книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

мой отсоса запыленного воздуха. Удачно решена задача удаления

запыленного воздуха на бегунах модели 115, имеющих закрытый кожух.

Места сильного пылевыделения при пересыпке формовочных материалов с транспортера на транспортер оборудуются устрой­ ствами для обеспыливания (рис. 104). Падающий на транспортер­ ную ленту материал перемещается в металлическом кожухе 1, к которому присоединен раструб 3, связанный с трубопроводом 2 для отсоса пыли. Резиновый фартук 4 и резиновые полосы 5 препятст­ вуют выбиванию запыленного воздуха из-под кожуха.

При использовании отработанной смеси («горелой» земли) рекомендуется предварительная регенерация ее с целью удаления мелких частичек пыли. Надежной системой отсоса пыли должны быть оборудованы выбивные решетки и барабаны для очистки литья. Для уменьшения пылеобразования отливки в очистных бара­ банах увлажняют до влажности отходов (1—-2%)- Барабаны обору­ дуются местным отсосом через полые цапфы.

Формовочные машины должны быть снабжены предохранитель­ ными устройствами, исключающими возможность случайного пуска.

На участках плавки наибольшую опасность представляют опе­ рации выпуска металла и шлака из плавильного агрегата, транспор­ тировка жидкого металла и заливка форм. Для предохранения завалыциков шихты от ожогов необходимо оборудовать завалочное окно дверцами. В чугунолитейных цехах особое внимание обраща­ ется на безопасность выпуска чугуна из вагранки. Во избежание выброса и разбрызгивания металл при соприкосновении его с водой, влажными или заржавленными деталями ковши и другой инстру­ мент (ломики, счищалки шлака, ложки, стаканы для пробы металла и др.) должны быть тщательно подготовлены, просушены или подогреты. Футеровка и обмазка копильников, желобов и ковшей должна быть тщательно просушена. Вместо дров или кокса для этой цели рекомендуется газ, что устраняет выделение в цех СО и дыма. Во избежание расплескивания металла при транспортировке открытые ковши нельзя наполнять более чем на 7/8 высоты.

При выбивании пробки чугунной или шлаковой летки вагран­ щик должен находиться в стороне от оси летки. Для устранения опасности ожогов при закрывании летки вручную, рекомендуется механизировать эту опасную операцию. Наиболее удобным являет­

ся применение копильника, в который чугун выпускается через постоянно открытую летку.

Очень опасна операция выбивки вагранки после плавки, так как при выпадении остатков («провала») пламя и горячие газы распространяются на значительное расстояние. Перед выбивкой вагранки надо остановить дутье и открыть фурмы; воду и сырость

на полу и приямках нужно убрать и засыпать эти места сухим песком.

Задвижки и скобы, удерживающие откидное днище вагранки, рабочий должен удалять, находясь в стороне, выбивание подпорок производить только длинным крюком или при помощи кольца и

180

Г л а в а VI. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

§I. Сущность и область применения обработки давлением

Воснове всех процессов обработки давлением лежит способ­ ность металлов и их сплавов под действием внешних (или внутрен­ них) сил пластически деформироваться т. е. необратимо изменять свою форму, не разрушаясь. При пластической деформации изменя­ ется не только форма, но в зависимости от условий деформации (температуры, скорости и степени деформации) также структура, механические и физические свойства металла.

Всовременной металлообрабатывающей промышленности обработка давлением является одним из основных способов произ­ водства. Ей подвергается около 90% всей выплавляемой в стране стали. Продукция целого ряда ее процессов не нуждается в после­ дующей механической обработке. В сочетании с термической обра­ боткой обработка давлением обеспечивает самые высокие механи­ ческие свойства металла.

Вмашиностроении наиболее широко применяются процессы горячей объемной и листовой штамповки. В современном автомоби­ ле до 80% штампованных деталей, половина из которых не подвер­ гается никаким другим видам обработки (исключая покраску), в тепловозе — 60%, в тракторе — 70%.

Основными процессами обработки металлов давлением явля­ ются: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, объемная

илистовая штамповка.

§ 2. Теоретические основы обработки давлением

Напряженное и деформированное состояние. Тело, подвергну­ тое действию внешних сил, находится в напряженном состоянии. Эти силы могут быть поверхностные, приложенные к поверхности тела, и объемные, действующие на весь объем теЛа, на все его точки (силы тяжести, инерции и т. д.). Под действием внешних сил в теле возникают внутренние усилия, интенсивность которых, отнесенная к единице площади, называется напряжением.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают его упругую или пластическую деформацию.

182

Изменение формы тела при его упругой деформации обусловле­ но изменением межатомных расстояний ввиду принудительного (вызванного приложением внешнего усилия) отклонения атомов от положения устойчивого равновесия.

Механизм пластической деформации иной. При наличии напря­ женного состояния тела между зернами (кристаллами) и внутри зерен (кристаллов) по плоскостям скольжения действуют сдвигаю­ щие напряжения, которые при достижении определенной величины, зависящей от природы тела, преодолевают сопротивление границ кристаллов и плоскостей скольжения внутри зерен и вызывают необратимые перемещения (сдвиги). Перемещения вызывают необ­ ратимое изменение размеров и формы зерен и всего тела. Так как для начала пластической деформации сдвигающие напряжения дол­ жны достичь некоторой величины, то, значит, пластическая дефор­ мация может происходить только в упругодеформированном теле.

Внешнее трение при обработке металлов давлением. На ход пластической деформации большое влияние оказывает внешнее трение. При перемещении деформируемого металла относительно рабочей поверхности инструмента в месте контакта возникает сила трения. Сила внешнего (контактного) трения изменяет схему напря­ женного состояния деформируемого тела, что в свою очередь приводит к увеличению усилия деформации, вызывает неравномер­ ное распределение деформаций в теле, вблизи контактных поверх­ ностей зоны затрудненной деформации со степенями деформации значительно меньше общей. Неравномерность деформации ведет к появлению дополнительных напряжений, которые сказываются на качестве готовых изделий. Наличие значительных сил трения сни­ жает стойкость инструмента. В некоторых случаях (прокатка фоль­ ги, волочение тонкой проволоки) благодаря действию значительных сил трения процессы пластической деформации становятся невоз­ можными без применения эффективных смазок.

Однако в некоторых случаях трение играет положительную роль. Так, в начальный период прокатки силы трения способствуют улучшению условий захвата металла валками.

Механическая схема деформации. Напряженное состояние в точке или в некотором объеме тела принято характеризовать схемой главных напряжений, т. е. нормальных напряжений, действующих на трех взаимно перпендикулярных площадках, на которых нет касательных напряжений. Деформированное состояние в точке пли в некотором объеме тела характеризуется схемой главных деформа­ ций, возникающих в направлении глайных осей. Совокупность схем главных напряжений и главных деформаций называется механиче­ ской схемой деформации.

Механическая схема деформаций оказывает существенное влияние на пластичность металлов. Наилучшие условия пластиче­

наихудшие — при схеме с двумя деформациями растяжения. Таким

1S3

образом, один и тот же металл имеет разную пластичность при различных механических схемах деформации.

Механическая схема деформации определяет и структуру деформированного металла. Максимальная главная деформация определяет форму зерна. Зерна вытягиваются в направлении глав­ ной деформации, так же ориентируется и межзеренное вещество. При высоких степенях деформации зерна вытягиваются в волокна (такая структура называется волокнистой).

При конструировании деталей и разработке технологии их изготовления с применением обработки давлением следует учиты-

Рис. 106. Напряженное (а) и деформированное (б) состояния

вать направление волокна, влияющее на механические свойства изделий. Наиболее высокое качество деталь будет иметь в тех слу­ чаях, когда максимальные нормальные напряжения (растяжение, сжатие) действуют вдоль волокна, а касательные (сдвиг, срез) — поперек.

Возможны девять схем главных напряжений (четыре объем­ ные, три плоские и две линейные) и три схемы главных деформаций (рис. 106). Однако при обработке металлов давлением наиболее часто встречаются две схемы главных напряжений: объемное трех­ осное сжатие, которое наблюдается при свободной ковке, объемной штамповке, прокатке и прессовании, а также объемное сжатие с одним растягивающим напряжением ( при волочении и листовой штамповке).

Схема главных деформаций с одной деформацией растяжения наблюдается при волочении и прессовании, с двумя деформациями

184

растяжения — при прокатке, ковке, объемной штамповке, двухосная схема деформации встречается при прокатке широкой полосы, при прокатке с натяжением и некоторых этапах листовой штамповки.

Температурно-скоростной фактор деформации. В процессе межзеренных и внутризеренных сдвигов происходит поворот и искрив­ ление плоскостей скольжения, засорение их мельчайшими обломка­ ми, затрудняющими скольжение, искажение кристаллической решет­ ки вблизи места сдвига и т. д., что вызывает возрастание сопротив­ ления деформации. Неравномерная деформация отдельных зерен и групп (блоков) зерен или частей тела приводит к возникновению дополнительных напряжений, которые также вызывают увеличение сопротивления деформации. Это явление называется наклепом или

упрочнением.

В процессе пластической деформации в результате теплового воздействия протекают процессы разупрочнения — возврат (отдых) и рекристаллизация, снижающие эффект упрочнения.

Возвратом называется процесс разупрочнения, вызванный теп­ ловым колебанием атомов и перемещением их к местам устойчивого равновесия, что ведет к снижению остаточных напряжений без пере­ стройки кристаллической решетки. Возврат происходит при темпе­ ратурах выше 0,25—0,30 Гпл Для чистых металлов.

Рекристаллизация — процесс, при котором в результате тепло­ вого воздействия происходит перестройка кристаллов деформиро­ ванного тела, зарождение новых кристаллов и их рост. Рекристал­ лизация происходит при температурах выше 0,4 ТПЯ для чистых металлов.

Различают следующие виды пластической деформации. Холодная деформация, или деформация с полным упрочнени­

ем,— процесс, при котором происходит упрочнение деформируемого металла и отсутствуют возврат и рекристаллизация. Холодная деформация сопровождается повышением сопротивления деформа­ ции и снижением пластичности. Она дает возможность получать высокую точность размеров и хорошее качество поверхности.

Неполная холодная деформация, или деформация с неполным упрочнением,— такая, при которой за счет отдыха происходит сня­ тие части остаточных напряжений, некоторое снижение сопротивле­ ния деформации и увеличение пластичности по сравнению'с холод­ ной деформацией. Этот вид деформации имеет место при холодном деформировании с высокими скоростями.

Горячая деформация, или деформация с полным разупрочне­ нием,— такая, при которой во всем объеме тела успевает произойти рекристаллизация.

При неполной горячей деформации, или деформации с непол­ ным разупрочнением, рекристаллизация происходит не полностью, что ведет к значительной неоднородности структуры и возникнове­ нию дополнительных напряжений.

Влияние температуры, скорости и степени деформации на микроструктуру и механические свойства металла. Изменение тем­ пературы металла ведет к изменению механических свойств

185

(рис. 107). Предел прочности стали достигает наибольшей величины при 300° (рис. 107, а). Дальнейшее увеличение температуры ведет к уменьшению предела прочности, который при 800—900° снижается в, 8—10 раз. Относительное удлинение уменьшается при увеличении температуры до 300° и далее растет, достигая 70% при температуре

Рис. 107. Зависимость механических свойств, стали от температуры и степени деформации

интервале. Более того, ниже точки фазовых превращений зерна металла сохраняют эти размеры, что ведет к изменению свойств металла при нормальных температурах.

На диаграмме (рис. 107, в) показана зависимость предела прочности и относительного удлинения стали от температуры пред­ варительного нагрева и медленного охлаждения на воздухе.

Микроструктура и механические свойства зависят не только от температуры обработки, но и от степени деформации. Поэтому влияние этих факторов следует рассматривать одновременно.

Из диаграммы рекристаллизации (рис. 107, г) видно, что для данного металла при некоторой температуре и степени деформации имеет место максимальный рост зерна. Интервал степени деформа­ ции, в котором при данной температуре наблюдается интенсивный рост зерна, называется критическим. С увеличением температуры этот интервал расширяется. Поэтому для получения малого зерна необходимо заканчивать обработку при более низких температурах.

Повышение скорости деформирования до 5—10 м/сек приводит к увеличению сопротивления деформации и снижению пластично­

186

сти. Дальнейшее повышение скорости до 20—30 м/сек продолжает увеличивать сопротивление деформации, но ведет к повышению пластичности на 10—20%. Следует помнить, что повышение скоро­ сти деформации ведет к увеличению температуры, поэтому необхо­ димо учитывать температурно-скоростное влияние.

При установлении режима обработки металлов давлением необходимо помнить, что в условиях,-наиболее благоприятных для деформации, значение максимально допустимой степени деформа­ ции меньше для литой и крупнозернистой структур и больше для предварительно деформированной и мелкозернистой структур.

Основные законы пластической деформации. Наука о деформа­ ции опирается на определенные законы, которые дают возможность правильно понять природу пластической деформации.

Закон сдвигающего напряжения: пластическая деформация может наступить только в том случае, если сдвигающие напряже­ ния, возникающие в деформируемом теле, достигнут определенной величины, зависящей от природы тела и условий деформации, т. е. значительное развитие процесса пластической деформации металла возможно только путем скольжения.

Закон наименьшего сопротивления: в случае возможности пере­ мещения точек деформируемого тела в различных направлениях каждая точка перемещается в направлении наименьшего сопротив­ ления.

Закон постоянства объема: объем тела до деформации равен объему его после деформации. Фактически имеет место некоторое изменение объема, однако оно настолько мало, что им следует пре­ небречь.

§ 3. Нагрев металла перед обработкой давлением

Назначение нагрева. Основным назначением нагрева перед об­ работкой давлением является повышение пластичности обрабаты­ ваемого металла и снижение его сопротивления деформированию. Для обработки давлением нагретой стали ее следует привести в состояние твердого раствора — аустенита. При этом сталь имеет

.однородную структуру, обладает одинаковыми свойствами во всех частях, пластична и хорошо куется.

Нагревать до очень высоких температур, приближающихся к линии солидуса, не рекомендуется, так как при этом возможен перегрев и пережог металла. Перегрев — явление быстрого роста зерен при высоких температурах, ведущее к ухудшению механиче­ ских свойств металла. Он может быть исправлен термической обра­ боткой. При пережоге кислород проникает внутрь заготовки и окис­ ляет границы зерен. Металл становится хрупким и при ударе рассы­ пается. Никакой обработкой пережог не исправляется.

Ковать при низких температурах нельзя, так как сталь при этом обладает большим сопротивлением деформированию и мало пластична. Особенно опасно деформировать сталь в области темпе­

187

ратур 500—300°, так как в этом интервале она очень хрупка легко дает трещины с изломом синеватого цвета (синеломкость).

Металл нужно ковать в том интервале температур, в котором его пластичность (способность изменять форму) наибольшая Это так называемый температурный интервал ковки. В его пределах металл должен находиться в однофазном состоянии, т. е. все его зерна должны иметь одинаковое строение и свойства тогда при ковке они будут деформироваться в одинаковой степени. Если же металл будет находиться в двухили многофазном состоянии то пластичность каждой фазы будет различная, деформация получит­ ся неоднородной и возможно разрушёние. Только углеродистые ста­ ли можно ковать при температурах, соответствующих двухфазному состоянию, так как аустенит и феррит между линиями GS и PS у доэвтектоидных сталей (см. рис. 10) обладают хорошей пластич­ ностью, а равномерная смесь аустенита с зернами цементита между линиями t S и S K у заэвтектоидных сталей также обладает доста­ точной пластичностью при температурах не ниже 750°.

Температурный интервал ковки различных сталей зависит от их химического состава и исходного состояния.

Режим нагрева. Правильно выбранный режим нагрева металла должен обеспечить быстрое и равномерное прогревание с наимень­ шими потерями на окалину и с наименьшей затратой топлива и энергии. Выбор режима нагрева зависит от свойств стали, формы и размеров заготовки и направления передачи тепла.

Качество нагрева в первую очередь определяется температурой печи в момент посадки металла. Если нагревается малоуглероди­ стая сталь, то ее можно загружать в печь, имеющую максимальную рабочую температуру, т. е. на 150-200° выше температуры начала ковки. При нагреве легированных сталей температура печи должна быть ниже для обеспечения равномерного прогрева.

Когда температура металла достигает критической точки (723°), в стали происходят структурные превращения, сопровождающиеся уменьшением объема, что влечет за собой уменьшение внутренних напряжений. Одновременно возрастает пластичность стали. Поэто­ му, начиная с 750°, нагрев можно вестй с любой скоростью без риска испортить поковку. Заготовки крупных сечений нужно выдер­

живать некоторое время при температуре начала ковки, чтобы вы-

.ровнять температуру во всем их объеме.

Скорость нагрева стали зависит от ее теплопроводности, тепло­ емкости, формы и размера заготовки, температуры печи и распо­ ложения заготовок в печи. Наибольшей теплопроводностью обладают стали, близкие по составу к железу; меньшая теплопро­ водность у легированных сталей. С повышением температуры угле­ родистых сталей уменьшается их теплопроводность. С увеличением температуры теплоемкость стали возрастает и нагрев идет медлен­ нее, так как требуется больше тепла для нагрева до заданной температуры. Теплоемкость у разных металлов различна.

Скорость нагрева поковки зависит от ее формы и сечения, Ьыстрее нагреваются тонкие поковки, медленнее — массивные,

188

Очень сильное влияние на скорость нагрева оказывает темпера­ тура печного пространства. Работами советских ученых и инжене­ ров создан скоростной метод нагрева, основанный на доведении температуры внутри печи до 1400—1500° и обогреве заготовки со всех сторон. При этом необходимо, чтобы температура в печи регу­ лировалась автоматически и заготовки находились в ней точно уста­ новленное время. Сокращение продолжительности нагрева при скоростом методе объясняется тем, что передача тепла металлу происходит в основном за счет теплоизлучения стенок печи и газов и только небольшая часть передается непосредственным контактам с металлом. Количество же излучаемого тепла быстро растет с уве­ личением температуры.

Время нагрева заготовки в печи можно приблизительно опре­ делить по формулам Доброхотова. Для мягкой углеродистой стали время нагрева от 0 до 850°

содержащими кислород и водяной пар. При этом кислород окисляет поверхность металла, образуя окалину. Последняя появляется не

189