коля / u-lectures

темы.

По оси абсцисс диаграммы отложены концентрации веществ А, В, С, D, а по вертикальной оси – температура системы. Кривая LM показывает изменение концентрации равновесной системы в зависимости от ее температуры. Если при температуре t1 взята система, состоящая из веществ А, В, С, D, соответствующая концентрации в точке х, то, как видно из диаграммы, эта система не является равновесной. Равновесие взятой системы при температуре t1 соответствует точке х1, то есть с гораздо большим содержанием веществ С и D. Это значит, что в системе возникнет реакция А+ B = C + D +Q .

Практически это значит, что в любой точке области I будет возникать экзотермическая реакция. Если мы возьмем нашу систему при температуре t2 и концентрации, соответствующей точке у, то в системе возникнет реакция

C + D = А+ B −Q .

Эта реакция закончится, когда концентрация веществ А и В настолько увеличится, а концентрация веществ С и D настолько уменьшится, что химический состав системы изменится до точки у1. В любой точке области II возникнет эндотермическая реакция, которая будет протекать до тех пор, пока состав системы не станет равновесным. Проследим за влиянием температуры на экзотермическую систему состава, соответствующего вертикальной линии аа. В точке а возникнет реакция, идущая слева направо в сторону роста концентрации С и D. «Выход» реакции, то есть количество вещества, прореагировавшее до наступления состояния равновесия, будет равен длине прямого отрезка от точки а вправо до кривой равновесия.

Из диаграммы видно, что с повышением температуры системы в области I выход экзотермической реакции будет уменьшаться. Наоборот, в области II, где протекают эндотермические реакции, с повышением температуры системы выход реакции будет увеличиваться. Отсюда можно вывести принцип I: при повышении температуры неравновесной системы, в которой протекает экзотермическая реакция, выход реакции до наступления состояния равновесия уменьшается; при повышении температуры неравновесной системы, в которой протекает эндотермическая реакция, выход реакции увеличивается.

Вся диаграмма делится на три различных области: в области I (вдали от динамического равновесия), где протекает экзотермическая реакция с повышением температуры неравновесной системы, увеличивается результирующая скорость обратимого процесса от 0 до максимума; в области II (вблизи динамического равновесия), где также протекает экзотермическая реакция, с ростом температуры падает результирующая скорость обратимого процесса и в области II, где протекает эндотермическая реакция, влияние температуры на результирующую скорость обратимого процесса однозначно. С ростом температуры скорость результирующей эндотермической реакции всегда увеличивается.

На основании вышесказанного можно вывести принцип II: при повышении температуры результирующая скорость экзотермической реакции сна-

21

чала значительно увеличивается, затем вблизи равновесия резко падает до нуля, а при дальнейшем повышении температуры меняет свое направление; дальнейшее повышение температуры приводит к росту результирующей скорости эндотермической реакции.

На основании закона действующих масс можно сделать следующий вывод о возможности влияния на направление обратимого процесса с помощью изменения концентрации реагирующих веществ.

Для увеличения скорости результирующей реакции, направленной слева направо, необходимо увеличить концентрацию одного или нескольких веществ, стоящих слева от знака равенства, или уменьшить концентрацию одного или нескольких веществ, стоящих справа от знака равенства.

Для увеличения скорости результирующей реакции, направленной сплава налево, необходимо увеличить концентрацию одного или нескольких веществ, стоящих справа от знака равенства, или уменьшить концентрацию одного или нескольких веществ, стоящих слева от знака равенства.

Впроцессе плавки цветных металлов протекает большое количество гетерогенных реакций. К их числу относятся реакции между атмосферой печи (газовая фаза) и плавящимся (твердая фаза) или расплавленным (жидкая фаза) металлом и шлаком. Протекают реакции между двумя жидкими фазами (шлаком и металлом) и реакции между жидкими фазами (шлаком и металлом) и твердой фазой (футеровкой печи). Во всех случаях протекания гетерогенных реакций, реагирующие вещества путем диффузии должны перейти из одной фазы в другую, если речь идет о реакциях между жидкими фазами, или прийти в соприкосновение с поверхностью раздела другой фазы, когда происходят реакции между газообразными и жидкими или твердыми фазами, а также между жидкими и твердыми фазами.

Все эти процессы переноса молекул реагирующих веществ из одной фазы в другую или к поверхности другой фазы происходят исключительно диффузионным путем. Следовательно, скорость химической реакции может оказаться в зависимости от скорости протекания процесса диффузии. Если скорость диффузии оказывается меньше, чем возможная скорость химической реакции, что особенно часто бывает при экзотермических реакциях, и, следовательно, скорость реакции лимитируется скоростью процесса диффузии, то считается, что реакция протекает в диффузионной области гетерогенного процесса.

Вряде случаев может оказаться, что путем диффузии к поверхности раздела или в другую фазу доставляется достаточное количество молекул, чтобы обеспечить ход реакции, тогда скорость самой реакции зависит только от кинетических условий ее протекания. Если реакция эндотермическая, то считается, что реакция протекает в кинетической области гетерогенного процесса.

Если реакция протекает в диффузионной области гетерогенного процесса, то на скорость реакции оказывает влияние скорость диффузии. Про-

22

цесс диффузии через газообразную фазу в установившемся состоянии протекает в соответствии с уравнением Фика:

S = D c1 −c2 F τ, a

где S – количество вещества (кг), переданного за τ (с) через слой вещества толщиной а см (м) на реагирующую поверхность F, см2 (м2); D – коэффициент диффузии, см2/с (м2/с); с1, с2 – концентрации диффундирующего газообразного вещества (г/см3) (кг/м3) на границах слоя толщиной а см (м).

Коэффициент диффузии D = kTn является функцией температуры, где n находятся в пределах от 1,75 до 2,0.

На основании сказанного можно сделать вывод, что скорость диффузии через газообразную фазу прямо пропорциональна температуре этой фазы и разности концентраций диффундирующего газа и обратно пропорциональна толщине слоя, через который происходит процесс диффузии.

Процесс диффузии через жидкую фазу в установившемся состоянии можно представить в виде уравнения зависимости коэффициента от свойств жидкости и диффундирующего вещества:

D = RTN 6πη1 r ,

где R – газовая постоянная, кал/моль.град (Дж/кмоль.град); Т – абсолютная температура, К; N – число Авогадро, моль-1 (кмоль-1); π – отношение длины окружности к диаметру; η – коэффициент вязкости жидкости, см2/с (м2/с); r – радиус молекулы диффундирующего вещества, см (м).

Дополнительно к отмеченному выше, последняя формула показывает, что количество продиффундировавшего через жидкость вещества будет тем больше, чем выше температура среды и чем меньше ее вязкость и радиус молекулы диффундирующего вещества.

Вкачестве примера гетерогенного процесса рассмотрим окисление составных частей сплава на медной основе.

Впериод плавления шихты за счет окислительного воздействия газовой фазы печи будет происходить окисление твердого металла с образованием на его поверхности CuO (окиси меди) и окислов тех элементов, которые входят в состав шихты. После расплавления шихта окажется покрытой слоем шлака, содержащего высокий процент окиси меди. Соприкасаясь на поверхности раздела шлак-металл с медью, находящейся в расплаве, окись меди будет восстанавливаться до закиси по реакции:

CuO + Cu = Cu2O.

23

Закись меди будет диффундировать в металл (рис. 6), подчиняясь описанному выше закону распределения. Если бы закись меди, диффундирующая в металл, не расходовалась, то установилось бы равновесие при определенной концентрации CuO в шлаке и Cu2O в металле (сплошные линии на рис. 6).

Рис. 6. Распределение закиси меди между металлом и шлаком

Но закись меди встречает в металле ряд элементов, сродство которых к кислороду больше, чем сродство меди. Поэтому закись меди будет расходоваться на реакции с этими элементами. Например,

5Cu2O + 2P =10Cu + P2O5 +Q ;

Cu2O + Mn = 2Cu + MnO +Q ;

Cu2O + Zn = 2Cu + ZnO +Q .

Если бы эти реакции дошли до состояния динамического равновесия, то в металле наряду с новыми полученными окислами сохранилась бы известная равновесная концентрация закиси меди Cu2Oравн, показанная на рис. 6 вертикальной пунктирной линией. Практически такое равновесие не устанавливается, если на поверхности металла не наведен защитный шлак. Если защитного шлака нет, то в металл продолжает диффундировать закись меди, концентрация которой в металле будет убывать по мере удаления от поверхности раздела металл-шлак из-за расходования закиси меди на указанные выше реакции. При этом концентрация закиси меди в металле будет выше равновесной (нижняя пунктирная кривая) в случае, если скорость диффузии будет выше суммарной скорости реакции восстановления закиси меди примесями сплава. Если же скорость диффузии будет ниже суммарной скорости реакции восстановления закиси меди, то концентрация ее упадет до равновесной на близком расстоянии от поверхности раздела металл-шлак (верхняя пунктирная кривая).

Перед выходом металла из печи из него желательно удалить остатки закиси меди путем раскисления. Для этого необходимо использовать элементы,

24

имеющие большее сродство к кислороду так, чтобы равновесие резко сдвинулось вправо, что достигается путем введения в ванну соответствующих раскислителей.

Контрольные вопросы.

1.Что лежит в основе классификации цветных металлов?

2.Основные задачи литейного производства отливок из цветных металлов и сплавов.

3.По каким признакам принято делить цветные металлы и сплавы?

4.Чем регламентируются составы сплавов цветных металлов?

5.Какими свойствами должны обладать литейные сплавы цветных металлов?

6.Чем отличаются деформируемые сплавы от литейных?

7.Назначение деформируемых сплавов?

8.Какие сплавы должны иметь высокую пластичность?

9.Какие сплавы относятся к легким?

10.Сколько компонентов содержится в многокомпонентных сплавах?

11.Что является главной особенностью кристаллического строения металлов?

12.Чем характеризуется прочность кристаллического строения?

13.Что происходит с межатомным расстоянием с уменьшением координационного числа?

14.Как зависит температура плавления металла от энергии связи?

15.При плавлении происходит ослабление межатомных сил или упрочнение?

16.Из каких технологических операций состоит приготовление металлического расплава?

17.Что является движущей силой процесса растворения металла в расплаве?

18.Происходит ли укрупнение зерна металла при затвердевании при перегреве металла?

19.Какая реакция называется экзотермической?

20.Почему при плавке алюминиевых и магниевых сплавов практически не наблюдаются процессы раскисления?

ЛЕКЦИЯ 2.

ТЕМА: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ОТЛИВОК

План лекции 1. Требования к отливкам.

25

2. Классификация отливок.

Требования к отливкам.

Отливки из сплавов цветных металлов должны иметь определенный химический состав, заданный уровень механических свойств, необходимые размерную точность и чистоту поверхности без внешних и внутренних дефектов. В отливках не допускаются трещины, неслитины, сквозные раковины и рыхлоты. Поверхности, являющиеся базами для механической обработки, не должны иметь наплывов и повреждений. Допустимые дефекты, их количество, способы обнаружения и методы исправления регламентируются отраслевыми стандартами (ОСТами) и техническими условиями.

Отливки поставляют с обрубленными литниками и обрезанными прибылями. Места обрезки и обрубки на необрабатываемых поверхностях зачищают заподлицо. Допускается исправление дефектов заваркой и пропиткой. Необходимость термической обработки определяется техническими условиями.

Точность размеров отливок должна отвечать требованиям ОСТ 1.4115472. Допуски, включающие в себя сумму всех отклонений от размеров чертежа, имеющих место на различных стадиях изготовления отливки, кроме отклонений, обусловленных наличием литейных уклонов, должны соответствовать одному из семи классов точности (табл. 2). В каждом классе точности все допуски на любой размер одного вида (Д, Т или М) являются для данной отливки равными и устанавливаются по наибольшему габаритному размеру.

Обрабатываемые поверхности отливок должны иметь припуск на механическую обработку. Минимальный припуск должен быть больше допуска. Величина припуска определяется габаритными размерами и классом точности отливок.

В табл. 3 приведены припуски на механическую обработку отливок из сплавов цветных металлов, регламентированные ОСТ 1.41154-72.

Чистота поверхности отливок должна соответствовать заданному классу шероховатости. Она зависит от способа изготовления отливок, применяемых материалов для изготовления форм, качества подготовки поверхности моделей, кокилей и пресс-форм. Высота неровностей профиля поверхности отливок для различных классов шероховатости в соответствии с ГОСТ 278973 приведена в табл. 4.

Для получения отливок, отвечающих перечисленным выше требованиям, применяют различные способы литья в разовые формы и формы многократного использования, технические возможности которых приведены в табл. 5.

26

Примечание. Д – размеры необрабатываемых длин (диаметров); Т – размеры необрабатываемых толщин (стенок, ребер, фланцев и т.д.); М – размеры между необрабатываемыми плоскостями и обработанными.

27

Примечание. Ra – среднее арифметическое отклонение профиля; Rz – высота неравномерностей профиля по десяти точкам.

Классификация отливок.

По условиям службы независимо от способа изготовления отливки делят на три группы: общего, ответственного и особо ответственного назначения.

К группе общего назначения относят отливки для деталей, не рассчитываемых на прочность. Конфигурация и размеры их определяются только конструктивными и технологическими соображениями. Такие отливки не подвергают контролю рентгенопросвечиванием.

28

29

Отливки ответственного назначения используют для изготовления деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при статических нагрузках. Они проходят выборочный контроль рентгенопросвечиванием.

Кгруппе особо ответственного назначения относят отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках. Их подвергают индивидуальному контролю рентгенопросвечиванием, флуоресцентному контролю и контролю вихревыми токами.

В зависимости от объема приемно-сдаточных испытаний отраслевыми стандартами ОСТ 1.90021-71, ОСТ 1.90016-72, ОСТ 1.90248-77 предусмотре-

но деление отливок из сплавов цветных металлов на три группы.

Кпервой группе относят отливки, контроль механических свойств которых осуществляют выборочно на образцах, вырезанных из тела контрольных отливок, с одновременным испытанием механических свойств на отдельно отлитых образцах от каждой плавки или поштучное испытание на образцах, вырезанных из прилитых к каждой отливке заготовок, а также поштучный контроль на плотность (рентгенопросвечивание).

Ко второй группе относят отливки, механические свойства которых определяют на отдельно отлитых образцах или на образцах, вырезанных из прилитых к отливке заготовок, и по требованию завода-потребителя на образцах, вырезанных из отливок (выборочно), а также поштучный или выборочный контроль на плотность отливок методом рентгенопросвечивания.

Третью группу составляют отливки, у которых контролируют только твердость. По требованию завода-потребителя производят контроль механических свойств на отдельно отлитых образцах.

Отнесение отливок к соответствующей группе производится конструктором и оговаривается в чертеже.

В зависимости от способа изготовления, конфигурации поверхностей, массы, максимального геометрического размера, толщины стенок, характеристики выступов, ребер, утолщений, отверстий, количества стержней, характера механической обработки и шероховатости обработанных поверхностей, назначения и особых технических требований предусмотрено деление отливок на 5-6 групп сложности (литье в песчаные формы и под давлением – 6 групп; литье в кокиль, по выплавляемым моделям и в оболочковые формы – 5 групп). Группа сложности отливки определяется по наибольшему числу признаков, совпадающих с признаками, приведенными в табл. 6, 7. При этом число совпадающих признаков должно быть не менее пяти или четырех для шести или пяти групп сложности соответственно.

При меньшем числе совпадающих признаков применяют способ группировки их путем последовательного отнесения начиная с более высоких групп сложности в сторону более низких и останавливаются на группе сложности, при которой достигается необходимое число условно совпадающих признаков. Если приведенные в табл. 6, 7 признаки для нескольких групп сложности совпадают, то этот признак принимают по более высокой группе.

30