Реферат: Технология конструкционных материалов 3
Проникновению жидкого металла в поры формы происходит при условии, если давление металла рм на границе "металл-форма" превышает капиллярное противодавление формы рz.
рм > рz.
Давление металла
рм = Hpq
где, Н - гидростатический напор металла (высота столба); q - укорение силы тяжести; р - плотность жидкого металла.
Капиллярное противодавление
рк = (2 σ cos θ) / r
где σ - поверхностное напряжение; θ - краевой угол смачивания формы металлом; r - радиус поры формы.
Таким образом, чтобы уменьшить проникновение металла в поры формы, следует идти по пути уменьшения r за счет применения мелкозернистого песка и увеличения σ, cos θ, зависящих от физических свойств металла и состава формовочной смеси. Так, краевой угол смачивания песчано-глинистой формы зависит от содержания кислорода и сере в стали.
Если металл не смачивает материал формы, то он может проникать в ее поры только под действием металлостатического давления.
Глубину проникновения металла h в поры формы можно определить по формуле
H = H - (2 σ cos θ) / p q r.
из приведено формулы следует, что пока капиллярные силы превышают металлостатическое давление, механический пригар не образуется.
На смачиваемость формовочных материалов расплавленным металлом влияет газовая атмосфера литейной формы. например, при изготовлении стальных отливок и окислительной атмосфере ширина зоны взаимодействия металла с формой увеличивается в 1,5 - 2 раза по сравнению с изготовлением в воздушной атмосфере.
Механизм взаимодействия жидкой стали с формой, определяющей качество поверхности отливок, можно представить следующим образом. Если при заполнении формы жидкий металл проникает в поры формовочной смеси, происходит образование механического пригара. Эта стадия заканчивается формированием твердой корочки металла на поверхности отливки. Далее при взаимодействии металла с кислородом окружающей газовой атмосферы образуются жидкие оксиды, проникающие в формовочную смесь и вступающие с ней в химическое взаимодействие.
В качестве примера химического взаимодействия можно рассмотреть реакции между стальной отливкой и песчано-глинистой формой.
4Fe + 2O2 ↔ 4FeO;
4Fe + 2SiO2 ↔ 2(2FeO • SiO2 );
Al2 O3 * 2SiO2 + 4FeO ↔ 2 (2FeO * SiO2 ) + Al2 O3 ;
Al2 O3 * 2SiO2 + 4Fe + 2O2 ↔ 2 (2FeO * SiO2 ) + Al2 O3 .
Основными составляющими песчано-глинистых смесей являются кварцевый песок, состоящий преимущественно из зерен кварца SiO2,, и огнеупорная глина (каолинит) Al2 O3 * 2SiO2 * 2H2 О. при температуре 100 o С и выше удаляется гироскопическая влага. При температуре 450-600 o С происходит распад каолинита на метакаолин и воду:
Al2 O3 * 2SiO2 * 2H2 О.= Al2 O3 * 2SiO2 + 2H2 О.
Из анализа изменения изобарно-изотермического потенциала представленных выше четырех реакций вытекает, что преимущественное развитие получают реакции (1) и (4). Таким образом, с термодинамической точки зрения для уменьшения химического пригара на стальном литье желательно в форме создать восстановительную или же нейтральную атмосферу.
Объемная усадка . Объемная усадка металлов и сплавов характеризует изменение объема металла при понижении температуры в жидком состоянии, в процессе затвердевания и при охлаждении твердого металла.
Согласно схеме, предложенной А.А. Бочваром, полная объемная усадка распределяется между объемом концентрированной усадочной раковины и объемом усадочной пористости. Чем больше эффективная часть температурного интервала кристаллизации (разница температур начала усадки и солидуса), тем большая доля объемной усадки проявляется в виде усадочных пор. В сплавах, кристаллизирующихся при постоянной температуре (чистые металлы, сплавы эвтектического состава), усадочная пористость практически не образуется.
Линейная усадка . Линейная усадка металлов и сплавов отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения до комнатной температуры.
В отливах из чистых металов температура начала линейной усадки соответствует температуре плавления. Линейная усадка в этом случае пропорциональная линейному коэффициенту термического расширения и разности между температурами плавления и комнатной:
ε = αt (tпл - t20)*100,
где, ε - коэффициент линейной усадки, %, α t - средний линейный коэффициент расширения металла в интервале от tпл до t20; tпл и t20 - соответственно температуры плавления и комнатной.
Участок диаграммы состояния между температурой начала линейной усадки и температурой солидус назван А.А. Бочваром эффективным интервалом кристаллизации.
Трещиностойкость . Это - способность металлов и сплавов к релаксации (ослаблению, уменьшению) напряжений, возникающих в отливке при затвердевании и охлаждении, в результате усадки, фазовых превращений или температурного перепада.
В практике литья обычно различают два вида трещин - горячие и холодные. Это деление весьма условно. Считается, что горячие трещины образуются в области, близкой к температуре солидус. По внешнему виду эти трещины отличаются окисленной поверхностью, в особенности - на стальных отливках. Холодные трещины, в отличие от горячих, имеют поверхность и образуются в области упругих деформаций при температуре, которая значительно ниже температуры окончания кристаллизации.
Свариваемость . От свариваемости сплавов зависит качество исправления дефектов отливок и надежность соединения литых деталей методом сварки.
Для художественных отливок это свойство имеет большое значение. Особенно важно обеспечить надежное соединение крупных элементов скульптур.