Table Of ContentАКАДЕМИЯ НАУК СССР
_/ - / ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ
ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ им. А. А. БАЙКОВА
КОМИССИЯ по ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
З А Т В Е Р Д Е В А Н И Е
МЕТАЛЛОВ
ТРУДЫ ВТОРОГО СОВЕЩАНИЯ
ПО ТЕОРИИ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
Ю Под редакцией
д-ра техн. наук проф. Б. Б. Г УЛ ЯЕВ А
%
1
о
З
МАШГИЗ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Москва 1958
В сборнике „Затвердевание металлов” включено 29 статей,
посвященных вопросам установления закономерностей затвердевания
металла и определению условий, способствующих получению здоро
вых отливок.
Рассматриваются вопросы тепловых явлений в металлических и
песчаных формах, свойств формовочных материалов, условий затвер
девания отливок в оболочковых формах, кинетики прогрева пори
стых тел (форм), влияния состава сплава на процесс затвердевания,
условий образования зональной структурной и химической неоднород
ности отливок и другие актуальные вопросы. Также рассматриваются
вопросы применения методов моделирования и радиоактивных изото
пов для изучения затвердевания.
Сборник рассчитан на широкие круги инженерно-технических и
научных работников, работающих в области литейного производства,
металлургии и металловедения.
Редактор канд. техн. наук П. Г. Новиков
Редакция литературы по тяжелому машиностроению
Зав. редакцией инж. С. Я. ГОЛОВИН
П Р Е Д И С Л О В И Е
! Затвердевание металлов является коренной проблемой теории
литейных процессов.
Под затвердеванием принято понимать процесс перехода металла
: из жидкого состояния в твердое при охлаждении без учета того, что
твердая фаза образуется в виде кристаллов. Под кристаллизацией
понимаются процессы возникновения и роста кристаллов, в резуль
тате которых формируется структура металла. Разделение этих двух
j понятий условно; каждое из них характеризует свою сторону еди
ного процесса. Однако оно оправдывается удобством анализа и тем,
что многие литейные процессы можно изучать, полностью игно-
рируя особенности роста отдельных кристаллов.
Н Проблема затвердевания металлов вызывает широкий интерес
со стороны литейщиков, металлургов, теплотехников, физиков,
сварщиков и представителей других смежных специальностей. За
последние годы в Советском Союзе и за рубежом в этом направлении
проведено большое количество исследований.
В настоящий сборник включены доклады, зачитанные на втором
совещании по затвердеванию металлов, организованном Институтом
машиноведения АН СССР (Литейной секцией Комиссии по техноло
гии машиностроения) и Институтом металлургии АН СССР имени
Байкова. Совещание обобщило многочисленные работы, проводив
шиеся в институтах Академии наук СССР, отраслевых научно-иссле
довательских институтах, на кафедрах вузов и на заводах в области
изучения этой проблемы.
* Доклады, представленные в сборнике, разделяются на три группы:
1. Изучение тепловых процессов, происходящих при затверде
вании металлов.
2. Изучение физико-химических процессов, происходящих при
1 затвердевании металлов.
3. Разработка и анализ методов улучшения качества отливок
путем регулирования условий их затвердевания.
Предлагаемый сборник представляет собой труды второго сове
щания по теории литейных процессов, подготовленного Литейной
секцией Комиссии по технологии машиностроения совместно с дру
гими организациями.
В настоящее время подготовляются к изданию труды третьего
совещания по теории литейных процессов, посвященного проблеме
усадки в металлах.
Д-р. техн. наук проф. Б. Б. ГУЛЯЕВ
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕНИЯ
ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ МЕТАЛЛОВ
Значение проблемы затвердевания металлов определяется тем,
что на основе ее решения для конкретных случаев становится воз
можным построение рациональных технологических процессов полу
чения слитков и отливок высокого качества с минимальными затра
тами труда и материалов при максимальной производительности
труда. Изучение и решение этой проблемы будет способствовать
подъему литейного производства на более высокий технический
уровень, повышению качественных показателей продукции металлур
гии и машиностроения, сокращению потерь металла в производстве
особенно от брака.
Развитие изучения проблемы затвердевания металлов можно
разделить на следующие этапы.
Первый этап производственных наблюдений охватывает XIX в.
Учение о затвердевании металлов возникло в середине прошлого
века в связи с необходимостью разливки больших количеств металла,
главным образом стали, и получения деталей машин ответственного
назначения, работающих в сложных условиях. В России этот период
представлен классическими работами А. С. Лаврова, Д. К- Чернова,
а также других металлургов.
Первые исследователи затвердевания металлов были заводскими
работниками. Их экспериментальные возможности были весьма
ограниченными. Основным средством изучения было внимательное
наблюдение за ходом производственного процесса. Однако в этих
работах были высказаны правильные и глубокие идеи о природе
затвердевания слитка. А. С. Лавров и Д. К. Чернов понимали затвер
девание как простой последовательный процесс, начинающийся на
поверхности слитка и заканчивающийся в центре; сущность про
цесса заключается в росте кристаллов, возникающих в некоторых
центрах кристаллизации.
На фиг. 1 представлены рисунки А. С. Лаврова, изображающие
строение стального слитка и твердую корку, оставшуюся после
выливания жидкого остатка в результате опытов, осуществленных
им впервые в 1866 г.
Фиг. 1. Рисунки А. С. Лаврова:
-схема строения слитка; б — затвердевшая корка, оставшаяся после выли-
вагшя жидкого остатка.
6
На фиг. 2 представлены рисунки Д. К- Чернова, изображающие
схемы роста кристаллов при затвердевании и общего строения слитка.
Эти схемы предложены в 1878 г.
При изучении затвердевания слитков А. Ледебуром, X. М. Гау.
Р. Аустеном и другими крупными иностранными металлургами
прошлого века использовались аналогичные приемы и высказыва
лись представления о механизме затвердевания, близкие к идеям
A. С. Лаврова и Д. К. Чернова.
Второй этап — создания и господства теории объемной кристал
лизации охватывает период от конца прошлого века до 30-х годов
нынешнего. Основоположником теории объемной кристаллизации
явился известный физико-химик и металловед Г. Тамман. Его пер
вые исследования процессов кристаллизации для своего времени
были шагом вперед. Исследования, проведенные им на органических
жидкостях, показали, что скорость кристаллизации и скорость
возникновения центров кристаллизации определяются величиной
переохлаждения.
Последующие опыты показали, что некоторое переохлаждение
при больших скоростях охлаждения обнаруживается и при кри
сталлизации металлов. Поэтому был сделан вывод о том, что зако
номерности, вскрытые при кристаллизации глубоко переохлаждаю
щихся органических жидкостей, являются универсальными.
Г. Тамман в более поздних работах, и особенно его многочислен
ные последователи, перенесли явления, наблюдаемые в микро
объемах, на макроскопический процесс затвердевания слитка
в целом.
Отсюда выросла теория объемной кристаллизации, полагающая,
что весь жидкий металл, заливаемый в форму, одновременно
и глубоко переохлаждается, далее во всем этом объеме одновре
менно растут изолированные кристаллы, а освобождающаяся при
этом теплота кристаллизации расходуется на нагрев переохлажден
ного металла до температуры кристаллизации. Предполагалось,
что изолированные кристаллы падают на дно изложницы, создавая
кучу, образ которой видели в нижнем конусе слитка.
Схема объемной кристаллизации слитка представлена на фиг. 3, а.
Теория объемной кристаллизации слитка не была подтверждена
прямыми экспериментами, так как металл не прозрачен и рост
кристаллов наблюдать в нем было невозможно, однако она казалась
логичной. Это представление господствовало свыше 30 лет.
В Советском Союзе это представление о затвердевании поддер
живалось и развивалось С. С. Штейнбергом, Г. 3. Нессельштраусом,
B. О. Гагенторном и др. За рубежом ее полностью разделяли помимо
сотрудников Г. Таммана, А. Портевен,- К. Бенедикс, А. В. и
Н. Брирлей, Л. Норскот, Д. X. С. Дикенсон и др.
Третий этап— экспериментальных исследований и развития
теории последовательной кристаллизации охватывает период 30—
40-х годов. *
В начале 30-х годов в Ленинградском институте металлов под
руководством акад. Н. Т. Гудцова была организована лаборатория
7
8
по изучению кристаллизации стали, и в ней впервые в Советском
Союзе были развернуты экспериментальные исследования затверде
вания слитков. Сотрудники этой лаборатории А. К. Жегалов,
И. Я. Гранат, В. М. Тагеев, Б. Б. Гуляев и др. применили для изу
чения процессов затвердевания слитков методику термического ана
лиза. Измерения температур показали, что в затвердевающих
в реальных условиях слитках из реальных технических металлов
переохлаждение не обнаруживается.
Из этого факта были сделаны следующие выводы: изолированные
кристаллы в жидком не переохлажденном металле расти не могут;
рост кристаллов может происходить у поверхности формы или около
ранее затвердевших слоев металла, которым они могут передавать
теплоту кристаллизации; затвердевание реальных слитков и отливок
происходит „последовательно; «дождь» падающих кристаллов при
затвердевании слитка не имеет места.
Схема последовательной кристаллизации представлена на
фиг. 3, б.
Эта точка зрения первоначально яростно оспаривалась, однако
последующие эксперименты не смогли ее опровергнуть, и она приоб
ретала все больше сторонников.
В настоящее время прямые опыты с радиоактивными индикато
рами позволяют отвести гипотезу о «дожде» падающих кристаллов.
В указанный период проводится громадная работа по экспери
ментальному изучению затвердевания металлов. Ценные исследо
вания затвердевания слитков проводят В. К. Половко, Н. Д. Агеев,,
В. И. Лапицкий, А. С. Лившиц, В. А. Давиденков, А. П. Попов,,
Н. Скороходов, К. Г. Трубин, Г. И. Ойкс, П. В. Умрихин и др.
Систематическое изучение процессов затвердевания фасонных
отливок в песчаных формах -начинается в Советском Союзе перед,
началом войны 1941—1945 гг. и широко развертывается в после
военные годы.
Важные работы в этом направлении проводятся П. П. Бер
гом и О. В. Колачевой, П. И. Бидулей, Ю. А. Нехендзи, Л. И. Леви,,
А. А. Рыжиковым, А. Д. Поповым, Н. П. Дубининым, А. А. Горш
ковым, Р. П. Кузиным и др.
Значительные исследования по затвердеванию отливок из цвет
ных сплавов проводятся А. А. Бочваром, А. Г. Спасским и их сотруд
никами.
За рубежом в этот период наиболее существенные работы по
затвердеванию слитков и отливок проводят: Л. Н. Нельсон, Б. Ма
тушка, Д. Чипмен, П. Браденхойер, С. В. Бриггс, Р. А. Гезелиус,.
Н. И. Хворинов, Д. В. Больтон, В. Рот, В. Руфф и др.
Первые работы в области математического анализа проблемы
затвердевания в Советском Союзе проводятся также в Ленинградском
институте металлов. За рубежом эта задача решается: К. Шварцем,
П. М. X. Ляйтфутом, Н. И. Хвориновым, Т. Ф. Расселом. Матема
тические решения задачи о затвердевании слитков и отливок с самого
начала строятся исключительно на основе представления о после
довательном затвердевании. Их успех и количественное совпадение-
9
<с опытными данными являются дополнительным доказательством
-справедливости теории последовательной кристаллизации.
Четвертый этап — технологический.
Особенностью этого этапа является принятие теории затверде
вания металлов в качестве основы для построения общей теории
технологии литейного производства и разливки стали. Идейной сущ
ностью четвертого этапа является установление тесной связи тео
рии затвердевания с практикой. В работах этого этапа, развернув
шихся с конца 40-х — начала 50-х годов, уже имеется ряд дости
жений.
В настоящее время проблема затвердевания металлов изучается
многими организациями и специалистами.
Систематические исследования процессов затвердевания сталь
ных слитков и координацию этих работ в институтах и лаборато
риях Советского Союза осуществляет Институт металлургии
АН СССР.
Широкие исследования проблемы затвердевания мы продолжаем
в Ленинградском институте металлов по направлению, данному
акад. Н. Т. Гудцовым, Эти работы в отношении слитков ведутся
В. М. Тагеевым, Л. И. Морозенским, в отношении отливок —
'И. А. Шапрановым, Н. Н. Белоусовым и многими другими.
В Московском институте стали по вопросам затвердевания слит
ков работает Г. Н. Ойкс, по вопросам затвердевания отливок —
Л. Н. Фанталов с сотрудниками.
Значительную работу по изучению затвердевания отливок раз
вернула школа литейщиков Высшего технического училища имени
Баумана, возглавляемая Н. Н. Рубцовым. Особенно крупные
успехи достигнуты ею в области математического анализа проблемы;
это работы А. И. Вейника, Г. Ф. Баландина, Л. С. Константи
нова.
Большие работы по изучению чугунного и стального литья ве
дутся в ЦНИИТМАШе под руководством П. Н. Бидули, Б. С. Миль-
мана, В. Г. Грузина, П. Г. Новикова.
Над вопросами общей теории кристаллизации работают в
НИИЧермете ученики В. И. Данилова—Д. С. Каменецкая, В. Е. Ней-
марк, А. И. Духин и др.
Исследования затвердевания отливок из цветных сплавов ведутся
в Московском институте цветных металлов и золота под руковод
ством А. Г. Спасского.
Работы по изучению затвердевания отливок в Свердловске
были развернуты под руководством проф. А. А. Горшкова, в Горь
ком возглавляются — А. А. Рыжиковым.
В Ленинградском политехническом институте проф. Ю. А. Не-
хендзи и Н. Г. Гиршовичем ведутся работы по исследованию
затвердевания различных литейных материалов.
Большие исследовательские работы по изучению влияния затвер
девания на качество слитков и отливок ведутся на наших металлур
гических и машиностроительных заводах: Кузнецком, Магнито
горском, Кировском (в Ленинграде), Уралмаше, «Большевик»,
10
