Имеется три основных требования, которым должны удовлетворять литейные материалы: 1) жидкотекучесть; 2) величина усадки при затвердевании и охлаждении; 3) склонность к ликвидации, т.е. химической неоднородности, возникающей в процессе кристаллизации.

Жидкотекучесть определяют по длине канала, который заполняется металлом при температуре разливки. Этот параметр не очень точно измеряется, так как зависит от скорости заполнения изложницы, состояния ее поверхности, теплопроводности материала, начальной температуры разливки. На жидкотекучесть влияет содержание фосфора, серы и углерода. Наиболее резко влияющим фактором является температура. Повышение температуры на 100C увеличивает жидкотекучесть примерно в два раза.

Усадка. Различают литейную и объемную усадку: Dl=[(l0 – lк)/l0]×100 и

Dv=[(v0-vк)/v0]×100, причем Dvº3Dl.

Литейная усадка серого чугуна 1%, стали 2%, меди – 1,5%. Наиболее интенсивным средством борьбы с усадочными раковинами является использование прибыльных надставок.

Смеси песка и глины должны обладать пластичностью, прочностью, газопроницаемостью, огнеупорностью, теплопроводностью, долговечностью и дешевизной, недефицитностью.

Пластичность – это способность воспринимать форму модели. Эта характеристика зависит, в основном, от влажности и содержания глины. Прочность необходима для сохранения формы при толчках, давлении, металла. Прочность растет с повышением содержания глины и уменьшением размеров частиц песка. Вода, при содержании до 6-8% повышает прочность, а затем снижает. Газонепроницаемость – способность пропускать через свои поры пары воды и газы, образующиеся при контакте с жидким металлом. При недостаточной газонепроницаемости литейная форма плохо заполняется металлом, а сама отливка поражается газовыми раковинами. Эта характеристика зависит от состава смеси, то есть от распределения частиц по размерам и способа уплотнения, который проводится встряхиванием, либо давлением. Огнеупорность существенно зависит от содержания различных добавок и их поведения по отношению к металлу. Самое главное, чтобы формовочная смесь не пригорела к металлу.

Пригар зависит от наличия примесей легкоплавких веществ, таких как Na2CO3, K2CO3, NaCl и т.п., а также соединений, дающих легкоплавкие соединения при взаимодействии с SiO2.

Задачей литейного производства является получение изделий путем заливки жидкого металла в специальные литейные формы.

Различают заливку в земляные формы, оболочковые и металлические. В большинстве случаев при производстве чугунного и, тем более, стального литья форма из «земли», т.е. смеси песка и глины, используется один раз.

При выплавке сплавов с низкой температурой плавления даже формы, изготовленные из огнеупорных смесей используются несколько раз.

Литье в металлические формы является более прогрессивным, но, как правило, требует подпрессовки металла, что в случае разливки чугуна и стали осуществлять непросто. Поэтому при литье стали в металлические формы их поверхность покрывают огнеупорными красками.

Внутренняя часть формы представляет собой чуть более крупный отпечаток будущего изделия. Например, нам требуется отлить втулку, т.е. отрезок трубы. Ясно, что внутренняя часть втулки не должна заполняться металлом. Поэтому эта часть литейной формы должна быть заполнена другим материалом, а не материалом, из которого отливается втулка. Для заполнения этой части изделия используют стержни, изготавливаемые из специальной формовочной смеси. Указанная смесь забивается в стержневой ящик. Стержень изготавливается так, чтобы он мог легко размещаться в форме. С этой целью его делают длиннее втулки и выступающие части стержня делают коническими. Коническая часть стержня устанавливается в специальных «знаках», т.е. выемках, образованных в формовочной земле моделью втулки, изготовленной с учетом конусности выступающих частей стержня.

Обработка давлением обеспечивает изменение формы, а, следовательно, и размеров заготовок из различных материалов.

Наиболее распространенным способом изготовления сортовых, листовых и трубных изделий является прокатка.

Поскольку пластическая деформация сопровождается деформационным упрочнением, при котором увеличивается прочность, но снижается пластичность, а термическая обработка может это упрочнение снижать, то становится ясным, что конечные свойства обрабатываемых заготовок зависят от последовательности и интенсивности выполнения различных операций на всех стадиях прокатки.

Поведение материалов под нагрузкой зависит и от скорости ее приложения. Поэтому, детали из высокопрочных материалов целесообразнее изготавливать относительно более медленными, но менее локализованными по нагрузке методами прессования. При этом могут быть получены и более сложные по своей форме их профили.

Прокатка осуществляется на вальцовых станах, а прессование на прутковых и трубных прессах.

При уменьшении внешних размеров изделий и заготовок возрастают относительные затраты на перемещение исполнительных механизмов прокатного и прессового оборудования.

Для производства металлов используются руды, флюсы, топливо. Эти материалы перерабатываются в плавильных агрегатах, внутренняя поверхность которых покрыта огнеупорами.

Руды являются природным минеральным сырьем. Они содержат примешанные и растворенные компоненты. Руды черных металлов являются оксидами. Отделение примесных компонентов достигается обогащением руд, методами флотации и обжиг-магнитным обогащением. Флотация основана на различии смачиваемости водой различных компонентов (минералов), входящих в состав руд. Различия смачиваемости минералов добиваются предварительной обработкой их маслами. Обжиг-магнитное обогащение применяется для обработки немагнитных железных руд. Из множества оксидных соединений железа лишь магнетит (Fe3O4) может отделяться от остальных компонентов руд в магнитном поле.

Сульфидные руды цветных металлов перед плавкой в основном обогащаются флотацией.

Для получения металла из оксидов железа применяются как методы прямого восстановления, когда смеси порошков руды и восстановителя (углерода в виде измельченного кокса) окатываются в гранулы и восстанавливаются в потоке газов, нагретых до 900C. В этом случае получают окатыши. Окатыши охлаждают без доступа воздуха, и восстановленное железо не проходит стадии плавления.

При выборе конструкционного материала для тех или иных целей инженер должен руководствоваться не только соответствием его свойств эксплуатационным и технологическим характеристикам, но также и экономической целесообразностью.

В практической деятельности экономическая целесообразность выбора материала в значительной степени определяется его стоимостью.

Наиболее дешевым материалом являются углеродистые стали. Причем их цена меняется в зависимости от вида полуфабриката (пруток, сорт, лист). Наиболее высокую стоимость имеют тонколистовые стали.

Стоимость легированных сталей определяется не только типом и размерами полуфабрикатов, но также количеством и стоимостью входящих в них легирующих элементов. Так, стоимость низколегированных сталей, легирующими элементами, в которых являются недорогие хром, марганец, кремний, незначительно отличается от стоимости углеродистых сталей. Обычно же стоимость легированных сталей тем выше, чем больше в них дорогостоящих элементов. Например, быстрорежущие инструментальные стали

Из общего объема используемых конструкционных материалов, наибольшую долю составляют металлы и сплавы на металлической основе (стали и чугуны, латуни и бронзы, сплавы на основах магния, алюминия, титана и других металлов).

Получают эти материалы, как правило, выплавкой из руд, хотя последние десятилетия все шире развиваются методы порошковой металлургии (компактирование и спекание готовых изделий из порошков сталей и сплавов заданного состава).

Выплавку самого большого класса металлических материалов (сталей и чугунов, сплавов из железной и никелевой основах) осуществляют различными методами: мартеновским, конвертерным, электродуговым и др.

Метод выплавки определяет содержание вредных примесей (серы, фосфора, кислорода и др.), а, следовательно, и свойства этих материалов.

Углеродистые стали обыкновенно качества (с содержанием серы до 0,05- 0,06% и фосфора до 0,06-0,07%) выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Легированные качественные стали и высококачественные стали (с содержанием и Р не более 0,025 каждого) выплавляют в электропечах. Особовысококачественные стали (например, шарикоподшипниковые типа ШХ, с содержанием и Р не менее 0,015%) после выплавки в электропечах подвергают обработке синтетическими шлаками и другим методам очистки.

Керамикой называют материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками (кварц, каолин и др.), а также спеканием оксидов, карбидов, нитридов и др. соединений.

Разновидности керамики: 1) терракота – пористый, неглазурованный материал, идущий на изготовление посуды, облицовочной плитки и др.; 2) майолика – покрытая глазурью керамика. Используемая для тех же целей, что и терракота; 3) фаянс – смесь огнеупорной глины с каолином, кварцем и др. добавками; 4) фарфор, при изготовлении которого используются те же компоненты, что и для фаянса, но в других соотношениях; отличается режимами отжигов.

Фарфор и фаянс используют для изготовления посуды, санитарно- технических изделий, изоляторов в электротехнической промышленности. Основные свойства фаянса и фарфора – высокая прочность на сжатие, но и высокая хрупкость. Рабочие температуры этих материалов до 1600C. Обладают высокой коррозионной стойкостью и допускают контакт с пищевыми продуктами.

В пищевой промышленности их используют для изготовления посуды, футеровки ёмкостей из углеродистых сталей (выпускается специальный кислотоупорный фарфор). Фарфор и фаянс широко используют в фармацевтической, парфюмерной, витаминной промышленности.

Стеклом называют твёрдые, прозрачные, аморфные материалы. Стекла делятся на органические и неорганические.

Органическое стекло (о.с.) является одной из разновидностей пластмасс.

Основой его является органический полимер (полиметилметакрилат).

Отличительной особенностью о.с. является его лёгкость (плотность 1,18-1,19 г/см3), высокая удельная прочность, хорошая стойкость по отношению к ударным нагрузкам (хрупкость отсутствует до температур –60C), хорошие диэлектрические свойства. О.с. пропускает до 90-92 % ультрафиолетового излучения, неорганические стёкла пропускают лишь 1-3 %.

Для повышения стойкости о.с. против растрескивания его подвергают растяжению в размягченном состоянии (нагретом до 130-140C) в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Это приводит к повышению ударной вязкости в 7-10 раз.

Используется о.с. при изготовлении ограждений осветительной аппаратуры, защитных щитков на станках и т.п. В автомобильной промышленности применяют для изготовления безосколочного стекла триплекс, когда два слоя неорганического стекла склеиваются со слоем о.с.

Резинами называют высокоэластичные материалы, изготовленные из каучуков (натуральных и синтетических) с добавками серы и других связующих элементов.

Каучуки – это полимеры с линейной, либо разветвлённой структурой макромолекул. Процесс переработки каучуков в резину называется вулканизацией. При этом процессе структура макромолекул переходит в сетчатую форму. Степень сетчатости полимера зависит от количества добавляемой серы. Соответственно с этим меняются и эластические свойства резины. При добавлении 5-10 % серы образуется редкосетчатая структура каучуков и получается обычная эластичная резина. Если же добавки серы достигают 30 %, формируется густосетчатая структура, эластичные свойства исчезают, и получается жёсткий материал называемый эбонитом.

При вулканизации, помимо серы, добавляют ускорители (полисульфиды, оксиды свинца и др. добавки), а также пластификаторы (стеарин, вазелин, растительные масла), антиоксиданты, замедляющие процесс старения (воск, парафин) и наполнители (мел, тальк, старая измельчённая резина) для удешевления стоимости резины.

Термопластичные пластмассы

Полиэтилен. Основой служит, получаемый полимеризацией под давлением, карбоцепной полимер (-CH2-CH2-)n. В зависимости от температуры и давления при изготовлении, степень кристалличности меняется от 50 до 90 %. Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) имеет степень кристалличности – 50-60 %, удлинение d до 700 %, разрушающее напряжение при растяжении - sв 8-16 Мпа. Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) имеет степень кристалличности 80- 90 %, sв –21-28 Мпа, d-200 %.

Температуры эксплуатации полиэтиленов от –700С до +60-900С. Они обладают хорошей водостойкостью, (но в тонких слоях пропускают воздух), отличаются хорошей стойкостью к разбавленным кислотам и щелочам, хорошими диэлектрическими характеристиками. Изделия из полиэтилена выпускаются в форме готовых изделий (труб, ёмкостей), а также в виде листов и плёнок. Чистый полиэтилен, не подвергавшийся облучению, является экологически безвредным. Его широко используют при переработке, хранении и упаковке пищевых продуктов.

Полипропилен получается методом поликонденсации пропилена. Он более прочен, чем полиэтилен (sв до 25-40 МПа), может работать до более высоких температур (120-150С), но он менее морозостоек (до –30С). Полипропилен применяют для изготовления труб, пленок, синтетических волокон, бытовых и технических тканей.

Пластмассами называют материалы, основой которых являются полимеры, т.е. высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа звеньев (мономеров).

Сырьём для получения синтетических полимеров являются уголь, нефть, газ, горючие сланцы.

По своему строению молекулы полимеров могут быть ленточными (цепочечными), разветвленными и сетчатыми. В зависимости от строения молекул, меняются и свойства изготовляемых пластмасс.

Способов синтеза полимеров существуют достаточно много. Но наиболее распространёнными являются три: 1) полимеризация, когда мономеры соединяются в полимер без образования побочных продуктов; 2) поликонденсация – при образовании полимера образуются побочные продукты и состав полимера отличается от исходных мономеров; 3) химическая модификация – осуществляется путем замены атомов водорода в исходных мономерах атомами других элементов, чаще всего хлора и фтора.