Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология конструкционных материалов. Учебное пособие
.pdf
31
Цементация – процесс поверхностного насыщения углеродом изде-
лий из малоуглеродистых сталей (0,1÷0,25 %) с последующей закалкой
и отпуском. Насыщение осуществляют при температуре 850оС в среде
твердого карбюризатора или проводится газовая цементация в метане:
2СО = СО2 + С, СН4 = 2Н2 + С.
Вследствие цементации содержание углерода в поверхностном слое
изделия увеличивается до 1 %, что улучшает закаливаемость стали. В
результате возрастает твердость, износостойкость.
Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения стали углеродом и азотом из среды метана и аммиака при температуре 750оС в
течение 4…10 часов. Диффузия углерода ускоряется в присутствии азота. Глубина диффузии составляет 0,2…0,8 мм. После нитроцементации
производят закалку с низким отпуском, при температуре 160оС. Структура поверхностного слоя характеризуется наличием мартенсита, остаточного аустенита и включений карбонитридов. Твердость поверхностного слоя составляет 570…690 НВ. Содержание углерода доходит до
1,65 %, а азота 0,4 %.
Цианирование состоит в насыщении поверхности азотом и углеродом при температуре 570оС в течение 30-90 мин из расплавов солей,
содержащих цианиты. Этот процесс называют карбонитрацией. Используют расплавы NH2CO3 и Na2CO3 . Поверхностная твердость углеродистых сталей возрастает до 400 НВ, а легированных сталей - до 1000 НВ.
Повышается износостойкость, коррозиостойкость, выносливость. Поверхностный слой толщиной 10 мкм состоит из карбонитридов Fe3(CN).
За ним образуется слой твердого раствора азота в α-железе.
Борирование применяется для повышения износостойкости, коррозиостойкости и теплостойкости стали, предназначенной для работы в
условиях абразивного износа и повышенных температур. Обработку
ведут при температуре 950оС в течение 2…6 часов в среде расплавов
натриевой соли борной кислоты (Na2B4O7) и хлористых солей (NaCl и
BaCl2 ). На поверхности образуется слой боридов – FeB и Fe2B.
Силицирование - насыщение поверхности кремнием с целью повышения коррозиостойкости и износостойкости, осуществляемое при температуре 950…1100оС в течение 2…12 часов. В поверхностном слое
образуется твердый раствор кремния в α-железе.
Алитирование - диффузионная металлизация алюминием для повышения жаростойкости и коррозиостойкости. Алитирование проводят в
порошковой смеси маталлического алюминия, оксида алюминия и хло-
32
рида аммония. В поверхностном слое образуется твердый раствор алюминия в α-железе.
Хромирование повышает коррозиостойкость, твердость, износостой-
кость, жаростойкость. Хромирование осуществляют в порошковой смеси феррохрома, оксида алюминия и хлорида аммония при температуре
950...1100оС. В поверхностном слое образуется слой карбида хрома
толщиной 0,3 мм. Твердость возрастает до 1200…1300 НВ.
1.7. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
Элементы, специально вводимые в сплав для изменения его физикомеханических свойств, называют легирующими.
Легирующие элементы могут образовывать твердые растворы, химические соединения с железом и между собой, могут оставаться в свободном состоянии или присутствовать в виде оксидов, сульфидов, карбидов. В частности, молибден, ванадий, вольфрам и титан присутствуют
в сталях в виде карбидов. Наиболее часто легирующие элементы образуют твердые растворы замещения с ферритом, аустенитом и цементитом. В твердых растворах легирующие элементы (кроме никеля) искажают кристаллическую решетку феррита, вследствие этого возрастает
твердость и прочность, но снижается вязкость и повышается порог
хладноломкости.
Хром, никель, медь, алюминий, титан повышают жаростойкость
стали. Для повышения твердости стали вводят добавки марганца, вольфрама, титана. Измельчению зерна способствуют добавки молибдена,
ванадия, титана. Ударную вязкость стали можно повысить алюминием,
никелем, молибденом. Для повышения износостойкости применяют легирование хромом, кремнием. Коррозиостойкость стали повышают добавками хрома, никеля. Графитизации способствует алюминий, кремний. Ванадий повышает твердость и режущие свойства инструмента.
Никель повышает упругие свойства стали. Упругость повышают кремнием, марганцем, никелем.
При содержании марганца более 15 % образуется так называемый
аустенитовый сплав, то есть расширяется область существования γжелеза от температуры плавления до комнатной температуры. Кремний
и молибден делают устойчивым феррит, их применяют для получения
ферритовых сплавов.
Добавки 3,5…5 % никеля, 0,8 % хрома повышают износостойкость
чугуна. Для придания чугунам повышенной износостойкости вводят
33
9…28 % хрома , 4…5 % никеля. Для повышения жаропрочности в чугун
вводят 11…19 % никеля, 2…3 % хрома, до 7 % марганца. Чугуны с содержанием кремния 13…17 % стойки к действию кислот и щелочей.
Стойкость чугуна к коррозии в газовой, воздушной и щелочной среде повышают, вводя 1…2 % никеля, 1…2 % хрома. Для придания чугунам антифрикционных свойств применяют добавки хрома, никеля, меди титана.
1.8. ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
И КОНСТРУКЦИЙ
1.8.1. Обработка металлов давлением
Обработка металлов давлением основана на способности металлов
получать пластические деформации при воздействии на деформируемую
заготовку внешних сил. К основным видам обработки металлов давлением относятся: прокатка, ковка, штамповка, прессование, волочение.
Прокатка заключается в обжатии заготовки между вращающимися
валками. Силами трения заготовка втягивается между валками, а силы,
нормальные к поверхности валков, уменьшают поперечные размеры
заготовок. Прокатывают металл в горячем (Т=900...1250°С) и холодном
состоянии. Обжатие стального слитка до требуемой формы и размеров
производят за несколько приемов, пропуская его через последовательно
расположенный ряд валков с уменьшающимся зазором. Способом прокатки получают большинство стальных строительных изделий: арматуру, трубы, балки, рельсы, листовую сталь.
Ковка - вид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощью универсального инструмента. Нагретую
заготовку укладывают на нижний боек и универсальным инструментом верхним бойком деформируют ее на отдельных участках. При этом металл
свободно течет в стороны, не ограниченные поверхностями инструмента.
Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью специализированного инструмента - штампа. Для каждого вида детали изготавливают свой штамп. Различают листовую и объемную штамповку.
Листовой штамповкой получают детали из листовых заготовок, которые деформируют с помощью пуансона и матрицы. При объемной
штамповке на заготовку воздействуют штампом. В процессе штамповки
металл заполняет полость штампа, приобретая ее форму и размеры.
При прессовании металл выдавливается из замкнутой полости через
отверстие, соответствующее сечению прессуемого профиля. Прессова-
34
нием изготавливают прутки диаметром 3…250 мм, трубы диаметром
20…400 мм со стенкой 1,5…12 мм и другие профили, в том числе слож-
ных форм.
При волочении заготовку протягивают через постепенно сужающее-
ся отверстие в инструменте. Площадь поперечного сечения заготовки
уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия матрицы. Волочением протягивают проволоку толщиной 0,002…10 мм, а
также фасонные профили.
Рис 15. Схемы основных видов обработки металлов давлением:
а – прокатки; б – ковки; в - листовой штамповки; г - одного из процессов объемной
штамповки; д – прессования; е - волочения
1.8.2. Понятие о литейном производстве
Литейное производство занимается изготовлением фасонных деталей
и заготовок методом заливки расплавленного металла в форму, полость
которой имеет конфигурацию детали. После затвердевания металла в
форме получается отливка.
Сначала заготавливают модель будущей детали из дерева или металла. Модель должна иметь конфигурацию внешней поверхности отливки.
Затем в формовочной смеси трамбованием выполняют отпечаток модели. Формовочная смесь состоит из песка, глины, воды и связующих добавок. Внутренняя поверхность отливки создается с помощью литейного стержня, который также изготавливается из формовочной смеси и
устанавливается перед заливкой в форму. Между поверхностью формы
35
и литейного стержня образуется пространство, заливаемое жидким металлом. После застывания и охлаждения отливка отделяется от литников, очищается от пригоревшей формовочной смеси и освобождается от
литейного стержня. При необходимости изделие подвергается термической обработке с целью снятия внутренних напряжений и формирования
требуемой микроструктуры металла.
1.8.3. Технология сварочного производства
Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных
соединений металлических заготовок. Для получения сварного соединения требуется сблизить соединяемые поверхности на расстояние, в пределах которого начинают действовать межатомные силы сцепления. По
методу объединения поверхностей различают сварку плавлением и
сварку давлением.
При сварке плавлением происходит расплавление кромок свариваемых заготовок, а также металлического электрода или присадочного металла для дополнительного заполнения зазора между ними.
Жидкий металл способствует самопроизвольному объединению заготовок. После затвердевания образуется соединение в виде сварного шва.
На способе плавления основаны такие распространенные в строительстве виды сварки, как газовая и электродуговая.
При сварке давлением заготовки соединяются с помощью совместной пластической деформации свариваемых поверхностей. Под воздействием давления происходит смятие неровностей и течение металла
вдоль соединяемых поверхностей. Частично разрушаются оксидные
пленки, и в результате обеспечиваются плотный контакт и условия для
возникновения межатомных связей. К способам сварки давлением относятся электроконтактная, газопрессовая, диффузионная и холодная.
Электродуговая сварка основана на получении необходимого тепла
от электрической дуги, возникающей между двумя электродами при
пропускании электрического тока как постоянного, так и переменного.
При сварке одним полюсом, как правило, является свариваемая деталь, а другим - угольный (по способу Н.Н. Бенардоса) или металлический (по способу Н.Г. Славянова) электрод (рис.16). В случае применения неплавящегося угольного электрода в зону дуги для расплавления
подается присадочный металл. При использовании металлического
электрода расплавляется сам электрод.
36
Рис 16. Схема электродуговой сварки:
а - способ Н. Н. Бенардоса; б - способ Н. Г. Славянова
Плавящиеся электроды могут быть стальными, чугунными, алюминиевыми. Вид материала для электродов должен соответствовать виду
свариваемого металла. Для сварки стали применяют специальную малоуглеродистую стальную проволоку. В зависимости от толщины свариваемого металла электроды применяются диаметром 1…12 мм и длиной
300…450 мм. На электроды наносят различного вида обмазки для повышения устойчивости горения электрической дуги и для создания вокруг расплавленного металла и дуги защитного слоя из газов и шлака.
Защитный слой необходим для защиты металла шва от окисления и азотирования. Компоненты обмазочных составов обеспечивают также раскисление металла шва. Защитный слой шлаков замедляет скорость
охлаждения металла шва, препятствуя образованию закалочных структур и горячих трещин.
Газовую сварку применяют для сварки чугуна, цветных металлов
и стальных деталей малой толщины. При газовой сварке для расплавления кромок свариваемых деталей и присадочного металла используют химическую реакцию горения газов - ацетилена, водорода,
пропана, бутана, природного газа. 1 м3 ацетилена при сгорании в
кислороде выделяет 50280 Дж тепла. Ацетилен к месту сварки доставляется в баллонах под давлением 1,6…2,0 МПа, которое снижается до рабочего давления редуктором. Ацетилен может быть получен и на месте потребления в специальных генераторах воздействием воды на карбид кальция:
СаС2 + 2Н2О = Са (ОН) 2 + С2Н2.
Из 1 кг карбида кальция образуется 250…300 л ацетилена.
Для соединения трубопроводов, рельсов, инструмента, валов, осей
применяют газопрессовую сварку, при которой детали нагревают
газопламенными горелками до перехода металла в пластичное состояние или до оплавления, а затем сваривают при сильном обжатии.
37
Рис.17. Схема электроконтактной точечной сварки:
1 – трансформатор; 2 – токопроводящие электроды;
3 – свариваемые детали
Электроконтактная точечная сварка применяется при соединении
деталей в отдельных местах в виде небольших площадок – точек
(рис.17). Необходимое для разогревания тепло создается электрическим
током, сопротивление которому оказывают свариваемые детали. Ток
подводится через медные электроды, между которыми помещаются и
зажимаются детали, подлежащие сварке. Точечная сварка широко применяется при сваривании арматурных сеток и каркасов железобетонных
конструкций, прокатных и штампованных профилей, сортовой стали
малой толщины. Качество сварки в значительной степени обеспечивается правильным выбором режима сварки. Длительность нагрева деталей
в районе сварной точки составляет от десятых до тысячных долей секунды. Давление между электродами во время и после нагрева поддерживается в пределах 20…120 Н/мм2. Напряжение во вторичной цепи
сварочного трансформатора обычно составляет 2…12 в. Диаметр медных электродов должен в 2…3 раза превышать минимальную толщину
свариваемых деталей.
Для точечной сварки выпускаются автоматические и неавтоматические машины. Их мощность подбирается в зависимости от толщины
свариваемых деталей. Процесс включения тока и сдавливания электродов в неавтоматических машинах производится нажатием педали, а в
автоматических - специальными механизмами.
Холодная сварка обеспечивает соединение деталей при значительной
пластической деформации без применения внешнего нагрева. При деформировании пленки оксидов выдавливаются в периферийную область, что способствует возникновению межатомных связей между свариваемыми заготовками.
При диффузионной сварке свариваемые детали с тщательно очищенными поверхностями помещают в специальную камеру, где обеспечивается разрежение атмосферы, сдавливание деталей и нагрев. Соединение
38
возникает вследствие взаимной диффузии атомов поверхностных слоев
заготовок без их оплавления.
Способность металлов свариваться зависит от химического состава
металла. Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода менее 0,2 %
свариваются хорошо. Повышенное количество углерода и растворенных
газов приводит к пористости в месте сварки, так как углерод, соединяясь
с кислородом, образует газообразные продукты. Трудность сварки чугуна объясняется наличием в нем большого процента углерода и высокой
его хрупкостью. Нельзя допускать после сварки резкого охлаждения
сварочного шва, так как при этом возникают хрупкие закалочные структуры. Сварка чугуна производится, как правило, с подогревом до температуры 400…700°С, чтобы устранить внутренние напряжения и предотвратить образование трещин рядом со сварочным швом.
В среднеуглеродистых сталях с содержанием углерода более 0,35 % в
околошовных зонах при быстром охлаждении также появляются закалочные структуры повышенной твердости и хрупкости, способствующие возникновению трещины.
Обычно в стали содержится 0,3…0,8 % марганца, что не оказывает
влияние на свойства стали. При содержании марганца 1,8…2,5 % закаливаемость и твердость стали возрастают, что может привести к появлению хрупких трещин в сварочном шве.
Кремний в количестве 0,3 % на сварку влияния не оказывает. При
содержании кремния 0,8…1 % в шве образуются тугоплавкие структуры
и появляется шлак, снижающие качество сварочного шва и увеличивающие его пористость.
Сера способствует красноломкости стали и образованию горячих
трещин в сварочном шве. Содержание серы должно быть ниже 0,06 %.
Фосфор повышает твердость и хрупкость металла шва. Содержание
фосфора не должно быть более 0,07 %.
Азот в стали обычно содержится в количестве до 0,06 %, а в процессе сварки из атмосферы его содержание может увеличиться до 0,2 %.
При этом снижается пластичность и ударная вязкость металла шва.
Кислород образует с железом оксиды. Под влиянием атмосферы в
шве может оказаться до 0,3 % кислорода, что способствует красноломкости и хладноломкости металла шва. Для повышения качества сварочного шва необходимо в процессе сварки обеспечить раскисление стали,
что достигается специальным составом сварочных электродов, или их
покрытий, в которые вводят раскислители.
Во избежание образования закалочных структур, которые могут возникнуть при быстром охлаждении, рекомендуется металл шва подвер-
39
гать отжигу и нормализации. При отжиге снимаются неравномерные
внутренние напряжения, удаляются закалочные структуры. Шов нагревают до 800…950°С и медленно охлаждают. Нормализация предпринимается для снятия внутренних напряжений и получения качественной
мелкозернистой структуры шва. Шов нагревают до температуры
на 30…40°С выше аустенитовых превращений, а затем охлаждают, несколько быстрее, чем при отжиге.
В зависимости от положения шва в пространстве различают швы
нижние, расположенные под углом 0…60° к горизонту, вертикальные –
под углом 60…120° к горизонту и потолочные, располагающиеся, соответственно, под углом 120…180°. Легче всего варить нижние швы. В
заводских условиях для разворота деталей в удобное положение применяют кантователи. Для усиления шва производят его утолщение нанесением повторных швов в определенной последовательности. С целью
снижения массы шва берут электроды более высоких марок. Для проверки качества шва проводят его испытание на растяжение, изгиб и загиб.
Если шов располагается вдоль линии действия усилий, шов называют
фланговым. Если шов располагается перпендикулярно действующим
усилиям, его называют лобовым.
В зависимости от взаимного расположения свариваемых деталей
различают следующие типы сварочных соединений: встык, впритык,
внахлест и комбинированные. В стыковых соединениях торцы и кромки
соединяемых деталей расположены так, что поверхность одной детали
является продолжением другой. Стыки без скоса применяют при толщине деталей не более 12 мм. При этом кромки срезают перпендикулярно плоскости листа, а свариваемые детали располагают с зазором
1…2 мм. При толщине свариваемых листов не более 4 мм применяется
односторонняя сварка, а при толщине 4…12 мм – двухсторонняя. Стыки
с V-образной разделкой кромок применяют при толщине свариваемых
деталей 3…60 мм. Они могут быть также одно- и двухсторонними. Для
деталей толщиной 15…100 мм применяют U – образную разделку кромок с криволинейным скосом. Стыковые соединения считают более
надежными и экономичными. Их применяют для швов, работающих на
растяжение, в том числе и для сваривания прокатных профилей. Для
уменьшения влияния непровара или других дефектов в сварочном шве и
с целью достижения равнопрочного к основному металлу сечения при
ширине деталей более 10 мм устраивают косой шов, с углом скоса деталей свыше 25◦.
Для соединения деталей, плоскости которых располагаются перпендикулярно относительно друг друга, применяют соединения впритык.
Применяются разновидности соединений впритык: в угол и в тавр.
40
Соединения внахлест применяют наложением одного свариваемого
а)
б)
в)
г)
ж)
е)
д)
элемента на другой и завариванием кромок с двух сторон. Соединения
внахлест могут выполняться без накладок и с накладками. Комбинированные швы сочетают в себе соединения как встык, так и внахлест.
1.8.4. Понятие об обработке металлов резанием
Обработка металлов резанием - это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла для достижения требуемой геометрической формы, необходимой точности размеров и заданной шероховатости поверхностей детали. К обработке металлов резанием относятся: сверление, строгание, точение, фрезерование, протягивание, шлифование, полирование.
Рис. 18 Обработка металлов резанием:
а – точение; б – фрезерование; в – сверление;
г – круглое шлифование; д – строгание;
е – плоское шлифование; ж - протягивание
Важнейшими параметрами процесса резания являются скорость резания, подача и глубина резания. Скорость резания характеризует скорость перемещения обрабатываемой поверхности относительно режущего инструмента. Подача – это путь инструмента при поступательном
движении относительно заготовки. При точении подача измеряется в
мм/об. Глубина резания соответствует толщине слоя заготовки, снимаемой за один рабочий ход.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]