Технология конструкционных материалов

тальной холодной камерами прессования. Рассмотрите последовательность операций изготовления отливок и устройство пресс-форм.

Способ применяют в массовом и крупносерийном производствах. Отливки характеризуются высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности. Недостатками данного способа являются высокая стоимость пресс-форм, ограниченность по габаритным размерам и массе отливок.

Изготовление отливок центробежным литьем. Рассмотрите устройство и принцип работы машин с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Изучите последовательность операций при изготовлении отливок. К недостаткам данного способа можно отнести наличие усадочной пористости, неметаллических включений на внутренних поверхностях; к преимуществам – отсутствие литниковой системы, что подразумевает экономию материалов.

2.4.Получение заготовок с помощью деформационных технологий

Обработка давлением – это процесс получения заготовок или деталей машин силовым воздействием инструмента на заготовку.

С помощью обработки давлением получают заданную форму

иразмеры, а также обеспечивают необходимую структуру металла. В настоящее время около 90 % выплавляемой стали, а также

большая часть цветных металлов и сплавов в процессе изготовления из них заготовок и деталей подвергается обработке давлением. Этот вид обработки основан на использовании пластических свойств металла, т.е. на его способности изменять форму под действием внешних сил. Требуемая форма изделия получается за счет пластического деформирования – перераспределения металла в заготовке в нужном направлении с сохранением первоначального объема металла.

Обработка металлов давлением (ОМД) отличается от других способов формообразования изделий высокой производительностью, экономным расходованием металла, улучшением его механических свойств за счет внутренних структурных изменений, происходящих в процессе деформирования. Для ОМД требуются специ-

21

альные машины, развивающие большие усилия (молоты, прессы, прокатные станы и т.п.). В зависимости от характера приложения нагрузки, типа рабочего инструмента и типа оборудования выделяют следующие основные виды ОМД: прокатку, прессование, ковку, волочение, штамповку, отделочную и упрочняющую обработку пластическим деформированием.

Физические основы обработки металлов давлением. Основным механизмом пластической деформации металлов является внутризеренное сдвиговое перемещение одних частей зерна относительно других. Сдвиг происходит по дислокационному механизму, т.е. частицы смещаются не одновременно по всей плоскости скольжения, а путем последовательного перемещения по ней краевых дислокаций. После прохождения одной краевой дислокации части зерна смещаются относительно друг друга на один параметр решетки. Сдвиг (скольжение) происходит по плоскостям наиболее плотной упаковки атомов, так как вдоль этих плоскостей сопротивление сдвигу со стороны кристаллической решетки минимально. При достаточно больших деформациях скольжение распространяется на большее число плоскостей, приводя к множественному скольжению и, следовательно, к заметному изменению формы зерна. Следы скольжения в виде прямых линий (линий скольжения) в пределах отдельных зерен видны под микроскопом на предварительно полированных и затем пластически деформированных и травленых образцах. С увеличением степени деформации число линий скольжения в зерне и число зерен, в которых эти линии появляются, непрерывно возрастают. Направления линий скольжения в отдельных зернах могут различаться, так как направления усилий, передаваемых от окружающих зерен, точно не совпадают. При больших деформациях образца сдвиг может проходить и по границам зерен. С увеличением степени деформации изменяется форма зерен. Они вытягиваются в направлении деформации (в сторону действия нагрузки при растяжении и перпендикулярно нагрузке при сжатии). Пластическая холодная деформация может развиваться только под действием возрастающей внешней нагрузки (из-за нарастания наклепа).

22

При нагреве наклепанного металла до относительно невысоких температур (для стали порядка 150–400 °С) некоторые дефекты кристаллической решетки самозалечиваются и искаженность решетки уменьшается. Это приводит к некоторому снижению деформационных внутренних напряжений в металле. Такое явление называют возвратом или отдыхом. При возврате существенных изменений в размерах, форме, ориентировке зерен не происходит, поэтому заметных изменений механических свойств металла не отмечается.

При нагреве наклепанного металла до температуры выше его температурного порога рекристаллизации наблюдается понижение его твердости и прочности, повышение пластичности и вязкости, т.е. снятие наклепа.

Сущность этого процесса, называемого рекристаллизацией, заключается в том, что в наиболее искаженных местах кристаллической решетки (на границах зерен, пересечении плоскостей скольжения и т.п.), где атомы обладают повышенной энергией и большей способностью к перемещению, образуются зародыши новых равновесных кристаллов с более правильной кристаллической решеткой – центры рекристаллизации. Возникшие зародыши растут, присоединяя атомы окружающих их деформированных зерен, и превращаются в новые равноосные зерна с относительно совершенной кристаллической решеткой.

2.4.1. Получение машиностроительных профилей

Машиностроительные профили получают путем прокатки, прессования и волочения.

Прокатка. При прокатке металл деформируется с помощью вращающихся валков. Сущность процесса заключается в обжатии заготовки, которая проходит в зазор между вращающимися валками, при этом уменьшаясь в своем поперечном сечении и увеличиваясь в длину. Различают три основных способа прокатки, имеющие отличия по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно-винтовая. Захват и деформирование заготовок осуществляется за счет сил трения между валками и заготовкой.

В качестве инструмента для прокатки применяют гладкие и калиброванные валки. Процесс прокатки осуществляют на специаль-

23

ном оборудовании – прокатных станах, классифицирующихся по назначению, по количеству и расположению валков, по взаимному расположению рабочих клетей.

Исходными заготовками при прокатке являются слитки. Продукцию прокатного производства подразделяют на четыре группы: сортовой прокат с простой и фасонной формой профиля; листовой прокат; бесшовные и сварные трубы; специальный прокат, профиль которого изменяется по определенному закону, повторяющемуся по длине. Прокат используется в качестве заготовок при дальнейшей обработке различными способами.

Изучите сущность способа и схемы данного процесса. Прессование. Процесс прессования – это вид обработки давле-

нием, при котором металл выдавливается из замкнутой полости сквозь отверстие в матрице произвольной формы, соответствующее сечению прессуемого профиля, что позволяет получать профили более сложной формы, чем при прокатке, и, соответственно, с более высокой точностью.

Данный способ дает возможность прессовать трудно деформируемые сплавы с низкой пластичностью за счет всестороннего сжатия металла. При изготовлении мелких партий профилей процесс прессования более экономичный, чем процесс проката. Недостатками при прессовании являются образование значительного количества отходов и износ инструмента.

Процесс прессования производят на специальных гидравлических прессах. Изучите сущность способа и схемы данного процесса.

Волочение. Сущность процесса волочения, осуществляемого в условиях холодной деформации, заключается в протягивании заготовок через фильеру, т.е. сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой. Конфигурация данного отверстия определяет форму будущего профиля.

С помощью волочения получают проволоку, прутки и профили фасонного сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные, а также другие профили с высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности. В процессе волочения ограничивают обжатие металла за один проход и для уменьшения трения между ме-

24

таллом и инструментом принимают меры, вводя промежуточный отжиг с целью снятия наклепа.

Рассмотрите оборудование для волочения – барабанный и цепной станы, обратите внимание на область применения.

Изучите сущность способа и схемы данного процесса.

2.4.2. Способы получения поковок

Для получения поковок применяют ковку и разные виды штамповки.

Ковка. Сущность ковки состоит в том, что деформирование заготовки осуществляется универсальным инструментом – бойками. Нагретую до заданной температуры заготовку укладывают на нижний боек молота, а верхним бойком последовательно деформируют ее участки. Металл заготовки свободно течет в стороны, не ограниченные поверхностями инструмента.

Изделия, получаемые свободной ковкой, называют поковками. Исходными заготовками для получения крупных поковок служат слитки массой до 300 т. Поковки средней и малой массы получают из блюмов и сортового проката квадратного, круглого или

прямоугольного сечения.

Поковки служат заготовками для получения готовых деталей. Для этого поковки подвергаются механической обработке путем снятия с них слоя металла (стружки), называемого припуском, с помощью металлорежущего инструмента (резцы, сверла, фрезы и др.).

Ознакомьтесь с операциями ковки, их назначением. Рассмотрите инструмент, применяемый для выполнения ковочных операций, и оборудование для ковки.

Горячая объемная штамповка. Объемная штамповка – это процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем, принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют его в соответствии с заданной чертежом конфигурацией.

Объемная штамповка применима при серийном и массовом производстве. Штамповкой получают сложные по форме изделия, которые невозможно получить с помощью операций свободной ков-

25

ки. Достоинствами данного способа являются высокая производительность труда, снижение отходов металла, обеспечение высокой точности формы и размеров изделия, а также хорошего качества поверхности.

Объемная штамповка осуществляется при разных температурах исходной заготовки. В зависимости от температуры штамповку подразделяют на холодную и горячую. Наиболее широко используется горячая объемная штамповка, которую ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения.

Исходным материалом для горячей объемной штамповки служит сортовой прокат, литая заготовка, прессованные прутки.

Горячую объемную штамповку проводят в открытых и закрытых штампах с одной или несколькими плоскостями разъема. Отметьте преимущества и недостатки данных методов штамповки.

Оборудованием для горячей объемной штамповки являются молоты, механические и гидравлические прессы, горизонтальноковочные машины, горячештамповочные автоматы. Изучите принципиальное устройство оборудования для штамповки.

Холодная объемная штамповка. При холодной объемной штамповке процесс деформирования производится в штампах без предварительного нагрева заготовок и сопровождается деформационным упрочнением металла. Холодная штамповка делится на холодное выдавливание, высадку и формовку в открытых и закрытых штампах. Сопротивление деформированию металла в холодном состоянии высокое, поэтому у данного способа имеются ограничения по размерам деталей и применению различных марок сплавов.

Листовая штамповка. Листовая штамповка – вид холодной обработки давлением, при котором деформирование листового материала осуществляется в холодном или подогретом состоянии.

Для изделий, полученных листовой штамповкой, характерно то, что толщина стенок готового изделия незначительно отличается от толщины исходной заготовки.

Операции листовой штамповки разделяют на две группы: разделительные и формоизменяющие. Рассмотрите данные группы.

26

Инструментом листовой штамповки является штамп, который состоит из рабочих элементов (пуансона и матрицы) и вспомогательных деталей.

Изучите сущность способов получения поковок и схемы данных процессов.

2.5. Способы получения неразъемных соединений

Неразъемные соединения получают путем сварки, пайки и нанесения покрытий.

Изучите физические основы получения сварного соединения, процессов пайки и нанесения покрытий на поверхности деталей.

2.5.1. Получение сварных соединений

Физические основы получения сварного соединения. Изучите физические основы получения сварного соединения и сущность процесса сварки.

Сварные соединения получают двумя принципиально разными путями: сваркой плавлением и сваркой давлением.

Впроцессе сварки плавлением происходит только тепловое воздействие, т.е. нагрев кромок заготовок до расплавления, при этом образуется единая жидкая металлическая ванна. В результате кристаллизации металла в зоне сварки образуются зерна, принадлежащие одновременно основному металлу и металлу шва. В зоне сварки устанавливается такое же атомно-кристаллическое строение металла, как в основном металле, что обеспечивает равнопрочное соединение. В процессе сварки плавлением при нагреве свариваемых поверхностей оксиды и другие примеси частично разрушаются, частично переводятся в легкоплавкие шлаки, которые всплывают на поверхность шва.

Впроцессе сварки давлением неразъемное соединение образуется в твердом состоянии с помощью силового воздействия, которое вызывает в зоне сварки совместную пластическую деформацию заготовок. При этом уходят неровности, разрушаются и вытесняются из зоны сварки оксиды и другие поверхностные пленки.

27

Свариваемость металла – это способность образовывать при сварке качественное сварное соединение, эксплуатационные свойства которого близки к свойствам свариваемого металла.

Способы сварки подразделяются на три группы:

–термические способы сварки (дуговые способы сварки, газовая сварка, электрошлаковая сварка, электронно-лучевая и лазерная сварка);

–термомеханические способы сварки (электроконтактная сварка, диффузионная сварка);

–механические способы сварки (холодная сварка, ультразвуковая сварка, сварка взрывом, сварка трением).

Рассмотрим эти группы:

1. Термические способы основаны на процессах плавления. Рассмотрите классификацию способов сварки плавлением по

виду источника теплоты.

Дуговая сварка – это один из видов сварки плавлением, в котором источником тепла служит сварочная дуга – электрический разряд

вгазовой среде. Дуга способна практически мгновенно расплавлять и перегревать до 2000…2500 °С небольшие участки металла заготовки. Уясните условия возбуждения дуги и ее тепловые свойства.

Усвойте основные требования к источникам сварочного тока для дуговой сварки: легкое зажигание дуги и безопасность работы, что достигается напряжением холостого хода не более 60…70 В; стабильное горение дуги и ограничение тока при коротком замыкании сварочной цепи. Для выполнения этих требований применяют источник с падающей вольт-амперной характеристикой.

Дуговая сварка классифицируется по степени механизации и способам защиты шва от взаимодействия с атмосферой.

Ручная дуговая сварка. В этом процессе сварщик управляет электродом, поддерживая заданную длину дуги, производя подачу электрода по мере его плавления.

При ручной дуговой сварке плавящимся электродом наносят на электрод защитно-легирующие покрытия, которые при расплавлении образуют легкие шлаки, покрывающие металл шва и ванну вязкой пленкой, препятствующей окислению металла. В составе по-

28

крытий содержатся раскислители и легирующие добавки, которые восстанавливают оксиды в металле шва в период его контакта с жидким шлаком и легируют шов с целью повышения эксплуатационных свойств.

При ручной сварке объем жидкого металла сварочной ванны незначителен, и он может удерживаться на вертикальной стене или в потолочном положении за счет сил поверхностного натяжения. Недостатокспособа– тяжелыйручнойтрудинизкая производительность.

Автоматическая сварка под флюсом. Уясните схему автоматической сварки под флюсом.

Рассмотрите особенности технологии сварки. Высокая производительность процесса обеспечивается возможностью применения электродов диаметром 4...5 мм и тока до 1600 А.

Автоматическая сварка под флюсом применяется для сварки однотипных узлов, имеющих протяженные прямолинейные и кольцевые швы.

Дуговая сварка в защитных газах. Уясните роль защиты зоны дуги газом, заключающуюся в оттеснении воздуха из зоны горения дуги защитными газами с одновременным исключением их взаимодействия с металлом сварочной ванны шва.

Защитные газы могут быть инертными (аргон, гелий) и активными (углекислый газ, азот, водород). Инертные газы не вступают в реакцию с металлом электрода и сварочной ванны и не растворяются в нем. Поэтому химический состав шва идентичен составу свариваемого металла, что обеспечивает наиболее высокое качество сварных соединений.

Для ряда сплавов качественные соединения получают при сварке в среде активных газов, которые могут вступать в химическую реакцию с металлом сварочной ванны. Так, большинство конструкционных сталей свариваются в среде углекислого газа. Для защиты от окисления применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца, которые способны восстановить оксид железа; при этом продукты реакции всплывают на поверхность шва в виде шлака.

Сварку в среде защитных газов осуществляют плавящимся или неплавящимся электродом. В последнем случае электрод изготавли-

29

вают из вольфрама, а для защиты используют инертные газы. Сварку выполняют вручную, на полуавтоматах и автоматах.

При сварке в защитных газах сварочная ванна охлаждается быстрее, так как объем ее мал. Это позволяет, в отличие от сварки под давлением, производить сварку в защитных газах в потолочном и вертикальном положениях.

Сварка металлов плазменной струей. При этом методе сварки источником теплоты служит струя газа, ионизированного в дуге. Для ионизации используют столб сжатой дуги, т.е. дуги, горящей в узком канале, через который под давлением продувают газ (аргон, азот, водород), дополнительно увеличивающий степень ее сжатия.

В этих условиях температура газа в столбе дуги достигает 20000...30000 °С, что по сравнению со свободно горящей дугой резко увеличивает степень ионизации и температуру газа, выходящего из канала с большой скоростью в виде струи. Этот источник теплоты имеет высокую концентрацию тепловой энергии.

Электрошлаковая сварка. Рассмотрите сущность процесса

иего отличия от сварки под флюсом. Для начала процесса необходима шлаковая ванна, которую получают с помощью сварочной дуги. Подавая флюс в дугу, создают значительный слой электропроводного жидкого шлака. После создания жидкого шлака дуга погружается в него, дуговой разряд прекращается, и сварочная цепь замыкается через жидкий шлак. Источник теплоты является распределенным в отличие от сосредоточенного источника – дуги.

Электрошлаковая сварка применяется для соединения толстолистовых заготовок (толщиной более 20 мм), отливок, поковок и слитков из чугуна, стали, медных, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов.

Сварка электронным и лазерным лучами. Эти процессы относятся к сварке плавлением. При электронно-лучевой сварке процесс выполняется в глубоком вакууме, а в качестве источника теплоты используется поток ускоренных электронов. Электроны, излучаемые катодом электронной пушки, разгоняются, концентрируются в луч

ибомбардируют металл, выделяя при торможении теплоту за счет перехода кинетической энергии в тепловую. Электронный луч имеет

30