Материаловедение

Висмут. Металлы с  низкой температурой плавления, такие  как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения  обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые  способствуют ломкости стружки и  смазыванию резца.

Галлий добавляется  в количестве 0,01 — 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются  расходуемые аноды.

Железо. В малых  количествах (>0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности  и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в  кокиль.

Индий. Добавка 0,05 — 0,2% упрочняют сплавы алюминия при  старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево — кадмиевых подшипниковых сплавах.

Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности  и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придает  пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание  кремния с магнием делают возможным  термоуплотнение сплава.

Олово улучшает обработку  резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение  зерна в отливках и слитках, что  очень повышает прочность и равномерность  свойств во всем объеме.

Применение алюминиевых  сплавов

Большинство алюминиевых  сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей  и химикатов и в большинстве  пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет  широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых  сплавов часто используют в морской  воде. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в  виде облицовочных панелей, дверей, оконных  рам, электрических кабелей. Алюминиевые  сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени  при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому  намоканию. Алюминий также широко применяется  в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.

Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия —  это, конечно, авиация. Именно в авиации  наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия. 

12.  Краткая характеристика литья в песчаные формы

Застывая, металл сохраняет  форму того сосуда, в который был  залит в жидком виде. Эту особенность  металла человек использовал  при получении изделий любых, самых замысловатых форм способом литья. Литье позволяет наиболее целесообразно  распределять металл в изделии: делать отдельные части детали толще  или тоньше в зависимости от нагрузки, которая падает на эти места.

Наша страна издавна  славилась искусными литейщиками. В Московском Кремле стоят Царь-пушка  массой 40 т, отлитая Андреем Чоховым в конце XVI в., и Царь-колокол массой 200 т, изготовленный знаменитыми литейщиками Иваном и Михаилом Моториными в первой половине XVIII в. Во многих странах мира известны изделия из художественного чугунного литья Каслинского завода на Урале.

Одно из главных  качеств литейного материала  — способность растекаться, или, как говорят металлурги, жидкотекучесть. Металл или сплав в жидком состоянии должен быть подвижным и невязким, легко заполнять любую сложную форму, быстро проникать в ее тончайшие извилины. Из сплава с хорошей жидкотекучестью можно получить отливку с тонкими стенками. Если металл растекается медленно, «лениво», то из него тонкостенную отливку не получишь: он застынет, прежде чем заполнятся все извилины формы.

Один из лучших литейных материалов — чугун. Он обладает отличной жидкотекучестью. У стали жидкотекучесть меньше, и приходится прибегать к различным ухищрениям, чтобы заставить сталь заполнить всю форму (см. Железо, сталь, чугун).

Самый древний способ литья — литье в песчано-глинистые  формы, или, как говорят, литье в  землю. До сих пор этим способом делают до 85% отливок. Однако этот способ, хотя его и считают простым, требует  большой предварительной работы.

Сначала в модельном  цехе из дерева или металла делают модель будущей отливки. Она должна быть несколько большего размера, чем  отливка, с учетом усадки металла  при охлаждении. Модель (как и  будущая форма) разъемная и состоит  из двух половинок. В землеприго-товительном отделении литейного цеха из земли и различных добавок готовят формовочную смесь. Если у отливки должно быть внутреннее отверстие или полость, то необходимо приготовить еще одну смесь — для стержней. Назначение стержней — заполнить те места в форме, которые в детали соответствуют отверстиям или полостям.

Формовочные и стержневые смеси готовят из специальных  песков и глин и связующих материалов — растительных и минеральных  масел, искусственной смолы, канифоли и т. д. Готовые смеси поступают  к формовщикам, задача которых —  изготовить литейные формы. Для этого   на    металлическую   плиту  — подмодельную доску — ставят одну половину модели разъемом вниз (см. рис.). Затем на плиту ставят металлический ящик без дна — опоку так, чтобы половина модели оказалась внутри него. Опоку плотно набивают формовочной землей и переворачивают. Теперь половинка модели лежит в опоке разъемом вверх. На эту опоку формовщик ставит еще одну и скрепляет их штырями.

На половинку модели в нижней опоке ставится вторая половинка  так, чтобы края их точно сошлись, Затем формовщик устанавливает  в верхнюю опоку два деревянных конуса (на их месте в готовой  форме останутся два отверстия  для заливки металла и для  выхода воздуха и газов) и плотно заполняет ее формовочной смесью.

Теперь осталось вынуть из земли деревянную модель. Для этого опоки разъединяют  и из каждой вынимают половинки модели. В земле остаются четкие отпечатки  двух половин детали (см. рис.). Их, а также заранее

приготовленный стержень покрывают особой краской, чтобы  жидкий металл не «пригорел»— не прилип к стенкам формы. В форму вставляют  стержень и прорезают в земле  канавку, соединяющую отверстие  для заливки металла с полостью формы,— литниковый ход. Наконец, верхнюю опоку снова кладут на нижнюю, соединяют их, и форма готова. Когда она немного подсохнет, в нее можно заливать металл.

Чугун для литья  приготовляют в специальных печах, очень простых по конструкции  и обслуживанию,— вагранках. Если отливки стальные, то сталь для  них плавят в конверторах, мартеновских и электрических печах. Для расплавления цветных металлов существуют свои плавильные печи. 

13.  Литейные свойства металлов и сплавов и их сущность

Различают физические, механические, технологические и химические свойства металлов.

 Физические свойства. К ним относят плотность, теплопроводность,

электропроводность  и температуру плавления. Перечисленные  свойства называются физическими потому, что они обнаруживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением химического состава вещества. Чистые металлы плавятся при t=const, а сплавы в интервале t-p.

Механические свойства. Характеризуют способность детали,

изготовленной из определенного  материала, выдерживать различные  нагрузки или хорошо сопротивляться истиранию при работе машины. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность и др.

Прочность сплава определяется величиной усилия, необходимого для

разрушения стандартного образца. При этом стальные, алюминиевые  и другие образцы испытывают на растяжение (разрыв) и относительное удлинение, а чугунные на изгиб. Кроме того, все литейные сплавы испытывают на твердость.

Твердость сплавов  определяют на приборе Бринелля непосредственно  на деталях или не отливках (НВ).

Твердость закаленных сталей определяют на приборе Роквелла путем вдавливания в изделие алмазной пирамиды(HRC).

Упругость – способность  металла принимать первоначальную форму и

размеры после прекращения  действия нагрузки.

Пластичность(вязкость) – способность металла изменять

первоначальную форму  и размеры под действием нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения ее действия. Это свойство особенно важно при выборе сплавов для ковки, штамповки и прокатки.

Обрабатываемость  резанием – способность металла  изменять свою

форму под действием  режущего инструмента.

Ковкость – способность  металла принимать новую форму  и размеры под

влиянием прилагаемой  нагрузки без нарушения его целости (малоуглеродистая сталь).

Свариваемость –  способность металлов образовывать прочные

соединения при  нагреве свариваемых частей до расплавленного или до

пластического состояния. Хорошей свариваемостью обладают стали  с низким

содержанием углерода. Плохо свариваются чугун, медные и алюминиевеы сплавы.

Жидкотекучесть – способность металла заполнять тонкие очертания

полости формы. При  недостаточной жидкотекучести расплавленный металл заполняет форму и отливка становится браком. Жидкотекучесть прежде всего зависит о химического состава, от температуры перегрева: чем она выше, тем больше жидкотекучесть.

Величину жидкотекучести определяют по технологической пробе – длин

заполненной сплавом  части полости контрольной литейной формы.

Усадка— свойство  литейных сплавов уменьшать объем при

затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.

Линейная усадка - линейных размеров отливки при  ее охлаждении от

температуры, при  которой образуется прочная корка, способная противостоять расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют   соотношением, %:

                             E лин=(lф - lот)100/lот,                            

где lф и lот  - размеры полости формы и отливки при температуре 20°С.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, темпера­тура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы.

Так, усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния. Увеличение скорости отвода теплоты от залитого в форму сплава

приводит к возрастанию  усадки отливки.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при  его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют соотношением, %,

                             Eоб=(Vф – Vот)100/Vот,                            

где Vф и Vот – объем полости формы и объем отливки при температуре 200С.

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними.

Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в

обширной зоне в  результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла.

Получить отливки  без усадочных раковин и пористости возможно за счет

непрерывного подвода  расплавленного металла в процессе кристаллизации вплоть до полного затвердевания.

Горячие трещины  в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки

металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кислорода), серы и других примесей.

Холодные трещины  возникают в области упругих  деформаций, когда сплав

полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются  и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.

Коробление —  изменение формы и размеров отливки  под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении.