Технология конструкционных материалов и материаловедение - 2004.. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Таблица 3.2 Составляющие Количество Глинозем (Al2O3 ) Криолит (Na3AlF6 ) Угольные электроды Электроэнергия 2000кг 100кг 600кг 16000 – 18500 кВт.час Таким образом, затраты на электроэнергию являются превалирующими и алюминиевые комбинаты целесообразно строить рядом с источниками дешевой электроэнергии. 3.3.3 Физическое отделение металла Физические методы отделения металлов используются в настоящее время для получения встречающихся в самородном состоянии металлов (золото, платина). При этом используются такие процессы как промывка, растворение в ртути (амальгамирование) с последующим выпариванием ртути. 3.4 Рафинирование Многие металлы после их получения термохимическим методом, электролизом содержат недопустимо большое количество примесей. Так, содержание примесей в алюминии или меди выше 0,1% делает их непригодными для применения в качестве проводников тока. Содержание серы или фосфора в стали выше 0,025% существенно ухудшает ее механические свойства как в холодном, так и горячем состоянии. Методы рафинирования (очистки) позволяют получить чистые металлы, но естественно приводят к дополнительным затратам. Поэтому чистый металл может быть существенно дороже. Так алюминий чистотой 99,7%, применяемый для производства сплавов, стоит 1,5 $/кг, в то время как сверхчистый алюминий для электронной промышленности чистотой 99,9999% стоит в тысячи раз дороже. Для очистки сталей от вредных примесей и введения в них полезных легирующих элементов применяют переплав стали под слоем специальных шлаков поглощающих вредные примеси. Плавку ведут в электродуговых (рис.3.8) или индукционных печах с контролируемой атмосферой или в вакууме. 1-кожух , 2-днище, 3-под, 4-свод, 5-электроды Рис.3.8 Для очистки меди применяют электролитическое рафинирование (до 95% всей производимой в стране меди). При этом полученную черновую медь растворяют в электролите (10-16%медного купороса + 10-15% серной кислоты). Растворение происходит при пропускании через раствор электрического тока. Растворенная медь (ионы) осаждаются на катодах, заранее выполненных из тонких листов чистой меди (рис.3.9). Рис.3.9 Процесс длится 10-12 суток, причем на каждом катоде (всего их в ванне 20- 40штук) осаждается 60-90 кг чистой меди (99,95%). При этом электрическая мощность ванны достигает 2000кВт. Таким же образом получают чистый никель. Основная масса металлов применяется в промышленности в виде сплавов. Это объясняется более высокими механическими свойствами сплавов. Из чистых металлов практически невозможно изготовить детали машин, так как прочность их на порядок меньше, чем прочность сплавов на их основе. Поэтому чистые металлы применяются только в тех случаях, когда требуются их другие физические свойства (электропроводность, теплопроводность, химическая устойчивость, способность поглощать или пропускать нейтроны и т.д.). Вопросы для самопроверки: 1.Каков состав шихты, загружаемой в доменную печь при получении чугуна? 2.Сплавы на основе какого металла наиболее широко применяются в технике? 3.Какие металлы извлекаются из руды методом физического отделения? 4.Какие металлы получают из их химических соединений электролизом расплава? 5.Что образует стоимость основных затрат при производстве алюминия? 6. С какой целью производят рафинирование металлов? 7.В чем состоят основные преимущества мартеновского способа производства стали? 8.Что загружают в конвертер при получении стали конвертерным способом? 9.Что такое медный штейн? 10. Какими способами производят рафинирование металлов? Образец карты тестового контроля: 1. В каких случаях добычу руды производят открытым способом: а). Если в руде содержится высокое содержание металла б). Если рудное тело залегает неглубоко и пласт руды относительно толстый в). Если месторождение находится недалеко от промышленно развитых районов 2. С какой целью производят дробление руды: а). Для последующего отделения соединения металла б). Для ускорения процесса термохимического восстановления металла в). Для извлечения металла электролизом 3. Почему основные, используемые сплавы создаются на основе железа: а). Из за меньших затрат при получении железа б). Из-за высокого содержания соединений железа в земной коре в). Из-за высоких механических свойств соединений железа 4. Почему алюминий восстанавливают электролизом: а). Из-за невозможности восстановления его другими способами б). Из-за дешевизны способа в). Из-за высокой производительности способа 5. В каких случаях применяются чистые металлы: а). При потребности в материалах с уникальными физическими свойствами б). При потребности в высокопрочных материалах в). При невозможности получения сплавов используемого металла 4. Основы литейного производства Литьё - получение изделий путем заливки жидкого металла в формы и его последующего затвердевания. Теоретически, литьем можно получить сколь угодно сложное по форме изделие. На практике, литьё, как и все методы формообразования, имеет существенные ограничения. Они связаны: - с трудностями изготовления формы для заливки жидкого металла; - с невозможностью заполнения жидким металлом сколь угодно тонкого рельефа; это технологическое свойство металла, называемое "жидкотекучестью", связано с вязкостью жидкого металла, его поверхностным натяжением, смачиваемостью материала формы жидким металлом и рядом других факторов; - с усадкой металла при застывании, которая определяется разностью объемов, занимаемых жидким и затвердевшим металлом и изменением его объема (размеров) при охлаждении до комнатной температуры. Усадка, а особенно неравномерное охлаждение отливки в форме, приводит к ее короблению, возникновению внутренних напряжений, а, иногда, даже к разрушению. Однако литьё позволяет получать самые сложные по форме изделия, в том числе и произведения искусства… Литьё - древнейший технологический процесс. Одно из чудес света в античные времена -статуя Зевса была изготовлена литьем по выплавляемой модели. В средние века литьем изготавливали колокола для церквей, пушки, монументы и т.д. Обобщенная структура процессов литейного производства. Изготовление моделей Изготовление стержней Изготовление формы Плавка металла Заливка формы Извлечение отливки Отрезка прибыли и литников 4.1 Литье в песчано-глинистые формы Одним из первых методов литья, освоенных человечеством, было литье в песчано-глинистые смеси, "землю". При этом виде литья, в данной смеси, состоящей из песка, глины и воды образуют форму. Используется свойство смеси при уплотнении сохранять приданную ей форму, для придания которой используется модель. Модель обычно изготавливается из дерева, но в тех случаях, когда она используется часто (серийное производство) из алюминиевых сплавов. Особенностью такого метода получения формы (рис.4.1) является необходимость извлечения модели. Поэтому формовка обычно осуществляется в двух полуформах, для чего используются специальные ящики без дна (опоки). Для извлечения модели из смеси на ней выполняют специальные (литейные) уклоны. Поэтому модель изготавливается по специальному чертежу, учитывающему особенности формовки, изменение размеров в процессе остывания, припуски на последующую обработку, и т.д. Модель всегда больше изделия на величину усадки и выполняется разъемной по одной или нескольким плоскостям. При изготовлении формы необходимо образовать канал, через который жидкий металл будет заполнять полость формы (литниковая система). При застывании металла объем его уменьшается и внутри отливки образовалась бы усадочная раковина. Для предотвращения этого в форме делают специальную полость, объем которой может быть достаточно велик (иногда больше, чем объем самой формы для изделия). Этот объем тоже будет заполнен металлом, но должен застыть в последнюю очередь и раковина образуется в нем. Эта часть отливки называется " прибыль" и после извлечения отливки из формы должна быть отрезана или удалена при последующей механической обработке. Рис.4.1 Литье в песчано -глинистые формы самый распространенный вид литья (более 90% по массе всех , получаемых в промышленности, отливок). Этот вид литья применяется как в индивидуальном, так и массовом производстве. Его технологические возможности: 1.В основном, в качестве материала отливок используется серый чугун, обладающий хорошей жидкотекучестью и малой усадкой (1%), малоуглеродистая сталь (< 0,35%С). Весьма ограничено производятся таким способом отливки из медных и алюминиевых сплавов. Качество металла отливок весьма низкое, что связано с возможностью попадания в металл неметаллических включений, газовой пористостью (из за бурного газообразования при заливки металла во влажную форму). 2.Форма отливок может быть весьма сложной, но все же ограничена необходимостью извлечения модели из формы. 3.Размеры отливки теоретически неограничены. Таким способом получают самые крупные отливки (до сотни тонн). Это станины станков, корпуса турбин и т.д. 4. Точность получаемых отливок обычно грубее 14 квалитета и определяется специальными нормами точности. 5. Шероховатость поверхности отливок превышает 0,3мм, на поверхности часто наличествуют раковины и неметаллические включения. Поэтому сопрягаемые поверхности деталей, заготовки которых получают таким методом, всегда обрабатывают резанием. 4.2 Специальные виды литья Низкие технологические возможности литья в песчано- глинистые формы привели к разработке ряда специальных видов литья, наиболее распространенными из которых являются литье в кокиль (металлические формы), под давлением, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы 4.2.1 Литье в кокиль Особенностью литья в металлическую форму (в кокиль) (рис.4.2) является невозможность разрушения формы после заливки, поэтому кокиль проектируется так, чтобы отливку можно было извлечь простым переворачиванием формы или разьемом ее по плоскостям стыка. Это определяет ограничение по форме получаемых отливок: форма должна быть достаточно простой, иметь уклоны для легкого извлечения. Естественно, материал формы должен обладать достаточной жаростойкостью. Обычно таким способом производятся отливки из медных сплавов (температура плавления менее 1000°С) и из алюминиевых сплавов (температура плавления менее 650°С). Поэтому кокили изготавливают из стали (Тпл=1559° С) или чугуна. Масса отливок ограничена возможностью изготовления крупногабаритных кокилей и обычно не превышает 250кг. Преимуществом является многократное использование формы, простота автоматизации процесса, низкая себестоимость отливок, большая точность получаемых отливок, низкая шероховатость поверхности, отсутствие в металле отливки неметаллических включений. Рис.4.2 4.2.2 Центробежное литьё Заполнение формы жидким металлом определяется его жидкотекучестью и силами, действующими на частицы жидкости. При обычных методах литья такие силы создаются за счет гравитационного поля земли (силы тяжести). Однако, в ряде случаев, этих сил недостаточно, чтобы обеспечить проникновение жидкости в тончайшие каналы формы. За счет быстрого вращения формы можно создать дополнительные, центробежные силы, действующие на расплав, которые могут значительно превышать силы тяжести и обеспечивать заполнение жидкостью тонких элементов формы. С помощью этих сил можно даже производить формообразование отливки, как, например, при литье труб, втулок, дискообразных изделий (рис.4.3). Центробежное литье широко применяется в ювелирной промышленности, когда требуется получение тонкого профиля на поверхности отливок, а сами они достаточно ажурны и форма для их отливки имеет тонкие каналы, куда, при обычных условиях заливки, жидкий металл просто не проникнет. Рис.4.3 4.2.3 Литье в оболочковые формы Литье в оболочковые формы появилось как попытка автоматизировать изготовление разрушаемых форм. На нагретую модель, выполненную из металла, насыпается смесь песка с частицами неполимеризованного термореактивного материала (рис.4.4). Выдержав эту смесь на поверхности нагретой заготовки определенное время, получают слой смеси, в котором частицы пластмассы расплавились и полимеризовались, образовав твердую корку (оболочку) на поверхности модели. При переворачивании резервуара излишняя смесь ссыпается, а корка, с помощью специальных выталкивателей, снимается с модели (а). Далее, полученные таким образом оболочки , соединяют между собой склеиванием силикатным клеем, устанавливают в опоках и засыпают песком, для обеспечения прочности при заливке металла (в). Также получают керамические стержни для формирования внутренних полостей отливок (б). Основное преимущество этого вида литья по сравнению с литьем в песчано- глинистые формы - простота автоматизации получения форм. Но надо отметить, что таким способом невозможно получать крупногабаритные отливки, изделия особо сложной формы. Таким способом отливают, например, радиаторы парового и водяного отопления, детали автомобилей и ряда машин. Рис.4.4 4.2.4 Литьё по выплавляемым моделям Обычно, трудности создания формы связаны с необходимостью извлечения модели из формы после ее уплотнения или затвердевания. Понятно, что не любая модель может быть извлечена и в ряде случаев желательно, чтобы после формовки модель как бы исчезла,"испарилась", освободив полость под заливку жидкого металла. С древнейших времен известно литье по выжигаемым моделям, когда модель, выполненная из дерева или другого органического материала, выжигалась из формы при ее прокаливании на огне. Но такой метод литья может быть оправдан только при создании уникальных художественных отливок, так как изготовление новой модели было бы чрезвычайно трудоемко. В настоящее время модели изготавливаются из легкоплавкого материала - смеси стеарина и парафина, которая извлекается из формы выплавлением. Изготовление модели осуществляется отливкой в специальной металлической форме (2) (рис.4.5), которая выполняется с высокой точностью и поверхность ее полируется. Полученные модели (восковки) (3) собираются в куст на модель литниковой системы (4) выполненной также из лекгоплавкой смеси парафинов. Сборка их весьма проста, так как они легко соединяются местным расплавлением контактных зон, что производится нагретым ножом (шпателем) (5). Полученная групповая модель погружается в суспензию, состоящую из мелкомолотого кварцевого песка и связующего (этилсиликат) (6). На поверхности модели многократным окунанием в суспензию и взвесь песка (7) и высушиванием создается толстая (4-8мм) керамическая корка. Извлечение модели из корки производят выплавлением (9) в горячей воде, а остатки парафина удаляются при последующем прокаливании формы (10). Перед заливкой металла форма устанавливается в ящик и засыпается песком (11). Рис.4.5 Преимуществом данного вида литья является возможность получения чрезвычайно сложных по форме отливок (например, турбинных лопаток). Так как форма может быть получена из любой жаропрочной керамики, то нет ограничений по температуре плавления заливаемого металла. Высокая точность и низкая шероховатость поверхности получаемых изделий обеспечивается применением тонкодисперсных материалов для изготовления керамической формы. В основном применяется для отливки изделий из стали, жаропрочных сплавов (детали двигателестроения, турбин и т.д..). Метод не позволяет получать крупногабаритные изделия, хотя в художественном литье возможности метода при создании уникальных изделий неограничены. В этом случае модель (восковку) изготавливает художник вручную. 4.2.5 Литье под давлением Наиболее точный метод литья, обеспечивающий получение отливок, во многих случаях не требующих дополнительной механической обработки, является литье под давлением. В этом случае расплавленый металл впрыскивается в форму и застывает под давлением от 20 до 1000 ати, что обеспечивает получение низкой пористости металла (рис.4.6). Однако стенки формы подвергаются чрезвычайно высоким тепловым нагрузкам, поэтому в прессформах из сталей отливают таким методом сплавы на основе алюминия, цинка, меди. Литье стали таким методом возможно только в формы, выполненные из жаропрочных сплавов на основе молибдена. Трудности изготовления формы, ее высокая стоимость делают рациональным применение этого способа в серийном - массовом производстве, Обычно это металлические детали бытовой техники (замки, ручки дверей и окон, детали автомобилей, шасси радиоэлектронной аппаратуры и т.д.). Рис.4.6 Сравнительные характеристики различных методов литья Таблица 4.1 Способ литья Материал отливок Форма и размеры Точность (квалитеты) шероховатость (Rz,мкм) Области применения Литье в песчано- глинистые формы Чугун, сталь, редко – цветные металлы Крупнога– баритные, сложной формы Грубее 14 кв., Rz>300 Все отрасли машиностроения , от массового до единичного производства Литье в То же Масса менее 1т, То же Серийное и оболочко- вые формы размеры и форма ограниче-ны массовое производство Литье в кокиль Алюмини- евые и медные сплавы Масса до 250 кг, форма ограниче- на условиями извлечения отливки из кокиля 12…14 кв, Rz >40 Серийное и массовое производство Литье под давлением Алюмини- евые, цинковые, реже медные сплавы Масса до 200кг, форма ограниче- на условиями раскрытия прессфор-мы 7…12 кв., Rz=0,63…40 Крупносерийное и массовое производство Литье по выплавля- емым моделям Сталь, спец. Сплавы, медные сплавы Форма не ограниче- на, масса до 10кг, в худож. литье не ограниче-на 10…14кв., Rz =2,5…40 Серийное производство сложных по форме изделий, в том числе из тугоплавких сплавов Вопросы для самопроверки: 1.Какой метод литья обеспечивает наибольшую точность получаемой отливки? 2.Какие методы литья не требуют изготовления моделей? 3.В чем преимущества литья по сравнению с другими методами получения заготовок деталей машин? 4.Какие изделия получают центробежным литьем? 5. В чем состоят преимущества литья в кокиль? 6.Из каких сплавов производят отливки литьем под давлением? 7.Каким методом литья можно получить отливку станины станка длиной 10м и массой 10тонн? 8.Каким методом литья целесообразно отливать корпуса замков из алюминиевого сплава? 9.Какими физическими факторами определяется жидкотекучесть сплава при заполнении им формы? 10.Из каких материалов изготавливается форма при литье под давлением? Образец карты тестового контроля: 1. Каким методом литья целесообразно получить отливку из силумина массой 10 кг с точностью размеров по 12 квалитету: а). Литьем в песчано-глинистую форму б). Литьем под давлением в). Литьем по выплавляемым моделям 2. Каким методом изготавливают бронзовое художественное литье: а). Литьем в кокиль б). Литьем под лавлением в). Литьем по выплавляемым моделям 3. В каких методах литья не применяют стержни: а). в литье под давлением б). В литье по выплавляемым моделям в). В литье в кокиль 4. Каким методом литья невозможно изготовить стальную отливку массой 200кг а). Литьем под давленим б). Литьем в оболочковые формы в). Литьем в песчано-глинистые формы 5. Какой метод литья обеспечивает получение отливок наиболее сложной формы а). Литье под давлением б). Литье в кокиль в). Литье по выплавляемым моделям |