Введение. История развития литейного дела

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЛИТЕЙНОГО ДЕЛА

Лекция 1. (ауд. – 2 ч., самостоятельная работа – 4 час).

Металлы легко отличить от неметаллов характерным ярким серебристым или золотистым цветом, блеском их поверхности. Металлы пластичны, их куют, прокатывают, штампуют. Кроме того, металлы хорошо проводят тепло и электрический ток. Это так называемые физические свойства металлов. По химическим свойствам окислы металлов обладают щелочными свойствами, и при соединении с водой они образуют щелочные растворы, а окислы неметаллов имеют кислотные свойства и, соединяясь с водой, образуют кислоты.

Все это было хорошо известно еще более 200 лет тому назад во времена М. В. Ломоносова. А вот причины такого различия свойств металлов и неметаллов были найдены значительно позже, после того как было открыто электронное строение атомов. Напомним, что электрон был открыт лишь в 1895 году.

Каждому элементу Д. И. Менделеев еще в 1869 году приписал определенный атомный номер и поместил его в периодическую систему с этим номером, ничего еще не зная об электронах. Позже выяснилось, что номер элемента точно совпадает с числом электронов, вращающихся по нескольким орбитам. У всех металлов наружные электронные орбиты являются не­доукомплектованными. По ним вращаются, как правило, один, два, три и в редких случаях - четыре электрона. В то же время у неметаллов наружные электронные орбиты, наоборот, полностью или почти полностью укомплектованы.

Переходом наружных электронов от одних атомов к другим и было объяснено явление электрического тока. Числом электронов на наружной орбите было объяснено свойство валентности металлов. Электронное строение атомов дало ключ к объяснению таких явлений, как ферромагнетизм, полиморфизм, потенциал ионизации. Все эти вопросы получили отражение в разработанной советскими физиками теории металлического состояния.

Первые пять мест в земной коре на глубине до 1 км (по массе вещества в %) занимают следующие элементы, представленные в табл. 1В.

Таблица 1В - Содержание основных элементов в земной коре и их температура плавления

О2

Si

Al

Fe

Ca

Mg

Ti

Cu

Ni

Sn

Zn

Pb

Ag

Au

46,6

27,7

8,1

5,0

36,3

2,1

0,6

0,01

0,004

0,016

10^-5

5·10^-7

На долю алюминия, железа и всех остальных 77 металлов приходится меньше одной четвертой части массы земной коры. Парадоксально, но факт, что металл, которого больше всего в земной коре был открыт намного позже большинства других. В 1825 году датчанин Эрстед и в 1827 году немец Велер сумели получить первые крупицы этого металла и только в 1864 году французскому химику Сент-Клер Девилю удалось получить первый промышленный алюминий. Через 11 лет русский химик Н.Н. Бекетов создал более экономичный способ получения алюминия из глинозема, который применяли конца XIX века. Но полученный по этому способу алюминий был по стоимости равноценен золоту.

Сколькими металлами располагает человек? Наряду с золотом, серебром, медью, оловом и железом люди давно узнали свинец, ртуть и сурьму. По поводу платины мнения историков расходятся. Некоторые утверждают, что этот благородный металл обрабатывали в Египте еще в 1500 г. до н. э. Во всяком случае, достоверно известно, что индейцы в Америке давно были знакомы с платиной, и оттуда ее испанцы доставляли в Европу.

Мягкий и относительно легко доступный свинец в древности использовали для разных целей. Известно, например, что из гнутых свинцовых листов изготовляли трубы, сваривая продольные швы и соединительные муфты. Римляне при сооружении своих знаменитых водопроводов даже ввели стандартизацию свинцовых труб по диаметру и поперечному сечению. Это упростило расчет и проектирование водопроводной сети. Древние строители также использовали свинец для закрепления каменных плит и заделки швов. Из свинца чеканили монеты, медали и печати, изготовляли грузила для рыболовной снасти и якоря для судов. На тонких свинцовых пластинках гравировали текст и, сшивая их, делали свинцовые книги. Предположительно, первые сведения о свинце происходят из Индии. Свинцовые чушки в форме кирпичей служили предметом торговли, они упоминаются и в списках товаров, которые египетские фараоны получали в качестве дани. На островах Средиземного моря, в Италии, на побережье Греции и во многих местах Западной и Центральной Европы сохранились следы античных свинцовых рудников. Римляне называли свинец и олово одним и тем же словом - «плюмбум». Правда, они различали «плюмбум альбум» (белый) и «плюмбум нигрум» (черный), но часто путали оба металла. Нередко «плюмбум» называли сплавы свинца и олова.

Гораздо меньше, чем свинец, была известна сурьма - серебристо-белый, с сильным блеском, очень хрупкий металл. В Вавилоне из нее изготовляли сосуды уже в 3000 г. до н. э. Однако гораздо шире использовали не металлическую сурьму, а ее соединения, в частности в косметике. Очевидно, сурьма служила и как легирующий элемент при выплавке сурьмянистых бронз, которые обладают превосходными литейными свойствами (хорошо заполняют форму). Много позже, в период увлечения алхимией, сурьма приобрела особое значение, прежде всего потому, что в расплавленном виде она хорошо растворяет многие другие металлы - «пожирает» их. И в качестве символа этого металла алхимики выбрали волка.

Ртуть римляне называли «аргентум вивум» - живое серебро. Примерно то же означает и современное немецкое название ртути Quecksilber. Этот удивительный металл - единственный, который при нормальных температурах остается в жидком состоянии. Ртуть нетрудно получить из ее природного соединения с серой - широко известной киновари. Первое письменное упоминание о ртути принадлежит Аристотелю и относится примерно к 350 г. до н.э., но, как показывают археологические находки, она была известна много раньше. Для каких целей служил этот металл? В древности ртуть широко применяли для золочения. Золото легко растворяется в ртути и образует с ней сплав - золотую амальгаму, которую наносят на обрабатываемое изделие. Затем его нагревают, ртуть испаряется, а на изделии остается слой золота. В наше время от такого процесса огневого золочения отказались, потому что пары ртути чрезвычайно вредны для здоровья. Растворимость золота в ртути можно использовать также и при его извлечении, скажем, из золототканой одежды. Подобный процесс был положен в основу разработанного в XVI в. способа извлечения различных металлов - так называемого амальгамирования (или амальгамации): измельченную руду обрабатывают ртутью, в которой металлы растворяются; затем ртуть выпаривают, а металлы остаются в твердом виде.

В средние века металлурги освоили добычу и переработку многих металлов: золота, серебра, меди, железа, олова, свинца, ртути и сурьмы. Помимо бронзы и стали были известны сплавы свинца и олова, а наряду с оловянистыми начали применяться сурьмянистые и мышьяковистые бронзы. Наконец, следует упомянуть и о таком давно известном к тому времени медном сплаве, как латунь. Если медь легировать цинком, то она по виду будет на­поминать золото. Латунь применялась еще во времена Гомера (VIII в. до н. э.). По-видимому, моссиноики - народ, обитавший на Черном море - первыми стали сплавлять медь с цинковой рудой, получая таким образом латунь. От них и происходит немецкое слово messing, означающее латунь. При императоре Ав­густе (63 г. до н. э.—14 г. н. э.) в Риме чеканили латунные монеты. Однако тогда еще не было известно, что латунь содержит другой металл - цинк. Европа узнала о цинке только в XVIII в. от металлурга из Фрейберга - Иоганна Фридриха Хенкеля (1675-1744). Сегодня мы знаем, что китайцам этот металл был известен раньше.

Таким образом, средневековые алхимики имели дело с 6-7 металлами. М. В. Ломоносову было известно уже 13 металлов. Когда Д.И. Менделеев составил свою знаменитую периодическую систему элементов, в ней насчитывалось 92 места для элементов, но известно было лишь 63. Из этих 63 элементов 22 были неметаллами и пять - полуметаллами, к которым относят мышьяк, олово, сурьму, висмут и германий. Таким образом, в 1869 году было известно уже 36 металлов. В настоящее время твердо установлено существование 106 элементов, в том числе металлов - 79.

Роль отливок в прошлой и настоящей деятельности человека очень велика. Появление отливок в ряде стран способствовало повышению произво­дительности труда в сельском хозяйстве и в строительстве, развитию ремесел, обусловило быстрое развитие техники. О важности отливок в хозяйстве некоторых древних стран свидетельствует то, что они становились средством обмена, мерилом стоимости. Так, появление на Востоке литых сельскохозяйственных орудий (мотыг, серпов, долот и т. п.) из медных сплавов, а затем и из чугуна привело к улучшению обработки земли, к облегчению уборки урожая и выполнению строительных работ и ремесел. Спрос на такие отливки был весьма велик. В связи с этим отливки приобретали все большую ценность, став впоследствии средством обмена. Постепенно от натуральных отливок с целью обмена люди переходили к их литым символам. Так появились литые (в основном бронзовые) монеты-мотыги, монеты-серпы, монеты-ножи и др. (рис. В.1).

Рис. В.1 - Древние литые монеты в виде мотыг, серпа и ножа

Интересно отметить, что форма и размеры таких монет изменялись постепенно. Например, монета-мотыга первоначально полностью воспроизводила форму настоящей мотыги, отличаясь от нее лишь меньшими размерами. Позже вид монеты-мотыги изменялся: она приобрела стилизованную форму мотыги, делалась плоской, на ней появились литые над­писи.

Не будет преувеличением сказать, что во всех странах, во все времена появление или расширение области применения отливок всегда были связано с более быстрым развитием хозяйства: отливки всегда открывали и открывают новые возможности эффективного использования конструкционных материалов. В настоящее время трудно найти такую область промышленности, где бы не применялись литые детали машин, оборудования и приборов или литые изделия. Отливки в машиностроении представляют собой заготовки, из которых изготовляют детали и целые узлы машин. Кроме литых, заготовки бывают сварными, коваными, штампованными и пр. Однако главенствующая роль принадлежит литым заготовкам-отливкам: они составляют почти 50% массы всех машин. А в некоторых машинах на долю литых деталей приходится до 80% всей массы машин.

Чем же объяснить, что отливки имеют такое широкое распространение, что они могут успешно конкурировать с другими видами заготовок? Прежде всего тем, что литая заготовка по своей форме и размерам ближе всего к готовой детали. Значит, чтобы из нее получить деталь, необходимо меньше всего расходовать металла, меньше затрачивать труда на механическую обработку и сборку. Поэтому выход годного (отношение массы детали к массе заготовки) при литье составляет в среднем 86%, а при ОМД - 40%, т.е. в два раза больше. Литье позволяет изготовлять детали любой массы, размеров и конфигурации, из любых сплавов. Например, чугунные детали нельзя изготовить иным способом, кроме литья. С каждым годом к служебным свойствам чугуна как конструкционного материала предъявляются все более высокие требования, что делает необходимым изыскания новых, более эффективных способов формообразования отливок. Перед наукой и производством стоит большая задача замены стального проката высо­кокачественными чугунами, что создает литейщикам новые большие проблемы.

Обладая многими достоинствами, отливки часто уступают другим видам заготовок по плотности и комплексу механических свойств их сплава. Виной этих недостатков является не сам литой металл, а использование несовершенных способов формирования отливок. Еще великий русский ученый Д.К. Чернов отмечал, что литые изделия нисколько не хуже кованых, если они имеют одинаковое строение. Поэтому изыскание новых, эффективных, более совершенных способов их изготовления, позволяющих улучшать строение металла отливок, является важной задачей литейщиков. Проблема настоящего и будущего - максимальное снижение массы машин на единицу мощности. Один из главных путей решения этой проблемы заключается в уменьшении толщины отливок. Хорошо известно, что формообразование тонкостенных отливок требует значительного повышения мастерства литейщиков, улучшения технической вооруженности литейных цехов. Отливки будущего - отливки тонкостенные из новых высокопрочных материалов, более сложные и более точные. Их производство потребует дальнейшего развития искусства формообразования.

Литейное производство, как ремесло, возникло в различных районах Азии, Африки и Европы от 5 до 7 тыс. лет тому назад. В древней Руси выделение ремесленников-литейщиков относится к VI-VII вв. нашей эры. Описание и систематизация производственного опыта изготовления отливок в научно-технической литературе начинаются в XVIII в. Первые экспериментальные исследования формирования слитков и отливок и анализ этих процессов приведены в трудах выдающихся металлургов XIX в. П.П. Аносова (1797-1851), А.С. Лаврова (1838-1904), Д.К. Чернова (1839-1921). Специальная русская книга по литейному производству впервые издана А.Ф. Мевиусом в 1859 г. Разработка научных основ литейного производства началась в конце 20-х - начале 30-х годов нашего века. Из советских ученых, внесших наиболее крупный вклад в становление теории литейного производства, необходимо назвать: В.Е. Грум-Гржимайло (1864-1928), М.Г. Евангулова (1870-1935), Н.П. Аксенова (1878-1940), Н.Н.Рубцова (1882-1962), Л.И. Фанталова (1883-1968), А.Г. Спасского (1895-1970), Ю.А. Нехендзи (1901-1968), П. П. Берга (1897-1974). В самостоятельную научную дисциплину теория литейных процессов выделилась в середине 50-х годов. Этот термин впервые был предложен Б.Б. Гуляевым на первом совещании по теории литейных процессов, организованном при Институте машиноведения в 1955 г.

Советский Союз, изготовляя в 80-х годах свыше 240 млн. т отливок в год (30% мирового производства), являлся самой крупной литейной державой мира. В 3000 литейных цехах СССР работало около 600 тыс. человек, а со вспомогательными производствами - около 1 млн. Продукция литейного производства распределяется между основными отраслями промышленности укрупненно следующим образом: машиностроение - 60%, строительство - 20%, металлургия - 15%, остальное — 5%.

Многообразные операции изготовления отливок делятся на пять основных групп: выплавка металла; изготовление форм; заливка металла и охлаждение отливок; первичная обработка отливок: выбивка, очистка, обрубка; термическая обработка и контроль качества (рис. В.2).

Рисунок В.2 - Технологическая схема изготовления отливки

Наиболее специфическими для литейного производства являются операции изготовления форм, заливка, затвердевание и охлаждение отливок. Явления, протекающие при проведении этих операций, называются литейными процессами. Наука, изучающая явления, протекающие в формовочной смеси и в литейном сплаве при формировании отливки, называется теорией литейных процессов. Ее основной задачей является теоретическое обоснование и оптимизация технологии литейного производства.

Характеристики литейных сплавов, определяющие их поведение при формировании или изготовлении отливок, а также качество последних, называются литейными или в общем случае технологическими свойствами. В ряде случаев литейные свойства могут совпадать с физическими (например, температуры плавления) или с химическими (например, склонность к окислению при высоких температурах). В отличие от литейных рабочие, или эксплуатационные, свойства сплава определяют его поведение в условиях эксплуатации изделия. К таким свойствам относятся, например, прочность, устойчивость против коррозии, герметичность.

Литейная технология может быть реализована различными способами. Последовательность технологического процесса получения отливок в разовой песчаной форме приведена на рис. В.3. Весь цикл изготовления отливки состоит из ряда основных и вспомогательных операций, осуществляемых как параллельно, так и последовательно в различных отделениях литейного цеха. Модели, стержневые ящики и другую оснастку изготовляют, как правило, в мо­дельных цехах.

Рисунок В.3 - Технологический процесс получения отливок в разовой песчаной форме

Литейная разовая песчаная форма (рис. В.4) в большинстве случаев состоит из двух полуформ: верхней 4 и нижней 3, которые получают уплотнением формовочной смеси вокруг соответствующих частей (верхней и нижней) деревянной или металлической модели в специальных металлических рамках - опоках 5. Модель отличается от отливки размерами, наличием формовочных уклонов, облегчающих извлечение модели из формы, и знаковых частей 7, предназначенных для установки стержня 10, образующего внутреннюю полость (отверстие) в отливке. Стержень изготовляют из смеси, например песка, отдельные зерна которого скрепляются при сушке или химическом отверждении специальными крепителями (связующими).

Рис. В.4 - Литейная разовая песчаная форма: 1 - литниковая система; 2 - полость формы; 3 - нижняя полуформа; 4 - верхняя полуформа; 5 - опока; 6 - прибыли; 7 - знаковая часть стержня; 8 - штырь; 9 - втулка; 10 - стержень

В верхней полуформе с помощью соответствующих моделей выполняется воронка и система каналов 1, по которым из ковша поступает литейный сплав в полость формы 2, и дополнительные полости - прибыли 6. После уплотнения смеси модели собственно отливки, литниковой системы и прибылей извлекают из полуформ. Затем в нижнюю полуформу 3 устанавливают стержень 10 и накрывают верхней полуформой. Необходимая точность соединения обеспе­чивается штырями 8 и втулками 9 в опоках. Перед заливкой сплава во избежание поднятия верхней полуформы жидким расплавом опоки скрепляют друг с другом специальными скобами или на верхнюю опоку устанавливают груз.

В разовых песчаных формах производят около 80 % всего объема выпуска отливок. Однако точность и чистота их поверхности, условия труда, технико-экономические показатели не всегда удовлетворяют требованиям, современного производства. Поэтому все более широкое применение находят специальные способы, литья: по выплавляемым моделям; в металлические формы (кокили); под давлением; центробежным способом; вакуумным всасыванием; намораживанием и т. д. Отливки различных размеров, сложности и назначения из разных сплавов, существенно отличающихся по своим свойствам, нельзя изготовлять одинаковыми способами. В связи с этим получили распространение разнообразные технологические процессы, отличающиеся специфическими производственными приемами. Следует также отметить, что преимущественное развитие получают технологические процессы, позволяющие в максимальной степени механизировать и автоматизировать литейное производство.

Дата добавления: 2015-07-08