Плотность металлов и сплавов. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

 

  Вся электронная библиотека >>>

 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО>>>

  

 

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО


Раздел: Производство

   

РАЗДЕЛ I ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

  

Металлические сплавы в твердом состоянии представляют собой либо раствор различных легирующих добавок (металлов и неметаллов) в металле-основе, либо механическую смесь таких растворов и промежуточных фаз, образованных основой и легирующими добавками. Кроме основы и легирующих добавок (компонентов), в сплавах всегда присутствуют примеси, попадающие в процессе приготовления сплавов. Примеси могут быть растворены в сплаве или же присутствовать в нерастворенном виде, образуя взвесь.

Жидкие металлические сплавы принято называть расплавами. Металлические расплавы представляют собой очень сложную систему, содержащую большое количество взвешенных частиц нерастворимых примесей. Во многих случаях металлические расплавы имеют микрогетерогенное строение. В технических расчетах металлические расплавы можно условно считать истинными растворами.

Различают черные и цветные сплавы. Сплавы на основе железа (чугуны и стали) называют черными. Цветными называют сплавы на основе меди (бронзы, латуни), алюминия, цинка, магния и пр. Металлические сплавы, используемые в народном хозяйстве, можно подразделить на две группы: деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы предназначены для получения деформированных полуфабрикатов — поковок, штамповок, различных видов проката (профилей, листов, проволоки). Из деформируемых сплавов вначале получают слитки, которые затем деформируют различными способами обработки давлением. Из литейных сплавов получают фасонные отливки, которые после механической обработки используют как детали машин и элементы конструкций. Четкого разделения сплавов на деформируемые и литейные не существует. Имеется ряд марок сталей, латуней, бронз, которые используют как для получения деформированных полуфабрикатов, так и для производства фасонных отливок. Чугуны являются типично литейными сплавами, которые никогда не подвергают пластическому деформированию. Кроме рабочих сплавов, идущих непосредственно на получение фасонных отливок или деформированных полуфабрикатов, в литейном производстве и в металлургии широко используют так называемые лигатуры. Лигатурой называют сплав, применяемый только в процессе получения рабочих сплавов. Лигатура состоит обычно из основы рабочего сплава с добавками одного или нескольких легирующих компонентов рабочего сплава; при этом содержание легирующих компонентов в лигатуре в 10—20 раз больше, чем в рабочем сплаве. С помощью лигатур удается быстро и с меньшими потерями ввести в расплав очень тугоплавкие, окисляющиеся, летучие или дорогие добавки.

Для производства отливок необходим сплав заданного состава в жидком состоянии. Технология приготовления металлических расплавов должна обеспечивать высокое качество отливок, быть простой и надежной, осуществляться с минимальными расходами металлов, энергии, различных материалов, трудовыми затратами, с наименьшим ущербом здоровью работающих и состоянию окружающей среды.

Создание такой технологии невозможно без знания физических и физико-химических свойств жидких металлов и сплавов, без анализа возможных процессов взаимодействия расплавов с газами, с огнеупорными материалами и т. д.

Температура плавления металла во многом предопределяет используемые при плавке вид топлива или энергии и способ нагрева металла. В  1 приведены температуры плавления наиболее широко применяемых металлов.

Температура плавления сплавов может быть однозначно определена по соответствующей диаграмме состояния. Это довольно просто сделать для двойных и тройных сплавов. В случае же многокомпонентных сплавов с большим содержанием добавок необходимо прибегать к практическим замерам.

При приготовлении сплавов желательно, чтобы температура плавления вводимых добавок была близка к температуре расплава. При введении тугоплавких добавок затягивается плавка, увеличиваются потери металла в результате его окисления. Слишком низкая температура плавления добавок вызывает затруднения при плавке; поскольку такие добавки могут затеряться в шлаке, стремятся подобрать такой вид добавки, чтобы разница температур их плавления и расплава была наименьшей. Это достигается применением лигатур.

Плотность металлов и сплавов предопределяет массу заготовки и изделия. Данные о плотности необходимы для определения количества расплава, нужного для заполнения литейной формы. Знание плотностей расплава и всех добавок, которые предстоит ввести в сплав, позволяет предвидеть их поведение и рационально проводить плавку. Если добавки обладают значительно меньшей плотностью, чем расплав, они будут плавать на поверхности, окисляться и ошлаковываться. Если же они значительно тяжелее расплава, то будут погружаться на дно плавильной ванны, и не всегда удается надежно проверить, насколько полно они растворились.

Плотность металлов и сплавов в твердом состоянии с повышением температуры снижается вследствие теплового расширения, которое характеризуется температурными коэффициентами ли- нейного и объемного расширения. При переходе в жидкое состояние, т. е. при плавлении, у большей части металлов наблюдается уменьшение плотности, которое составляет 3—5 %. Это изменение плотности Др = (ртв— Рж )-100/рТВ1 где ртв и рш —плотности соответственно твердого и жидкого металла при температуре плавления (кристаллизации). У кремния значение Др отрицательно. Это означает, что при плавлении плотность кремния возрастает, т. е. кремний ведет себя подобно воде. Точно так же ведут себя галлий, висмут, сурьма, германий, у которых Др = - —(1-5) %.

Ориентировочно можно считать, что плотность обычных металлов в жидкОхМ состоянии вблизи точки начала кристаллизации составляет 0,9 плотности при 20 °С. Повышение температуры всех жидких металлов и сплавов сопровождается монотонным снижением плотности вследствие теплового расширения, при этом коэффициент объемного расширения в 1,5—3 раза больше, чем в твердом состоянии.

Плотность сплавов pCIJJI в жидком и твердом состояниях может быть в первом приближении вычислена по плотности чистых металлов — компонентов (рл, рв ... р*) и их содержанию в % (хА, хв ... xt)\ Ю0/рспл = хА/рА + хв!рв + ... + Xt/pi.

Изменение плотности металлов и сплавов с изменением температуры имеет очень большое значение для технологии получения литых заготовок Увеличение плотности при охлаждении расплава и его кристаллизации, выражающееся в уменьшении объема, предопределяет так называемую объемную усадку, которая проявляется в понижении уровня расплава в литейной форме и образовании в отливке пустот — усадочных раковин и пористости. Рост плотности металла или сплава в ттрдом состоянии при охлаждении приводит к сокращению линейных размеров отливки, т. е к линейной усадке. Правильно разработанная технология получения отливки должна обеспечивать отсутствие в ней пустот и заданные линейные размеры.

Жидкие металлы и сплавы характеризуются определенной динамической вязкостью. Более тугоплавкие металлы обладают большей динамической вязкостью (3—5 МПа-с). Динамическая вязкость олова, алюминия, магния практически такая же, как вязкость воды при 20 °С (1—1,5 МПа-с). Перегрев жидких металлов всегда сопровождается снижением динамической вязкости. Ощутимое увеличение вязкости, заметное при перемешивании или при переливах расплава, связано обычно либо с началом кристаллизации, либо с сильным загрязнением расплава мелкими (раЗхмером не более 3—5 мкм) инородными частипами оксидов, шлака и пр.

Диффузия в металлических расплавах определяется коэффициентом диффузии который составляет в среднем (1—5) X X 10"9 м2/с и значительно возрастает с увеличением температуры. Элементы с малыми размерами атомов (углерод, бор, азот) обладают в металлических расплавах коэффициентом диффузии примерно в 10 раз большим среднего. Наибольший коэффициент диффузии у водорода — D£ = (1-^2) 10"' м2/с.

Расчеты показывают, что заметный массоперенос в расплавах в результате диффузии происходит лишь на расстояниях не более нескольких миллиметров. Поэтому для обеспечения равномерного распределения вводимых в расплав добавок необходимо принудительное перемешивание.

Температура кипения металлов никак не связана с их температурой плавления (см.  1). Цинк, более тугоплавкий, нежели олово, кипит при весьма низкой температуре (910°С), тогда как олово кипит при очень высокой температуре (2600 °С), превышающей температуру кипения меди (2500 °С). Следует помнить, что температурой кипения называют температуру, при которой давление пара достигает атмосферного давления (1,01 • 105 Па).

Давление пара металла при температуре плавления является важным свойством для оценки поведения металла. Некоторые

металлы обладают очень большими значениями давления пара при температуре плавления, например, цинк, магний, марганец, хром. Их плавка характеризуется значительными потерями вследствие испарения, которое становится особенно интенсивным при плавке в вакууме. Давление пара сплава определяется суммой парциальных давлений входящих в его состав компонентов.

Введение в расплав летучих добавок, т. е. обладающих большим давлением пара при данной температуре, приводит не только к потерям вследствие усиленного испарения, но может сопровождаться выбросами расплава. Поэтому обычно летучие добавки стремятся вводить в виде лигатур.

Электрическое сопротивление жидких металлов в 5—15 раз больше, чем твердых при нормальной температуре, и находится в пределах (20 — 175) Ю"8Ом-м (см.  1). У жидких сплавов оно зависит от состава. Для оценочных расчетов электрическое сопротивление жидкого сплава можно принимать по основному компоненту. Величина электрического сопротивления расплава предопределяет работу индукционных электрических плавильных печей, где тепловая энергия выделяется в самом расплаве от индуцируемых токов.

Теплота плавления и теплоемкость жидкого и твердого металла определяют количество энергии, которое необходимо для получения расплава и его нагрева до заданной температуры. Эти характеристики необходимы для тепловых расчетов плавильного оборудования. Тепловые расчеты литейной формы основаны на учете теплосодержания расплава, определяемого его теплоемкостью и теплотой плавления. В  1 приведены значения теплоемкости жидких металлов вблизи точки кристаллизации. В среднем эти значения на 10—15 % больше, чем теплоемкость твердых металлов около точки плавления. Полезно помнить, что молярная теплоемкость всех жидких металлов составляет 27—32 Дж/(моль • К). Удельная теплота плавления металлов колеблется в очень широких пределах: от 24-103 Дж/кг у свинца до 400-103 Дж/кг у алюминия и хрома. Особенно велика теплота плавления у кремния — 1800 Дж/г. Это связано с тем, что кремний обладает кубической решеткой, подобной алмазу, с прочными ковалентными связями. Теплоемкость и теплота плавления сплавов в первом приближении могут быть рассчитаны по свойствам компонентов с учетом их содержания.

Теплопроводность жидких металлов примерно в 2 раза меньше теплопроводности твердых металлов вблизи температуры плавления. Поскольку в жидкости возможна тепловая конвекция, чисто физическая теплопроводность играет подчиненную роль. Расчеты показывают, что теплопередача за счет конвекции в расплавах происходит в 15—20 раз интенсивнее, чем за счет физической теплопроводности.

Строение металлических расплавов в настоящее время служит объектом многочисленных исследований. Из близости многих физических свойств металлов в твердом и жидком состоянии следует, что строение жидкого металла должно быть в определенной мере похожим на строение твердых металлов, обладающих кристаллической структурой. В жидких металлах имеется так называемый ближний порядок, выражающийся в том, что расположение ближайших соседей каждого атома и их число являются статистически постоянными характеристиками. Также установлено, что в жидких металлах имеются микрогруппировки с таким же расположением атомов, как в кристаллах твердого металла, Эти микрогруппировки, содержащие несколько десятков атомов, называют кластерами. В жидких металлах кроме кластеров обнаружена бесструктурная жидкость. С ростом температуры число кластеров убывает, количество бесструктурной жидкости возрастает.

В связи с тем, что строение расплавов изменяется с температурой, имеется возможность влиять на состояние расплава путем его перегрева и воздействовать, таким образом, на структуру и свойства твердого сплава. Подобная обработка некоторых сплавов дает практически ощутимые результаты.

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Литейное производство: Учебник для металлургических специальностей вузов

 

Смотрите также:

 

Цветные металлы и сплавы. Сплавы цветных металлов...

Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой
Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны, люстры).

 

МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ ЛИТЕЙНЫЕ — магниевые сплавы...

Для приготовления литейных магниевых сплавов используют тигельные индукц. печи емкостью до 500 кг, тигельные печи с нефтяным, газовым или электрич. обогревом емкостью до 200—350 кг, отражат. печи емкостью до 1,5—2 т...

 

Внутреннее строение и свойства металлов и сплавов.

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. § 12. Внутреннее строение и свойства металлов и сплавов. К машиностроительным материалам относятся металлы и их сплавы, древесина, пластмассы, резина, картон, бумага, стекло и др.

 

ЧЕРНЫЕ И ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ. Чугун представляет...

Физические свойства металлов и сплавов характеризуются цветом, плотностью, температурой плавления, теплопроводностью, коэффициентом температурного расширения.

 

Магниевые сплавы литейные жаропрочные.

Для приготовления сплавов в качестве шихты применяют: магний марки Мг1 (ГОСТ 804—62); цинк металлич. марки не ниже Ц2(ГОСТ 3640—47); мишметалл (смесь редкоземельных металлов с содержанием церия ок.

 

СТАЛИ И СПЛАВЫ. Стали и сплавы на основе железа...

Все металлы и сплавы. Цветные, редкие, редкоземельные, благородные, тугоплавкие, легкоплавкие, твердые, легкие, тяжелые, марки, химический состав, ссылки на ГОСТы, ТУ и др., применение, свойства металлов. Марки сталей и сплавов...

 

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СПЛАВОВ. Модифицирование...

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СПЛАВОВ. — искусственное изменение структуры литого металла и сплава, заключающееся в
Напр., для литейных алюминиевых сплавов (силуминов) чаще применяется обработка расплава натрием или его солями.

 

Последние добавления:

 

Калина   Организация производства и управление предприятием   Болезни рыб