В большинстве случаев для сталей и сплавов, получаемых после их выплавки и последующей первичной обработки давлением – прокатки, выдавливания или ковки – получить необходимые физико-механические свойства и структуру не удаётся. Что и понятно: повышение пластичности, например, способствует снижению суммарных энергозатрат при обработке заготовок, а неравномерная структура стального слитка неизбежна ввиду особенностей ведения большинства металлургических процессов.
Термическая обработка металлов
Но для дальнейшей эксплуатации деталей и узлов оборудования зачастую требуются совсем иные характеристики – прочность, твёрдость, жёсткость и т.д. Именно для этих целей и предназначена термическая обработка металлов.
Более того, поскольку осадки, некогерентные, стабильные и очень большие, далеко друг от друга из-за коалесценции, они оставляют длинную свободную траекторию движения дислокаций, что также способствует смягчению, характерному для сверхстарения. Основное различие между искусственным старением и естественным старением, помимо уровней твердости, которые могут быть достигнуты, – это кинетика процесса: в то время как пик твердости при искусственном старении может быть получен через несколько часов, при естественном старении максимальная твердость происходит только через неделю или более, поддерживая материал при комнатной температуре.
Сущность процессов термообработки
Задачами различных технологий термической обработки является:
- Обеспечение наиболее благоприятной микроструктуры сталей и сплавов;
- Получение нужного уровня твёрдости: либо в тонкой поверхностной (или подповерхностной) зоне, либо по всему поперечному сечению заготовки;
- Коррекция химического состава в зёрнах макроструктур различных сплавов.
В первом случае необходимо обеспечить максимальную степень однородности свойств металлов, что важно, например, для последующей механической или – особенно – деформирующей их обработки. В результате условия формоизменения заготовки по всем трём координатным осям оказываются одинаковыми, а брак конечной детали исключается.
Термическая обработка гомогенизации. . Также известный как предварительный нагрев слитка перед горячей обработкой, он может иметь несколько целей, в зависимости от сплава, продукта и производственного процесса. Одной из основных целей является повышение работоспособности. Микроструктура заготовки и литых пластин из алюминиевых сплавов является довольно неоднородной, представляя сегрегации в дендритной структуре с большим изменением химического состава, при этом содержание растворенного вещества постепенно возрастает от поверхностей до центра, а также наличие частиц второй фазы, которые предпочтительно образуются в контурах дендритов.
Кроме того, выравнивание микро и макроструктуры для процессов обработки металлов давлением необходимо для того, чтобы повысить степень деформации полуфабрикатов, приближая в итоге форму заготовки к форме готового изделия. Причём за наименьшее количество переходов, и используя минимально необходимое для этого усилие оборудования.
Из-за низкой пластичности, обусловленной локализованным присутствием этих частиц, расплавленные структуры связаны с низкой обрабатываемостью. Термическая обработка гомогенизации расплавленных структур была разработана эмпирически на основе металлографических наблюдений в оптической микроскопии для определения времени и температуры, необходимых для уменьшения сегрегации и растворения частиц второй фазы. Однако в последнее время появились методы, позволяющие количественно определять степень микросегрегации и скорости растворения и гомогенизации.
Изменение твёрдости (как следствие термической обработки) имеет своей целью улучшение эксплуатационных показателей деталей. Поскольку условия эксплуатации могут быть самыми разными, то и комплекс физико-механических свойств подбирается строго индивидуально: универсальных процессов термообработки сплавов с различным составом не существует.
В общем, чем глубже дендритная структура, тем больше сегрегация и чем сложнее гомогенизация, так как расстояния, которые должны быть преодолены диффузией атомов, становятся длиннее. Во время медленного охлаждения, которое следует за термической обработкой гомогенизации, происходит переосаждение частиц второй фазы, но это происходит более дисперсным, нелокализованным образом и не очень значительно внутри дендритов, а не в контурах, как и раньше. Кроме того, внутренним преимуществом гомогенизационной обработки является обеспечение сфероидизации почти нерастворимых железосодержащих частиц, что тем больше, чем больше растворимость и скорость диффузии элементов, содержащихся в частицах.
Изменение химического состава в зёрнах микроструктуры, вследствие образования новых соединений в большинстве случаев не только поднимает показатели твёрдости, но и повышает износостойкость деталей, которые должны эксплуатироваться при повышенном трении, температуре или увеличенных против обычного удельных нагрузках.
Закалка-отпуск
Присутствие таких элементов, как марганец, хром и цирконий, отличается от железа и кремния в терминах сегрегации и наличия частиц второй фазы. Эти элементы разделяются перитонеальной реакцией во время затвердевания таким образом, что образование частиц, содержащих эти элементы, происходит обратным образом с частицами, которые не содержат эти элементы, то есть центральную область дендрита, которая представляет собой вначале, чтобы затвердевать постепенно, содержится больше этих элементов, чем область контура, которая является последней, которая затвердевает.
В первую группу технологий термообработки различных сплавов, включая сталь, входят отжиг и отпуск. Во вторую — закалка, нормализация, улучшение, старение, обработка холодом. В третью – все виды термохимической обработки.
Отжиг
Суть процессов, протекающих в структуре большинства сплавов, подвергаемых отжигу – обеспечить наиболее равновесную структуру заготовки, в которой или отсутствуют внутренние напряжения, или их уровень достаточно низок, а потому не влияет на последующую обрабатываемость металлов/сплавов.
Таким образом, твердые растворы, образованные этими элементами, являются перенасыщенными, что является следствием относительно низкой скорости диффузии этих элементов в твердом состоянии. Такие осадки, образующиеся при высоких температурах, также известны как диспергиды и образуются внутри дендритов с распределением, которое является таким же, что и результатом затвердевания, поскольку скорости диффузии очень низкие и, следовательно, не допускают значительного перераспределения. Однако это осаждение диспергидов должно контролироваться так, чтобы оно не происходило в контурах дендритов, и это имеет большое значение как фактор, создающий препятствия для движения контуров во время перекристаллизации, поскольку рассеиватели действуют в смысле препятствия движению контуров, способствующих достижению более мелких зерен, что выгодно для большинства применений алюминиевых сплавов, поскольку оно неизменно приводит к лучшим механическим свойствам.
Исходная структура практически всех сплавов и сталей представляет собой достаточно крупные зёрна, между которыми располагаются включения и примеси, преимущественно сера и фосфор. Это увеличивает хрупкость металла, что может быть важно при формообразовании из слитка (или катанки) изделий сложной конфигурации. Поэтому необходимо снизить размер зерна и придать ему оптимальную форму эллипсоида, при которой механические свойства будут примерно одинаковы по всем трём координатным осям.
Отжиг может потребоваться до операций холодного формования из-за возникновения затвердевания во время этих операций. Он используется во всех типах алюминиевых сплавов, как для закалки, так и для отверждения без осаждения, однако в случае первого должен быть более тщательный контроль температуры, чтобы избежать осаждения во время обработки. отжиг для перекристаллизации, например. Тип отжига, который должен выполняться в сплаве, очевидно, зависит от его предыдущей термомеханической истории и типа микроструктуры, возникающей в результате этих предыдущих операций.
С этой целью исходную заготовку необходимо нагреть до температуры на 50…70 0 С выше температуры начала аустенитного превращения. Именно его итогом является образование мелких и хорошо ориентированных зёрен аустенита между зёрнами основных структурных составляющих стали – феррита и цементита. Аустенит образуется из перлита – структуры, имеющей наиболее крупные зёрна, которая способствует повышенной хрупкости любого слитка. Аустенитное превращение для большинства сплавов протекает достаточно медленно, поэтому отжиг – длительная процедура, которая должна продолжаться не менее часа.
При таком типе обработки скорости нагрева и охлаждения не являются критическими, хотя предпочтительным является более быстрый нагрев, поскольку он обеспечивает более тонкое зерно. Очень медленное охлаждение приводит к очень крупным осадкам, что может ухудшить последующие операции конформации. Даже при таком лечении стареющие сплавы имеют более плохие условия конформации, чем те же невозгорающиеся сплавы.
Отжиг применяется только к расплавленным сплавам, когда требуется строгий контроль размеров или когда материал впоследствии подвергается некоторой нетрадиционной формообразованию. Целью солюбилизационной обработки является получение твердых веществ как можно большего количества растворенных атомов, таких как медь, магний, кремний или цинк, в матрице, богатой алюминием. Для некоторых сплавов температура, при которой может растворяться максимальное количество растворенного вещества, соответствует эвтектической температуре.
Вторая важная задача отжига – снять внутренние напряжения, которые формируются в заготовке при её обработке давлением в холодном состоянии. Дело в том, что любая деформация сопровождается дроблением зёрен исходной структуры сталей и сплавов. В итоге зёрен становится больше, сопротивление деформации возрастает, что не только требует повышенного усилия деформирования, но и становится причиной разрушения полуфабриката, степень деформации которого превысила критический для данного металла показатель.
Поэтому температура солюбилизации должна быть ограничена безопасным уровнем, при котором исключаются последствия перегрева и частичного плавления. Тем не менее, верхний предел температуры солюбилизации должен учитывать другие явления, такие как рост зерна, поверхностные эффекты, экономичность и работоспособность. Последний растворяется очень медленно. Другим вредным явлением, которое может возникнуть во время солюбилизации, является чрезмерный рост зерен, тем более значительным является более высокая температура и чем больше время солюбилизации.
Соответственно, для реализации первой задачи применяется технология высокотемпературного отжига (для сталей, в зависимости от содержания углерода, она колеблется в пределах 550…750 0 С), а во втором – низкотемпературного отжига (180…220 0 С).
Способы высокотемпературного отжига
Нагрев происходит медленно, с последующей выдержкой изделия при заданной температуре, после чего следует медленное же охлаждение. Для легированных сталей и сплавов такое охлаждение ведут с особо низкой скоростью, в самой печи, где происходил отжиг.
Наконец, еще одним отрицательным последствием высоких температур солюбилизации является окисление при высоких температурах, особенно если атмосфера печи загрязнена влажностью или серой. Быстрое тушение после тушения является критическим этапом в обработке, поскольку крайне важно поддерживать твердый раствор, полученный при высокой температуре при комнатной температуре. Кроме того, быстрое охлаждение позволяет поддерживать ту же концентрацию зазоров при высокой температуре при комнатной температуре, и эти зазоры очень важны для ускорения процесса диффузии атомов растворенного вещества, которое возникает при последующей обработке старения.
Отпуск
Отпуск по технологии напоминает отжиг, но производится не с заготовкой, а с готовым изделием, а потому преследует иные задачи – снять внутренние напряжения после термической обработки, которая проводилась на повышенную твёрдость детали.
Самостоятельным процессом термической обработки отпуск не является. В отличие от отжига, отпуск иногда выполняется в несколько приёмов: в большинстве случаев это касается изделий, для производства которых использовались различные виды высоколегированной стали.
Наиболее часто используемой средой быстрого охлаждения является вода, хотя, если требуется более низкая скорость охлаждения, в качестве быстродействующей охлаждающей среды могут использоваться различные органические жидкости. Воздушное охлаждение очень мало для большинства алюминиевых сплавов, что позволяет продолжить процесс осаждения, хотя и не так медленно, как охлаждение печи.
Осаждение закалки – Искусственное старение. . Однако максимальная твердость, достигаемая сплавом посредством термообработки, также соответствует значительному снижению пластичности и вязкости. Каждый тип алюминиевого сплава, отверждаемого осаждением, имеет диапазон температур искусственного старения, а также диапазон его растворимости.
Закалка
Закалка заключается в быстром нагреве заготовки до температуры окончания аустенитного превращения (900…1100 0 С – для низкоуглеродистых сталей, 750…850 0 С – для высокоуглеродистых) и последующем быстром охлаждении в специальных закалочных средах. В качестве последних используется вода (для изделий малоответственного назначения) или масло.
Термин естественное старение используется для обозначения процессов осаждения, возникающих при поддержании алюминиевого сплава при комнатной температуре, очевидно, намного медленнее и с результирующими уровнями твердости намного ниже, чем при искусственном старении. Термомеханические обработки – Термомеханическое старение. . Это обработка, при которой пластическая деформация выполняется до, после или интеркалируется термостойкой старения. В дополнение к преимущественному зарождению осадка, деформация с введением несоответствий ускоряет весь процесс осаждения, поэтому деформированный материал быстрее выдерживает сверхстарение, чем тот же недеформированный материал.
Режимы закалки отличаются наибольшим разнообразием. Основным фактором, определяющим эффективность закалки, является интенсивность образования в структуре мартенсита – высокотемпературной составляющей, которая придаёт металлу или сплаву повышенную твёрдость.
Условия образования мартенсита определяются следующими обстоятельствами:
Ниже приведены температуры, считающиеся идеальными для некоторых видов термической обработки некоторых алюминиевых сплавов. Таблица 1 – Температуры полного отжига. В случае сплавов, отверждаемых осаждением, рекомендуется время обработки от 2 до 3 часов.
В случае других сплавов достаточно для достижения температуры обработки. Таблица 2 – Температура солюбилизации и старения. Таблица 3 – Температура солюбилизации и старения. Рассматриваемые ниже термические обработки содержат только те циклы нагрева и охлаждения, которые приводят к значительным изменениям напряженного состояния или изменениям микроструктуры, что приводит к изменению физических свойств в целом и, в частности, механических, которые определяют область применения материала. Поэтому циклы нагрева и охлаждения, связанные исключительно и исключительно с горячей работой, исключаются из сферы применения этого текста.
Соответственно для каждой марки стали или сплава разработаны индивидуальные режимы закалки, которые различаются:
Особенно тщательно ведут закалку сталей и сплавов со сложным составом, включающим несколько легирующих элементов (в частности, кобальта, молибдена). Указанные металлы в процессе образуют по границам зёрен основной структуры интерметаллидные соединения, которые существенно увеличивают твёрдость и прочность сталей (в частности, инструментальных). Форма и концентрация интерметаллидов зависят только от точности соблюдения технологии закалки.
Основными типами термической обработки, применяемой для меди и ее сплавов, являются следующие. Отжиг с целью смягчения механически обработанного материала в результате механической работы. Термическая обработка снятия напряжения во избежание коррозии под напряжением, вызванным остаточными напряжениями. Его проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации, что ниже температуры, при которой в материале происходит значительное размягчение.
Гомогенизация для растворения сегрегации элементов на определенных участках и более равномерное распространение их распространения по всему материалу. Сплавы, которые требуют такого типа обработки, содержат никель и олово. Обработка солюбилизации и упрочнения путем осаждения: применяется к определенной группе медных сплавов, медных сплавов бериллий. Эти сплавы содержат до 2% бериллия и могут также иметь небольшое количество никеля, кобальта или хрома.
Виды закалки определяются оборудованием, на котором она выполняется. Например, для таких изделий, как шестерни, валы, направляющие колонки, где требуется оптимальное сочетание высокой поверхностной твёрдости и относительно вязкой сердцевины, используется поверхностная закалка токами высокой частоты.
Для этого изделие помещают в индукционную катушку, по которой пропускается высокочастотный (до 15000…25000 Гц) ток. Проникая на ограниченную глубину, этот ток способствует увеличению поверхностной прочности сталей или сплавов. В результате усталостная прочность деталей, которые работают при циклически изменяющихся напряжениях растяжения-сжатия, заметно возрастает.
Более интенсивное изменение твёрдости поверхности детали можно получить, используя для закалки высокоэнергетические источники тепла – искровой или дуговой разряд. Разряды должны возбуждаться в жидкой среде, куда помещают обрабатываемую заготовку или деталь.
После закалки в подавляющем большинстве случаев необходим отпуск, иначе чрезмерная конечная твёрдость детали становится причиной повышенной хрупкости при ударных нагрузках.
Улучшение и нормализация
Как виды термообработки, эти процессы схожи с отжигом, хотя и предназначены для иных целей – повышения эксплуатационной долговечности ответственных деталей машин и инструмента.
При нормализации деталь подвергается медленному нагреву, выдерживается при заданной температуре, после чего обязательно охлаждается вместе с печью. В результате структура детали становится более равновесной, а уровень внутренних напряжений понижается.
Существенным отличием считается состав атмосферы, печи, в которой выполняются данные операции термической обработки. Она должна быть безокислительной, поскольку интенсивное оксидообразование на поверхности изделия не только ухудшает его товарный вид, но и изменяет размеры. Выгорание углерода, которым также сопровождается термообработка в обычной печи, ухудшает химический состав стали и снижает её прочность.
Уменьшение доступа кислорода к поверхности детали при нормализации выполняют несколькими путями:
- Нагревом при плановом недостатке кислорода. В этом случае стабильность работы газовых горелок печей для термообработки компенсируют увеличением скорости подачи воздуха в зону горения;
- Термической обработкой в среде защитных газов. Для ответственных деталей применяются пары лития, аргон или другие благородные газы, в остальных случаях – двуокись углерода;
- Нанесением защитных обмазок на поверхность изделия, подлежащего нормализации.
После нормализации деталь охлаждают на спокойном воздухе, не допуская её обдув: это может вызвать неоднородную, «пятнистую» микроструктуру изделия.
Улучшение — операция термообработки, в результате которой повышается механическая обрабатываемость сталей и сплавов, снижается уровень остаточных напряжений в них. Это сопровождается некоторым уменьшением твёрдости.
Мартенситная составляющая в структуре большинства сталей и сплавов может появиться не только при повышенной, но и при пониженной температуре. Технология обработки холодом выгодно отличается от традиционных технологий термической обработки следующим:
Режимы криогенной обработки зависят от марки сталей/сплавов, и колеблются в диапазоне -60…-140 0 С. Обычно криогенную обработку ведут при циклическом сочетании периодов глубокого охлаждения с периодами старения – выдержки при менее низких температурах. При сочетании циклов нагрева и охлаждения полный распад остаточного аустенита достигается за 4…7 часов (большие значения – для высоколегированных сталей).
Особый вид термообработки представляют процессы химико-термической обработки. Их задачей является формирование в поверхностной микроструктуре карбидов и нитридов – соединений, существенно увеличивающих микротвёрдость деталей, и создающих в них остаточные напряжения сжатия. Такие изделия показывают особо высокую стойкость при знакопеременных нагрузках.
Видео: Как закалить любую марку стали
Детали машин, станков и приборов изготовляют различными методами: отливкой, обработкой давлением (прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой), сваркой и механической обработкой на металлообрабатывающих станках.
Литейное производство. Сущность литейного производства заключается в том, что изделия или заготовки деталей машин получают заливкой расплавленного металла в формы. Полученная литая деталь называется отливкой.
а – раздельная модель отливки, б – разъемный стержневой ящик, в – отливка втулки с литниковой системой, г – стержень.
Технологический процесс литейного производства состоит из подготовки формовочных и стержневых смесей, изготовления форм и стержней, плавки металла , сборки и заливки формы, удаления отливок из формы и в отдельных случаях термической обработки отливок .
Литье применяют для изготовления самых различных деталей: станин металлорежущих станков, блоков цилиндров автомобилей, тракторов, поршней, поршневых колец, радиаторов отопления и т. п.
Отливки изготовляют из чугуна, стали, медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, обладающих необходимыми технологическими и техническими свойствами. Наиболее распространенным материалом является чугун – самый дешевый материал, обладающий высокими литейными свойствами и низкой температурой плавления.
Фасонные отливки с повышенной прочностью и высокой ударной.вязкостью изготовляют из углеродистых сталей марок 15Л, 35Л, 45Л и т. д. Буква Л означает литую сталь, а цифры – среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Литейную форму, полость которой представляет собой отпечаток будущей отливки, получают из формовочной смеси при помощи деревянной или металлической модели.
В качестве материала для формовочных; смесей применяют бывшую в употреблении формовочную землю (горелую), свежие составляющие – кварцевый песок, формовочную глину, модифицирующие добавки, связующие вещества (смолы, жидкое стекло и пр.), пластификаторы, разрыхлители и прочие. Выбор их зависит от геометрии отливки, ее веса и толщины стенок, химического состава заливаемого металла.
Стержни, предназначенные для получения в отливках полостей и отверстий, изготовляют из стержневой смеси в специальных ящиках.
Стержневая смесь обычно состоит из малоглинистого песка и связующих веществ.
В индивидуальном и мелкосерийном производстве литейные формы выполняют ручным способом (формуют), используя деревянные модели, в поточно-массовом производстве – на специальных машинах (формовочных), по модельным плитам (металлическая плита с прочно закрепленными на ней частями модели) и в двух опоках.
Чугун плавят в вагранках (шахтных печах), сталь – в конверторах, дуговых и индукционных электрических печах, а цветное литье – в плавильных тигельных горнах. Металл, выплавленный в вагранках, сначала разливается в ковши, а затем через литниковую систему (систему каналов в форме) – в форму.
После заливки и охлаждения отливку вынимают (выбивка) из формы, удаляют прибыли (питатели), очищают от заусенцев, остатков литниковой системы и пригоревшей земли.
Специальные способы литья. Кроме литья в земляные формы, на заводах в настоящее время применяют следующие прогрессивные способы литья: литье в металлические формы (кокили) центробежное литье, литье под давлением, точное литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы. Эти способы позволяют получать детали более точной формы и с небольшими припусками на механическую обработку.
Литье в металлические формы. Этот способ состоит в том, что расплавленный металл заливают не в разовую земляную форму, а в постоянную металлическую, изготовленную из чугуна, стали или других сплавов. Металлическая форма выдерживает от нескольких сот до десятков тысяч заливок.
Центробежное литье. При этом способе расплавленный металл заливается в быстровращающуюся металлическую форму и под действием центробежных сил прижимается к ее стенкам. Металл обычно заливают на машинах с вертикальной, горизонтальной и наклонной осью вращения.
Центробежное литье применяют для изготовления втулок, колец, труб и т. п.
Литье под давлением – это способ получения фасонных отливок в металлических формах, при котором металл в форму заливают под принудительным давлением. Таким способом получают мелкие фасонные тонкостенные детали автомобилей, тракторов, счетных машин и т. д. Материалом для отливок служат медные, алюминиевые и цинковые сплавы.
Литье под давлением производится на специальных машинах.
Точное литье по выплавляемым моделям. Этот способ основан на применении модели из смеси легковыплавляемых материалов – воска, парафина и стеарина. Литье осуществляется следующим образом. По металлической прессформе с большой точностью изготовляют восковую модель, которую склеивают в блоки (елочки) с общей литниковой системой и облицовывают огнеупорным формовочным материалом. В качестве облицовочного материала применяют смесь, состоящую из кварцевого песка, графита, жидкого стекла и других компонентов. При высыхании и обжиге формы облицовочный слой образует прочную корку, которая дает точный отпечаток восковой модели. После этого восковая модель выплавляется, а форма прокаливается. Расплавленный металл заливают в форму обычным способом. Точным литьем изготовляют мелкие фасонные и сложные детали автомобилей, велосипедов, швейных машин и т. п.
Литье в оболочковые формы является разновидностью литья в разовые земляные формы. Подогретая до 220-250°С металлическая модель будущей отливки обсыпается из бункера формовочной смесью, состоящей из мелкого кварцевого песка (90-95%) и термореактивной бакелитовой смолы (10-5%). Под действием тепла смола в слое смеси, соприкасающаяся с плитой, сначала плавится, затем затвердевает, образуя на модели прочную песчано-смоляную оболочку. После просушки оболочковую полуформу соединяют с соответствующей ей другой полуформой, в результате чего получается прочная форма. Корковое литье применяют для отливки стальных и чугунных деталей станков, машин, мотоциклов и т. д.
Основными дефектами отливок в литейном производстве являются: коробление – изменение размеров и контуров отливки под влиянием усадочных напряжений; газовые раковины – пустоты, расположенные на поверхности и внутри отливок, которые возникают от неправильного режима плавки; усадочные раковины – закрытые или открытые пустоты в отливках, получаемые в результате усадки металла при охлаждении.
Незначительные дефекты в отливках устраняют заваркой жидким металлом, пропиткой термореактивными смолами и термической обработкой.
Обработка металла давлением. При обработке металла давлением широко используют пластические свойства металлов, т. е. их способность в определенных условиях под действием приложенных внешних сил изменять, не разрушаясь, размеры и форму и сохранять полученную форму после прекращения действия сил. При обработке давлением изменяются также структура и механические свойства металла.
Чтобы повысить пластичность металла и уменьшить величину работы, затрачиваемой на деформацию, перед обработкой давлением металл необходимо нагреть. Металл обычно нагревают при определенной температуре, зависящей от его химического состава. Для нагрева применяют горны, нагревательные пламенные печи и электронагревательные установки. Большую часть обрабатываемого металла нагревают в камерных и методических (непрерывных) печах с газовым обогревом. Для подогрева под прокатку крупных стальных слитков, поступающих неостывшими из сталеплавильных цехов, используют нагревательные колодцы. Цветные металлы и сплавы нагревают в электрических печах. Нагрев черных металлов производится двумя способами: индукционным и контактным. При индукционном способе заготовки нагреваются в индукторе (соленоиде), по которому пропускают ток высокой частоты, за счет тепла, возникаемого под действием индукционного тока. При контактном электронагреве ток большой величины пропускают через нагреваемую заготовку. Тепло выделяется в результате омического сопротивления нагреваемой заготовки.
К видам обработки металлов давлением относятся прокатка, волочение, прессование, свободная ковка и штамповка.
Прокатка – самый массовый способ обработки металлов давлением, осуществляемый путем пропуска металла в зазор между вращающимися в разных направлениях валками, вследствие чего уменьшается площадь поперечного сечения исходной заготовки, а в ряде случаев изменяется ее профиль. Схема прокатки изображена на рис. 31.
Прокаткой получают не только готовые изделия (рельсы, балки), но и сортовой прокат круглого, квадратного, шестигранного профилей, трубы и т. п. Прокатка производится на блюмингах, слябингах, сортовых, листовых, трубопрокатных и других станах, на гладких и калиброванных валках с ручьями (калибрами) определенной формы. На блюмингах из крупных и тяжелых слитков прокатывают заготовки квадратного сечения, называемые блюмсами, на слябингах – заготовки прямоугольного сечения (стальные диски), называемые слябами .
Сортовые станы используют для прокатки из блюмсов сортовых и фасонных профилей, листовые станы – для листовой прокатки из слябов в горячем и холодном состоянии, а трубопрокатные станы – для прокатки бесшовных (цельнотянутых) труб. Бандажи, дисковые колеса, шарики для подшипников, зубчатых колес и т. п. прокатывают на станах специального назначения
Волочение. Этот способ состоит в протягивании металла в холодном состоянии через отверстие (фильер) в матрице, поперечное сечение которого меньше, чем у обрабатываемой заготовки. При волочении площадь поперечного сечения уменьшается, благодаря чему длина заготовки увеличивается. Волочению подвергают черные и цветные металлы и сплавы в прутках, проволоке и трубах. Волочение позволяет получать материалы точных размеров и с высоким качеством поверхности.
Волочением получают сегментные шпонки, стальную проволоку диаметром 0,1мм, иглы для медицинских шприцев и т. д.
Волочение производят на волочильных станах. В качестве инструмента применяют волочильные доски и матрицы, изготовляемые из инструментальной стали и твердых сплавов.
Прессование. Оно осуществляется продавливанием металла через отверстие матрицы. Профиль прессованного металла соответствует конфигурации отверстия матрицы, оставаясь постоянным по всей длине. Прессованием изготовляют прутки, трубы и различные сложные профили из таких цветных металлов, как олово, свинец, алюминий, медь и т. д. Прессуют обычно на гидравлических прессах усилием до 15тыс. т.
Ковка. Операция, при которой металлу ударами инструментов придают требуемую внешнюю форму, называется ков кой . Ковку, осуществляемую под плоскими бойками, называют свободной, так как изменение формы металла при этом виде обработки не ограничивается стенками особых форм (штампов) и металл «течет» свободно. Свободной ковкой можно изготовлять самые тяжелые поковки – вплоть до 250 т. Свободная ковка разделяется на ручную и машинную. Ручную ковку в основном применяют при изготовлении мелких изделий или при ремонтных работах. Машинная ковка – это основной вид свободной ковки. Она выполняется на ковочных пневматических или паровоздушных молотах, реже – на ковочных гидравлических прессах. При ручной ковке инструментом являются наковальня, кувалда, зубило, пробойники, клещи и т. д. При машинной ковке рабочим инструментом служат бойки ковочных молотов и прессов, вспомогательным – раскатки, прошивки и клеши. Кроме вспомогательного инструмента, применяют машины, называемые манипуляторами, предназначенные для удержания, перемещения и кантовки тяжелых заготовок в процессе ковки.
Основными операциями технологического процесса свободной ковки являются: осадка (уменьшение высоты заготовки), вытяжка (удлинение заготовки), прошивка (получение отверстий), рубка, сварка и т. п.
Штамповка. Способ изготовления изделий давлением при помощи штампов, т. е. металлических форм, очертания и форма которых соответствует очертанию и форме изделий, называют штамповкой. Различают объемную и листовую штамповку. При объемной штамповке поковки штампуют на штамповочных и ковочных прессах. Штампы состоят из двух частей, каждая из которых имеет полости (ручьи). Очертания ручьев соответствуют форме изготовляемой поковки. Поковки можно штамповать и на паровоздушных молотах одинарного и двойного действия падающей частью (бабой) весом до 20-30 т и кривошипных прессах с усилием до 10 тыс. т. При штамповке нагретая заготовка под действием удара молота деформируется и заполняет полость штампа, излишек металла (облой) поступает в специальную канавку и затем обрезается на прессе. Мелкие поковки штампуют из прутка длиной до 1200мм, а крупные – из штучных заготовок.
Листовой штамповкой изготовляют тонкостенные детали из листов и лент различных металлов и сплавов (шайбы, сепараторы подшипников, кабины, кузовы, крылья и другие детали автомобилей и приборов). Листовой металл толщиной до 10мм штампуют без нагрева, более 10мм – с нагревом до ковочных температур.
Листовую штамповку обычно производят на кривошипных и листоштамповочных прессах простого и двойного действия.
В условиях массового производства подшипников, болтов, гаек и других деталей широкое применение находят специализированные кузнечные машины. Наибольшее распространение получила горизонтально-ковочная машина.
Основные дефекты проката и поковок . При прокатке заготовок могут возникать следующие дефекты: трещины, волосовины, плены, закаты.
Трещины образуются из-за недостаточного прогрева металла или при большом обжатии в валках.
Волосовины появляются на поверхности проката в виде вытянутого волоса в тех местах металла, где были газовые пузыри, раковины.
Плены возникают при прокатке некачественных слитков.
Закаты – это дефекты наподобие складок, получающиеся при неправильном прокате.
В кузнечно-штамповочном производстве могут быть следующие виды брака: забоины, недоштамповка, перекос и т. д.
Забоины, или вмятины, – это простые повреждения поковки, образующиеся при неточной укладке заготовки в ручей штампа перед ударом молота.
Недоштамповка, или «недобой», – это увеличение поковки по высоте, возникающее из-за недостаточного количества сильных ударов молота или из-за остывания заготовки, в результате чего металл теряет пластичность.
Перекос, или смещение, – это вид брака, при котором верхняя половина поковки смещается или перекашивается относительно нижней.
Устранение дефектов и брака достигается правильным выполнением технологических процессов прокатки, ковки и штам повки.
Сварка металлов. Сварка – один из важнейших технологических процессов, применяемых во всех областях промышленности. Сущность процессов сварки состоит в получении неразъемного соединения стальных деталей путем местного нагрева до плавления или до пластического состояния. При сварке плавлением металл расплавляется по кромкам соединяемых частей, перемешивается в жидкой ванне и затвердевает, образуя после охлаждения шов. При сварке в пластическом состоянии соединяемые части металла нагревают до размягченного состояния и под давлением соединяют в одно целое. В зависимости от видов энергии, применяемой для нагрева металла, различают химическую и электрическую сварку.
Химическая сварка. При этом виде сварки источником нагрева служит тепло, получаемое при химических реакциях. Она подразделяется на термитную и газовую сварку.
Термитная сварка основана на использовании в качестве горючего материала термита, представляющего собой механическую смесь алюминиевого порошка и железной окалины, развивающего при горении температуру до 3000°С. Этот вид сварки применяют для сварки трамвайных рельсов, концов электрических проводов, стальных валов и других деталей.
Газовую сварку осуществляют нагревом металла пламенем горючего газа, сжигаемого в струе кислорода. В качестве горючих газов при газовой сварке и резке металлов используют ацетилен, водород, природный газ и т. п., но наиболее распространенным является ацетилен. Максимальная температура газового пламени 3100° С.
Аппаратурой для газовой сварки служат стальные баллоны и сварочные горелки со сменными наконечниками, а материалом – конструкционные малоуглеродистые стали. В качестве присадочного материала для сварки сталей используют специальную сварочную проволоку.
Газовой сваркой можно производить сварку чугунов, цветных металлов, наплавку твердых сплавов, а также кислородную резку металлов.
Электрическая сварка. Она подразделяется на дуговую и контактную сварку. При дуговой сварке энергия, необходимая для нагрева и расплавления металла, выделяется электрической дугой, а при контактной электросварке-при прохождении тока по свариваемой детали.
Дуговую электросварку осуществляют на постоянном и переменном токе. Источником тепла для такого вида сварки является электрическая дуга.
Сварочная дуга питается постоянным током от сварочных машин-генераторов, переменным током – от сварочных трансформаторов.
Для дуговой сварки применяют металлические электроды, покрываемые специальной обмазкой для защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха, и угольные.
Дуговая сварка может быть ручной и автоматической. Автоматическая сварка осуществляется на сварочных автоматах. Она обеспечивает получение качественного сварного шва и резко увеличивает производительность труда.
Флюсовая защита в этом процессе позволяет без потерь металла повысить силу тока и тем самым увеличить производительность в пять и более раз по сравнению с ручной дуговой сваркой.
Контактная сварка основана на использовании тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через свариваемый участок детали. Свариваемые детали в месте контакта нагревают до сварочного состояния, после чего под давлением получают неразъемные соединения.
Контактная сварка делится на стыковую, точечную и роликовую.
Стыковая сварка – это разновидность контактной сварки. Она используется для сварки рельсов, стержней, инструмента, тонкостенных труб и т. д.
контактной сварки производится в виде точек в отдельных местах деталей. Она широко применяется для сварки из листового материала кузовов легковых автомобилей, обшивки самолетов, железнодорожных вагонов и т. п.
Роликовая, или шовная, сварка осуществляется при помощи роликовых электродов, подключаемых к сварочному трансформатору. Она позволяет получать на листовом материале сплошной и герметически плотный сварной шов. Роликовую сварку используют для изготовления масляных, бензиновых и водяных баков, труб из листовой стали.
Дефекты сварки. Дефектами, возникающими при сварке, могут быть непровары, шлаковые включения, трещины в сварочном шве и основном металле, коробление и т. д.
Обработка металла резанием. Основное назначение такой обработки – получение необходимых геометрических форм, точности размеров и чистоты поверхности, заданных чертежом.
Лишние слои металла (припуски) с заготовок снимаются режущим инструментом на металлорежущих станках. В качестве заготовок применяют отливки, поковки и заготовки из сортового проката черных и цветных металлов.
Резание металлов является одним из наиболее распространенных способов механической обработки деталей машин и приборов. Обработка деталей на металлорежущих станках осуществляется в результате рабочего движения обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, при котором инструмент снимает стружку с поверхности заготовки.
Металлорежущие станки подразделяются на группы в зависимости от способов обработки, типов и типоразмеров.
Токарные станки предназначаются для выполнения разнообразных токарных работ: точения цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, растачивания отверстий, нарезания резьбы резцом, а также обработки отверстий зенкерами и развертками.
Для работы на токарных станках применяют различные виды режущего инструмента, но основными из них являются токарные резцы.
Сверлильные станки используют для получения в заготовках отверстий, а также для зенкерования, развертывания и нарезания резьбы метчиками.
Для работы на сверлильных станках применяют такой режущий инструмент, как сверла, зенкеры, развертки и метчики.
Сверло – это основной режущий инструмент.
Зенкер служит для увеличения диаметра предварительно просверленных отверстий.
Развертки предназначаются для выполнения точных и чистовых отверстий, предварительно обработанных сверлом или зенкером.
Метчики используют при изготовлении внутренних резьб.
Фрезерные станки предназначаются для выполнения самых разнообразных работ – от обработки плоских поверхностей до обработки различных фигур. Инструментом для фрезерования служат фрезы.
Строгальные станки применяют для обработки плоских и фасонных поверхностей, а также для прорезания прямых канавок у деталей. При работе на строгальных станках металл снимают только во время рабочего хода, так как обратный ход – холостой. Скорость обратного хода в 1,5-3 раза больше скорости рабочего хода. Строгание металла осуществляется резцами.
Шлифовальные станки используют для отделочных операций, обеспечивающих высокую точность размеров и качество обрабатываемых поверхностей. В зависимости от видов шлифования станки подразделяют на круглошлифовальные – для наружного шлифования, внутришлифовальные – для внутреннего шлифования и плоскошлифовальные – для шлифования плоскостей. Детали шлифуют шлифовальными кругами.
Под слесарными работами понимают ручную обработку металла резанием. Они подразделяются на основные, сборочные и ремонтные.
Основные слесарные работы производятся с целью придания обрабатываемой детали форм, размеров, необходимой чистоты и точности, заданных чертежом.
Сборочные слесарные работы выполняются при сборке узлов из отдельных деталей и сборке машин и приборов из отдельных узлов.
Ремонтные слесарные работы осуществляются с тем, чтобы продлить срок службы металлорежущих станков, машин, кузнечных молотов и другого оборудования. Сущность таких работ заключается в исправлении или замене изношенных и поврежденных деталей.
Электрические методы обработки металлов. К ним относятся электроискровой и ультразвуковой методы. Электроискровой метод обработки металлов применяют для изготовления (прошивки) отверстий различной формы, извлечения из отверстий деталей сломанных метчиков, сверл, шпилек и т. п., а также для заточки твердосплавных инструментов. Обработке подвергаются твердые сплавы, закаленные стали и другие твердые материалы, которые не могут быть обработаны обычными способами.
Этот метод основан на явлении электрической эрозии, т. е. на разрушении металла под действием электроискровых разрядов.
Сущность электроискрового метода обработки металлов состоит в том, что к инструменту и изделию, служащим электродами, подводится электрический ток определенной силы и напряжения. При сближении электродов на определенном расстоянии между ними под действием электрического тока происходит пробой этого промежутка (зазора). В вместе пробоя возникает высокая температура, расплавляющая металл и выбрасывающая его в виде жидких частиц. Если к заготовке подвести положительное напряжение (анод), а к инструменту – отрицательное (катод), то при искровом разряде происходит, вырыв металла из заготовки. Чтобы раскаленные частицы, вырванные разрядом из электрода-изделия, не перескакивали на электрод-инструмент и не искажали его, искровой промежуток заполняют керосином или маслом.
Инструмент-электрод выполняют из латуни, меднографитовой массы и других материалов. При изготовлении отверстий электроискровым методом можно получать любой контур в зависимости от формы инструмента-катода.
Кроме электроискрового метода обработки металлов, в промышленности применяют ультразвуковой метод, основанный на использовании упругих колебаний среды со сверхзвуковой частотой (частота колебаний более 20 тыс. гц). При помощи ультразвуковых установок можно обрабатывать твердые сплавы, драгоценные камни, закаленную сталь и т. д
