12.3. Влияние технологии изготовления
Технология изготовления деталей для конкретных машин и механизмов может предусматривать возможность применения разных технологических процессов: литья,пластического формообразования(прокатка, ковка, штамповка, прессование),точения(с обработкой на токарных, фрезерных, строгальных, сверлильных станках),сварки.
Литьёявляется широко распространённым и прогрессивным способом изготовления деталей. Важное значение при обсуждении возможностей применения литья как метода изготовления конкретного изделия наряду с его конструктивными и эксплуатационными особенностями имеютлитейные свойстваконкретного сплава, поэтому, например, с учётом литейных свойств чугуны и стали можно применять для изготовления толстостенных корпусных изделийлитьём в одноразовые(земляные, полимерные, оболочковые)формы.С учётом лучших литейных свойств при изготовлении деталей из сплавов алюминия, магния и цинка уже можно применятьлитьёв металлические многоразовые формы (вкокили) при меньшей толщине стенок. При более высоких требованиях к точности изготовления и чистоте поверхности, при значительно меньшей толщине стенок, применяетсялитьё под давлением(например, так изготавливают корпуса стартёров и генераторов к автомобилям из сплавов алюминия с магнием). При ещё более высоких требованиях к точности размеров и качеству поверхности, при малых толщинах стенок, применяетсялитьё по выплавляемым моделям(например при изготовлении полюсов генераторов, ювелирных изделий).Центробежное литьё успешно применяется при изготовлении толстостенных труб, штурвалов, колёс и других аналогичных изделий с центральным отверстием.
При получении заготовок деталей методами литья всегда назначаются припуски на размеры (для компенсации усадки металла во время остывания, для учёта неточностей формы и размеров поверхностей в местах контактов с формой), поэтому при изготовлении литьём конкретных деталей необходимо учитывать объём дополнительной механической обработкидля окончательного их формообразования,расход инструментовиматериалов на эти работы,трудоёмкостьзаключительной обработки. Кроме того, необходимо учитывать реальные условия нагружения машины или механизма. Например, известно, что стальные детали, изготовленные литьём, гораздо хуже воспринимают ударные нагрузки, чем штампованные или прессованные, и могут быть быстрее разрушены при возникновении ударов и вибраций. Но отливки из серого чугуна (станины станков, корпуса насосов, редукторов) незаменимы при наличии вибраций в работе машин или механизмов, так как прекрасно эти вибрации и колебания гасят. Необходимо учитывать, что в отливках наблюдаются различия в размерах зёрен по объёму металла, неоднородность химического состава (ликвация), высокий уровень остаточных напряжений по причине неравномерного охлаждения разных объёмов металла. Устраняются эти недостатки проведением диффузионного отжига.
Обработка металлов давлением(ОМД) является современным прогрессивным способом получения тонкостенных заготовок сложной формы из сталей и сплавов, отличается высокой производительностью, обеспечивает довольно высокую точность размеров и высокое качество поверхности. При этом за счёт благоприятного расположения волокон в теле заготовки удаётся существенно повысить её работоспособность. Например, переход от фрезерования (с перерезыванием волокон металла) при изготовлении зубчатого колеса к процессу обкатки существенно повышает его работоспособность.
Важной особенностью металла, определяющей возможность изготовления деталей ковкой или штамповкой при холодном или разогретом состоянии заготовки, является его технологичность,способность деформироваться, принимая требуемую формубез образования морщин и трещин. Некоторые марки сталей (например высокопрочные легированные) и другие некоторые другие металлы (бронза) просто не могут быть использованы для ковки и штамповки.
Сварка- один из современных и прогрессивных методов изготовления деталей, элементов машин и механизмов, сооружений. Важным преимуществом сварки является возможность её широкого применения при формообразовании крупногабаритных конструкций и изделий, для сборки конструкций (резервуары, трубопроводы, мосты и эстакады) и выполнения ремонтных работ в полевых условиях. Причём современные методы сварки позволяют осуществлять соединения заготовок в воздушной и газовой среде (в том числе в среде нейтральных газов), под водой; с применением открытого пламени, электрической дуги, трения, с использованием диффузионных процессов.
Незаменима технология сварки при изготовлении труб и трубопроводов, особенно больших диаметров (более 300 мм), но здесь, как и в других случаях, существуют ограничения по выбору и применению материалов - так называемый эквивалент углерода (СЭ), зависящий от содержания углерода и легирующих элементов. Поэтому для сталей, предназначенных для изготовления электросварных труб, предусматривается [9] расчёт СЭпо специальным формулам (см. занятие 3).
В соответствии с нормами СНиП 2.05.06-85* [9] величина СЭдля отечественных сталей не должна превышать0,46(по Евронормам и американскому стандартуAPI5Lдопускается максимальное значение СЭ=0,43, изменение этого параметра в большую сторону должно согласовываться с заказчиком [7]). Фактическое значениеСЭдолжно быть указано в сертификате стали и обозначено на каждой трубе.
Считается, что при значениях СЭ≤0,46 сталь хорошо сваривается в холодном состоянии без образования холодных трещин; при СЭ=0,7 – сварка возможна при наличии предварительного и сопровождающего нагрева; при СЭ=1,0 – сварка стали обычными приёмами невозможна.
Исходя из этого условия ассортимент трубных материалов не очень широк, содержит ограниченное количество марок сталей по ГОСТ 20295-74: 08Г2Т, 08Г2Т-У, 08Г2ФБТ, 08ГБЮ, 09Г2ФБ, 09Г2БТ, 09ГБЮ, 10Г2БТ, 10Г2Т, 10Г2ФБ, 12ГСБ, 12Г2СБ, К60, 13ГС, 13ГС-У, 13Г1С-У, 17Г1С-У.
Из сталей и сплавов зарубежного производства обычно подбираются аналоги, близкие отечественным маркам по химическому составу и технологии сварки.
Целью ряда технологических процессов являетсяповышениемеханических характеристик детали.
Важнейшим способом повышения твёрдости и прочности сталей является термическая обработка, в процессе которой существенно изменяются структура и свойства. Однако необходимо помнить, чтоупрочнение сталей закалкойвозможна только при содержании углерода0,3%и выше, а также при наличии некоторых легирующих элементов (вольфрам, никель, хром, молибден и др.).
В технике широко применяются объёмная закалка,закалка поверхностных слоёв заготовоктоками высокой (ТВЧ) или промышленной (ТПЧ) частоты,химико-термическая обработка(цементация, азотирование, цианирование). Физический смысл термической обработки состоит в том, что деталь изготавливается из мягкого, пластичного (отожжённого, нормализованного) металла (при этом мало изнашиваются инструменты, экономятся время и затраты на обработку, повышается точность изготовления). Затем путём термической обработки (нагрев с быстрым охлаждением + отпуск) ей придают большие значения прочности и твёрдости практически без изменения размеров и формы. В результате существенно повышаются прочность, твёрдость и износостойкость детали, но – значительно снижаются пластические характеристики.
В процессе химико-термической обработки (ХТО) поверхностные слои детали(от сотых долей до 1,5 – 2 мм) насыщаются углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом совместно (цианирование) для придания большей прочности, твёрдости и повышения износостойкости рабочей поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Упрочнённые по технологии ХТО детали (зубчатые колёса, шлицевые валы, тормозные диски) показывают хорошую работоспособность и высокую сопротивляемость абразивному износу даже при изготовлении из недорогих малоуглеродистых и низколегированных сталей (12ХН3А, 38Х2МЮА и др.). В этом случае под твёрдым упрочнённым слоем детали располагается вязкая сердцевина с хорошими пластическими свойствами.
Со специальными целями для рабочей поверхности деталей могут проводиться:
алитирование, насыщение алюминием на глубину 0,3-0,8 мм - для повышения окалиностойкости и термической стойкости до 1150оС деталей, изготовленных из сталей с содержанием углерода 0,1 – 0,2% (за счёт образования в зоне насыщения прочного слоя оксида Al2O3);
силицирование, насыщение кремнием на глубину 1 мм и более – для повышения окалиностойкости до 800-850оС, обеспечения высокой стойкости к истиранию и сопротивляемости коррозии в среде морской воды и некоторых кислот;
борирование, насыщение бором на глубину 0,15-0,35 мм – для обеспечения высокой твёрдости (до HV 1800-2000) и износостойкости, коррозионной стойкости и теплостойкости деталей, изготовленных из среднеуглеродистых сталей;
хромирование, диффузионное насыщение поверхностей хромом на глубину 0,2-0,25 мм. При изготовлении деталей из средне- и высокоуглеродистых сталей твёрдость поверхностных слоёв в результате хромирования достигает HV 1600-1800, повышаются износостойкость, окалиностойкость (до 800оС) и коррозионная стойкость. При хромировании изделий из малоуглеродистых сталей (до 0,2%С) твёрдость повышается незначительно, но существенно повышается стойкость к воздействию коррозии.
Наряду с термической обработкой также применяются методы поверхностного упрочненияуже готовых деталей:галтовка,дробеструйный наклёп,обкатка шариками и роликами. Физический смысл поверхностного упрочнения заключается в изменении картины напряженного состояния, в создании в поверхностных слоях детали остаточныхнапряжений сжатиявысокого уровня, благодаря чему детали лучше сопротивляются истиранию, износу и циклическому силовому воздействию.
За счёт совместного применения перечисленных методов упрочнения удаётсяпрактическиповысить прочность,твёрдостьисопротивляемость истираниюизнакопеременным нагрузкамот 2 до 5 разв сравнении с исходными свойствами металла.