Технологические процессы и оборудование отраслей: Краткий курс лекций

А. В. Белов, Е. П. Богданов, Н. И. Привалов, А. А. Шеин

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ОТРАСЛЕЙ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

А. В. Белов, Е. П. Богданов, Н. И. Привалов, А. А. Шеин

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ОТРАСЛЕЙ КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ

РПК «Политехник» Волгоград 2005 1

УДК 621.7/.9 Б 43 Рецензенты: М. П. Листопад, Н. В. Нестеров Белов А. В., Богданов Е. П., Привалов Н. И., Шеин А. А. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ОТРАСЛЕЙ: Краткий курс лекций / ВолгГТУ, Волгоград, 2005. – 119 с. ISBN 5-230-04551-5 Содержит лекции по материаловедению и технологическим процессам, применяемым в машиностроении. Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 521500 (код по ОКСО 080500) «Менеджмент», 521600 (код по ОКСО 080100) «Экономика», 551200 (код по ОКСО 260700) «Технология и проектирование текстильных изделий» и специальности 220200 (код по ОКСО 230102) «Автоматизированные системы обработки информации и управления». Данный курс может быть использован для других направлений и специальностей, в т. ч. среднетехнических.

Ил. 89.

Табл. 8.

Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

©

ISBN 5-230-04551-5

2

Волгоградский государственный технический университет, 2005

Принятые обозначения и сокращения 1. Латинские прописные буквы: А – площадь, м2; Е – модуль нормальной упругости, МПа, или полная энергия, Дж; F – внешняя сила, Н; G – вес, Н, или модуль сдвига, МПа; J – момент инерции, м4; K – кинетическая энергия, Дж; M – момент силы, изгибающий момент, Н⋅м; R – сила реакции, Н; S – статический момент сечения, м3; T – вращающий момент, Н⋅м; U – потенциальная энергия, внутренняя энергия, Дж, или напряжение, В; P – мощность, Вт, или давление, Па; V – объем тела, м3, или скорость, м/с; W – работа, Дж; I – сила тока, А; TO – термическая обработка; ОМД – обработка металлов давлением; КПД – коэффициент полезного действия; МПЧ – масса падающих частей (молота). 2. Греческие буквы: γ – удельный вес, Н/м3; угол сдвига, градус; ρ – радиус кривизны, м, или плотность, кг/м3; ω – угловая скорость, с-1; ϕ – угол закручивания, градус; σ – нормальное напряжение, Па; τ – касательное напряжение, Па; время, с; t – температура, °С; δ – толщина, мм. Другие сокращения, имеющие ограниченное применение, указываются непосредственно в тексте, например, пластическая деформация (ПД). Латинские обозначения химических элементов используются в тексте вместо их названий, например, Si – кремний.

3

ВВЕДЕНИЕ. НЕКОТОРЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Предметом курса «Технологические процессы и оборудование отраслей» является изучение современных материалов и наиболее распространенных прогрессивных технологических процессов изготовления заготовок и деталей машин. Технологический процесс – процесс последовательного преобразования исходных материалов и полуфабрикатов в готовую продукцию требуемого качества. Он состоит из методов, указывающих что, как и в какой последовательности следует делать, чтобы из исходных материалов и полуфабрикатов получить готовый продукт, какое оборудование и оснастку необходимо использовать. Технологический процесс является частью производственного процесса, который включает в себя все необходимые действия для создания продукта и содержит в себе вспомогательные действия, например, охрану, уборку производственных помещений и территории, работы по вентиляции, отоплению, освещению и т. д. Операция – законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте. Машина – устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, движения, материалов, а также для накопления и переработки информации с целью повышения производительности, замены или облегчения физического и умственного труда человека. Качество изделия – это совокупность свойств, определяющая его соответствие требованиям потребителя (покупателя) и соответственно его потребительскую стоимость. Показатели качества в машиностроении: • функциональные показатели, соответствующие назначению изделия; • надежность: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость; • технологичность конструкции – соответствие ее требованиям производства, эксплуатации и ремонта при заданном уровне качества, объеме выпуска и условиях выполнения работ, обеспечивающее возможность достижения оптимальных затрат в указанных процессах; • степень стандартизации и унификации; • эргономические показатели («человек-изделие-среда»): удобство управления и эксплуатации, гигиенические показатели, безопасность в процессе эксплуатации, в т. ч. экологическая – уровень шума и вибраций, вредных выбросов и т. д.; • эстетические показатели; • патентно-правовые показатели; • технико-экономические показатели, отражающие стоимость и экономическую эффективность применения (расход энергоносителей и др.). Работоспособность машины в значительной степени зависит от точности изготовления деталей и шероховатости поверхностей, прежде всего контактных поверхностей сопрягаемых деталей. 4

Точность изделия определяется степенью соответствия фактических размеров изделия размерам, задаваемым чертежом. Предельные размеры годных деталей задаются верхним и нижним допускаемыми отклонениями, которые ука+0 , 2 зываются около номинальных размеров, например, ∅ 40 −0,1 . Здесь +0,2 − верхнее отклонение, – 0,1 – нижнее. Интервал, в котором изменяются размеры годных деталей, называется допуском. Его величина определяется разностью между верхним и нижним предельными отклонениями. В нашем примере допуск равен 0,2–(–0,1) = 0,3. Существует 19 квалитетов точности. С увеличением номера квалитета на единицу, величина поля допуска увеличивается ≈ в 1,6 раза. Через пять квалитетов поле допуска увеличивается в 10 раз. Чем больше поле допуска, тем легче и дешевле обеспечить требуемую точность. Однако следует учитывать, что необоснованное увеличение допуска в сопряжениях деталей машин, особенно в тех, которые испытывают ударные и вибрационные нагрузки, может значительно уменьшить их надёжность и долговечность. Шероховатость − это микроскопические отклонения реальной поверхности от идеальной номинальной поверхности. Существует много параметров, характеризующих шероховатость. Наиболее часто используются Ra и Rz. Rz – это высота микронеровностей, определённая на базовой длине по 10 экстремальным точкам микрорельефа. Ra − это среднее арифметическое отклонение профиля, которое определяется интегрированием по всем точкам на базовой длине или определяется приближённо осреднением большого количества измерений отклонений микрорельефа от средней линии. Параметр Rа на чертеже указывается без буквенного обозначения – 0.63 , а параметр Rz с буквенным обозначением R z 20 . Между Ra и Rz существует приблизительное соотношение Rz ≈ (4…5)Ra. Чем выше требования к точности размеров и ниже шероховатость поверхностей, тем, как правило, выше работоспособность изделия, но тем выше и затраты на изготовление. Конструкторы и технологи стремятся обеспечить оптимальный уровень точности и шероховатости, который обеспечивает требуемую надёжность и долговечность при минимальных затратах. Себестоимость – совокупность материальных и трудовых затрат предприятия в денежном выражении, необходимых для изготовления и реализации продукции. Типы производств Организация технологического процесса производства и его экономичность зависят от масштаба производства и его типа. Различают заготовительное и механосборочное производство. Заготовительное занимается производством заготовок. Исходя из способа изготовления заготовок, различают кузнечное, литейное, сварочное штамповочное, прокатное, волочильное и др. виды производств. Механосборочное производство осуществляет механическую обработку заготовок, главным образом резанием, с целью получения требуемой точности размеров и шероховатости поверхностей деталей и их сборку. 5

Массовое производство: непрерывно-поточное производство одних и тех же изделий в больших количествах, когда на рабочих местах выполняются одни и те же постоянно повторяющиеся операции. Серийное производство: на большинстве рабочих мест последовательно обрабатываются партии разных деталей, для этого оборудование периодически переналаживается с одной операции на другую и с одного изделия на другое (переменно-поточное производство). В зависимости от размеров партий такое производство подразделяют на крупносерийное, мелкосерийное и смешанное. Единичное: производство изделий в одном или нескольких экземплярах, характеризуется большой номенклатурой деталей, разнообразием и неповторяемостью операций. В массовом производстве изделий экономически оправдано применение специальных высокопроизводительных станков, приспособлений и инструментов, что обеспечивает высокий уровень механизации и автоматизации. В серийном производстве применяются переменно-поточные линии для обработки деталей определенного типа, близких по конфигурации, размерам и характеру обработки. В единичном и мелкосерийном производстве используются, как правило, универсальные станки, приспособления и инструмент.

6

РАЗДЕЛ I. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТЕМА 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 1.1. Свойства материалов Свойства материалов зависят от их химического состава и внутреннего строения (структуры). Методы исследования химического состава и структуры металлов и сплавов: • микро-, макроскопический анализы структуры с использованием микроскопов разного типа и луп; • рентгеноструктурный анализ, позволяющий определить межатомные расстояния и тип кристаллической решётки; • спектральный физический анализ, позволяющий определить содержание различных химических элементов; • термический анализ, позволяющий определить температуры начала и конца затвердевания или расплавления, температуры перекристаллизации, происходящей в твёрдом состоянии. Для выявления микро- и макротрещин используются различные виды дефектоскопии. Различают рентгеновскую, магнитную и люминисцентную дефектоскопии. Большинство материалов в твёрдом состоянии являются кристаллическими телами, т. е. расположение атомов или молекул в них упорядоченно. Эту упорядоченность принято представлять кристаллической решёткой. Наиболее часто встречающиеся кристаллические решётки металлов представлены на рис. 1.1. Расстояние между центрами соседних атомов измеряется в ангстремах (1А° = 1⋅10-8 см).

а

б

в

Рис. 1.1. Схемы кристаллических решеток: а – объемноцентрированная кубическая (ОЦК); б – гранецентрированная кубическая (ГЦК); в – гексагональная плотно упакованная (ГПУ)

Кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку имеют Feα, W, Mo, V, Cr, K, Na, Mn. Кубическую гранецентрированную − Feγ, Cu, Ni, Ag, Al, Pt, Ca. Гексагональную плотно упакованную − Mg, Ti, Оs, Ru, Be, Co, La, Y. Как видно, железо при различных температурах может иметь две модифи7

кации ОЦК и ГЦК. Изменение типа решётки в процессе нагрева или охлаждения называется полиморфным превращением. Полиморфизм – это способность металлов по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип кристаллической решётки. Так, ОЦК железо (Feα) будучи нагрето до 911 °С изменяет кристаллическую решетку и становится ГЦК железом Feγ. Это строение сохраняется до 1392 °С, после чего решетка снова перестраивается и приобретает ОЦК строение Feα, сохраняя его вплоть до температуры плавления 1539 °С. В металлах валентные электроны свободно перемещаются по всему объему, обеспечивая высокую электро- и теплопроводность. Наличие свободных электронов в металлах обеспечивает металлический тип связи между положительными ионами, потерявшими валентные электроны, и электронным газом. Эти связи достаточно прочны, но при разрыве легко восстанавливаются. Именно наличие легко восстанавливаемых после разрыва связей обеспечивает у металлов высокие пластические свойства и ковкость. Анизотропия в кристаллах – это неодинаковость свойств кристалла в различных направлениях вследствие упорядоченности внутренней структуры. Анизотропия влияет на показатели прочности, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло- и электропроводности и пр. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев металла: адсорбционная способность, химическая активность. Реальные конструкционные металлы и сплавы состоят из большого числа различно ориентированных зёрен, т. е. являются поликристаллическими телами. Вследствие осреднения макроскопические объёмы не обладают анизотропией, т. е. имеют квазиизотропные свойства. Однако наличие анизотропии на уровне зерна приводит к концентрации напряжений и деформаций в поликристалле по отдельным частям зерен, неоднородному возникновению пластических деформаций и микроразрушений по структуре сплава. Эти процессы играют решающую роль в процессах разрушения при нагрузках, изменяющихся во времени, которые приводят к так называемому «усталостному» разрушению. Структурные несовершенства кристаллов (рис. 1.2): 1. Точечные: вакансии (отсутствующие атомы), внедрения (дополнительные атомы между основными атомами, расположенными в узлах кристаллической решётки). Около таких дефектов кристаллическая решетка упруго искажена на расстоянии одного – двух межатомных расстояний. 2. Линейные – дислокации имеют большую протяжённость в одном направлении. Например, на рис. 1.2 полуплоскость FKM «лишняя» и в точке F в направлении 1-2 на расстоянии, равном величине зерна, имеется искажение кристаллической решётки. 3. Поверхностные, обычно располагаются на границах кристаллитов (зерен). Протяжённость этих дефектов в двух направлениях определяется размерами зёрен. 8

2

1

M K F

а

б

в

Рис. 1.2. Дефекты кристаллической решетки: а – точечные; б – линейные; в – плоскостные

Даже относительно небольшая концентрация дефектов кристаллического тела вызывает чрезвычайно большие изменения его физико-химических свойств. Например, тысячные доли примесей к чистым полупроводниковым кристаллам изменяют их электросопротивление в 105 ... 106 раз. 1.2. Виды деформации Упругая деформация кристаллических тел происходит путем смещения атомов от положения устойчивого равновесия на расстояния, меньшие межатомных, при снятии нагрузки, обеспечивающей упругую деформацию, упругая деформация исчезает. Пластическая (необратимая) деформация совершается за счет сдвига атомов из одного равновесного положения в другое, при этом перемещения могут быть много большие межатомных расстояний. При таком деформировании ряд атомов меняет «соседей», но разрушенные связи восстанавливаются с новыми соседями (рис. 1.3). В физике кристаллов вычислено, что для разрыва всех связей в кристалле хотя бы в одном сечении, как показано на рис. 1.3, необходимо приложить напряжение порядка 0,1 Е, где Е – модуль упругости. Однако, реальная прочность кристаллов в сотни раз меньше теоретической. Физики это различие смогли объяснить, придумав специальные дефекты кристаллической решётки – дислокации. Дислокации обеспечивают не одновременный разрыв всех связей в кристалле, а поочерёдный, как показано на рис. 1.3. С появлением электронных микроскопов, физики экспериментально нашли придуманные дислокации. Движение дислокаций приводит к последовательному разрыву связей между атомами и смещению слоёв металла, которое не исчезает после снятия нагрузки. Очевидно, что материал, не содержащий дислокаций, будет значительно прочнее, чем имеющий их. Однако реализация такого пути получения прочных металлов натолкнулась на неразрешимые трудности, связанные с возможностью выращивания бездефектных кристаллов. Для повышения прочности в настоящее время используется прямо противоположный путь.

9

Упругая деформация Исходное состояние

τ

Пластическая деформация после разгрузки

τ=0

τ

При τ > τc - сдвиг

Сдвиг при одновременном разрыве всех связей

Рис. 1.3. Схемы пластического сдвига

Установлено, что дислокации взаимодействуют между собой. Особенно сильное взаимодействие наблюдается при перемещении дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения, когда они начинают препятствовать взаимному перемещению. В итоге возникает парадоксальное явление, с увеличением числа дислокаций сопротивление пластическим деформациям возрастает. Поэтому прочность материалов повышают, увеличивая концентрацию деформаций, что иллюстрирует рис. 1.4.

σ

Рис. 1.4. Зависимость предела прочности металла от числа дефектов в его кристаллической решетке

Таким образом, прочность материала можно повысить путем получения бездефектных кристаллов, либо, наоборот, путем получения кристаллов с максимально возможным числом дислокаций. Первый путь реализуется при получении нитевидных кристаллов («усов»). Например, такие кристаллы железа имеют прочность σВ = 3000МПа, а техническое железо только σВ = 300 МПа. Второй путь реализуется с помощью термической обработки стали или холодного пластического деформирования, при которых плотность дислокаций в 1 см3 возрастает с ≈107 в отожженном металле до ≈1012. Например, при закалке 10

углеродистой стали ее твердость возрастает в 2,5 ... 3 раза, при холодной пластической деформации прочность увеличивается в 1,5 ... 2 раза. Свойства металлов в значительной степени зависят от величины и формы кристаллитов-зерен, которыми называют кристаллы неправильной формы. Раз-

а

б

Рис. 1.5. Строение слитка спокойной стали: а – продольное сечение; б – поперечное сечение; 1 – мелкие равноосные кристаллы, 2 – столбчатые кристаллы (дендриты), 3 – зона крупных равноосных кристаллов

мер и форма зёрен, в свою очередь, зависят от условий кристаллизации из расплава. Чем больше скорость охлаждения, тем выше степень переохлаждения сплава, больше центров кристаллизации возникает одновременно в данном объеме, меньше размеры образующихся зерен, тем больше площадь поверхностных дефектов, большинство из которых являются дислокациями. При этом увеличиваются прочностные свойства и, что особенно важно, с увеличением прочности пластичность не только не уменьшается, но даже значительно увеличивается. Измельчение зерна – один из немногих способов упрочнения, когда пластичность при увеличении прочности растёт. Поэтому, как правило, стремятся получить мелкозернистую структуру. Наиболее простым способом обеспечения этого является высокая скорость охлаждения при кристаллизации. Однако высокую скорость охлаждения можно получить только на тонкостенных отливках, а на крупных слитках, которые используются в металлургическом производстве (рис. 1.5), такой способ не приемлем. На рис. 1.5. показаны расположение, форма и величина зерен в слитке стали, которая полностью определяется скоростью охлаждения и направлением отвода тепла. 1.3. Механические свойства Основными механическими свойствами являются прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, усталостная прочность (выносливость). Внешние нагрузки вызывают в твёрдых телах деформации, связанные с изменением формы и объёма. Основные характеристики прочности и пластичности определяют при испытаниях на растяжение, которые производят с записью 11

– диаграмм деформирования в координатах F, Δl, где F – сила, Δ l = l1 – l 0 абсолютное удлинение. Для определения характеристик прочности используют особые точки (А, B, D) диаграммы деформирования, представленной на рис. 1.6. Так как нагрузки и деформации, соответствующие этим точкам, зависят от размеров образца, то для получения характеристик прочности переходят к относительным координатам, которыми являются напряжения σ и относительные деформации ε.

σ =

F ( Па ); A0

ε=

(l − l 0 )100 Δl = × 100 (%) , l0 l0

где l 0 , l – начальная и текущая длины цилиндрической части образца; А0 – площадь поперечного сечения образца, подвергаемого растяжению.

σ F, σH

C

σ

σ σ

Β

f

c

Δ l , ε, %

Рис. 1.6. Диаграмма растяжения мягкой стали

Прочность – это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических сил. Характеристики прочности, определяемые испытанием на растяжение стандартных образцов:

σу – предел упругости – максимальное напряжение, ограничивающее область σ ≤ σ у , когда деформации и напряжения связаны между собой линейной

зависимостью σ = Еε , которая называется законом Гука, где Е – модуль нормальной упругости. Деформации, подчиняющиеся закону Гука, называют упругими, они исчезают при снятии нагрузки. При напряжениях, превышающих предел упругости, возникают упругопластические деформации. Часть общей деформации, которая не исчезает при снятии нагрузки, является пластической. 12

Напомним, что появление пластической деформации связано с разрывом межатомных связей и перемещением дислокаций.

σТ – предел текучести, это напряжение, при котором материал деформиру-

ется пластически без увеличения нагрузки и на диаграмме появляется горизонтальная площадка (площадка текучести). Его называют физическим пределом текучести. В случае, если у материала площадка текучести отсутствует, принято определять условный предел текучести, соответствующий допуску 0,2 % на остаточную пластическую деформацию, который обозначается

σр − прочность, полученная при разрыве элемента. σВ – предел прочности (временное сопротивление)

σ0,2

.

соответствует максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения. Разрушение – нарушение сплошности металла. В точке Е происходит разрушение образца, т. е. разделение на две несвязанные между собой части. Одной из основных характеристик пластичности материала является полное относительное удлинение при разрыве: l −l o δ= к ⋅ 100 % , lo где lк – длина образца после разрыва, lo – первоначальная длина. Заметим, что δ равняется величине отрезка 0e на рис. 1.6, за вычетом упругой деформации. Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого значительно более твердого тела, которое называется индентором. По методу Бринелля, индентором является стальной закаленный шарик (рис. 1.7, а). Число твёрдости, по Бринеллю, обозначается HB и может рассчитываться по формуле НВ = F / Аотп., где F – стандартное усилие, Аотп. – площадь поверхности сферического отпечатка. Однако чаще число твердости HB определяется по диаметру отпечатка с помощью таблиц.

а

б

Рис. 1.7. Схемы измерения твердости: а – методом Бринелля; б – методом Роквелла

13

Согласно методу Роквелла (рис. 1.7, б), в испытуемую поверхность могут вдавливаться различные инденторы. Для твёрдых закалённых сталей используют алмазный конус с углом при вершине 120°, для незакалённых сталей и цветных металлов применяют стальной шарик малого диаметра. Число твердости определяется непосредственно по шкалам прибора после снятия основной нагрузки F, как величина, обратно пропорциональная глубине вдавливания h–h0. При использовании конуса число твёрдости обозначается HRA (F = 0,6 кН) или HRC (F = 1,5 кН). При использовании шарика число твёрдости обозначается HRВ (F = 1 кН). Для надёжной работы материала в разнообразных условиях необходимо оптимальное сочетание параметров прочности и пластичности. Это сочетание зависит от условий работы детали (статические и динамические нагрузки, изнашивание под действием сил трения, циклическое приложение нагрузки) и может регулироваться в широких пределах изменением химического состава и структуры материала. 1.4. Технологические свойства Технологические свойства отражают степень соответствия материала требованиям технологического процесса. К ним относятся: • литейные: жидкотекучесть (показывает способность заполнять тонкостенные формы), усадка (характеризует уменьшение размеров отливки в процессе кристаллизации, что приводит к пористости и образованию усадочных раковин), ликвация (отражает возникновение химической неоднородности при кристаллизации сплава); • деформируемость (ковкость): соотношение пластичности и сопротивления деформации; • свариваемость: способность сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества; • обрабатываемость резанием, характеризуется возможностью получения качественного поверхностного слоя и сопротивлением резанию (мощностью, силами резания). Определение технологических свойств проводится при испытаниях, близких к условиям технологического процесса. Например, литейные определяются при заливке жидкого металла в специальные формы. Деформируемость определяется при испытании на осадку при сжатии, выдавливанием через калиброванное отверстие, изгиб на заданный угол и т. д. Эксплуатационные свойства: износостойкость, коррозионная стойкость, хладостойкость (ниже 0 °С), жаропрочность, жаростойкость, сопротивляемость изнашиванию, коэффициент трения. ТЕМА 2. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ 2.1. Сплавы 14

Сплавы – это материалы, получаемые из двух и более компонентов ( химических элементов или их соединений) путем сплавления в жидком состоянии или спекания или в результате электролиза, или др. путями. Сплавы железа с углеродом называются чёрными сплавами. Они разделяются на стали и чугуны. Стали содержат менее 2,14 % углерода (С < 2,14 %), а чугуны (2,14 < С < 6,67 %). Они являются основными материалами, используемыми в технике. Кроме углерода, эти сплавы могут содержать примеси. Различают полезные примеси, которые специально вводят в состав сплава (Mn, Si, Cr, Ni, Co, Mo, V, W и др.), и вредные примеси (S, P), которые присутствуют в сырье и их не удаётся полностью удалить в процессе изготовления сплава. Компонентами называют вещества, образующие сплав. Системой называют совокупность фаз, находящихся в равновесии. Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние (газообразное, жидкое, твёрдое) и одинаковую кристаллическую структуру, разделённые поверхностью раздела. На рис. 2.1 показана диаграмма фазового равновесия сплава железа с углеродом в зависимости от концентрации и температуры. Компоненты в сплаве образуют следующие виды фаз: жидкие растворы, твёрдые растворы и химические соединения.

Рис. 2.1. Диаграмма состояния железо-цементит

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сохраняет свою кристаллическую решётку, а атомы других компонентов распола15

гаются внутри её. Различают твёрдые растворы внедрения и замещения. В первых растворённый компонент располагается в междоузлиях кристаллической решётки и не занимает место атомов растворителя. В растворах замещения растворяемый компонент замещает атомы растворителя, что характерно для компонентов с мало различающимися атомными размерами. Химические соединения отличаются от растворов тем, что имеют кристаллическую структуру, отличающуюся от решёток компонентов, образующих химическое соединение. При кристаллизации жидкого раствора или при перекристаллизации твёрдого раствора из них могут выделяться другие твёрдые растворы и (или) химические соединения. В результате образуются механические смеси. Дисперсные механические смеси, которые образуются кристаллизацией из жидкого раствора при постоянной температуре и постоянном составе, называются эвтектическими (эвтектикой). Более мелкодисперсные смеси, образующиеся при перекристаллизации твёрдого раствора при постоянной температуре и постоянном составе, называются эвтектоидными (эвтектоидом).. Основные компоненты железоуглеродистых сплавов: 1. Железо, Fe: ρ = 7860 кг/м3, tпл. = 1539 °С, НВ = 60 ... 90, δ = 30 ... 50 %. 2. Углерод, С: ρ = 2600 кг/м3, tпл. = 4000 °С. Углерод в железоуглеродистых сплавах может содержаться в виде химического соединения – цементита или свободного графита или входить в состав твердых растворов. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов: 1. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ железе, имеющем ГЦК кристаллическую решётку (Fеγ) с максимальной концентрацией углерода 2,14 % при 1147 °С, которая понижается до 0,8 % при 727 °С. Немагнитен, имеет высокую пластичность (δ = 40 ... 50 %), НВ = 160 ... 200. 2. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α железе, имеющем ОЦК кристаллическую решётку (Fеα). Максимальная концентрация углерода 0,02 % при 727 °С и 0,006 % при 20 °С. Имеет низкую твердость (НВ = 80... 100), высокую пластичность (δ = 50 %). 3. Цементит (Fе3С) содержит С = 6,67 %. Является химическим соединением. tпл.= 1260 °С. Обладает очень высокой твердостью (НВ = 820) и хрупкостью (δ = 0). При медленном охлаждении или при содержании кремния > 1,5 % цементит может распадаться: FeC → 3Fe + C (графит). 4. Перлит – это эвтектоидная механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита. Образуется при распаде аустенита при t = 727 °С (линия PSK на рис. 2.1) с концентрацией С = 0,8 % : Feγ (С = 0,8 %) → Feα (С = 0,02 %) + Fe3С (С = 6,67 %). Магнитен, имеет повышенную прочность и твердость, НВ = 160 ... 200, σв = 800 МПа, δ = 12 %. 16

5. Ледебурит – это эвтектическая механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образуется из жидкого раствора с концентрацией углерода (С = 4,3 %). Образуется при t = 1147 °С (линия ECF на рис. 2.1). Имеет высокую твёрдость и очень хрупок, НВ = 600 ... 700. Характерные сплавы на диаграмме (по концентрации углерода в %): С = 0 % – чистое железо; С = 0,8 % – эвтектоидный сплав, содержащий 100 % перлита, разделяет стали на доэвтектоидные и заэвтектоидные; С = 2,14 % – предельная растворимость углерода в аустените, является границей между сталями и чугунами; С = 4,3 % – эвтектический сплав, содержит 100 % ледебурита; С = 6,67 % содержит 100 % цементита (Fe3C). Заметим, что разделение железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны произошло в те времена, когда не умели делать химический анализ. Это разделение проведено исходя из того, что стали можно сильно деформировать (ковать, штамповать и т. д.), а чугуны хрупко разрушаются при сравнительно небольших деформациях. Рассматривая рис. 2.1, можно видеть, что стали могут находиться при определённой температуре в состоянии твёрдого раствора (аустенита и (или) феррита). Именно в этом состоянии стали можно подвергать значительным деформациям на десятки и сотни процентов. Чугуны в твёрдом состоянии при любой температуре содержат хрупкое химическое соединение (цементит), что и объясняет их малую пластичность. Самая верхняя кривая на диаграммах фазового равновесия, например ABCD на рис. 2.1, показывает начало кристаллизации в сплаве. Она называется линией «ликвидус». Линия, обозначающая конец затвердевания (AHJECF на рис. 2.1), называется линией «солидус». У доэвтектоидных сталей при охлаждении по кривой GS начинается и по PS заканчивается перекристаллизация части аустенита в феррит, что связано с полиморфным превращением Feγ в Feα. Концентрация углерода в оставшемся аустените повышается до 0,8 % и по линии PS последний превращается в перлит. Таким образом, доэвтектоидные стали имеют феррито-перлитную структуру. У заэвтектоидных сплавов по кривой SE начинается и по SK заканчивается процесс выделения из аустенита цементита вследствие понижения растворимости углерода в аустените при охлаждении. Концентрация углерода в оставшемся аустените понижается до 0,8 % , и по линии SK последний превращается в перлит. Т. о., заэвтектоидные стали имеют перлитнo-цементитную структуру. Цементит стремится выделиться по границам зерен, образуя так называемую цементитную сетку, которая резко снижает прочность сплава. Микроструктуры сталей см. на рис. 2.2, чугунов на рис. 2.3.

а

17 б

в

Рис. 2.2. Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидной (× 300); б – эвтектоидной (×250); в – заэвтектоидной (×300)

а

б

в

Рис. 2.3. Микроструктуры чугунов (×200): а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

2.2. Термообработка Термообработка (ТО) любого сплава заключается в нагреве деталей до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с различной скоростью с целью получения требуемой структуры и механических свойств (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Графики термической обработки

Рис. 2.5. Температурный интервал для нагрева углеродистой стали при закалке (заштрихованная зона)

При нагреве стали чуть выше критических температур, соответствующих линии GSE (рис. 2.1), за счет перекристаллизации феррито-перлитной структуры в аустенитную образуется мелкозернистая структура, которая при последующем охлаждении фиксируется (рис. 2.6). Изменяется и внутренняя структу18

ра зерен. Чем выше скорость охлаждения при ТО, тем выше дисперсность внутризеренных структур и прочность сплава, но ниже пластичность.

Аустенит устойчивый V1 V2

V3

Рис. 2.6. Изменения микроструктуры эвтектоидной стали при нагреве и охлаждении c различной скоростью (V3 >V2 >V1)

При сравнительно медленном охлаждении из аустенитного состояния, которое осуществляется при отжиге или нормализации, происходит выделение цементита в виде пластин, что связано с диффузионными превращениями. Диффузия необходима для повышения концентрации углерода в месте образования цементита до 6,67 %. Начало и окончание процесса выделения цементита на рис. 2.7 показывают кривые 1, 2. Чем выше скорость охлаждения, тем тоньше пластинки цементита, т. е. больше дисперсность структуры. Минимальной скорости V1 соответствует грубая пластинчатая структура – перлит. При скорости V2 образуется пластинчатый сорбит. При ещё большей скорости охлаждения получается очень мелкодисперсная структура пластинчатого троостита. При определенной достаточно высокой скорости охлаждения, которая называется критической Vкр, диффузионные процессы не могут происходить вследствие переохлаждения сплава до низких температур. Однако в результате полиморфных превращений происходит перекристаллизация структуры и твёрдый раствор аустенит превращается в пересыщенный раствор углерода в α железе. Такая структура называется мартенситом, а бездиффузионное превращение называется мартенситным. На рис. 2.7 линия Мн соответствует началу, Мк – окончанию мартенситных превращений.

19

Рис. 2.7. Диаграмма изотермического превращения аустенита: 1 – начало распада аустенита, 2 – окончание процесса распада аустенита; П – перлит, С – сорбит, Т – тростит, М – мартенсит

Виды термической обработки Отжиг. Для доэвтектоидных сталей применяется полный отжиг, заключающийся в медленном нагреве стали выше АС3 на 30 ... 50 °С (рис. 2.5), длительной выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью. Для заэвтектоидных сталей применяется обычно неполный отжиг: нагрев выше АС1, но ниже АСm, охлаждение вместе с печью. Отжиг применяется для получения равновесной мелкозернистой феррито-перлитной структуры, снятия остаточных напряжений после холодной обработки давлением, литья, сварки, а также перед обработкой резанием и холодным пластическим деформированием для повышения пластичности и улучшения обрабатываемости. Закалка доэвтектоидной стали: нагрев выше АС3 на 30 ... 50 °С и быстрое охлаждение в воде, масле и др. средах с высокой охлаждающей способностью со скоростью выше критической. При закалке образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в Feα. Мартенсит – однофазная структура, имеет игольчатое строение, хрупок, HRC = 60, δ = 0 %. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания углерода. Стали, содержащие С < 0,2 %, практически не закаливаются. Закалка заэвтектоидной стали: нагрев выше АС1, но ниже АСm (неполная закалка), охлаждение со скоростью выше критической. Образуется двухфазная структура, состоящая из мартенсита и цементита. Скорости нагрева и охлаждения при ТО ограничены пластичностью металла, поэтому в зависимости от свойств материала подбираются различные охлаждающие среды, которые, с одной стороны, призваны обеспечить охлаждение со скоростью большей, чем критическая, а с другой – предотвратить образование больших внутренних напряжений, которые могут привести к разрушению образца. К сожалению, пока не разработаны идеальные охладители, обеспечивающие эти противоречивые требования. Поэтому используются усложнённые способы закалки ( в двух закалочных средах, изотермическая и т. д.) 20

Отпуск обычно производится после закалки с целью получения заданной прочности и пластичности. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. Низкий отпуск заключается в нагреве до 200 ... 250 °С, длительной выдержке (1–2 часа) и медленном охлаждении. Получающаяся структура называется мартенситом отпуска. Она имеет наибольшую прочность и твёрдость, высокую сопротивляемость изнашиванию, но обладает очень низкой пластичностью. При низком отпуске не происходят диффузионные превращения, но значительно снижаются внутренние напряжения и повышается сопротивляемость ударным нагрузкам. Средний отпуск проводят при температуре 350…500 °С. При этих температурах происходят диффузионные превращения, мартенсит превращается в зернистый троостит, представляющий собой мелкодисперсную смесь шаровидных включений цементита и феррита. Прочность и твёрдость по сравнению с мартенситом отпуска уменьшаются, но сталь приобретает большую пластичность. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента. Высокий отпуск проводят при температуре 500 ... 650 °С. В результате образуется зернистый сорбит. Т. к. диффузионные превращения при высокой температуре облегчены, то величина частичек цементита значительно больше чем у троостита. Сорбит имеет прочность меньшую, по сравнению с трооститом, но зато у стали резко увеличивается пластичность. Она становится даже большей, чем после отжига, при этом прочность высокоотпущенной стали значительно выше, чем после отжига. Сочетание ТО (закалка + высокий отпуск) называется улучшением стали. Нормализация: нагрев выше АС3 и АСm (последнее редко применяется), охлаждение на спокойном воздухе. При нормализации измельчается зерно, повышается прочность при сохранении достаточной пластичности. Для доэвтектоидных сталей нормализация заменяет отжиг. Для заэвтектоидных сталей нормализация производится с целью устранения цементитной сетки по границам зёрен и является подготовительной операцией перед закалкой. Применение различных видов ТО. Различают предварительную термическую обработку и окончательную. Предварительная ТО заготовок производится с целью снятия остаточных напряжений после литья, сварки, обработки давлением, а также с целью повышения обрабатываемости резанием, холодным пластическим деформированием и т. п. Применяются отжиг, нормализация, улучшение (закалка и высокий отпуск). Окончательная ТО деталей выбирается в зависимости от марки стали и назначения деталей. Для конструкционных сталей применяют закалку с высоким или средним отпуском с целью получения повышенной прочности и твердости при сохранении достаточного уровня пластичности. Для инструментальных сталей используется закалка с низким отпуском с целью получения высокой твердости и износостойкости. Однако ударная вязкость и пластичность при этом получаются низкими. 21

2.3. Химико-термическая обработка Цель химико-термической обработки: получить поверхностный слой, обладающий особыми свойствами. Такими свойствами может быть высокая твердость, износостойкость, жаропрочность, окалино- или коррозионная стойкость. Нагретые детали подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии поверхностный слой насыщается некоторыми элементами: углеродом, азотом, алюминием, хромом, кремнием и т. д. Диффузия лучше всего протекает, если в процессе химико-термической обработки элемент, которым производится насыщение поверхности, находится в атомарном состоянии. Процесс протекает в три стадии: диссоциация (распад молекул с образованием атомарного элемента) + адсорбция (взаимодействие с поверхностью и проникновение в кристаллическую решетку) + диффузия (проникновение в глубь металла). В результате диффузии активированный атом элемента проникает в кристаллическую решетку стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя деталей из малоуглеродистых сталей (С < 0,25 %) углеродом с целью получения путем последующей закалки твердой поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Вещество, обеспечивающее насыщение поверхности углеродом, называется карбюризатором. Используются твёрдые, жидкие и газообразные карбюризаторы. Температура процесса при всех видах цементации t = 900 … 950 °С. Продолжительность зависит от требуемой толщины науглероживания и может изменяться в пределах от 2 до 7 часов. Толщина поверхностного слоя с содержанием углерода С = 0,8 … 1,1 % достигает 0,2 … 3 мм. Применяется для деталей, работающих одновременно на истирание и ударную или знакопеременную нагрузку. Цементация в твёрдом карбюризаторе, которым является древесный уголь, проводится в условиях ремонтного производства. Детали укладываются в металлические ящики и засыпаются древесным углём, в который для активизации обменных реакций, обеспечивающих атомарное состояние углерода, вводятся до 25 % BaCO3 или Na2 CO3. Газовая цементация производится в условиях серийного и массового производства. Карбюризатором являются природный и др. газы, содержащие углерод. Детали помещают в камеры с температурой 900 ... 930 °С, через которые пропускают газ: CH4 → 2H2 + C (атомарный), 2CO → CO2 + C (атомарный). Жидким карбюризатором являются расплавы смеси солей Na2 CO3 (75 %) и SiC (10 %), NaCl (15 %). Газовая цементация используется для мелких деталей с малой толщиной науглероживания 0,3…0,5 мм. После любого вида цементации делают закалку и низкий отпуск с t = 150 ... 170 °С, HСR = 60 ... 64. Азотирование – процесс насыщения азотом с целью получения высокой 22

твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностного слоя деталей. Азотируют легированные стали, содержащие Al, Ti, W, V, Mo или Cr, например: 35ХМЮА, 40XHMA, 18XГТ. Для азотирования используют герметические печи, в которые подают аммиак (t = 500 …600 °С). При разложении аммиака (2NH3 → 2N (атомарный) + 3H2) образуются нитриды (AlN, MoN, Fe4N). Время процесса τ = 24 ... 60 часов. Толщина слоя зависит от продолжительности процесса и составляет 0,25 ... 0,75 мм. HCR ≤ 70, твердость сохраняется до 400 ... 600 °С. Заметим, что после азотирования закалка не проводится. Закалка + высокий отпуск (улучшение) могут проводиться перед азотированием как предварительная термообработка для улучшения свойств внутренних объёмов детали. Преимущества азотирования по сравнению с цементацией: ниже температура, не требуется последующая закалка, твердость значительно выше. Кроме твёрдости увеличивается стойкость против коррозии и сопротивление усталости. Недостаток – большая длительность процесса. Широко применяется для деталей из стали и чугуна. Имеются виды химико-термической обработки, в которых поверхность одновременно насыщается углеродом и азотом. К ним относится нитроцементация и цианирование. Нитроцементация – насыщение в газовой среде, содержащей аммиак и природный газ. Цианирование – насыщение в расплавленных цианистых солях при t = 820 и 950 °С. После нитроцементации и цианирования обязательно проводятся закалка и низкий отпуск. ТЕМА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ, МАРКИРОВКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 3.1. Основные примеси железоуглеродистых сплавов Углерод повышает твердость, прочность, упругость, снижает пластичность, при С > 0,8 % проявляется хрупкость стали. Кремний повышает твердость, прочность, упругость, уменьшает склонность к хладноломкости-хрупкости при низких температурах, способствует графитизации чугуна. В зависимости от марки чугуна его содержание изменяется от 0,5 до 4,5 %. В обычных нелегированных сталях содержание Si = 0,35...0,4 %. Марганец повышает твердость, прочность, упругость, износостойкость, прокаливаемость, способствует удалению серы, при содержании > 1,5 % снижает пластичность стали, увеличивает склонность к перегреву стали при нагреве. В чугуне Mn препятствует графитизации, где его содержание от 0,4 до 1,3 %. В обычных нелегированных сталях Mn = 0,5 ... 0,8 %. Сера является вредной примесью. Придает стали красноломкость, т. е. хрупкость при нагреве до ∼ 900 °С, которая возникает в результате образования 23

легкоплавкой эвтектики FeS + Fe по границам зерен. S способствует отбеливанию чугуна, снижает его жидкотекучесть и прочность. В чугуне ее содержание допускается до 0,12 %. В сталях обыкновенного качества S < 0,05 %, а в высококачественных < 0,03 %. Фосфор в сталях является вредной примесью, т. к. приводит к хладноломкости, т. е. снижению ударной вязкости при низких температурах. В сталях обыкновенного качества P < 0,05 %, а в высококачественных < 0,03 %. В чугунах вредное влияние фосфора мало проявляется. При этом Р улучшает жидкотекучесть при содержании до 0,8 %, но увеличивает хрупкость отливки (хладноломкость). Азот, кислород, водород – ухудшают механические свойства, образуя оксиды и нитриды FeO, SiO2, Al2O3, Fe4N. Опасность представляют также газовые пузыри и пустоты, которые являются концентраторами напряжений. 3.2. Классификация сталей По химсоставу стали разделяются на углеродистые и легированные. По назначению: конструкционные, инструментальные и специальные (с особыми физическими и химическими свойствами: нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, электротехнические, быстрорежущие и др.). Содержание углерода обычно в конструкционных сталях до 0,7 %, в инструментальных свыше 0,7 %. По качеству: • обыкновенного качества общего назначения (только углеродистые) – S < 0,06 %, Р < 0,07 %; • качественные – S и P < 0,055 %; • высококачественные S и P < 0,035 % (в конце марки указывается буква А); • особо высококачественные – S < 0,015 %, P < 0,025 % (в конце марки – Ш). Низкоуглеродистые стали разделяются по степени раскисления: КП – кипящая, ПС – полуспокойная, СП – спокойная. При С > 0,2 % – только спокойная. 3.3. Конструкционные углеродистые стали Эти стали применяются для изготовления большинства деталей машин. Стали обыкновенного качества: Ст. 0, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст 6. Цифра в марке стали соответствует номеру по каталогу. Стали разделяются на три группы: А – регламентируются только механические свойства, Б – регламентируются только химические свойства, В – регламентируются и механические и химические свойства. Группа А используется для изготовления деталей, которые не подвергаются термической обработке. Группа Б – для изготовления термообрабатываемых деталей. Группа В – для свариваемых деталей. Чем больше номер по каталогу, тем выше прочностные свойства и выше содержание углерода. Стали качественные в обозначении содержат цифры, соответствующие содержанию углерода в сотых долях процента: • низкоуглеродистые – 08, 08КП, 10, 10КП – хорошо штампуются в холодном состоянии (листовая штамповка) и свариваются (С = 0,08…0,1 %); • низкоуглеродистые цементируемые – 15, 20, 25 (С = 0,08…0,1 %); 24

• cреднеуглеродистые – 30, 35, 40, 45, 50 (С = 0,30…0,5 %) – подвергаются термообработке, применяются наиболее широко для деталей машин; • высокоуглеродистые – 60, 65, 70 и с повышенным содержанием марганца – 45Г, 45Г2 – после ТО обладают повышенной прочностью, твердостью, упругостью и износостойкостью (пружины, рессоры, режущие бытовые предметы). 3.4. Инструментальные углеродистые стали Применяются для изготовления инструмента. Разделяются на качественные углеродистые стали У7 , У8, У9, У10, У11, У12, У13 и высококачественные – У7А , У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А . У7А, ... У13А. Цифра в обозначении показывает содержание углерода в десятых долях процента, т. е. в стали У13 С = 1,3 %. Легирующие элементы, применяемые для придания особых свойств Большое число легирующих элементов (Cr, Mo, W, V, Ti, Mn) образуют с углеродом карбиды, обладающие высокой твердостью. Все карбидообразующие элементы и Si повышают прочность, упругость, твердость, износостойкость, красностойкость, но снижают пластичность и свариваемость. Ni, Co, Al, Cu – образуют твердые растворы в феррите и аустените. W, Mo – повышают режущие свойства при повышенных температурах и коррозионную стойкость. Все элементы, кроме Mn, способствуют измельчению зерна, что несколько повышает прочность и значительно – пластичность. Все элементы, кроме Со, повышают глубину прокаливания. Ni и Со повышают и прочность, и пластичность. Cr, Al, Ni повышают жаро- и коррозионную стойкость. При Cr > 12,5 % сталь становится нержавеющей. Ni повышает электросопротивление, снижает коэффициент линейного расширения. Si сильно увеличивает магнитную проницаемость и электросопротивление (электротехнические стали). При Si > 15 ... 20 % сталь становится кислотоупорной. Таблица 1 Обозначение химических элементов в марках сталей Химический Mn Si элемент Символ в Г С марках сталей

Cr

Ni Mo Co

W

V

Ti

Al Cu

B

Zr Nb

N

P

Х

Н

В

Ф

Т

Ю

Р

Ц

А

П

М

К

Д

Б

Первые цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Цифра после буквы обозначает содержание химического элемента в процентах. Если после буквы цифра отсутствует, то химического элемента содержится приблизительно 1 %. Более точно можно узнать в справочной литературе. 3.5. Конструкционные легированные стали 20Х, 12Х2Н4А – цементируемые низкоуглеродистые; 25

40ХН, 30ХГСА – улучшаемые среднеуглеродистые; 65Г, 55С2, 50ХФА – рессорно-пружинные; ШХ15 – шарикоподшипниковые (Cr = 0,15 %); 110Г13Л – износостойкие (С = 1,1 %, Мn = 13 %, Л – означает литейная). 3.6. Инструментальные легированные стали 9ХС, ХВГ – применяются для изготовления режущего инструмента для низких скоростей резания (С = 0,9 % и 1 % сооветственно). Х12М, 5ХВ2С – для штампов при холодной штамповке. 5ХНМ, 3Х2В8Ф, 40ХСМФ, 7Х3 – для штампов при горячей штамповке. Р9, Р18 – быстрорежущие стали, применяются преимущественно для изготовления инструмента сложной формы, позволяют обрабатывать материал с большими скоростями резания (цифры обозначают содержание вольфрама в процентах). 3.7. Стали и сплавы с особыми свойствами Примеры марок и их применения: • коррозионностойкие (нержавеющие): 12Х13, 40Х13 (хирургический инструмент), 12Х18Н9 и 12Х17 (химическая, пищевая промышленность); • жаростойкие (окалиностойкие): 40Х9С2 (сохраняет работоспособность до t = 550 ... 900 °С, 36Х18Н25С2 – до 1100 °С); • жаропрочные (детали, в т. ч. лопатки турбин и паросиловых установок); • электротехнические (магнитные и парамагнитные), сплавы с высоким электросопротивлением (Х20Н80 – нихром), с заданным коэффициентом линейного расширения (для вакуум-плотных спаев, соединений с керамикой и стеклом при определенных температурах), с заданными упругими свойствами и т. д. Стали хорошо обрабатываются пластическим деформированием, литейные свойства значительно хуже, чем у чугунов. 3.8. Чугуны На диаграмме фазового равновесия Fe – Fe3C (рис. 2.1) были рассмотрены чугуны, в состав которых углерод входил только в виде твёрдых растворов или химического соединения (цементита). Такие чугуны в месте разрушения имеют блестящий белый излом. Именно поэтому они получили название белый чугун. В условиях производства белый чугун может получиться при ускоренном охлаждении при заливке в металлические формы или при низком содержании кремния. Детали со структурой белого чугуна практически не применяются, т. к. не поддаются обработке резанием, НВ = 400 … 500. Применяются чугуны с отбеленной поверхностью для деталей, работающих на истирание (шары мельниц, прокатные валки и т. п.): верхний слой – белый чугун, сердцевина – серый чугун. Большое количество отливок из белого чугуна используется для передела путём длительного отжига в ковкий чугун. Об этом подробнее будет сказано ниже. В других видах чугуна большая часть углерода присутствует в виде графита и их излом имеет серый цвет. Различают серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Они имеют металлическую основу со структурой стали (ферритной, перлитной или феррито-перлитной), содержащей включения графита. 26

Серые чугуны получают при медленном охлаждении расплава или при содержании Si > 1,5 %. Углерод коагулируется в виде пластинчатого графита (рис. 3.2). Маркировка: СЧ15 (σв > 150 МПа), СЧ18 и т. д. (всего 11 марок по ГОСТ). Серый чугун хорошо работает на сжатие, нечувствителен к концентраторам напряжений, гасит вибрации, имеет высокие антифрикционные свойства и хорошую жидкотекучесть, хорошо обрабатывается резанием, имеет малую усадку 0,9 … 1,3 %, σв = 150 ... 350 МПа, δ = 2 ... 6 %. Ковкий чугун получают из белого посредством графитизирующего отжига, во время которого цементит распадается и углерод выделяется в свободном состоянии в виде хлопьевидного графита (рис. 3.1, б, в). Маркировка: КЧ37-12 (σв > 370 МПа; δ > 12 %), КЧ60-3 (всего 11 марок по ГОСТ, σв = 350 ... 500 МПа, δ = 4... 12 %.). Износостойкий, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам и обрабатывается резанием. Высокопрочный (модифицированный) чугун получают путем присадки в ковш с жидким чугуном магния, церия и других элементов. В результате выделяется углерод в виде шаровидного графита, повышаются механические свойства: износо-, коррозионно-, жаро- и хладостойкость. σв = 350 ... 1000 МПа, δ = 2 ... 6 %. Применяется для изготовления ответственных деталей (коленчатые валы, поршни и др). Маркировка: ВЧ 45-5 (σВ > 450 МПа; δ > 5 %) (всего 10 марок по ГОСТ). 1

2 1 2 3

4

3 а

б

в

Рис. 3.1. Микроструктуры белого (а) и ковкого (б, в) чугунов

2

1

1

2 3 а

3 2

б

в

Рис. 3.2. Микроструктуры серого чугуна: а – ферритного; б – перлито-ферритного; в – перлитного; 1 – феррит, 2 – графит, 3 − перлит

Чугуны имеют хорошие литейные свойства, но непригодны для обработки давлением и плохо свариваются. 27

3.9. Цветные металлы и сплавы (примеры материалов и их применения) Алюминий – легкий металл, ρ = 2700 кг/м3, tпл = 658 °С, после прокатки и отжига σв = 58 МПа, δ = 40 %. Высокая пластичность, невысокая прочность, хорошая свариваемость, коррозионная стойкость, на воздухе не окисляется за счет оксидной пленки, высокая электро- и теплопроводность. Деформируемые термически не упрочняемые сплавы систем Al-Mn(AМц), Al-Mg(АМг). Деформируемые термически упрочняемые сплавы систем Al-Cu-Mg: дуралюмины Д16 … Д18 и силумины АК6 … АК8, после ТО – высокая пластичность и прочность. Литейные сплавы с 10 … 13 % Si – АЛ2, АЛ4, АЛ9 – применяются наиболее широко. Сплавы с медью и марганцем АЛ7, АЛ19 обладают повышенной прочностью. Сплавы с магнием Mg = 9,5 … 11,5 %, АЛ8, АЛ13 имеют хорошую коррозионную стойкость. Алюминий применяют также для приготовления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и алюминиевых пудр (САП), обладающих коррозионной стойкостью, прочностью или пористостью. Магний – легкий металл, ρ = 1740 кг/м3, tпл = 651 °С, на воздухе окисляется, хорошо сваривается и обрабатывается резанием, после прокатки и отжига σв = 180 МПа; δ = 15 %. Деформируемые неупрочняемые ТО сплавы – МА2, МА8. Высокопрочные, упрочняемые ТО – МА5. Жаропрочные с добавками циркония, никеля и др. литейные сплавы МЛ6, МЛ3 имеют невысокий модуль упругости (Е = 4300 МПа) и вследствие этого хорошие демпфирующие свойства (гасят колебания конструкции), но низкую коррозионную стойкость, поэтому отливки оксидируют, покрывают лаком и т. д. Магний химически активен к кислороду, поэтому применяется в качестве раскислителя при плавке стали и цветных металлов, при получении трудно восстанавливаемых металлов (Ti, V, циркония, урана и др.), для получения высокопрочного модифицированного чугуна. В химической промышленности Mg применяется для обезвоживания органических веществ (спирта, анилина и др.), в порошкообразном виде и в виде ленты горит ослепительно белым пламенем (фотовспышка, пиротехника, ракеты и зажигательные бомбы). Сплавы магния хорошо поглощают вибрации, немагнитны, не дают искры при трении и ударах. Удельная жесткость при изгибе и кручении у них на 20 % выше, чем у алюминиевых сплавов и на 50 %, чем у стали, удельная вибрационная прочность в 100 раз больше, чем у дуралюмина и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Стружка и пыль магния взрывоопасны. Медь: ρ = 8900 кг/м3, tпл = 1083 °С, высокая тепло- и электропроводность, пластичность, хорошая коррозионная стойкость, жидкотекучесть, ковкость, 28

свариваемость. Чистая медь: σВ = 250 ... 270 МПа, δ = 40 ... 50 %. Примеси ухудшают качество меди, особенно сера и кислород, образующие соединения Cu2S и Cu2O. Латуни – основной легирующий компонент – цинк. Латуни деформируемые – Л96, Л59. Литейные латуни – ЛАЖМц 66-6-3-2. Указан состав меди и др. элементов, остальное – цинк. Бронзы – сплавы меди с оловом (4 … 33 %), свинцом (до 30 %), Al (5 … 11 %), Si (4 … 5 %), сурьмой и фосфором. Имеют высокую антифрикционность (стойкость против истирания за счет низкого коэффициента трения), малую усадку, хорошую жидкотекучесть, высокую химическую стойкость. Литейные оловянистые бронзы – Бр.ОЦС5-5-5 и безоловянистые – Бр.АЖН10-4-4 (алюминиевые), Бр. Б2 (бериллиевая – для пружин), Бр. С30 (свинцовистая – для подшипников). Деформируемые бронзы – Бр. АЖ9-4. Медноникелевые сплавы специальные, например, мельхиор, константан. Титан: ρ = 4500 кг/м3, tпл .= 1672 °С, на воздухе коррозионно стоек за счет оксидной пленки TiO2, легкий, прочный, тугоплавкий, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии и сваривается, но плохо обрабатывается резанием (вязок). Чем чище по примесям, тем ниже прочность и выше пластичность. Сплавы ВТ4, ВТ18 и др. легированные, в основном Al, термически не упрочняются, после ОМД подвергают отжигу, σВ = 650 ... 880 МПа; δ = 15 ... 40 %. ВТ6, ВТ14 и др. содержат Al, W, Mo, более высокая прочность за счет закалки и старения: σВ = 800 ... 1150 МПа; δ = 8 ... 15 %. Титановые сплавы применяются в химической промышленности, авиации, судостроении, медицине, пищевой промышленности, в криогенной технике (аммиачные компрессоры, холодильные установки, емкости для хранения жидких газов). Подшипниковые сплавы и материалы (антифрикционные). К этим материалам предъявляется ряд требований, обеспечивающих наилучший режим эксплуатации для опор подшипников скольжения: низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость, высокая теплопроводность и теплоемкость, способность удерживать смазку, малая способность к «схватыванию», устойчивость против коррозии. В основном используются металлические сплавы на основе легкоплавких металлов Sn, Pb, Zn, Al (баббиты), а также некоторые бронзы и антифрикционные чугуны. Баббиты обладают неоднородной структурой (мягкая основа с твердыми включениями), что обеспечивает быструю приработку, высокую сопротивляемость износу и сеть микроскопических каналов для смазки. Например, баббиты оловянно-сурьмянистые Б83 и Б89. Основа – олово, 7,25 … 10 % Sb и 2,5 … 6,5 % Cu, tпл. = 380 и 342 °С. Коэффициент трения подшипниковых сплавов f = 0,005 … 0,009.

29

РАЗДЕЛ II. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ТЕМА 4. СУЩНОСТЬ ЛИТЬЯ. ЛИТЬЕ В РАЗОВЫЕ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ ФОРМЫ (ПГФ) 4.1. Литье Литье – это технологический процесс получения изделия путем заливки расплавленного металла в соответствующую форму с последующей его кристаллизацией. Формы могут быть открытыми или закрытыми (рис. 4.1), одноразовыми из песчано-глинистых смесей или многоразовыми металлическими. Одноразовые формы могут быть сухими (проводится сушка в сушильных печах или факелом газовой горелки) или сырыми (сушка не производится). Недостатки открытой формы: • нельзя изготовить отливки неплоские сверху; • ускоренное и неравномерное охлаждение отливки (возможны отбел чугуна, образование трещин, коробление отливок); • требуется увеличенная высота отливки, компенсирующая усадочную раковину и др. дефекты верхней части отливки; • при прямой заливке возможно нарушение земляной формы тяжелой струей металла; • не всегда возможна установка стержней. 9

5 9 3

8 7

4 4

6

2

11

1 10

а)

10

б)

Рис. 4.1. Схемы открытой (а) и закрытой( б) формовки: 1 – поддон, 2 – нижняя опока, 3 – верхняя опока, 4 – отливка, 5 – выпоры для отвода газа, 6 – питатель для подвода металла, 7 – стояк с литейной чашей, в которую заливается металл, 8 – стержень, обеспечивающий получение в отливке отверстия, 9 – усадочные раковины, 10 – уплотнённая песчано-глинистая смесь, образующая форму

В закрытой форме кристаллизация металла идет под давлением столба жидкости в стояке и выпорах, что способствует уплотнению металла. Для сплавов, имеющих большую усадку, например, для сталей, в форме создаются специальные ёмкости, диаметр которых значительно превосходит толщину стенки основной отливки. Кристаллизация металла в таких ёмкостях происходит в последнюю очередь, что обеспечивает образование усадочных раковин не в теле отливки, а внутри этих дополнительных ёмкостей, которые называются прибылями. Происхождение их названия к выгоде никакого отношения не имеет, т. к. 30

заливка жидкого дополнительного металла требует увеличения затрат. Например, в сложных стальных отливках вес прибылей, выпоров, питателей и стояка с литейной чашей может равняться весу получаемой отливки. Для чугунов, литейных сплавов из цветных металлов, обладающих хорошими литейными свойствами, прибыли не используются и вес литниковой системы составляет 10…30 % от веса отливки. Технологический процесс получения отливки в разовой ПГФ предусматривает следующие операции: • Выполнение моделей и стержневых ящиков, которые служат для изготовления форм и стержней. Модели, как правило, состоят из двух частей (верхней и нижней), с помощью которых получают верхние и нижние полуформы. Стержни служат для образования отверстий в отливках и могут иметь очень сложную форму. • Приготовление формовочной смеси, основными компонентами которой является песок, глина и вода. • Изготовление полуформ, которое осуществляется набивкой формовочной смеси в специальные металлические ящики без дна, которые называются опоками. Внутренняя полость форм образуется моделями. • Приготовление стержневой смеси, которая состоит из песка и специальных крепителей. Изготовление стержней путём набивки в стержневые ящики и сушка стержней в специальных сушильных печах. • Сборка литейных форм, при этом в нижнюю полуформу укладываются стержни. Затем нижняя опока накрывается верхней, при этом используются специальные направляющие, исключающие произвольное смещение форм относительно друг друга. Полуформы после этого скрепляются, чтобы исключить всплытие верхней полуформы под действием гидростатического давления металла. • Плавка сплава заданной марки в плавильных печах, которыми для чугуна и стали являются обычно электродуговые или индукционные печи, а для цветных металлов могут быть использованы печи электрического сопротивления. • Заливка форм, охлаждение, выбивка отливок из форм. Удаление из отливок стержней. • Обрубка литейной системы (питателей, прибылей, стояков) и очистка отливок от пригоревшей формовочной и стержневой смеси. • Контроль качества отливок. 4.2. Основные характеристики и требования к формовочным смесям Основные характеристики и требования к формовочным смесям: пластичность, прочность, газопроницаемость, огнеупорность, теплопроводность, податливость, долговечность. Прочность 2,9 ... 15,7 МН/м2 для сырой смеси, 49 …196 МН/м2 – для стержней. Для сырых форм используются «тощие» смеси, содержащие глины 8 – 10 %, для сухих – «жирные», в которых глины до 20 %, остальное – песок. 31

Классификация формовочных смесей: для чугунного, стального и цветного литья; для сырых и сухих форм; облицовочные, наполнительные и единые. Для ручной формовки (особенно очень крупных отливок) выгодно применять не единую смесь, а две смеси (облицовочную и наполнительную). Облицовочная смесь состоит из свежих формовочных материалов (песка и глины), а наполнительная – из многократно используемой смеси, которую только измельчают и увлажняют после выбивки форм. Для машинной формовки, когда форма изготавливается на специальных формовочных машинах, используется единая смесь. В этом случае после выбивки форм в старую смесь добавляется 7 – 15 % свежих материалов, остальное – горелая земля. Оптимальная влажность формовочной смеси приблизительно 5 %. Вспомогательные формовочные материалы: • Связующие: органические (древесный пек, сульфитно-спиртовая барда, синтетические смолы) и неорганические (жидкое стекло, цемент). • Противопригарные (пылевидный кварц, каменноугольная пыль). • Вещества, увеличивающие податливость форм в результате выгорания после заливки металла (опилки, каменноугольная пыль). • Вспомогательные составы: замазки для ремонта форм и стержней, клеи для склеивания сложных стержней, краски, предотвращающие пригар форм и стержней, припылы, которыми покрывают поверхность моделей и стержней для предотвращения прилипания к ним формовочных и стержневых смесей и др. Стержни работают в тяжелых условиях, т. к. окружены жидким металлом со всех сторон. Кроме того, они часто подвержены изгибным нагрузкам, потому что опираются в формах только на свои концевые части, которые называются знаками. Поэтому к ним предъявляются высокие требования к прочности. Одновременно, стержни должны обладать легкой выбиваемостью, высокой податливостью в процессе кристаллизации отливки, низкой газообразующей способностью. Для их изготовления используются свежий песок и крепители, виды которых показаны в табл. 2. Таблица 2 Стержневые смеси на основе песка Связующие Глина, пек, барда Синтетические смолы Жидкое стекло

Способ сушки Тепловая в электропечах сопротивления при t = 500 ... 600 °С Тепловая в нагреваемой металлической оснастке при t = 200 ... 300° в течение 3 ... 120 с или холоднотвердеющие. Химическая: продувкой СО2 с давлением 0,1 ... 0,3 МПа в течение 1 ... 10 мин. Затвердевание в результате реакции: Na2O . SiO2. H2O + CO2 = Na2CO3 + SiO2(гель) + H2O

Приготовление формовочных и стержневых смесей происходит следующим образом. Свежие материалы подвергаются сушке, размолу и просеиванию. Горелая формовочная смесь разминается в валках, подвергается магнитной сепарации и просеиванию. Затем производится смешивание свежей и горелой смесей и увлажнение в специальных смесителях, которые называются бегунами. Перед формовкой смесь хранится в бункерах. Для разрыхления она может дополнительно обрабатываться в дезинтеграторах и аэраторах. 32

4.3. Формовка Формовка производится по металлическим или деревянным моделям. Для простой отливки (рис. 4. 2, а) приведён пример деревянной модели (рис. 4.2, в), состоящей из двух половин, призванных образовывать две полуформы. Схема ручной формовки приведена на рис. 4.3. Набивка формовочной смеси производится ручными трамбовками. При формовке больших отливок используются ручные пневматические трамбовки. 1 21 3

В

4

L Н а

б 7

в

8

6

5

7

8

9 г

Рис. 4.2. Пример технологической разработки отливки: а – деталь; б – эскиз чертежа отливки со стержнем; в – модель; г – деревянная модель в разрезе; 1, 5 – припуск на механическую обработку, 2, 6 – формовочные уклоны, 3 – стержень, 4 – знаковая часть стержня, 7, 8 – верхняя и нижняя части модели, 9 – направляющие штыри

78 9 10 5 6

4

3

12

11

а

б 12 13

в

г

Рис. 4.3. Схема изготовления литейной формы по разъемной модели: а – формовка нижней опоки; б – формовка верхней опоки; в – собранные полуформы с установленным стержнем; г – сечение готовой формы в перпендикулярной плоскости. 1 – стержень, 2 – полость, куда будет заливаться металл, 3 – опока, 4 – половинка модели, 5 – нижняя полуформа, 6 – подопочная плита, 7 – центрирующие штыри, 8 – верхняя опока, 9 – верхняя полуформа, 10 – модель, 11, 12 – литниковая система, 13 – скобы, скрепляющие полуформы перед заливкой

33

Уплотнение формовочной смеси при машинной формовке может осуществляться прессованием, встряхиванием или метанием смеси с помощью пескомета (рис. 4.4). 5 4 5 4 1 2 3 6 3 3 2 2 1 1

а

б

в

Рис. 4.4. Схемы уплотнения литейных форм при машинной формовке: а – верхнее прессование; б – уплотнение встряхиванием; в – уплотнение пескометом; в схеме а: 1 – стол машины, 2 – модель, 3 – опока, 4 – наполнительная рамка, 5 – пресс, 6 – прессовая колодка; в схеме б: 1 – станина, 2 – встряхивающий поршень, 3 – стол, 4 – модель, 5 – опока; в схеме в: 1 – вращающийся ковш, 2 – метательная головка, 3 – ротор электродвигателя

Изготовление стержней производится вручную или на пескодувных, пескострельных машинах. После формовки производятся сушка, отделка и окраска стержней. Для получения отливок без усадочных раковин и пористости стремятся изготавливать отливки с приблизительно одинаковой толщиной стенки, без резких утолщений, которые являются тепловыми узлами. В таких узлах кристаллизация металла происходит в последнюю очередь, что способствует образованию в них усадочных раковин и микрорыхлот. ТЕМА 5. ПЛАВКА ЧУГУНА И СТАЛИ 5.1. Литейные свойства сплавов Литейные свойства сплавов характеризуются температурой плавления, жидкотекучестью, величиной усадки (уменьшением размеров при кристаллизации), склонностью к образованию горячих и холодных трещин, газонасыщаемостью, склонностью к ликвации (образованию химической неоднородности по сечению отливки при кристаллизации). Чугуны имеют низкую температуру плавления и малую усадку, высокую жидкотекучесть. Это самые технологичные и потому самые распространенные литейные материалы. Приблизительно 80 % выпускаемых промышленностью отливок изготавливают из чугуна, в основном заливкой металла в земляные формы. Литниковая система для получения отливок из серого чугуна обычно не 34

содержит прибылей, а для получения отливок из ковкого и высокопрочного часто используются прибыли. Сталь по сравнению с чугуном имеет более высокую температуру плавления и почти в два раза большую усадку. Кроме того, она имеет более низкую жидкотекучесть. Получить качественные отливки из стали значительно сложнее и дороже, чем из чугуна, т. к. для предотвращения усадочных раковин необходимо использовать в литниковой системе массивные прибыли. Наибольшее распространение имеет способ литья во влажные ПГФ. Для получения сложных тонкостенных отливок используют оболочковое литьё, когда основная форма изготавливается из смеси, по составу близкой к стержневым смесям. Для изготовления крупных ответственных отливок используют сухие формы. Для уменьшения пригара применяют формовочные смеси с высокой огнеупорностью. Для предотвращения образования горячих трещин используют стержни, прочность которых резко уменьшается в процессе кристаллизации металла, что обеспечивает их высокую податливость. Кроме нелегированных углеродистых сталей в особых случаях изготавливают отливки из коррозионностойких, окалиностойких, жаропрочных и др. специальных сталей. Ответственные стальные отливки для предотвращения коробления подвергаются отжигу для снятия внутренних напряжений. Алюминиевые и магниевые сплавы имеют низкие температуры плавления, высокую жидкотекучесть и малую усадку. Перед разливкой их рафинируют (очищают) с помощью добавок AlCl, ZnCl. 70…80 % алюминиевых сплавов льют в постоянные формы, которые называются кокили. Заливка в кокиль производится самотёком. Для получения отливок, имеющих хороший внешний вид и высокие механические свойства, используется литьё под давлением в специальные металлические пресс-формы. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы системы Al-Si, которые называются силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9). Магниевые сплавы имеют худшие литейные свойства, чем алюминиевые. Кроме того, они могут самовозгораться при плавке и заливке, активно поглощают водород. Плавка производится в тигельных и индукционных электропечах под слоем специального флюса или в среде защитного газа. Приблизительно 40 % отливок из этих сплавов изготавливают в кокилях. Лучшие литейные сплавы системы Mg + Al + Zr марок МЛ5, МЛ6. Из медных сплавов наилучшими литейными свойствами обладают оловянистые бронзы. Безоловянистые бронзы имеют большую усадку. Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, высокую усадку. Медные сплавы склонны к окислению, поэтому перед выпуском из печи их раскисляют фосфористой бронзой. При разливке необходима непрерывная струя металла. Эти сплавы склонны к образованию усадочных раковин, пористости и трещин. Плавка может производиться на воздухе, но значительно лучшее качество металла получается при плавке в среде защитных газов или в вакууме. Большую часть отливок (≈ 80 %) изготавливают в разовых формах. 35

Таблица 3 Литейные свойства сплавов Сплавы Чугун серый Чугун высокопрочный Чугун ковкий Стали, С = 0,12...0,6 % Алюминиевые сплавы Силумины Магниевые сплавы Бронза оловянистая Бронза без олова Латунь

tпл., °С 1100...1200 1100...1200 1100...1200 1500...1600 660 660 660 1100 1100 1100

Усадка, % 0,9...1,3 до 1,7 до 1,7 1,8...2,5 0,8...1,45 0,8...1,1 1,0...1,6 1,4...1,6 1,6...2,4 1,6...2,2

Жидкотекучесть высокая высокая средняя низкая высокая высокая средняя высокая средняя средняя

5.2. Исходные материалы для плавки Состав шихты для стали и чугуна зависит от метода выплавки и применяемых плавильных печей, поэтому рассматривается для конкретного способа. Шихта для цветных сплавов: первичные и вторичные (переплавленные) металлы и сплавы, лигатуры (специальные сплавы из двух или нескольких металлов), флюсы (обычно хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов). Для раскисления и легирования сталей и чугунов используются ферросплавы: ферросилиций Si = 13 … 92 % + Mn < 3 % и ферромарганец Mn = 70 … 75 % + + Si < 2 %. Для образования легкоплавкого шлака, который служит для защиты металла от окисления и обеспечивает физико-химические процессы, способствующие удалению вредных примесей, используются флюсы. По виду химических реакций, происходящих в шлаке, различают кислые флюсы (SiO2,P2O5) и основные (CaO, MgO, FeO). Для сталей и чугунов применяются только SiO2 и CaO, MgO. Причём только CaO, MgO могут обеспечивать удаление вредных примесей, которыми являются сера и фосфор. Топливо для пламенных печей: природный газ, СН4, С2Н6, кокс, мазут. Огнеупорные материалы. Виды применяемых огнеупорных материалов зависят от вида процесса. При использовании кислых флюсов применяют кислые огнеупорные материалы: кварцевый песок, динасовый кирпич (≈ 95 % SiO2), огнеупорность (ОУ) ≈ 1700 °С. При использовании флюсов применяют основные: магнезитовые, магнезитохромитовые (MgO, CaO, Cr2O3), ОУ ≈ 2000 °С. Кроме того, применяются и нейтральные огнеупорные материалы: хромомагнезитовые, высокоглиноземистые (Al2O3), шамотные (50 ... 60 % SiO2 + 30...40 % Al2O3), углеродистые (С до 92 %), ОУ = 1700 ... 2000 °С. Основные свойства: огнеупорность, термостойкость, химическая стойкость, прочность. 5.3. Получение чугуна в доменной печи Изготовление передельного чугуна, являющегося основным сырьем для выплавки стали и получения различных марок литейного чугуна, производится в доменной печи (рис. 5.1). Основным компонентом, из которого получается чугун, является железная руда, состоящая из оксидов железа разного типа (Feo, Fe2O3, 36

Fe3O4). Получение железа, которое является основой чугуна, происходит в результате реакции восстановления оксидов железа продуктами неполного сгорания кокса (CO, С – атомарный). Расход кокса составляет 2 … 15 % от веса шихты.

Рис. 5.1. Схема доменной печи шахтного типа: 1 – засыпной аппарат, 2 – газоотвод, 3 – огнеупорный материал, 4 – фурма для подачи воздуха, 5 – летка для скачивания шлака, 6 – летка для слива чугуна

Шихта для доменной печи: железные руды, топливо (кокс) и флюс, которым является известняк. Через фурмы подается воздушно-кислородная смесь, подогретая до 450 ... 550 °С. Для ускорения процесса могут подаваться природный газ и кислород. Шлак, получающийся в результате расплавления флюса (CaO), защищает капли восстановленного железа от окисления продуваемым воздухом. Они стекают в горн по кускам шихты, насыщаясь при этом углеродом и вредными примесями. Из горна чугун периодически сливается после вскрытия нижней лётки. После слива чугуна лётка забивается огнеупорным составом и процесс продолжается. Непрерывная выплавка чугуна может продолжаться несколько месяцев, т. к. процесс постоянно поддерживается загрузкой сверху руды, кокса и флюса. Длительность процесса ограничивается необходимостью периодического ремонта огнеупорного покрытия печи (футеровки). Для получения литейных чугунов различных марок (серого, ковкого, высокопрочного) применяются дуговые и индукционные печи объемом от 1 до 60 тонн. Процесс выплавки чугуна в них происходит периодически, т. е. имеется начало, когда происходит загрузка шихты, и конец, когда печь полностью освобождается от расплавленного чугуна и шлака. В качестве шихты используется передельный чугун, полученный в домнах, и возврат собственного литейного 37

производства (литники, прибыли, брак), чугунный и стальной лом, стружка в брикетах. В основном используются кислые флюсы ( SiO2). 5.4. Плавка стали Плавка стали на машиностроительных заводах производится в электропечах (дуговых или индукционных), в которых можно получать высокую температуру, создавать желаемую атмосферу (окислительную, восстановительную, нейтральную и в редких случаях вакуум). Выплавляют сталь обыкновенного качества, качественную или высококачественную углеродистые стали. При особых требованиях выплавляют низко-, средне- и высоколегированные стали. Качество стали определяется в основном содержанием вредных примесей (серы и фосфора). Уменьшить их содержание возможно только при основных шлаках, т. е. шлаках, обладающих основными свойствами. Напомним, что для этого используются печи с футеровкой, обладающей основными свойствами. Такие печи и плавильные процессы называются основными. Плавка стали в основной дуговой электропечи Дуговая плавильная печь (рис. 5.2): время плавки τпл = 4 …8 час., угар 5…8 % от веса металлической шихты, рабочее напряжение Uраб. = 160 … 600 В., ток I = 1 … 10 кА, ёмкость печей 0,5 ... 400 т. 7 8

6 5 4

9

3 2 1

10

12

11

Рис. 5.2. Схема дуговой плавильной печи: 1 – днище, 2 – сливной носок, 3 – шихта, 4 – кожух стальной, 5 – огнеупорный материал, 6 – свод съемный, 7 – гибкие кабели, 8 – электродержатели, 9 – графитовые электроды, 10 – рабочее окно, 11 – поворотный механизм, 12 – подина

Процесс плавки разделяется на два существенно различающихся периода: окислительный (расплавление и кипение) и восстановительный (рафинирование). 1. Окислительный период. Главная задача окислительного процесса – довести химический состав до требуемого по содержанию углерода, обеспечить выравнивание температуры и химсостава по объему металла. После загрузки шихты опускаются электроды и включается электрический ток. Расплавление шихты происходит под действием дугового разряда. Дуга горит между электрода38

ми, на которые подаётся трёхфазный ток, и металлом. Недостатком электродуговых печей является сильный перегрев металла в зоне горения дуги. Температура в этой зоне почти вдвое превышает температуру плавления металла. Это приводит к сильному окислению металла (угару), причём значительное количество оксидов железа теряется в виде бурого дыма, что приводит к загрязнению атмосферного воздуха. После расплавления и в жидком сплаве происходят процессы окисления, но интенсивность этих процессов много меньше, чем на воздухе. Окисляется прежде всего железо, а затем и примеси. FeO распределяется между металлом и шлаком, растворяясь в них. Таким образом, FeO играет роль передатчика кислорода: 2Fe + O2 = 2FeO + Q, Mn + FeO = MnO + Fe + Q, Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe + Q. В конце окислительного периода при t > 1400 °С начинается окисление С. При использовании для выплавки стали чугуна (передельного и (или) литейного), углерода после расплавления обычно выделяется значительно больше, чем требуется. Для удаления излишнего углерода добавляют руду, содержащую оксиды железа. В результате происходит окисление углерода по реакции С + FeO = Fe + CO↑ - Q (эндотермическая реакция). Так как при этом выделяется угарный газ, то внешне это выглядит, как кипение стали. Хотя сталь имеет температуру значительно меньше, чем температура её кипения. Основные шлаки позволяют в процессе плавления производить удаление вредных примесей (P, S). Дефосфоризация происходит по реакции 2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4P2O5 + 5Fe + Q – . Соединения фосфора, растворяясь, распределяются между металлом и шлаком в определенном соотношении. После двух, трех скачиваний шлака можно обеспечить содержание Р < 0,015 %. В этот же период проводят десульфацию. Наводят «белый» шлак СаО + С (кокс или электродный бой) + СаF2 (плавиковый шпат) в пропорции 12:1:2. FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO↑ - Q. Степень десульфации до 75 ... 80 %. 2. Восстановительный период. Цель: восстановить Fe из FeO. Оксиды железа при затвердевании стали выпадают из раствора и резко ухудшают прочностные и пластические свойства стали. Поэтому восстановление оксидов является очень важной частью процесса. Раскисление производят ферросплавами, которые могут вводиться в жидкий металл и непосредственно взаимодействовать с ним или погружаться на штанге в шлак. Первый способ называется осаждающим, второй – диффузионным. Наиболее быстрым и потому более дешёвым способом раскисления является осаждающий, но при его длительном использовании ухудшается пластичность и ударная вязкость металла. Это связано с накоплением оксидов в металле за счёт многократного использования при переплаве литниковых систем и литейного брака. Реакции при раскислении: FeO + Mn = MnO + Fe, 2FeO + Si = SiO2 + 2Fe, 3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe. 39

При осаждающем раскислении оксиды Mn, Si, Al большей частью всплывают в шлак. Остающиеся в жидком металле оксиды представляют значительно меньшую опасность по сравнению с FeO, т. к. в меньшей степени снижают пластичность и ударную вязкость, но при длительном использовании этого вида раскисления постепенно происходит ухудшение вязких свойств металла. При диффузионном раскислении реакции происходят в шлаке. В результате действия закона Нернста (см. ниже) уменьшается содержание FeO в жидком металле. В зависимости от длительности второго периода и количества раскислителей получают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. Самый короткий восстановительный период у кипящих сталей. При их производстве используют для раскисления только марганец. Так получают низкоуглеродистые стали, которые обладают высокой пластичностью в результате очень малого содержания кремния. При разливке они кипят в изложнице. Для получения легированных сталей производят легирование. Ферросплавы, содержащие Ni, Co, Mo, Cu, не окисляются, т. к. имеют меньшее сродство с O2, чем Fe. Поэтому их вводят в конце первого периода, чтобы обеспечить равномерное распределение в расплавленном металле. Более активные элементы Si, Mn, Al, Cr, V, Ti вводят в печь после раскисления или перед разливкой в ковш. Индукционная тигельная плавильная печь (рис. 5.3) В таких печах можно выплавлять сталь с низким содержанием углерода, т. к. нет науглероживания от графитовых электродов. По сравнению с электродуговыми печами, металл в них в меньшей степени насыщается газами. В основном применяются печи с кислой футеровкой. Нагрев металла производится в результате того, что индуктор печи, представляющий собой водоохлаждаемую катушку, наводит токи индукции в металле шихты или жидком металле. Частота переменного тока в индукторе ϕ = 500 ... 2500 1/с. В индукционных печах отсутствует зона перегрева, поэтому угар металла значительно меньше, чем в электродуговых печах. Кроме того, переменное магнитное поле способствует усиленному перемешиванию жидкого металла, что приводит к быстрому выравниванию химического состава жидкого металла. Высокая температура ванны позволяет легировать тугоплавкими элементами. Однако низкая температура шлака затрудняет раскисление и рафинирование металла через шлак. Шихтой является стальной лом, возврат литейного производства, брикетированная стружка. Для снижения концентрации углерода в жидком металле, по сравнению с его концентрацией в шихте, в качестве окислителей используются железная руда, окалина (FeO). Для последующего удаления оксидов железа применяют раскислители. Флюсы используются для получения шлака заданного состава. Шлаки служат для защиты металла от окисления и удаления вредных примесей. Для легирования применяют легирующие добавки (ферросплавы и лигатуры). Цель плавки заключается в получении расплавленного металла для отливок требуемого химического состава, прежде всего по углероду и легирующим элементам, а также требуемого качества, прежде всего путем снижения содержания вредных примесей S, Р и газов. S и P образуют кислые соединения Р2О5, FeS, которые в процессе плавки нейтрализуются основными окислами шлака, главным образом известью CaO. 40

Таким образом, для удаления S и Р нужен основный шлак, а следовательно, и основная печь, т. е. с основной футеровкой. 1 2 3 4

Рис. 5.3 Схема индукционной тигельной плавильной печи: 1 – металл, 2 – крышка печи, 3 – индуктор, 4 – тигель

В основных печах плавку конструкционной стали ведут на углеродистой шихте: стальной лом 90 %, электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2–3 %). Основный шлак: CaO 40 … 45 %, SiO2 20 … 25 %, FeO 10 … 15 %. В кислой печи удаление S и P практически невозможно, поэтому нужна чистая по S и P шихта, шлак кислый (55 – 58 % SiO2), условия для раскисления более благоприятные, кремнезем связывает FeO в FeO×SiO2: FeO + SiO2 → FeO × SiO2. В кислых печах плавку ведут на шихте из легированных отходов без окисления примесей (переплав). Процесс плавки базируется на следующих законах: Закон действующих масс: скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Закон распределения Нернста: если вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, например, металл и шлак, то распределение вещества между ними происходит до установления определенного соотношения – константы распределения, постоянного для данной температуры. Следовательно, изменяя состав шлака, можно направленно изменять распределение примесей в шлаке и металле. Периодически скачивая шлак, можно эффективно удалять примеси из жидкого металла. Принцип Ле Шателье: всякая система, находящаяся в состоянии равновесия, стремится сохранить это равновесие. При любом изменении извне факторов равновесия (температуры, давления, концентрации) внутри системы возникают процессы, противодействующие этому изменению. Следовательно, изменяя внешние факторы, в данном случае концентрацию компонентов и температуру, можно обеспечить развитие обратимых реакций в нужном направлении. Способы улучшения качества стали Вакуумная обработка (дегазация) стали в ковше. Разрежение до Р = 0,267 … 0,667 кПа способствует удалению почти всех растворённых в металле газов. Разливка в инертной атмосфере уменьшает окисляемость металла. 41

Выдержка и разливка под слоем специального основного шлака: 53 … 55 % СаО; 43 … 45 % Al2O3; < 3 % SiO2; < 1 % FeO. Она обеспечивает частичное удаление вредных примесей. 5.5. Новые способы производства (переплава) стали 1. Электрошлаковый переплав (рис. 5.4) производится под слоем высокоосновного токопроводящего флюса (на основе плавикового шпата СаF2), температура ванны до 2000 °С. Емкость печи до 110 т. Хорошо удаляются S (≈ в 2 раза), неметаллические включения, газы. Обеспечивается высокая плотность, однородность и мелкозернистость слитка. Ток переменный (от трансформатора). 2. Вакуумно-дуговой переплав (рис.5.5). Емкость специальных печей до 50 т. Обеспечивается наилучшая дегазация сплава. Существует также плазменно-дуговая плавка. Плазмотроны – t = 10000 ... 30000 °С за счет сжатия дуги инертным газом (низкотемпературная плазма). Газы: азот, водород, аргон, гелий, воздух и их смеси. Дугу зажигают с помощью осциллятора – источника высокочастотного переменного тока высокого напряжения – для зажигания дуги без короткого замыкания. Плазменная струя – независимый источник тепла, что позволяет изменять в широких пределах степень нагрева и глубину проплавления, тепловая мощность ограничена. Плазменная дуга имеет большую тепловую мощность. 3. Электронно-лучевой переплав в вакууме, t = 5000 ... 6000 °С, кинжальность 20:1. Электронная пушка: эмиссия электронов с нагретого катода, формируется пучок электронов, ускорение под действием U = 20... 150 кВ между катодом и анодом, фокусировка магнитными линзами и направление отклоняющей магнитной системой. 1

1

2 3

2 3 4 5 6

4 5 6 7 8

7 Рис. 5.4. Схема электрошлакового переплава: 1 – электрод, 2 – кристаллизатор, 3 – слой расплавленного шлака, 4 – капли электродного металла, 5 – металлическая ванна, 6 – слиток металла, 7 – поддон

Рис. 5.5. Схема вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом: 1 – вакуумная камера, 2 – скользящее вакуумное уплотнение, 3 – электродержатель, 4 – электрод, 5 – ванна жидкого металла, 6 – кристаллизатор, 7 – слиток металла, 8 – поддон

42

4. Лазерный переплав с помощью оптического квантового генератора t < 6000 °С. Диаметр пятна ≈ 0,01 мм. Лазерный луч – вынужденное монохроматическое излучение, λ = 0,1 … 1000 мкм. Твердотельные лазеры (рабочее тело – рубин, стекло с ниодимом и др.). Газовые лазеры – рабочее вещество СО2. Разливка стали на металлургических заводах производится в чугунные изложницы или кристаллизаторы, машины для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) – рис. 5.6. Слитки с квадратным поперечным сечением – для переделки на сортовой прокат, с прямоугольным сечением h / b = 1,5 ... 3,0 – для проката листа; круглые – для труб и колес. Масса слитков изменяется в широких пределах 0,2 ... 25 т. Для поковок могут использоваться поперечные сечения сложной формы (рис. 5.6, д), массой до 300 т и более. Слитки из легированной и высококачественной стали массой 0,5 ... 7 т. Углеродистую сталь разливают сверху, легированную и высококачественную – снизу через сифон. Кузнечные слитки заливаются обычно сверху. Верхняя часть слитка (зауженная на рис. 5.6, а, б, в) является прибылью. В ней образуется усадочная раковина и микрорыхлоты. Поэтому перед обработкой давлением она отрезается и направляется на повторную переплавку. 1

1

1

1

3

2

2

3

3 2

2

4

5

3 654

а

б

г

в

д

Рис. 5.6. Разливка стали: в изложницы: а, б – разливка сверху: 1 – сталеразливочный ковш, 2 – изложницы, 3 – промежуточное устройство; в – разливка сифоном: 1 – ковш, 2 – изложницы, 3 – центровой литник, 4 – каналы, 5 – сталь, 6 – поддон; непрерывная: г – схема литья: 1 – металлоприемник, 2 – графитовая насадка, 3 – кристаллизатор, 4 – заготовка, 5 – тянущее устройство; д – образцы отливок

В слитках, получаемых непрерывной разливкой нет прибыльной части. Они по всей длине имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, поэтому выход годного металла очень высок (96 ... 98 %).

43

ТЕМА 6. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ 6.1. Литье в оболочковые формы Схема технологического процесса представлена на рис. 6.1. Формовочной смесью являются кварцевый песок и термореактивные смолы (4 ... 7 % пульвербакелита или карбамида). Металлические модельные плиты, состоящие из половинки модели и основания, нагреваются до 200 ... 250 °С. На них насыпают формовочную смесь. При выдержке 10 ... 30 сек. образуется полутвердая оболочка толщиной 5...20 мм. Незатвердевшая смесь при повороте модельной плиты на 180° ссыпается в бункер. Окончательное твердение оболочки производят в печи при t = 300 ... 350 °С в течение 1 … 1,5 мин. Перед заливкой оболочки верхней и нижних полуформ соединяются и заформовываются в опоках с засыпкой их металлической дробью или кварцевым песком. Масса отливок – 0,25 ... 100 кг. Данный способ литья применяется в крупносерийном или массовом производстве, т. к. процесс легко поддаётся механизации и автоматизации. Метод обладает высокой производительностью, обеспечивает точность и качество поверхности существенно лучшие, чем при литье в ПГФ. Толщина стенки отливки 3…15 мм, снижение брака в 1,5 ... 2 раза по сравнению с литьём в ПГФ формы. Недостаток: высокая стоимость смоляных смесей. 3

4

5

8 1 7 6

а 5

9

2

в

б

Рис. 6.1. Схема изготовления оболочковой формы: а – формирование оболочки; б – съем оболочки; в – сборка формы; 1,2 – толкатели, 3 – модель отливки, 4 – песчано-смоляная смесь, 5 – оболочка, 6 – стержень, 7 – собранная форма, 8 – литниковая система, 9 – песок или металлическая дробь

6.2. Литье по выплавляемым моделям Сущность: литье в неразъемную керамическую оболочковую форму, которая получается из жидких формовочных смесей по точной неразъемной разовой выплавляемой модели из легкоплавких материалов (воск, стеарин и др.). Модели получают методом прессования с использованием пресс-форм, изготавливаемых для каждой отливки (рис. 6.2, а). Собирают с помощью пайки модели деталей и элементы литниковой системы (рис. 6.2, б, в). Макают модель 44

в суспензию, затем слой обсыпают сухим песком (рис. 6.2, г, д). Производят подсушку. Затем несколько раз повторяют нанесение слоёв. Окончательная сушка формы на воздухе 2 ... 2,5 часа. Суспензия для приготовления оболочки состоит из жидкого стекла или раствора этилсиликата, смешанных с пылевидными кварцем, магнезитом, шамотом. После сушки из оболочек выплавляют модели детали и литниковой системы (рис. 6.2, е). Выплавку производят паром или горячей водой. Для придания окончательной прочности прокаливают форму в печи при температуре 900 ... 950 °С (рис. 6.2, ж). Перед заливкой оболочки засыпают песком в опоке (контейнере) (рис. 6.2, з). Этот метод применяется в крупносерийном и массовом производстве. Технологический процесс механизирован и автоматизирован. Обеспечивается очень высокая точность и чистота поверхности. Этим способом можно получать очень сложные по форме отливки. Сложность формы отливки ограничивается только технологией изготовления легкоплавких моделей. Припуски на обработку – 0,2 ... 0,7 мм. Толщина стенки отливки – 1 ... 3 мм. Недостатки: значительная трудоемкость и сложность процесса. Заметим, что скульптуры получаются также этим методом, только модель изготавливается не в пресс-форме, а вручную.

1 2

а

б

6 7

4 5

3

в

г

д 11 12 13 14

8 9

15 16

10

е

ж

з

Рис. 6.2. Последовательность операций процесса литья по выплавляемым моделям: 1 – пресс-форма, 2 – модель, 3 – модельный блок, 4 – емкость, 5 – керамическая суспензия, 6 – опока, 7 – кварцевый песок, 8 – бак, 9 – горячая вода, 10 – нагреватель, 11 – электрическая печь, 12 – оболочка, 13 – жаростойкая опока, 14 – песок, 15 – ковш,16 – жидкий металл

6.3. Литье в кокиль (постоянные металлические формы) Наиболее часто для изготовления кокилей применяют чугуны СЧ20, СЧ25, ВЧ42-12. Используются также стали 10 и 20, 15ХМЛ. Литьё в кокили используется в основном для получения отливок из сплавов алюминия и магния. Для сплавов на основе железа литьё в кокиль используется редко, т. к. стойкость кокилей при заливке их сталью или чугуном очень мала. 45

Технологический процесс начинается с очистки кокиля, его нагрева до 150 ... 200 °С, смазки и покрытия внутренней поверхности кокиля огнеупорным составом 0,3 ... 0,8 мм в виде водной суспензии. При необходимости для получения внутренних поверхностей в кокиль устанавливают стержни, при этом производится его сборка и смыкание подвижных частей. Затем кокиль нагревается до рабочей температуры 150 ... 350 °С, производится заливка, выдержка, раскрытие, выбивка из отливок стержней (песчаных). Различают кокили с вертикальным и горизонтальным разъемом. Иногда кокили полностью или частично облицовывают огнеупорным материалом для повышения их стойкости и облегчения Достоинствами ремонта.метода являются высокая точность размеров и низкая шероховатость поверхностей отливок. Недостатки: высокая стоимость кокиля, низкая стойкость при получении отливок из чугуна и стали. Кроме того, вследствие большой теплоёмкости и теплопроводности кокиля, трудно получить тонкостенные детали. 2

5

3

6

р

7

р 1

4

а

р

р

8

б

р

рр

р

г

в р

р

р

д

Рис. 6.3. Последовательность операций изготовления отливки в кокиле: 1 – поддон, 2, 3 – две полуформы, 4 – металлический стержень, 5 – пульверизатор, 6 – песчаный стержень, 7 – расплав, 8 – отливка

6.4. Центробежное литье Заливка металла производится во вращающиеся формы. Различают литьё во вращающиеся формы с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Центробежный метод литья позволяет получать внутренние отверстия в отливках без применения стержней, т. к. металл под действием центробежных сил, которые должны превышать гравитационные, отбрасывается к наружным стенкам формы. При вращении формы с горизонтальной осью вращения отливают длинные отливки. Наиболее часто этот способ применяют для получения чугунных труб (D = 50 ... 1500 мм и длиной 4 ... 5 м). Частота вращения подбирается по диаметру трубы и изменяется в пределах 150 ... 1200 об/мин. Кроме того, центробежные силы приводят к удалению большого количества легких примесей (шлака, оксидов, газовых пузырей) на внутреннюю поверх46

ность отливки. Поэтому этот метод позволяет получать отливки с наружными поверхностями высокого качества. Его могут применять для литья заготовок, предназначенных для изготовления ответственных деталей, например зубчатых колёс, при этом применяют формы с вертикальной осью вращения. Достоинствами являются высокое качество, плотность металла, возможность получать двухслойные детали. Недостатком является низкое качество внутренней поверхности. 1

5

6

2

4

7

8

а 3

2

3

2

1 4

1

6

б

5

4

3

в

Рис. 6.4. Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем: а: 1 – электродвигатель, 2 – изложница, 3 – желоб, 4 – ковш, 5 – отливки, 6 – кожух, 7 – опорные ролики, 8 – оболочковый стержень для конца трубы; б: 1 – шпиндель, 2 – литейная форма, 3 – отливка, 4 – разливочный ковш; в: 1, 6 – половинки кокиля, 2 – стержень, 3 – стол машины, 4 – стержень, 5 – шпиндель центробежной машины

6.5. Литье под давлением Для получения высокоточных отливок, к поверхности которых предъявляются высокие требования, используется литьё под давлением (10 ... 40 МПа) в специальные пресс-формы. Они отличаются от обычных кокилей значительно большей прочностью и точностью изготовления. Полученные этим методом заготовки требуют очень малой механической обработки, т. к. он позволяет получать отверстия малого диаметра и даже довольно точную резьбу. Литьё под давлением широко применяется для мелких отливок из Mg и Zn, сплавов с массой менее 45 кг (корпуса и крышки карбюраторов, топливных насосов для автомобилей). Минимальная толщина стенки обеспечивается до 0,8 мм. Этот метод является основным для изготовления деталей из пластических масс. Заметим, что он применяется для изготовления легкоплавких моделей при литье по выплавляемым моделям. Недостатком является ограниченность по сплавам и высокая стоимость пресс-форм и машин для литья под давлением. РАЗДЕЛ III. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (ОМД) 47

ТЕМА 7. СУЩНОСТЬ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ. НАГРЕВ МЕТАЛЛА ПОД ОМД Различают холодную и горячую обработки давлением. В обоих случаях пластическая деформация совершается путем многочисленных сдвигов атомов по плоскостям скольжения, которые различным образом расположены в различно ориентированных зёрнах поликристаллического материала. 7.1. Холодная пластическая деформация По мере развития сдвигов при пластической деформации возрастает число дефектов кристаллической структуры – дислокаций, затрудняющих последующие сдвиги. Для дальнейшей деформации приходится прикладывать всё большие напряжения, т. к. металл упрочняется. При этом запас пластичности материала снижается. Это явление называется наклепом. При холодной пластической деформации поликристалла в результате образования упорядоченной дислокационной структуры зерна дробятся на блоки и вытягиваются в направлении течения металла. Имеющиеся примеси и газовые пузырьки приобретают вытянутую форму в направлении деформирования. Таким образом, образуется волокнистая микроструктура (рис. 7.1, а). Интенсивность упрочнения поликристаллов в 1,5 ... 2 раза выше, чем у монокристалла из-за взаимодействия зёрен с различной кристаллографической ориентировкой. Как правило, холодной пластической деформации хорошо поддаются сплавы, имеющие при комнатной температуре однофазную структуру, состоящую из твёрдого раствора, или имеющие небольшое количество твёрдых включений, являющихся химическими соединениями. Таким требованиям удовлетворяют малоуглеродистые стали с содержанием углерода менее 0,25 %, а также однофазные латуни и алюминиевые сплавы. При холодной пластической деформации без нагрева можно получить более точные размеры и лучшее качество поверхности вплоть до устранения обработки резанием, но пластичность ограничена, сопротивление металла деформации велико, требуются машины большой мощности. Этот вид ОМД применяется для небольших деталей. Широкое применение нашла холодная листовая штамповка корпусных деталей легковых автомобилей и кабин грузового автотранспорта. При обработке толстостенных деталей для обеспечения больших деформаций применяют промежуточные отжиги, которые восстанавливают пластичность. 7.2. Горячая пластическая деформация При нагреве холоднодеформированного металла до некоторых температур (для чистых металлов – выше 0,4 абсолютной температуры плавления) начинается процесс рекристаллизации. При этом в деформированной структуре возникают центры перекристаллизации и растут новые равновесные и равноосные зерна, а эффект упрочнения снимается. Такая термическая обработка называется рекристаллизационным отжигом. Чем выше температура нагрева, тем выше скорость 48

рекристаллизации (Vрекр). При деформации нагретого металла процессы упрочнения и разупрочнения (рекристаллизации) совмещаются. При t ≥ 0,7 Т плавления рекристаллизация успевает произойти во всем объеме тела, подверженного процессу деформации на прессе или между ударами молота, упрочнение при этом полностью снимается (рис. 7.1, б). Такая деформация называется горячей.

а

б

Рис. 7.1. Схемы изменения микроструктуры металла при деформации: а – холодной; б – горячей

Однако и при горячей деформации создаётся волокнистая микроструктура, т. к. шлаковые включения и газовые пузыри приобретают вытянутую форму в направлении деформации. Если волокнистость правильно использовать, то усталостную прочность металла, подвергнутого горячей обработке давлением, можно повысить на 20 ... 30 %, по сравнению с исходным состоянием. Этот эффект используется при накатке в горячем состоянии зубьев зубчатых колёс. Слитки, получаемые при выплавке стали, имеют крайне неоднородную структуру металла (рис. 1.5). В процессе горячей пластической деформации структура стали значительно улучшается: внутренние пустоты и рыхлоты завариваются, металл уплотняется, дендриты измельчаются, повышается пластичность. Приблизительно 80 % выплавляемой стали подвергается различным видам обработок давлением. При горячей деформации точность и качество поверхности ниже из-за температурной усадки, окалины и обезуглероживания. Но при высоких температурах сохраняется высокая пластичность и низкое сопротивление деформации. Поэтому для проведения обработки требуются машины меньшей мощности. Горячая обработка давлением применяется для крупных деталей, а также малопластичных и труднодеформируемых сплавов. Изменения микроструктуры стали при пластическом деформировании см. на рис. 7.1. При нагреве стали до ∼ 1200 °С ее сопротивление деформации снижается в ∼10 раз, а пластичность повышается в 3 ... 4 раза. Однако максимальная температура нагрева ограничена возможностью резкого ухудшения свойств стали вследствие перегрева и пережога. Перегрев – это чрезмерный рост зерен при нагреве, что приводит к ухудшению механических свойств металла. Заметим, что вредное влияние перегрева можно устранить термообработкой (нормализацией). 49

Пережог возникает в результате внутреннего окисления по границам зерен, что приводит к нарушениям связи между ними. Пережог является неисправимым браком. Минимально допускаемая температура деформации ограничена пластичностью металла. Температурный интервал ОМД для углеродистых сталей на диаграмме железо-углерод см. на рис. 7.2, а также в табл. 4.

Рис. 7.2. Интервалы температур нагрева при обработке давлением

Таблица 4 Температурный интервал ОМД Сплав и химический состав в %

Температура,°С начала деформации конца деформации

Сталь углеродистая: С ≤ 0,3 С = 0,3 ... 0,5 Сталь среднелегированная Алюминиевые сплавы Д1 (дюраль), Силумины АК2, АК4, АК5, АК6 Медные сплавы Бр. АЖ Мц 10-3-1,5; Бр. АЖН 10-4-4 Л 59 Титановый сплав ВТ 8

1200 ... 1150 1150 ... 1100 1150 ... 1100 470 ... 490

800 ... 850 800 ... 850 850 ... 875 350 ... 380

850

700

750 1100

600 900

При неравномерном нагреве возникают термические напряжения, которые могут привести к появлению в металле термических трещин. Поэтому допускаемая скорость нагрева (и охлаждения) определяется пластичностью и температуропроводностью сплава, а также величиной сечения изделия. Перепад температур по сечению не должен быть более 100 °С, поэтому крупные слитки нагревают довольно долго, например, слиток 40 т греют порядка 24 часов. Чем выше содержание углерода и процентное содержание легирующих добавок, тем, как правило, ниже пластичность и температуропроводность. При одинаковом химическом составе пластичность материалов, полученных литьём, существенно меньше, чем подвергнутых горячей обработке давлением. Начальный период нагрева до ≈ 750 °С наиболее ответственен, т. к. именно 50

он определяет целостность металла. Вероятность разрушения в этом периоде наиболее высока, т. к. пластичность металла низка. Поэтому продолжительность нагревания в этом периоде занимает около 2/3 времени нагрева. При более высоких температурах нагрев можно вести с большей скоростью. Нагрев производят в камерных термических печах. Нагрев в атмосферном воздухе сопровождается обезуглероживанием и окислением поверхностного слоя металла. Для снижения степени обезуглероживания и окалинообразования желательно вести нагрев с максимально допустимой скоростью либо в защитной атмосфере или в вакууме. Максимальная скорость нагрева, обеспечиваемая печью, зависит от тепловой мощности и температуры печи, коэффициента теплопередачи излучением и расположения заготовок на поду печи. При электронагреве время нагрева уменьшается в 8 ... 10 раз по сравнению с нагревом газовым пламенем, угар также уменьшается в 4 ... 5 раз (до 0,5 %). Расход электроэнергии ∼ 500 квт.час/кг. ТЕМА 8. ПОЛУЧЕНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ 8.1. Основные виды профилей Форму поперечного сечения проката называют профилем. Совокупность форм и размеров профилей, получаемых прокаткой, называют сортаментом. Сортамент разделяется на группы: сортовой прокат, листовой прокат, трубы и профили специального назначения. Сортовой прокат подразделяется на простой (круг, квадрат, шестигранник и др.) и фасонный (уголки, тавры, двутавры, рельсы и др.). 8.2. Прокатка Прокатка – это способ ОМД, при котором процесс деформации осуществляется сдавливанием его между вращающимися валками прокатного стана. Прокатке подвергается до 90 % стали, обрабатываемой давлением. Различают продольную, поперечную и поперечно-винтовую прокатки. Схемы прокатки изображены на рис. 8.1.

а

б

в

г

Рис. 8.1. Схемы прокатки: а и б – продольная; в – поперечная; г – поперечно-винтовая; 1 – валки, 2 – заготовка

Продольной прокатке подвергается до 80 % проката. В этом случае валки вращаются в противоположные стороны. Коэффициент вытяжки λ = Аn-1/Аn = 51

1,1 ... 2,0 за один проход, скорость прокатки до 50 м/сек. Валки бывают гладкими (при прокатке листа) или с фигурными вырезами для получения сортамента. Вырезы называют ручьями. Пара вырезов в верхнем и нижнем валках образует калибр. Пара валков обычно имеет несколько калибров. При поперечной прокатке валки вращаются в одном направлении, а заготовка вращается и перемещается в направлении оси валков и обжимается по образующей. При поперечно-винтовой прокатке валки расположены под углом друг к другу и вращаются в одном направлении, обеспечивая вращательное и поступательное движение заготовки. Прокатные станы по конструкции разделяются на одно- и многоклетьевые. Рабочие клети станов могут состоять из двух валков или быть многовалковыми. Прокатные станы классифицируются по назначению: • Обжимные, работают со слитками массой до 15 т или заготовками, полученными методом непрерывного литья. Производят слитки квадратного сечения – блюмы (от квадрата 150 до квадрата 450) или прямоугольного сечения – слябы (с максимальными размерами 350 × 2300 мм). • Заготовочные, на которых блюмы прокатывают на заготовки меньшего размера. • Сортовые, производят простые и фасонные профили из полученных заготовок. • Проволочные. • Калибровочные (холодная прокатка профилей для повышения точности). • Листопрокатные (горячая прокатка слябов и холодная прокатка листа до 0,15 и ленты до 0,015 мм). • Трубопрокатные (горячекатаные бесшовные диметром 25 ... 600 и сварные диаметром 10 ... 2500 при δ до 0,5 мм). • Рельсобалочные, на которых из блюмов изготавливают рельсы, двутавры и швеллера. • Специальные: производство гнутых профилей, периодического проката, фасонного (для обода колеса под завивку и сварку, башмаки трактора, накладки и подкладки для рельс). Отделочные операции после прокатки: резка, декапирование (отжиг или нормализация + травление 10 ... 25 % раствором H2SO4 в воде при t = 30...60 °С + нейтрализация, промывка и сушка), правка, удаление поверхностных дефектов, контроль качества, маркировка. Одним из перспективных направлений, совмещающих литьё и обработку давлением, является бесслитковая прокатка (непрерывное литье + прокатка). 8.3. Волочение Волочение – способ холодной ОМД, при котором обрабатываемый металл протягивается через калиброванное отверстие в волоке с целью уменьшения поперечного сечения заготовки (рис. 8.2). Скорость волочения V = 20...26 м/сек 52

для мелких профилей, V = 2...6 м/сек для крупных. Технологический процесс включает предварительный и промежуточный отжиг, травление, волочение, отделку поверхности. 2

1

а

б

Рис. 8.2. Схемы волочения: а – прутка; б – трубы; 1 – отверстие волоки, 2 – пруток

Волочильные станы в зависимости от характера тянущего устройства делят на барабанные и с прямолинейным движением проволоки. На барабанных станах проволока наматывается на вращающийся тянущий аппарат. Волочильные станы с прямолинейным движением (цепные, реечные, гидравлические) применяют для волочения прутков (∩ > 8 мм) и труб. Волоки (фильеры) изготавливают из инструментальной стали, металлокерамических (твердых) сплавов, для очень тонкой проволоки < 0,9 мм – из технического алмаза. Волочением получают проволоку диаметром 7 ... 0,002 мм (стальная, диаметром 1,0 … 1,6 имеет допуск 0,02 мм), трубы: от капиллярных до диаметра 200 мм, стальные прутки диаметром 8 … 150 мм, фасонные профили. 8.4. Прессование Прессование – способ получения изделий путём выдавливания металла, находящегося в специальном контейнере через одно или несколько отверстий с площадью меньшей, чем у исходной заготовки (рис. 8.3). Металл может быть холодным или предварительно нагревается до температуры горячей обработки. Различают два метода прессования: прямой и обратный. При прямом методе направления течения металла и плунжера совпадают, а при обратном не совпадают. Обратный метод требует меньшего усилия для прессования. Пресε сование производится в основном на гидропрессах. Степень деформации = А0 /А1 = 10 ... 50. Самые непластичные материалы при этом методе обработки можно очень сильно деформировать без разрушения в результате создания напряжённого состояния, когда появляющиеся микротрещины залечиваются под действием всестороннего неравномерного сжатия. Точность метода прессования выше, чем при прокатке. В основном обрабатывают цветные металлы, реже − стали. Метод позволяет получать сложные фасонные профили и трубы. Недостатки прессования: пресс-остаток до 40 % массы заготовки. Кроме того, требуются мощные и дорогостоящие машины, которые могут создавать 53

большие удельные давления. В этих условиях оснастка имеет пониженную стойкость. 1

2

1

3 456

а

2

34 5 6

б

1 2 34 5 6 7

I

II

III

в Рис. 8.3. Схемы различных методов прессования: а – прямого; б – обратного; в – совмещенного с прошивкой (I – начало прошивки; II – конец прошивки; III – прессование); а: 1 – пуансон, 2 – контейнер пресса, 3 – пресс-шайба, 4 – нагретая заготовка, 5 – матрица, 6 – матрицедержатель; б: 1 – полый пуансон, 2 – контейнер, 3 – матрица, 4 – заготовка, 5 – заглушка, 6 – матрицедержатель; в: 1 – пуансон, 2 – игла, 3 – контейнер, 4 – пресс-шайба, 5 – заготовка, 6 – матрица, 7 − матрицедержатель

ТЕМА 9. КУЗНЕЧНО-ПРЕССОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО 9.1. Исходные материалы Исходными материалами являются слитки, блюмы и слябы, сортовой и периодический прокат, трубы. Предварительно производится резка исходных материалов на заготовки различными способами. Для этого используется горячая рубка, которая производится свободной ковкой, резка на пилах (зубчатых и трения), на прессах и пресс-ножницах, в т. ч. с подогревом, ломка на хладноломах. 9.2. Кузнечно-прессовое оборудование К оборудованию для ковки и штамповки относят ковочные молоты, горизонтальные ковочные машины и гидравлические ковочные прессы. По принципу действия ковочные молоты подразделяются на приводные и паровоздушные. В паровоздушных подвижные части приводятся в движение паром или сжатым воздухом. Устройство такого молота показано на рис. 9.1. Давление в цилиндре ρ = 0,4 … 0,9 МПа, скорость перемещения бойка до 9 м/с. Ковочные молоты имеют массу падающей части (МПЧ) до 8 т. На них изготавливаются поковки массой 20 ... 350 кг. 54

Штамповочные молоты имеют МПЧ до 25 т., масса поковок до 500 кг. 2

1

12

3

11

4

10

5 9 7

6 8

Рис. 9.1. Схема паровоздушного молота арочного типа: 1 – рабочий цилиндр, 2 – поршень, 3 – шток, 4 – станина, 5 – баба, 6 – боек, 7 – наковальня, 8 – шабот, 9 – направляющие, 10, 12 – каналы, 11 – парораспределительное устройство

Кривошипные (механические) прессы общего назначения и специальные: кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП) усилием до 160 МН используют для изготовления поковок, массой до 150 ... 200 кг; горизонтальноковочные машины (ГКМ) усилием до 31,5 МН, Dпок. до 315 мм; прессы двойного действия обеспечивают усилие до 50 МН; чеканочные (коленно-рычажные) – до 40 МН. Стоимость КГШП в 3 ... 4 раза выше, чем эквивалентного по мощности молота. Скорость ползуна при рабочем ходе ≤ 5 м/с. Гидравлические прессы с насосным, аккумуляторным или мультипликаторным приводом, вертикальные и горизонтальные, ковочные до 100 МН и штамповочные до 750 МН. Давление рабочей жидкости в цилиндре 20 ... 30 МПа. Скорость ползуна ≤ 0,3 м/с, масса поковок до 300 т. В массовом производстве широко используются кузнечно-штамповочные автоматы для холодной и горячей объемной высадки и специальные машины: ковочные вальцы, станы для раскатки колец и накатки зубьев, радиальноковочные, гибочные, электровысадочные и пр. Для механизации тяжелых операций используется специальное оборудование: ковочные краны и манипуляторы. 9.3. Свободная ковка ручная и машинная Свободная ковка – это обработка давлением с помощью универсального подкладочного инструмента или бойков, при этом движение металла в сторону не ограничивается. Этот вид обработки применяют при ремонте техники и в мелкосерийном производстве. Ковка бывает ручной и машинной. При ручной ковке изготавливают малые детали, а при машинной максимальный вес детали зависит от используемых механизмов. 55

Основные операции свободной ковки показаны на рис. 9.2. Это осадка (высадка), протяжка, разгонка, гибка, прошивка (пробивка), раскатка, протяжка на оправке, передача, закручивание, рубка, кузнечная сварка, штамповка в подкладных штампах. 1

1

1

1

4

3

4 2 2

3

а

3

2

б

1

2

1

в

г

3 2

д

1

е

1

2

1

ж

з 2

2

3 3

и

3

4

2

к

1

л

м

Рис. 9.2. Схемы основных операций свободной ковки: а – осадка; б – высадка; в – прошивка; г – гибка; д – протяжка; е – обжим; ж – разгонка; з, и – протяжка на оправке; к – рубка; л – скручивание; м – передача; а: 1, 2 – бойки, 3 – заготовка; б: 1, 2 – бойки, 3 – подкладочные кольцевые плиты, 4 – поковка; в: 1, 2 – бойки, 3 – прошивень, 4 – поковка; г: 1 – заготовка, 2 – подкладочные опоры; е: 1, 2 – вырезные бойки (обжимки); з: 1, 2 – бойки, 3 – оправка; и: 1 – боек, 2 – оправка, 3 – заготовка; к: 1 – топор, 2 – боёк, 3 – заготовка; л: 1 – боёк, 3 – ключ, 4 – заготовка; м: 1 – заготовка

При обработке применяют основной, подкладной, вспомогательный и мерительный инструменты. 56

При ковке могут использоваться заготовки из слитка (рис. 9.3). В этом случае основные потери материала связаны с отрезкой прибыльной части слитка, в которой при кристаллизации формируется усадочная раковина (14 ... 30 % от массы слитка). Кроме того, удаляется донная часть (4 ... 7 %). Потери металла происходят также при нагреве (угар 2 ... 3 % и 1,5 % при каждом подогреве перед последующей операцией).

в г

а

б

д

Рис. 9.3. Последовательность операций ковки полого цилиндра из слитка: а – отрубка донной и прибыльной частей; б – осадка, прошивка и раскатка на оправке; в – посадка на оправку и протяжку; г – посадка на оправку и протяжка средней части; д – заковка конца

9.4. Объемная холодная и горячая штамповка Штамповка это обработка металлов давлением в специальном инструменте − штампе. Штампы состоят из двух частей (верхней и нижней). Обычно нижнюю часть называют матрицей, а верхнюю пуансоном. Штампы могут быть открытыми или закрытыми и штампами для выдавливания (рис. 9.4). В открытых штампах излишек металла выдавливается в облойные канавки, образуя заусенец. В закрытых штампах этого не происходит, поэтому заготовка должна точно соответствовать по объёму получаемой поковке. При штамповке в закрытых штампах поковка получается точнее, чем в открытых, меньше расход металла, но требуются машины с большим усилием. Кроме того, закрытые штампы значительно быстрее изнашиваются за счёт больших давлений, возникающих в них. Если конфигурация заготовки имеет сложную форму, то штампы обычно имеют несколько ручьёв, т. е. углублений, которые соответствуют определённому этапу изменения формы заготовки. Использование штамповки даёт возможность получать заготовки или детали со сложным профилем. Вследствие высокой себестоимости штампов штамповка применяется только в серийном и массовом производстве. При штамповке применяется также и выдавливание (рис. 9.4 в), которое по схеме деформирования близко к прессованию. 1

57 а

б

в

Рис. 9.4. Схемы штамповки в открытых (а) и закрытых штампах (б, в);

Схема технологического процесса горячей объемной штамповки включает операции: резка заготовок, их нагрев, штамповка, обрезка и пробивка облоя, термообработка, очистка от окалины, калибровка холодная и правка, устранение дефектов, приемочный контроль качества. Различают несколько видов холодного выдавливания: прямое, обратное, боковое, комбинированное (рис. 9.5). При холодном выдавливании может достигаться очень большая деформация. Отношение площадей поперечного сечения до и после деформации А0 / А1 может доходить до ста. Этот вид прессования применяется для мягких пластичных материалов. Широко используется также высадка на холодновысадочных автоматах: Dзаг.= 0,5 ... 40 мм., производительность 20 ... 40 шт/мин, коэффициент выхода годного 0,95. Достоинства холодной объемной и листовой штамповки: • высокая производительность (до 40 тыс. штук в смену); • высокая точность и чистота поверхности; • возможность широкой автоматизации подачи заготовок и удаления деталей; • лучшие условия труда, чем при горячей.

1 2

а

б

в

г

Рис. 9.5. Схемы холодного выдавливания: а – прямое; б – обратное; в – боковое; г – комбинированное; 1 – пуансон, 2 – матрица

9.5. Листовая штамповка Листовая штамповка – получение деталей из листовой заготовки резанием в штампах или превращение плоской заготовки в пространственную деталь без значительного изменения толщины стенки. Применяются в основном малоуглеродистые стали, а также сплавы меди и алюминия, свинца и олова в виде листов, лент, полос и штучных заготовок (δ ≤ 10 мм). Листовая штамповка делится на холодную, тонко- и толстолистовую (δ > 4), и горячую штамповки при δ > 8 ... 10 мм. Операции листовой штамповки делятся на: 58

o разделительные: отрезка, вырубка, пробивка, зачистка; o формоизменяющие: гибка, вытяжка, отбортовка, формовка и др. (рис. 9.6).

3

а

б

в г д Рис. 9.6. Формообразующие листовой штамповки: Отрезка – отделение одной части отоперации другой по незамкнутому контуру.

а – гибка; б – вытяжка; в – отбортовка; г – обжим; д – рельефная формовка; а: 1 – пуансон, 2 – матрица, 3 – заготовка; б: 1 – пуансон, 2 – прижим, 3 – заготовка, 4 – матрица

Резка производится на ножницах с параллельными ножами, гильотинных и дисковых (роликовых). Вырубка (детали) и пробивка (отверстия в детали) – отделение одной части от другой по замкнутому контуру. Зазор между матрицей и пуансоном 5 ... 10 % от толщины материала δ, при пробивке – за счет матрицы, при вырубке – за счет пуансона. Зазор выбирается так, чтобы скалывающие трещины, возникающие у лезвий пуансона и матрицы, сходились. Гибка – изменение положения частей заготовки в пространстве путем плоского деформирования. Растяжение волокон при вершине угла может привести к их разрыву (трещине), поэтому гибка ограничивается минимальным радиусом Rmin = δ×⋅К, где К = 0,1 ... 2,0 – определяется по таблицам в зависимости от материала и направления проката. Ребро гибки должно быть перпендикулярно направлению проката. Вытяжка – получение из плоской листовой заготовки полого изделия или из полой заготовки пространственной детали нужной формы и размеров. Возможно образование гофр, если Dзаг. – d > (18 ... 20) δ, где δ – относительное удлинение. Удельное давление прижима от 1 до 4 Па. Вытяжка может производиться с утонением стенки и без утонения. Растягивающие усилия наибольшего значения достигают в месте перехода дна в стенку. Операция ведется со смазкой. При многократной вытяжке вследствие наклепа могут возникнуть трещины, поэтому делают межоперационный отжиг при t = 920 ... 950°. Затем произ59

водят травление в растворе смеси HСl и H2SO4 при t = 60 °С, потом промывку и нейтрализацию щелочью. Формовка – изменение формы изделий при сохранении наружного контура за счет утонения деформируемой части изделия. Отбортовка – получение горловин и бортов вокруг предварительно пробитого отверстия. Штампы для листовой штамповки делят на простые (для выполнения одной операции на прессах простого или двойного действия) и комбинированные (для нескольких операций последовательного или совмещенного действия). Зачистка – оформление кромок изделия. 9.6. Ротационные способы изготовления поковок Ротационные способы изготовления поковок: вальцовка, ротационная ковка, поперечно-клиновая прокатка с возвратно-поступательным или вращательным движением инструмента, раскатка кольцевых заготовок, сферодвижная штамповка, накатка наружной резьбы, накатка зубчатых колес D до 350 мм и модулем до 10 мм. В результате накатки происходит упрочнение поверхности, поэтому износостойкость и усталостная прочность повышаются на 20 ... 30 %.

РАЗДЕЛ IV. СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Общие понятия о сварке плавлением и давлением 60

Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений из различных материалов за счет образования межатомных связей между поверхностями соединяемых заготовок путем совместной кристаллизации предварительно расплавленных кромок заготовок (сварка плавлением) либо совместного пластического деформирования соединяемых заготовок (сварка давлением). Поверхности твердых тел имеют повышенный уровень энергии. Однако их соединению простым сближением препятствуют два обстоятельства: поверхности имеют микронеровности (контакт наступает в отдельных точках) и они не имеют свободных связей, т. к. покрыты оксидами, пленками газов и жидкостей (адсорбция). Процесс формирования сварного стального шва при автоматической сварке плавлением показан на рис. 10.1. Получаемый сварной шов должен быть равнопрочным с основным металлом, т. е. не должен иметь внутренних и внешних дефектов (трещин, пустот, газовых пузырей, частиц оксидов, непровара и т. д.), а разнородность химсостава, структур и свойств основного и наплавляемого металлов должна быть минимальной. При сварке давлением различия в химсоставе практически отсутствуют, а в структуре и механических свойствах минимальны. Сварка давлением возможна лишь для достаточно пластичных материалов. Для повышения пластичности материала места соединения подогревают. Соответственно различают сварку термическую, механическую и термомеханическую.

Рис. 10.1. Схема автоматической сварки под флюсом: 1 – токопровод, 2 – механизм подачи проволоки, 3 – электрод, 4 – шлаковая ванна, 5 – флюс, 6 – шлаковая корка, 7 – сварной шов, 8 – основной металл, 9 – сварочная ванна, 10 – сварочная дуга

ТЕМА 10. СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ (ТЕРМИЧЕСКАЯ) 10.1. Электрическая дуговая сварка При дуговой сварке источником тепла является электрическая дуга – одна из форм электрического разряда в ионизированном газе. Для зажигания дуги необходимо (рис. 10.2) произвести короткое замыкание, что обеспечивает разогрев зоны контакта и возникновение термоэлектронной эмиссии с катода под действием электрического поля после отвода электрода. Если подаваемое напряжение обеспечит ионизацию молекул газа, находящегося между электродом 61

и изделием, возникнет дуга, после разогрева столба дуги можно достичь стабильного горения дуги. 1 1 2

а

3 4

1 5 6 72

2

б

в

Рис. 10.2. Схема процесса зажигания дуги при сварке с прямой полярностью: а – короткое замыкание; б – термоэлектронная эмиссия; в – устойчивый разряд; 1 – электрод (катод), 2 – заготовка (анод), 3 – электроны, 4 – ионизированный газ, 5, 7 – расплав, 6 – устойчивый дуговой разряд

Различают сварку плавящимся и неплавящимся электродами. Сварку неплавящимся электродом (метод Бенардоса) чаще всего применяют для цветных металлов и наплавки особых порошков на поверхность с целью придания ей особых свойств. Используют вольфрамовые или графитовые электроды. Сварку ведут на постоянном токе прямой либо обратной полярности (рис. 10.3, а). Для толстых изделий используют присадочную проволоку. Разновидностью является сварка косвенной дугой, когда дуга горит между двумя электродами.

а

б

Рис. 10.3. Схемы электродуговой сварки: а – по методу Н. Н. Бенардоса; б – по методу Н. Г. Славянова; 1 – электрод, 2 – электрическая дуга, 3 – основной металл, 4 – сварочная проволока

Сварка плавящимся электродом (метод Славянова) производится главным образом на переменном токе. При высоких требованиях к качеству шва используют постоянный ток (рис. 10.3, б). Разновидностью является сварка трехфазной дугой, когда к двум электродам и свариваемому материалу подводятся фазы переменного тока. Сравнительная характеристика способов сварки При сварке на постоянном токе выше устойчивость дуги, что обеспечивает стабильность процесса и лучшее качество сварного шва, чем на переменном токе. Поэтому сварка на постоянном токе имеет более широкие технологические возможности, но требует более сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, для этого вида сварки ниже КПД (0,3 ... 0,6 против 0,8 ... 0,85 для переменного тока). 62

При сварке на постоянном токе прямой полярности максимум тепла выделяется на детали – аноде, минимум – на электроде-катоде, при обратной полярности – наоборот. Соответственно КПД прямой полярности выше, можно варить тугоплавкие материалы. При обратной полярности возрастает напряжение, снижается устойчивость дуги и стойкость вольфрамового электрода, но удаляются оксиды с деталей (катодное распыление), можно использовать тугоплавкую сварочную проволоку. Этот метод применяют при сварке тонкого листового материала. Применение плавящегося электрода повышает устойчивость дуги за счет ионизации паров расплавленного металла электрода, что особенно важно для сварки на постоянном токе обратной полярности и на переменном токе, упрощается заполнение шва металлом, но качество шва несколько снижается. При сварке на переменном токе проще и дешевле оборудование, выше КПД, но ниже устойчивость дуги, особенно неплавящимся электродом, т. к. полярность тока меняется в каждом полупериоде. Температуры детали и электрода примерно одинаковы, качество шва хорошее, потому что в полупериоде обратной полярности удаляются оксиды с деталей, но в этот момент при работе неплавящимся электродом требуется применение специальных устройств для стабилизации дуги. Сварка на переменном токе плавящимся электродом применяется наиболее широко, т. к. является самой экономичной и обеспечивающей для хорошо сваривающихся металлов необходимое качества сварного соединения. Ручная сварка покрытыми электродами (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом: 1 – основной металл, 2 – шлаковая корка, 3 – сварной шов, 4 – жидкая шлаковая ванна, 5 – защитная газовая атмосфера, 6 – покрытие электрода, 7 – электрод, 8 – дуга, 9 – сварочная ванна

В маркировке указывается тип электродов, начинающийся с буквы Э, затем следуют цифры, которые указывают минимальный гарантированный предел прочности в кГ/мм2 . Например, Э42 (σВ ≈ 420 МПа), Э50 (σВ = 500 МПа). В состав материала толстых покрытий (0,5 ... 3 мм) входят следующие компоненты: 63

• стабилизирующие горение дуги в результате распада на ионы (СаСО3 – мел, мрамор; К2СО3 – поташ); • газообразующие, т. е. образующие защитную (восстановительную) атмосферу в результате образования CO (древесная мука, крахмал и др.); • шлакообразующие (мел СаСО3, полевой шпат SiO2); • раскисляющие, которые являются более химически активными по сравнению с железом (ферросплавы); • легирующие, обеспечивающие особые свойства шва (ферросплавы); • связующие, обеспечивающие прочность покрытия (жидкое стекло, крахмал, декстрин). Для обеспечения высокого качества шва и высокой производительности необходимо выдерживать при сварке оптимальную величину сварочного тока. Он рассчитывается по формуле Iсв. = К × dэ (ампер), где dэ – диаметр сварочной проволоки, мм. При сварке в нижнем положении коэффициент К = 40 ... 60 для стержня электрода из низкоуглеродистой стали, К = 35 ... 40 для стержня электрода из высокоуглеродистой стали. Для вертикальных швов сварочный ток Iсв. уменьшают на 10 ... 15 %, для потолочных – на 15 ... 20 %. Интервал изменения Iсв = 150 ... 400 А, напряжение U = 16 ... 30 В. Диаметр электрода dэ выбирают равным толщине металла δ при стыковой сварке и катету К шва при угловой сварке, но не более 6 мм. По расположению шва при сварке швы разделяются на нижние, горизонтальные, наклонные, вертикальные, потолочные (рис. 10.5).

а

б

в

г

Рис. 10.5. Возможные пространственные положения при ручной сварке: а – нижнее; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное

По положению к действующему усилию швы разделяются на фронтальные (лобовые), фланговые, косые. В зависимости от расположения соединяемых деталей различают сварные соединения внахлестку, угловые, тавровые, стыковые (табл. 5). Для пластин с толщиной δ < 10 мм сварной шов выполняется однослойным, при δ > 10 мм – многослойным, т. е. заполнение сварных швов большой толщины производится за несколько проходов электрода. Чтобы обеспечить качество шва на всю толщину свариваемых изделий, производится разделка кромок свариваемых поверхностей. При сварке пластин толщиной δ менее 6 мм разделка кромок не производится, при δ > 6 мм выполняется разделка под углом в 30°. 64

Ручная сварка применяется для коротких швов, криволинейных, любых пространственных, в труднодоступных местах при монтаже и сборке сложных конструкций. Ток и производительность наплавки ограничены, так как при большом токе стержень электрода нагревается и покрытие отслаивается. Плотность тока находится в пределах 10 ... 20 А/мм2. Сварочные источники тока должны обеспечивать устойчивую дугу при относительно невысоком напряжении, постоянство тока при изменении длины дуги, простое регулирование тока. Кроме того, они должны выдерживать ток короткого замыкания, который всегда возникает при зажигании дуги. Для сварки переменным током применяются сварочные трансформаторы, а для постоянного тока – генераторы и выпрямители. Сварка под слоем флюса. Автоматическую и полуавтоматическую сварку производят не отдельными электродами с покрытием, а сварочной проволокой, которая хранится в мотках и поэтому не имеет покрытия. Роль покрытия в этом случае играет флюс, который подаётся из бункера в зону сварки (рис. 10.1). Плотность тока в этом случае значительно больше, чем при ручной сварке, 50 … 200 А/мм2. Применяют флюсы гранулированные, содержащие MnO + SiO2 + CaF2. Этот вид сварки обеспечивает повышение производительности в 5 ... 25 раз по сравнению с ручной электродуговой сваркой за счет больших токов до 2000 А и непрерывности процесса. Большие токи позволяют сваривать пластины толщиной до 20 мм без разделки кромок за один проход. При разделке кромок и многослойной сварке толщина свариваемых листов до 100 мм. Этот процесс обеспечивает снижение расхода электродов примерно в 2 раза, по сравнению с ручной сваркой, образуется меньше вредных выделений. При этом обеспечивается повышенное качество сварного шва (более однородный по химическому составу и размерам). Автоматическая сварка под флюсом применяется в серийном и массовом производстве для сварки в нижнем положении прямолинейных и кольцевых швов. Для ответственных изделий и сварке сильно окисляющихся металлов применяется дуговая сварка в защитных газах. В качестве защитных газов используют инертные: аргон (Ar), гелий (Не) – а также нейтральные: азот N2, СО2. Аргоно-дуговая сварка. Ar хранится и транспортируется в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Толщина свариваемого металла 0,8 ... 6 мм, Imin = 10 А. Аргоно-дуговая сварка применяется для цветных металлов и тугоплавких (Ti, Nb, V, Zr) сплавов, легированных и высоколегированных сталей, где требуется повышенное качество шва. За счет высокой плотности тока (I = 100 А/мм2) обеспечивается струйный перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну вместо крупнокапельного.

Таблица 5 Типы сварных соединений, применяемых при основных способах сварки плавлением и давлением 65

Сварка в углекислом газе СО2 выполняется только плавящимся проволочным электродом на постоянном токе повышенной плотности и обратной полярности. Газ СО2 хранится в баллонах, р = 7 МПа. При высоких температурах СО2 диссоциирует на СО и О. Для нейтрализации О в проволоку дают повышенное количество раскислителей – Mn и Si. Диаметр электрода dэл. = 0,2 ... 2 мм. Плотность тока 80 ... 100 А/мм2. Это самый доступный и дешевый способ сварки в защитной атмосфере. Для повышения качества шва вместо проволоки иногда используют порошковую проволоку, которая имеет вид трубки, заполненной материалами, аналогичными покрытиям. Заметим, что сварка порошковой проволокой даже без использования защитной атмосферы в ряде случаев вытесняет автоматическую и полуавтоматическую сварку под слоем флюса. 10.2 Плазменная сварка 66

Плазменная сварка производится потоком плазмы, представляющим из себя струю ионизированных газов с температурой 10000…20000 °С. Плазма образуется в результате пропускания потока газа (аргона, азота, водорода, гелия, воздуха или их смесей) через горелку. Один поток газа, проходящий около вольфрамового электрода, ионизируется и превращается в плазму, другой, подаваемый в мундштук горелки, минуя электрод, служит для защиты металла от окисления. Плазменная струя применяется для сварки и резки тонких металлических листов и непроводящих электричество материалов, а также для напыления тугоплавких материалов. Наиболее эффективно применять для наплавки тугоплавких металлов и резания плазменную дугу для тех металлов, резка которых другими методами затруднена из-за высокой теплопроводности (Cu, Al). 10.3 Особые виды электросварки Электрошлаковая сварка заключается в том, что расплавление электродной проволоки и свариваемого металла производится за счёт теплоты расплавленного флюса, который нагревается при прохождении через него тока (рис. 10.6). Такой вид сварки является бездуговым. Поэтому, по сравнению со сваркой под флюсом, имеет следующие преимущества: лучше макроструктура шва, меньше затраты, выше производительность за счет выполнения шва за один проход при любой δ и увеличения сварочного тока в 1,5 ... 2 раза. Шов при этом способе сварки размещается вертикально. Недостатки: крупное зерно в шве и около него вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Поэтому после сварки нужна термическая обработка (отжиг или нормализация). Применяется для изготовления ковано-сварных и литосварных крупных конструкций (станин, шаботов, штамповых кубиков и т. п.), позволяет сваривать пластины очень большой толщины δ = 50 ... 2000 мм . Сварка электронным лучом в вакууме. Высокая концентрация тепла позволяет испарять алмаз, рубин, стекло. Деформации минимальны. Применяется для деталей из тугоплавких химически активных сплавов (W, Ta, Nb, Zr, Mo). δmin = 0,02 мм, δmax = 200 мм. Нашла наибольшее применение в электронике и приборостроении. Лазерная сварка. Металл в зоне луча испаряется. Большие скорости сварки, до 500 м/час, не нужен вакуум. Используется для прошивки отверстий и резки.

67

10. 4. Газовая сварка Газовой сваркой называют сварку плавлением, при которой соединяемые части нагревают пламенем газов, сжигаемых при выходе из горелки (рис. 10.7). Газовое пламя образуется при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Могут использоваться следующие горючие газы: ацетилен, водород, природные газы, пары бензина и керосина, пропан. Ацетилен взрывоопасен при р > 0,175 МПа, хранится и транспортируется в стальных баллонах белого цвета с красной надписью “Ацетилен”. Баллоны заполнены активированным углем, пропитанным ацетоном р = 1,5 ... 1,6 МПа. Ацетилен в баллонах находится растворённым в ацетоне и потому не является взрывоопасным. Основным источником получения ацетилена является карбид кальция, который получают в электропечах спеканием кокса с негашеной известью при 1900 … 2300 °С. СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са (ОН)2 + Q.

Рис. 10.7. Схема газовой сварки: 1 – заготовка, 2 – присадочный материал (проволока), 3 – газовая горелка, 4 − пламя

Окислителем является кислород, который хранится в баллонах голубого цвета с черной надписью «Кислород». Начальное давление кислорода р = 15 МПа. Наиболее часто как для кислорода, так и для ацетилена применяются баллоны объёмом 40 дм3. 68

Для заполнения шва используется присадочная проволока диаметром 1 ... 6 мм. Выбирают диаметр присадочной проволоки с учётом толщины δ свариваемого металла: d = 0,5 δ + 1 мм для левой сварки, d = 0,5 δ + 2 мм для правой. Для сварки чугуна используют литые чугунные стержни, для износостойких покрытий – литые стержни из твердых сплавов. Для углеродистых сталей флюсы для защиты металла от окисления не применяют, т. к. та зона газового пламени, в которой производится сварка, хорошо защищает металл от окисления. Для сварки цветных сплавов и легированных сталей используют флюсы для защиты и легирования, растворения оксидов и образования легко всплывающих шлаков. Строение сварочного ацетилено-кислородного пламени показано на рис. 10.8: • зона 1 длиной 5 ... 20 мм – ядро пламени, в ней происходит нагрев газовой смеси; • зона 2 длиной ∼ 20 мм – восстановительная, в ней происходит частичное окисление ацетилена и имеющийся в этой зоне угарный газ CO может восстанавливать оксиды; • зона 3 – окислительная, в ней присутствует кислород воздуха и происходит догорание CO и водорода. 1 стадия горения идет за счет кислорода из баллона, 2 стадия – за счет кислорода воздуха. 3

1

2

Рис. 10.8. Строение сварочного ацетилено-кислородного пламени: 1 – ядро пламени, 2 – рабочая зона, 3 – факел пламени

При зажигании пламени горелки сначала подается кислород, затем ацетилен. С2Н2 + О2 → 2СО + Н2 + (3/2) О2 = 2СО2 + Н2О. Схема газосварочной горелки приведена на рис.10.9. Мощность пламени горелки подсчитывают по формуле W = А × δ, л/час, где δ – толщина стенки, мм. Коэффициент А: для стали 100 … 150, для чугуна 80 … 100, для меди 200 … 250, для алюминия 75 … 100. В зависимости от мощности пламени W подбирают наконечник сварочной горелки. 1

2

3

4

5

69 Рис. 10.9. Схема газосварочной горелки: 1 – мундштук, 2 – наконечник, 3 – камера смешения,

Соотношение кислорода и ацетилена регулируется сварщиком по цвету пламени. Нормальное пламя имеет светлое ядро и несколько более тёмные восстановительную зону и факел. Оно имеет преимущественно восстановительные свойства и используется для сварки сталей, при этом соотношение О2/С2Н2 ≈ 1,1. Окислительное пламя имеет укороченное заострённое ядро с менее резкими очертаниями и бледным цветом. Используется только для латуни, соотношение О2/С2Н2 > 1,2...1,3. Науглероживающее пламя используется для сварки чугуна и цветных металлов, соотношение О2/С2Н2 < 0,9…1,0. Оно компенсирует выгорание углерода и восстанавливает оксиды цветных металлов. На конце ядра появляется зелёный венчик. Для сварки с помощью газовых генераторов, на выходе из которых ацетилен имеет низкое давление, применяют инжекторные горелки. Принцип инжекции позволяет смешивать в горелке кислород с давлением 0,3…0,4 МПа и ацетилен с давлением 0,001…0,02 МПа. Применяются инжекторные сварочные горелки ГС-2, ГС-3, ГС-4. Чем больше номер, тем больше мощность сварочного пламени. При использовании ацетилена в баллонах используются безынжекторные газовые горелки ГЗУ и ГЗМ. Газовая сварка применяется для металлов малой толщины (0,2 ... 3мм); легкоплавких сплавов; для сплавов, требующих плавного нагрева и охлаждения. Такими сплавами являются чугун, латунь, инструментальные стали. Кроме того эта сварка используется для пайки и наплавки, для заварки дефектов чугунных и бронзовых отливок. Газовая резка основана на свойстве металлов сгорать в струе кислорода. При кислородной резке чёрных металлов происходит их окисление по реакции: 3Fe + 2O2 = Fe3O4 + Q. Чтобы начался процесс окисления, металл необходимо предварительно нагреть газовым пламенем до температуры воспламенения. После этого подаётся струя кислорода. Для осуществления резки используются газовые резаки. Основное отличие резака от горелки заключается в наличии у первого дополнительного канала для подачи режущего кислорода. На рис. 10.10 показан мундштук резака. Видно, что струя подогревающей смеси газов направляется по кольцевому зазору мундштука, а режущий кислород – по отверстию, расположенному в середине.

1

70

2

3

4 5

Металлы поддаются резке при следующих условиях: • Температура воспламенения в кислороде больше температуры плавления. • Температура плавления оксидов меньше температуры плавления металлов. • Разрезаемый сплав имеет достаточно низкую теплопроводность, что позволяет нагреть небольшой участок массивной заготовки до температуры воспламенения. • Консистенция оксидов жидкая, в противном случае они препятствуют проникновению режущего кислорода. • Тепла от сгорания металла достаточно для поддержания процесса. Хорошо режутся стали с содержанием углерода С ≤ 0,7 %. Они легко режутся газовой резкой при толщине 5 … 300 мм и более (до 1500 мм при использовании спецрезаков). Чугун плавится при температуре меньшей, чем температура воспламенения, поэтому режется плохо. Это же относится и к цветным металам, которые к тому же имеют высокую теплопроводность. Их режут кислородно-флюсовой и плазменной резкой. Резка плазменной струей обеспечивает ширину реза b = 1 ... 2 мм. Плазменной струей режут керамику, высоколегированные стали, медные и алюминиевые сплавы. Для токопроводящих материалов используют плазменную дугу (δ до 120 мм). Резка бывает ручная и механическая (в т. ч. автоматическая с программным управлением). ТЕМА 11. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ И МЕХАНИЧЕСКАЯ СВАРКА Сущность сварки давлением заключается в сближении чистых поверхностей на расстояние (2 ... 4) × 10-7 мм, при котором начинают действовать межатомные силы сцепления и образуются металлические связи за счет общих электронов. Предварительно следует удалить загрязняющие пленки оксидов, адсорбированных молекул воды и масляных пленок (жировых веществ), толщина которых может быть 100 ... 200 молекул. Для высокопрочных материалов применяют подогрев. Контактная (термомеханическая) сварка осуществляется в результате нагрева соединяемых стыков под действием электрического тока до t горячей деформации или до плавления при одновременном сдавливании, обеспечивающем пластическое деформирование. Различают точечную, стыковую и рельефную контактную сварку. 71

При стыковой сварке соединение свариваемых деталей происходит по поверхности стыкуемых торцов (рис. 11.1). Стык имеет самое высокое сопротивление, т. к. контакт обеспечивается не по всей поверхности, кроме того имеются пленки оксидов и др. загрязнения на торцах. Выделяющаяся теплота зависит от тока сопротивления стыка и времени пропускания тока. Закон Джоуля-Ленца для постоянного тока и сопротивления: Q = I2Rt. По характеру процесса образования соединения стыковая сварка может быть сваркой сопротивлением или оплавлением. При сварке сопротивлением нагрев происходит без расплавления торцов, поэтому требуется их тщательная обработка. Таким способом варят низкоуглеродистые, низколегированные стали и алюминиевые сплавы. При этом образуется сварное соединение без расплавления в твёрдом состоянии за счёт пластической деформации. При стыковой сварке оплавлением не нужно обрабатывать торцы, оксиды и загрязнения выжимаются давлением наружу, можно варить разные материалы с различными сечениями, но при этом изменяются химсостав и структура в месте соединения. Точечная сварка производится по ограниченным участкам касания, называемым точками (рис. 11.2) Производится при расположении соединяемых деталей внахлест. Для производства сварки детали плотно прижимаются между электродами сварочной машины, а затем разогреваются кратковременным импульсом электрического тока. Импульс должен обеспечивать нагрев до пластического состояния внешних и до плавления внутренних слоев. В результате получается литая сварная точка. Различают точечную одно- и двухстороннюю сварку. Для стали и алюминиевых сплавов толщина соединяемых деталей δ = 0,5 ... 5 мм. Возможна сварка точек по программе. Производительность в массовом производстве до 1000 точек в минуту.

а Рис. 11.1. Схема контактной сварки: 1 – свариваемые элементы, 2, 4 – зажимные устройства, 3 – первичная обмотка сварочного трансформатора, 5 – стыковое соединение

б

Рис. 11.2. Схемы одно-(а) и двусторонней (б) точечной сварки: 1 – соединяемые элементы, 2 – медные электроды, 3 – зона плавления металла, 4 – источник питания, 5 – уплотняющий поясок, 6 – шунтирующая медная подкладка

Шовная контактная сварка производится контактами, имеющими вид роликов. Она может быть одно- и двухсторонней (рис. 11.3). Скорость перемещения роликов V до 10 м/мин, толщина свариваемых деталей δ = 0,3 ... 3 мм. Оборудование для контактной сварки (в одной машине): трансформатор, прерыватель тока, переключатель мощности, механизм давления пневматиче72

ский или электромеханический. Кроме стационарного оборудования, для точечной сварки применяют различные переносные устройства типа клещей и пистолетов. Основная область их использования – сварка в труднодоступных местах в тонколистовых конструкциях. Сварка трением осуществляется в результате давления и нагрева под действием трения, возникающего в результате вращения одной из деталей (рис. 11.4). Таким способом можно сваривать любые сплавы, т. к. в результате трения

а

б

Рис. 11.4. Схемы сварки трением: а – начальный этап; б – окончание процесса сварки

Рис. 11.3. Схема шовной сварки: 1 – дисковые электроды (ролики), 2 – сварной шов, 3 – источник питания, 4 – соединяемые элементы

происходит интенсивная очистка поверхности от оксидных плёнок, препятствующих образованию связей. Расход электрической энергии по сравнению с контактной сваркой существенно меньше. В промышленности применяется также ультразвуковая сварка, когда соединение образуется в результате давления и ультразвуковых колебаний с частотой ϕ = 20 ... 30 кГц. Они образуются в результате подачи тока высокой частоты на обмотку магнитострикционного преобразователя, сердечник которого образован пластинами 0,1…0,2 мм. Материал пластин способен изменять свои размеры под действием переменного магнитного тока. Амплитуда колебаний достигает 2 ... 10 мкм. Резонансный волновод специальной формы увеличивает амплитуду до 40 ... 60 мкм. Колебания вызывают продольные перемещения одной из свариваемых деталей и силы трения в месте контакта. Происходит разогрев и сварка. Поверхностная пленка разрушается ультразвуком, следовательно, поверхности не нужно очищать перед сваркой. Температура в зоне контакта для Cu ≤ 600 °С, Al – 200 ... 300 °С. Наиболее рационально применять этот метод для малых толщин δ = 0,001 ... 1 мм. Можно сваривать разнородные материалы, детали сильно различающихся толщин, металлы с неметаллами. Это обеспечило широкое применение ультразвуковой сварки в приборостроении, радиоэлектронике. Сварка направленным (кумулятивным) взрывом. Образование соединения происходит в результате соударения верхней (метаемой) части с нижней, при этом достигаются громадные давления 10…20 ГПа. Время образования со73

единения очень мало (несколько микросекунд), поэтому процессы диффузии отсутствуют. Это позволяет получать композиционные материалы, состоящие из материалов резко отличающихся по свойствам (температуре плавления, коррозионной стойкости и т. д). Диффузионная сварка в вакууме. Производится путём нагрева до температуры значительно ниже температуры плавления (0,4…0,8 Тпл) и сдавливания 1 ... 20 МПа до возникновения локальной пластической деформации в месте соединения. Время образования соединения зависит от температуры нагрева и при низких температурах может быть значительным (5 ... 20 мин). Соединение образуется без плавления в результате взаимной диффузии в приповерхностных слоях соединяемых деталей. Можно сваривать разнородные материалы. Главным достоинством является неизменность свойств соединяемых материалов и почти полное отсутствие остаточных напряжений, которые могут сильно снижать усталостную прочность конструкций. Этот способ используется при изготовлении космической техники, авиастроении и приборостроении. Холодная сварка. Соединение образуется за счет совместной пластической деформации при сдавливании пластичных материалов. Величина пластической деформации превышает 30 %. В зависимости от формы получаемого соединения может быть точечной, шовной, контурной, стыковой. Широко используется для сплавов Al, Cd, Pb, Cu, Ni, Au, Ag, Zn. Основным недостатком является необходимость тщательной очистки соединяемых поверхностей оксидных, адсорбированных и органических плёнок. Применяется главным образом в приборостроении. Контактная и холодная сварка дают надежные соединения, низкую окисляемость металла, уменьшение зоны влияния температуры на металл, высокую производительность, благоприятные санитарно-гигиенические условия труда. Типы сварных соединений при основных способах сварки плавлением и давлением приведены в табл. 5. 11.1. Свариваемость металлов и сплавов Свариваемость – это технологическое свойство материала образовывать в процессе сварки соединения, отвечающие конструкционным и эксплуатационным требованиям к ним. При наличии большого разнообразия вышерассмотренных методов сварки, очевидно, что имеется возможность получения сварных соединений большинства материалов. Однако, учитывая, что свойства материалов при сварке могут значительно изменяться, свариваемость является важной комплексной характеристикой материала, помогающей правильно выбрать материал, метод, режимы сварки. При оценке свариваемости сплава учитывают степень изменения химического состава и возможность изменения распределения элементов в сварном шве; влияние нагрева на структуру и механические свойства основного материала в околошовной зоне; деформации напряжения и перемещения, связанные со сварочным процессом; возможность образования горячих и холодных трещин в материале шва и околошовной зоне. 74

Дадим краткую характеристику основным группам сплавов, применяемым в машиностроении. Для сталей основным показателем свариваемости является эквивалентное содержание углерода Сэ, при расчёте которого учитывается содержание основных легирующих элементов. Mn Cr V Mo Ni P Сэ = С + + + + + + . 6 5 5 4 15 2 Низкоуглеродистые стали Сэ ≤ 0,3 % свариваются хорошо. Среднеуглеродистые и легированные с Сэ > 0,3 % закаливаются в зоне термического влияния (ЗТВ) в результате резкого охлаждения зоны шва прилегающими слоями холодного металла. Поэтому желательно подогревать заготовки перед сваркой до 100 ... 300 °С, чтобы уменьшить скорость охлаждения и возможность образования закалочных структур. Для низколегированных и среднелегированных сталей возможно образование трещин. Основными методами сварки таких сталей является сварка в углекислом газе, аргоне, сварка под флюсом, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая. Высоколегированные коррозионностойкие стали (Сэ > 10 %) склонны к образованию хрупких структур и резкому разупрочнению зоны шва. Для восстановления первоначальной структуры требуется термообработка (нормализация и (или) отпуск). Для сталей с аустенитной структурой для уменьшения вредных последствий применяется сварка плавлением на малых энергиях с теплоотводящими подкладками + закалка в воде с 1100 °С (для фиксации аустенитной структуры). Эти стали хорошо варятся контактной сваркой. Чугун варится плохо. Сварку проводят только при ремонте и заварке дефектов. В результате быстрого нагрева возможно образование белого чугуна в шве, а зона термовлияния может закаливаться. Для устранения этих дефектов производят сварку с предварительным подогревом до 400 ... 700 °С (горячая сварка). Используются чугунные электроды d = 8 ... 25 мм со специальным покрытием. Для предупреждения появления закалочных структур и снижения остаточных напряжений производят медленное охлаждение вместе с печью. Защиту шва от окисления производят флюсом на основе буры (Na2B4O7). В некоторых случаях при заварке малых дефектов используется холодная сварка стальными, медно-железными, медно-никелевыми электродами. Медь и ее сплавы трудно свариваются, т. к. расплавленная медь легко окисляется и по границам зерен образуется легкоплавкая эвтектика Cu2O-Cu, которая дает хрупкость (горячие трещины). Сплавы активно насыщаются водородом Н2, дающим водородную хрупкость, что приводит к образованию холодных трещин. Высокая теплопроводность требует концентрированного подвода энергии и подогрева. Большая усадка медных сплавов приводит к значительному короблению. Повышенная жидкотекучесть затрудняет оформление наклонных, вертикальных и потолочных швов. 75

Учитывая вышеназванные особенности медных сплавов, рекомендуется их сваривать в защитных газах. Режим выбирается с повышенной плотностью энергии из-за высокой теплопроводности, при толщине δ > 10 мм сварку ведут с подогревом до 300 °С, при δ > 30 мм – применяется плазменная сварка, флюс на основе буры, при δ > 50 мм используется электрошлаковая сварка. Контактной сваркой медные сплавы не свариваются, так как имеют малое электрическое сопротивление и в зоне контакта не происходит нагрева. При сварке латуни испаряется основной компонент Zn. Его пары токсичны, поэтому следует обеспечивать интенсивную вытяжную вентиляцию из зоны сварки. Для обеспечения хорошего качества шва следует сварить латунь в защитных газах или под слоем флюса. Бронзы сваривают как медь, кроме оловянистых, которые сваривают с большой скоростью и без подогрева, чтоб не выплавилось олово. Алюминий и его сплавы. Сварку затрудняет образование плотной окисной плёнки Al2O3, имеющей очень высокую температуру плавления порядка 2050 °С. Для защиты от окисления сварку производят в атмосфере защитных газов или со спецфлюсами, растворяющими Al2O3: NaCl, KСl, BaCl2, LiF, CaF2. Можно очистить поверхность от оксида щелочью NaOH. Алюминиевые сплавы склонны к образованию газовой пористости под действием водорода, попадающего в зону шва из влажных материалов и оксидной плёнки. Трудно варятся дуралюмины. Рекомендуется сварка неплавящимся электродом при δ = 0,5 ... 10 мм и плавящимся при δ > 10 мм в защитных газах. При сварке нужна большая тепловая мощность, т. к. сплавы алюминия имеют высокую теплопроводность. Чистый алюминий хорошо сваривается холодной сваркой. Тугоплавкие металлы и сплавы (Ti, Zr, Mo, Nb) имеют температуру плавления 2500…3000 °С. При нагреве интенсивно поглощают газы, что резко снижает их пластичность. Zr и Ti варят в аргоне, перед сваркой проволоку и основной металл дегазируют путем отжига в вакууме. Mo и Nb варят в аргоне или электронно-лучевой сваркой в вакууме. Дефекты сварных соединений: непровар, неполный шов, пережог, прожог, пористость, трещины, раковины, наплывы. Контроль сварных соединений: предварительный контроль материалов, контроль режимов сварки, внешний осмотр, рентгеноскопия, γ-излучением, ультразвуковой, магнитный и люминесцентный контроль, механические испытания (растяжение образцов, вырезанных из сварного шва и зоны термовлияния, неразрушающие испытания твердомером), металлографические исследования, гидравлические или пневматические испытания, керосиновая проба на герметичность (другая сторона шва покрывается мелом), окончательный контроль изделий. 11.2. Пайка

76

Пайка – это соединение деталей без их расплавления с помощью припоя, температура плавления которого ниже, чем у основного металла (рис. 11.5). Поверхности предварительно очищают, обезжиривают, удаляют оксиды, применяют флюсы либо защитные газы.

а

б

Рис. 11.5. Схема капиллярной пайки: а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – припой

Применяется пайка в печи, в индукторе, погружением в расплав припоя, радиационный нагрев кварцевыми лампами, электронным или лазерным лучом, газопламенными горелками, паяльниками и паяльными лампами. Припои подразделяются на твёрдые (тугоплавкие и достаточно прочные Тпл выше 500 °С, σв ≤ 700МПа) и мягкие, имеющие меньшую температуру плавления и меньшую прочность. Твёрдые припои изготавливают на основе Cu, Ag, Al, Mg, Ni. Они широко применяются для соединения меди, латуни, бронзы, стали, чугуна и др. сплавов. Флюсы: бура, борная кислота, плавиковый шпат и хлористые металлы. Мягкие припои изготавливают на основе Sn, Рd, Кd, Wi, Zn. Они обеспечивают прочность σв ≤ 100 МПа. Для них используются флюсы: канифоль, NH4Cl (нашатырь), ZnCl (травленая соляная кислота). Флюсы при пайке защищают место спая от окисления, обеспечивают смачиваемость припоем и растворяют окисную пленку. Для пайки тугоплавких металлов разработаны тугоплавкие припои на основе никеля, титана, палладия. Основные припои: оловянно-свинцовые (t = 210 ... 280 °C), медно-цинковые (t = 800 ... 890 °С), медно-фосфористые (t = 750 ... 869 °С), серебряные (t = 600... ... 875 °С).

РАЗДЕЛ V. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ТЕМА 12. СУЩНОСТЬ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ, МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ И ИНСТРУМЕНТ

77

Наиболее распространенные методы получения заготовок (литье и обработка давлением) не обеспечивают требуемых по условиям эксплуатации точности размеров и шероховатости поверхностей деталей, особенно работающих в ответственных сопряжениях. Эту задачу успешно решает обработка резанием. Резание заключается в снятии слоя металла с поверхности заготовки с целью получения требуемой геометрической формы, шероховатости поверхностей и точности размеров детали. Срезаемый слой металла называется припуском. Различают следующие виды резания: лезвийное, абразивное, электрофизическое и электрохимическое. Лезвийное резание производится с помощью инструмента, режущая часть которого имеет клиновидную форму. Основные виды лезвийного резания: точение, строгание, фрезерование, сверление, долбление, протягивание. На рис. 12.1 показана схема лезвийного резания для строгания и отмечены главные углы резания. Абразивное резание проводится с помощью абразивного инструмента, содержащего твердые частицы неправильной формы, случайным образом ориентированных режущих зёрен абразивного инструмента, каждое из которых представляет собой микроклин.

Рис. 12.1. Схема резания и стружкообразования при строгании: 1– заготовка, 2 – резец, 3 – стружка

На поверхности детали различают обработанную и обрабатываемую поверхности. Переходная поверхность между ними называется поверхностью резания. На режущем клине различают переднюю и заднюю поверхности. По передней сходит стружка, задняя обращена к обработанной поверхности. Для определения углов резания вводят две плоскости: 1– плоскость резания. Она проходит через главную режущую кромку резца параллельно вектору скорости резания V. При строгании (рис. 12.1) она совпадает с обработанной поверхностью. 2 – основная плоскость, которая расположена перпендикулярно плоскости резания. На рис. 12.1 она расположена вертикально. Главный задний угол резания α определяется между задней поверхностью и плоскостью резания. Главный передний угол γ образован передней поверхностью и основной плоскостью. Угол заострения резца β определяется между передней и задней поверхностями. Сумма углов α + β называется главным углом резания δ. При неизменном угле заострения резца β усилие резания может очень сильно меняться, если изменять угол δ. Если увеличить угол δ более 140°, то резание будет крайне затруднено. Угол заострения, главным образом, влияет на 78

прочность режущего клина, а усилие резания и шероховатость поверхности определяются углом δ = α + β. С уменьшением δ снижается усилие резания. Величина заднего угла обычно мала, т. к. он нужен только для того, чтобы уменьшить силы трения по задней поверхности. Для токарных резцов α = 3…8 градусов. При резании обработанная поверхность детали упрочняется на некоторую глубину, твердость её увеличивается до двух раз, что затрудняет последующую обработку резанием и снижает стойкость инструмента. Стойкостью инструмента называется время его работы между двумя переточками. За счет пластической деформации и трения в зоне резания выделяется тепло, 25 ... 85 % которого отводится стружкой, 10 ... 50 % – заготовкой и 2 ... 8 % – инструментом. Интенсивность тепловыделения резко возрастает с увеличением скорости резания, что может привести к потере твердости режущей кромки, снижению стойкости инструмента и качества обработки. Для интенсификации теплоотвода используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ): водные эмульсии и минеральные масла. Для изготовления режущего инструмента стремятся применять материалы, способные сохранять твёрдость до высоких температур. В процессе резания вследствие периодического скалывания стружки возникают вибрации в системе, также снижающие качество обработки и стойкость инструмента.

а

б

Рис. 12.2. Процесс резания и геометрия срезаемого слоя (а) и схема рабочих движений станка (б): I – обрабатываемая поверхность, II – поверхность резания, III – обработанная поверхность; 1 – резец, 2 – заготовка

Наиболее распространённым видом лезвийного резания является точение. Процесс резания и схема рабочих движений токарного станка показаны на рис. 12.2. При точении деталь совершает вращательное движение, а резец – поступательное. Движение при резании, осуществляемое с максимальной скоростью, называется главным движением, а его скорость называется скоростью резания V. При точении главным движением является вращательное движение, а скоростью резания V является относительная скорость перемещения резца и точки на поверхности детали, которой касается резец (м/мин). Другим необходимым движением является поступательное движение резца. Направление этого движения определяет форму получаемой поверхности. Это движение называется подачей (обозначается Ds, его скорость Vs мм/мин). При токарной обработке обычно задаётся не скорость подачи, а перемещение резца за один оборот в мм/об, которое называется подачей и обозначается S. Заметим, что Vs = n 79

× S (мм/мин), где n – частота вращения (об/мин). Различают продольную подачу (вдоль оси вращения) и поперечную (перпендикулярно оси). Относительное движение резца и заготовки (рис. 12.1) со скоростью V и усилием F приводит к пластическому сдвигу и образованию стружки. В зависимости от пластичности материала и величины главного угла резания δ характер стружкообразования может сильно отличаться. Для пластичных материалов при углах δ < 90 градусов образуется сплошная стружка в виде прочной блестящей ленты (сливная стружка). Для материала со средней пластичностью при резании с углами δ > 90 градусов образуется стружка скалывания, состоящая из слабо связанных между собой объёмов по линии скалывания. Линия скола располагается под некоторым углом θ к направлению скорости резания (рис. 12.1). В хрупких материалах образуется порошкообразная стружка, которую называют стружкой надлома. Это связано с тем, что разрушение происходит перед резцом с некоторым опережением. При резании с образованием стружки надлома качество поверхности (шероховатость) значительно хуже, чем при других видах стружки. Сливная стружка, обладая большой прочностью, затрудняет удаление стружки из зоны резания. При резании с такой стружкой не удаётся автоматизировать её уборку, что очень важно для автоматических линий. В этих случаях стремятся получить стружку скалывания или устанавливают на резец стружколомы, которые вызывают большую деформацию стружки и её дробление. Движение подачи Ds со скоростью Vs обеспечивает снятие припуска слой за слоем на заданную глубину резания t. Глубиной резания t является толщина срезаемого слоя, измеренная перпендикулярно обработанной поверхности. Движения, обеспечивающие подвод и отвод резца называются вспомогательными. При обработке пластичных материалов со скоростями V менее 0,6 м/мин на передней поверхности резца около его вершины может происходить образование наростов за счёт отрыва обрабатываемого материала от стружки. В результате сильной деформации нарост приобретает высокую твердость и участвует в процессе резания, как продолжение резца. Однако в процессе резания нарост периодически разрушается и удаляется с резца, изменяя его длину. Это приводит к ухудшению шероховатости обрабатываемой поверхности. С другой стороны, нарост уменьшает усилие резания и износ инструмента, так как защищает переднюю поверхность. Поэтому образование нароста может быть и полезным, но только при черновой обработке. 12.1. Параметры режима резания Параметры режима резания определяют количество срезаемого материала в единицу времени, стойкость резца, чистоту и качество поверхности. Ими являются: глубина резания t, подача S, скорость резания V. Различают черновую и чистовую обработки. Цель черновой обработки – снять основную часть припуска с максимально возможной производительностью. Установлено, что наибольшее влияние на износ резца оказывает скорость резания V, поэтому черновую обработку ведут с большими подачами S и глубиной резания t, но с относительно небольшими скоростями. Припуск на черновую обработку желательно снимать за один проход, если позволяет мощность станка и жесткость системы, если нет – применяют два-три прохода.

80

Цель чистовой обработки – получение требуемой точности размеров и шероховатости поверхностей, которые и определяют режимы резания. Установлено, что наибольшее влияние на шероховатость оказывает величина подачи S. Чем подача больше, тем шероховатость выше. На точность обработки большое влияние оказывает величина усилия резания, т. к. оно приводит к деформации резца и детали, а следовательно к отклонениям размеров от заданных. Поэтому чистовую обработку ведут с малыми подачами и малой глубиной резания, но с относительно большими скоростями. Причем скорость резания выбирают так, чтобы обеспечить оптимальную стойкость режущего инструмента. Оптимальная (выгодная) стойкость определяется затратами на обработку. Чем дороже инструмент, чем сложнее он в заточке, тем больше оптимальная стойкость инструмента. Обычно при расчёте скорости её выбирают из справочников. Например, для резцов она составляет 45…60 мин, для свёрл, в зависимости от диаметра, от 8 до 210 мин, для фрез от 20 до 400 мин. Режимы резания назначаются по технологическим таблицам в зависимости от параметров обрабатываемой заготовки, инструмента и оборудования. При невозможности снять припуск за один проход, его следует распределить следующим образом: черновая обработка, t = 3 ... 12 мм в зависимости от жёсткости детали и станка; получистовая, t = 0,5 ... 2 мм; чистовая, t = 0,1 ... 0,4 мм, тонкая обработка, t = 0,05 ... 0,3 мм. Подача S: для чернового точения – 0,3 ... 1,5 мм/об; для чистового – 0,1 ...0,4 мм/об. Скорость резания при заданной частоте вращения можно определить по формуле V = πDn/1000, м/мин., где D – диаметр обрабатываемой поверхности, мм; n – число оборотов заготовки (шпинделя станка), 1/мин. 12.2. Обрабатываемость конструкционных материалов К основным параметрам, характеризующим обрабатываемость сплавов, относят сопротивление резанию (мощность, силы резания), скорость резания при соответствующей стойкости инструмента, шероховатость обработанной поверхности. Обрабатываемость сплавов зависит от химического состава, механических свойств, структуры и физических свойств ( теплоёмкости, теплопроводности). При черновой обработке главным критерием обрабатываемости является стойкость инструмента. При чистовой – шероховатость и точность обработки. С увеличением содержания углерода прочность стали возрастает и увеличивается сопротивление резанию, однако среднеуглеродистые стали обеспечивают получение лучшей шероховатости, чем малоуглеродистые. При увеличении содержания легирующих элементов в стали её прочность увеличивается, снижается теплопроводность, что резко ухудшает обрабатываемость. Интересно отметить, что крупнозернистая структура обрабатывается лучше, чем мелкозернистая. Наилучшая обрабатываемость для пластинчатого перлита, наихудшая – для зернистого перлита. Хорошо обрабатываются улучшенные стали, имеющие структуру сорбита. Заметим, что для неответственных деталей используются автоматные стали (А12, А20 и т. д.), которые имеют повышенное содержание серы (до 0, 15 %). При присутствии свинца в стали существенно улучшается обрабатываемость, т. к. он оказывает смазывающее действие и снижает коэффициент трения.

81

Если обрабатываемость материалов сравнивать со сталью 45 и принять для неё коэффициент обрабатываемости К = 1, то: К < 1 для латуни, бронзы, дуралюминов, чугунов с НВ = 140 ... 160; К = 1 для силуминов, чугунов с НВ = 160 ... 180; К > 1 для высоколегированных сталей, чугунов с НВ = 180 ... 200; К >> 1 для высоколегированных специальных сталей (жаростойких, кислотостойких), тугоплавких сплавов, композиционных материалов. Некоторые материалы, например твердые сплавы, керметы, вообще не могут подвергаться лезвийной обработке. Их обрабатывают абразивными, электрофизическими и электрохимическими методами. 12.3. Инструментальные материалы

Таблица 6 Вид материалов, примеры марок Углеродистые инструментальные стали У7А ... У10А (У13А) Легированные инструментальные стали ХВГ, 9ХС, ХГС Быстрорежущие стали Р9, Р18, Р6М5 Твердые (металлокерамические) сплавы ВК6, Т5К10, Т30К4 Минералокерамические (на основе Al2O3) сплавы. То же с добавлением карбидов W, Ti и др. – «керметы». Сверхтвердые на основе нитрида бора BN. Алмазный инструмент Абразивные материалы

Твердость HRC

Теплостойкость, °С

Максимальная скорость резания, м/мин

60 ... 62

200 ... 240

12 ... 18

Простой инструмент

62 ... 64

220 ... 260

12 ... 30

- // -

62 ... 65

600 ... 640

120

Более сложный инструмент

HRA 86 ... 92

800 ... 1250

200…300

- // -

800 ... 1250

1000

1800 ... 2000

1200 2100 ... 3600

Применение

Для безударной работы, т. к. хрупки

- // -

12.4. Классификация металлорежущих станков По видам обработки: токарные, строгальные, сверлильные, фрезерные, шлифовальные. По точности: нормальной – Н, повышенной – П, высокой – В, особо высокой точности – А, особо точные (прецизионные) – С; По способам управления: с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы, с программным управлением; Универсальные, которые применяются в индивидуальном или мелкосерийном производстве, специализированные – в средне- и крупносерийном, специальные – в массовом; Одно- и многошпиндельные; одно- и многосуппортные; со ступенчатым и бесступенчатым регулированием скорости резания; с горизонтальным и вертикальным расположением шпинделя. По конструкции станины: консольные (С-образная станина) и рамные (обычно тяжелые станки).

82

ТЕМА 13. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 13.1. Основные технологические методы обработки заготовок деталей машин Основные технологические методы обработки заготовок деталей машин представлены на схеме (рис. 13.1). Схема точения наружной поверхности проходным резцом представлена на рис. 12.2. На рис. 13.2. показано, кроме точения проходными резцами (б, г, ж), точение резьбовыми (в), канавочными (з, и), расточными (д, е, о), отрезными (д) и подрезными резцами (н), а также сверление (м). Главное движение во всех случаях Dr – вращательное, обычно это вращение заготовки. Подача осуществляется движением резца. Она может быть как продольной, так и поперечной относительно оси заготовки. Sо – подача на один оборот заготовки. Величина остаточного треугольника АВЕ на рис. 12.2 определяет высоту микронеровностей на обработанной поверхности. Видно, что чем меньше подача Sо, тем ниже шероховатость. Основные поверхности и режущие кромки проходного токарного резца показаны на рис. 13.3.

Рис.13.1. Классификация технологических методов обработки заготовок деталей машин

При нарезании наружной резьбы используются резьбовые резцы и плашки, для нарезания внутренней резьбы – резцы резьбовые и метчики. Для уменьшения шероховатости поверхности и её упрочнения производится поверхностное пластическое деформирование (ППД) поверхности обкаткой ро83

ликами или шариками. Различного типа обкатки могут использоваться для нанесения насечек на поверхность с целью придания ей декоративного вида. По виду обработки резцы подразделяют на черновые, получистовые и чистовые; по форме – на прямые, отогнутые, оттянутые, изогнутые; по направлению подачи – левые и правые; по конструкции – цельные, с приваренной или припаянной режущей пластинкой, со сменными пластинками. Основные типы станков токарной группы (рис. 13.4): токарно-винторезные, токарно-револьверные, токарно-карусельные, лобовые, токарные автоматы и полуавтоматы. Приспособления к токарным станкам: 1) патроны для закрепления деталей, которые бывают двух- трех- и четырехкулачковые, имеющие различные виды привода (ручной, механический, пневматический, гидравлический, электрический); 2) планшайбы для закрепления сложных по конфигурации деталей; 3) поводковые патроны; 4) центры, хомутики для обработки деталей в центрах (рис. 13.2, в, г);

б

д

а

и

в

к

е

л

м

г

ж

з

н

о

Рис. 13.2. Типовые схемы обработки поверхностей на станках токарной группы: а, б – обработка поверхностей; в – нарезание резьбы; г – точение конусов; д, е – расточка отверстий; з – прорезание кольцевых канавок; и – прорезание фасонных канавок; к – точение фаски или короткого конуса; л – отрезка деталей; м – сверление отверстий; ж, о – точение и растачивание наружных и внутренних конических поверхностей; н − подрезание торцов

84

6

1

а

в

б

г

Рис. 13.4. Общие виды станков токарной группы (стрелками без обозначений указаны установочные движения узлов станков): а – токарно-винторезный; б – токарно-револьверный; в – токарно-карусельный; г – многорезцовый полуавтомат

13.2. Строгание, долбление, протягивание При строгании главным движением является поступательное движение резца (на поперечно-строгальных станках) или заготовки (на продольнострогальных станках). Строгальные резцы изогнуты назад для того, чтобы предотвратить заглубление резца при врезании, которое происходит с ударом. Долбежные резцы изогнуты вперед, чтобы державка резца не препятствовала углублению резца (рис. 13.5).

85

б

в

д

г

а

з

е

и

ж

к

Протяжка – многолезвийный инструмент. Станки поперечно-строгальные, продольно-строгальные, долбёжные (рис. 13.6). 7 8

6

9

5 4

10

3

2

1

Рис. 13.6. Общий вид двухстоечного продольно-строгального станка: 1 – станина, 2 – стол, 3, 8 – стойки, 4, 10 – боковые суппорты, 5 – траверса, 6, 9 – верхние суппорты, 7 – поперечина

На продольно-строгальных станках все суппорты могут поворачиваться на ± 60 ° при строгании наклонных плоскостей. Достигается точность 0,1 ... 0,2 мм на 1 м длины обрабатываемой поверхности. Строгальные станки применяются в мелкосерийном и единичном производстве. В крупносерийном производстве для аналогичных работ используются фрезерные станки, как более производительные. Обработка фасонных наружных и внутренних поверхностей сложной 86

формы в массовом и крупносерийном производстве производится на горизонтально- и вертикальнопротяжных станках (рис. 13.7, 13.8). 3

2

5

4

3 2 4

6 1 1

2

3

а 1

5

б в Рис. 13.7. Основные типы протяжных станков: а – горизонтально-протяжной; б – вертикально-протяжной; в – протяжной непрерывной обработки; а: 1 – станина, 2 – насосная станция, 3 – гидроцилиндр, 4 – каретка, 5 – опорный кронштейн, 6 – корыто; б: 1 – основание, 2 – стол, 3 – каретка, 4 – насосная станция, 5 – станина; 1 цилиндрических 2 3 производится д Обработка отверстий на токарных, сверлиль-

ных, расточных станках. На сверлильных и расточных станках главное движение совершает инструмент, выполняя вращательное движение. При сверлении на сверлильном станке вращается сверло, при растачивании отверстий на расточном станке вращается борштанга с резцом. Подача осуществляется движением вдоль оси отверстия, которое может совершать деталь или инструмент. Инструменты для обработки отверстий – см. рис. 13.9. Имеются различные типы свёрл. Наибольшее применение имеют спиральные сверла. На них для отвода стружки имеется винтовая канавка с углом наклона ω = 18° ... 30°. Угол при вершине 2ϕ = 90° ... 118°; угол наклона поперечной режущей кромки ψ = 50° ... 55°. Зенкеры служат для обработки отверстий, полученных литьём или предварительным сверлением. Различают зенкеры по форме обрабатываемых отверстий: цилиндрические, конические, торцевые; по конструкции: цельные, насадные, с припаянными твердосплавными пластинками. Количество режущих лезвий у зенкеров z = 3 ... 9. Зенкеры не имеют поперечной режущей кромки, поэтому не могут быть использованы для начального получения отверстий.

87 а

а

д

б

е

в

ж

г

з

Рис. 13.9. Инструменты для обработки отверстий: а – сверло; зенкеры: б – цилиндрический; в – конический; г – торцовый, д, е – развертки; ж – комбинированный инструмент; з – метчик

Развертки служат для чистовой обработки отверстий, полученных сверлением или обработанных зенкерованием. Число зубьев у них z = 5 ... 14. По конструкции бывают цельные, насадные, со вставными зубьями. Зенковки служат для получения конических отверстий и фасок. 88

Цековки позволяют обрабатывать не только цилиндрические поверхности, но и привалочные поверхности около них, на которые опираются шайбы или головки винтов. В ряде случаев цековка может заменить фрезерование поверхности, что даёт значительный экономический эффект. Работы, выполняемые на сверлильных станках (рис. 13.10): сверление отверстий до 30 мм; рассверливание до 80 мм; зенкерование до диаметра 120 мм, черновое и чистовое; развертывание до диаметра 120 мм, предварительное, чистовое и тонкое.

а

б

в

г

д

е

ж

з

и

к

Рис. 13.10. Схемы обработки заготовок на вертикально-сверлильных станках: а – сверление; б – рассверливание; в – зенкерование; г, д – развертывание; е – цекование; ж, з – зенкование; и – нарезание резьбы; к – обработка отверстия комбинированным инструментом

13.3. Обработка отверстий на сверлильных и расточных станках По конструкции группа сверлильных станков разделяется на вертикальносверлильные, радиально-сверлильные, горизонтально-расточные, координатнорасточные, алмазно-расточные (рис. 13.11). На вертикально-сверлильных производится обработка сравнительно небольших деталей. В качестве инструментов используются свёрла разных типов, зенкеры, зенковки, цековки, развёртки. На радиально-сверлильных станках обычно обрабатываются крупные корпусные детали. Это обеспечивает поворотная траверса, по которой в радиальном направлении может перемещаться шпиндельная головка. Кроме инструментов, применяемых на вертикально-сверлильных станках, используются борштанги с резцами, позволяющие производить расточку отверстий. На горизонтально-расточных станках можно выполять те же операции, что и на радиально-сверлильном, но, кроме того, можно производить точение наружных поверхностей, подрезание торцов, нарезание резьбы резцами, а также фрезерование поверхностей. Эта универсальность достигается большой сложностью станка. Поэтому экономически оправдано использовать такие станки только для ответственных деталей сложной формы. 89

Координатно-расточные используются в основном для расточки крупных деталей, которые нельзя обработать на токарных станках (блоки цилиндров, корпуса редукторов и т. д.)

а

б

в

г

Рис. 13.11. Основные типы станков сверлильной группы: а – вертикально-сверлильный; б – радиально-сверлильный; в – горизонтально-расточной; г – координатно-расточной; а: 1 – фундаментная плита, 2 – колонна, 3 – стол, 4 – кронштейн, 5 – коробка передач, 6 – коробка скоростей; б: 1 – фундаментная плита, 2 – колонна, 3 – поворотная гильза, 4 – траверса, 5 – механизм движения траверсы, 6 – шпиндельная головка, 7 – коробка скоростей, 8 – коробка передач, 9 – шпиндель, 10 – стол; в: 1 – станина, 2 – стойка, 3 – шпиндельная бабка, 4 – планшайба, 5 – радиальный суппорт, 6 – расточной шпиндель, 7 – задняя стойка, 8 – люнет, 9 – салазки, 10 – каретка, 11 – поворотный стол; г: 1 – станина, 2 – стойка, 3 – коробка скоростей, 4 – расточная головка, 5 – шпиндель, 6 – стол, 7 – салазки

13.4. Фрезерование Главное движение при фрезеровании – это вращение фрезы. Движение подачи – поступательное перемещение заготовки или фрезы. Фреза – многолезвийный инструмент, каждый зуб которого за полный оборот фрезы находится в контакте с деталью относительно небольшое время, т. е. имеет место прерывистость резания. Различают фрезерование встречное и попутное (рис. 13.12). При встречном скорости резания и движения направлены в противоположные стороны, поэтому толщина стружки при врезании фрезы плавно возрастает от нуля до максимума. Действующая на заготовку сила стремится оторвать ее от стола, поэтому возникают вибрации в вертикальном направлении. Т. к. при врезании толщина срезаемого слоя мала, то возможно скольжение зуба в месте врезания по поверхности металла без резания и его смятие, что вызывает упрочнение поверхностного слоя. Следующий зуб фрезы срезает поверхность упрочнённую предыдущим зубом. Это увеличивает износ фрезы и снижает качество обработки. При попутном фрезеровании направления перемещения зуба фрезы и подачи совпадают, поэтому толщина срезаемого слоя при врезании максимальна, а затем убывает. Сила резания в этом случае прижимает заготовку к столу, поэтому вибрации в вертикальном направлении минимальны. Так как проскальзывания нет, то упрочнение металла меньше, поэтому больше стойкость фрезы и выше чистота поверхности. Однако, вследствие того, что направления пере-

90

мещения зубьев фрезы и подачи совпадают, возникают сильные вибрации в горизонтальном направлении в результате выбора зазоров в механизме подачи винт-гайка поочерёдно, то в одну, то в другую стороны. Поэтому попутное фрезерование можно проводить только на станках, оборудованных механизмом, обеспечивающим выбор зазора в механизме продольной подачи. Так как зуб фрезы при попутном фрезеровании ударяет в необработанную поверхность, его нельзя применять в том случае, если на поверхности заготовки имеется твёрдая корка. Различные виды фрез показаны на рис. 13.13. По форме режущей части их разделяют на цилиндрические, торцевые, дисковые (в т. ч. прорезные), концевые, угловые, шпоночные, фасонные, резьбовые, модульные. По конструкции: цельные, сборные со вставными зубьями. По форме зубьев: с прямыми, наклонными или винтовыми. Для сталей разной прочности используют фрезы с передним углом γ = 5…30°, задним углом α = 10…25°. Кроме фрезерования плоскостей и канавок различной формы фрезерование используется для изготовления зубчатых колёс. Различные способы их изготовления показаны на рис. 13.14. Для сравнения там же показано изготовление зубчатых колёс долблением, которое является менее производительным методом. На рис. 3.15 показаны схемы обработки станины станка и фасонной поверхности.

а

в

б

г

Рис. 13.12. Схемы фрезерования цилиндрической (а) и торцевой (б) фрезами; в, г – схемы резания; 1 – заготовка, 2 – фреза

е

а

б

ж

з

в 91

г

и

д

к

Рис. 13.13. Типы фрез: а – цилиндрические; б, з – торцовые; в – дисковые; г – концевые; д – угловые; е – шпоночные; ж – фасонные;

1

1

1

2

2

1

2

б

а

3

в

2

г Рис. 13.14. Схемы формообразования зубьев цилиндрического колеса: а, б – методом копирования; в, г – методом обкатывания 2 – нарезаемое колесо, 3 – долбяк

Рис. 13.15. Схемы обработки на фрезерных станках

На рис. 13. 16 показаны различные типы фрезерных станков: консольногоризонтальный; вертикально-фрезерный; продольно-фрезерный двухстоечный; копировально-фрезерный. 6 3 4 2

5 6

1 7 8

7 8

а

4

4 6 5 5 6 4

3 2 1

б

5

3

3 2 1

3

92

2 1

в

г

Рис. 13.16. Основные типы фрезерных станков: а – консольно-горизонтальный; б – вертикально-фрезерный; в – продольно-фрезерный двухстоечный; г – копировально-фрезерный полуавтомат

13.5. Шлифование Шлифование – это метод обработки материалов при помощи абразивных инструментов, режущими элементами которых являются твёрдые зёрна абразивных материалов. Шлифование часто является окончательной обработкой, которая производится после различных видов лезвийной или термической обработок. Виды шлифования (рис. 13.17) различаются по обрабатываемой поверхности: плоское, круглое (наружное и внутреннее), фасонное; по способу закрепления детали: в центрах, в патроне, бесцентровое; по месту, которым круг производит резание: торцом круга, периферией; по направлению подачи: продольное и врезное. Абразивные материалы бывают природного и искусственного происхождения. Абразивные природные минералы: кварц, корунд, кремень, наждак, алмаз; синтетические: электрокорунд Al2О3, зеленый и черный карбид кремния SiС, оксиды хрома Сr2О3 (в пастах), карбид бора В4С, нитрид бора ВN (эльбор), синтетический алмаз (в порошках). Наибольшее применение сейчас находят искусственные (синтетические) абразивные материалы. Они обладают высокой твердостью, теплостойкостью до 1800 ... 2000 °С. Скорость резания, в зависимости от вида материала и связки, которая соединяет абразивные частицы, может изменяться в широких пределах Vрез. = 15 ... 100 м/с. Связки бывают неорганическими (керамические, магнезиальные и силикатные) и органическими (бакелитовая и вулканитовая связки). Наиболее широко используются керамические связки, которые приготовлены из огнеупорной глины, полевого шпата, кварца, талька, мела и жидкого стекла. Большое значение при выборе кругов имеет твёрдость, которая определяется не твёрдостью абразивного материала круга, а твёрдостью связки, соединяющей абразивные частицы. Имеется семь категорий твёрдости. Шлифование проводят в основном шлифовальными кругами, но для деталей сложной конфигурации (турбинные лопатки) используются шлифовальные ленты. В процессе шлифования круги изнашиваются и изменяют свою форму. При этом происходит затупление зёрен абразива, расположенных на режущей поверхности кругов, а также прилипание обрабатываемого материала к поверх-

93

ности круга (засаливание). Для восстановления формы и режущей способности кругов их правят. Для точных работ для правки применяют алмазные карандаши (мелкие алмазы скрепленные металлическим сплавом). Грубая правка производится шарошками (звездочками из белого чугуна).

а

б

в

4

3

2

1

г Рис. 13.17. Основные схемы шлифования: а – плоское (плоская поверхность периферийной части круга); б – круглое (цилиндрическая поверхность с продольной подачей, закрепление в центрах;) в – внутреннее (цилиндрическая поверхность при закреплении в патроне;, г – бесцентровое ( цилиндрическая поверхность с продольной подачей без закрепления); 1 – шлифующий круг, 2 – заготовка, 3 – опорный нож, 4 – ведущий круг

При правильно выбранной твёрдости круга в процессе шлифования происходит самозатачивание круга, когда затупившиеся абразивные частицы сами покидают поверхность резания. Чтобы обеспечить самозатачивание при резании твердых закалённых сталей, выбирают мягкие круги, т. к. происходит быстрое затупление зёрен. Для мягких материалов, чтобы предотвратить необоснованный расход абразивного материала, берут более твёрдые круги. Перед установкой шлифовального круга на станок, чтобы предотвратить разрушение круга во время работы, проводят испытание на скорости большей, чем рабочая Vисп. = 1,5 Vрез. При установке, чтобы обеспечить точность обработки, производится балансировка шпинделя с кругом. Для шлифования стали в основном применяется электрокорунд, для чугуна и твердых сплавов – карбид кремния. Наилучшими режущими свойствами в отношении стали обладает эльбор, но он дороже вышеназванных материалов. Для заточки твердосплавного инструмента, при профильном шлифовании и правке шлифовальных кругов применяются сверхтвердые синтетические материалы: нитрид бора (эльбор), синтетические алмазы. Основные типы шлифовальных станков показаны на рис. 13.18. 94

3

2

4

5

1

5 3

3

4

2 4 2

5

а

1

6

б

1

в 6

Рис. 13.18. Основные типы шлифовальных станков: а – плоскошлифовальный; б – круглошлифовальный; в – бесцентровошлифовальный; а: 1 – шлифовальная бабка, 2 – стойка, 3 – стол, 4 – станина, 5 – привод стола; б: 1 – станина, 2 – стол, 3 – передняя бабка с коробкой скоростей, 4 – шлифовальная бабка, 5 – задняя бабка, 6 – привод стола; в: 1 – станина, 2 – бабка с шлифующим кругом, 3, 5 – механизмы правки, 4 – бабка с ведущим кругом, 6 – нож

13.6. Методы отделки поверхностей Притирка (доводка) показана на рис. 13.19, а. Она производится весьма мелкозернистым абразивным материалом, который в виде смазки наносится на инструмент, называемый притиром. Притиры делают из более мягких материалов, чем обрабатываемый (серый чугун, бронза, медь, дерево). Абразивный материал получают из порошков или паст (абразивные порошки + химически активные вещества + связующие: машинное масло, керосин, стеарин, вазелин). Олеиновая и стеариновая кислоты в составе паст, играя роль связующего, одновременно химически разрушают непрерывно образующиеся на поверхности детали пленки окислов, т. е. процесс резания химико-механический. Широко известна паста ГОИ (Государственный оптический институт), состоящая из окиси хрома 65 ... 80 %, стеарина и керосина. Имеется два способа: притирка сопрягаемых в узле деталей, например клапан и седло; притирка по 3-ей детали – притиру.

95

1 2

а

б

в

д

г

е

Рис. 13.19. Схемы методов отделки поверхностей: а – притирка; б – абразивно-жидкостная; в – полирование; г – абразивной лентой; д – хонингование; е – суперфиниширование; 1 – притиры, 2 – заготовка

Полирование – это обработка материала особомелкозернистой абразивной полировальной пастой, которая наносится на эластичный материал в виде ленты или мягкого круга из войлока, фетра, бязи (рис. 13.19, в). Полирование обычно проводится в декоративных целях (до зеркального блеска). Хонингование отверстий производится с помощью мелкозернистых абразивных брусков, расположенных в специальном инструменте – хоне вдоль образующей отверстия (рис. 13.19, д). Хон совершает возвратно-поступательное и вращательное движения в соотношении Vвращ./ Vпоступ. = 1,5 ... 10. Диаметр обрабатываемых отверстий D = 20 … 400 мм. Бруски изготавливают из электрокорунда или карбида кремния на бакелитовой связке, а в ответственных случаях применяют алмазные. Обработку стальных и чугунных деталей ведут со смазывающей жидкостью, состоящей из смеси керосина и масла. Суперфиниширование – обработка с помощью мелкозернистых абразивных брусков, которым задают колебательные движения с амплитудой 1,5 ... 6 мм и частотой 400 ... 1200 колебаний в минуту, а также движения подачи вдоль обрабатываемой поверхности. Обработка производится с использованием смазочно-охлаждающей жидкости из керосина с добавлением масла. Шевингование зубчатых колес является лезвийной обработкой, которая производится инструментом, называемым шевером, имеющим вид зубчатого колеса с продольными канавками, рёбра которых и обеспечивают резание. Шевер и обрабатываемое зубчатое колесо совершают в зацеплении совместное движение при угле скрещивания осей 10° … 15°. Кроме вращательного движения, шевер совершает и возвратно-поступательные движения, при этом постепенно уменьшается межосевое расстояние. Охлаждение производится сульфофрезолом.

96

Механическая обработка без снятия стружки путем поверхностного пластического деформирования деталей. В результате образуется специфическая шероховатость (например, вибронакатка улучшает удержание смазки), возникает упрочненный слой с собственной макро- и микроструктурой и остаточными напряжениями сжатия. Накатка зубьев и звездочек, рифления, резьб, правка клапанов и т. д.; обкатывание роликами и шариками, в т. ч. вибрирующими, раскатывание отверстий (рис. 13.20).

а

б

г

в

д

Рис. 13.20. Схемы обкатывания, раскатывания, вибронакатывания поверхностей: а, б – обкатка наружной поверхности заготовки; в, г – раскатывание внутренней поверхности; д – вибронакатывание

Дорнование – калибровка отверстий инструментом (дорном), совершающим поступательное движение, похожим на укороченную протяжку, но имеющим не острые, а закруглённые зубья. Таблица 7 Технологические возможности механической обработки № Виды обработки п/п 1 Обтачивание и растачивание: черновое получистовое чистовое тонкое 2 Шлифование круглое и плоское: предварительное чистовое тонкое 3 Притирка и доводка, тонкое (прецизионное) шлифование, суперфиниширование, тонкое полирование, тонкое (алмазное) обтачивание и растачивание, калибрование, обкатывание и раскатывание роликами и шариками, хонингование.

97

Квалитет точности (достижимый) 12 ... 16 11 ... 12 9 ... 11 6 .. 8

Rz, Мкм 50 .... 250 12,5 ... 40 4 ... 10 0,5 ... 4

9 ... 11 6 ... 9 5и6

5... 16 1,6 ... 6,3 0,4 ... 1,6

5 ... 6 (4)

0,05 .... 0,4

РАЗДЕЛ VI. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ТЕМА 14. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ 14.1. Электроэрозионные методы Электроэрозионные методы основаны на эрозии (разрушении) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электротока. Различают электроискровую и электроимпульсную обработки. В обоих случаях используется энергия электрического разряда, который возникает при достижении определенной разности потенциалов на электродах в межэлектродной среде, которой являются диэлектрики (минеральное масло, керосин). Прохождение тока через диэлектрик обеспечивается за счет ионизации среды, в которой образуется канал проводимости. Именно по нему и осуществляется импульсный искровой или дуговой разряд. Плотность тока достигает 8000 ... 10000 А/мм2, а время разряда всего 10-5 ... 10-8 с. При этих условиях на поверхности электродов, одним из которых является заготовка, температура возрастает до 10000 ... 12000 °С, что приводит к расплавлению и испарению элементарного объема металла, и на поверхности появляется лунка. Удаленный металл застывает в жидкости в виде гранул диаметром 0,01 ... 0,05 мм. Зазор между инструментом-электродом и деталью для обеспечения пробоя поддерживают 0,01 ... 0,05 мм. По мере испарения металла зазор восстанавливается за счет сближения электродов с помощью следящих приборов, которые входят в состав систем числового программного управления (ЧПУ), которыми оснащаются станки. Достоинствами метода являются: возможность получения отверстий самой различной формы, отсутствие больших сил взаимодействия между инструментом и обрабатываемой деталью. Поэтому не возникает наклепа, поверхностных дефектов, прижогов. Отсутствие таких дефектов повышает прочность (особенно усталостную), коррозионную стойкость, по сравнению с лезвийным и абразивным резанием. Кинематика станков проста. Обеспечивается точное регулирование и автоматизация процесса, универсальность, возможность обработки очень сложных наружных и внутренних поверхностей. Эти методы наиболее обоснованно применять для обработки очень прочных, хрупких или вязких материалов, очень тонких (фольга) листов из различных материалов. Электроискровая обработка (рис. 14.1, а). Источником разряда является генератор импульсов, который состоит из резистора R и конденсатора С, к которым подведено напряжение от источника постоянного тока. Используется ток прямой полярности (электрод – катод, изделие – анод), время импульса τ 20 ... 200 мкс. Электроды-инструменты изготавливаются из латуни, меди, могут быть меднографитовыми. Для предварительной обработки используют жесткий или средний режимы (ток более 100 А, энергия импульса 0,5…5 Дж). Для окончательной применяют мягкий режим (ток менее 10 А, энергия разряда 0,005…0,05

98

Дж). Обеспечивается точность обработки по 6…8 квалитетам, шероховатость Rа = 2,5 ... 0,4 мкм, производительность 35 ... 1200 мм3/мин. Этим методом можно обрабатывать ограниченные поверхности (250…1500 мм2). Хорошо обрабатываются труднообрабатываемые резанием твердые сплавы, неметаллы: алмаз, кремний, германий (полупроводники). Недостатком является низкая производительность, при жёстких режимах образуется дефектный слой до 0,5 мм. Кроме размерной обработки, этот метод применяется для упрочнения поверхностей деталей путем нанесения тонкого слоя металла или композита. Электроимпульсная обработка (рис. 14.1, б). Источником разряда является машинный преобразователь, преобразующий ток промышленной частоты в ток повышенной частоты низкого напряжения. Применяются более мощные разряды по сравнению с электроискровой обработкой, поэтому производительность процесса в 8…10 раз больше. Обработку можно выполнять на больших площадях (до 240 см2) с высокой производительностью (до 5000 мм3/мин). Длительτ= ность элекроимпульсов в виде дугового разряда значительно больше 500 ... 10000 мкс, поэтому шероховатость поверхности на 1…3 класса ниже, чем для электроискровой обработки. Общим недостатком электроискровой и электроимпульсной обработок является малая стойкость электродов-инструментов. Их приходится заменять после обработки 5…10 деталей. Электроконтактная обработка (рис. 14.1, в) применяется для обрубки литья, чернового шлифования корпусных деталей. Резание происходит в результате локального нагрева вплоть до плавления заготовки в месте контакта за счет импульсных дуговых разрядов от переменного тока. Диск не расплавляется изза быстрого вращения (30 ...80 м/с) и охлаждения. Метод имеет высокую производительность, большую мощность, обеспечивает хорошую (для черновой обработки) шероховатость (Rа ≈ 50 мкм). Анодно-механическая обработка основана на сочетании электромеханических и электротермических процессов и занимает промежуточное место между электроэрозионным и электрохимическим методами. Обработку выполняют в среде электролита, подаваемого через сопло. При прохождении постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения, и при соприкосновении инструмента-катода с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки-анода происходит процесс электроэрозии.

а

б

в

г

Рис. 14.1. Схемы электрофизической обработки: а – электроискровая; б – электроимпульсная; в – электроконтактная; г – анодно-механическая

14.2. Электрохимическая обработка 99

В основе лежит принцип анодного растворения при электролизе. При подаче постоянного тока на поверхности анода происходят химические реакции, продукты которых переходят в раствор или удаляются механическим путем. Для большей интенсивности процесса электролит подогревают до 40 ... 80 °С. Электрохимическое полирование показано на рис. 14.2, а. Процесс происходит в ванне с электролитом, состав которого выбирается в зависимости от обрабатываемого материала (растворы кислот, щелочей или солей NaCl, NaNO3, Na2SО4). Катодами являются металлические пластины. Прежде всего растворяются микровыступы вследствие большой плотности тока около них. В результате понижается шероховатость на 2...3 класса. При такой обработке не возникает дефектного слоя, что повышает коррозионную стойкость, предел выносливости и контактную прочность. Электрохимическая размерная обработка (рис. 14.2, б) позволяет изготавливать детали сложной конфигурации из труднообрабатываемых материалов. Между заготовкой и инструментом прокачивается под давлением электролит. В результате анодного растворения обработка происходит по всей поверхности инструмента.

а

б

в

Рис. 14.2. Схемы электрохимической обработки: а – полирование; б – размерная; в – электроабразивная и электроалмазная

14.3. Анодно-механическая обработка Электроабразивная и электроалмазная обработка (рис. 14.2, в). Применяются электропроводящие шлифовальные круги, которые являются катодом. Для этого используется электропроводящая связка (бакелитовая с графитовым наполнителем). Главное движение и движение подачи такие же, как при механической обработке, но вместо охлаждающей жидкости подается электролит. В результате анодного растворения снимается до 90 % припуска, остальное − при механическом воздействии шлифовального круга. При электрохимическом хонинговании производительность в 4 ... 5 раз выше, чем при механическом. Для электроалмазной обработки используются алмазные круги на металлической связке. Анодно-механическая резка. В качестве режущего инструмента могут применяться диски или лента из стали. Хотя инструмент не обладает высокой твёрдостью, этим методом можно резать очень твёрдые материалы, причём заготовки могут иметь большую толщину. Это достигается тем, что инструмент

100

только удаляет продукты растворения из зоны резания, а сам процесс резания обеспечивается анодным растворением. Используется постоянный ток с прямой полярностью. Заготовке и инструменту сообщаются движения такие же, как при обработке резанием. В зону обработки подается электролит. Чаще всего используют водный раствор жидкого стекла. В ходе обработки происходит анодное растворение (электрохимическое) и возникают электродуговые разряды (электроискровая эрозия) в момент контакта микронеровностей инструмента и заготовки. 14.4. Химическая обработка Травление в растворах кислот и щелочей с подогревом до 40 ... 80 °С. Затем нейтрализация и промывка. 14.5. Ультразвуковая обработка Ультразвуковая обработка производится абразивными зернами, которые совершают движение в определённом направлении, возникающее под ударами колеблющегося инструмента с частотой ϕ = 20 ... 30 кГц. Инструмент имеет форму, соответствующую форме обрабатываемой поверхности, например, отверстия. В зону обработки подается абразивная суспензия. Метод применяется для обработки хрупких (в т. ч. не проводящих ток) материалов, таких как стекло, алмаз, керамика, ферриты, кварц, кремний, драгметаллы, твердые сплавы. 14.6. Лучевая обработка Электронно-лучевая обработка проводится электронным лучом, создаваемым мощной электронной пушкой с рабочим напряжением до 150000 В. Обработка проводится только в глубоком вакууме, используется импульсный режим. В зоне обработки температура может достигать 6000 °С. За счёт очень точной фокусировки электронного луча обеспечивается высокая концентрация энергии (порядка 109 Вт на 1 см2). Таким образом можно получать отверстия с диаметром 1…2 мкм или резать металлы с такой шириной реза. Светолучевая (лазерная) обработка проводится с помощью оптических квантовых генераторов – лазеров, которые создают узкие направленные пучки видимого света с чрезвычайно высокой плотностью тепловой энергии. Энергия может фокусироваться на диаметре ≈ 0,01 мм. Пример – обработка отверстий в диафрагмах из фольги W, Ta, Mo, Cu толщиной δ ∼ 50 мкм, которая обеспечивает диаметр отверстий dотв.= 20 ... 30 мкм.

РАЗДЕЛ VII. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ

101

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕМА 15. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 15.1. Металлокерамические заготовки и изделия Металлокерамические (МК) заготовки и изделия получают прессованием смесей порошков в пресс-формах под давлением с последующим спеканием (холодное прессование). Прессование и спекание могут выполняться одновременно (горячее прессование). При спекании основной компонент не доводится до расплавления. Прессование производится на гидравлических и кривошипных прессах, спекание – в газовых и электрических печах. Достоинства метода: • возможность получения композиций из металлов, взаимно не смешивающихся и не растворяющихся в расплавленном виде (в т. ч. тугоплавких), или композиций металлов и неметаллов; • возможность получения материалов со специальными свойствами; • возможность использования отходов и получения материалов из руд, минуя стадию металлургии; • минимум механической обработки; • совмещены процессы получения материалов и готовых изделий; • высокий уровень механизации и автоматизации процесса. 15.2. Композиционные материалы

Таблица 8 Классификация композиционных порошковых материалов Группа материалов

Вид изделия по назначению Магниты Электротех- Электроконтакты нические Электрощетки Фильтры Пористые

Фрикционные и антифрикционные

«Потеющие» изделия Подшипники скольжения Тормозные накладки

Состав материала Порошки из чистого Fe, его сплавов, оксидов Смесь тугоплавких металлов (вольфрама, мoлибдена и др.) с медью или серебром Композиции графита с медью или серебром Порошки из бронзы, железа, титана, нихрома, коррозионно-стойкой стали и т. д. Материалы изготовляют из порошков с частицами преимущественно сферической формы, с пористостью до 50 % Материалы с пористостью до 30...40 % из коррозионностойкой стали, нихрома и др. Композиции на основе медного или железного порошка с пористостью до 10 ... 35 %, пропитанные парафином, маслом или пластмассой Композиции на основе железного или медного порошка с различными легирующими добавками (свинец, никель и др.) и неметаллическими компонентами (асбест, кварц, графит и т. д.)

Продолжение табл. 8 102

Группа материалов

Вид изделия по назначению Пластинки из твердых сплавов

Пластинки из Инструменсверхтвердых матальные териалов Минералокерамические пластинки (керметы) Компактные Различные детали конструкмашин и прибоционные ров Жаропрочные детали различных Термостой- изделий кие Тугоплавкие детали различных изделий СпециальДетали вакуумной ные аппаратуры Полупроводники

Состав материала Композиции на основе карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала). В качестве связующего используют кобальт Композиции на основе зерен алмаза, эльбора, гексанита. Связующим служит более мягкий металл Композиции на основе оксида алюминия с примесями металлов (молибдена, хрома) 2 ... 10 % Порошки из различных легированных и углеродистых сталей, цветных металлов и их сплавов с пористостью не более 1,0 ... 2,0 % Композиции на основе карбидов, боридов, нитридов тугоплавких металлов с чистыми тугоплавкими металлами Композиции на основе вольфрама, молибдена, тaнтала, ниобия, их карбидов и др. тугоплавких металлов и сплавов Композиции на основе железа и тугоплавких металлов Композиции на основе германия, бора и др.

15.3. Технология изготовления деталей Приготовление смеси. Исходные порошки отжигают в защитной или восстановительной атмосфере, сортируют по размерам частиц с помощью сит и воздушной сепарации. После составления заданной смеси, порошки тщательно смешивают в мельницах и смесителях. В процессе смешивания могут добавляться присадки различного назначения, например, пластификаторы для облегчения процесса прессования и получения более прочного брикета (парафин, стеарин), легкоплавкие вещества, активизирующие процесс спекания, летучие вещества, регулирующие пористость. Иногда порошки гранулируют для повышения текучести. Формообразование заготовок производится с целью придания требуемых форм, плотности и механических свойств. Применяется холодное прессование одно- или двухстороннее (рис.15.1) р = 200 ... 1000 МПа, гидростатическое прессование порошков в оболочке из резины, каучука или листового металла толщиной 0,1 ...0,15 мм в среде воды, масла, глицерина (рис. 15.2). Давление до 3000 МПа. Применяется также прокатка порошковых материалов (рис. 15.3). Прокаткой изготавливают ленты толщиной δ = 0,02 ...3 мм и шириной до 300 мм, а также биметаллы. Прокатка может сочетаться с последующим спеканием в проходной печи и окончательной прокаткой в размер. Тугоплавкие металлы, твердые сплавы, керметы получают выдавливанием с пластификаторами.

103

1 2 3

1 2 3

1 2 3

1

а

1 2 3

а б

Рис. 15.1. Схемы холодного прессования порошков: 1 – пуансон, 2 – пресс-форма, 3 – порошок, а – одностороннее, б – двухстороннее

Рис. 15.2. Схема гидростатического формования: 1 – сосуд, 2 – оболочка, 3 – порошок, жидкость

б

Рис. 15.3. Схемы прокатки порошков: а – однослойный материал; б – двухслойный материал 1 – бункер, 2 – порошок, 3 – вращающиеся валки, 4 – полоса

Спекание обеспечивает процесс образования прочного сцепления между частицами и формирования свойств материала. Производится путем нагрева отформованного или насыпного порошка без расплавления основного компонента. При этом одновременно протекают процессы диффузии, восстановления оксидов, рекристаллизации. Температура спекания = (0,7 ... 0,9) от температуры плавления однокомпонентного порошка или ниже температуры плавления матричного (основного) материала композиции. Для предотвращения окисления обеспечивается особая атмосфера печи. В большинстве случаев – восстановительная, а для химически активных – защитная (азот, аргон). Применяются также вакуум, защитные засыпки. Иногда легкоплавкий компонент расплавляют, он пропитывает спрессованный пористый каркас. Затем производится отжиг, иногда – науглероживание, азотирование и другие виды химико-термической обработки. Спеченные заготовки можно подвергать различным видам механической обработки и ОМД. Горячее прессование производится при температуре больше 0,7 t плавления порошка или ниже t плавления матричного материала композиции. Совмещает прессование и спекание заготовок. Процесс проводится в среде защитных газов. При t прессования = 500...600 °С материал пресс-форм – жаропрочные стали; при t = 800 ... 900 °С – твердые сплавы; при t > 900 °С (до 2500° ... 2600 °С) – только графит. Последние имеют низкую стойкость. Горячее прессование применяется редко для плохо прессуемых и спекаемых карбидов, боридов, нитридов. Окончательная обработка изделий из порошков. Для повышения коррозионно- и износостойкости: пропитка техническим маслом (в горячем масле или вакууме), затем калибровка на прессе, иногда дополнительное холодное уплотнение с последующим отжигом или повторным спеканием.

104

ТЕМА 16. ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ – ПЛАСТМАССЫ И РЕЗИНА 16.1. Пластмассы Пластмассы – это материалы, основу которых составляют высокомолекулярные соединения – полимеры. Макромолекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную либо пространственную (сшитую) формы (рис. 16.1).

а

б

в

Рис. 16.1. Схемы строения молекул полимеров: а – линейные макромолекулы; б – разветвление макромолекул; в – пространственные структуры

В цепях атомы связаны ковалентными связями, а между цепями – более слабыми межмолекулярными силами. Линейные полимеры хорошо растворяются, т. к. молекулы растворителя внедряются между макромолекулами и ослабляют связи между ними. Разветвления ослабляют межмолекулярные силы, снижают температуру размягчения. Пространственная структура делает полимер нерастворимым и неплавким. В зависимости от температуры полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состоянии. При стеклообразном состоянии колеблются лишь атомы в составе мономеров, а звенья и макромолекулы не перемещаются. Преимущественная деформация в этом состоянии – упругая. Полимеры с пространственной структурой бывают только в таком стеклообразном состоянии. Высокоэластичное состояние обеспечивается за счет колебания звеньев и изгибов макромолекул, что дает значительное обратимое изменение формы за счет совместных упругих и высокоэластичных деформаций. Вязкотекучее (жидкое) состояние обеспечивается за счет подвижности макромолекул. 16.2. Классификация полимеров и пластмасс Полимеры разделяются на простые и сложные. Простые состоят из одного полимера (капрон, полиэтилен, оргстекло). Сложные (композиционные) состоят из следующих компонентов: • полимер, выполняющий роль связующего вещества (30 ... 70 %); • наполнители, которые вводятся для придания определенных физикомеханических свойств (термостойкости, прочности, износостойкости); подразделяются на органические (древесная мука, хлопковый очес, кожа, целлюлоза, х/б ткань, бумага) и неорганические (асбест, окись Zn, каолин, кварцевая мука, графит, стекловолокно, стеклоткань); по форме частиц наполнители могут быть порошкообразные; волокнистые (органические и стеклянные волокна, асбест); слоистые – листовые (ткани, бумага, шпон);

105

• стабилизаторы – предотвращают процесс старения, т. е. самопроизвольный распад полимера под действием ультрафиолетовых лучей, повышенной температуры, кислорода, в результате чего пластмассы разлагаются либо твердеют и делаются хрупкими; • пластификаторы – для облегчения переработки в изделия, увеличения текучести, эластичности, уменьшения хрупкости при формовании (касторовое масло, дибутилфталат и др.); • красители органические и неорганические; • специальные добавки: смазывающие, катализаторы – ускорители отверждения (известь, магнезия, олеиновая кислота, стеарин). Для газонаполненных (поро- и пенопласты) – газообразователи (горючие). По происхождению полимеры бывают природные (натуральный каучук, целлюлоза, асбест) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды, смолы). По химическому составу разделяются на: • органические и элементоорганические, молекулярная цепочка которых в основном образована атомами углерода с некоторыми другими элементами (кислород придает гибкость, фтор – химическую стойкость, хлор – огнестойкость и пр.); • неорганические, основа которых – оксиды Si, Al, Mg и др. (силикатное стекло, керамика, слюда, асбест, графит), отличаются плотностью, хрупкостью и длительной теплостойкостью. По фазовому составу: аморфные (молекулы неупорядочены) и кристаллические. Кристаллическая фаза придает теплостойкость, жесткость и прочность. По поведению при нагреве: термопластичные (обратимые), имеют линейную или разветвленную структуру; и термореактивные (необратимые), имеют пространственную структуру. Термопластичные при нагревании могут изменять агрегатное состояние, переходить из твердого состояния в жидкое и обратно (полиэтилен, полистирол, акрилат и другие). Термореактивные при нагревании переходят в вязкотекучее состояние, а потом претерпевают химические изменения (образуются пространственные структуры) и превращаются в твердые и неплавкие материалы, т. е. происходящие в них при нагреве изменения необратимы (фенопласты, аминопласты, полиамиды и др.), затвердевают при нагреве. По прочности: низкой (полиэтилен, фторопласты); средней (фенопласты, полистирол, полиамиды – капрон, капролон); высокой прочности (стеклопластики). Технологические свойства пластмасс: текучесть, усадка, скорость отверждения реактопластов (зависит от состава и температуры), термостабильность термопластов – время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения. Влага и летучие вещества понижают диэлектрические показатели реактопластов, увеличивают время выдержки и коробление, ухудшают внешний вид. Поэтому для них требуется подсушка. 16.3. Типовые термопластичные материалы (термопласты) 106

Полиэтилен: химически стоек, высокая теплостойкость и механическая прочность. Назначение: пленки, трубы, изоляция проводов и кабелей, покрытия на металлах. Полипропилен: химически стоек. Применяется для текстильных изделий в качестве эластичных и прочных волокон. Изготавливают конструкционные детали и различные емкости. Полистирол: твердый, жесткий, прозрачный аморфный пластик, растворяется в бензолах, но стоек к слабым кислотам, щелочам, спиртам, не растворяется в маслах и бензоле, склонен к старению и образованию трещин. Ударопрочный полистирол с добавкой синтетического каучука – отличный диэлектрик, обладает абсолютной стойкостью к воде. Применение: детали радио- и телетехники, фотоаппаратуры, корпусов машин, трубы, автомобильные детали. Фторопласт: термически стойкий, не горит, высокая химическая стойкость, не смачивается водой, имеет низкий коэффициент трения, тепло- и морозоустойчив, высокие диэлектрические свойства. Применение: детали химической аппаратуры, антифрикционные покрытия, электротехника, радиотехника. Поливинилхлорид: химически стоек, негорюч, упруг и прочен. Винипласт (разновидность поливинилхлорида). Применение: трубы для агрессивных сред, покрытия гальванических ванн. Полиамиды: капрон, нейлон и др. Стойки к бензину, спирту, щелочам. Прочность полиамидных волокон достигает σВ = 600 МПа. Хорошо работают на износ, удар, имеют низкий коэффициент трения. Недостатки: гигроскопичность, старение за счет окисления. Применение: зубчатые колеса, шкивы, подшипники, уплотнители, трубы, волокна, канаты, антикоррозионные и антифрикционные покрытия. Лавсан: сложный полиэфир, кристаллический полимер, химически стоек, морозостоек до – 70 °С. Применяется для изготовления волокон, ткани, пленки, ремней, зубчатых колес и др. Термопластичные пластмассы с наполнителями Наполнителями могут быть капроновые и лавсановые волокна. В сложных термопластах применяют также стеклоткани. Например, капрон со стеклотканью имеет σВ = 400 ... 430 МПа, t раб. до 220 °С. Полиамиды со стеклянными волокнами имеют прочность до σВ = 90 ... 150 МПа, высокую теплостойкость, износостойкость, усталостную прочность. 16.4. Типовые термореактивные материалы (реактопласты) Связующие – термореактивные полимеры: • эпоксидные (со стеклопластиком – tраб. до 200 °С); • фенолформальдегидные (до 260 °С); • кремнийорганические (до 370 °С); • полиамидные смолы (до 350 °С), а также непредельные полиэфиры (до 200 °С). Отвердитель переводит их в твердое необратимое состояние. Связующие должны обладать высокой адгезией, тепло- и химической стойкостью, малой усадкой. Пресс-порошки (фенопласты и аминопласты): наполнители органические (древесная мука, целлюлоза) или минеральные (тальк, графит, кварц) в виде порошков. 107

Эти пластмассы химически стойки, но имеют низкую ударную вязкость. Применение: электроизоляционные материалы, элементы несиловых конструкций. Слоистые армированные реактопласты Волокниты: наполнитель – очесы хлопка. Асбоволокниты: наполнитель – волокнистый асбест, tраб. до 200 °С, химически стойки к кислотам, имеют высокую ударную прочность, высокие фрикционные свойства. Применение: тормозные накладки и вставки. Стекловолокниты: наполнитель – высокопрочные короткие стеклянные волокна. Химически стойкие, негорючие, технологичные. Их применение в качестве наполнителя длинных ориентированных стеклянных волокон повышает прочность в 3 ... 5 раз. Применение: высокопрочные крепежные детали и детали машин. Пластмассы с листовыми наполнителями Гетинакс: с бумажными наполнителями, электротехнический и декоративный, химически стоек. Применение: щитки, панели. Текстолит: с хлопчатобумажной тканью. Применение: зубчатые колеса, вкладыши подшипников. Древесно-слоистые пластики (ДСП): наполнитель – древесный шпон, бесшумные в работе и долговечны. Детали швейных и текстильных машин. Асботекстолит: наполнитель – асбестовая ткань, фрикционный и термоустойчивый материал. Стеклотекстолит: наполнитель – стеклоткань, химически стоек. Недостатки: анизотропия и невысокий модуль упругости. Применение: корпуса лодок, кузова автомашин. Трудоемкость изготовления пластмассовых деталей ниже в 5 ... 6 раз по сравнению с металлическими за счет короткого цикла производства (малооперационность). 16.5. Резиновые материалы Резина – продукт горячей или холодной вулканизации каучука с серой и другими добавками. Резины химически стойки, газо- и водонепроницаемы, стойки на истирание, являются электроизоляторами, имеют низкий модуль упругости (Е = 1 ...10 МПа), малосжимаемы. Натуральный каучук (НК) имеет плотность ρ = 0,91 … 0,92 Мг/м3, аморфный полимер, растворяется в бензине, бензоле и др. растворителях, образуя клеи, tраб. = 70 ... 130 °С, σв = 24 ... 34 МПа. Мягкие резины содержат 1 ... 3 % серы (S) от массы каучука, твердые (эбонит) – до 30 % S. Добавка хлористой серы обеспечивает холодную вулканизацию. Ускорители вулканизации (MgO, ZnO) – 0,5 ... 1,5 %. Наполнители резины: порошкообразные сажа, тальк, мел; тканевые – х/б, шелк, корд. Пластификаторы (парафин, стеарин, канифоль) служат для облегчения смешивания резиновой смеси, придания ей мягкости и морозостойкости. Противостарители: вазелин и др. Красители: охра и др. Применение: ремни, рукава, шины, изоляция кабелей и др. изделия из резин общего назначения. Специальные резины

108

Маслобензостойкие, например, наирит, плотность ρ = 1,225 Мг/м3, высокая эластичность, вибростойкость, но уступает по морозо- и теплостойкости резинам общего назначения. Теплостойкие, плотностью ρ = 1,7 … 2 Мг/м3, tэкспл. = 60 ... 200 °С. Износостойкие на основе каучука СКУ. Из спецрезин изготавливают ремни, транспортерные ленты, уплотнители, манжеты, диафрагмы, гибкие шланги. ТЕМА 17. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ 17.1. Переработка пластмасс в вязкотекучем состоянии Прессование реактопластов осуществляется в обогреваемых пресс-формах на гидропрессах. Применяется в основном для изделий из пресс-порошков и таблеток. Прессование прямое показано на рис. 17.1, а, б, в. Материал загружается непосредственно в полость матрицы. Прессование + выдержка + подпрессовка (подъем пуансона на 2–3 сек на 5–10 мм для выхода летучих веществ и паров влаги, выделяющихся при полимеризации – отверждении). Время выдержки 0,5 ... 2 мин на 1 мм толщины стенки детали. Подогрев электрический для реактопластов или паром для термопластов, температура поддерживается автоматикой. Предварительный подогрев (до формовки) – ТВЧ. Изготавливают детали небольшие, средней сложности, из термореактивных материалов с порошкообразным и волокнистым наполнителями. Преимущества: простая конструкция пресс-формы, высокая механическая прочность изделия, т. к. давление оказывается непосредственно на формуемый материал. Недостатки: возможность повреждения тонких элементов пресс-формы и арматуры изделия, образование облоя. Прессование литьевое (рис. 17.1, г): материал загружается в специальную камеру, где он переходит в пластичное состояние и перетекает через литниковую систему в рабочую полость пресс-формы. Перепад давления до 50 %. 1

1 2 3 4 5

4 5

2

3

а

6

б

в

г

Рис. 17.1. Схемы прессования пластмасс: а, б, в – прямое; г – литьевое; а, б, в : 1 – пуансон, 2 – материал, 3 – пресс-форма, 4 – готовая деталь, 5 – выталкиватель г : 1 – пуансон, 2 – загрузочная камера, 3 – литниковая плита, 4 – готовая деталь, 5 – матрица, 6 – выталкиватель

109

Преимущества: не вызывает значительных деформаций элементов прессформы и арматуры изделия, можно получать глубокие отверстия, устанавливать сложную и тонкую арматуру, не нужна подпрессовка, т. к. летучие вещества выходят в зазор между матрицей и литниковой системой. Недостатки: пониженная механическая прочность и анизотропность структуры изделия из-за ориентации частиц наполнителя перпендикулярно направлению литья, необходимость высокой текучести материала, увеличенные отходы, сложнее пресс-формы. Этим способом изготавливают сложные изделия, в т. ч. армированные. Литье под давлением (рис. 17.2). Используются в основном термопласты, но применяются и реактопласты с хорошей текучестью. Высокие: качество материала, точность изделия и производительность. Термопласты, в отличие от реактопластов, размягчаясь под действием температуры 50 ... 70 °С и давления, затвердевают не при нагреве, а при охлаждении. Материал выдавливается из обогреваемого цилиндра (t = 185 ... 280 °С) в охлаждаемую водой форму. Режим литья определяют: t материала, t формы, давление, время хода, время выдержки, время паузы, сила смыкания, скорость плунжера. Производительность в 20 ... 40 раз выше, чем при прессовании. 3 4

12

5

6

7 8

9

Рис. 17.2. Схема литья под давлением: 1 – пресс-форма, 2 – изготовляемая деталь, 3 – сопло, 4 – электронагреватель, 5 – рассекатель, 6 – рабочий цилиндр, 7 – поршень, 8 – загрузочный бункер, 9 – дозатор

Центробежное литье применяется для изготовления крупногабаритных и толстостенных деталей из термопластов, полиамидных смол, капролактама, имеющих форму тела вращения (трубы, кольца, шкивы, бутылки, флаконы). Выдавливание непрерывное (рис. 17.3), применяется для изготовления труб, лент, пленки, нанесения защитных оболочек на провода, кабели и т. п. из термопластов. 1

2

3

4

5

а

6

б

Рис. 17.3. Непрерывное выдавливание: а – схема установки; б – профили получаемых деталей; 1 – бункер, 2 – червяк, 3 – рабочий цилиндр, 4 – нагревательный элемент, 5 – оправа, 6 – калиброванная поковка

110

Используется машина с червячным винтом, имеющим частоту вращения n червяка 20 ... 200 об/мин, расплавление производится электроподогревателем и за счет трения. Для получения труб применяются оправки с отверстиями для прохода материала. Так перерабатывают ≈ 65 % термопластичных материалов. Аналогично выдавливают через кольцевую щель и раздувают сжатым воздухом пленки из полиэтилена, полипропилена и т. п., а затем сматывают в сложенном состоянии в рулон (толщина до 40 мкм, ширина до 1600 мм). Каландрирование (вальцевание) листов и пленки из более жестких термопластов (например, поливинилхлоридов): размягченный термопласт пропускают между валками (толщина до 0,050 мм, V пленки < 180 м/мин). Применяют также при производстве резиновых лент (рис. 17.4).

3 4 3 2 1

Рис. 17.4. Схема получения прорезиненных тканей: 1 – барабан, 2 – ткань, 3 – валки каландров, 4 – резиновая смесь

Пленки из нитратоцеллюлозы, ацетата целлюлозы, вискозы получают на поливочных машинах: разведенный в растворителе полимер через щелевое отверстие подают на движущуюся ленту конвейера. В специальных камерах растворитель испаряется, а затвердевшая пленка сматывается в рулон. Сложная установка, большой расход растворителей, пожароопасность, поэтому данный способ применяют, когда другие не пригодны (фото- и кинопленка, целлофан). Переработка пластмасс в высокоэластичном состоянии (для крупногабаритных деталей из термопластичных листовых материалов). Пневматическая и вакуумная формовка термопластов (винипласт, полистирол, плексиглас, целлулоид) (рис. 17.5). Нагрев листов в электрошкафах с вентиляторами для равномерности нагрева, формовка. Матрица подогрета до 40 ... 60 °С. Воздух также подогревают до 50 ... 70 °С. Вакуумная установка проще, но из-за небольшого вакуума нельзя обработать толстые листы (> 2,5 мм) и жесткие термопласты. Пневматическая футеровка труб пластмассой. Разновидность – формовка без пуансона или матрицы: зажимают края заготовки и сжатым воздухом формируют в свободном состоянии сферические изделия, которые в таком случае получаются с высокой прозрачностью (колпаки кабин самолетов, детали оптики и светотехники). Применяют и комбинации различных способов, например, формовка в универсальных камерах.

111

3

3 2

2

1

1

Штамповка из листового материала применяется в основном для деталей не замкнутых в пространстве форм – козырьки, обтекатели, стекла кабин. Производится на механических и гидравлических прессах жестким или эластичным пуансоном. При штамповке оптических материалов пуансон и матрицу покрывают замшей или байкой. В пуансонах и матрицах выполняют отверстия для выхода воздуха. 17.2. Изготовление деталей из жидких пластиков Для изготовления деталей из жидких пластиков используют в основном эпоксидные и полиэфирные смолы, отверждающиеся при комнатной температуре при добавлении отвердителей и ускорителей. Они имеют высокую адгезию к наполнителям (стеклоткани и стекловолокно, х/б ткани и волокна, металлическая сетка и проволока, волокна углерода и бора, нитевидные кристаллы и т. д.). Контактная формовка: крупногабаритные детали с наполнителями из стеклотканей, стекломатов. Формы из дерева, гипса и легких сплавов. На рабочую поверхность формы наносят разделительный слой, чтоб не прилипала смола, затем поочередно связующий слой + ткань с приглаживанием до получения требуемой толщины, отверждение при комнатной температуре в течение 5 ... 50 часов в зависимости от вида связующего. Можно увеличить температуру до 60 ... 120 °С, тогда время отвердевания сокращается. Метод малопроизводителен, качество недостаточно, но простая оснастка. Применяют в опытном и мелкосерийном производстве. Вихревое напыление применяется для крупногабаритных деталей из стеклопластиков (кузова автомобилей, корпуса лодок, емкости и т. п.). Измельченные стекловолокно и полиэфирная смола с отвердителем и ускорителем наносятся на форму пульверизатором со сжатым воздухом, уплотняются вручную роликом. Центробежная формовка используется для крупногабаритных тел вращения, толщина стенки S = 2...15 мм, диаметр до 1 м и высота до 3 м. После нанесения смеси на поверхность центробежным способом производится обжим изнутри с помощью резинового мешка под давлением сжатого воздуха. 17.3. Обработка пластмасс резанием Разделительная штамповка производится так же, как и у металлов. Для предотвращения трещин и сколов применяют двухступенчатые пуансоны: пробивка + зачистка. Используются гидро- и механические прессы. Особенности обработки резанием.

112

Так как пластмассы имеют значительные колебания усадки при затвердевании детали, то это способствует снижению точности. При обработке резанием нарушается поверхностная смоляная пленка, снижается химическая стойкость, повышается влагопроницаемость. Пластмассы имеют низкую прочность, однако низкая теплопроводность приводит к перегреву режущего инструмента, обугливанию и прожогу реактопластов в зоне резания, что не дает повысить скорость обработки. Температура в зоне резания должна быть менее 60 ... 120 °С для термопластов, и менее 120 ... 160 °С для реактопластов. При обработке реактопластов, особенно со стеклянным наполнителем, снижается стойкость инструмента. Такие термопласты, как оргстекло, полистирол, фторопласт, можно обрабатывать инструментом из углеродистой и быстрорежущих сталей. Остальные следует обрабатывать твердыми сплавами, инструментом из алмазов или эльбора. При обработке реактопластов со слоистыми и волокнистыми наполнителями СОЖ не применяют во избежание набухания материала заготовки. При точении используют малый главный угол резания δ. Переднюю поверхность резцов полируют для лучшего схода стружки. Фрезерование применяется только попутное во избежание расслаивания. Зубья с передним углом 20…30°, число их минимально – 2 ... 4. При сверлении сначала делают малые отверстия, диаметром 5 ... 6 мм, затем увеличивают их. Сверло несколько раз выводят для исключения перегрева. Нарезание резьб производят со смазкой и малыми скоростями. При шлифовании реактопласты обрабатывают абразивными кругами; термопласты обрабатывают в основном эластичными кругами с добавлением паст из пемзы (пыль) с водой. Полирование производится кругами из х/б и шерстяной ткани; предварительное – с пастой, окончательное – без пасты. Сварка (только для термопластов): нагрев до вязкотекучего состояния в местах соединения посторонними источниками (нагретым газом, инструментом или присадочными материалами) либо за счет тепла, генерируемого в самой пластмассе (трением, ТВЧ, УЗК). Склеивание производится для соединения разнородных материалов. Термопласты соединяют с помощью растворителей или специальных клеев. Например, полистирол склеивают бензолом или раствором полистирола в бензоле; оргстекло и винипласт – дихлорэтаном, ацетоном и их растворами в этих же растворителях. Обезжиривают, дают небольшое давление и выдержку 2–6 часов. Реактопласты склеивают клеями на основе фенолформальдегидных смол, полиуретановых, эпоксидных и др. Широко применяются клеи БФ-2, БФ-4 и др. 17.4. Изготовление резиновых технических изделий Подготовка резиновой смеси. Пластификация: каучук многократно пропускают через специальные вальцы, подогретые до 40 ... 50 °С, после чего он пере-

113

ходит в пластичное состояние и хорошо смешивается с другими компонентами. Смешивание производят в червячных или валковых смесителях. Формообразование изделия производят с использованием давления (техпроцессы аналогичны пластмассам): 1. Каландрирование с подогревом для получения сырой резиновой смеси в виде листов и лент; 2. Непрерывное выдавливание на прессах червячного типа (шприцевание); 3. Прессование на гидропрессах (с армированием в т. ч.): горячее на гидропрессах с обогреваемыми плитами, давление р = 20 ... 100 атм., t = 140 ... 155 °С, одновременно – формообразование и вулканизация (клиновые ремни вулканизируют дополнительно); 4. Холодное (из эбонитовых смесей – батареи, химические емкости), после прессования – вулканизация. 5. Литье под давлением р < 120 МН/м2 (1200 атм.) при t = 80 ... 120 °С, одновременно – вулканизация. Вулканизация сырой отформованной резиновой смеси серой, металлическим натрием или диаминбензолом. Горячая вулканизация: выдержка при t = 130 ... 150 °С под давлением 0,1 ... 0,4 МН/м2 в автоклавах или специальных котлах. Холодная: обработка раствором полухлористой серы.

114

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Дриц М. Е., Москалев М. А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учебник для вузов. – М.: ВШ, 1990. – 447 с. 2. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов/ Дальский А. М., Барсукова Т. М., Бухаркин Л. Н. и др.; Под ред. А. М. Дальского. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1993. – 447 с. 3. Ансеров Ю. М. и др. Машины и оборудование машиностроительных предприятий: Учебник для вузов. – Л.: Политехника, 1991. – 363 с. 4. Фетисов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов: Учеб. пособие / – М.: ВШ, 2000. – 638 с.

115

СОДЕРЖАНИЕ Принятые обозначения и сокращения ……………………………..……… Введение. Некоторые понятия и определения..…….................................... РАЗДЕЛ I. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА........ Тема 1. Кристаллическое строение и свойства металлов и сплавов ..... 1.1. Свойства материалов ……………………......................………. 1.2. Виды деформации ……………………………………...........…... 1.3. Механические свойства ………………………………….....…… 1.4. Технологические свойства ………………………………....…... Тема 2. Железоуглеродистые сплавы. Термическая и химикотермическая обработка стали …………..................…………… …. 2.1. Сплавы …………………………………………………………… 2.2. Термообработка …………………………………………………. 2.3. Химико-термическая обработка................................................... Тема 3. Классификация, маркировка и применение металлов и сплавов.................................................................................................... 3.1. Основные примеси железоуглеродистых сплавов ….………… 3.2. Классификация сталей …………..…………….……………….. 3.3. Конструкционные углеродистые стали………………………... 3.4. Инструментальные углеродистые стали...................................... 3.5. Конструкционные легированные стали....................................... 3.6. Инструментальные легированные стали………………………. 3.7. Стали и сплавы с особыми свойствами....................................... 3.8. Чугуны …………………………………………………………… 3.9. Цветные металлы и сплавы …………………………………….. РАЗДЕЛ II. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО................................................ Тема 4. Сущность литья. Литье в разовые песчано-глинистые формы... 4.1. Литье ……………………………………………………………... 4.2. Основные характеристики и требования к формовочным смесям …………............................................................…………... 4.3. Формовка ………………………………………………………… Тема 5. Плавка чугуна и стали ……………………………………….…. 5.1. Литейные свойства сплавов …………………………………….. 5.2. Исходные материалы для плавки ………………………………. 5.3. Получение чугуна в доменной печи ..………………………….. 5.4. Плавка стали ……………………………………………………... 5.5 Новые способы производства (переплава) стали ……………... Тема 6. Специальные способы литья …………………………………... 6.1. Литье в оболочковые формы …………………………………… 6.2. Литье по выплавляемым моделям ……………………………... 6.3. Литье в кокиль …………………………………………………... 6.4. Центробежное литье …………………………………………….. 6.5. Литье под давлением………………………………………….…. РАЗДЕЛ III. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ (ОМД)................. Тема 7. Сущность обработки металлов давлением. Нагрев металла под ОМД ………………...........................………………………….… 7.1. Холодная пластическая деформация …………………………... 7.2. Горячая пластическая деформация …………………………….. 116

3 4 7 7 7 9 11 14 14 14 18 22 23 23 24 24 25 25 26 26 26 28 30 30 30 31 33 34 34 36 36 38 42 44 44 44 45 46 47 48 48 48 48

Тема 8. Получение машиностроительных профилей …………….…… 8.1. Основные виды профилей ………………………………….…… 8.2. Прокатка …………………………………………………….……. 8.3. Волочение ………………………………………………………... 8.4. Прессование ………………………………………………….…... Тема 9. Кузнечно-прессовое производство ……………………………. 9.1. Исходные материалы ……………………………………….…… 9.2. Кузнечно-прессовое оборудование …………………………….. 9.3. Свободная ковка ручная и машинная ………………………….. 9.4. Объемная холодная и горячая штамповка ……………………. 9.5. Листовая штамповка ………………………………………….…. 9.6. Ротационные способы изготовления поковок.............................. РАЗДЕЛ IV. СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО.............................................. Общие понятия о сварке плавлением и давлением………………….… Тема 10. Сварка плавлением (термическая) …………………….……... 10.1. Электрическая дуговая сварка …………………………...……. 10.2. Плазменная сварка ………………………………………..……. 10.3. Особые виды электросварки……………………………..…….. 10.4. Газовая сварка ……………………………………………..…… Тема 11. Термомеханическая и механическая сварка ………………... 11.1. Свариваемость металлов и сплавов............................................ 11.2. Пайка………………………………………………………..…… РАЗДЕЛ V. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК..................... Тема 12. Сущность обработки металлов резанием, металлорежущие станки и инструмент ……………………………………………….. 12.1. Параметры режима резания..…………………………..………. 12.2. Обрабатываемость конструкционных материалов................... 12.3. Инструментальные материалы …………………………..……. 12.4. Классификация металлорежущих станков ................................ Тема 13. Технологические процессы механической обработки............ 13.1. Основные технологические методы обработки заготовок деталей машин …………………………………………………... 13.2. Строгание, долбление, протягивание......................................... 13.3 Обработка отверстий на сверлильных и расточных станках.... 13.4. Фрезерование................................................................................. 13.5. Шлифование .............................................................................… 13.6. Методы отделки поверхностей.................................................... РАЗДЕЛ VI. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ..... Тема 14. Электрофизические и электрохимические методы обработки................................................................................................. 14.1. Электроэрозионные методы........................................................ 14.2. Электрохимическая обработка …………………………...…… 14.3. Анодно-механическая обработка …………………..….……… 14.4. Химическая обработка................................................................. 14.5. Ультразвуковая обработка …………………...…………..…… 14.6. Лучевая обработка ………………………………………..…… РАЗДЕЛ VII. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................................................................ 117

51 51 51 52 53 54 54 54 55 57 58 60 61 61 61 61 67 67 68 71 74 77 78 78 80 81 82 82 83 83 85 89 90 93 95 98 98 98 100 100 101 101 101 102

Тема 15. Изготовление деталей из порошковых материалов................. 15.1. Металлокерамические заготовки и изделия............................. 15.2. Композиционные материалы ………………………………..… 15.3. Технология изготовления деталей.............................................. Тема 16. Полимерные композиционные материалы – пластмассы и резина ……………………………………………..…………….…... 16.1. Пластмассы ……………………………………………………... 16.2. Классификация полимеров и пластмасс ……………………… 16.3. Типовые термопластичные материалы (термопласты)............. 16.4. Типовые термореактивные материалы (реактопласты)............ 16.5. Резиновые материалы ………………………………………….. Тема 17. Изготовление деталей из пластмасс и резины ………….…… 17.1. Переработка пластмасс в вязкотекучем состоянии................... 17.2. Изготовление деталей из жидких пластиков ……………...…. 17.3. Обработка пластмасс резанием ………………..….…………... 17.4. Изготовление резиновых технических изделий ….…….…….. Список рекомендуемой литературы.......................................................... Содержание...................................................................................................

118

102 102 102 103 105 105 105 107 107 108 109 109 112 112 113 115 116

Александр Владимирович Белов Евгений Павлович Богданов Николай Иванович Привалов Александр Александрович Шеин

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ОТРАСЛЕЙ КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ

Редакторы Попова Л. В., Пчелинцева М. А. Темплан 2005 г., поз. № 15. Подписано в печать 15. 07. 2005 г. Формат 1/8. Бумага потребительская. Гарнитура ”Times“. Усл. печ. л. 14,9 . Усл. авт. л. 14,5. Тираж 100 экз. Заказ Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28. РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131 Волгоград, ул. Советская, 35. Отпечатано в муниципальном унитарном предприятии ”Камышинская типография“ Лицензия ИД № 05440 от 20 июля 2001 г. 403882, Волгоградская обл., г. Камышин, ул. Красная, 14.

119