приводят к появлению многообразных дефектов. Литейные сплавы всегда кристаллизуются в интервале температур, их область затвердевания располагается между изотермическими поверхностями в отливке с температурами ликвидуса и солидуса (рис. 1).
Область затвердевания состоит из твердожидкой зоны (скелет из твердой фазы и включения жидкой фазы) и жидкотвердой зоны (жидкость с включениями разрозненных выделений твердой фазы). Если из незатвердевшей отливки вылить жидкую фазу, то с ней удалится жидко-твердая зона. Поэтому граница между двумя зонами области называется выливаемостью. В твердожидкой зоне выделяется участок, в котором жидкая фаза разобщена растущими кристаллами и не может подпитываться по микроканалам. Граница этого участка – граница питания. На диаграмме состояния она располагается несколько ниже границы выливаемости (нулевой жидкотекучести). Границы 1–5 меняются в зависимости от условий охлаждения и характера кристаллизации. Для компактных дендритов и округлых кристаллов успевает образоваться 50–70 % твердой фазы, а граница выливаемости сдвигается к солидусу. При образовании разветвленных дендритов твердый скелет образуется уже при 15–30 % твердой фазы, а граница выливаемости располагается ближе к ликвидусу.

Рис. 1 Строение затвердевающей отливки
По величине кристаллитов различают мелкозернистое и крупнозернистое строение.