Материаловедение и технология конструкционных материалов

Ol

°i I__

Pitc. /6.5. Схемы главных напряжений:

a — одноосное (линейное) напряженное состояние; б — двухосное (плос­ кое) напряженное состояние; в — трехосное (объемное) напряженное со­

стояние

Рис. 16.6. Схемы главных деформаций:

а — волочение; б — свободная осадка; в — прокатка широких листов

гда напряжение а достигает некоторой вполне определенной для данного металла величины ст, называемой пределом текучести. Эта величина, количественно определяющая сопротивление ме­ талла деформированию, является характеристикой материала и зависит от температуры, степени и скорости деформации, т.е. от условий деформирования. Для большинства применяемых в машиностроении металлов и сплавов предел текучести определя­ ют экспериментально на испытательных машинах путем растя­ жения образцов при соответствующих температурах.

Для различных напряженных состояний условия текучести можно выразить следующим образом:

□ для одноосного — = стт;

□ для двухосного — aj + - а1а2 - о2Т;

□ для трехосного — (о1- а 2)2+(с2- а 3)2 +(о3- а 1)2 =ст2 .

Влияние обработки давлением на свойства металлов

Одним из главных достоинств обработки давлением является повышение прочности и эксплуатационных свойств металлов и сплавов.

Холодная пластическая деформация влияет не только на ме­

х а н и ч е с к и е , но и на другие свойства металлов, которые в значи­ тельной степени зависят от изменения структуры при обработке металлов давлением.

Холодная пластическая деформация вызывает увеличение химической активности электросопротивления, уменьшение маг­ нитной проницаемости и теплопроводности. Холодная пласти­ ческая деформация, снижая пластичность металла, повышает его обрабатываемость на металлорежущих станках, при этом требуется меньшая мощность на обработку, состояние поверхно­ сти изделия улучшается, а стойкость инструмента повышается.

Холодная деформация позволяет получать заготовки и изде­ лия с высокой чистотой поверхности и точными окончательными размерами.

Чаще всего исходной заготовкой для последующей обработки давлением является слиток круглого, прямоугольного или квад­ ратного сечения. В этих заготовках много различных дефектов (газовые пузыри, трещины, крупнозернисТость, неоднородность химического состава), металл обладает низкими механическими свойствами. При горячей обработке давлением завариваются газовые пузыри, измельчается зерно, выравнивается химиче­ ский состав слитка по сечению, а механические свойства литого металла повышаются.

Качество готовых изделий можно значительно улучшить, ра­ ционально' используя волокнистое строение деформированного металла. Рассмотрим несколько примеров.

В шестерне (рис. 16.8, а), изготовленной из проката, волокна направлены параллельно ее оси. При работе шестерни в зацеп­ лении с другой шестерней рабочие напряжения а будут направ­ лены поперек волокон, т.е. неблагоприятно. При изготовлении той же шестерни из заготовки, полученной осадкой (рис. 16.8, б),

волокна будут иметь радиальное направление. Так как зуб под действием напряжений с при работе подвергается изгибу, то это направление волокна является наиболее благоприятным.

Рис. 16.8. Влияние обработки давлением на микроструктуру изделий: а, б — шестерен; в, г — крюков; д, е — коленчатых валов

Крюк, изготовленный гибкой проката (рис. 16.8, в) и ковкой, прочнее крюка, вырезанного из толстой плиты (рис. 16.8, г).

Штампованный коленчатый вал, микроструктура которого показана на рис. 16.8, д, имеет благоприятное расположение во­ локон, так как они направлены вдоль действующих растягиваю­ щих напряжений. Вал же, изготовленный из проката обработкой резанием (рис. 16.8, е), имеет неблагоприятно направленные во­ локна. Штампованный вал является более прочным и, следова­ тельно, его диаметр может быть уменьшен без снижения мощ­ ности двигателя, где он установлен.

Таким образом, для того чтобы получить детали с большими механическими и наилучшими эксплуатационными свойствами, следует не только выполнять обработку давлением при оптималь­ ной для данного металла температуре, но также правильно выби­ рать операции, последовательность их выполнения и степень деформации.

Нагрев металла перед обработкой 16.4. давлением

Для повышения пластичности и снижения сопротивления де­ формированию металл необходимо нагреть до температур рекри­ сталлизации. Нагрев металла перед обработкой давлением яв­ ляется ответственной операцией, от которой во многом зависит не только качество будущих деталей, но и производительность труда, надежность работы оборудования, стойкость инструмента и себестоимость продукции.

16.4.1.Явления, происходящие в металле при нагреве,

ирежимы нагрева

При нагреве на поверхности заготовок образуется слой окси­ дов, Называемый окалиной, толщина которого зависит от темпера­ туры и времени нагрева, состава печной атмосферы, химического состава сплава и расположения заготовок в печи. Наиболее ин­ тенсивно сплавы окисляются при температуре 900...1200 °С.

Нагрев углеродистых сталей приводит также к выгоранию углерода поверхностного слоя на глубину до 2 мм. Уменьшение содержания углерода, называемое обезуглероживанием, ведет к снижению прочности и твердости стали. Особенно вредно обезуглероживание для заготовок небольших размеров, имею­ щих малые припуски на механическую обработку и подвергае­ мых последующей закалке.

Для уменьшения окалинообразования и обезуглероживания применяют нагрев в защитной атмосфере или вакууме, скорост­ ной нагрев, защитные засыпки и обмазки, наносимые на заго­ товки перед нагревом.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали и многие сложные сплавы, имеющие низкие теплопроводность и пла­ стичность, во избежание трещин требуют медленного нагрева. Заготовки из таких сталей и сплавов загружают в печь при невы­ сокой температуре, выдерживают при этой температуре для рав­ номерного прогрева заготовки по всему объему и затем повышают температуру печи. Крупные слитки из легированных сталей при нагреве подвергают нескольким выдержкам при различных тем­ пературах.

Время нагрева определяют исходя из двух противоречивых требований. С одной стороны, с целью уменьшения образования окалины и повышения производительности необходимо сокра­ тить время нагрева, увеличив его скорость, с другой (во избежа­ ние образования трещин) — уменьшить скорость нагрева и уве­ личить его продолжительность. Последнее особенно важно для заготовок большого сечения из высоколегированных сплавов. Для заготовок из углеродистых сталей сечением до 100 мм2 до­ пускается высокая скорость нагрева и их можно загружать хо­ лодными в печь, имеющую температуру 1300 °С.

Время нагрева Т (ч) в этом случае можно определить по фор­ муле Н.Н. Доброхотова

Т = akD-jD,

где k — коэффициент, зависящий от марки стали (для углероди­ стых и низколегированных сталей fe = 10, для высокоуглероди­ стых и высоколегированных сталей k - 20); D — диаметр или сторона квадрата заготовки, м; а — коэффициент, учитываю­ щий способ укладки заготовок в печи (рис. 16.10). Чем плотнее уложены заготовки в печи (меньше расстояние I), тем больше коэффициент а и длительнее нагрев заготовок.

Заготовки из высоколегированных сталей нагревают в два этапа из-за возможного их разрушения в результате возникно­ вения термических напряжений при большой скорости нагрева:

( D

D

Рис. 16.10. Влияние способа укладки заготовок в печи

на коэффициент а

сначала их медленно подогревают до 650 °С, а затем, когда пла­ стичность сплава увеличивается, окончательно нагревают с боль­ шой скоростью до температуры горячей пластической деформа­ ции. Общее время нагрева составляет Т - Т 1 +Т2, где Т, и Т2 — время соответственно первого и второго этапов нагрева:

Т1 =а13Д0л/й; Тг = a6,7D-v/D.

Процесс охлаждения (особенно заготовок из легированных сталей) при обработке давлением является ответственной техно­ логической операцией, которая при неправильном выполнении может привести к браку, так как при охлаждении трещины в за­ готовках образуются чаще, чем при нагреве. Скорость охлажде­ ния не должна превышать допустимых значений. Заготовки из низко- и среднеуглеродистых сталей можно охлаждать на воз­ духе поштучно ,или группами на стеллажах. Крупные поковки из легированных сталей охлаждают медленно вместе с печью, давая выдержки по нескольку часов при определенных темпе­ ратурах. Цикл охлаждения заготовок зависит от их химическо­ го состава и размеров и для крупных поковок может длиться несколько суток.

16.4.2. Нагревательные устройства

На заводах применяют различные по принципу действия и конструкции нагревательные устройства. Они классифициру­ ются по номинальной (максимальной рабочей) температуре, способу нагрева и их конструктивным признакам, определяю­ щим режим загрузки-выгрузки заготовок.

По способу нагрева нагревательные устройства делятся на пламенные и электрические. В пламенных печах требуемой температуры достигают сжиганием в специальных горелках мазута или газа. В свою очередь, электрические нагреватель­ ные устройства подразделяются:

□на электропечи сопротивления косвенного нагрева, в кото­ рых нагрев осуществляется энергией, выделяющейся в элемен­ тах сопротивления, через которые пропускают ток;

□электрические установки прямого контактного нагрева,

вкоторых электрический ток проходит непосредственно через заготовку, нагревая ее;

□ установки индукционного нагрева, в которых заготовку помещают в электромагнитное поле, создаваемое токами высо­ кой частоты.

Деление нагревательных устройств на печи и установки ус­ ловное и означает, что в печах заготовки нагреваются излуче­ нием и конвекцией за счет теплоты рабочего пространства печи, а в установках теплота возникает внутри самой заготовки.

По принципу работы нагревательные устройства бывают периодического и непрерывного действия (методические). В на­ гревательных устройствах периодического действия (камерных) заготовки загружают и выгружают через одно и то же окно, а в процессе нагрева онИ остаются неподвижными. В методиче­ ских (проходных) нагревательных устройствах заготовки загру­ жают через загрузочное окно, перемещают в процессе нагрева через рабочее пространство и выгружают через окно выгрузки.

В камерных печах (рис. 16.11) заготовки 2 укладывают на под печи 1 через загрузочное окно 4 и после нагрева выгружают через то же окно, которое закрывается заслонкой 5. Рабочее про­ странство печи нагревается газом, сжигаемым с помощью двух горелок 3. Газообразные продукты сгорания из рабочей камеры отводятся через дымоход 6.

Рис. 16.11. Камерная нагревательная печь

В кузнечных цехах крупносерийного и массового производ­ ства для нагрева заготовок под горячую объемную штамповку применяют печи непрерывного действия — методические и полуметодические. Полуметодические пламенные печи применяются чаще. Они принципиально не отличаются от методических, но имеют меньшую длину и более высокую скорость нагрева.

Полуметодическая печь (рис. 16.12), имеющая вытянутую форму, состоит из камер предварительного 7 и окончательного 3 нагрева. Камеры нагреваются горелками 2 и б, причем в камере 3 их больше, чем в камере 7. Заготовки 5 укладывают на загру­ зочную площадку 9 и проталкивают гидравлическим толкате­ лем Ю через печь к окну выгрузки 1. Нагреваемые заготовки движутся в направлении, противоположном движению газов (на рисунке показано стрелками). Скорость передвижения заго­ товок такова, что каждая из них находится в печи одинаковое вре­ мя, необходимое для нагрева до требуемой температуры. С целью увеличения срока службы пода печи и уменьшения усилия про­ талкивания заготовок на поду устанавливают жароупорные на­ правляющие в виде труб или рельсов 4. Экономичность работы печи повышают применением рекуператора, который устанав­ ливают над печью в месте выхода газов, отходящих через дымо­ ходы 8.

Электронагрев по расходу энергии на тонну заготовок менее экономичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко применяют, так как он позволяет повысить производительность труда, автоматизировать процесс и обеспечить его высокую ста­ бильность, улучшить условия труда и сократить потери металла на окалинообразование (угар).

Электрические печи сопротивления по конструкции похожи на пламенные печи, но вместо горелок внутри рабочего про­ странства устанавливают нагревательные элементы, через кото­ рые пропускают электрический ток.

Типовая конструкция камерной электропечи с выдвижным подом показана на рис. 16.13. Под печи 1, чаще всего вместе