Металлургия: литье металлов
Получение изделий методами литья металлических сплавов является одним из древнейших способов металлообработки. В исторической литературе до настоящего времени продолжаются дискуссии по вопросу о том, какими методами изготовления металлических предметов человек овладел раньше - литьем или ковкой, т.е. кто раньше появился - литейщик или кузнец. Следует, однако, отметить, что в чистом виде металлы в земной коре даже в те далекие времена встречались чрезвычайно редко. Их производство связано с переработкой руд, в результате которой металлы получали в жидком, расплавленном виде. Их заливали в специальные формы, и после затвердевания получали отливку или слиток. Отливка представляет собой готовое изделие, а слиток необходимо еще подвергнуть пластической обработке, например ковке. Таким образом, литейные процессы, как правило, предшествуют любому методу металлообработки.
Получение металлов и сплавов
В настоящее время практически все изделия из металлических сплавов получают из литого, т. е. закристаллизованного, из жидкого состояния, сплава. Получение металлов и сплавов в жидком, расплавленном состоянии называется пирометаллургией. Она является основным металлургическим процессом. В связи с этим литейные процессы, происходящие при получении из жидкого металла отливки или слитка, во многом определяют качественные характеристики металлопродукции и эксплуатационные свойства любых машин от автомобиля до космической ракеты.
Гидрометаллургия
Кроме пирометаллургии интенсивно развиваются методы гидрометаллургии, в которых металлы получают из растворов или расплавов солей. При этом металлы осаждаются в твердом виде. Эти методы, например электролитическое получение катодной меди, основаны на химических и электрохимических процессах. Однако объем металла, получаемого гидрометаллургическими методами, не идет ни в какое сравнение с объемом пирометаллургического производства. Эта ситуация сохранится и в обозримом будущем.
Порошковая металлургия
В настоящее время интенсивно развивается порошковая металлургия, т.е. получение изделий путем прессования и спекания металлических порошков. Однако основные методы получения порошков основаны на кристаллизации распыленного в различные среды (например, в воду) расплавленного металла, т.е. здесь также имеют место литейные процессы.
Основным процессом при формировании отливки или слитка является затвердевание сплава, т. е. переход сплава из жидкого состояния в твердое. Обычно различают два аспекта затвердевания.
Первый аспект
Первый аспект — тепловой. Как известно, плавление вещества требует затраты энергии, которая применительно к единице массы вещества называется удельной теплотой плавления. При затвердевании эквивалент ное количество тепла должно быть отведено от сплава. Если жидкий металл при температуре кристаллизации поместить в идеальную теплоизоляционную оболочку, то он будет находиться в жидком виде бесконечно долго. Чем с большей скоростью тепло будет отводиться от ра сплава в стенки формы, тем быстрее затвердеет сплав. Поэтому литейшик должен уметь управлять тепловыми процессами при охлаждении и затвердевании отливки и нагреве формы.
Второй аспект
Второй аспект связан с формированием кристаллической структуры отливки, т.е. с кристаллизацией. Затвердевание, как правило, сопровождается фазовым переходом из жидкого состояния в твердое кристаллическое. Этот переход связан с зарождением и ростом центров кристаллизации, которые называют зародышами. Эксплуатационные и физические свойства отливок зависят от размеров и формы кристаллитов. Зарождение и рост кристаллов - сложные физико-химические процессы, которые, по словам академика Л.В. Шубникова, можно сравнить лишь с зарождением и развитием биологических организмов.
Кристаллическая структура отливки
Кристаллическая структура отливки во многом определяется строением и свойствами жидкого сплава. Поэтому большое значение имеет управление жидким состоянием сплава путем изменения его химического состава, введения различных примесей, применения физических и механических воздействий (давление, ультразвук, электромагнитные воздействия, облучение рентгеновскими лучами, гамма-излучением и т. п.).
Усадочные процессы
Как известно, тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. При затвердевании практически все металлы уменьшают свой объем. Исключение составляют висмут н галлий. Уменьшение объема при охлаждении и затвердевании сплава называется усадкой. Усадочные процессы приводят к формированию в отливках различных дефектов в виде усадочных пустот (раковин или пор). Из-за термического или механического торможения усадки в отливках возникают временные или остаточные напряжения, снижающие их прочность, а иногда приводящие к короблению отливок или к возникновению в них трещин. Вопросы формирования напряжений выходят далеко за пределы чисто литейных проблем и Имеют большое общенаучное значение.
Заполнение формы сплавом
В условиях Земли как планетного образования литейные процессы сопряжены не только с действием гравитационных сил, но и с влиянием газовой атмосферы. Вопросы растворения газов и их выделения из металлических расплавов являются важным разделом литейной технологии. В процессе приготовления сплава, его разливки и затвердевания происходят сложные физико-химические явления, сопровождающиеся растворением газов в жидком и твердом металле, образованием различных продуктов Химического взаимодействия газов с компонентами сплава (оксиды, карбиды, нитриды и т. д.). В процессе заливки формы сплавом и теплового взаимодействия отливки и формы может происходить захват газов потоками сплава, появление окисных плен, образование газов в объеме песчаных форм, приводящее к повышению газового давления в полости формы и в ее стенках. Если не обеспечить соблюдение соответствующих условий, налагаемых на газодинамический режим форм, то в отливках возникают газовые дефекты в виде раковин или пор. Увеличение газового давления при заливке форм с повышенной газотворностью и низкой газопроницаемостью может привести даже к выбросу металла из формы.
Важнейшим процессом в литейной технологии является заполнение формы сплавом. Поэтому инженер-литейщик должен быть специалистом в области гидромеханики, прежде всего гидромеханики расплавов. Необходимо уметь управлять скоростью движения металла в форме и ее каналах, структурой потока, обеспечивать улавливание различных неметаллических включений, попавших в расплав, а также плавное, безударное движение ра сплава на разных участках полости формы.
Теория литейных процессов
Теория литейных процессов включает в себя широкую гамму вопросов, связанных с формообразованием, формированием механических и технологических свойств литейных форм, взаимодействием формы с расплавом, определяющим качество поверхностей получаемых отливок. Решение этих вопросов основано на широком применении современных достижений физической и неорганической химии. Можно говорить о развитии специальной области химии - химии литейных формовочных материалов.