Литейное производство (вопросы 9-16).

Литейное производство (вопросы 9-16).

Литейным производством (формообразование деталей из жидкого состояния) называется отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных деталей или заготовок путем заливки расплавленного металла, или другого материала в форму, полость которой имеет конфигурацию детали.

Отливка – литая деталь или заготовка, которая получается после затвердевания расплавленного материала в форме.

Литье – это процесс получения изделий (отливок) из различных материалов (металлов, горных пород, полимерных материалов (ПМ), взрывчатых материалов (ВВ), керамики и др.), обусловленный сменой агрегатного состояния вещества. Другими словами, процесс литья заключается в следующем: исходное вещество, находящееся в твердом состоянии расплавляется, т.е. переводится в жидкое состояние, перегревается до оптимальной температуры. Затем производится заливка (заполнение) жидким расплавом литейной формы (изложницы или корпуса изделия) и затвердеваниерасплава, т.е. перевод жидкого расплава в твердое состояние. После чего изделие подвергается окончательным (необходимым) операциям.

Главная задача литейного производства - это получение отливок с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам готовой детали или изделия. При этом наиболее трудоемкая операция механической обработки должна быть ограничена лишь чистовой обработкой и шлифованием. Это можно достичь усовершенствованием и внедрением специальных, более точных способов литья (в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы и т.д.).

Литье свободное – это заполнение форм, изложниц, корпусов изделий без механического воздействия на расплав.

Литье в разовые литейные формы, изготовленные с помощью специальных приспособлений – моделей: в песчаные (песчано-глинистые), оболочковые формы (из термореактивных смесей), по выплавляемым моделям (модели из легкоплавких материалов) – отсюда и соответствующее название метода.

Литье в многоразовые формы – в кокиль. Как правило, эти формы металлические, разборные для удобства извлечения отливок, поэтому типов форм (одноэлементные, двух-, многоэлементные, с цилиндрическими вращающимися элементами и др.) не ограниченное количество и определяется оно конфигурацией отливки. Кокилем называют металлическую форму с естественным или принудительным охлаждением, используемую многократно и заполняемую расплавом под действием гравитационных сил (сил тяжести).

Литье под давлением: если давление в материале сравнимо с атмосферным, то это литье под низким давлением (ЛНД), если меньше атмосферного, то это вакуумное литье, например литье вакуумным всасыванием (ЛВВ). Если давление более чем на порядок превышает атмосферное, то это литье под высоким давлением или просто, литье под давлением (ЛПД).

Если пространство, в котором формируется отливка, изолировано от внешней среды, а давление в нем может отличаться от атмосферного, то такие способы литья называются вакуумными или автоклавными.

Центробежное литье занимает особое положение.. Центробежное литье - процесс формования отливок под действием центробежных сил при свободной заливке материала во вращающиеся формы. Давление в этом случае может быть как низкое, так и высокое.

Полые изделия, такие как мячи и куклы, из термопластичных материалов получают также центробежным литьем, его называют еще ротационное литье. Полимерный материал (в виде порошка) помещают в полую форму, форму закрывают, нагревают и вращают. При этом происходит однородное распределение расплавленного пластика по всей внутренней поверхности полой формы. Затем вращающуюся форму охлаждают холодной водой, пластик затвердевает и можно извлекать готовое изделие из формы.

Поршневое давление используется преимущественно в машинах литья под давлением. При этом имеют в виду литье под высоким поршневым давлением.

Газовое давление широко используют в заливочно-дозирующих устройствах (ЗДУ) и в установках литья под регулируемым низким давлением.

Процессы с созданием давления в расплаве с помощью электромагнитных полей нашли применение в заливочно-дозирующих устройствах (ЗДУ).

Литье с кристаллизацией под давлением отличается от рассмотренных методов тем, что затвердевание отливки происходит под давлением на расплав. Этот метод называют жидкой штамповкой, штамповкой из жидкого металла на обычных или специализированных гидравлических (реже фрикционных) прессах.

Так как металл подвергается небольшой пластической деформации, деталь получается плотной, с повышенными эксплуатационными свойствами, подобными поковкам. Давление хорошо уплотняет металл и способствует быстрому его затвердеванию из-за ликвидации зазора между стенками отливки и формы. Высокие скорости кристаллизации и механическое воздействие обеспечивают формирование мелкокристаллической структуры. Отсутствие литниковых систем и прибылей позволяет достичь 90-98% выхода годного продукта. При этом получают небольшие плотные слитки из сплавов с широким интервалом кристаллизации, которые при обычном литье получаются пористыми.

Непрерывное литье – процесс получения протяженных отливок посредством свободной заливки расплава в водоохлаждаемые формы (кристаллизаторы) и вытягивания из них сформированной части отливки.

Полу-непрерывное – способ литья, когда имеется ограничение на подачу металла во времени или по массе.

Отливка пленок – метод производства полимерных пленок. В этом случае используется не расплав, а раствор полимера соответствующей концентрации, который выливают на формующую поверхность, движущуюся с постоянной скоростью, на поверхности которой происходит образование непрерывного слоя полимерного раствора. При испарении растворителя в контролируемом режиме происходит образование тонкой полимерной пленки, снимается простым отслаиванием. Этим методом получают большинство целлофановых листов и фотографических пленок.

Расход металла при литье определяется по коэффициенту выхода годных отливок: К = М_о.ч. / М_ш, (по отношению массы отливки к массе металлической шихты). Самый низкий коэффициент в случае литья в песчаные формы, из-за больших припусков металла, большого количества модельных и формовочных материалов, большой литниковой системы и т.д.; при литье в кокиль уменьшаются припуски металла на механическую обработку - К = 75 - 90%; а при центробежном литье выход годных изделий достигает 100%, из-за отсутствия литников.

Литейные свойства металлов и сплавов – совокупность физико-химических и специальных технологических свойств, характеризующих способность металлов и сплавов образовывать отливки без раковин, трещин, пористости и других дефектов. Другими словами, литейные свойства сплавов характеризуют возможность получения качественных отливок.

Жидкотекучесть - способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять стандартные формы (пробы) и точно воспроизводить очертания отливки.

Усадка – свойство сплавов уменьшать объем и линейные размеры при затвердевании и охлаждении.

Ликвация – это неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она может развиваться как внутри отдельных дендритов слитка – внутрикристаллическая (дендритная) ликвация, так и по отдельным его зонам – зональная ликвация. Разновидностью зональной ликвации является ликвация по плотности (гравитационная).

Литьевая переработка полимеров определяется:

1) реологическими свойствами:

а) вязкостные, определяющие процесс вязкого течения с развитием пластической деформации; б) высокоэластичные - процесс развития и накопления обратимой высокоэластичной деформации при формовании; в) релаксационные – релаксацию (уменьшение) касательных и нормальных напряжений, высокоэластичной деформации и ориентированных макромолекулярных цепей;

2) стойкость полимеров к деструкции полимеров (термоокислительной, механической, гидролитической) в процессе формования под действием температуры, влаги, кислорода, механических напряжений;

3) теплофизические, определяющие изменение объема, нагрев и охлаждение изделий в процессе переработки и фиксирование формы и размеров.

Наиболее надежным показателем качества изделия из полимеров является надмолекулярная структура. Для формирования необходимой структуры применяют различные методы создания ориентационной (аморфных) и направленной кристаллизации (кристаллических полимеров). Для литьевых процессов характерны слоевые структуры: полимер при формировании под действием охлаждения расплава и напряжений сдвига в каналах течет слоями.

Литье под давлением: в качестве рабочего органа создающего давление на полимер различают шнек (в шнековых литьевых машинах) или плунжер. Полимерный материал в гранулированном или порошкообразном виде поступает в пластикационный цилиндр (камеру) литьевой машины, где прогревается (в поршневых машинах) и перемешивается вращающимся шнеком (в шнековых), т.е. подвергается операции пластикации.

Термопласты нагревают до 200-300⁰С, реактопласты – до 80-120⁰С. При поступательном движении шнека или плунжера пластифицированный ПМ нагнетается в литьевую форму, где термопласты охлаждаются до 20-120⁰С, а реактопласты нагреваются до 160-200⁰С (в зависимости от марки ПМ). В пресс-форме ПМ выдерживают под давлением для уплотнения, что значительно снижает усадку при охлаждении вне формы.

Термопласты — пластмассы, которые после формования изделия сохраняют способность к повторной переработке. Наиболее распространены термопласты на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола.

Реактопласты (термореактивные пластмассы), пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Наиболее распространены реактопласты на основе феноло-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Содержат обычно большие количества наполнителя — стекловолокна, сажи, мела и др.

Основные методы переработки термопластов — литье под давлением, экструзия, вакуумформование, пневмоформование; реактопластов — прессование и литье под давлением.

При интрузии (разновидность метода литья под давлением) пластикационный цилиндр снабжается соплом с широким каналом, позволяющим материалу перетекать в форму при вращении червяка до начала его поступательного движения.

При литье термопластов молекулы материала ориентируются в направлении течения, что сопровождается упрочнением материала в этом направлении. В перпендикулярном направлении возникают ориентационные напряжения (они являются причиной возникновения остаточных напряжений), уменьшение их достигается путем подбора рабочих элементов конструкции пресс-формы (литников – в случае линейных полимеров). Ориентация макромолекул при литье обуславливает и анизотропию усадки вдоль и поперек направления течения расплава. Методы борьбы с усадкой ПМ аналогичны, как в случае металлов и ВВ.

При литье под давлением реактопластов необходимо строго регулировать температуру. При превышении оптимальной температуры происходит отверждение материала до заполнения формы. При пониженной температуре реактопласт долго плавится. Реактопласты льют под давлением реже, чем термопласты. Однако этот метод прогрессивен, благодаря интенсивному перемешиванию материала в процессе подогрева. Скорость и степень отверждения ПМ при литье под давлением выше, чем при прессовании. Особенно метод интенсивен при изготовлении толстостенных изделий.

Литьевое прессование (пресс-литье) – способ характеризуется тем, что материал пластифицируется при сжатии под действием тепла в загрузочной камере и затем перетекает в рабочую полость формы. Протекание по узкому каналу способствует однородному и полному нагреву и отверждению всей массы материала в форме. Это способствует сокращению выдержки материала в форме, уменьшению и даже полному избавлению от облоя. Готовые изделия отличаются высокой размерной точностью.

Характерно, что для формирования изделий из КМ используют новое название метода – метод инжекции.

Суть метода изготовления стеклопластика инжекцией заключается в следующем: между матрицей и пуансоном укладывается сухой, предварительно раскроенный стеклянный материал. Это может быть стеклоткань, специальный стекломат или другой вид армирующего материала. Затем, при помощи специального оборудования, в закрытую форму под давлением инжектируется смесь полиэфирная смола - отвердитель. После отверждения уже готовое изделие из стеклопластика извлекается из формы и подвергается механообработке, если требуется.

Процесс вакуумной инфузии (Вакуумной инжекции или Вакуумного формования) это технология изготовления композитного материала, которая использует силу вакуумного давления для ввода смолы в армирующий наполнитель. Суть метода вакуумной инфузии заключается в следующем: материалы будущего композита выкладываются в сухом виде в оснастку, затем накладывается вакуум, до ввода смолы. Как только достигается полный вакуум, смола засасывается в наполнитель по специальным трубкам. Благодаря использованию вакуума значительно улучшается соотношение волокно-смола в КМ, в результате чего получает более жесткое и легкое изделие. Метод вакуумной инфузии делает процесс создания изделий из КМ еще более совершенным.

Основные понятия по технологии.

Технология — наука о способах воздействия на сырье, материалы, полуфабрикаты соответствующими орудиями производства для получения готовой продукции.

Производственный процесс — совокупность всех действий, орудий труда, необходимых для освоения, изготовления и ремонта изделий.

Производственный цикл — интервал времени от начала и до окончания производственного процесса. Характеризуется длительностью цикла и структурой цикла. Длительность цикла складывается из времени производства и времени перерывов. Структура цикла состоит из технологического цикла и операционных циклов. Различают непрерывный производственный цикл и дискретный.

Технологический процесс — часть производственного процесса, содержащий целенаправленные действия по получению какой-то продукции (получение КМ, изделий и т.д.).

Типовой технологический процесс — это технологический процесс изготовления группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками.

Групповой технологический процесс — технологический процесс изготовления группы изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками.

Технологическая документация — комплект документов, содержащие графические и текстовые материалы. Сюда входят:

— технологическая карта, в ней записан весь технологический процесс пооперационно, указывается какие материалы используются для получения изделия, оборудование, инструмент, технологические режимы;

— технологический регламент, в нем содержится полное описание всех технологических операций;

— маршрутная карта содержит перечень операций, последовательность их и какое используется производственное оборудование;

— карта эскизов — технологический документ, содержащий эскизы, схемы и таблицы, необходимые для выполнения технологического процесса, операции или перехода изготовления или ремонта изделия;

— технологическая инструкция — документ, содержащий описание предметов работ или технологических процессов изготовления или ремонтов изделия, правил эксплуатации средств технологического оснащения, описание физических и химических явлений, возникающих при отдельных операциях.

— операционная карта — технологический документ, содержащий описание технологической операции с указанием переходов, режимов обработки и данных о средствах технологического оснащения.

Нормативная документация — комплект документов, устанавливающих правила, общие принципы или характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их результатов. К нормативной документации относятся ГОСТы, ОСТы, стандарты предприятий, технические условия, технические требования и т.д.

Техническая документация — представляет собой систему графических сведений, чертежей, схем.

Основным назначением ЕСТД (единой системы технологической документации) является установление в организациях и на предприятиях единых правил оформления и обращения всех видов технологических документов.

ЕСКД (единая система конструкторской документации) - комплекс государственных стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения конструкторской документации, разрабатываемой и применяемой организациями и предприятиям.

ЕСТПП (единая система технической подготовки производства) — установленная государственными стандартами система организации и управления технической подготовкой производства, непрерывно совершенствуемая на основе достижений науки и техники, управляющая развитием технической подготовки производством на уровнях: государственном, отраслевом, организации, предприятии.

Выбор способа производства

Главные принципы выбора материала изделия:

- необходимость удовлетворения предъявляемых к изделию требований и обеспечение заданной надежности во всех режимах его эксплуатации (например, высокая прочность, стойкость к ударным нагрузкам и т. д.);

- экономическая эффективность;

- технологичность материала при изготовлении изделия (обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость, штампуемость, возможность упрочняющей обработки и нанесения покрытий и т.д.);

- материалоемкость, требование напрямую связанное со стоимостью (экономической эффективностью); она отражается на энергозатратах при использовании изделия по назначению, т.е. включается в затраты на эксплуатацию;

- дефицитность материала или входящих в него компонентов.

Простота способа характеризуется простотой аппаратурного оформления.

Под устойчивой технологией подразумевается такая технология, которая исключает появление брака при формировании изделия или сведение его к минимуму.

Мобильность и гибкость процесса означают, что способ производства выбирается не только на сегодня, он должен быть более универсальным, более перспективным, иметь возможности использовать различные сплавы (сменить рецептуру) для изготовления изделий разных размеров и сложности формы.

В качестве примера технологического процесса приведем технологический процесс получения термоусадочной пленки.

Подготовительные операции:

1. Подготовка исходного сырья, включает входной контроль, предварительную сушку исходного гранулированного материала в сушилках, обеспечивающих равномерность сушки до заданного содержания влаги.

2. Подготовка оборудования (экструзионно-выдувной линии «Экстлайн 800 У»)

Основные о перации:

1. получение расплава полимера;

2. фильтрация и формование пленки;

3. ориентация пленки путем вытяжки;

4. фиксация ориентированной структуры (охлаждение);

5. прием и намотка пленки.

Окончательные операции:

1. контроль толщины пленки, пленка термоусаживаемая полиэтиленовая должна соответствовать ГОСТ 25951-83;

2. транспортирование на склад.

Порошкообразный материал (ПМ) – это совокупность большого числа индивидуальных твердых частиц находящихся во взаимных контактах.

Порошкообразным телом называется ПМ, занимающий определенный геометрический объем и имеющий определенную плотность упаковки твердых частиц. В таком теле частицы контактируют лишь в отдельных точках или по поверхностям малых размеров, образуя пористую структуру, свободное пространство которой заполнено воздухом, а в некоторых случаях (составах) частично и жидкими веществами. Следовательно, в ПТ можно выделить три составные части: твердую часть, жидкие и газообразные включения.

Производством порошков металлов и изделий из них, их смесей и композиций с неметаллами занимается отрасль, называемая ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИЕЙ.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость и спекаемость.

Текучесть или сыпучесть – способность порошка заполнять форму. Количественной оценкой служит скорость истечения порошка через отверстия заданной величины. ПМ способны принимать форму сосуда, в который они насыпаны, но в отличие от жидкостей они не растекаются по поверхности, а образуют конусообразную фигуру с естественным углом откоса (ά – угол между горизонталью и образующей откоса «кучи» ПМ). Для хорошо сыпучих порошков ά ~ 50⁰.

Прессуемость характеризуется способностью порошков уплотняться под действием внешней нагрузки (уплотняемостью), а также формуемостью – способностью сохранять форму и размеры изделия после прессования.

Спекаемость – способность порошков упрочняться под действием высокой температуры (спекаться) и образовывать прочное пористое компактное тело. В процессе спекания между соприкасающимися частицами спрессованного брикета при нагреве (в определенной газовой среде) происходят различные физико-химические поверхностные взаимодействия, в результате чего образуется прочное пористое тело. Максимальное значение температуры при спекании однокомпонентных систем обычно составляет (0,5-0,9)Т_пл, где Т_пл - температура плавления материала порошка. Температура спекания для органических веществ, к которым относятся и ЭМ, составляет (0,3-0,9)Т_пл.

Важнейшими методами производства порошков являются:

- восстановление металлов из окислов;

- механическое измельчение;

- электролитическое осаждение;

- распыление жидкого металла;

- нагрев и разложение карбонилов.

Последовательность производства изделий методом порошковой металлургии:

1) Получение порошка из исходного материала: механическими (размол в мельницах, диспергирование или грануляция расплава, обработка компактных металлов резанием) и физико-химическими (химическое восстановление; электролиз водных растворов или расплавленных солей металлов; насыщение, испарение и конденсация металлов) методами.

2) Подготовка порошка: отжиг, просев, смешивание, добавление присадочных материалов: пластификаторов (облегчают прессование), легкоплавких материалов (улучшают спекание), летучих веществ (получение заданной пористости).

3)Формование:

- Горячее и холодное (одно- и двухстороннее) прессование в пресс-формах на гидравлических прессах. Горячим прессованием (0,6-0,8 Т_ПЛ) получают изделия из плохо прессуемых и спекаемых порошков, при этом совмещаются процессы формообразования и спекания.

- Гидростатическое прессование. Порошок в эластичной оболочке подвергают всестороннему равномерному обжатию в герметизированной камере заполненной рабочей жидкостью (масло, вода, глицерин).

- Выдавливание порошка через калиброванное отверстие пресс-формы. Получают прутки, трубы, профили.

- Прокатка между валками. Получают одно- и двухслойные ленты или полосы.

4) Спекание, проводится для повышения прочности полученных заготовок. Температура спекания 0,6-0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или основного материала композиции.

5) Окончательную обработка: регулирование структуры и калибрование повторным прессованием и спеканием, химико-термическая обработка, пропитка смазочными материалами, ковка, прокатка и штамповка.

Металлокерамика - материалы, состоящие одной или нескольких керамических фаз с металлами. Классификация: по природе керамической составляющей - оксидные, карбидные, нитридные, боридные; по применению - жаропрочные, износостойкие, высокоогнеупорные, коррозионно-стойкие. Структура (керамическая матрица с металлическими включениями; металлическая матрица с изолированными между собой керамическими частицами; два равноправных каркаса из металла и керамики; смесь керамических и металлических частиц) зависит от назначения и технологии получения. Изготавливают прессованием и твердофазным спеканием, жидкофазным спеканием, пропиткой, экструзией, горячим прессованием, прокаткой, шликерным и взрывным формованием, спеканием под давлением с пропусканием электрического тока. Применяют керамику, армированную металлическими волокнами, получаемую методами горячего прессования, шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, затем сушка и спекание).

Горение — быстропротекающий физико-химический процесс превращения вещества, сопровождающийся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем).

Технологическое горение – процесс горения, применяемый для получения целевых продуктов.

Виды технологического горения:

- Доменные процессы – получение чугуна, мартеновские превращения.

- Горение и окислительный пиролиз углеводородов (УВ – природный газ): для получения этилена, ацетилена.

- Газопламенный синтез некоторых соединений: горение водорода в атмосфере хлора для получения HCl, горение серы в атмосфере кислорода.

- Окислительный обжиг сульфидного сырья. Обжигом сульфидов в атмосфере кислорода получают сернистый газ и оксиды металлов, необходимые для получения металлов.

- Металлотермия используется для получения железа, цветных и редких металлов. Металлотермическому восстановлению подвергаются: оксиды, фториды, хлориды металлов и изредка сложные смеси оксидов и галогенидов, или непосредственно руды. Восстановители - кремний (обычно в виде ферросилиция), кальций, барий, магний, натрий, литий, лантан и др. Выбор металла-восстановителя определяется отсутствием сплавления его с получаемым продуктом и легкой отделяемостью методами химической обработки. Реакция: MeXn + Me^/→Me + Me^/Xn, где Me – металл (железо, марганец, кобальт и т.д.); Xn – кислород, галоид; Me^/ - окислитель (алюминий, магний и т.д.). Пример: Fe₂O₃ + 2Al→Fe(жидкое) + Al₂O₃. Виды металлотермических процессов:

- Внепечной – алюмо - и магниетермия.

- Электропечной - применяется, когда выделяющейся теплоты недостаточно для расплавления и необходимого перегрева продуктов плавки - недостающее тепло подводится посредством электронагрева.

- Вакуумный - позволяет выделять легкоиспаряющиеся металлы во время их восстановления в условиях вакуума или получать металлы с пониженным содержанием газов.

- Самораспространяющийся высокотемпературный синтез сопровождается выделением большого количества тепла - 2000Ккал и высокой температурой – 3000-4500 К. СВС получают карбиды, силициды, бориды, нитриды, оксиды, гидриды, интерметаллиды, сверхтвердые, тугоплавкие, пористые и обладающие повышенной прочностью материалы. Реакция: X + Y→ Z, где X – металл (титан, тантал, цирконий, вольфрам, ванадий); Y - окислитель - неметалл в твердом, жидком или газообразном состоянии (углерод, бор, кремний, азот, алюминий, газообразные или жидкие составляющие).

Металлотермия – это процессы, основанные на восстановлении металлов из их соединений более активными металлами, протекающие с выделением теплоты.

При внепечном процессе теплота, выделавшаяся во время протекания восстановительной реакций, оказывается достаточной для получения продуктов реакции в жидком состоянии и хорошего их разделения. Для осуществления процесса внепечной металлотермии используется термит - смесь порошков металлического алюминия (магния) и окислов некоторых металлов. Применяют для получения и нагрева материалов, а также для их пайки, сварки и резки.

Термитная сварка - способ сварки, при котором сварка происходит за счет тепла, получаемого от сгорания термитных смесей, в результате его горения получаются восстановленное жидкое железо и шлак. Жидкое железо заполняет зазор между кромками свариваемых деталей, нагретых до температуры сварки, образуя, сварной шов. Сварка термитом на основе алюминия применяется для соединения стальных и чугунных деталей, стыковки рельсов, труб, заварки трещин, наплавки поверхностей при ремонте. Термит на основе магния используется в основном для соединения телефонных, телеграфных проводов и жил кабелей.

Пайка: Образование припоя за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом - восстановленный из флюса металл служит припоем.

- Между соединяемыми металлическими пластинами расположен слой припоя. На верхнюю пластину помещают термитную шашку и зажигают. Под действием тепла, выделяющегося при сгорании шашки, припой расплавляется.

Экзофлюсова пайка – пайка, осуществляемая с помощью экзотермической смеси. На очищенное место соединения наносят слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Собранную конструкцию устанавливают в специальные печи, в которых происходит зажигание экзотермической смеси при 500 ⁰С. В результате экзотермических реакций смеси температура на поверхности металла повышается и происходит расплавления припоя.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) - это химический процесс, протекающий с выделением тепла в автоволновом режиме типа горения и приводящий к образованию твердых продуктов.

Сущность процесса: в смеси химических элементов, локально инициируется экзотермическая реакция синтеза. Выделившееся в результате реакции тепло благодаря теплопередаче нагревает соседние слои вещества, возбуждает в них реакцию и приводит к возникновению самораспространяющегося процесса.

В таком процессе химическая реакция протекает в узкой зоне, самопроизвольно перемещающейся по веществу с определенной линейной скоростью. Высокая температура, необходимая для быстрого протекания реакции, создается в результате освобождения химической энергии, запасенной в исходной системе. Протекание реакции сопровождается ярким свечением. Такой процесс является разновидностью горения и рассматривается на основе теории горения.

В самом общем виде схему процесса СВС можно представить в следующем виде:

SX(i) + SY(j) = SZ(k),

где X(i) - металлы в твердом состоянии (Al, Ti, Zr и др.),

Y(j) – неметаллы в твердом, жидком или газообразном состоянии (С, В, Si, N₂, O₂, H₂),

Z(k) – продукты синтеза (карбиды, бориды, силициды, нитриды, оксиды, гидриды, интерметаллиды).

1. СВС-технология заготовок и порошков. В основе технологии лежит естественное сжигание засыпок, иногда с участием газообразного реагента приводящие к образованию продукта в виде спеков или слитков нефиксированной формы.

2. СВС-спекание проводят в больших герметических реакторах почти при полном заполнении объема исходной шихтой. Разрыхления при горении нет, так как газы практически не удаляются из образца и лишь приводят к увеличению давления в реакторе. Из-за большого объема остывание происходит медленно, что способствует спеканию. В результате продукт представляет собой прочно спеченную губку (со сквозной пористостью 15-60%), довольно однородную по объему реактора. Из такого материала могут быть изготовлены различные пористые изделия (например, фильтры с большой удельной поверхностью) для работы в условиях, исключающих сильные нагрузки. Изделия с малой остаточной пористостью (1-5%) могут обладать свойствами, удовлетворяющими эксплуатационным требованиям.

СВС-спекание используют для получения конструкционной керамики.

3. СВС-технология газотранспортных покрытий.

- при высоких давлениях инертного или реагирующего газа (~1000-5000 атм.). В этом случае удельный объем выделяющихся газов невелик и они не оказывают разрыхляющего действия (TiN_0,97).

4. Силовое СВС-компактирование.

Для получения беспористых материалов и изделий в СВС-технологии процесс синтеза сочетают с приемами обработки материалов давлением (прессование, экструзия, прокат, штамповка): после синтеза не успевший остыть раскаленный продукт горения, обладающий пластичностью, подвергают механическим воздействиям (в том числе и взрывным) для компактирования и формообразования.

После прохождения волны синтеза образец подвергается всестороннему сжатию – это СВС-компактирование (СВС – прессование и СВС – прокатка). Такой прием можно рассматривать как вариант горячего прессования, в котором процесс горения подготавливает компоненты для формования материала. Используется для получения компактных материалов из индивидуальных тугоплавких соединений. Этот метод был применен для получения безвольфрамовых твердых сплавов и элементов.

Характерные особенности СВС – процесса:

Диапазон физических величин, характеризующих процесс:

Т = 300-4500C⁰ , линейная скорость 0,1-30 см/с, скорость нагрева вещества 10²-10⁶ град/с.

- практически отсутствует газовыделение;

- образуются полностью конденсированные (чистые) продукты;

- температура горения в волне СВС достигает высоких значений до 4000⁰С; Возможность такого безгазового горения обусловлена большим тепловыделением при химическом взаимодействии реагентов и термической стабильностью продуктов.

- трудность воспламенения;

- нагрев среды происходит одинаково по массе, за счет теплоты химической реакции;

- скорость процесса 50-800мм/с;

- хорошее смешивание между элементами;

- реализуется в широком диапазоне соотношения компонентов;

- экологическая чистота конечного продукта.

Пример СВС – процесса: Получение соединений хрома, вольфрама, молибдена и ванадия с углеродом, бором и кремнием. Схему реакции: АВ + С + D→АD + BС, где A – Mo, V, Сr, W; B – кислород; С – Аl, Mg; D – В, С, Si. Процесс протекает в две стадии: металлотермическая стадия: АВ + С→A + ВС и стадия СВС: A + D→ AD. Смесь AD отделяется и кристаллизуется, образуя твердое соединение.

получение литого твердого сплава — аналога промышленного состава ВК-15.

Осуществляется реакция горения по схеме:

0,43 WO₃+0,26CoO+Al+0,43C→ 0,43WC+0,26Co +0,5Al₂O₃

Смесь WC и Co отделяется и кристаллизуется, образуя твердый сплав. Основное отличие в структуре промышленного сплава ВК-15 и полученного СВС: в (последнем) литом сплаве несколько крупнее зерна WC.

Кристаллизация – образование кристаллов из паров, растворов, расплавов; веществ, находящихся в твердом состоянии (аморфном или другом кристаллическом) в процессе электролиза и при химических реакциях.

Известны следующие варианты процесса кристаллизации: из растворов, расплавов, из паровой фазы, в твердом состоянии.

1. Кристаллизация из паровой фазы применима для веществ, способных переходить непосредственно из паровой фазы в кристаллическую, и наоборот. Кристаллизация происходит тогда, когда имеется пересыщенный и/или переохлажденный пар (возникают дендриты).

2. Кристаллизация в твердом состоянии осуществляется при ТО материалов с целью получения определенной кристаллической структуры.

3. Кристаллизация из раствора преимущественно применяется при переработке неорганических веществ. Часто она используется с целью получения продуктов в виде кристаллов определенных размеров и формы.

Для осуществления процесса кристаллизации в растворе необходимо создать пересыщение. По способу его создания различают два основных метода кристаллизации: 1) охлаждение горячих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация); 2) удаление части растворителя путем выпаривания - испарения (изотермическая кристаллизация).

4. Кристаллизация из расплава является примером фазового перехода I рода и сопровождается выделением теплоты (скрытой теплоты кристаллизации). Кристаллизация из расплава включает в себя довольно большое число технологических методов, которые можно разделить на три группы: отверждение расплава; фракционная кристаллизация; выращивание монокристаллов.

Явление ориентированного нарастания одного кристалла на поверхности другого носит название эпитаксия. Различают гомоэпитаксию (автоэпитаксию) и гетероэпитаксию.

Эпитаксиальные пленки выращивают путем: напыления в вакууме, наиболее современен в настоящее время метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ); электролитического осаждения; кристаллизацией из растворов; методом транспортных реакций; из газовой фазы: методами сублимации, кристаллизация вещества осуществляется из собственного пара.

Молекулярно-лучевая (или пучковая) эпитаксия представляет собой метод ориентированной кристаллизации, т.е. процесса роста, при котором кристаллическая решетка напыляемой пленки закономерно ориентирована относительно кристалла - подложки. Процесс МЛЭ - это процесс испарения и конденсации вещества в сверхвысоком вакууме.

Газофазная эпитаксия. В этом случае исходные газообразные реагенты под действием высокой температуры разлагаются у поверхности подложки, выделяя пленкообразующие компоненты, причем подложка является более нагретым телом, чем окружающая среда.

Химическая сборка (ХС) поверхностных наноструктур и ее разновидности - метод молекулярного наслаивания (МН) и атомно-слоевая эпитаксия (АСЭ) основаны на образовании поверхностных химических соединений при хемосорбции компонентов из газовой фазы, являются циклично-дискретными процессами. Формирование кристаллических структур происходит по слоевому механизму, при этом образуются сплошные пленки толщиной в несколько монослоев вещества.

Покрытия используются для защиты металлов от коррозии, придания им специальных свойств (как для металлов, так и не металлических материалов), декоративных свойств. Покрытия (тонкие пленки) должны обладать определенными функциональными свойствами.

К видам покрытий относят: лаки, краски, напыление, металлизацию.

Классификация методов формирования покрытий построена на фазовом состоянии материала, из которого они формируются: методы формирования покрытий из твердого состояния, растворов, газообразного и расплавленного состояний.

- в твердом состоянии: натиранием, галтовкой, плакированием и эмалированием.

- из растворов: окунанием, нанесением кистью, пульверизатором, использованием аэрозолей, методами химического и электрохимического осаждения.

- из газообразного состояния: методами химического и физического осаждения из газовой фазы;

- из расплавленного состояния: методами плазменного оплавления и электродуговой наплавки.

Процесс электрохимического осаждения на примере электролиза металлов (электрокристаллизации) – тип электрохимических реакций, связанный с образованием новой фазы на поверхности катода (подложки). В результате протекания реакций совершается фазовый переход из ионного состояния (раствор солей металлов) в кристаллическое (катодный осадок или покрытие).

Электрокристаллизация металлов включает в себя два основных последовательно протекающих процесса: электролиз (перенос ионов к катоду и их разряд на него) и кристаллизации осадка (зарождение (нуклеация), рост, срастание кристаллов и коллективный рост кристаллов в осадке - развитие сплошного осадка).

Пример: Цинкование используется для защиты от коррозии изделий из черных металлов. Цинк выделяется в результате разряда на катоде 2-х-валентных катионов Zn: ZnSO₄ = Zn²⁺ + SO₄^2-;

Zn²⁺ + 2e = Zn

Наличие припуска позволяет методами размерной обработки получать деталь требуемой точности путем управления съемом металла припуска. Чем точнее изготовлена заготовка, тем меньше требуемая величина припуска и тем ниже трудоемкость последующей размерной обработки заготовки.

Все способы размерной обработки деталей классифицируются по виду используемой энергии:

- Механические: точение, сверление, строгание, фрезерование, протягивание, шлифование, отделочные операции (хонингование и суперфиниширование).

- Электрофизические и электрохимические электроэрозионная, электрохимическая, лучевая (лазерная и электронно-лучевая), ультразвуковая.

- Комбинированные: ультразвуковая механическая, плазменно-механическая, электрохимическое шлифование.

Дата добавления: 2015-09-30