Обработка металлов давлением (введение в специальность) Обработка металлов давлением – завершающая стадия металлургического производства

Обработка металлов давлением основана на способности металлов под действием внешних сил необратимо изменять свою форму без разрушения.

Она обеспечивает получение заготовок для производства деталей, а в некоторых случаях и самих деталей, требуемых форм и размеров с необходимыми механическими и физическими свойствами.

Обработке металлов и сплавов давлением подвергают ~ 90 % всей выплавляемой стали и ~ 55 % цветных металлов и сплавов.

Немного истории

Со времен глубокой древности, за тысячелетия до нашей эры, людям были известны добыча руд, выплавка металлов и изготовление из них различных изделий. Древняя металлургия была совершенно непохожей на современную по техническому уровню и масштабам. Этот процесс развивался одновременно с общим подъемом производительных сил человеческого общества.

НЕСКОЛЬКО СОТЕН ТЫСЯЧ ЛЕТ ПОНАДОБИЛОСЬ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ, ЧТОБЫ ПРИЙТИ ОТ КАМНЯ, ПРИВЯЗАННОГО К ПАЛКЕ, К ПРОСТЕЙШЕМУ КУЗНЕЧНОМУ ИНСТРУМЕНТУ.

Рис. 1. От камня к кузнечному инструменту

Еще 8000 лет назад человек использовал золотые изделия

В истории первобытного общества выделяют периоды смене материалов:

медного и бронзового (сплав меди и олова) в IVII тысячелетиях до н. э. и

железного в конце II - начале I тысячелетия до н. э.

О развитии в древности цветной металлургии на территории Украины свидетельствуют многие исторические документы и археологические материалы.

Начало освоения металлургии меди относится к IV тысячелетию до н. э. . В начале III тысячелетия до н. э. медь появляется на юге Европы, в Северном Причерноморье и Приазовье, а во II - начале I тысячелетий до н. э. и на территории Восточной Европы.

В начале медь использовали в самородном виде, обрабатывая ее ковкой. Позднее было освоено плавление медной руды. Согласно археологическим исследованиям, на территорию Правобережной Украины медь проникла из Передней Азии через Балканы и Прикарпатье. Закавказье было центром, откуда медь шла в Восточную Европу.

Медь долгое время оставалась важнейшим материалом для производства различных предметов, она широко применялась для изготовления орудий труда на протяжении всего II тысячелетия до н. э. Чтобы добраться до меденосных слоев, необходимо было вскрыть слой вязкого и очень тяжелого глинистого «чехла», надежно укрывавшего линзы и жилы медных минералов. На рис.1 показаны раскопки древней шахты для добычи медной руды.

Рисунок 2. Вид шахты медьсодержащего месторождения

В Средней и Восточной Европе, в частности на территории Украины, бронзовый век (следующий за медным) продолжался около тысячи лет, приблизительно с XVII до VIII ст. до н. э.

В медном веке область применения металла была весьма ограниченной. Объясняется это сравнительной редкостью месторождений меди и трудностью доставки ее, а также тем, что этот мягкий металл был малопригоден для изготовления острых и прочных инструментов и оружия. Кроме того, высокая температура плавления меди (1083°С) и невысокая пластичность в расплавленном состоянии усложняли ее выплавку и разливку изделий из нее. Увеличение прочности и легкоплавкости металла было достигнуто путем создания сплавов меди с оловом, а также свинцом, цинком, мышьяком и сурьмой.

В степных районах Украины обнаружены остатки многих бронзолитейных мастерских с запасами сырья, литейными формами и готовыми изделиями. Такие мастерские существовали в днепровском Надпорожье, Нижнем Поднепровье, Южном Побужье и на других территориях, рис. 2.

Увеличение потребности в металле привело к развитию горного дела, рудным разработкам в открытых карьерах и подземных шахтах. Остатки разработок бронзового века на территории Украины найдены в районе Донбасса. Например, вблизи хутора Калиновского обнаружены брошенные карьеры и шахты глубиной до 30 м. Обычно выплавляли медь и изготовляли медные сплавы вблизи мест добычи руды.

Рисунок 3 – Производство меди с применением толстостенных глиняных печей

Продукция распространялась в виде слитков. Многие слитки найдены в Закарпатье и Донбассе. Для плавления медных сплавов использовались толстостенные глиняные тигли, источником тепла служили открытые костры. Расплавленный металл наливали глиняными ложками в специальные литейные матрицы (на территории Украины они изготовлялись большей частью из талькового сланца) или во временные формы из глины, иногда изготовленные по восковой модели отливаемого предмета.

В эпоху позднего бронзового века Нижнее Поднепровье, вследствие бла­гоприятных географических условий, стало одним из важнейших центров об­работки металла в Восточной Европе. Сырье для бронзолитейного производ­ства доставляли из района Донбасса, а также из Прикарпатья и с Кавказа. На поселении возле с. Волошского (вблизи Днепропетровска) обнаружено около 70 матриц из талькового сланца для отливки кинжалов, наконечников стрел, топоров, серпов, ножей и т. д. Подобные мастерские найдены в устье Днепра около с. Кардашинки и вьше по реке у с. Ново-Александровки на Херсонщине, недалеко от морского побережья у с. Коблева на Никола евщине, у с. Красные Окна на Поднестровье и в других местах.

Рисунок 4. Медные изделия, найденные более четырех тысяч лет назад

Бронзолитейное дело на территории донецко-приазовских племен не получило такого развития, как на Нижнем Поднепровье,- находки литейных форм встречались здесь весьма редко.

Из археологических источников известно, что одним из важнейших районов бронзолитейного производства в эпоху поздней бронзы являлась территория современной Запорожской области. Определенный интерес представляет находка литейной матрицы вблизи поселения эпохи бронзы около с. Старая Игрень под Днепропетровском, Цюрупинском, Кардашинкой (район Херсона) и Завадивкой (район Каховки) - X-VIII ст. до н. э. Найдены кинжальчики, которые изготовлялись во многих бронзолитейных мастерских Нижнего Подпорожья.

В связи с ростом населения, а также развитием земледелия и скотовод­ства на протяжении бронзового века на юге Восточной Европы значительно возросли потребности в металле. Залежи медной руды здесь были малочис­ленны и скудны, а привозной металл обходился дорого. Это создавало трудности в развития цветной металлургии в Скифии. Однако, несмотря на то, что сырье было привозным, скифские металлурги изготовляли большое количество вещей оригинальных местных типов (наконечники стрел, шлемы, бляшки для панцирей, части конской сбруи, булавки, браслеты, серьги, котлы и т. п.).

Литейщики Скифии уже умели составлять различные сплавы на медной основе (бронзы, томпак, латунь) и сплавы с золотом и серебром, причем они достаточно хорошо разбирались в основных свойствах сплавов. Так, например, зеркала они изготовляли из свинцовых бронз с небольшим содержанием олова, а наконечники стрел - из оловянистых или свинцово-оловянистых бронз. В Скифии широко применялись различные способы литья: в каменных формах, по выплавляемым моделям, в глиняных формах, комбинированный и в кокиль. На крупных изделиях хорошо прослеживается технология изготовления форм по шаблону; таким способом изготовляли большие бронзовые котлы на ножке.

ЗА БРОНЗОВЫМ ВЕКОМ НАСТУПИЛ ВЕК ЖЕЛЕЗНЫЙ

Железо – один из наиболее распространенных элементов земной коры.

Содержание железа в земной коре около 5 %.

Около 3000 лет назад человек научился выплавлять, лить, ковать изделия из железа

Почти два тысячелетия назад древнеримский писатель и ученый Плиний Старший писал: «Железные рудокопы доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, сажаем кустарники …»

В Древней Руси использовали наряду с железом и сталь (оцел или харалуг)

«Трещат конна харалужья …. » описано в «Слове о полку Игореве»

Вблизи г. Никополя открыто поселение металлургов и кузнецов скифского племени – найдено кричное железо

Второй этап развития металлургии в целом и железа, в частности – середина Х1V века – переход от сыродутного процесса до кричного и доменного, от ручной ковки к механическому молоту.

Рисунок 5. Рычажный молот с приводом от водяного колеса (со старинной гравюры)

Середина и конец Х1Х века в металлургии внедряются-

Бессемеровский, мартеновский и томасовский процессы

1886 г. – кузнечный гидравлический пресс.

Внедрение камерных печей и печей с выдвигающимся подом для нагрева слитков металлов

Конец Х1Х века – переход на электроэнергию - внедрение электродвигателей в технику обработки металлов давлением

Рисунок 6. Технический прогресс

Конец Х1Х начало ХХ века - бурный рост прокатного производства -

листовой прокат и листовая штамповка

Кузнечно-прессовые машины: горизонтально – ковочные, гибочные, ротационные, холодновысадочные автоматы, чеканочные прессы.

Середина ХХ века у железа появились новые соперники:

алюминий, титан, ванадий, бериллий, цирконий и другие металлы

Основные процессы обработки металлов давлением:

прокатка,

волочение,

прессование,

ковка,

объем­ная штамповка

листовая штамповка.

Рисунок 7. Схемы основных способов обработки металлов давлением

А - прокатка; б - волочение; в прессование; г – ковка; д - объемная штамповка; е - листовая штамповка

При производстве металлических изделий широко применяют обработку металлов давлением как в горячем, так и в холодном состоянии.

Прокатка осуществляется путем захвата заготовки 2 (рис. 7, а) и деформирования ее между вращающимися в разные стороны валками прокатного стана. При этом толщина полосы уменьшается, а длина и частично ширина увеличивается.

Волочение – процесс, при котором исходная заготовка 2 (рис. 7, б) протягивается на волочильном стане через отверстие инструмента, называемого волоокой (фильерой) 3. При этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина – увеличивается.

Прессование – выдавливание заготовки 4 (рис. 7, в), помещенной в специальный цилиндр – контейнер 5, через отверстие матрицы 6, удерживаемой матрицедержателем 7. Выдавливание происходит при помощи пресс – шайбы 8 и пуансона 9.

Ковка – обжатие заготовки 2 (рис. 7, г) между верхним 10 и нижним 11 бойками с применением разнообразного кузнечного инструмента путем нанесения последовательных ударов на молоте или нажатием на прессе с последовательным перемещением заготовки относительно бойков.

Штамповка – деформация металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которой определяют форму и размеры получаемой поковки.

Если исходным материалом является лист, то штамповку называют листовой. В других случаях – объемной.

При объемной штамповке (рис. 7, д) на горячештамповочных молотах и прессах исходная заготовка 2 деформируется в штампе 12.

Листовая штамповка (рис. 7 , е) осуществляется на холодноштамповочных прессах. При помощи пуансона 9, прижима 13 и матрицы 6 листовая заготовка 4 превращается в изделие.

Технологический процесс прокатки представляет комплекс последовательных технологических операций, выполняемых на соответствующем оборудовании и в определенной последовательности, с получением продукции с заданными показателями качества (точности формы и геометрических размеров, состояния поверхности и т.д.).

Предприятия обработки металлов и сплавов давлением, как правило, подразделяются на:

1. Прокатное производство – сортовой и листовой прокат

2. Трубопрокатное производство

3. Метизы

1. Предприятия сортового и листового проката, как правило, включено в основное производство и производят чугун, сталь и простой и сортовой прокат

Рисунок 8. Схема современного металлургического завода с полным циклом

Коксующийся уголь	Железная руда	Другие материалы

Лунев В.А.стр. 19	1 Передел
	11 передел
	111 передел

( Рис. Технологическая или аппаратурная схема)