Технология конструкционных материалов. Способы получения деталей (за

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

Э.М. Губарева

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ (ЗАГОТОВОК) И КОНСТРУКЦИЙ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

УДК 621.791 Г93

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Р.А. Мусин (Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. М.Н. Игнатов (Пермский государственный технический университет);

канд. техн. наук, проф. А.И. Горчаков (Пермская государственная сельскохозяйственная академия)

Губарева, Э.М.

Г93 Технология конструкционных материалов. Способы получения деталей (заготовок) и конструкций: учеб. пособие / Э.М. Губарева. – Пермь: Изд-во Перм. гос.

техн. ун-та, 2008. – 238 с.

ISBN 978-5-88151-927-8

Описаны способы получения деталей (заготовок) в холодном и горячем состоянии материалов. Приведены сущность, достоинства и недостатки способов, области их применения.

Предназначено для студентов немеханических специальностей заочной формы обучения, изучающих дисциплины «Технология конструкционных материалов», «Технологические процессы машиностроительного производства».

УДК 621.791

I. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Физические свойства характеризуют температуру плавления металлов, их плотность, коэффициент теплового расширения, тепло- и электропроводность, упругие и магнитные свойства и т.п.

Химические свойства металлов определяются их химической активностью, способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими агрессивными средами, расплавленными металлами, коррозионной стойкостью.

Механические свойства характеризуют состояние металлов при воздействии внешней нагрузки. Внешняя нагрузка создает в металле напряжения σ (МПа), равные отноше-

нию нагрузки к площади сечения испытуемого образца:

σ P .

F0

Напряжения вызывают деформацию изменение формы и размеров металлического образца упругую, исчезающую после снятия нагрузки, или пластическую, остающуюся после снятия нагрузки. При чрезмерной пластической деформации происходит разрушение металла. Способность металла сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность.

Прочность металлов определяют на специальных образцах их растяжением, сжатием, изгибом, кручением. Чаще прочность

3

металла характеризуют пределом прочности при растяжении, или временным сопротивлениемразрыву σв , МПа:

σв Рв ,

F0

где Pв максимальная нагрузка, которую выдержал образец перед разрушением, Н;

F0 начальнаяплощадь поперечного сеченияобразца, м2.

Одновременно с прочностью при растяжении определяют и пластичность способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Пластичность обычно оценивают относительным удлинением или относительным сужением :

δ = lк l0 100 %, l0

где lк длина образца после разрыва, мм; l0 первоначальная длина образца, мм;

ψ F0 Fк 100 %,

F0

где F0 начальнаяплощадьпоперечногосеченияобразца, мм2;

Fк конечная площадь поперечного сечения образца

в шейке после разрыва, мм2.

Прочность при ударных нагрузках определяют разрушением образцов ударом массивного маятника и характеризуют ударной вязкостью KCU, KCV или КСТ (в зависимости от формы надреза образца: U, V, T) (МДж/м2):

KCU A ,

F0

где А работа, затраченная на излом образца; F0 площадь поперечного сечения образца.

4

Твердость способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Испытание твердости материалов используют как неразрушающий метод, позволяющий судить о прочности, так как твердость и прочность взаимосвязаны. Существует ряд методов определения твердости металлов. Чаще для определения твердости применяют метод Бринелля. По этому методу в испытуемый металл вдавливают стальной закаленный шарик при заданной нагрузке и определяют числа твердости НВ из отношения приложенной нагрузки Р, Н, к поверхности полученного отпечатка F0 , мм2:

HB P .

F0

Метод Бринелля используют для материалов с твердостью ниже 450 НВ.

Для испытания материалов с твердостью более 450 НВ и закаленных сталей используют метод Роквелла, сущность которого заключается в статическом вдавливании в образец наконечника под определенной нагрузкой. Наконечником для материалов до 230 НВ служит стальной закаленный шарик D = 1,59 мм, а для материалов более высокой твердости алмазный конус с углом при вершине 120 . Значение твердости определяют по глубине (мм) остаточного вдавливания наконечника и измеряют в условных единицах. В соответствии с условиями испытаний (тип наконечника, нагрузка) и шкалой прибора (В, С, А) измерения числа твердости обо-

значают 30 HRB, 60 HRC, 80 HRA и т.д.

Твердость по Виккерсу определяют путем статического вдавливания в поверхность образца алмазной четырехгранной пирамидки с углом α = 136 между противоположными гранями. Число твердости определяют так же, как и в спосо-

5

бе Бринелля: отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F0 :

где d величина диагонали отпечатка;

Р приложенная нагрузка, Р = 50…1000 Н (5…100 кгс). Методом Виккерса измеряют твердость очень тонких

изделий и поверхностных слоев.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки.

К ним относят: литейные свойства способность материала образовывать отливки; ковкость способность материала подвергаться обработке давлением; свариваемость способность образовывать качественные неразъемные соединения (швы); обрабатываемость резанием способность материала подвергаться обработке режущим инструментом.

Литейные свойства металлов характеризуются: жидкотекучестью способностью заполнять литейную форму; усадкой сокращением размеров и объема отливки при затвердевании; склонностью к ликвации неоднородности химического состава по сечению отливки, вызванной условиями затвердевания; газонасыщением за счет азота и водорода воздуха, а также образования газов в процессе взаимодействия расплава с литейной формой.

Ковкость способность материала изменять свою форму и размеры под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем усилии.

Свариваемость способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.

6

Обрабатываемость резанием способность материала подвергаться снятию с него определенного слоя, называемого припуском, с целью получения готовой детали с заданной конфигурацией, точностью размеров и шероховатости поверхности.

Эксплуатационные свойства характеризуют способ-

ность материала работать в заданных условиях, не изменяя своих свойств. К ним относятся:

–коррозионная стойкость сопротивление материала действию агрессивных кислотных и щелочных сред;

–хладостойкость способность материала сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 С;

–жаропрочность способность материала сохранять механические свойства при высоких температурах;

–жаростойкость способность сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах;

–антифрикционность способность материала работать в условиях трения без схватывания.

Свойства металлов и сплавов определяются их внутрен-

ним строением структурой и могут быть изменены термической, химико-термической, термомеханической обработкой и др.

7

II.МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

1.Сущность металлургического производства

Применяемые в технике металлы принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы; к цветным все остальные металлы.

Основная продукция черной металлургии: чугуны; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и др.); стальные слитки для производства сортового проката и поковок крупных деталей машин (валов, роторов турбин, дисков и т.д.).

Продукцией цветной металлургии являются как чистые металлы, так и их сплавы, а также слитки для производства сортового проката, для изготовления отливок, лигатуры сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения.

2. Основные способы получения металлов из руд

Пирометаллургический способ основан на том, что те-

пло, необходимое для выплавки металла, образуется за счет сжигания топлива. Металлургические процессы, протекающие при высоких температурах, приводят к химическим изменениям всей массы используемых минералов (это основной способ получения железа и его сплавов, меди и др.).

Электрометаллургический способ получения металлов осуществляется в дуговых, индукционных и других электрических печах или электролизом из расплавов и водных растворов химических соединений (например, получение алюминия из глинозема Al2O3).

8

Гидрометаллургический способ заключается в выще-

лачивании металлов из руд различными растворителями и в последующем выделении их из раствора. Этот способ широко применяется для получения, например, меди, а в последнее время урана и некоторых других металлов.

Химико-металлургический способ – получение метал-

лов в результате химических и пирометаллургических процессов, например, титан получают восстановлением тетрахлорида TiCl4 магнием и последующей плавкой в электродуговых печах.

3. Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства металлов используют руды, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Рудой называют горные породы, содержащие металлы в количествах, обеспечивающих экономную их переработку.

Руда состоит из минералов, содержащих металл в виде оксидов, сульфидов, карбонатов, и пустой породы (в основном, кремнезема SiO2, глинозема Al2O3), в составе которой находятся также примеси серы, фосфора, мышьяка и других элементов.

Флюсом называют материалы, образующие при плавке шлак легкоплавкое соединение с пустой породой руды, золой топлива и другими неметаллическими включениями. Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он находится на поверхности расплавленного металла.

При выплавке черных и некоторых цветных металлов

вкачестве флюсов используют кварцевый песок, состоящий

восновном из SiO2, известняк CaCO3 и другие соединения кальция или магния.

Топливом в металлургических процессах служит кокс, природный, доменный или коксовый газ, мазут.

9

Кокс получают сухой перегонкой коксующихся каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000…1100 С. При такой обработке из угля извлекаются и ценные побочные продукты: бензол, фенолы, атакжеулавливается коксовый газ.

Природный газ состоит в основном из метана CH4. Доменный газ побочный продукт при выплавке чугуна

в доменной печи, содержит значительное количество горючих составляющих (до 32 % СО, до 4 % Н2).

Мазут тяжелый остаток перегонки нефти, содержит до 88 % С, 10…12 % Н2 инебольшоеколичествокислородаисеры.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) плавильных печей и другого оборудования, находящегося под действием высоких температур и расплавленных металлов и шлаков. По химическому составу огнеупорные материалы подразделяют на кислые, основные и нейтральные.

К кислым относятся динасовый кирпич, кварцевый порошок и другие материалы с высоким содержанием кремнезема SiO2; к основным доломитовые, магнезитовые и другие материалы с большим содержанием основных оксидов MgO, CaO; к нейтральным материалы, состоящие из оксидов Al2O3, Cr2O3, MgO и т.д. (шамот, хромомагнезит), а также углеродистый кирпич.

4.Производство чугуна

4.1.Материалы, применяемые для производства чугуна

Чугун это сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором 2,14…6,67 %.

Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургическим способом в доменных печах, используя для этого твердое топливо кокс и флюсы.

10