Металургія: лиття металів

Отримання виробів методами лиття металевих сплавів является одним з найдавніших способів металообробки. В історичній літературі до теперішнього часу тривають дискусії з питання про те, якими методами виготовлення металевих предметів людина опанувала раніше - або куванням, тобто хто раніше з'явився - ливарник або коваль. Слід, однак, відзначити, що в чистому вигляді метали в земній корі даж в ті далекі часи зустрічалися надзвичайно рідко. Їх виробництво пов'язане з переробкою руд, в результаті якої метали отримували в рідкому, розплавленому вигляді. Їх заливали в спеціальні форми, і після затвердіння отримували виливок або злиток. Виливок являє собою готовий виріб, а злиток необхідно ще піддати пластичної обротке, наприклад куванні. Таким чином, ливарні процеси, як правило, передують будь-якого методу металообробки.

Отримання металів і сплавів

В даний час практично всі вироби з металевих сплавів отримують з литого, т. Е. Закристалізованого, з рідкого стану, зплаву. Отримання металів і сплавів в рідкому, розплавленому стані називається пирометаллургии. Вона є основним металургійним процесом. У зв'язку з цим ливарні процеси, що відбуваються при отриманні з рідкого металу виливка або злитка, багато в чому визначають якісні характеристики металопродукції та експлуатаційні властивості будь-яких мАшин від автомобіля до космічної ракети.

Гідрометалургія

Крім пирометаллургии інтенсивно розвиваються методи гідрометалургії, в яких метали отримують з розчинів або розплавів солей. При цьому метали осідають в твердому вигляді. Ці методи, наприклад електролітичне отриманийие катодного міді, засновані на хімічних і електрохімічних процесах. Однак обсяг металу, одержуваного гідрометалургійних методами, не йде ні в яке порівняння з обсягом пірометалургійного виробництва. Ця ситуація збережеться і в осяжному майбутньому.

Порошкова металургія

В даний час інтенсивно розвивається порошкова металургія, тобто отримання виробів шляхом пресування і спікання металевих порошків. Однак основні методи отримання порошків засновані на кристалізації розпорошеного в різні середовища (наприклад, у воду) розплавленого металу, тобто тут також мають місце ливарні процеси.
Основнимпроцесом при формуванні виливки або злитка є затвердіння сплаву, т. е. перехід сплаву з рідкого стану в твердий. Зазвичай розрізняють два аспекти затвердіння.

Перший аспект

Перший аспект — теплової. Як відомо, плавлення речовини вимагає витрати енергії, которая стосовно до одиниці маси речовини називається питомою теплотою плавлення. При затвердінні еквівалент ну кількість тепла має бути відведено від сплаву. Якщо рідкий метал при температурі кристалізації помістити в ідеальну теплоізоляційну оболонку, то він буде перебувати в рідкому вигляді нескінченно довго. Чим з більшою швидкістю теплпро приділятиметься від розплаву в стінки форми, тим швидше затвердіє сплав. Тому літейшік повинен вміти управляти тепловими процесами при охолодженні і затвердінні виливка і нагріванні форми.

Другий аспект

Другий аспект пов'язаний з формуванням кристалічної структури виливка,тобто з кристалізацією. Затвердіння, як правило, супроводжується фазовим переходом з рідкого стану в твердий кристалічний. Цей перехід пов'язаний із зародженням і зростанням центрів кристалізації, які називають зародками. Експлуатаційні та фізичні властивості виливків залежать від розмірів і форми кристалітів. Зародження і зростання кристалів - зпомилкові фізико-хімічні процеси, які, за словами академіка Л.В. Шубнікова, можна порівняти лише із зародженням та розвитком біологічних організмів.

Кристалічна структура виливки

Кристалічна структура виливки багато в чому визначається будовою і властивостями рідкого сплаву. Тому велике значення має управління рідким станом сплаву шляхом зміни його хімічного складу, введення різних домішок, застосування фізичних і механічних впливів (тиск, ультразвук, електромагнітні впливу, опромінення рентгенівськими променями, гамма-випромінюванням і т. П.).

Усадкові процесси

Як відомо, тіла при нагріванні розширюються, а при охолодженні стискаються. При затвердінні практично всі метали зменшують свій об'єм. Виняток становлять вісмут н галій. Зменшення обсягу при охолодженні і затвердінні сплаву називається усадкою. Усадкові процеси призводять до формування у виливках разлічних дефектів у вигляді усадочних пустот (раковин або пор). Через термічного або механічного гальмування усадки у виливках виникають тимчасові або залишкові напруги, що знижують їх міцність, а іноді призводять до викривлення виливків або до виникнення в них тріщин. Питання формування напруг виходять далеко за межі суто ливарних проблем і Мають велике загальнонаукове значення.

Заповнення форми сплавом

В умовах Землі як планетного освіти ливарні процеси пов'язані не тільки з дією гравітаційних сил, але і з впливом газової атмосфери. Питання розчинення газів і їх виділення з металевих розплавів є важливим розділом ливарної технології. У процесі приготування сплаву, його розливання і затвердіння відбуваються складні фізико-хімічні явища, що супроводжуються розчиненням газів в рідкому і твердому металі, утворенням різних продуктів Хімічного взаємодії газів з компонентами сплаву (оксиди, карбіди, нітриди і т. Д.). У процессе заливки форми сплавом і теплової взаємодії відливання і форми може відбуватися захоплення газів потоками сплаву, поява окисних полон, утворення газів в обсязі піщаних форм, що приводить до підвищення газового тиску в порожнині форми і в її стінках. Якщо не забезпечити дотримання відповідних умов, що накладаються на газодинамический режимформ, то в відливання виникають газові дефекти у вигляді раковин або пір. Збільшення газового тиску при заливці форм з підвищеною газотворностью і низькою газопроницаемостью може призвести навіть до викиду металу з форми.

Найважливішим процесом в ливарної технології є заповнення форми сплавом. Тому інженер-літейщік повинен бути фахівцем в області гідромеханіки, насамперед гідромеханіки розплавів. Необхідно вміти керувати швидкістю руху металу у формі і її каналах, структурою потоку, забезпечувати уловлювання різних неметалевих включень, що потрапили в розплав, а також плавне, безударное рух розплаву на різних ділянках порожнини форми.

Теорія ливарних процесів

Теорія ливарних процесів включає в себе широку гаму питань, пов'язаних з формоутворенням, формуванням механічних і технологічних властивостей ливарних форм, взаємодією форми з розплавом, що визначає якість поверхонь одержуваних виливків. Вирішення цих питань засноване на широкому застосуванні сучасних досягнень фізичної та неорганічної хімії. Можна говорити про розвиток спеціальної галузі хімії - хімії ливарних формувальних матеріалів.