ВВЕДЕНИЕ

Наука о литье относится к «стыковым» наукам, возникшим на перекрестках научных направлений. В ее основе лежит физика, химия и математика, в то же время она тесно связана с теплофизикой, кристаллохимией, металлофизикой, гидродинамикой и другими смежными науками. Становление и уровень развития теории процессов литья в большой мере определяются полнотой использования достижений смежных наук. Объектом научного изучения являются процессы литья — одни из самых экономичных и совершенных методов получения деталей машин и других изделий из металлов, пластмасс и силикатных материалов. Основное отличие технологии литья от технологии механической обработки, штамповки, ковки, сварки и др. заключается в возможности получения изделий не только высокой размерной и массовой точности, но и с заданным комплексом механических, физических и химических свойств. Материал отливки в жидком состоянии (металл, сплав, химическое соединение) обладает, как правило, большой подвижностью и деформируемостью, легко заполняет любые полости литейной формы, что обеспечивает получение литых изделий сложной конфигурации. Изменение состава покрытий литейных форм позволяет дифференцированно управлять процессом формирования химического состава и структуры литого изделия.

Огромные материальные ресурсы затрачиваются на строительство новых и реконструкцию действующих литейных цехов, создание новейшего оборудования, контрольных приборов и вычислительной техники для литейного производства, его автоматизацию и роботизацию. Одновременно с этим масштабы литейного производства и возрастающие требования к качеству отливок ставят много новых задач, для решения которых необходимы принципиально новые научные подходы, применение сложной вычислительной техники, систем анализа и обобщения огромного количества теоретических и экспериментальных данных.

Современные научные основы процессов литья, которые базируются на многочисленных эмпирических рецептах сплавов, модификаторов, формовочных смесей и покрытий, а также на приемах, выработанных длительной практикой (в связи с чем имеют в большинстве случаев описательный характер), уже не могут служить надежной базой для решения проблем сегодняшнего и тем более завтрашнего дня.

Значительным тормозом развития науки о литье является различие приводимых в справочной литературе данных о температуре плавления веществ (разброс составляет более 10 СС), температуре кипения (50), теплотах плавления и испарения, энергии активации процессов взаимодействия и других свойствах веществ, имеющих определяющее значение для выбора параметров процессов литья. Неоднозначны также сведения о влиянии на процесс формирования отливок соединений кислорода, азота, водорода и других веществ.

Эффективность и темпы научных исследований и технологических разработок в области литейного производства в большой мере снижаются также из-за малого научного задела и недостатка достоверных обобщающих закономерностей, методик, классификаций, математических и физических моделей, типовых решений и т. п.

Формирование целенаправленного научного потенциала, создание банка данных и зависимостей в теории процессов литья является одной из первостепенных задач научных исследований. Наличие корреляции между свойствами материалов и закономерностями их взаимодействия — объективная реальность, обусловленная законами природы, и установление качественной и количественной взаимосвязи между ними дает возможность прикладным наукам получить обобщенные зависимости и постоянные значения соотношений свойств материалов и параметров процессор взаимодействия. Следовательно, эффективность экспериментальных исследований и технологических разработок, объем которых в настоящее время достигает 80 % объема исследовательских работ, определяется главным образом наличием фундаментальных концепций и знанием закономерностей, выраженных в виде детерминированных зависимостей постоянных и коэффициентов, правил и критериев оценок, классификаций и т. п.

В последние годы значительно возрос объем научно-исследовательских, теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных работ, проектно-конструкторских и технологических разработок. Кроме того, успехи в развитии физики и химии, математики и материаловедения обусловишь накопление большого объема новых экспериментальных данных о свойствах материалов и параметрах процессов. Анализ показывает, что коэффициент использования этих данных, изложенных в многочисленных отчетах, статьях, рефератах, докладах, диссертациях, авторских свидетельствах, методических руководствах, отзывах, заключениях, монографиях, технико-экономических обоснованиях и технических заданиях, часто не превышает 10—15 %. Столь низкий процент объясняется отсутствием системного обобщения накопленных данных. Этот недостаток может быть восполнен созданием общих теоретических основ обобщения экспериментальных и расчетных данных, установлением закономерностей взаимосвязи различных свойств, соотношений величин, коэффициентов и постоянных.

Таким образом, масштабы практического применения теоретических закономерностей и расчетов могут быть существенно расширены и их технико-экономическая эффективность повышена при наличии простых достоверных постоянных величин, характеризующих свойства материалов и параметры процессов.

В становлении научных основ и развитии литейного производства большую роль играет справочная литература, позволяющая получить определенный объем информации, в том числе по числовым значениям и корреляции физико-химических характеристик материалов и процессов. Однако справочники по литейному производству, изданные за последние 20—30 лет в СССР и за рубежом, приводят разрозненные данные о ГОСТах и ТУ на традиционные материалы, типах оборудования и оснастки, технологических приемах, операциях, режимах и других сугубо профессиональных характеристиках. Обобщение и выбор достоверных данных предоставляется самому читателю.

В основе научно-технических разработок в области литейного производства лежат процессы синтеза и фазовых переходов материалов, что требует в большинстве случаев знания не бесчисленного множества разрозненных исходных данных, а целого их комплекса, причем комплекс может включать параметры, трудно определяемые экспериментально или определенные с недостаточной степенью точности. Поэтому для решения практических задач, связанных с теорией и практикой получения отливок, очень важно иметь значения соотношений величин, постоянные при изменении температуры, давления и других внешних воздействий на систему. По таким постоянным, зная одну величину, можно определить другую — неизвестную.
В настоящем справочнике приведены сведения о зависимостях и корреляции физико-химических величин, представленных в виде соотношений постоянных материалов и параметров процессов, использование которых позволяет существенно уменьшить объем экспериментальных работ, повысить производительность и эффективность труда ученых и инженеров. Необходимость таких обобщений диктуется недостаточным использованием фундаментальных законов и зависимостей при изыскании новых материалов, разработке прогрессивных процессов литья и создании приборов и оборудования для литейного производства.

Кроме того, представлены приведенные постоянные, которые определяют корреляцию обширного комплекса свойств веществ в твердых, жидких и газообразных состояниях (температур и теплот фазовых переходов и полиморфных превращений, температурных коэффициентов электросопротивления, линейного расширения, теплопроводности, вязкости и жидкотекучести, энергий атомных связей и кристаллических решеток, потенциалов ионизации и энергий активации диффузионных процессов, атомных (ионных) радиусов, координационных чисел, твердости и плотности веществ и параметров протекающих в них процессов.

Основное внимание в справочнике сосредоточено на объектах, методах и масштабах исследования процессов литья, для интенсификации которых необходимо широкое применение физико-химических постоянных; интерпретации физического смысла, математическом описании и числовых значениях универсальных и фундаментальных физико-химических постоянных процессов литья; приведенных постоянных корреляции атомной структуры и свойств веществ, температур, энергий и тепловых эффектов.

Для обобщения и формирования приведенных постоянных использовались только экспериментальные данные, взятые из отечественных и зарубежных литературных источников. Значительная часть исходных физико-химических величин представляет собой результаты экспериментальных исследований отдела физико-химии формовочных материалов Института проблем литья АН УССР.

Погрешность числовых значений приведенных постоянных обусловлена неточностью исходных данных. Известно, что результаты измерений некоторых физико-химических характеристик многих веществ существенно различаются. Особенно часты расхождения для литейных материалов, для которых характерны отклонения от стехиометрического состава, дефекты структуры и пористость. Кроме того, погрешность экспериментальных данных зависит также от технологии приготовления образцов и методики исследования.

Точное определение показателей физико-химических свойств литейных материалов осложняется главным образом изменением их агрегатного состояния, химического состава, структуры и воздействия среды, температуры и давления в условиях службы. Поэтому приведенные постоянные отражают наличие универсальных детерминированных взаимосвязей параметров процессов и свойств веществ. Они фиксируют в основном лишь уровень корреляции этих характеристик, который по мере уточнения исходных данных будет приближаться к точному значению.

Приведенные постоянные условно делятся на размерные и безразмерные. Размерные постоянные получены для неоднородных величин, а безразмерные — для однородных, характеризующих одно и то же свойство веществ. В справочнике представлены и используются следующие безразмерные постоянные:
отношение температур плавления, кипения и текущих;
отношение теплот кристаллизации, плавления, испарения и образования веществ;
отношение теплоемкостей;
отношение коэффициентов тепловой аккумуляции;
отношение коэффициентов теплопроводности;
отношение значений температуропроводности; отношение температурных коэффициентов линейного расширения и электросопротивления;
отношение коэффициентов кинематической вязкости и диффузии;
отошение значений энергий кристаллической решетки и межатомной связи;
отношения атомных и ионных радиусов;
отношения прочностных параметров;
отношение значений плотности веществ
Безразмерные отношения физико-химических величин удобны для практических расчетов и установления взаимосвязей с другими величинами. Поэтому применение их в прикладных науках, исследования в которых базируются на эксперименте, позволяет существенно повысить полноту обобщений результатов исследования.

Приведенные в справочнике значения физических единиц выражены в единицах СИ. Все табличные данные интерпретированы и снабжены ссылками на оригинальные работы.

Авторы представляют себе сложность решения поставленной задачи и понимают, что справочник не лишен некоторых недостатков, поэтому все замечания специалистов будут приняты с благодарностью.

Авторы надеются, что справочник будет полезен специалистам, работающим в области изучения взаимодействия жидких, твердых и газообразных фаз, инженерам, разрабатывающим технологические процессы литья непосредственно на предприятиях, а также преподавателя, аспирантам и студентам вузов. Авторы выражают признательность ответственному редактору доктору физико-математических наук И. В. Матяшу, рецензентам докторам технических наук Ю. Г. Бобро и Д. Ф. Чернеге, а также члену корреспонденту АН УССР Ю. З. Бабанину, доктору химических наук В. А. Оболончику за ряд полезных замечаний при подготовке рукописи к изданию.

Назад, на страницу описания