3.4.Литейные свойства сплавов, тепловой режим литейной формы

Для получения отливок с заданными качественными показателями и эксплуатационными свойствами с наименьшими затратами сплавы для отливок должны иметь определенные технологические (литейные) свойства. К основным литейным свойствам относятся: жидкотекучесть (способность жидкого металла заполнять полость литейной формы), литейная усадка (способность металла уменьшаться в жидком и твердом состоянии, а также на стадии его затвердевания), газонасыщение (способность металла растворять в себе газы), ликвация (неравномерность распределения химических элементов по сечению отливки), смачиваемость (способность жидкого металла растекаться по плоскости литейной формы), температурный интервал кристаллизации.

Многочисленными исследованиями показано, что качественные основные показатели и эксплуатационные свойства формируются на стадии затвердевании отливки и ее охлаждении в литейной форме. Затвердевание металла обусловлено отводом теплоты от расплава в форму. В охлаждающемся расплаве зарождаются и растут кристаллы. Этот процесс сопровождается диффузионным перераспределением растворимых в сплаве компонентов и присутствующих в нем примесей, фильтрацией расплава между растущими кристаллами вследствие объемной усадки затвердевающего сплава, а также деформации отливки вследствие линейной усадки отливки и сопротивления ей со стороны формы и стержней. Неполнота фильтрации расплава между растущими кристаллами вызывает появление газоусадочной пористости и усадочной рыхлоты в теле отливки. Избавиться от многих из перечисленных дефектов можно лишь одним путем: устранением дефицита расплава при питании затвердевающей отливки от таких дополнений ее конфигурации, как прибыли, питающие бобышки и т.п. Правильное проектирование литниковой системы очень важно для получения качественных отливок. Так, при заливке жидких металлов обладающих малой усадкой (например, серые чугуны) питатели литниковой системы располагают в районе тонких стенок будущей отливки. Но при заливке расплавов сплавов, обладающей большой усадкой (углеродистые стали и др.), питатели помещают в районе массивных частей будущей отливки, где располагаются и прибыли.

Жидкотекучесть металла оказывает существенное влияние на качественные показатели отливок. В частности, она определяет возможность получения тонкостенных отливок, при низкой жидкотекучести возникает дефекты литья по недоливу. Жидкотекучесть жидкого металла определяется химическим составом и типом сплава, температурой металла и литейной формы и другими факторами.

Литейная усадка оказывает существенное влияние на качественные показатели и эксплуатационные свойства литых деталей. Повышенная литейная усадка металла приводит к образованию в металле газоусадочной пористости и усадочных раковин, а также горячих и холодных трещин.

Газонасыщение металлов способствует повышенной газовой пористости отливок.

На возникновение газовых дефектов в отливках (газовые раковины, а также газовой пористости) существенное влияние оказывает также газовый режим литейных форм, который определяется газотворностью смесей и их газопроницаемостью.

Коробление отливок и образование горячих трещин, образующихся на стадии затвердевания металла, определяются литейной усадкой и сопротивлением ей литейных стержней и литейной формы, а также холодных трещин образующихся при охлаждении металла в твердом состоянии.

Формирование качественных показателей отливок определяется двумя параметрами: скоростью кристаллизации Wкр и длительностью затвердевания отливки tf, зависящих от теплового режима литейной формы. Под тепловым режимом литейной формы понимаем характер распределения температуры по сечению литейной формы в различные моменты времени. Величины Wкр и tf для случая формирования отливки в песчаной литейной форме рассчитываются по формулам:

Wкр = К/(2 ^1/2) ( 1)

t_f = (h_отл /K)² ( 2 )

Константа К зависит от теплофизических параметров материалов литейной формы и отливки. Скорость кристаллизации отливки определяет величину размеров зерен металла отливки, а следовательно физико-механические параметры металла и другие качественные характеристики отливки.

4. Методы обработки металлов давлением

Обработкой металлов давлением называется совокупность технологических процессов, в которых формообразование заготовок осуществляется путем пластического деформирования металла без нарушения его сплошности.

К основным видам обработки металлов давлением (ОМД) относятся: прокатка; волочение; прессование; ковка и объемная штамповка; листовая штамповка.

В настоящее время доля заготовок, используемых в машиностроении, изготовленных методами обработки металлов давлением составляет 19%.

Преимущество методов ОМД:

 высокое качество металлов;

 высокая точность;

 высокая чистота поверхности;

 экономия металлов;

 высокая производительность.

4.1. Физические основы формообразованием заготовок обработкой давлением.

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, которое характеризуется упорядоченным расположением атомов. В обычных условиях, кристаллизация металла происходит одновременно в очень большом количестве в центрах кристаллизации - это приводит к тому, что металл представляет не единый кристалл, а множество кристаллов (зерен). Такое строение называется поликристаллическим. Размеры и форма зерен зависит от условий кристаллизации.

Формообразование заготовок обработкой металлов давлением основано на его пластичности, т.е. способности изменять свои линейные размеры и форму без нарушения сплошности (микротрещин).

При приложении внешней нагрузки (внешних сил) в металле заготовки возникают внутренние силы, которые их уравновешивают. Отношение внутренних сил к площади поперечного сечения металла называется напряжением

 = P/S , Па (3)

где F - внутренние силы, Н;

S - площадь поперечного сечения, м².

Удельным усилием (P_уд) называется отношением внешних сил к площади поперечного сечения, к которым они приложены (размерность P_уд, Па ).

Для количественной оценки деформации используются понятия коэффициентов абсолютной l и относительной деформации  .

l - абсолютная деформация, изменение литейных размеров заготовки, м;

 =(l/l_o)100 % - относительная деформация (степень деформации), где l_о - начальный размер заготовки. Таким образом: при приложении внешней нагрузки в металле заготовки возникает объемно - напряженное состояние, которое характеризуется напряжениями сжатия и растяжения и степенями деформаций.

Деформации могут быть упругими и пластичными.

Упругой деформацией называется такая деформация, которая исчезает после снятия внешней нагрузки.

Пластичной деформацией называется такая деформация, которая не исчезает после снятия внешней нагрузки.

Пластическая деформация это сложный физико-химический процесс, при котором изменяется не только форма и линейные размеры исходной заготовки, но и ее механические и физические свойства.

При проектировании технологических процессов формообразования заготовок методами ОМД необходимо знать физико-механические параметры, такие как предел прочности _в, предел текучести _т, сопротивление металла деформации ( модуль Юнга Е, Па ) и др.

Формообразование заготовок обработкой металлов давлением основано на его пластичности, т.е. способности изменять свои линейные размеры и форму без нарушения сплошности (микротрещин).

Для проектирования оптимального технологического процесса формообразования заготовок методами ОМД необходимо знание влияния различных факторов на пластичность.

Основные факторы, влияющие на пластичность:

температура металла; микроструктура (величина зерна); химический состав и тип сплава; скорость деформации и степень деформации; объемно - напряженное состояние.

С увеличением температуры металла пластичность его, как правило, возрастает (хотя имеются отклонения от этой тенденции в различных температурных интервалах, связанными с фазовыми превращениями, которые протекают в металлах; так, при нагреве стали в диапазоне 300...350 С пластичность уменьшается, что связано с выпадением мелкодисперсных включений карбидов. По этой причине перед обработкой ОМД металл заготовки нагревается для повышения его пластичности.

Микроструктура металла оказывает существенное влияние. С умень-шением величины зерна пластичность повышается.

Все чистые металлы, как правило, имеют более высокую пластичность.

Степень  и скорость деформации /t оказывает сильное влияние на пластичность. Скорость деформации определяется как изменение степени деформации в единицу времени. Так, при увеличении степени деформации и скорости деформаций в области их малых значений пластичность уменьшается.

На пластичность металлов оказывает сильное влияние возникновением сжимающих и растягивающих напряжений (объемно-напряженное состояние).

В заключение отметим, что у некоторых сплавов при определенном химическом составе и типе сплава, в узком температурном интервале, при очень малых значениях скоростях деформации и очень мелком зерне наблюдается сверхпластичность (= 1000...1500 %).Явление сверхпластич-ности имеет большое практическое значение, так как позволяет получать поковки при небольших удельных усилиях, а это в свою очередь позволит значительно уменьшить себестоимость и повысить их качество.