Доклад по физике на тему: "Литье металлов" - способы и условия получения отливок

Немного истории

По нынешнему размаху промышленности современная цивилизация всего за один год перерабатывает металл в таком объеме, на добычу которого в прежние времена ушла бы как минимум пара столетий. И дело не только в усовершенствованных технологиях и возросшей скорости производственных процессов. Такой объем металлопромышленной продукции — насущная потребность современного человечества.

В докладе по физике о литье металлов нельзя не уделить немного внимания зарождению и развитию литейного дела. Способность железа застывать в заданной форме при определенных условиях была высоко оценена людьми еще в древности. По предположениям многих ученых и исследователей, знакомство человечества с металлом осуществилось посредством метеоритов.

Метеоритное железо обладало всеми характеристиками, необходимыми для успешного литья (плавкостью и т. д. ). Именно это вещество положило начало зарождению литейного дела. Древние люди довольно быстро изучили основы процесса «укрощения» металла, после чего наступила стадия развития литья как составляющей жизнедеятельности. К эпохе Средневековья литейное дело было уже крупной отраслью с большим оборотом денежных средств.

На протяжении многих веков человечество постигало тайны металла и не напрасно. Сейчас познание уже достигло такого высокого уровня, что практически любой мастер-любитель может в домашних условиях изготовить простую и небольшую металлическую деталь.

Общая информация

Основной способ получения металлических изделий — это литье. Суть этого процесса заключается в заполнении какой-либо емкости или полости материалом в жидком агрегатном состоянии. Расплавленный металл заливают в специальную литейную форму.

Рабочей частью этой емкости служит полость определенного формата. Она задает помещенному в нее материалу нужные параметры — форму и размер, поверхность и ее качество. Последующий этап — термовременной переход вещества из жидкого в твердое агрегатное состояние. На этом этапе материал, который залили в полость, охлаждается и затвердевает, в результате чего приобретает заданные литейной формой габариты, конфигурацию и прочие характеристики. Полученные изделия называются отливками.

Литейное производство — это метод изготовления фасонных заготовок деталей посредством заливки металла в расплавленном состоянии внутрь заранее подготовленной полой формы, имеющей нужную конфигурацию. После отвердевания и охлаждения материала в полости образуется отливка-заготовка детали.

Стоит подчеркнуть, что полученный результат литейного производства — это именно заготовка, а не копия детали. Произведенная отливка при правильном проведении процесса создания максимально приближена по размерам и форме к оригинальной детали, но все же не повторяет ее полностью. Посредством литья невозможно получить точную копию. Это задачи последующей обработки и уже совсем другие этапы производства (затачивание, шлифовка и т. п. ).

Наименование литья применимо ко всему, что получают посредством процесса отлива металлов. Эта категория представлена не только продукцией литейного производства, но и художественными изделиями, а также продуктами народных промыслов.

Области применения

Технологический процесс литья металлов отличается востребованностью, так как его применение позволяет производить разнообразную продукцию высокого качества, не прибегая к громоздкому оборудованию и огромному количеству работников.

Этот способ производства используется для создания и выпуска различных металлических изделий, которые, в свою очередь, широко применяются в следующих отраслях:

• автомобилестроительной;
• авиационной;
• машиностроительной;
• электротехнической;
• медицинской (в частности — стоматологической и ортопедической);
• ювелирной и т. д.

На современном рынке металлопромышленности эта производственная технология пользуется высочайшим спросом. Более того, литье металлов входит в топовую десятку лучших мировых технологий, наиболее эффективных и самых применяемых.

Классификация литья

Литье включает в себя множество подкатегорий, значительно отличающихся друг от друга по самым разным критериям. Классификация литья металлов на основные разновидности отображена в таблице.

Основными критериями считаются материал изделия и технология отлива. Поэтому стоит рассмотреть относящиеся к ним категории подробнее.

Материал отливок

Литью поддаются все существующие металлы, но их пригодность для этого процесса далеко не одинакова. Они отличаются друг от друга по своим литейным свойствам — ключевым параметрам для процесса. Главным показателем пригодности материала для литья служит его жидкотекучесть. Этот параметр отражает способность к заполнению литейной формы любой конфигурации. Степень жидкотекучести вещества находится в зависимости от следующих его характерных особенностей:

• химического состава;
• внутренней структуры;
• температуры плавления.

Материал для отлива должен обладать высоким значением жидкотекучести. Для этого у него, в частности, должна быть низкая температура плавления. Чем ниже этот показатель у материала, тем легче производится его отлив и, соответственно, тем меньше затрат требует производственный процесс. Именно поэтому самые востребованные и распространенные в промышленности металлы — это обладатели низкой температуры плавления.

Металлы, пригодные для литья и активно применяемые в этом процессе, делятся на три категории:

• черные;
• цветные;
• редкоземельные.

Кроме того, иногда в отдельную категорию выделяются сплавы, в основу которых положены черные или цветные металлы (например, для первых это чугун с шаровидным графитом). К группе черных металлов относятся отливки из сплавов на основе железа:

• стали;
• ковкого чугуна;
• литейного чугуна.

Редкоземельными металлами называются 17 элементов периодической системы Менделеева. Разумеется, по востребованности в металлопромышленности они значительно уступают масштабам литья черных и цветных металлов.

Что касается цветных металлов, то они представлены драгоценными материалами, а также веществами, не включающими в свой состав большого количества железа:

• алюминием;
• бронзой;
• висмутом;
• золотом;
• латунью;
• медью;
• магнием;
• никелем;
• оловом;
• платиной;
• свинцом;
• серебром;
• титаном;
• цинком и т. д.

Для каждого вида материала в соответствии с его свойствами и характеристиками определены предпочтительные технологии отлива. Это позволяет произвести изделие с нужными параметрами и качествами, а также, что не менее важно, избежать брака.

Технология производства

С момента возникновения литейного производства и до настоящего времени было разработано множество различных техник отлива, отличающихся по условиям. Так как этих технологий очень много и охватить их все в рамках одного доклада невозможно, стоит рассмотреть главные из них. К основным способам литья металлов относятся следующие:

• статический;
• центробежный;
• под давлением.

Статическое литье выражается в заливке материала в неподвижную форму. Это самый часто применяемый метод и, вероятно, наиболее легкий и простой. Металл, который расплавили, заливают в полость неподвижной литейной емкости пока та не заполнится. Затем материал выдерживают в форме до его отвердевания.

Центробежный тип литья подразумевает заливку расплавленного материала в специальную металлическую или песочную форму, которая вращается вокруг оси (горизонтальной или вертикальной). Этот способ отлива отличается экономичностью, к тому же для производства определенных видов продукции он подходит гораздо больше, чем отлив статического типа. К такой продукции относятся кольца и трубы осесимметричного типа и многое другое. Особым спросом пользуются изготовленные центробежным способом заготовки с формой тел вращения — это всевозможные втулки, роторы, гильзы и т. д.

Метод отливки под давлением отличается:

• высокой производительностью;
• высоким качеством;
• точными размерами изделия, что сводит потребность в его последующей механической обработке к минимуму.

Суть процесса выражается в следующем — автоматический литейный механизм наполняет специальную пресс-форму из металла (матрицу для отливки) расплавленным материалом под давлением в диапазоне 7−700 МПа. Отливки, произведенные таким методом, широко применяются в качестве составных деталей при сборке автомобилей, компьютеров и большой части бытовой техники.

Стоит также отметить, что различные виды литья металлов могут применяться как по отдельности, так и в объединенном (совмещенном) варианте — например, литье электрошлакового типа в кокиль и т. п.

Изучение процесса литья входит в школьную программу и относится к физике за восьмой класс. Такой доклад на тему литье металлов поможет учащимся в усвоении изучаемого материала.