Контрольная работа по «Теории литейных сплавов»

Министерство образования и науки России

ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени  И.Н. Ульянова»

Машиностроительный факультет

Кафедра Технологии металлов и литейного производства

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Теория литейных сплавов»

 

Специальность – Машины и технология литейного производства

 

 

 

Выполнил:  студент 4 курса

гр. ЗМС-31-10

Гусев А.Р.

Руководитель:  доцент

Ю.Н. Степанов

                                                                   

 

 

 

 

Чебоксары – 2014

Содержание:

 

1. Формирование макроструктуры сплава. Количественная характеристика сплавов в литом состоянии.

 

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией.

Процесс кристаллизации может происходить при переохлаждении металла ниже равновесной температуры. Разница между равновесной температурой и температурой, при которой происходит процесс кристаллизации называют степенью переохлаждения.

Механизм кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: образование центров (зародышей) кристаллизации и роста этих зародышей.

В жидком металле атомы находятся в состоянии непрерывного движения. Однако в отдельных объемах расплава атомы сохраняют порядок размещения, который соответствует порядку в кристаллическом состоянии. При понижении температуры количество таких микрообъемов увеличивается и некоторые из них могут стать зародышами кристаллизации.

Дальнейший рост зародышей возможен при условии, что они имеют определенную величину. Способными к росту могут быть зародыши размером более критическое.

Размер критического зародыша уменьшается при увеличении степени переохлаждения.

Рост зародышей кристаллизации происходит вследствие перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам.

Скорость кристаллизации зависит от скорости образования зародышей и скорости их роста. Эти параметры существенно зависят от степени переохлаждения.

Скорость образования зародышей определяет количество кристаллов, образовавшихся в единице объема за единицу времени.

Скорость роста зародышей — это скорость увеличения линейных размеров кристалла в единицу времени.

Чем больше число зародышей кристаллизации и чем меньше скорость их роста, тем меньше будет размер кристалла (зерна), т.е. образовываться мелкозернистая структура.

При небольших значениях степени переохлаждения количество зародышей мала. В этих условиях образуется крупнозернистая структура.

При больших — количество зародышей возрастает и образуется мелкозернистая структура.

Кристаллы, образующиеся при кристаллизации имеют дендритную форму. При быстром и неравномерном теплоотвода металлы кристаллизуются в виде разветвленных дендритных кристаллов.

Образования (кристаллизация) дендрита начинается с образования главной оси кристалла, которая растет в направлении наибольшего теплоотвода. При дальнейшей кристаллизации оси разветвляются и кристалл приобретает дендритной строения. Процесс заканчивается заполнением всего междендритного пространства, в результате чего кристалл приобретает скругленные формы.

В тех случаях, когда жидкого металла недостаточно для заполнения всех промежутков, то дендритные форма кристалла сохраняется.

При медленном и равномерном теплоотводе, а также при большом количестве центров кристаллизации кристаллы растут с одинаковой скоростью во всех направлениях, приобретают равновесную форму: зернистую или полиэдричную.

Размер зерна металла существенно влияет на его механические свойства: пластичность, вязкость, прочность металла выше, если структура мелкозернистая.

Величина зерна кроме степени переохлаждения зависит также от температуры разливки жидкого металла, его химического состава, наличия примесей. С целью регулирования размера зерна в жидкий металл искусственно вводят вещества, которые создают центры кристаллизации.

Процесс искусственного регулирования размеров и формы зерен называют модифицирования. Вещества, которые вводят для этого называют модификаторами.

 

Макроструктурой называют структуру или особенности строения металлов и сплавов, которые можно наблюдать невооруженным глазом при небольших увеличениях.

Макроскопический анализ заключается в определении строения материалов (макростроения) невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз).

Результаты макроскопического анализа можно в необходимых случаях зафиксировать, получив снимок макроструктуры исследуемого места детали или заготовки. Для этой цели применяют специальные установки, позволяющие проводить фотосъемку объектов при увеличении от 0,5 до 30 раз.

Макростроение можно изучать не только непосредственно на поверхности заготовки (например, отливок, поковок), но и в изломе заготовки (детали), а также после предварительной подготовки исследуемой поверхности, заключающейся в ее шлифовании и травлении специальными реактивами.

Шлифованный и протравленный образец называют макрошлифом; если макрошлиф изготовлен в поперечном сечении детали, то его иногда называют темплетом.

Дефекты металлов – отклонения от предусмотренного техническими условиями качества металла по химическому составу, структуре, сплошности, состоянию поверхности, механическим и другим характеристикам.

Дефекты металлов возникают из-за несовершенства или нарушения технологий при всех видах формообразования поверхностей: получение отливок, при обработке давлением, при термической, химико-термической, электрохимической и механической обработках, при сварке, пайке и др.

Некоторые дефекты металлов можно частично или полностью устранить на последующих стадиях производства – корректированием технологических процессов или дополнительной обработкой.

 

В настоящее время существуют достаточно разработанные методы количественной оценки непосредственно элементов структуры.

Количественная размерная оценка структуры имеет ряд бесспорных преимуществ, из которых главное — возможность построения графиков зависимости служебных свойств изделий от их структуры, а также возможность эффективного использования лабораторных наблюдений для улучшения технологического процесса производства

Наиболее точным из количественных методов оценки является планиметрический, по которому состав структуры сплава определяется путем измерения площадей, занимаемых структурными составляющими на общей площади шлифа. Однако этот метод слишком трудоемок и поэтому не может быть рекомендован для заводской практики исследования структуры.

В основу рассматриваемой здесь методики исследования структуры положен линейный метод количественного анализа, математически базирующийся на геометрическом принципе Кавальери, из которого следует, что отношение линейных отрезков двух геометрических фигур будет равно отношению их площадей и отношению их объемов в условиях параллельно секущих плоскостей: В применении к элементам структуры это означает, что можно ограничиться измерением относительной длины отрезков, приходящихся на долю отдельных структурных составляющих, и тем самым определить процентное содержание этих составляющих в объеме сплава.

Если пересечь видимую в микроскоп структуру (или ее фотографию) прямой линией, то контуры зерен отдельных фаз структуры рассекут ее на ряд отрезков. На каждую структурную фазу придется определенная (суммарная) длина линейных отрезков, пропорциональная содержанию фазы в объеме сплава. Процентное содержание искомой фазы определяется отношением числа делений, отсекаемых этой фазой на линейке окуляр-микрометра, к числу делений всей линейки окуляра. Подсчет может проводиться также и в миллиметрах или микронах с учетом цены деления окуляр-микрометра.

Для того чтобы получить достоверные результаты, нельзя ограничиваться однократным измерением. Считают, что для практических целей достаточно надежные результаты дает измерение 200—250 частиц. Это правило было проверено при определении процентного содержания крупных зерен карбида вольфрама в структуре сплава. Измерения проводились на различных количествах полей зрения (от 1 до 20) одного и того же шлифа.

 

2. Жидкотекучесть  сплавов и заполняемость формы.

 

Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее.

Заполнение литейных форм является сложным гидродинамическим и физико-химическим процессом. Главным фактором, определяющим уровень жидкотекучести, являются свойства сплава в жидком состоянии: теплофизические свойства, особенности кристаллизации, вязкость, окисляемость.

Влияние литейной формы связано главным образом с ее теплофизическими свойствами, со смачиваемостью жидким металлом, с условиями физико-химического воздействия "металл - форма".

На жидкотекучесть влияют также условия плавки и заливки, перегрев металла, насыщение металла посторонними включениями, условия подвода металла к форме.

Количественные значения жидкотекучести определяют по длине заполнения канала литейной формы с определенной площадью поперечного сечения. Наибольшее распространения получали технологические спиральные пробы.

При теоретическом анализе характеристики жидкотекучести основным является определение условий остановки движущегося потока. Высказано несколько точек зрения на механизм остановки потока : выделение 20 % твердой фазы, образование на конце потока прочной твердой корочки, рост в канале литейной формы дендритов (древовидных кристаллов), препятствующих движению потока, накопление твердых кристаллов на конце потока.

Течение металла в литейной форме сопровождается кристаллизацией. Поэтому движущийся поток рассматривают как гетерогенную жидкость. Из гидравлики известно, что движение таких жидкостей начинается только после того, как касательное напряжение становится больше определенного значения σ0 , называемого предельным напряжением сдвига.

При поступлении металла в канал литейной формы на стенках канала и образуется твердая корочка из-за высокой интенсивности охлаждения металла в начальные моменты. С течением времени, по мере прогревания формы, интенсивность теплоотвода уменьшается. Но перенос теплоты к корочке за счет поступления новых порций металла остается постоянным, и она начинает оплавлятся. Уменьшению размеров корочки способствует также смывание части кристаллов движущимися потоками. Накопление обломков кристаллов на конце потока приводит к постоянному нарастанию сил внутреннего трения. Условия течения металла заметно ухудшаются. Наконец в определенный момент количество накопившихся обломков становится несколько большим, а сопротивление внутреннему трению настолько значительным, что поток останавливается.

С увеличением температурного интервала кристаллизации жидкотекучесть снижается. При этом большое значение имеют размеры и форма первичных кристаллов.

Если первичные кристаллы растут в виде сильно разветвленных дендритов, граница нулевой жидкотекучести находится вблизи границы ликвидус. Примером могут служить доэвтектические сплавы с широким интервалом кристаллизации и дендритной формой первичных кристаллов.

Если же первичные кристалл имеют компактные формы и небольшие размеры, граница нулевой жидкотекучести тяготеет к линии солидус. Несмотря на то, что выделяется значительная часть твердой фазы, металл продолжает течь, поскольку выделившиеся первичные кристаллы не связаны между собой.

Заполняемость – характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил.

Заполнение тонких сечений отливок - это процесс взаимодействия металла и формы. Иногда этот процесс называют формовоспроизведением или формозаполнением. Эти термины следует признать менее удачными, поскольку заполнение острых кромок и тонких сечений в большей степени зависит от свойств металла.

Заполняемость обусловлена рядом факторов:

1. поверхностным натяжением  сплава и смачиваемостью формы;

2. вязкостью сплава, связанной  с его теплофизическими свойствами;

3. температурным интервалом  кристаллизации;

4. формой и размерами  первичных кристаллов;

5. склонностью сплава  к пленообразованию;

6. теплофизическими свойствами  формы;

7. способом заливки металла (стационарный или центробежный);

8. конструктивными особенностями  литниковой системы;

9. наличием газов в  форме и условиями ее вентиляции.

 

 

3. Легированные  чугуны: химический состав, строение, свойства, классификация, маркировка, применение.

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода, называются чугунами.

Легированные чугуны получаются при введении в их состав легирующих компонентов (Cr, Si, Al, Ni, Mn и др.) Легирование производится  для получения каких либо особых свойств: износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и др.     Из легированных чугунов можно выделить следующие группы:         

-износостойкие чугуны;          

-жаростойкие  чугуны;          

-жаропрочные чугуны;          

-коррозионностойкие чугуны;          

-антифрикционные чугуны.      

Легированные чугуны маркируются по типу сталей: первые буквы означают вид чугуна: Ж-жаростойкий, А-антифрикционный, Ч-жаропрочный или коррозионностойкий. Следующие буквы  обозначают наличие легирующих элементов (Х-хром, С-кремний, Ю-алюминий, Д-медь, Н-никель, Г-марганец, М-молибден, В-вольфрам). Цифры после букв  указывают примерное содержание  легирующего элемента в процентах. Если цифры нет, то содержание легирующего  элемента соответствует ~1 %. Например, ЖЧЮ 7Х2- жаростойкий чугун, алюминия –7 %, хрома –2 %.

 

Износостойкие чугуны. Износостойкость чугуна повышается при увеличении в структуре количества карбидов  как простых (цементита), так и специальных (карбидов хрома, вольфрама, ванадия и т.д.).  Металлическая матрица должна прочно удерживать  твердую составляющую (карбиды) и предотвращать  ее хрупкое разрушение. Характерным представителем износостойких чугунов является высокохромистый износостойкий чугун ИЧХ20М2Г3Н2.

Средний химический состав высокохромистого чугуна: С = 2,6-3 %, Si = 0,3-1,4%, Mn = 0,5-5,5% Cr = 12-30%, Mo=0,4-4%, Ni = 0-3% , S≤0,08% , P≤0,1%.

 Износостойкость высокохромистого  чугуна превышает сталь Ст20 от 6 до 14 раз. В условиях гидрообразивного износа стойкость высокохромистого чугуна превышает, износостойкость высокомарганцевой стали Г13Л в 6 раз. Существуют и другие виды износостойких чугунов (белый низколегированный, ОИ-1, ИЧХ4Г7Д, нихард и т.д.), но они уступают высокохромистому по износостойкости и поэтому применяются реже.

Жаростойкие чугуны.

Жаростойкие чугуны используются для изготовления деталей работающих в газовой, воздушной, щелочной средах при температурах 500-1100°С. Жаростойкостью чугуна по ГОСТ 7769-85 называется способность сопротивляться росту и окалинообразованию при заданной температуре. Сопротивление окислению чугуна  обусловлено наличием на поверхности плотных защитных окисных пленок (окислы Al , Si,  Cr) , которые предохраняют металл от последующего  окисления при  высоких температурах. Жаростойкие чугуны бывают хромистые, кремнистые и алюминиевые.

Средний химический состав жаростойких чугунов: С=2,0-3,9%,  Si=1,5-6,0%,  Mn=0,4-1,0%, Cr=0,5-32%,  Al=19-25%. Структура хромистого чугуна состоит из ферроидизированного перлита, отдельных включений карбидов и графита. В высокохромистом сплаве (26-30%  Cr ) структура состоит из твердого раствора хрома в α-железе и карбидов в виде карбидной эвтектики ( при С>2% ) . При содержании Cr от 3-10% отливки получаются с высокой хрупкостью и твердостью, делающей невозможной обработку резанием. Поэтому такие чугуны находят ограниченное применение. Кремнистые чугуны отличаются хорошей обрабатываемостью резанием, так как  получается ферритная структура металлической матрицы. Алюминиевые чугуны даже с содержанием алюминия 8% имеют такое же сопротивление окислению, как нихром- сплав с 80% Ni и 20% Сr и  жаростойкостью 800°С. При легировании алюминиевого чугуна хромом (~30% )и  кремнием (~6%) жаростойкость возрастает до 1200° С при одновременном повышении прочности и сохранении литейных свойств.                           

 

Жаропрочные чугуны.

Жаропрочные чугуны применяются для изготовления деталей, работающих под нагрузкой при повышенных температурах ( до 600°С ).  Марки жаропрочных чугунов обозначаются буквой «Ч», остальные обозначения такие же, как у всех остальных. Буква «Ш» в конце обозначения означает «с шаровидным графитом». Наиболее  высоким уровнем жаропрочных свойств обладает аустенитный чугун с шаровидной формой графита. Отличительной особенностью структуры аустенитного чугуна, легированного хромом и магнием, является наличие в структуре карбидной составляющей, количество которой составляет 50%. Мелкодисперсные структуры показывают более высокую жаропрочность, поэтому жаропрочные чугуны подвергают специальной термообработке - гомогенизирующему отжигу.  (1050° С- 4 часа)

Аустенитный жаропрочный чугун имеет следующий состав: С=2,5-3,0%, Si=1,8-2,5%, Mn=1,0-8,0%, Cr=1,0-3,5% ,Ni=10-20%, S≤0,05%, P≤0,03%.   

 

Коррозионностойкие чугуны.

Коррозионностойкие чугуны применяются для изготовления деталей с высокой  коррозионной стойкостью в различных рабочих средах (морской воде, растворах кислот, расплавах солей, в перегретом водяном паре, в сернистых газах и т. д.). Для повышения  коррозионной стойкости чугун легируется  в основном Cr , Ni, Cu и другими элементами, которые создают на поверхности чугуна защитные (пассивирующие) пленки, а так же легируют металлическую матрицу (преимущественно, феррит) образуя химические соединения с высоким химическим потенциалом. Происходящее при этом измельчение структуры понижает  число  микропор и уменьшает разность потенциалов между отдельными структурными составляющими.        

Коррозионностойкие чугуны делятся на следующие группы:      

- низколегированные чугуны (Cr до 1%, Ni до 1%);      

-высококремнистые чугуны (ферросилиды);      

-кремнемолибденовые чугуны (антихлоры);      

-аустенитные никелевые чугуны (нирезист);      

-высокохромистые чугуны.   

Каждая группа чугунов применяется в особых, специфических условиях, для которых и была специально разработана. Коррозионностойкие чугуны широко применяются в химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте для перевозки продуктов химической промышленности , в металлургическом машиностроении и др.

 

Антифрикционные чугуны. Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585-85) применяются для изготовления подшипников скольжения, работающих в присутствии смазки. Из антифрикционного чугуна изготавливаются цилиндры, поршни, станины, зубчатые колеса, втулки, вкладыши подшипников и т.д. Наиболее важными свойствами антифрикционного чугуна являются высокая износостойкость, хорошие литейные свойства и низкая стоимость. Главный недостаток антифрикционного чугуна – пониженная  по сравнению с бронзой прирабатываемость. Средний химический состав антифрикционного чугуна: С=2,5-3,8 %, Si=0,8-2,7 %, Мп=0,3-1,2 %, Р<0,15 %, S<0,03 %, Cr=0,2-0,4 %, Ni=0,2-0,4 %, Ti=0,1 %, Cu=0,3-0,7 %. (ГОСТ 1585-85).       Антифрикционные чугуны легируются хромом, никелем, титаном и  медью, что позволяет получить мелкодисперсную структуру перлит+феррит. Маркируется антифрикционный чугун буквами АСЧ, АВЧ, АКЧ, что означает антифрикционный серый, антифрикционный высокопрочный или антифрикционный ковкий. Последний (АКЧ) применяется с термообработкой, остальные без термообработки.  
4. Сплавы на основе систем алюминий-медь, алюминий-магний, их классификация, свойства, применение.

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al2O3, предохраняет его от коррозии.

Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.

Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

 

Алюминиевые сплавы.

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

- деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:

- деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;

- литейные сплавы.

Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) испеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП).

 

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

 

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

 

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

 

К таким сплавам относятся дюралюмины ( сложные сплавы систем алюминий – медь –магний или алюминий – медь – магний – цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.

Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450oС, подвергаются закалке от температуры 500…560oС и старению при 150…165oС в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

 

Литейные алюминиевые сплавы.

 

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.

 

Список  литературы

1. Трухов А.П. Литейные сплавы и плавка: Учебник для студ.высш.учебн. заведений / А.П. Трухов, А.И. Маляров, - М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 336 с.
2. Воздвиженский В.М. и др. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении: Учебное пособие для машиностроительных вузов по специальности «Машины и технология литейного производства» / В.М. Воздвиженский, В.А. Грачев, В.В. Спаский. – М.: Машиностроение, 1984. – 432с.
3. Кисиленко Л.Е.   Литейные сплавы и плавка . Железоуглеродистые сплавы. Литейные сплавы цветных металлов: лаб. практикум 14-8.  / Михайлов Д.П. -  М.:  МГИУ,  2008 
4. Граблев А.Н.   Литейные сплавы, применяемые в машиностроении: учеб. пособие для вузов.  / Болдин А.Н. -  М.:  МГИУ,  2007   Гриф УМО. 
5. Граблев А.Н.   Литейные цветные сплавы и их плавка: учеб. пособие.  / Кисиленко Л.Е., Михайлов Д.П. -  М.:  МГИУ,  2007.