Методическая разработка Курс лекций по дисциплине «Технология обработки конструкционных материалов»

Строение конструкционных материалов К физическим показателям, определяющим свойства поверхности материала, относят прочность, микро твердость, структуру, остаточные напряжения, поверхностную энергию. Значения этих показателей зависят от особенностей строения и состояния металла. Расположение атомов в кристалле изображают в виде элементарных кристаллических решеток. Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие к друг другу, создают условия образования кубической объемно-центрированной (ОЦК), кубической гранецентрированной (ГЦК) и гексагональной плотноупакованной решеток (ГПУ). (рис. 4) Рисунок 4 Схемы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная. Для характеристики формы и размера элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть основных параметров: 1. расстояния по осям координат - а, в, с (периоды решетки); 2.три угла –α, β, γ между этими отрезками. Свойства кристалла определяются не только типом решетки, но характером взаимодействия атомов, ионов и электронов между собой. В зависимости от температуры и давления многие металлы могут образовывать различные типы кристаллических решеток. Эту способность металлов называют полиморфизмом или аллотропией. Это явление широко используют в технике для улучшения обрабатываемости металлов. Всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неравномерность свойств в различных направлениях. От направления действия сил в кристалле зависят прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло и электропроводности, показатель светового преломления и др. Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от идеальных из-за дефектов, которые подразделяются на поверхностные и внутренние. Дефекты внутреннего строения подразделяют на : нульмерные (точечные); одномерные (линейные); плоскостные (двухмерные - развитые в двух направлениях). К точечным относятся: - вакансии, когда отдельные узлы кристаллической решетки не заняты атомами; - дислоцированные атомы, когда отдельные атомы оказываются в муждуузлиях; - примесные атомы. Рисунок 5 Дефекты кристаллической решетки: а – точечные; б – линейные; в – плоскостные. Точечные дефекты вызывают чрезвычайно большие изменения физических свойств кристалла. Линейные дефекты малы в двух измерениях и достаточно велики в третьем. К таким дефектам относятся смещение атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий. Плоскостные дефекты характерны для поликристаллических материалов, т.е. для материалов, состоящих из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве. Дефекты строения влияют на прочностные характеристики металлов, на процессы диффузии и самодиффузии, которые определяют скорости протекания химических реакций в твердом теле, а также ионную проводимость кристаллов. Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное число дефектов (легированные стали). Наибольшее упрочение достигается при плотности дислокаций 10-10 на см. 2. Производство черных и цветных металлов. 2.1 Приготовление литейных сплавов. Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии сплавлением, а также могут быть получены спеканием, электролизом, конденсацией из парообразного состояния. Плавление – переход от кристаллического состояния в аморфное. При этом нарушается устойчивость кристаллических решеток, увеличиваются колебательные движения атомов, и твердые кристаллические материалы, проходя через область неустойчивых состояний, превращаются в жидкие. При этом происходит изменение их физических свойств. Для получения заданного химического состава и определенных свойств в сплав вводят в жидком или твердом состоянии специальные легирующие элементы, например, медь, никель, марганец, титан, молибден. Для плавления чугуна и стали в качестве исходных материалов применяют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства и ферросплавы, а также для понижения температуры плавления образующих шлаков – флюсы (известняк, доломит). Стали и чугуны плавят в дуговых электрических, индукционных высокочастотных печах и других плавильных агрегатах При плаке стали и чугуна в дуговых электрических печах источником теплоты служит электрическая дуга, возникающая между металлической шихтой (расплавом) и графитовыми электродами, по которым подводится электрический ток. Загрузка металлической шихты в печь осуществляется с помощью специальной бадьи. Плавка металла в дуговых электрических печах обеспечивает получение высокой температуры расплава, снижение угара элементов, низкое содержание серы и фосфора в расплаве. Плавка стали и чугуна в индукционных высокочастотных печах (рис. 6,а) позволяет нагревать металл до высокой температуры, регулировать состав газовой атмосферы, создавать вакуум для получения металла высокого качества с минимальными затратами. Расплав 1 размещают в тигле 2, выполненном из кварца или магнезита с последующим спеканием. Нагрев производится с помощью медного или алюминиевого водоохлаждаемого индуктора 3. При пропускании тока высокой частоты через индуктор в шихте, загруженной в тигель, наводятся вихревые токи, выделяется большое количество теплоты, расплавляющей шихту и нагревающей расплав до нужной температуры. Для плавления цветных металлов используют как первичные (полученные на металлургических заводах), так и вторичные (после переплавки цветного лома) металлы и сплавы, кроме того, применяют лигатуры (специально приготовленные сплавы из двух или нескольких металлов) и флюсы (обычно хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов). Для плавления цветных металлов широко применяют индукционные печи промышленной частоты, электрические печи сопротивления (рис.6,б). Электрическая печь сопротивления выполнена в виде сварного цилиндрического кожуха 3, облицованного (футерованного) шамотным кирпичом 4. Между кожухом и футеровкой предусмотрен теплоизоляционный слой 5 из легковесных материалов и асбестовых листов. Рисунок 6 Схемы устройства плавильных печей: а – индукционной высокочастотной; б – печь сопротивления. В качестве нагревателей 6 используют нихромовые спирали. Сплав приготовляют в литом тигле 2 из жаропрочного чугуна. Сверху печь закрывают крышкой 1. В современных литейных цехах получение жидкого металла осуществляется в автоматизированных плавильных комплексах. В них автоматизированы следующие процессы: составление шихты и загрузка ее в плавильный агрегат, контроль технологических параметров процесса плавки, контроль за состоянием футеровки плавильных печей, газовой среды, химического состава и свойства сплава. 2.2 Литейные свойства сплавов Все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов. К основным литейным свойствам сплавов относят жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение и ликвацию. Жид котекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучисти литейные сплавы заполняют все элементы литейной формы, при низкой жидкотекучести – полость формы заполняется частично, в узких сечениях образуются недоливы. Жидкотекучесть сплавов определяют по специальным пробам (спиральным или прутковым), отливаемым в различных формах. Жидкотекучесть оценивается длиной полученной спирали или прутка в миллиметрах. В зависимости от жидкотекучести сплава выбирают минимальную толщину стенок отливок. Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема отливки зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки и других факторов. Различают объемную и линейную усадки, выражаемые в процентах. В результате объемной усадки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных частях отливки. Линейная усадка определяет размерную точность получаемых отливок, поэтому она учитывается при проектировании технологического процесса литья и изготовления модельной оснастки. Каждый сплав имеет свою определенную линейную усадку, например: серый чугун 0,9-1,3%; алюминиевые сплавы 0,9-1,45%; стали-1,8-2,5%; магниевые сплавы 1,0-1,6%; медные сплавы 1,5-2,5%. В отливках вследствие неравномерного охлаждения и торможения усадки литейной формой возникают напряжения, особенно в отливках с различной толщиной стенок. При затвердевании температура отливки в массивных частях выше, чем в тонких сечениях или снаружи. Усадка в различных частях различна, но так как части одной и той же отливки не могут изменять свои размеры независимо друг от друга, то в ней возникают напряжения, которые могут вызывать образование трещин или коробление. Для предупреждения образования больших напряжений необходимо в литой детали предусматривать равномерную толщину стенок, плавные переходы и устранять элементы, затрудняющие усадку сплава, а также использовать литейные формы и стержни повышенной податливости. Газопоглощение – способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава она увеличивается незначительно, несколько возрастает при плавлении и резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается и в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы. Для уменьшения газонасыщенности сплавов применяют плавление в вакууме или в среде инертных газов. Ликвация – неоднородность химического состава в различных частях отливки. Различают зональную и дендритную ликвацию. Зональная ликвация – это химическая неоднородность в объеме всей затвердевшей детали. Дендритная ликвация – химическая неоднородность в пределах одного зерна (дендрита) сплава. Ликвация зависит от химического состава сплава, конфигурации отливки, скорости охлаждения и других факторов. 2.3 Способы изготовления отливок Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы, изготовленные по выплавляемым моделям, оболочковые формы и др.) так и из металлов (кокили, пресс-формы для литья под давлением, изложницы для центробежного литья). Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями к геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообразностью и другими факторами. Общая технологическая схема изготовления отливок представлена на рис.7 Рисунок 7. Общая технологическая схема изготовления отливок 2.3.1 Литье в песчаные формы Литье в песчаные формы является универсальным и самым распространенным способом изготовления отливок. Этим способом изготовляют разнообразные по сложности отливки любой массы и размеров из чугунов, сталей и сплавов цветных металлов. Сущность литья в песчаные формы заключается в изготовлении отливок свободной заливкой расплавленного металла в разовую разъемную и толстостенную литейную форму, изготовленную из формовочной смеси по многократно используемым модельным комплектам. Особенностями способа являются малые теплопроводность, теплоемкость и плотность песчаной формы, что позволяет получать отливки с толщиной стенки (2,5…5мм). Невысокая скорость охлаждения расплава в форме приводит к снижению скорости затвердевания отливки, укрупнению структуры и появлению усадочных раковин и пористости. Низкая огнеупорность материала формы может приводить к появлению пригара в поверхностном слое отливки. Для изготовления песчаных литейных форм используются модельный комплект, формовочные и стержневые смеси и другие материалы и оборудование. Модельный комплект – это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки (литейные модели, модельные плиты, стержневые ящики, литниковая система, верхняя и нижняя опока и другие приспособления). Литейная модель (рис.10,б) – приспособление, с помощью которого в литейной форме получают полость с формой и размерами, близкими к конфигурации получаемой отливки. Модели бывают неразъемные, разъемные и специальные. Стержневой ящик (рис.10,в) – приспособление, служащее для изготовления стержней (цельные, разъемные, вытряхные) Стержни предназначены для получения полостей в отливках. Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы (рис.10). Основными элементами литниковой системы является литниковая чаша 6, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму, стояк 7 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши непосредственно в рабочую полость, шлакоуловитель 9, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси, а также питатель 10 (один или несколько), расплавленный металл подводится в полость литейной формы. Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом служит прибыль или выпор 5. Рисунок 8. Верхняя модельная плита: 3 – центрирующие штыри, 4 - верхняя металлическая модельная плита, 5 – модели отливок, 6 – модели элементов литниковой системы Модельная плита (рис. 8,) – металлическая плита с закрепленными на ней моделями отливки и элементами литниковой системы. Ее применяют при машинной формовке. Модельные плиты формируют разъем литейной формы. Опока – приспособление для удержания формовочной смеси (ящик без дна). Технологический процесс изготовления отливок состоит из ряда основных и вспомогательных операций, выполняемых в определенной последовательности (рис. 9) Формовка – это совокупность технологических операций изготовления литейных форм и стержней, способных выдерживать воздействие расплавленного металла и сообщать ему свои очертания. Основными операциями формовки являются наполнение опоки формовочной смесью, уплотнение ее, извлечение модели и сборка формы. При формовке в форме предусматривают вентиляционные каналы для выхода газов, образующихся при заливке расплавленного металла. Рисунок 9. Схема технологического процесса получения отливок в песчаных формах В большинстве случаев применяют формовку в парных опоках по неразъемной или разъемной модели. Последовательность выполнения основных технологических операций формовки в парных опоках по разъемной модели приведена на рис. 10. Литейная форма (рис.10,а) обычно состоит из нижней 1 и верхней 2 полуформ, которые изготовляют в опоках 8. Нижняя опока устанавливается на модельной плите с закрепленными на ней полумоделями и заполняется формовочной смесью, которая уплотняется образуя полуформу 1. После уплотнения формовочной смеси полумодель удаляется из полуформы оставляя отпечаток. Также изготавливают верхнюю полуформу 2, но на модельной плите кроме полумоделей устанавливатся литниковая система и выпоры 5. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 3, изготовленные ранее. Верхняя полуформа соединяется с нижней полуформой и готовая литейная форма заливается расплавленным металлом через литниковую систему 6. После затвердевания и охлаждения отливок в форме производится выбивка, очистка и обрубка отливок. Рисунок 10. Литейной формы и модельной оснастки: а – литейная форма; б – модель; в – стержневой ящик.

Похожие:

	Методическая разработка курс лекций по дисциплине «Техническая документация в путевом хозяйстве» Ярославский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения		Курс лекций Преподаватель Бондаренко А. А. Рыбинск 2001 Типовая информационная технология сбора, передачи, обработки и выдачи информации в централизованных системах обработки данных 17
	Методическая разработка по дисциплине «Организация инновационной деятельности предприятия» Методическая разработка составлена в соответствии с требованиями фгос впо третьего поколения		Курс лекций по дисциплине «основы архивного дела» Составитель: Н. В. Мулина Курс лекций разработан в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Основы архивного дела» для специальности 034702 «Документационное...
	Методическая разработка учебного занятия по дисциплине «Информационные... Методическая разработка предназначена для преподавателей учреждений среднего профессионального образования с целью проведения учебного...		Пояснительная записка Рабочая тетрадь по дисциплине мдк 01. 01 «Технология... Методическая разработка составлена на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальностям среднего...
	Методическая разработка предназначена для проведения дифференцируемого... Методическая разработка предназначена для проведения дифференцируемого зачета по дисциплине «Английский язык» в учреждении среднего...		Методическая разработка Проведения учебного занятия на тему «Судебное разбирательство» Методическая разработка предназначена для обучающихся специальности 38. 02. 01
	Получение композиционных материалов с использованием фотохромных... Специальность 05. 27. 06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники		Конспект лекций по дисциплине системы обработки экономической информации... Понятие информационная потребность тесно связано с понятием цели и функции управления. Можно сказать, что потребность в информации...