Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
tarn метам
1 tap
ПОД ОБЩЕЙ РЕДАКЦИЕЙ ПРОФ. П. И. ПОЛУХИНА
Допущено
Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов строительных специальностей вузов
«fl*
Т38Ч
УДК 62i .7(075.8)
П. И. Полухин, Б Г. Гринберг, В. Т. Жадан, С. К. Кан-теник, Д. И. Васильев
Рецензент — кафедра «Технология металломМосковского автомобильно-дорожного института
Научный редактор Л- К- Натансон
Технология металлов и сварка. Учебник для ву- Т38 зов. Под ред. П. И. Полухина. ЛТ, «Высш, школа», 1977.
464 С. С ИЛ.
На обороте тит. л. авт.: П. И. По л у х и н, Б. Г. Гринберг, В. Т. Ж а да н [и др.].
В учебнике изложены основы производства черных и цветных металлов, литейного производства, обработки металлов давлением, сварочного производства: рассмотрены важнейшие вопросы металловедения и термичсек й лЛт^пткн а также обработки металлов резанием, обраСо™ . так и научному уровню учебник отвечает требованиям пгогрПа^Я™” ветсгвующего ку^ утвержденной /^но-метод=м управлением Министерства высшего и среднего специального образ НИЯ СССР.пя студентов строительных специальностей техни- чески^оГи ъ™^^^’в качестве учебного пособия для
студентов-заочников немашнностроительных специальностей.
61136113_3H0I-057_g7_77 001(01)—77
6113
6113
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник написан по программе курса «Технология металлов и сварка» для студентов строительных специальностей высших учебных заведений.
Изучение технологии металлов способствует успешному усвоению специальных дисциплин, формирующих технический кругозор инженера-строителя.
Ознакомление со способами получения черных и цветных металлов и сплавов, знание их основных свойств и методов обработки необходимы для правильного выбора и использования металлических материалов в строительстве. Инженер любой строительной специальности должен знать, как вли яют на свойства металлов режимы термической и других обработок и что можно сделать для изменения свойств металлов в нужном направлении.
Получая необходимые знания по технологии металлов, студенты строительных специальностей должны более подробно изучать те строительные материалы, которые непосредственно связаны с их дальнейшей практической деятельностью. Поэтому в разделе «Металловедение и термическая обработка» содержатся сведения о строительных сталях, их свойствах и областях применения; в разделе «Обработка металлов давлением» полнее изложена технология прокатки строительных профилей (арматурной стали, тонкостенных балок, швеллеров, шпунтовых свай, полосовой стали и труб), а также экономичных профилей проката переменного и постоянного сечения; в разделе «Сварка и огневая резка металлов» подробно описана технология сварки строительных конструкций.
В разделе «Обработка металлов резанием» не рассмотрена слесарная обработка металлов, так как с основными ее операциями и применяемым инструментом студенты очного обучения подробно знакомятся на производственной практике, а студенты заочного обучения — во время работы на предприятиях.
Учебник составлен коллективом авторов под общей редакцией докт. техн, наук, проф. П. И. Полухина. Разделы первый, второй и пятый написал проф. Б. Г. Гринберг; третий — проф. С. К. Кантеник; четвертый — докт. техн, наук, проф. П. И. Полухин и проф. Д. И. Васильев (глава «Ковка и штамповка металлов»); введение и шестой раздел — проф. В. Т. Жадан; доц. канд. техн, наук В. С Ермаков принимал участие в написании § 5 «Термомеханическая обработка стали» главы XI.
Все замечания и пожелания, направленные на улучшение учебника, следует* посылать в издательство «Высшая школа» по адресу: Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Металлы — наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека* Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.
Производство и обработка металлов возникли очень давно и достигли современного технического уровня развития в результате использования практического опыта и достижений науки многих поколений человеческого общества.
Сначала человек использовал для различных целей самородные металлы — золото, серебро, медь. Затем он научился получать металлы и сплавлять их друг с другом. Получение бронзы (прочного и твердого сплава меди с оловом, а позднее и с некоторыми другими элементами) открыло новую эпоху в развитии материальной культуры, называемую бронзовым веком* Позже была освоена выплавка железа.
Первыми плавильными агрегатами для получения железа из руд были неглубокие земляные ямы (горны), в которые загружали измельченную железную руду и древесный уголь. При горении древесного угля руда превращалась в сыродутное железо. Его извлекали из горна в виде комков (железных криц) и подвергали ковке. К ХШ—XIV вв. нашей эры сыродутные горны заменили круглыми шахтными печами— домницами. В них развивались более высокие температуры, чем в сыродутных горнах, и происходило насыщение железа углеродом. В результате в нижней части домницы получался жидкий металл — чугун. Из чугуна изготовляли простые отливки (плиты, шары и т. п.). Эти отливки обладали достаточной прочностью, но были хрупкими и не поддавались ковке.
Постепенно форму домницы изменяли, а се размеры увеличивали. Ее стали называть доменной печью, являющейся до сих пор основным агрегатом для производства чугуна.
Современные доменные печи — это крупные высокомеханизированные и автоматизированные агрегаты большой единичной мощности. В нашей стране на Криворожском металлургическом заводе им- В. И. Ленина в 1974 г. введена в строй самая мощная в мире доменная печь объемом 5000 м3; она обеспечивает выпуск около 4 млн. т чугуна в год.
Примерно в середине XIV в. научились перерабатывать хрупкий чугун в очень прочный и ковкий металл — сталь, выжигая углерод из жидкого чугуна в так называемых кричных горнах.
Позднее кричный процесс сменили более совершенные способы передела чугуна в сталь — пудлинговый, бессемеровский, томасовский и мартеновский» Последние три способа, а также электроплавка находят широкое применение в современном сталеплавильном производстве.
При этом основным направлением научно-технического прогресса в сталеплавильном производстве является кислородно-конверторный способ производства стали. В 1974 г. на Ново-Липецком металлургическом заводе введен в строй кислородно-конверторный блок, который обеспечивает выпуск 4 млн. т стали в год.
Применение кокса (первая половина XVIII в) и использование горячего дутья (начало XIX в.) в доменных печах создали огромные возможности для дальнейшего расширения выплавки чугуна и связанного с ним производства стали»
Существенную роль в развитии отечественной металлургии чугуна и стали сыграли работы At. В. Ломоносова, М. А. Павлова, А. А. Байкова, И. П. Бардина и многих других.
Наши соотечественники П. П. Аносов и Д. К. Чернов в XIX в. заложили основы металлографии — науки о строении металлов и сплавов,
В настоящее время металлография и смежные с ней науки содержат глубокие знания о строении металлов и сплавов и природе внутренних связей в них. На основе этих данных разработаны методы термической (тепловой) обработки металлов и сплавов, измениющей их механические и физические свойства в нужном направлении.
Одновременно с развитием и усовершенствованием методов получения черных и цветных металлов развивалась и совершенствовалась технология их обработки. К основным технологическим способам обработки металлов относят литейное производство, обработку давлением (прокатку, волочениещрессование, ковку, штамповку), сварку и огневую резку, термическую обработку, обработку резанием (механическая обработка) и различные виды электрофизических и электрохимических способов размерной обработки металлов.
Производство литых металлических изделий было известно в глубокой древности, но более широко стало развиватьси после XIV в., когда научились получать в земляных формах отливки из жидкого чугуна, выплавляемого в доменных печах.
В конце XVIII в. была предложена опрокидывающаяся шахтная печь, явившаяся прототипом вагранки, а несколько позже — и вагранка для переплавки чугуна; это расширило возможности литейного производства.
Для удовлетворения непрерывно возрастающих потребностей машиностроительной промышленности в практику литейного производства постепенно вводили новые способы литья, а также формовочные машины, механизировали и совершенствовали технологические процессы получения отливок из чугуна, стали и цветных металлов.
Наиболее ранними способами обработки металлов давлением являлись ковка и волочение. Все технологические операции выполняли вручную. Значительное развитие эти способы обработки получили со времени постройки железоделательных заводов в XVI—XVII св. Большим шагом вперед в развитии кузнечного производства было применение в XIX в. паровых, пневматических, фрикционных молотов и прессов.
Прокатка металлов возникла позже ковки и волочения. Первые сведения о прокатке относятся к XV в. (обработка свинцовых полос). Первые прокатные станы имели ручной, а затем водяной привод. В 40-х годах XIX в. на заводах появились прокатные станы с механическим приводом.
С увеличением мощности прокатного оборудования стали появляться специальные станы для прокатки листов,рельсов, сортового металла. В конце XIX в. начали применять крупные станы для обжатия слитков (так называемые блюминги и слябинги). Современные прокатные станы представляют собой мощные агрегаты с высокой степенью механизации и автоматизации.
Прессование цветных металлов возникло в последней четверти XIX в., стали и тугоплавких сплавов — только в 30-х годах XX в.
Сварка металлов является одним из прогрессивных процессов металлообработки в промышленности и строительстве. Существует несколько способов сварки; из них наиболее распространенным является электросварка. В настоящее время способы сварки металлов и сплавов в значительной степени усовершенствованы и автоматизированы.
Среди способов обработки металлов и сплавов важное место занимают различные виды термической обработки — отжиг, нормализация, закалка, отпуск и др. Нагревом металлов или сплавов до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с различной скоростью получают необходимые изменения их структуры и свойств.
Обработка металлов резанием была известна в глубокой древности и осуществлялась сначала вручную, а затем с помощью приспособлений, значительно усиливающих действие режущего инструмента. Токарные и сверлильные станки с вращательным движением от водяного колеса появились лишь в XIV—XVI ев. В начале XVIII в. был сконструирован и применен в токарнЪм станке суппорт, перемещающийся вдоль обрабатываемой детали при помощи зубчатого колеса и рейки. Позже для продольного перемещения суппорта был использован ходе* вой винт. К середине XIX в. были изобретены все основные виды металле режущих станков.
В настоящее время советской станкостроительной промышленностью освоены и серийно выпускаются высокопроизводительные металлорежущие станки — автоматы и полуавтоматы, а также автоматические линии, работающие по заданной программе.
Увеличение производства металлов было и остается одной из важнейших народнохозяйственных задач Советского Союза, так как потребность в них еще далеко не удовлетворяется. В соответствии с планами развития народного хозяйства у нас изготовляют огромные
количества металлорежущих станков, автомобилей, тракторов, комбайнов, вагонов, тепловозов, электровозов, кораблей; строят многочисленные промышленные и гражданские здания, новые жилые дома, железнодорожные и автодорожные мосты; прокладывают тысячи километров водо-, газо- и нефтепроводов, железнодорожных и автомобильных дорог и т. д. Все это требует значительного количества металла.
В 1975 г. народное хозяйство страны получило ЮЗ млн. т чугуна. 141 млн. т стали, 98,6 млн. т готового проката и 16,0 млн. т стальных труб, большое количество меди, алюминия, титана и других цветных металлов и их сплавов. К концу десятой пятилетки в 1980 г. производство стали составит 160—170 млн. т, проката 115—120 млн. т.
В Программе Коммунистической партии Советского Союза поставлена величественная задача — создание материально-технической базы коммунизма в нашей стране. Это означает прежде всего полную электрификацию и химизацию народного хозяйства, комплексную механизацию и автоматизацию производственных процессов, всемерное расширение использования новых видов энергии и материалов и совершенствование на этой основе техники, технологии и организации производства во всех отраслях народного хозяйства.
Для выполнения этой исторической задачи необходимо дальнейшее интенсивное развитие всех отраслей народного хозяйства, в том числе металлургии, машиностроения и металлообработки, а также строи- тельной индустрии.
Раздел первый
ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И НЕКОТОРЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава 1
ТОПЛИВО И ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Топливо
Черная и цветная металлургия — ведущие отрасли промышленности, определяющие развитие всего народного хозяйства, В настоящее время металл из руд извлекают’ одним из трех способов; пирометаллургическим (огневым), гидрометаллургическим (выщелачиванием металла из руд), и химикометаллургическим. Большинство металлов выплавляют из руд в различных металлургических агрегатах, в условиях высоких температур. Пирометаллургический способ получил наибольшее применение при производстве чугуна, меди и других металлов. Он требует значительного количества тепла, получаемого путем сжигания топлива или превращением электрической энергии в тепловую.
В металлургическом производстве широко применяют топливо органического происхождения. Горючие компоненты топлива — углерод, водород и различные их соединения (углеводороды). В небольшом количестве в топливе имеются кислород и сера. В процессе плавки сера может частично переходить в металл, что, как правило, ухудшает его свойства. Количество минеральных примесей (золы) в топливе должно быть минимальным, так как они уменьшают теплоту сгорания топлива.
В металлургическом производстве применяют твердое, жидкое и газообразное топливо.
К твердому топливу относятся дрова, древесный уголь, торф, сланцы, бурый уголь, каменный уголь (в том числе антрацит), каменноугольный кокс.
Воздушно-сухие дрова имеют теплоту сгорания 10,5—12,6 МДж/кг, торф 6,3—16,8 МДж/кг.
Древесный уголь обладает очень высокой пористостью (до 70%), содержит 80—90% твердого (нелетучего) углерода и хорошо горит (теплота сгорания равна 27,2—31,4 МДж/кг), но имеет малое сопротивление раздавливанию 2—4 МН/м2. Так как это дорогое топливо, его применяют в доменных печах небольшого объема при выплавке высококачественного чугуна с низким содержанием серы.
Теплота сгорания бурых углей 12,6—20,9 МДж/кг, каменных углей 18,9—35, 6 МДж/кг.
Каменноугольный кокс образуется в процессе нагрева (сухой пере- гонки) некоторых сортов каменного угля в коксовых печах до 1000— 1100° С* Обычно кокс содержит 82—88% твердого (нелетучего) углерода, 10—15% золы, 0,5—1,8% серы. Химический состав кокса зависит от природы каменных углей. Кокс имеет достаточную пористость (до 50 %) и хорошую горючесть, теплота сгорания равна 27,2—31,4 МДж/кг. Он значительно прочнее древесного угля, сопротивление раздавливанию достигает 14 МН/м2. Кокс является основным топливом для доменных печей и печей для плавления чугуна (вагранок). В качестве жидкого топлива для мартеновских и нагревательных печей используют мазут. Он образуется из сырой нефти после отгонки легких (светлых) фракций (бензина, керосина и Др.)- Примерный состав мазута 87% С, 12%—Н2, 1 % — (О2 + N2), теплота его сгорания около 42 МДж/кг. Для мартеновских печей применяют мазут с содержанием серы менее 0,4—0,7%.
Коксовальный газ, получаемый при производстве кокса, имеет теплоту сгорания примерно 18,8 МДж/м3. Он содержит около 46—63% Н2, 21—27% СН4, 2—7% СО и 4—18% N3.
Генероторный газ получают в газогенераторах при неполном сжигании твердого топлива. Он содержит 5—8% СО2, до 30% СО, 2—3% СН4, 10—15% Н2 (остальное азот и вода в виде пара). Теплота сгорания газа 5,4—6,7 МДж/м3.
Доменный газ получается при выплавке чугуна в доменных печах, После очистки от пыли этот газ применяют в качестве топлива для котлов, коксовых батарей, воздухонагревателей доменных печей, а в смеси с коксовым газом — для мартеновских печей, нагревательных колодцев и печей прокатных станов. Примерный состав газа: 12% СО2т 28% СО, 0,5% СН4, 2,5% Н2, 57% N2. Теплота сгорания газа 3,6—4,2 МДж/м3.
Природный газ — очень дешевое топливо с теплотой сгорания около 33,5 МДж/м3. Примерный состав газа: 93% СН4, 2% СО2, 1% N2> 1% Н2 и 3% СИ2л. В последние годы металлургические заводы широко применяют природный газ.
Огнеупорные материалы
К огнеупорным материалам, применяемым для металлургических печей, предъявляют различные требования. Эти материалы должны выдерживать высокую температуру, обладать достаточной механической прочностью, сопротивляться химическому воздействию газов, жидких шлаков и металлов, обладать минимальным расширением и иметь определенную пористость, Огнеупорные материалы применяют в виде порошка, кирпичей и фасонных изделий (пробок, стаканов, втулок и т. п*).
По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные и нейтральные.
К кислым огнеупорным материалам относят кварцит и кварцевый песок, содержащие 93—100% SiO2. Из молотого кварцита (93—97%
SiO2) изготовляют динасовые кирпичи для выкладки стенок, подины и сводов мартеновских, электрических и некоторых других печей. Температура начала размягчения динасовых кирпичей 1550° С, плавления — 1690—1730° С. Для наварки и обновления кислой подины мартеновских печей используют молотый кварцит и кварцевый белый песок,
К основным огнеупорным материалам относят обожженный доломит и обожженный или плавленый магнезит. При нагреве сырого доломита до высоких температур (1600° С) образуется обожженный доломит, содержащий 52—58% СаО и 35—38% MgO. Он выдерживает нагрев до 1800—1950° С
Обожженный магнезит получают также путем высокотемпературной обработки сырого магнезита MgCO3.
Температура плавления обожженного магнезита около 2000° С. Повышенными огнеупорными свойствами обладает также плавленый магнезит, получаемый из сырого путем обжига при температуре выше 2000° С.
Доломитовые и магнезитовые кирпичи широко применяют для футеровки плавильных и нагревательных печей. Основные подины мартеновских печей наваривают и обновляют магнезитовым и доломитовым порошками.
Большой термостойкостью обладают хромомагнезитовые огнеупорные кирпичи (65—70% MgO и 25—29% FeO-CrO3), используемые главным образом для изготовления подвесных сводов мартеновских печей.
К нейтральным огнеупорным материалам относят обожженную огнеупорную глину, содержащую около 30% А12О3. При обжиге сырой глины каолинит А1КО3 и кремнезем 2SiO2*2H2O теряют связанную влагу; глинозем А12О3 и кремнезем SiO2 переходят в состав обожженной массы, называемой шамотом.
Шамот выдерживает температуру до 1610—1670° С. Из молотого шамота (50—60%) и сырой огнеупорной глины (50—40%) приготовляют достаточно вязкую смесь для формовки шамотных огнеупорных изделий (кирпичей, стаканов, пробок и т. п.). Просушенные шамотные изделия обжигают при 1300—1400° С.
Шамотными кирпичами, содержащими 55—60% Si02, 34—38% А12О3, 1—5% Fe2O3l футеруют ковши для жидкого металла, воздухонагреватели доменных печей и т. д. Из шамота изготовляют так называемый огнеупорный припас, используемый при разливке стали, тигли и некоторые другие изделия.
В последнее время начали применять высокоглиноземистые шамотные огнеупоры (40% А12О3), обладающие повышенной химической стойкостью и огнеупорностью.
Интенсификация доменного, сталеплавильного и других металлургических процессов существенно зависит от стойкости огнеупорной футеровки металлургических агрегатов. В настоящее время организовано производство огнеупорных изделий, отличающихся особо высокой стойкостью; к ним относятся смолодоломитовые, смолодоломитомагнезитовые , высокоглиноземистые, карбидокремниевые, фостеритовне, магнезитохромовые и другие огнеупоры.
Глава И
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Выплавка чугуна в доменных печах характеризуется сложным комплексом трудоемких подготовительных производственных процессов. Соответствующая технологическая схема представлена на рис. L
Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, флюсов, флюсованного
Рис. 1. Схема доменного производства:
/ — обогатительная фабрика; 2— агломерационная фабрика; 3 — коксохимический заиод; 4— отделение подготовки кокса; 5— рудный двор; 6— вагоноопрокидыватель; 7— рудный перегружатель; S —бункерная эстакада; 9—скиповый подъемник; ГО — машинное здание; 2/ — Доменная печь; /2 —литейный двор; /5 — воздуходувная станция; М — воздухонагреватели;
—цех огнеупорен; ГО—желоб для чугуна; 27 — чугунипезный ковш; ГО — сталеплавильный Цех; 29 — разливочное отделение; 22? — разливочная машина; 2/— платформа для чугуна; “ склад холодного чугуна; 23— желоба для шлака; 24 — шлаковозный ковш; 25— грануляционный бассейн; 26 — шлаковый отвал; 27 и 28— пылеуловители грубой очистки газа
агломерата, окатышей и топлива. От качества подготовки сырых материалов — дробления, сортировки, обогащения, окускования — зависит в конечном счете качество выплавленного чугуна. По объему производства товарных руд черных металлов и флюсовых материалов СССР занимает первое место в мире. В 1974 г. произведено 225 млн. т товарной железной руды. В 1975 г. в нашей стране произведено до 233 млн, т (более 80 % добывают открытым способом), а в первом по-
। лугодии 1976 г. — 117 млн- т.
§ L Железные и марганцевые руды
Железные руды состоят из рудного минерала, пустой породы и примесей. Рудным минералом называют природные химические соединения железа (чаще всего окислы). В доменных печах железо практически полностью (98—99%) переходит в состав чугуна.
Пустая порода (балластные соединения, не содержащие железа) может иметь различный химический состав. Обычно она состоит из кварцита SiO2 или песчаника с примесью глинистых веществ (А12О3, кремнезем 2SiO2-2H2O) и реже — из известняка СаСО3 или доломита (СаСО3-МеСО3). В доменной печи пустая порода плавится и переходит в состав шлака.
В зависимости от количества пустой породы железные руды разделяют на богатые, содержащие 45—70% железа, и бедные. Богатые руды после дробления и сортировки направляют в плавку, а бедные подвергают обогащению, в результате которого увеличивается относительное количество окислов железа.
В железных рудах всегда содержится некоторое количество вредных примесей — серы, мышьяка и фосфора. В первую очередь разрабатывают месторождения, железная руда которых содержит незначительное количество вредных примесей и незначительное количество пустой породы.
Для выплавки чугуна применяют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, а также комплексные железные руды.
Красный железняк (гематит) содержит 55—70% железа в виде безводной окиси железа FesO3 . Примесей серы и фосфора в нем мало. Пустой породой железняка обычно является кварцит. Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость его в доменных печах хорошая. Наиболее крупные залежи красного железняка находятся в районе Кривого Рога. Встречаются эти руды также на Урале и в Сибири.
Бурый железняк содержит 35—55% железа в виде водных окислов и чаще всего в виде лимонита. В некоторых видах бурого железняка содержится много фосфюра. Пустая порода имеет песчано-глинистое происхождение. Находящаяся в буром железняке гидратная влага при высоких температурах удаляется, руда становится пористой и хорошо восстановимой. При добывании, перевозках и перегрузках этой руды образуется много мелочи и пыли. Крупные залежи бурого железняка находятся па Керченском полуострове (фосфористые руды), в центральных районах СССР (Липецкое и Тульское месторождения), на Южном Урале (Бакальское месторождение) и в некоторых районах Сибири.
Магнитный железняк (магнетит) содержит 50—69% железа (в чистом виде 72,4%) в форме закиси-окиси железа Fe3O4. Пустую породу составляет кремнеземе некоторым количеством других окислов. Этот железняк — наиболее плотная железная руда темно-серого или черного цвета. В некоторых случаях магнитный железняк содержит много серы (до 1,5—2%) и загрязнен цинком. Восстанавливается магнитный железняк труднее, чем остальные железные руды.
Крупные залежи магнитного железняка находятся на Урале (горы Магнитная, Высокая, Благодать), в Западной Сибири (Тельбесское, Кондомское и другие месторождения) и в районе Курской магнитной аномалии (в основном железистые кварциты, содержащие 35% Fe). Открыты также новые месторождения.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30—40 % железа в виде углекислой соли FeGO3. В чистом сидерите 48,2% Fe. Пустая порода сидерита состоит из кремнезема, глинозема и небольшого количества окиси магния. В некоторых случаях сидерит имеет песчано-глинистую пустую породу. Сидерит может быть желтовато-белого или серого цвета. Ок легко выветривается (окисляется на воздухе) и, теряя СО2Ф превращается в бурый железняк. Сидерит обладает наиболее высокой восстановимостью из всех железных руд. Перед загрузкой в доменную печь сидерит обычно обжигают. В результате руда становится очень пористой и легко дробится, образуя лишь небольшие количества мелочи и пыли, В некоторых случаях в доменную печь загружают необожженный сидерит. Промышленные запасы сидерита имеются на юге Урала (Б акал ьс кое месторождение).
Комплексные железные руды, кроме железа, содержат и другие металлы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его, т. е. улучшают многие его свойства. К более ценным комплексным железным рудам относятся следующие:
хромоникелевая железная руда Ор ско-Халилове кого месторождения, представляющая собой бурый железняк (35—40% Fe) с примесью хрома (0,8—1,6%) и никеля (0,4—0,7%);
ванадистые титаномагнетиты Кусинекого и Пер во уральского месторождений, Руды их состоят из смеси магнетита Fe2O3, ильменита FeOx хТЮ2 и трехокиси ванадия VaO3 и содержат 38—47% Fe, 5—15% ТЮ2, 0,3—0,5% V. При плавке значительное количество титана переходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим путем;
хромистый железняк различных месторождений Урала и Казахстана. Рудный минерал этих руд — хромит FeO-CrO3, обладающий очень высокой температурой плавления.
Марганцевые руды. Железные руды обычно содержат незначительное количество марганца, поэтому при выплавке чугуна в шихту приходится добавлять марганцевую руду.
Рудным минералом марганцевых руд могут быть некоторые окислы марганца: МпО2 (перекись марганца — пиролизит), Мп2О3 (окись марганца — браунит)» Мп3О4 (закисьюкись марганца — гаусманит) и соединения окислов марганца с окислами других элементов.
В доменном производстве применяют марганцевые руды с содержанием 25 —40% Мп. Пустая порода этих руд обычно глинистый песок. Поэтому марганцевые руды непрочны: при добыче и перевозке образуется много мелочи и пыли. На некоторых рудниках марганцевые руды , промывают водой для обогащения.
Наиболее крупные запасы марганцевых руд сосредоточены в Чиа- турском (Грузия), Никопольском (Украина) и Мазульском (вблизи г. Ачинска) месторождениях.
Отходы металлургического производства. В доменную печь загружают также некоторое количество металлургических отходов: колошниковую пыль (30—45% Fe и 3—12% С), которую предварительно подвергают окускованию; металлический скрап; передельные шлаки сталеплавильного производства с повышенным содержанием марганца (10—18% Fe, 6—10% Мп); окалину прокатного и кузнечного производств и сварочные шлаки.
Топливо и флюсы
Топливо. Для выплавки чугуна применяют твердое топливо. Более 98% чугуна выплавляют на коксе и 1—2 % на древесном угле.
Топливо выполняет в доменной печи очень важную роль. Его горение создает высокие температуры, необходимые для восстановления руды, плавления и перегрева образующихся чугуна и шлака. Кроме того, часть углерода топлива непосредственно участвует в реакциях восстановления руды.
Используемый в доменном производстве кокс должен обладать высокой теплотой сгорания, достаточной прочностью и пористостью и содержать минимальное количество вредных примесей (серы и фосфора)
Флюсы применяют для получения шлаков нужной основности, так как в пустой породе руды и топливе обычно преобладает кремнезем. В качестве флюсов обычно используют известняк — СаСО3 и реже доломитизированный известняк (/nCaCO3- nMgCO3, где т > п\ В некоторых случаях применяют кремнистоглиноземистые флюсы или только кремнезем. Количество флюсов рассчитывают исходя из химического состава пустой породы руды, золы и с учетом требований, предъявляемых к физико-химическим свойствам шлака. Флюсы должны иметь минимальное количество вредных примесей (серы и фосфора). В известняке нежелательной примесью является кремнезем, так как он уменьшает флюсующую способность известняка и увеличивает количество шлака в доменной печи.
Подготовка шихты к плавке
Кокс перед загрузкой в доменную печь просеивают на роликовых (дисковых) грохотах. Флюсы дробят в щековых или валковых дробилках, а затем просеивают на колосниковых (встряхивающих) или барабанных (вращающихся) грохотах.
Подготовка железных руд к плавке зависит от содержания в них железа и их физических свойств. Богатые железные руды направляют на специальные фабрики для дробления и сортировки. Крупные фракции железных руд (более 60—100 мм) поступают на дробление до Кусков средних размеров с последующей сортировкой. Средние фракции (30—80 мм) направляют железнодорожным или водным транспортом без предварительной обработки на склад металлургического завода.
При складировании железных руд на металлургическом заводе принята определенная система, позволяющая усреднять их состав.
Руду выгружают из вагонов или судов в высокие штабеля и затем пересыпают грейферным краном с одного места на другое. Этим достигается перемешивание руды и выравнивание ее химического состава.
Бедные железные руды перед доставкой на металлургический завод обогащают. Известно несколько способов обогащения железной руды. Так, бурый железняк с песчано-глинистой пустой породой промывают сильной струей воды. Пустая порода отделяется от рудного вещества и уносится водой. Эту операцию осуществляют в корытных мойках, вращающихся цилиндрических или конических барабанах, а также в отсадочных машинах с неподвижным или подвижным решетом и пульсирующей восходящей струей воды. Промытую руду после естественной Или искусственной сушки направляют в плавку.
Бедные железные руды, содержащие вкрапления магнетита рез04, обогащают электромагнитным способом в сепараторах барабанного или ленточного типа. Руду с крупными и средними вкраплениями магнетита дробят до кусков размерами 25—30 мм и подвергают сухой магнитной сепарации. Руду с мелкими и тонкими вкраплениями магнетита сначала измельчают до частиц размерами 3 мм, а затем подвергают мокрой магнитной сепарации.
По объему обогащения железных руд СССР занимает сейчас первое место в мире, 85—86% всей добываемой железной руды подвергается обогащению. Доля концентрата в общем производстве руды достигла 62%,а доля железа в концентрате в ряде случаев достигает 69%.
Мелкие фракции железных руд и концентрат, оставшиеся после отсева и мокрой магнитной сепарации, а также пылеватые железные руды можно использовать для плавки только в окускованном виде. Известно несколько способов окускования рудной мелочи и пылеватых руд. Так, при брикетировании мелкий материал прессуют в специальных формах с добавкой связующих материалов (глины, жидкого стекла, смолы, цемента) или без них. После воздушной сушки или высокотемпературного обжига полученные брикеты приобретают необходимую прочность. Они представляют хороший материал для выплавки чугуна, однако процесс их получения сложен и недостаточно производителен.
Очень перспективна и все шире применяется подготовка к плавке пылеватых руд и тонкоизмельченного рудного концентрата путем изготовления комков или окатышей. Для получения окатышей пылеватую рудную массу смешивают с незначительным количеством связки (тонкоизмельченой глиной, известью и др.), затем увлажняют до 8—10% и загружают в смесительное устройство — вращающуюся неглубокую наклонную чашу или в барабан. При вращении смесителя увлажненная рудная шихта перемешивается. Сначала образуются слипшиеся комочки, а затем шаровидные комки (окатыши) размерами 25—30 мм. После механизированной выгрузки из смесителя окатыши подвергают сушке и обжигу.
Широко распространен способ окускования мелких и пылеватых железных руд агломерацией (спеканием) на колосниковой решетке агломерационных машин. Производительность этих машин достигает 2—2,5 тыс. т агломерата в сутки. Для агломерации приготовляют спе-
циальную шихту, состоящую из рудной мелочи размером 5—8 мм, колошниковой пыли, рудного концентрата и измельченных до 3 мм отходов коксика. Масса коксика составляет 6—10% массы шихты; соотношение между массами рудной мелочи, колошниковой пылью и концентратом определяется местными условиями. Эту шихту перед спеканием увлажняют до 5—6% и тщательно перемешивают в смесительных устройствах. При перемешивании образуются комочки, в результате чего шихта приобретает зернистый характер, В таком состоянии ее загружают на колосниковую решетку агломерационной машины слоем толщиной 200—300 мм и поджигают газовой горелкой снаружи. Под колосниковой решеткой находятся вакуумные камеры; мощный эксгаустер создает в них разрежение. Оно обеспечивает прохождение воздуха через слой шихты и, следовательно, перемещение зоны горения коксика по толщине шихты (горение заканчивается у колосниковой решетки агломерационной машины). При горении коксика развивается высокая температура (до 1450° С) и образуется пористый продукт (агломерат).
Образование агломерата обусловлено появлением в горячем слое шихты файялита (2FeO*SiO<2), имеющего температуру плавления около 1210° С. С другими окислами шихты (FeO, SiO2, СаО) файялит образует более легкоплавкие соединения, переходящие в жидкое состояние при ИЗО—1200° С. Эти соединения размягчаются и плавятся раньше других компонентов шихты. При этом они связывают более тугоплавкие и крупные частицы руды. Количество этой связки зависит от содержания кокса в шихте. Чем оно больше, тем прочнее агломерат после остывания.
Агломерат обладает достаточной прочностью, высокой пористостью, хорошей восстановимостью. Применение его увеличивает производительность доменной печи и несколько сокращает расход топлива на 1 т чугуна,
В последнее время на металлургических заводах стали широко применять офлюсованный агломерат, получаемый путем спекания железной руды с добавкой известняка. Оптимальное количество известняка в агломерате определяется отношением СаО:5Ю2, т. е. его основностью. Основность агломерата и доменного шлака в среднем равна 1—1Т4.
Офлюсованный агломерат восстанавливается легче обычного, но он прочен. Такой агломерат облегчает образование шлака в доменной печи, уменьшает расход известняка и кокса. При использовании офлюсованного агломерата флюсы в доменную печь нс загружают.
По производству агломерата СССР занимает первое место в мире.
§ 4, Устройство доменной печи
Технический прогресс в доменном производстве характеризуется прежде всего увеличением объемов доменных печей. Если за годы восьмой пятилетки были введены три печи полезным объемом 2000 м3 и три печи полезным объемом 2700 м3, то в девятой пятилетке построены еще несколько печей, в том числе печи с полезным объемом 3200 и
5000 м3, производительностью соответственно /ООО и 11 000 т в сутки и более. На рис. 2 дана современная схема доменного производства.Доменную печь отпоит к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи (рис. 2) состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта — часть печи выше заплечиков;она состоит из нижней цилиндрической час5000 м3, производительностью соответственно /ООО и 11 000 т в сутки и более. На рис. 2 дана современная схема доменного производства.Доменную печь отпоит к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи (рис. 2) состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта — часть печи выше заплечиков;она состоит из нижней цилиндрической части — распара, средней конической части и верхней цилиндрической части — колошника.Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).В верхней части горна расположены воздушные фурмы. Из кольцевого воздухопровода воздух поступает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рукаву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собственно фурмы, бронзового конического холодильника и чугунной амбразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150—200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр выходного отверстия фурмы составляет около 150—160 мм.ти — распара, средней конической части и верхней цилиндрической части — колошника.Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).В верхней части горна расположены воздушные фурмы. Из кольцевого воздухопровода воздух поступает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рукаву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собственно фурмы, бронзового конического холодильника и чугунной амбразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150—200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр выходного отверстия фурмы составляет около 150—160 мм.Рис. 2. Современная доменная пень (вертикальный разрез):Рис. 2. Современная доменная пень (вертикальный разрез):Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемые через соответствующие летки в ковши.Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемые через соответствующие летки в ковши.I— засыпной аппарат; 5 — газоотводы; 3 — защитные щиты; 4 — огнеупорная кладкам 5— стальной кожух; 6 ^ кольцевые площадки; 7 — холодильники шихты; 8—опорное кольцо; У — кольцевой воздухопровод; 10 — фурменный рукав; 11^ рабочая площадка; 12 — колонна; 13 — летка для чугуна: /4 — холодильники; 15—летка для шлакаI— засыпной аппарат; 5 — газоотводы; 3 — защитные щиты; 4 — огнеупорная кладкам 5— стальной кожух; 6 ^ кольцевые площадки; 7 — холодильники шихты; 8—опорное кольцо; У — кольцевой воздухопровод; 10 — фурменный рукав; 11^ рабочая площадка; 12 — колонна; 13 — летка для чугуна: /4 — холодильники; 15—летка для шлака
5000 м3, производительностью соответственно /ООО и 11 000 т в сутки и более. На рис. 2 дана современная схема доменного производства.
Доменную печь отпоит к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи (рис. 2) состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта — часть печи выше заплечиков;она состоит из нижней цилиндрической час
5000 м3, производительностью соответственно /ООО и 11 000 т в сутки и более. На рис. 2 дана современная схема доменного производства.
Доменную печь отпоит к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи (рис. 2) состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта — часть печи выше заплечиков;она состоит из нижней цилиндрической час
ти — распара, средней конической части и верхней цилиндрической части — колошника.
Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).
В верхней части горна расположены воздушные фурмы. Из кольцевого воздухопровода воздух поступает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рукаву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собственно фурмы, бронзового конического холодильника и чугунной амбразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150—200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр выходного отверстия фурмы составляет около 150—160 мм.
ти — распара, средней конической части и верхней цилиндрической части — колошника.
Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).
В верхней части горна расположены воздушные фурмы. Из кольцевого воздухопровода воздух поступает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рукаву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собственно фурмы, бронзового конического холодильника и чугунной амбразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150—200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр выходного отверстия фурмы составляет около 150—160 мм.
Рис. 2. Современная доменная пень (вертикальный разрез):
Рис. 2. Современная доменная пень (вертикальный разрез):
Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемые через соответствующие летки в ковши.
Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемые через соответствующие летки в ковши.
I— засыпной аппарат; 5 — газоотводы; 3 — защитные щиты; 4 — огнеупорная кладкам 5— стальной кожух; 6 ^ кольцевые площадки; 7 — холодильники шихты; 8—опорное кольцо; У — кольцевой воздухопровод; 10 — фурменный рукав; 11^ рабочая площадка; 12 — колонна; 13 — летка для чугуна: /4 — холодильники; 15—летка для шлака
I— засыпной аппарат; 5 — газоотводы; 3 — защитные щиты; 4 — огнеупорная кладкам 5— стальной кожух; 6 ^ кольцевые площадки; 7 — холодильники шихты; 8—опорное кольцо; У — кольцевой воздухопровод; 10 — фурменный рукав; 11^ рабочая площадка; 12 — колонна; 13 — летка для чугуна: /4 — холодильники; 15—летка для шлака
Чугунная летка находится на 600—1700 мм выше уровня лещади. Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на больших печах — свыше 3200 м2 — ограничиваются одной. В период между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.
Шлаковые летки располагают на 1,4—1,9 м выше уровня чугунной летки,Шлаковая летка представляет медную коническую водоохлаждаемую кольцевую трубу, узкое отверстие которой направлено внутрь печи, а более широкое наружное — в сторону желоба для выпуска шлака. В период между выпусками шлака летку закрывают металлическим стопором.
Доменная печь опирается на железобетонный фундамент. По наружной поверхности фундамента установлены стальные колонны, поддерживающие опорное кольцо шахты печи*
Огнеупорная кладка шахты охвачена стальным кожухом, имеющим коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода. Стенки горна и заплечиков заключены в прочную стальную броню с плитовыми холодильниками*
Над колошником печи имеется засыпной аппарат, состоящий из узкой приемной вращающейся воронки.
Работа доменной печи
Задувка доменной печи. Новую доменную печь после проверки работы оборудования ставят под задувку, т. е. ее подготавливают для непрерывной работы в течение 5—10 лет. Задувку печи начинают с медленной сушки огнеупорной кладки в течение 5—6 суток. Для этого в горне сжигают доменный газ или подают туда горячее воздушное дутье от действующей печи. На новом заводе первую печь сушат при сжигании на лещади дров и кокса. Воздух для горения подают через фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник.
После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно загружают задувочную шихту, поджигают кокс около фурм и подают дутье. Заду вечная шихта состоит только из одного кокса (холостые колоши), а затем — из кокса с небольшим количеством флюса и руды. С развитием горения кокса в загружаемой шихте увеличивают содержание руды и флюсов до расчетных значений.
Первый выпуск шлака из доменной печи производят через 15—20 ч после задувки, а чугуна — через сутки. Образующийся при задувке печи газ сначала выходит в атмосферу, а затем направляется на газоочистку и далее потребителю.
Схема работы доменного цеха приведена на рис. 3. Со склада шихтовых материалов шихта поступает в вагон-весах У к скиповой яме* Скип 3 загружают шихтой из загрузочной воронки 2. После этого скип лебедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колошник. Шихта попадает сначала в приемную воронку 4 с малым конусом 4а, затем в загрузочную воронку 5 с большим конусом 5а и далее в рабочее пространство печи.
После загрузки очередной порции шихты приемная воронка с малым конусом поворачивается на 60°, что позволяет равномерно распределить шихту 7 на поверхности большого конуса перед опусканием ее в печь. Маневрирование большим и малыми конусами в загрузочном аппарате доменной печи производится независимо друг от друга.
Для достижения высоких температур и форсирования плавки шихты в печь подают горячий воздух 6 (дутье). Холодный воздух из воздуходувки пропускают через нагретую до 1000—1200°С насадку воздухонагревателя 12, В результате воздух нагревается до 780—950X1 Пока один воздухонагреватель 12 отдает тепло кладки холодному воздуху (и в результате остывает), второй воздухонагреватель 13 нагревается до температуры 1200°С, т. е. регенерирует тепло, выделяющееся при сжигании доменного газа, предварительно очищенного от пыли в газоочистителе 14; продукты горения удаляются в дымовую трубу /5,
После остывания насадки воздухонагревателя 12 и достаточного нагрева насадки воздухонагревателя 13 производят перекидку клапанов; холодный воздух направляется в воздухонагреватель 13, а воздухонагреватель 12 нагревается. Обычно воздухонагреватель работает на нагрев дутья около 1 ч и на разогрев огнеупорной насадки около 2 ч. Поэтому для бесперебойного обслуживания печи необходимо иметь три воздухонагревателя. Через шлаковую летку 10 удаляется шлак, а через летку // — чугун.
Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи.
При горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образующихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскаленных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физических и химических изменений. На колошнике печи температура газов равна 300—550° С, а вблизи фурм она достигает 1900° С. Здесь происходит горение углерода кокса по реакции
(I)(I)с + о2-со2
(I)
(I)
FeO + СО = Fe + СО$FeO + СО = Fe + СО$(5)(6)(7)(5)(6)(7)
FeO + СО = Fe + СО$
FeO + СО = Fe + СО$
(5)
(6)
(7)
(5)
(6)
(7)
В результате этой реакции выделяется большое количество тепла <экзотермическая реакция). При контакте с раскаленным коксом образовавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции
(2)(2)СО2 + С = 2СО
(2)
(2)
Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свойства.
При соприкосновении в печи с отходящими газами шихтовые материалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически связанную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрес- киваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 102— 105е С и в некоторых случаях заканчивается при 450—500° С (например, для кусков глинистого вещества— А12О3-2SiO^ 2Н2О).
Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, -а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н2, СН4 и др.).
В средней и нижней частях шахта печи происходит термическое разложение (диссоциация) углекислых соединений, содержащихся в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура начала и конца разложения зависит от химической природы углекислых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с переходом его в известь происходит при 900—1000е С по реакции
(3)(3)СаСО3 = СаО + СО2
(3)
(3)
Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при более низких температурах (400—550° С) по реакции
(4)(4)ЗРеСО3 = Ре3О4 + 2СО2 + СО
(4)
(4)
Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО3 и других углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.
Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги вэсстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних горизонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции С + Н2ОпаР = СО 4- Н2); твердый углерод (находится в раскаленном коксе). Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато по реакциям:
ЗРе3О3 + СО = 2Ре3О4 + СО2
Ре3О4 + СО = ЗРеО 4- СО2
Наиболее важна реакция (7), конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного вое* становления железа и протекает при умеренных температурах (500— 900" С) с выделением тепла,
В присутствии раскаленного кокса и при более высоких температу* рах (выше 1000^1100° С) в печи происходит не только восстановление ♦ железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регенерация окиси углерода по реакции (2).
Одновременное течение реакций (7) и (2) позволяет суммировать их п получить
FeO + C = Fe + CO(8)
Реакцию (8) называют реакцией прямого восстановления железа. Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких температурах в виде сажи. Принято считать, что в печи около 60—50 ?6 железа образуется по реакции (7), а 40—50% — по реакции (8), Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов, так как реакция (8) эндо/перл?ыч^к«я (идет с поглощением тепла).
Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую температуру плавления (1539° С). В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается по реакции
3Fe + 2СО - Fe3C + СО2(9)
Температура плавления этого железа понижается до 1150—1200° С. Науглероженное железо (1,8—2%) переходит в жидкое состояние и стекает каплями между кусками раскаченного кокса на лещадь печи. Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются углеродом примерно до 3,5—4%, т. е. до обычного содержания углерода в жидком чугуне.
Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме Мп03 -> Мп2О3 -+- Мп3О4 -> МпО. Наиболее трудно восстановимый низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеродом по реакции
МпО + С-Мп н-СО(10)
Реакция (10) сопровождается поглощением тепла и протекает при температурах выше 1100—1200° С. Это определяет режим работы печи при выплавке чугуна марганцовистых марок. Печь должна работать при повышенном расходе кокса и возможно более высоком нагреве дутья (до 1200° С и выше; в перспективе даже до 1400" С),
Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом по эндотермической реакции
SiO2 + 2С — Si + 2СО(11)
Реакция (11) в чистом виде развивается при 1450° С, но в присутствии восстановленного металлического железа начинается при более низкой температуре (1050—1100°С), Таким образом, при выплавке чугуна кремнистых марок печь также работает при повышенном расходе кокса и более высоком нагреве дутья.
Фосфор попадает в шихту в виде фосфорнокальциевых солей, В присутствии пустой породы железной руды фосфор восстанавливается твердым углеродом по реакции
Р2О5 (СаО)4 + 5С + 2SiO3 - 2Р + 2 (Са0)2 • SiO2 + 5СО (12)
Реакция (12) происходит в печи очень легко и фосфор полностью переходит в чугун.
Содержащаяся в шихте сера частично удаляется с газами в виде H2S и SO2. Однако значительное количество серы остается в печи в виде сульфидов и распределяется между образующимися жидкими шлаком и чугуном. Наименее желательное соединение серы — сульфид железа FeS, хорошо растворимый в металле.
При достаточно большом насыщении шлака известью (45—50%) в горне печи наблюдается реакция
FeS + СаО + С — Fe + CaS + СО (13) в результате которой часть серы переходит в шлак в виде нерастворимого в металле сернистого кальция. Для более полного протекания реакции (13) необходимо регулировать образование шлака в печи, В частности, в шихту следует подавать определенное количество известняка и поддерживать в горне высокую температуру. Последняя зависит от расхода кокса, температуры дутья и правильного режима шлакообразования в верхних частях лечи.
Образование шлака в печи происходит в две стадии. Примерно на уровне распара или нижней части шахты сначала образуется первичный шлак на основе легкоплавкой смеси нескольких окислов — извести, кремнезема, глинозема и закиси железа. При некотором соотношении указанных компонентов первые порции жидкого железистого шлака образуются при 1160—1200° С. Первичный шлак, стекая в горн, нагревается до более высоких температур и изменяет химический состав в связи с растворением в нем золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. В конечном шлаке остается очень мало закиси железа, но он обогащается известью, окисью магния, иногда глиноземом. В связи с этим обессеривающая способность шлака в горне резко возрастает, что благоприятно отражается на реакции (13).
Продукты доменного производства
Современная доменная печь поглощает большое количество шихтовых материалов и воздуха. Так, для производства каждых 100 т передельного чугуна необходимо в среднем подать в печь 190 т железной руды (включая агломерат), 95 т кокса, 50 т известняка и около 350 т воздуха. В результате кроме 100 т чугуна получается около 80 т шлака и 500 т доменного газа.
В доменных печах выплавляют:
Передельный чугун (примерно 80—90% всего производства чугуна), который направляют на переработку в сталь:
мартеновский чугун марок М-1 и М-2. Его получают при умеренном ходе доменной печи; он содержит 1,5—2,5% Мп; 0,4—1,5% Si; 0,15—0,30% Р; 0,03—0,07% S;
бессемеровский чугун марок Б-1 и Б-2 получают при горячем ходе печи из малофосфористых руд; он содержит 0,6—1,0 — 1,5% Мп; 0,9—2,0% Si; до 0,07% Р; до 0,04% S;
томасовский чугун марки Т-1 выплавляют из фосфор истых руд при умеренном ходе печи; содержит 1,6—2,0 Р; 0,8—1,3% Мп; 0,2—0,6% Si; до 0,08% S.
Литейный чугун, составляющий 8—17% всего производства чугуна, марок ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1 и до ЛК-5, применяют для получения отливок. Его получают при горячем ходе печи из шихты с достаточным содержанием кремнезема. В зависимости от марки чугун содержит 1,25—4,25% Si и до 1,3% Мп.
. Специальные чугуны, или доменные ферросплавы, составляют 2—3% всего производства чугуна: ферросилиций (9—13% Si), бедный ферромарганец (10—25% Мп), богатый ферромарганец. (70—75% Мп) и др. Их применяют для раскисления и легирования сталей и некоторых др у nix нужд.
Состав шлака зависит от состава шихты и марки чугуна. При производстве в коксовых доменных печах передельного и литейного чугунов основность шлаков, т. е. отношение (СаО + MgO)/SiO^ принимается выше единицы (1,20—1,5). Состав шлаков коксовых доменных печей, например, таков: 35—40% SiO2, 36—55% (СаО + MgO); 10—12% А12О3. Шлаки древесноугольных доменных печей более кислые, т. е. содержат больше SiO2.
Из доменных шлаков можно изготовлять цементы и другие материалы для нужд строительства (шлаковые кирпичи, шлаковую вату, шлаковую щебенку, брусчатку для покрытия дорог и т. п.). При переработке шлака на отечественных металлургических заводах в среднем около 40—50% его уходит в отвалы. Металлургический шлак находит широкое применение в дорожном строительстве.
§ 7. Технико-экономические показатели и перспективы производства чугуна
К наиболее важным показателям работы доменной печи относятся суточная производительность и расход топлива на 1 т выплавляемого чугуна.
В настоящее время наиболее высокая производительность достигнута на советских доменных печах.
Для сравнения производительности доменных печей различного объема в СССР принят показатель — коэффициент, использования полезного объема (к. и. п. о.). (В СССР принято определять полезный объем доменной печи от уровня засыпки до лещади.) Этот коэффициент пред-
ставляет собой частное от деления полезного объема печи V на среднесуточную производительность Р (в м8/т) : К — V/P*
Чем лучше работает доменная печь, тем меньше этот коэффициент.
Значение К зависит в основном от трех факторов: сорта выплавляемого чугуна; содержания пустой породы в железной руде и качества подготовки шихты к плавке.
С развитием техники доменного производства использование объема печи непрерывно улучшается: В 1970 г. к. и. и. о. составлял 0,597. Наи лучшего к. и. п. о. достигли на доменных печах Череповецкого металлургического завода (0,43) и Магнитогорского металлургического комбината (0,56). Среднее значение к. и. п. о. сейчас в СССР составляет 0,56.
Расход топлива на 1 т чугуна в основном зависит от степени использования физического тепла и восстановительной способности газов, марки выплавляемого чугуна, нагрева дутья, содержания пустой породы в руде и качества топлива. В настоящее время в СССР средний расход кокса на 1 т передельного чугуна значительно ниже, чем в Англии, ФРГ и США. Наименьший расход топлива достигнут на доменных печах Череповецкого металлургического завода при выплавке передельного чугуна.
Выплавка чугуна (в пересчете на передельный) на одного рабочего доменного цеха на Магнитогорском и Кузнецком металлургических комбинатах составляет соответственно 7611 и 7200 т в год.
По выплавке чугуна СССР давно занимает первое место в мире. В 1975 г. выплавка чугуна в СССР достигла 103 млн. т.
В настоящее время основное количество чугуна выплавляется в доменных печах большого объема. Максимальный полезный объем доменной печи в СССР составляет 5000 м3 (Криворожская печь).
Успехи в доменном производстве достигнуты в результате улучшения подготовки шихты, промывки углей перед их коксованием, замены руды агломератом и окатышами, производства самоплавкого офлюсованного агломерата, интенсификации процесса и совершенствования технологии плавки путем применения повышенного давления газа и повышенной температуры нагрева дутья, применения в ряде случаев дутья, обогащенного кислородом, вдувания в доменные печи природного газа, увеличение размеров печей и совершенствования их профиля, конструкции и оборудования, механизации и автоматизации производственных процессов.
Современная доменная печь является одним из наиболее механизированных и автоматизированных металлургических агрегатов.
На большинстве доменных печей, автоматически регулируется температура горячего дутья и его влажность, давление под колошником, нагрев воздухонагревателей, на многих печах применено автоматическое переключение воздухонагревателей. Автоматизировано управление системами подачи и загрузки шихтовых материалов в печь. Наряде предприятий автоматизированы операции по набору и взвешиванию шихтовых материалов и загрузке их в скип. Осуществляются мероприятия по комплексной механизации управления чугунной и шлаковой летками; проводится подготовка массы для забивки леток, набивки и
обмазки чугунных и шлаковых желобов, замены фурм и выполнения других тяжелых работ на площадке у горна*
В СССР разработана комплексная система автоматического управления доменным процессом с применением счетно-решающих машин.
В СССР ведутся научные и промышленные исследования по разработке экономичных способов производства металлизированного сырья. В последние годы построены четыре опытные установки для производства губчатого железа суточном производительностью от 50 до 100 т. На этих установках губчатое железо получают непосредственно из руд путем прямого восстановления при температурах 950—1000° С, причем пустая порода и железо находятся в твердом состоянии*
Существуют различные технологические схемы получения губчатого железа; одна из перспективных — получение этого продукта в печах с кипящим слоем. Восстановление производится путем продувки водорода или смеси водорода и окиси углерода под давлением 30 кгс/см2 (ЗМН/м2)*. Железо отделяют от пустой породы магнитной сепарацией. Губчатое железо содержит очень мало вредных примесей (0,005% S и 0,005% Р)*
Особо следует отметить новую технологию прямого получения железа, разработанную в СССР при участии западногерманских фирм* Имеется в виду Оскольский электрометаллургический комбинат, который будет получать (на базе руд Курской магнитной аномалии) до 5 млн, т в год металлизованных окатышей путем газового восстановления руды в шахтных печах*, В Криворожской опытно-промышленной установке окатыши получают непосредственно из руды методом восстановления углем (или коксовой мелочью) в трубчатых вращающихся печах.
Глава ill
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Технический прогресс в сталеплавильном производстве характеризуется интенсивным наращиванием мощностей плавильных агрегатов, широким применением кислородно-конверторного процесса и непрерывной разливки" стали, повышением качества металла*
По выплавке стали СССР занимает первое место в мире. В 1975 г, стали произведено 141 млн* т. По пятилетнему плану в 1980 г, намечено произвести 160—170 млн. т. стали.
Нелегированная (углеродистая) сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора, что достигается окислением этих элементов во время плавки в различных металлургических агрегатах. В настоящее время сталь производят в трех типах плавильных агрегатов — конверторах, мартеновских и электрических печах.
В качестве металлических шихтовых материалов используют: жидкий чугун и стальной лом (в конверторах); жидкий и твердый чугун
♦ Комбинат будет также выпускать 2,5 млн. т проката.
со стальным ломом в мартеновских и электрических печах и иногда один стальной лом (в электрических печах). Кроме того, в состав шихты входят известь и другие шлакообразующие вещества, раскислители, железная руда и легирующие добавки*
§ L Производства стали в конверторах
Устройство конвертора. Выплавка стали путем продувки жидкого чугуна воздухом для удаления (уменьшения) углерода, кремния, марганца, серы и фосфора производится в конверторах.
Рис. 4. Конвертор
Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы (рис. 4). Кожух конвертора изготовлен из стальных листов 1 и внутри выложен огнеупорным материалом 2 (футеровка). В средней части снаружи кожух опоясан металлическим кольцом с цапфами 3 и 4. При помощи этих цапф конвертор подвешивают на двух кронштейнах. Гидравлический подъемник 5, 6 (в некоторых случаях редукторный механизм) предназначен для наклона конвертора. Подъемник связан рейкой с зубчатой шестерней, укрепленной на цапфе 3,
Через полую цапфу 4 из воздухопровода 7 поступает воздух под избыточным давлением 0,2—0,25 МН/м3 (2,0—2,5 ат). Для приема и распределения воздуха по фурмам 8 имеется воздушная коробка 9* Выше цилиндрической части конвертора находится футеровка его шлема 10, оканчивающегося горловиной 1L
Для заливки чугуна через эту горловину конвертор наклоняют в горизонтальное положение (рис. 5,а). В этом положении фурмы должны быть выше уровня залитого чугуна. После заливки чугуна конвертор медленно поворачивают в вертикальное положение (рис. 5,6) и одновременно подают воздушное дутье, препятствующее проникнове-
нию чугуна в отверстия фурм. Готовую сталь наклоном конвертора выпускают в ковш (рис. 5,в)* Количество заливаемого в конвертор чугуна не должно превышать V5 объема цилиндрической части. Остальной объем конвертора необходим для циркуляции металла при его продувке воздухом*
В зависимости от вида футеровки конверторов различают два процесса: бессемеровский и томасовский, При бессемеровском процессе (кислом) футеровку в конверторах выполняют из кислых материалов (динасовый кирпич или кварцит); при томасовеком процессе (основном) — из основных материалов (обожженный доломит). Кислая футеровка выдерживает 1000—2000 плавок,, а основная 300 —400. Дниша конвертора меняют чаще, так как они разрушаются быстрее.
Рис. 5*Рис. 5*Заливка (а), продувкаЗаливка (а), продувка(6) и выпуск стали из конвертора (в) (схема)(6) и выпуск стали из конвертора (в) (схема)
Рис. 5*
Рис. 5*
Заливка (а), продувка
Заливка (а), продувка
(6) и выпуск стали из конвертора (в) (схема)
(6) и выпуск стали из конвертора (в) (схема)
Емкость кислых конверторов обычно равна 10—30 т, а основных 25^- 40 т и более. Емкость современных конверторов достигает 300 т. Давление воздушного дутья 0,30—0,35 МН/м3 (МПа). На 1 т чугуна требуется около 350 мэ воздуха.
Бессемеровский процесс. При этом процессе производства стали используют чугун с высоким содержанием кремния (до 2%) и марганца (до 1,5%) и минимальным количеством серы и фосфора. При продувке металла воздухом развиваются реакции горения железа, кремния, марганца с выделением большого количества тепла. В результате резко повышается температура металлической ванны (с 1250 до 1650е С).
Бессемеровский процесс состоит из трех периодов: шлакообразования (период искр), пламени и бурого дыма.
Первый период начинается после пуска воздушного дутья в конвертор и продолжается 4—5 мин* В этот период частично окисляется железо по реакции
2Fe+O2 = 2FeO (14)
Образующаяся закись железа переходит в шлак и растворяется в металле, окисляя кремний и марганец:
Si + 2FeO ->- SiO2 + 2Fc(15)
Мп + FeO ^ MnO + Fe(16)
В этот период окисляются также кремний и марганец по реакциям:
Si -pO8 = SiO2 (17) 2Mn + Os = 2MnO (1 fy
Все эти реакции экзотермические, выделяют большое количество тепла и являются источником нагрева металла,
Окислы кремния и марганца вместе с закисью железа образуют кислый шлак (40—50% SiOe).B первый период из горловины конвертора вместе с газами вылетают капельки жидкого чугуна, образующие в воздухе искры (за счет сгорания углерода).
Второй период начинается после того, как из чугуна выгорит почти весь кремний и марганец, а металл достаточно хорошо разогреется. Это создает условия для окисления растворенного в металле углерода по реакции
С -pFeO = Ее + СО (19) сопровождающейся поглощением тепла и понижением температуры металла примерно на 50—80° С. Получающаяся в результате этой реакции окись углерода сгорает в воздухе, образуя вад горловиной конвертора яркое пламя. Второй период обычно продолжается 8—12 мин.
Третий период начинается с появления над горловиной конвертора бурого дыма. Это означает, что все примеси металла окислились и начинает окисляться железо. Этот период продолжается не более 1—2 мин. Затем конвертор наклоняют в горизонтальное положение, и в металлическую ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для связывания оставшегося в металле кислорода и доведения стали до заданного химического состава по марганцу и кремнию. Готовую сталь через горловину конвертора выливают в ковш и направляют на разливку- Угар металла при продувке чугуна в конверторе равен 8—12%.
Перед заливкой в конвертор чугун некоторое время выдерживают в больших футерованных сосудах — миксерах для усреднения его химического состава, регулирования температуры и частичного обессеривания (в бессемеровском конверторе нельзя удалять серу).
Великий русский металлург Д. К. Чернов и инженер К* П, Поленов разработали «русский способ бессемерования», позволяющий выплавлять сталь из мало кремнистых чугунов за счет предварительного перегрева чугуна до заливки его в конвертор.
Бессемеровскую сталь с повышенным содержанием углерода получают двумя способами: прекращением продувки в тот момент, когда металл имеет заданное количество углерода (плавка с перехватом дутья); добавкой жидкого чугуна к обезуглероженному металлу.
Томасовский процесс. Наличие громадных месторождений железных руд, богатых фосфором, вызвало в свое время необходимость изыскать способ производства стали из фосфористых чугунов. При тома* совском способе производства стали футеровка конвертора основная (доломит). Это позволило получать основные шлаки, необходимые для удаления фосфора. В конвертор забрасывают определенное количест-
во свсжеобожженной извести» а затем заливают чугун с высоким содержанием фосфора (1,6—2,0%), минимально возможным содержанием кремния (до 0,6%) и серы (до 0,07%). Заполнение чугуном конвертора, подъем его и пуск дутья осуществляют так же, как при бессемеровском процессе.
В первый период плавки окисляются железо, кремний, марганец и образуется основной шлак. Температура металла при этом несколько повышается, но фосфор из него еще не удален.
Во второй период плавки окисляется углерод, что сопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в металле достигнет 0,1—0,2%, а температура снизится до 1400 —■ 1420° С, начинается третий период плавки. В этот период (3—5 мин) происходит очень интенсивное окисление и ошлакование фосфора:
2Р + 5FcO - 4СаО - (СаО)4 - Р2О5 + 5Fe (20)
Реакция (20) сопровождается выделением значительного количества тепла и сильным повышением температуры металла (до 1600°С).
Перед введением в сталь раскислителей из конвертора необходимо слить фосфористый шлак. В противном случае фосфор восстановится из шлака и частично перейдет обратно в металл. Томасовские шлаки содержат до 24% Р/Х; их применяют в сельском хозяйстве в качеспе удобрения.
Кислород но-конверторный процесс. Технический прогресс в конверторном производстве характеризуется наращиванием мощностей кислородно-конверторного производства стали. В 1970 г. доля кислородно-конверторной стали составляла у нас 19,0 % общей выплавки стали, в 1975 г. она увеличилась до 32,0% и будет увеличиваться в дальнейшем.
Применение дутья, обогащенного кислородом для интенсификации выплавки стали, позволило не только сократить продолжительность продувки и увеличить производительность, но и снизить содержание азота в готовой стали до 0,005—0,004% вместо 0,022% при обычном воздушном дутье. Последнее особенно важно для расширения применимости конверторной стали.
За последние годы введены в эксплуатацию кислородные конверторы емкостью от 100 до 300 т (рис, 6), Крупные конверторы имеют лучшие техноэкономи чес кие показатели. Сокращение продолжительности продувки с 22—25 до 12—15 мин позволило увеличить производительность конверторов. Увеличение расхода кислорода с 2—2,5 до 5—6 м3/г в минуту повысит также интенсивность работы действующих конверторов.
Обычно эти конверторы футеруют магнезитовым или смолодоломитовым кирпичом. Летку конвергоров футеруют изделиями из плавленой окиси магния.
Весь металл в конверторе сильно разогревается. Температура металла в зоне действия кислорода достигает 3000° С и общая продолжительность плавки 100-тонного конвертора 25 мин, а время продувки 14—18 мин. В первый период интенсивно выгорает кремний и марганец
(4 мин). Во второй период плавки выгорает углерод (от 5 до 10 мин) и в третий наступает выгорание железа.
Кислородные конверторы оснащены автоматическими системами регулирования и контроля процесса. В них выплавляют как углеродистую, так и легированную сталь. В настоящее время работают конверторы емкостью 100, 250 и 300 т: в новых кислородно-конверторных цехах емкость повысится до 350. ти выше*
Рис, 6. Кислородный конвертор ем- костью 100—130 т (о) и выгорание примесей в нем (б):f — фу теров ка: 5 — фу р ^ а в одсю хл а ж да е м а я; 3—* зеркало ванпы; 4 — днище в кислородном конвертореРис, 6. Кислородный конвертор ем- костью 100—130 т (о) и выгорание примесей в нем (б):f — фу теров ка: 5 — фу р ^ а в одсю хл а ж да е м а я; 3—* зеркало ванпы; 4 — днище в кислородном конверторе
Рис, 6. Кислородный конвертор ем- костью 100—130 т (о) и выгорание примесей в нем (б):
f — фу теров ка: 5 — фу р ^ а в одсю хл а ж да е м а я; 3—* зеркало ванпы; 4 — днище в кислородном конверторе
Рис, 6. Кислородный конвертор ем- костью 100—130 т (о) и выгорание примесей в нем (б):
f — фу теров ка: 5 — фу р ^ а в одсю хл а ж да е м а я; 3—* зеркало ванпы; 4 — днище в кислородном конверторе
Устройство кислородного конвертора (рис. 6) отличается от бессемеровского и томасовского. Кислород вдувают в конвертор сверху через горловину (под давлением до 12 ат) вертикальной водоохлаждаемой медной фурмы 2 на зеркало жидкого металла, которая выше уровня металла на 1500^3000 мм. Выпуск готовой стали производят через верхнее выпускное отверстие* Вследствие того что в конверторе развивается высокая температура, возможно вводить не только жидкий чугун, но и до 30 ^^ железного скрапа, железную руду, Для удаления вредных примесей (серы и фосфкэра) в конвертор добавляют известь, обычно после разогрева металла кислородом.
Технике-экономические показатели кислородно-конверторного производства стали.
В текущей пятилетке значительно повышена интенсивность работы конверторов путем увеличения расхода кислорода до 4—6 мУт стали в минуту, увеличения садки, сокращения простоев. В настоящее время расход кислороде составляет 50—55 м3 на 1 т стали»
Созданы также вращающиеся конверторы для продувки чугуна чистым кислородом (рис. 7). Сущность этого процесса (так называемый 30
процесс Каддо) состоит в том, что во вращающемся конверторе жидкий металл тщательно перемешиваете я при одно временной подаче кислорода. Для за- ливки чугуна, загрузки шихты, слива стали и шлака конвертор может поворачиваться на цапфах вокруг поперечной оси. Во время продувки конвертор вращается вокруг продольной ОСИ со скоростью 30 об/мин.
Продувкой кислородом обыч
Рис, 7, Схема вращающегося конвертора:Рис, 7, Схема вращающегося конвертора:о — положение копнертора для загрузки твердой шикты; б— положение конвертора для „$алипки чугуна: а — положение конвертора для слива стали и шлака; / — по- ворачиваюшаяся труба для отходящих газов, 2— кислородная фурмао — положение копнертора для загрузки твердой шикты; б— положение конвертора для „$алипки чугуна: а — положение конвертора для слива стали и шлака; / — по- ворачиваюшаяся труба для отходящих газов, 2— кислородная фурманых чугунов (или чугунов с высоким содержанием фосфора) в роторных конверторах получают качественную и высококачественную сталь. Такой конвертор представляет собой цилиндрический агрегат длиной 14—15 м, вращающийся вокруг
Рис, 7, Схема вращающегося конвертора:
Рис, 7, Схема вращающегося конвертора:
о — положение копнертора для загрузки твердой шикты; б— положение конвертора для „$алипки чугуна: а — положение конвертора для слива стали и шлака; / — по- ворачиваюшаяся труба для отходящих газов, 2— кислородная фурма
о — положение копнертора для загрузки твердой шикты; б— положение конвертора для „$алипки чугуна: а — положение конвертора для слива стали и шлака; / — по- ворачиваюшаяся труба для отходящих газов, 2— кислородная фурма
горизонтальной оси со ско
ростью 0» 1 —0,5 об/мин. Перемешивание металла при вращении обеспе
чивает удаление фосфора и получение высококачественного металла»
§ 2» Мартеновское производство стали
В 1975 г. доля мартеновского производства стали в СССР сократилась главным образом за счет кислородно-конверторного производства, Все же наибольшее количество стали в девятой пятилетке выплавлено в мартеновских печах, Советский Союз имеет крупные мартеновские печи, самые крупные в мире—емкостью 600 и 900 т. Требуемая для расплавления шихтовых материалов высокая температура (до 1800°С) достигается предварительным подогревом горючего газа и воздуха.
На рис. 8 изображена схема устройства и работы современной мартеновской лечи. Газ и воздух по каналам 1 и 2 подводят к газовому клапану 10, а затем смесь по каналу 5 поступает в регенератор 6. Вентилятором 3 по каналу 4 воздух подводится к воздушному клапану 9, от которого по каналу 8 поступает в регенератор 7. Насадка регенераторов, нагретая до 1500—1550е С, отдает тепло проходящим через них газу и воздуху, Нагреваясь в регенераторах до 1200° С, газ и воздух по вертикальным каналам поступают в головки печи для образования газовоздушной смеси, которая и сгорает в рабочем пространстве, Продукты горения из рабочего пространства печи через правые головки направляются в регенераторы 16 и по каналам /5 и П поступают в трубу 12.
Когда огнеупорная насадка в регенераторах б и 7 начнет остывать, направление движения газа и воздуха изменится, Клапаны 9 и 10 закрываются, а левые клапаны 14 и 13 открываются. При этом насадка.
<11.NII 11IIII If И<11.NII 11IIII If ИРис, 8. Схема устройства и работа мартеновской печи емкостью 500Рис, 8. Схема устройства и работа мартеновской печи емкостью 500
<11.NII 11IIII If И
<11.NII 11IIII If И
Рис, 8. Схема устройства и работа мартеновской печи емкостью 500
Рис, 8. Схема устройства и работа мартеновской печи емкостью 500
регенераторов 16 будет нагрета до 1200—1300° С теплом отходящих продуктов горения. После перекидки клапанов продукты горения пойдут через насадку регенераторов 6 и 7,
Большинство мартеновских печей работает на смеси природного газа и мазута. Однако имеются еще небольшие мартеновские печи, работающие на мазуте.
Шихтовые материалы (скрап, чугун, флюсы) загружают в печь через завалочные окна 17. Разогрев шихты, сплавление и нагрев металла и шлака происходят при контакте плавящихся материалов с факелом горящих газов* Готовую сталь выпускают через отверстие, расположенное в самой низкой части подины печи, На время плавки это отверстие забивают огнеупорной глиной.
Современные мартеновские печи имеют различную емкость и могут принимать единовременную садку металла более 500 т. Более распространенными являются печи емкостью 150—300 т*
Процесс плавки в мартеновских печах может быть кислым или основным. В первом случае подину, стенки и свод печи выполняют из динасового кирпича. Верхние слои подины при ремонте наваривают кварцевым песком, В процессе плавки образуется кислый шлак с большим содержанием кремнезема (50—55% SiO2)* При основном процессе подину и стенки печи выкладывают из магнезитового кирпича; свод — хромомагнезитовый. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком. В процессе плавки образуется основной шлак (40—50% СаО),
В зависимости от исходных материалов также возможны разные процессы плавки в мартеновских печах* На некоторых заводах (обычно машиностроительных) плавку ведут на твердой шихте (чушковый чугун, металлический лом и небольшое количество железной руды)- Такую плавку называют скрап-процессом.
На заводах с полным металлургическим циклом в мартеновскую печь подают жидкий чугун (60%), металлические отходы (40%),железную руду и флюсы. Эту плавку называют скрап-рудным процессом.
При выплавке стали в мартеновских печах различают следующие периоды: загрузки и плавления шихты, кипения металлической ванны и доводки и раскисления металла.
Основной мартеновский процесс. Рассмотрим особенности выплавки стали в мартеновской печи на твердой шихте (скрап-процесс).
Перед началом плавки определяют количество и вид шихтовых материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк, железная руда), а также последовательность их загрузки в печь. Шихту состав л я- ют с таким расчетом, чтобы содержание углерода после расплавления металла было на 0,6—0,8% больше заданного в готовой стали при выпуске ее из печи,
Шихту загружают в печь в мульдах (специальных коробках) при помощи напольной или подвесной завалочной машины. В рабочем пространстве печи мульду переворачивают на 180°, высыпая шихту на подину.
В период загрузки и плавления шихты в печи частично окисляются железо и фосфор, почти полностью кремний и марганец, а также обра
зуется первичный шлак. Эти элементы окисляются сначала кислородом, содержащимся в печных газах и руде, а после образования первичного шлака закисью железа, растворенной в этом шлаке. Обычно в первичном шлаке, покрывающем тонким слоем расплавленный металл, содержится 10 —15 % FeO, 35—40 % СаО, 1 0-— 15 % МпО.
После образования шлака жидкий металл не контактирует с газами. Его примеси окисляются под слоем шлака закисью железа, которая растворяется как в шлаке, так и в металле. При увеличении концентрации закиси железа в шлаке одновременно возрастает концентрация ее в металле. Для поддержания в шлаке определенной концентрации закиси железа в печь добавляют руду, что сопровождается реакцией
ЕезО4 (руды) 4- Ее (ванны) = 4FeO (шлака) (21)
Образующаяся закись железа распределяется между шлаком и металлом и окисляет в нем примеси по реакциям (15)—(19).
К концу расплавления шихты значительная часть фосфора переходит в шлак, так как последний содержит достаточное количество закиси железа и извести. Это обеспечивает развитие реакции (20).
Во избежание обратного перехода фосфора в металл перед началом второго периода плавки около 40—50% первичного шлака из печи скачивают, добавляя одновременно известь для образования нового более основного шлака. Тепловую нагрузку печи при этом увеличивают для быстрого растворения извести в оставшемся первичном шлаке и повышения температуры металлической ванны. Через 15—20 мин после образования основного шлака в печь загружают некоторое количество железной руды. Это увеличивает содержание окислов железа в шлаке и вызывает реакцию (19) окисления углерода в металлической ванне. Образующаяся окись углерода выделяется из металла в виде пузырьков, вызывая его кипение.
В первую половину периода кипения в печь обычно добавляют железную руду. Кипение ванны способствует перемешиванию металла, отделению от него неметаллических частиц и растворенных газов, а также равномерному распределению температуры по глубине ванны.
Общая продолжительность периода окисления углерода зависит от садки мартеновской печи и марки выплавляемой стали и колеблется в пределах 1,75—2,5 ч и более. Скорость выгорания углерода равна 0,4—0,65% в час.
Во вторую половину периода кипения, называемую чистым кипением, железную руду в ванну не загружают. Металл кипит мелкими пузырьками благодаря накопленным в шлаке окислам железа. Скорость выгорания углерода равна 0,2—0,4% в час. В период кипения ванны наблюдают за шлаком, особенно за его основностью и жидкотекучестью.
Когда содержание углерода в пробах металла получается несколько меньше, чем требуется для готовой стали, кипение ванны искусственно прекращают, начиная период доводки и раскисления металла. Для этого вводят определенное количество кускового ферромарганца, содержащего 12% Мп, а через 10—40 мин — ферросилиция с 12—16%
Si* Эти ферросплавы раскисляют РеОв соответствии с реакциями (15) и (16).
В результате содержание закиси железа в металле уменьшается и окисление углерода приостанавливается. Внешним признаком раскисления металла является прекращение образования пузырьков окиси углерода на поверхности шлака. Шлак становится спокойным.
В основной мартеновской печи частично удаляется сера из металла (десульфурация) по реакции
FeS + СаО = CaS + FeO (22)
Эта реакция протекает лучше при высокой температуре и большей основности шлака, В частности, она хорошо развивается к концу периода кипения после введения в металл раскислителей*
В основной мартеновской печи можно выплавлять легированную сталь многих марок, Для этого после раскисления металла в ванну добавляют необходимые легирующие элементы (Си, Сг, Ni и др.) или соответствующие ферросплавы (феррохром, ферротитан, ферромарганец и др )*
Перед выпуском легированную сталь некоторое время выдерживают в печи под слоем шлака для более равномерного распределения элементов по объему металла и некоторой его дегазации. Окончательное раскисление стали производят алюминием на выпускном желобе печи или в ковше.
Работа основной мартеновской печи при скрап-рудном процессе отличается от работы при скрап-процессе порядком загрузки шихты. При с крап-рудном процессе в печь после хорошего прогрева скрапа, руды и известняка заливают по желобу жидкий чугун. Химические реакции происходят так же, как и при с крап-процессе,
Кислым мартеновский процесс. Этот процесс состоит из тех же периодов, что и основной, но требует применения шихтовых материалов с минимальным количеством (менее 0,03%) фосфора и серы. Образующийся в печи кислый шлак не обладает свойством удерживать эти вредные примеси стали.
Кислые мартеновские печи обычно работают при скрап-процессе (доля скрапа составляет 30—50% массы металлической части шихты). В шихте должно быть не более 0,6% Si, так как при высоком содержании кремния период кипения начинается позже. Железную руду в шихту не добавляют, так как она может взаимодействовать с подиной и разрушать ее с образованием легкоплавкого соединения 2FeO-SiO2. Для образования первичного шлака в печь загружают некоторое количество кварцита или кислого мартеновского шлака.
После загрузки и нагрева шихты окисляются железо, кремний и марганец, а также образуется кислый (до 40% SiO2) первичный шлак. В нем связана большая часть закиси железа, что затрудняет переход ее из шлака в металл. В связи с этим кипение ванны происходит труднее, чем в основной печи. Кроме того, кислые шлаки имеют повышенную вязкость, что отражается на скорости выгорания углерода.
Для интенсификации процесса кипения металла на поверхность Шлака небольшими порциями подают железную руду (для увеличения
доли окислов железа в шлаке) и хорошо обожженную известь (для разжижения шлака). Первичный шлак» как правило, не удаляют, так как он не содержит фосфора.
Поведение кремния и кремнезема в кислой печи имеет некоторые особенности. Кремний во время расплавления шихты окисляется кислородом, содержащимся в печных газах:
Si+O2-SiO2 (23)
а после расплавления шихты — закисью железа шлака по реакции (15). Эта реакция обратима: при умеренных температурах она идет направо, а при высоких — может идти в обратном направлении. Последнее наблюдается в конце плавки, когда температура металла и шлака существенно повышается.
При высоких температурах и достаточном количестве углерода и марганца в кислой печи возможны также реакции:
SiO2 + 2С : Si + 2СО (24)
SiO2 + 2Mn = Si + 2MnO (25)
В этих реакциях может участвовать кремнезем шлака и подины. Восстановленный кремний оказывает раскисляющее действие на сталь и обеспечивает получение очень плотного металла.
Технико-экономические показатели работы мартеновских печей. Основные показатели — удельный расход топлива на 1 т выплавляемой стали и съем стали в тоннах с 1 м2 пода печи в сутки.
Расход топлива зависит от многих факторов; составаших- ты, тепловой мощности печи и др. Необходимое количество тепла для выплавки стали составляет 700—1400 ккал/кг (3—6 МДж/кг). В мартеновских печах необходимо сжигать условного топлива в количестве 10—20% массы выплавляемой стали.
С ъ е м с т а л и с 1 м 2 п о д а п е ч и получается путем деления суточной производительности на площадь пода печи, измеряемую условно на уровне порогов рабочих окон. Средний съем стали на отечественных металлургических заводах составляет около 9 т/м2; на отдельных заводах он достигает 10—14 т/м2. Развитие скоростных методов сталеварения позволяет поднять съем стали еще выше и способствует дальнейшему увеличению производительности печей.
Важнейшим интенсификатором мартеновского процесса является кислород. Обогащение воздуха кислородом позволяет повысить температуру факела пламени» увеличить его лучеиспускание, уменьшить количество продуктов горения и благодаря этому повысить тепловую мощность печи. Введение кислорода в факел пламени и ванну ускоряет процесс плавки» увеличивая производительность печей на 25—30%.
Изготовление сводов из хромомагнезитовых кирпичей вместо динасовых позволяет увеличить тепловую мощность печей» удлинить межремонтный период в два-три раза и повысить производительность на 6—10%.
Выплавка стали в двухванных мартеновских печах позволяет использовать попеременно тепло соседней ванны за счет отдачи тепла 36
одной ванны другой. Когда в одной ванне готовую сталь выпускают, в соседней только начинается процесс плавки. В одной ванне емкостью 250—300 т плавка идет всего два часа; каждые четыре часа получают 500—600 т стали. В то же время в мартеновских печах емкостью 600 т плавка длится десять часов, т. е. производительность двухванной печи в два раза выше. При продувке ванны кислородом процесс еще больше ускоряется.
. Двух ванный плавильный агрегат выплавляет в год 1 —1,2 млн. т стали. В настоящее время работает девять двухванпых агрегатов (на Магнитогорском металлургическом комбинате — пять, на Череповецком — два, на Запорожском — один, в Кривом Роге — один).
В настоящее время свыше 90% мартеновской стали в СССР производится в печах с автоматическим управлением их тепловым режимом. В результате автоматизации достигаются экономия топлива (около 5%), повышение производительности (в среднем на 8 %) и увеличение стойкости свода печи (примерно на 9%).
Производство стали в электропечах
Наиболее совершенные плавильные агрегаты — это электропечи, в которых электрическая энергия превращается в тепло для нагрева и расплавления металла.
Производство стали в электропечах имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами выплавки стали. Так, в электропечах можно получать температуру до 2000° С и расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов (хрома, вольфрама, молибдена и др.); иметь высокоосновной шлак (до 55—60% СаО); создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и добиваться хорошего раскисления и дегазации металла.
Для выплавки стали применяют электропечи двух типов — дуговые и индукционные. Дуговые печи особенно широко применяют в мет алл у ргичес кой про мышле н нести.
Устройство дуговой электропечи. В этой печи (рис, 9) шихтовые материалы нагреваются и расплавляются теплом, излучаемым тремя электрическими дугами* (по числу фаз переменного электрического тока).
Печь состоит из цилиндрического сварного или клепаного кожуха У со сфероидальным днищем; подины с огнеупорной футеровкой и стенок 8; съемного арочного свода 6 с отверстиями для электродов 5; механизма 4 для закрепления и вертикального перемещении электродов; двух опорных сегментов 10 для поддержки и перемещения печи по направляющим фундамента //; механизма 3 для наклона печи при выпуске стали по желобу 7. Электрический ток поступает от понижающего трансформатора Д находящегося в отдельном помещении. Для подвода тока к электродам использованы медные шины и гибкий кабель 2.
Свод печи обычно выполняют из динасовых кирпичей, иногда из хромомагнезитовых блоков Подина печи может быть кислой или основной.
В печах применяют угольные и графитированные электроды. Последние оказывают меньшее сопротивление току и более устойчивы при высоких температурах, но дороже угольных.
Рис. 9. Схема устройства дуговой электропечи емкостью 80 т
Во время плавки электроды сгорают, поэтому их приходится постепенно опускать в печь и в случае надобности наращивать (свинчивать с новыми электродами)* Каждый из электродов зажат в контактных щеках металлического электрододержателя, к которому подводится электрический ток от вторичной обмотки печного трансформатора* Первичная обмотка трансформатора питается током высокого напряжения (6000—30 000 В), который преобразуется в ток низкого напряжения (90—280 В) в зависимости от выбранной ступени напряжения. Мощность печного трансформатора зависит от емкости печи и способа плавки. Расход электроэнергии в дуговых электропечах при работе на твердой шихте составляет 2160—3420 МДж (600—950 кВт-ч) на I т готовой стали.
Дуговые электропечи имеют емкость от 3 до 270 т* и более. На зз-
воде «Красный Октябрь» (Волгоград) работают две 200-тонные печи. Проектируют и более мощные печи.
Технология выплавки стали в дуговых электропечах. В этих печах выплавляют углеродистую или легированную сталь главным образом высококачественных марок.
В печах с основной футеровкой сталь выплавляют с окислением углерода и других компонентов шихты или без окисления шихты (метод переплава).
Технология выплавки стали с окислением шихты имеет очень много общего с технологией выплавки стали в мартеновских печах скрап-процессом. После ремонта подины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте должно быть на 0,5—0,6% выше, чем в готовой стали. Избыток углерода выгорает из расплавленного металла и обеспечивает хорошее кипение ванны.
На подину печи сначала загружают мелкий стальной скрап, а затем более крупные куски шихты. Шихта в печи должна быть плотно уложена; особенно плотно в том месте, где будут находиться электроды- Загрузку печей малой (до 10 т) и средней (до 30 т) емкости производят через загрузочное окно мульдами или лотками, а печей большой емкости — через открытый свод. После загрузки шихты электроды опускают до соприкосновения с кусками металла- Под электроды предварительно прокладывают кусочки кокса для более плавного зажигания дуг; затем включают ток от печного трансформатора и начинают плавку.
Процесс выплавки стали в дуговой электропечи состоит из двух периодов; окислительного и восстановительного. Во время окислительного периода шихта расплавляется. Из металла выгорают кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и некоторые легирующие элементы (например, хром, титан). Окисление отдельных элементов происходит по реакциям (15)— (22). В печи с основной футеровкой фосфор удаляется из металла главным образом в первой половине окислительного периода, пока ванна еще сильно не рас огр елась. Образовавшийся фосфористый шлак удаляют из печи на 60—70%. Для наведения нового шлака в печь загружают свежеобожженную известь и другие необходимые компоненты (железную руду, боксит, плавиковый шпат, битый шамотный кирпич и т. д.), Через некоторое время в печи завершается формирование шлака и начинается кипение ванны.
Во время кипения металлической ванны в течение 45—60 мин из металла выгорает избыточный углерод; при этом удаляются растворенные газы и неметаллические включения; одновременно отбирают на анализ пробы металла и шлака. Основность шлака должна быть равна 2—2,5, что необходимо для удержания в нем фосфора и создания достаточной окислительной способности шлака при добавке железной руды.
После выгорания углерода из печи удаляют весь шлак, образовавшийся в окислительный период. Рели содержание углерода в металле при кипении ванны понизилось больше, чем это требуется, то в печь вводят битые графитовые электроды или кокс для науглероживания металла. После этого наступает восстановительный период плавки.
В период плавки необходимо раскислить металл, перевести максимально возможное количество серы в шлак, получить заданный хими-
ческий состав металла, подготовить металл к выпуску из печи.
Восстановительный период плавки в печах с основной футеровкой проводится для сталей с низким содержанием углерода под белым (известковым) шлаком, а для высокоуглеродистых сталей (С > 1 %) под карбидным шлаком.
Для получения белого шлака в печь загружают первую шлаковую смесь, состоящую из извести (80%) и плавикового шпата (20%). В результате образуется слой шлака с достаточно высоким содержанием FeO и МпО. Затвердевшие пробы шлака имеют темный цвет* Такой шлак еще не может раскислять металл. Перед началом раскисления металла впечь загружают вторую шлаковую смесь для понижения концентрации окислов железа и марганца в слое шлака* Эту смесь обычно составляют из хорошо обожженной извести (4—5 частей), плавикового шпата (1 часть), молотого древесного угля и кокса (2—3 части). Через некоторое время повышается основность шлака и понижается содержание в нем FeO и МпО. Пробы такого шлака после затвердевания светлеют* Этот шлак может раскислять металл* К концу восстановительного периода для усиления раскисляющего действия белого шлака в печь загружают порошок ферросилиция, в результате чего содержание FeO в шлаке понижается до 1—1,5%.
Высокая основность белого шлака, куски древесного угля или кокса на его поверхности и высокая температура в печах способствуют интенсивному переходу серы из металла в шлак по реакции (13).
Во время восстановительного периода в металл вводят необходимые добавки, в том числе и легирующие элементы. Окончательное раскисление стали производят алюминием.
Выплавка стали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного периода (до посветления затвердевших проб шлака) происходит так же, как и под белым шлаком. Затем в печь загружают карбидообразующую смесь, состоящую из кокса, извести и плавикового шпата в пропорции 1 : 3 : 1. При высоких температурах около электрических дуг происходит реакция взаимодействия извести с углеродом кокса:
СаО -|- ЗС = СаС2 + СО (26)
Карбид кальция СаС2, образующийся по этой реакции, увеличивает раскислительную и обессеривающую способность шлака. Для ускорения образования карбида кальция в шлаке печь хорошо герметизируют.
Карбидный шлак содержит 55—65% СаО и 0,5—0,6% FeO и обладает неуглероживающей способностью.
Способ плавки без окисления шихты (метод переплава) отличается от предыдущего тем, что в шихте отсутствует железная руда и плавка идет практически без кипения. Шихту обычно составляют из легированных отходов с низким содержанием фосфора (поскольку его нельзя перевести в шлак) и близких по химическому составу к выплавляемой стали. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 — 15 % мягкого железа «0,1 % С), выплавленного в мартеновских печах.
При работе по методу переплава первичный (железистый) шлак из печи не удаляют, так как из него в металл переходят дефицитные легирующие элементы (хром, титан, ванадий).
Технико-экономические показатели производства электростали.
Рис. 10. Схема устройства индукционной высокочастотной печиРис. 10. Схема устройства индукционной высокочастотной печиУлучшение этих показателей для дуговых электрических печей зависит от их емкости, мощности трансформаторов, совершенства технологии, стойкости футеровки и организационных мероприятий. В нашей стране построены и работают электропечи емкостью 100 и 200 т с трансформаторами соответственно 50—60 и 80—120 тыс. кВА, Расчеты показали, что в цехе с объемом производства 800 тыс. т стали повышение мощности трансформаторов позволяет установить 4 печи вместо 5. При этом существенно сокращаются капитальные затраты на сооружение цеха и повышается производительность труда.
Рис. 10. Схема устройства индукционной высокочастотной печи
Рис. 10. Схема устройства индукционной высокочастотной печи
Выход годной стали колеблется от 90 до 96 % от всей металлической завалки. Расход электроэнергии при твердой завалке составляет 800— 950 кВт-ч электроэнергии на 1 т стали. Продувка кислородом значительно уменьшает этот расход (до 30%), сокращает продолжительность плавки и на 20—25% повышает производительность печи.
Индукционные печи. Эти печи существенно отличаются от дуговых способом образования тепла для расплавления металла. При прохождении переменного электрического тока через индуктор печи образуется переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит го вторичном контуре (обычно тигель с загруженным в него металлом) переменные токи (токи Фуко), под действием которых металл нагревается и расплавляется.
Индукционные печи имеют емкости 50—10 000 кг. Выплавку стали в этих печах обычно осуществляют по методу переплава. Угар легирующих элементов при этом незначителен.
Печь (рис-. 10) состоит из огнеупорного плавильного тигля и индуктора 5. Индуктор выполнен в виде катушки из медной трубки, по которой циркулирует охлаждающая вода. Ток подается по гибким ши нам 7 через печные конденсаторы 6 от рубильника 4, находящегося па Щите управления 5. К щиту ток подается от пуска геля / через преобразователь 2 и конденсатор 3.
Необходимый для питания индукционной печи переменный ток повышенной частоты вырабатывают в специальных машинных или ламповых генераторах. Ток от генераторов к индуктору подводится по гиб-
кому кабелю или медным шинам. Обычно в индукционных печах используют ток частотой 500— 2500 Гц.
Плавильные тигли могут иметь кислую или основную футеровку. Кислую футеровку изготовляют из молотого кварцита; связкой служит порошок борной кислоты (до 1,5%). Основную футеровку изготовляют из порошка хорошо обожженного плавленого магнезита; связкой может быть борная кислота (3%).
Для формирования шлака в тигель загружают шлаковую смесь. Температура шлака в тигле ниже температуры металла, так как шлак обладает тесьма слабой магнитной проницаемостью и ток в кем практически не индуктируется. Под действием электромагнитных сил в тигле происходит усиленная циркуляция металла, что ускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла.
Индукционные печи обычно применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения. Внутри печи легко создать вакуум или регулируемую атмосферу из газов определенного состава (например, водорода). Это позволяет использовать индукционные печи для плавки в вакууме или в нейтральной атмосфере.
Для совершенствования технологии плавки в электрических печах предусматривается широкое использование кислорода с установкой автоматизированных фурм, применение газокислородных горелок и вдувание порошкообразных материалов. Современные электрические печи оборудованы автоматическими установками для измерения температуры металла и устройствами для электромагнитного перемешивания металла. Эти и другие меры существенно повышают качество электростали.
Комбинированные способы производства стали
Речь идет о последовательной выплавке стали в двух плавильных агрегатах (дуплекс-процесс). При этом возможны разные сочетания этих агрегатов- Главным образом это основная и кислая мартеновские печи, а также кислородный конвертор и основная мартеновская печь. Реже используют основную мартеновскую и основную электропечь.
При сочетании кислородного конвертора с основной мартеновской печью жидкий чугун сначала продувают в конверторе и полученный полупродукт передают в основную мартеновскую печь для удаления серы и фосфора и придания стали заданного химического состава.
В дуплекс-процессе «основная — кислая мартеновские печи» плавка протекает в основной печи на обычной для этого процесса шихте. Из жидкого металла удаляются фосфор, сера, кремний и марганец до минимально возможного содержания. Затем жидкую сталь, содержащую обычно 1,3—1,4 % С (т. е. в количестве, достаточном для процесса кипения), переливают в кислую печь для доводки и получения высококачественной кислой стали.
Сочетание мартеновской печи с основной электропечью позволяет уменьшить расход электроэнергии на расплавление и дефосфорацию металла. В этом случае в мартеновской печи осуществляют плавление> дефосфорацию и частичное кипение металла. Затем металл переливают
в электропечь для окончательного рафинирования, раскисления и легирования.
Комбинированные способы производства стали в некоторых случаях выгодны и единственно возможны. Целесообразность применения этих процессов определяется конкретными технико-экономическими условиями работы металлургического завода. Сочетание основной мартеновской с основной электрической печью сокращает расход энергии и позволяет получать сталь высокого качества.
Разливка стали
По степени раскисления сталь разделяют на спокойную, кипящую и полуспокойную. При полном раскислении получается спокойная сталь (весь кислород находится в связанном состоянии), а при непол
Рис. 11. Ковш для разливки сталиРис. 11. Ковш для разливки сталином раскислении — кипящая сталь. При разливке кипящей стали выделяется окись углерода (сталь кипит в изложнице), Полуспоко иная сталь зани - мает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями.
Рис. 11. Ковш для разливки стали
Рис. 11. Ковш для разливки стали
Готовую сталь выпускают из печи в подогретый сталеразливочный ковш (рис. 11), Стальной кожух / ковша имеет две цапфы 2, при помощи которых ковш, захватывается крюком мостового крана. Внутри ковш имеет огнеупорную футеровку 4 из шамотного кирпича. В дно ковша встроен стакан 3 с отверстием для. выпуска металла. Отверстие в стакане закрывается огнеупорной пробкой, укрепленной на железном стержне 8 стопора 9* Подъем и опускание стопора производится вручную при помощи рычага 7 и связанных с ним устройств 5 и 6.
Из ковша сталь разливают по чугунным изложницам для получения слитков.
В зависимости от вида полученных слитков изложницы могут иметь квадратное, круглое, прямоугольное или другое сечение. Высота изложниц должна быть в пять-шесть раз больше их поперечного размера. Для облегчения выемки слитков стенки изложницы имеют конусность.
В сталеплавильных цехах отливают слитки массой от 100 кг до 100 т. Наиболее широко используют слитки массой 5—8 т, направляемые в прокатные цехи.
Применяют три способа разливки стали в изложницы: сверху (обычно при отливке крупных слитков), сифоном (при отливке мелких и
средних слитков) и непрерывную разливку. При разливке стали сверху (рис. 12,а) каждую изложницу заполняют сталью отдельно. При этом отверстие стакана ковша должно бытьустановлено по центру изложницы. При сифонной разливке (рис, 12,6) сталь из ковша 1 поступает в центральный стояк 2 и отводится из него в несколько изложниц 4 по литниковым каналам 5, расположенным в поддоне 6.
Рис. 12. Разливка стали в изложницы: а — сверху: б — снизу (сифоном)
Сталь, разлитая сверху, имеет меньше неметаллических включений, чем сифонная. Однако последняя получается с более чистой поверхностью.
При затвердении стали в изложнице происходит усадка металла. В первую очередь затвердевают слои металла, прилегающие к стенкам изложницы. Внутренняя часть слитка некоторое время после заполнения остается жидкой. Там, где металл дольше находится в жидком состоянии, образуется усадочная раковина (обычно по оси слитка, ближе к его головной части).
Усадочную раковину в слитке можно несколько уменьшить, если замедлить охлаждение стали в верхней части изложницы. Для этого применяют прибыльные надставки 3 (см. рис. 12), футерованные изнутри огнеупорными материалами. Сталь в надставке затвердевает в последнюю очередь. Это способствует уводу усадочной раковины в головную часть слитка.
В некоторых случаях металл, находящийся в надставке, искусственно подогревают газовой горелкой или вводят в нее небольшое количество термитной смеси. Эти мероприятия способствуют уменьшению объема усадочной раковины и увеличению выхода годной стали.
При непрерывной разливке стали получается большая экономия металла, а также увеличивается производительность труда и снижается
себестоимость производства (рис. 13). Сталь из ковша 7 непрерывной струей поступает в промежуточное устройство 8 и далее в охлаждаемые проточной водой кристаллизаторы 8. В каждый из кристаллизаторов снизу закладывают стальную затравку. При соприкосновении с затравками и со стенками кристаллизатора начинается быстрое затвердевание жидкого металла. При этом металл приваривается к затравке и вместе с ней вытягивается из кристаллизаторов роликами 9 и 10.
Рис, 13. Схема установки для непрерывной разливки стали через два кристаллизатора
Затвердевание формируемого непрерывного слитка усиливается при проходе его через зону вторичного охлаждения водой 5 и йЪздухом 4.
Окончательно затвердевший слиток направляется к тележкам газорезки 3. Опускаясь вместе с тележками, слиток разрезается на мерные длины и по транспортеру 2 через приемный стол / поступает на склад.
Способы повышения качества стали
Хотя содержание кислорода, азота и водорода в стали незначительно. они отрицательно влияют на ее прочностные, физико-химические и технологические свойства, Указанные примеси могут присутствовать в виде хрупких неметаллических включений (нитриды, окислы
и др.) или в газообразном состоянии в различных нес плотностях. Выплавка и разливка стали в вакууме уменьшает содержание газов в стали.
Внепечное вакуумирование разделяется на 4 основных вида: вакуумирование в ковше, вне ковша, в струе металла и в изложнице.
При первом способе ковш с металлом помещают в герметичную ка меру, из которой непрерывно удаляют воздух и газ. Остаточное давление составляет 0,1—1 мм рт. ст,
Рис. 14, Установка для непрерывного вакуумирования сталиРис. 14, Установка для непрерывного вакуумирования сталиВыделяющиеся газы вызывают «кипение» и способствуют перемешиванию стали. В результате такого вакуумирования содержание водорода снижается до 0,00015%, а кислорода и азота уменьшается в два раза.
Рис. 14, Установка для непрерывного вакуумирования стали
Рис. 14, Установка для непрерывного вакуумирования стали
Вакуумирование в ковше обычно проводят перед разливкой стали по изложницам.
При вакуумировании вне ковша сталь из ковша поступает в резервуар с внутренней огнеупорной футеровкой, в котором происходит не только вакуумирование, но и подогрев металла.
что позволяет увеличить время выдержки под вакуумом, не опасаясь охлаждения стали. После дегазации сталь выливают обратно в ковш. Остаточное давление в камере от 0,1 до 1 мм рт. ст.
Вакуумирование в струе получило более широкое распространение, чем в ковше. Внутри герметичной камеры установлен разливочный ковш, в который сталь поступает из раздаточного ковша. Разливку по изложницам ведут на воздухе. В результате такой обработки содержание кислорода снижается на 70%, водорода на 65%. Существует много разновидностей этого способа вакуумирования.
Вакуумирование в изложнице проводят при застывании в ней стали. Для этого на изложницу устанавливают вакуумную камеру, на нее промежуточный ковш (дозатор), дно которого сделано из легкоплавкого материала. Жидкая сталь расплавляет диск дна, которое закрывает отверстие в верхней части камеры и сталь, проходя через вакуумную камеру, попадает в изложницу. Содержание водорода уменьшается в 4—5 раз (до 0,0001%), кислорода на 60%.
В настоящее время разработаны новые методы вакуумной обработки металла, сочетающие непрерывную разливку с вакуумированием (рис. 14).
Жидкая сталь из промежуточного устройства / всасывается по патрубку 2 в футерованную вакуумную камеру 3 и сливается по патрубку в другое промежуточное устройство 8, из которого ее можно разливать непосредственно в изложницы, в ковш или в кристаллизатор установки
непрерывной разливки. Перед вакуумированием камеру и футеровку 5 нагревают до максимально допустимой температуры при помощи горелки 5. После разогрева горелку отводят и камеру герметизируют: патрубок 2 закрывают легкоплавким диском, а патрубок S — жидким стеклом. Воздух и газы отсасывают через трубу 7. Промежуточные устройства устанавливают в рабочее положение при помощи плунжеров 9. Для наблюдения за процессом имеется глазок 6. По окончании вакуумирования в камеру подают азот, вытесняя из нее остатки металла и предотвращая образование взрывоопасной газовой смеси.
Строение стального слитка
При затвердевании жидкой стали в изложнице строение ее получается неоднородным (рис. 15). Рассмотрим кристаллизацию в изложнице спокойной, хорошо раскисленной стали. Сталь разливают по изложницам при 1540—1560° С. При этом она соприкасается с относительно холодным днищем и стенками изложницы, вследствие чего очень быстро охлаждается. В местах соприкосновения образуется относительно тонкий слой мелких, различно ориентированных кристаллов (на рис» 15 зоны 10 и 5).
Образующийся между слитком и изложницей воздушный зазор замедляет дальнейшее охлаждение жидкой стали внутри слитка. При этом появляются крупные кристаллы, ориентированные в направлении, перпендикулярном охлаждающей поверхности изложницы. Здесь образуются зоны вытянутых столбчатых кристаллов 7 и 6, которые занимают несколько наклонное положение по отношению к стенке в зоне 8. Отдача тепла в центральной зоне 9 слитка происходит в различных направлениях, поэтому кристаллы располагаются беспорядочно, с произвольной ориентировкой главных осей. В головной части слитка образуется усадочная раковина 2» закрытая мостиком 1 затвердевшего металла. Ниже ее размещаются газовые раковины 3 и усадочная рыхлость 4.
Строение слитка зависит от температуры металла в момент разливки, скорости разливки, температуры изложницы и толщины ее стенок, химического состава стали, способа ее раскисления и ряда других факторов.
Основными дефектами слитка являются усадочная раковина и рыхлость, неравномерное распределение (ликвация) элементов по сечению слитка, неметаллические включения, газовые пузыри, раковины, трещины и др.
Образование усадочной раковины и рыхлости в верхней части слитка спокойной стали объясняется различием удельных объемов стали в жидком и твердом состояниях.
Ликвация в слитке является следствием непрерывного обогащения жидкой фазы примесями при переходе стали в твердое состояние. Ликвации в большей степени подвержены углерод, сера, фосфор и в меньшей другие примеси. Неметаллические включения и микроскопические газовые пузыри также неравномерно распределяются по объему слитка.
Рис. 15. Схема строения стального слиткаРис. 15. Схема строения стального слитка
Рис. 15. Схема строения стального слитка
Рис. 15. Схема строения стального слитка
Неметаллические включения попадают в сталь вследствие разъедания огнеупорной футеровки печи, желоба и ковша. Они образуются также при раскислении стали марганцем, кремнием и алюминием; в металл могут также попадать и задерживаться частицы шлака. Химический состав неметаллических включений может быть разнообразным (сульфиды железа и марганца, закись железа, закись марганца, силикаты). Неметаллические включения в стали ухудшают ее качество.
Газовые ракзеины в слитке возникают вследствие уменьшения растворимости газов при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Во время плавки жидкий металл в известной мере насыщается газами — водородом, азотом, кислородом и др. При затвердевании стали в изложнице избыточное количество газа выделяется и частично остается в слитке в виде пузырей, располагающихся у поверхности или внутри слитка.
Присутствующие в газовых пузырях водород и окись углерода могут также образоваться в жидкой стали, если она была недостаточно раскислена. Так, при взаимодействии растворенных в стали закиси железа и углерода образуется окись углерода. Эта реакция особенно сильно развивается во всем объеме металла при разливке кипящей стали, которую не раскисляют в печи и в ковше. Выделившаяся окись углерода собирается в виде газовых пузырей на глубине не менее 15— 25 мм от поверхности слитка. Газовые пузыри в слитке кипящей стали легко завариваются при горячей прокатке. Усадочная раковина и ликвация примесей в слитке кипящей стали выражены слабо.
Влияние некоторых элементов на свойства стали. Соответственно изменению структуры изменяются и свойства стали. Чем больше углерода встали, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность. Механические свойства стали зависят также от формы и размеров частиц феррито-цементитпой смеси. Чем дисперсией (тоньше и меньше) частицы этой смеси, тем выше твердость и прочность стали. Цементит зернистой формы по сравнению с пластинчатой при одинаковой твердости обладает более высокой пластичностью.
С повышением содержания углерода в стали ухудшаются свариваемость и улучшается обрабатываемость резанием, повышается хладноломкость, закаливаемость и чувствительность к старению и перегреву,
снижается устойчивость стали против коррозии в атмосферных условиях.
Сера и фосфор являются вредными примесями в стали*, так как ухудшают пластичность и вязкость. Сера придает стали красноломкость, т. е. большую хрупкость при высоких температурах. Фосфор вызывает хладноломкость, проявляющуюся в склонности образовывать трещины при нормальной и, особенно, низких температурах.
Глава IV
ПРОИЗВОДСТВО НЕКОТОРЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Цветная металлургия — одна из ведущих отраслей промышленности. По объему производства цветных металлов СССР практически пол ностью обеспечен собствен ными рссурсами.
Руды цветных металлов значительно беднее железных. Последние считаются рентабельными для переработки, если содержат 40% железа и более; медные же, например, экономически выгодны уже при содержании 0,5—2,0% меди. Если для получения 1 т чугуна требуется добыть 3—4 т руды, то для получения 1 т меди необходимо доставить на обогатительные фабрики 120—150 т сырья.
Руды цветных металлов, как правило, полиметаллические, т. е. (одержат одновременно несколько металлов. Технология переработки таких руд требует извлечения из них всех цветных металлов.
Мы рассмотрим производство только алюминия, магния, меди и титана, играющих важную роль в строительной индустрии.
Производство алюминия
Алюминиевая промышленность была создана за годы Советской власти, так как получение алюминия требует мощной энергетической базы, которой дореволюционная Россия не располагала. Реализация ленинского плана ГОЭЛРО позволила, в частности, построить предприятия по производству алюминия и магния.
Алюминий относится к группе легких цветных металлов. После кислорода он является самым распространенным элементом в природе. Добывают алюминий из горных пород с высоким содержанием глинозема (боксита, каолина, нефелина, алунита).
Бокситы — основное сырье для получения алюминия — содержат 30—50% А1.гО3, 3—13% SiO2, 2—4% TiO2 и 10—18% гидратной влаги. Рудными минералами бокситов являются гидраты окиси алюминия А12О3- Н2О и А12О3- ЗН2О. Основные месторождения бокситов в СССР находятся на Урале, в Сибири и на Кольском полуострове.
Богатые глиноземом каолиновые глины содержат алюминий в составе минерала каолинита А12О3- 2SiO2- 2Н2О. Каолиновые глины весь-
♦ За исключением немногих частных случаев (например, автоматная сталь).
ма распространены в природе, но получать из них алюминий сложно из-за присутствия значительного количества кремнезема*
В производстве алюминия различают три технологических процесса: получение чистого глинозема из алюминиевых руд; получение первичного алюминия электролизом глинозема из расплавленного криолита; рафинирование первичного алюминия хлором.
Получение чистого глинозема. Чистый глинозем получают из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электрометаллургическим и комбинированным методами. Выбор метода зависит от состава примесей руды. Руду» содержащую незначительное количество кремнезема и большое количество окиси железа (высокосортные бокситы), лучше обрабатывать в щелочах. При этом кремнезем растворяется, а окись железа легко отделяется. Руду с большим количеством кремнезема и незначительным количеством окиси железа (каолиновые глины) надо перерабатывать в кислотах, При этом растворяется окись железа и не растворяется кремнезем, Руду с большим количеством и кремнезема, и окиси железа следует подвергать электрометаллургической или комбинированной обработке — предварительной выплавке ферросилиция с переводом глинозема в шлак.
При обработке алюминиевых руд щелочами глинозем можно получить мокрым щелочным способом или способом спекания. Предварительно надо получить растворимое в воде химическое соединение (алюминат натрия А12О3- Na2O), которое при 45—50° С разлагается с выделением из раствора кристаллического осадка — гидрата окиси алюминия. Последний тщательно промывают, сушат и прокаливают для отделения гидратной влаги:
2А1(ОН)3 = А13О3 + ЗН3О (27)
В результате этой реакции получают готовый продукт — чистый, сухой глинозем.
При мокром щелочном (автоклавном) способе боксит сначала сушат при 200° Ст а затем размалывают в шаровых мельницах. Размолотый боксит поступает в автоклавы (закрытые сосуды) с концентрированной щелочью, где выдерживается 3—4 ч при 150° С и избыточном давлении 0,5—0,7 Мн/м2. В автоклаве происходит реакция
А12О3 • Н2О + 2NaOH ^ А12О3 - Na2O + 2Н3О (28)
Образующийся алюминат натрия переходит в водный раствор, а окись железа, двуокись титана и другие примеси руды, не растворимые в щелочах, выпадают в осадок (красный шлам) и его отфильтровывают. Часть кремнезема также переходит в состав красного шлама, образуя нерастворимое соединение силикоалюминат натрия; другая часть кремнезема растворяется в щелочи
SiO2 + 2NaOH = Na2O - StO3 + Н2О (29) и переходит в водный раствор, загрязняя его кремнием.
Отделенный от красного шлама крепкий раствор щелочи с алюмина» том натрия поступает в большие чаны, где разбавляется водой и подвергается гидролизу при 40° С. Для этого в чан с раствором загружают
затравку (небольшое количество свежеосажденного кристаллического гидрата окиси алюминия), действующего как катализатор по реакции
А12О3 * Na2O + 4Н2О - 2А1(ОН)3 + 2NaOH(30)
Гидрат окиси алюминия отфильтровывают, промывают и прокаливают до получения А12О3 по реакции (27)*
При сухом щелочном способе (спекании) измельченный боксит смешивают с технической содой и подвергают спеканию при 800—1000° С. Б этих условиях алюминат натрия получается в твердом виде по реакции
А1Д + NasCO3 = AI А - Na2O + СО2(31)
а затем выщелачивается водой в раствор.
При обжиге шихты наряду с Al2O3*Na2O образуются нежелательные соединения Fe2O3’Na2O и TiO2'Na2O. Во время выщелачивания продуктов обжига в горячей воде (90—95° С) эти соединения образуют осадок (красный шлам) и легко отделяются от светлого водного раствора алюмината натрия. Этот раствор продувают углекислым газом. При этом происходит реакция
(32)(32)NaeO - А1аО3 + С02 + ЗН2О = 2А1(ОП)3 -F Ка2СО3
(32)
(32)
в результате которой в осадок выпадает А1(ОН)3. Осадок промывают водой, высушивают и прокаливают до получения ALO3.
При кислотном методе обработки руду растворяют в серной или боля ной кислоте. Образующиеся при этом соли алюминия подвергают
Рис. 16, Схема устройства электролизной ванны для получения алюминияРис. 16, Схема устройства электролизной ванны для получения алюминияд ал ь нейшем у хи мичес кому воздействию: из их растворов осаждают А1(ОН)3, прокаливаемый до получения глинозема.
Рис. 16, Схема устройства электролизной ванны для получения алюминия
Рис. 16, Схема устройства электролизной ванны для получения алюминия
Электролиз глинозема.
Чистый глинозем имеет высокую температур у i [давления и представляет очень прочное химическое соединение алюминия с кислородом, которое нельзя восстановить до металла углеродом, водородом или окисью
углерода даже при высоких температурах.
Для получения металли
ческого алюминия исполь
зуют электролиз глинозема в жидком электролите (расплавленный криолит — фторид алюминия и натрия Na3AlF6), Криолит имеет более низкую температуру плавления, чем глинозем, и способен его растворять.
Для электролиза глинозема применяют электролизные ванны или электролизеры (рис. 16). Кожух 5 ванны изготовлен из листового желе-
за. Подину и стены ванны выкладывают из углеродистых блоков 9. В подину ванны вмонтированы толстые медные шины 10, соединенные с отрицательным полюсом источника тока. К медным шинам 1 с помощью стальных стержней 3 подвешивают аноды 2 (угольные электроды), соединенные с положительным полюсом источника тока.
Перед началом электролиза на подину ванны насыпают тонкий слой молотого кокса, затем к нему подводят угольные электроды и пропускают ток. Когда угольная футеровка ванны накалится докрасна, в ванну постепенно загружают криолит и расплавляют его при медленном подъеме электродов. После получения в ванне слоя расплавленного криолита 6 (глубиной 200- 250 мм) в нее загружают глинозем 4.
Под действием постоянного электрического тока в расплавленном криолите развивается реакция
NasA IF6 = 3Na* + AlFih (33,
Растворяющийся в криолите глинозем также диссоциирует
А12О8 - АР+ + АЮз“ (34)
Образующиеся в результате положительно заряженные ионы алюминия переносятся электрическим током к угольной подине — катоду ванны, на котором выделяется металлический алюминий
АР* + Зе = AI , (35)
Анионы АР* переносятся током к угольному электроду (аноду), где в результате анодного процесса выделяется газообразный кислород и образуется глинозем
2АЮз~ — бе = А12О3 + 1,5О2 (36)
Образующийся на аноде кислород при температуре электролиза 930—1000° С частично окисляет материал угольных электродов.
Возникшие в результате реакции (33) положительно заряженные ионы Na* и отрицательно заряженные ионы A1FT также переносятся электрическим током, но не участвуют в первичных разрядах, так как имеют иные, чем А13+ и AIFg , потенциалы выделения на электродах.
Жидкий алюминий 7 (см. рис* 16) постепенно собирается подслоем криолита 6 на подине ванны, откуда его выбирают сифоном через каждые трое-четверо суток работы ванны. По периметру ванны образуется твердая корка электролита 5*
Электролизные ванны соединяют последовательно в серии по 80—100 шт. Работают они при напряжении 4—4,3 В и токе 40 000— 100 000 А,
На получение 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема; 0,1 т криолита; 0,6 т угольных электродов (анодов) и 60—65 МДж электроэнергии.
Рафинирование первичного алюминия. Первичный электролитический алюминий содержит ряд примесей. Обычно алюминий очищают от них путем продувки его хлором в закрытом ковше емкостью 1200— 1300 кг при 750—770°С в течение 10—15 мин. После этого металл
разливают в формы для получения чушек. Некоторое количество первичного алюминия после дополнительной переплавки в электропечах разливают в изложницы. Получаемые слитки прокатывают в листы.
Для более полного удаления растворенных в алюминии примесей иногда применяют электролитическое рафинирование, при котором загрязненный алюминий служит анодом и подвергается растворению, а чистый алюминий — катодом. Между чистым и загрязненным алюминием находится слой электролита из безводных хлористых и фтористых солей. При таком рафинировании получают металл, содержащий до 99,9% AL
Производство магния
Магний также относят к группе легких цветных металлов. По запасам в земной коре он занимает третье место среди металлов. Для производства магния используют магнезит MgCO3, доломит MgCO3X хСаСО3, карналлит М§С12-КС16 -Н2О и бишофит MgC12-6H2O.
Многочисленные соленые озера (Сакское, Сивашское и др.), находящиеся на территории СССР, содержат в растворе 0,83—0,89% Mg. Неисчерпаемый источник для производства магния — морская вода (в 1 кг воды содержится 1 г магния).
Технология получения магния состоит из двух основных процессов: предварительной подготовки сырья и электролиза безводного хлористого расплавленного магния в электролите или восстановления окиси магния термическим способом.
Электролиз протекает в специальных ваннах, предотвращающих попадание хлора в атмосферу цеха и паров воды из воздуха в ванну (вода разрушает хлорид магния).
Электролитом служат расплавленные хлористые соли калия, натрия, кальция и магния. Электролиз протекает при 700—750° С. Аноды (графитовые пластинки сечением 100 X 200 мм) соединяют с положительным полюсом, а катоды (стальные листы) — с отрицательным полюсом. В электролизной ванне циркулирует электролит, примерный состав которого: 7—15% MgCl2, 38—42% CaCk, 17—25% NaCl, 22— 30% KCL
В процессе электролиза хлорид магния разлагается. В прикатодном пространстве ванны выделяется магний, а в анодном — хлор. Магний, как менее плотный, находится на поверхности электролита. Магний по шлангам перекачивают в вакуумный котел, а хлор отсасывают через хлоропровод. Окись магния и частично восстановленное железо оседают на дно ванны в виде шлама, откуда его удаляют черпаками; отработанный электролит удаляют через лейку вакуумными устройствами.
На 1 кг металлического магния при электролизе хлористого магния выделяется 2,9 кг хлора. Для получения 1 кг магния расходуется 4,5 кг обезвоженного хлорида магния, или около 10 кг искусственного карналлита (естественного карналлита около 12 кг).
Полученный магний рафинируют переплавкой с флюсом или воз* гонкой. Рафинированный металл содержит до 99,9% Mg.
В последнее время металлический магний получают также термическим методом, восстановляя окись магния углеродом» кремнием или карбидом кальция при высокой температуре и относительно глубоком вакууме. Магний, полученный термическим способом, также подвергают рафинированию.
Производство меги
Медь получают из сульфидных и окисленных медных руд. Около 80% меди добывают из сульфидных руд и примерно 20%— из окисных. Более высокое сродство меди к сере, чем меди к кислороду, отразилось на процессах образования рудных минералов меди.
Из сульфидных медных руд наиболее распространен медный колчедан, содержащий минерал халькопирит CuSFeS. В некоторых случаях применяют так называемый медный блеск, содержащий минерал халькозин Cu2S. Окисные медные руды содержат куприт Сц2О.
Обогащение медных руд. Все медные руды очень бедны (1—5% Си). Перед плавкой их обогащают методом флотации. Руду сначала измельчают в шаровых мельницах до кусков размерами 0,05— 0,5 мм, а затем добавляют к ней некоторое количество (100—300 г/т) флотационных реагентов, способствующих образованию на поверхности частиц плохо смачиваемой водой пленки. Подготовленную руду загружают во флотационную машину, в которой образуется пульпа. Пульпу продувают воздухом. При этом мелкие частицы рудных минералов прилипают к пузырькам воздуха и всплывают, образуя пену на поверхности воды. Пену непрерывно удаляют из машины, После фильтрации и сушки пены образуется медный концентрат. Частицы пустой породы хорошо смачиваются водой и оседают па дно машины, образуя так называемые хвосты.
Флотацией пер срабатываю г бедные сульфидные медные руды в концентрат, содержащий 15—20% Си. Медный концентрат и богатые сульфидные медные руды перед плавкой подвергают окислительному обжигу при 600—900° С. При этом значительная часть серы удаляется в виде сернистого газа, используемого для производства серной кислоты.
Получение черновой меди. После окислительного обжига сульфидная медная руда и концентрат поступают в шахтные или пламенные печи для приготовления из них штейна (сплава, состоящего в основном из сульфидов меди и железа с небольшим количеством других примесей). Штейн обычно содержит 30—50% Си, 40—20% Fe и 25— 22% S. Температура плавления штейна 950—1000°С.
Расплавленный штейн служит исходным продуктом для получения черновой меди. Штейн заливают в горизонтально расположенный цилиндрический конвертор (рис. 17) и продувают воздухом. Кожух 3 конвертора выполнен из стали. Днища /0 конвертора плоские, армированные балками. Кожух опоясывают двумя массивными ободами 2, из которых каждый опирается на две пары роликов 9. Ролики за- креплены в опорных кронштейнах 7 фундамента 8,
Поворот конвертора осуществляется электрическим приводом 6. связанным зубчатым зацеплением с одним из ободов кожуха. Для заливки в конвертор штейна, слива шлака и выпуска черновой меди имеется горловина 1L В одной из торцовых стенок конвертора сделано отверстие, в которое вставлена воронка 1 для пневматической загрузки молотого кварцита во время плавки. Сжатый воздух через воздухопровод 4 поступает в фурмы 5, расположенные но образующей конвертора, Футеровку 12 конвертора выполняют из магнезитового кирпича.
Рис. 17. Конвертор для продувки сверху: а — общий вид; б — поперечный разрезРис. 17. Конвертор для продувки сверху: а — общий вид; б — поперечный разрез
Рис. 17. Конвертор для продувки сверху: а — общий вид; б — поперечный разрез
Рис. 17. Конвертор для продувки сверху: а — общий вид; б — поперечный разрез
Процесс выплавки черновой меди из штейна состоит из двух периодов* Во время первого периода плавки кислород воздуха почти полностью выжигает из штейна железо и частично медь. Процесс окисле ния железа происходит по реакции
FeS+ IX^FeO + SO*FeS+ IX^FeO + SO*(37)(37)
FeS+ IX^FeO + SO*
FeS+ IX^FeO + SO*
(37)
(37)
(38)(38)Образующаяся закись железа всплывает и ошлаковывается за груженным ранее в конвертор кварцем
(38)
(38)
2FeO + SiO2 = (FeO)2 - SiO2
(39)(39)Экзотермические реакции (37) и (38) сопровождаются выделением большого количества тепла, служащего источником разогрева ванны при продувке ее воздухом. Железистый шлак первого периода удаляют из конвертора, после чего во втором периоде продувки происходит экзотермическая реакция окисления полусернистой (сернистой закисной) меди*
(39)
(39)
Cu2S -р 1,5О2 = Cu2O + SO2
Образующаяся закись меди растворяется в расплаве и взаимодействует с полу серн истой медью.
2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2 (40) образуя металлическую медь. Реакция (40) в отличие от реакций (37)— (39) происходит с поглощением тепла и требует хорошего разогрева ванны.
Полученную черновую медь разливают в плоские изложницы на ленточной разливочной машине. В черновой меди в среднем содержится: 98,5—99,5% Си; 0,3—0,5% S; 0,03—0,1% Fe; до 1% О2; 0,3—0,5% Ni; следы As, Pb, Sb и благородных металлов.
Рафинирование меди. Черновую медь очищают от примесей огневым способом, а затем электролитически.
При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенную печь емкостью до 250 т и расплавляют в окислительной атмосфере. В этих условиях из меди удаляются и переходят в шлак только те примеси, которые обладают большим сродством к кислороду, чем медь.
Для ускорения процесса рафинирования в ванну с расплавленной медью подают сжатый воздух. Порядок окисления примесей (алюминия, кремния, марганца, олова, железа, мышьяка, сурьмы, свинца) зависит от температуры процесса и концентрации их в жидком металле. Большинство примесей в виде окислов переходит в шлак XFe2O3; А12О3, SiO^, но некоторые примеси при рафинировании меди удаляются из печи с газами в виде паров. Благородные металлы при огневом рафинировании меди полностью в ней остаются.
При продувке воздухом, естественно, окисляется и медь, поглощающая много кислорода, что резко ухудшает ее качества. Поэтому перед выпуском из печи металл раскисляют и перемешивают сырыми березовыми шестами для удаления растворенных в нем газов. Древесина обугливается и из нее выделяются водяной пар и продукты сухой перегонки. Это способствует удалению из металла растворенных газов и раскислению меди:
Cu2O + СО = 2Си + СО2 (41)
СиаО + Н2 = 2Сц + H2ODap (42)
В результате медь становится более плотной. Из нее получают слитки или плиты, предназначенные для электролитического рафинирования.
Электролитическое рафинирование обеспечивает более высокую степень очистки меди и лучшее извлечение примесей благородных металлов. Рафинирование осуществляют в ваннах со стенками, футерованными свинцом или другим защитным материалом.
Электролит состоит из водного раствора серной кислоты (10—16%) и определенного количества медного купороса. В электролит опускают анодные плиты из меди, содержащей примеси, и катодные листы из электролитической меди. При пропускании через электролит пос- 56
тоянного тока происходит электролиз: анодные плиты растворяются в ванне, а на катодных листах оседает чистая медь» Находящиеся в меди примеси благородных металлов выпадают на дно ванны в виде остатка (шлама).
Осаждение чистой меди на катоде продолжается 10—12 дней. Расход электроэнергии на электролитическое рафинирование 1 т меди составляет 900—1200 МДж при плотности тока 100—300 А/м2, силе тока 10 000 А и напряжении 100—200 В.
Производство титана
Титан — один из наиболее распространенных в земной коре металлов. Благодаря высокой коррозионной стойкости, малому удельному весу и высоким механическим свойствам титан широко применяют в технике. В природе известны многие титановые минералы, но промышленное значение имеют только FeO-TiOz (ильменит), ТЮ2 (рутил), CaO-SiO2-TiO2 (титанит) и др.
В Советском Союзе широко распространены сложные железо-титановые руды, содержащие ильменит с магнетитом и гематитом. Содержание двуокиси титана в них находится в пределах 5—16%. После механического и электромагнитного обогащения руды получают ильменитовый концентрат, содержащий 40—45% рутила (TiO2). Окислы титана переводят в тетрахлорид титана TiCl4, из которого получают металлический титан.
Тетрахлорид титана получают путем восстановления и хлорирования рутила:
ТЮ2 + 2С1а + 2С = TiCl4 + 2СО (43)
Рутил смешивают с коксом и размалывают, В качестве связующего добавляют каменноугольный пек. Смесь прокаливают в печи для удаления летучих. Полученную пористую твердую массу долбят, брикетируют и направляют в установку для хлорирования при 800° С.
Восстановить тетрахлорид титана можно водородом, натрием и магнием. Восстановление тетрахлорида титана водородом осуществляют в электропечи при температуре около 2000° С:
TiCl4 + 2Нг = Ti + 4НС1 (44)
Полученный металл содержит большое количество растворенного водорода. Для удаления водорода применяют вакуумную обработку металла.
Раздел второй
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Глава V
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основоположником отечественной науки о металлах является великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711—1765) — один из образованнейших людей своего времени.
Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами II. ГК Аносовым (1799 — 1851) и Д* К- Черновым (1839—1921), впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.
П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения металлов*
Д. К- Чернов продолжил труды П. ГК Аносова. Он по праву считается основоположником металлографии — науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической обработки стали.
Открытые Д. К- Черновым критические точки в стали явились основой для построения современной диаграммы состояния системы железо — углерод.
Классические труды «отца металлографии» Д. К* Чернова развивали выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур железоуглеродистых сплавов было сделано А. А* Ржешотарским (1898). Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных отечественных ученых Н. Й. Беляева, Н. С Курнакова, А, А. Байкова, С, С. Штейнберга, А. А. Бочвара, Г. В. Курдюмова и др.
Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и находить новые пути повышения механических и физикохимических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, много слойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.
§ L Атомное строение металлов и свлавов
Из 106 элементов периодической системы Д. И. Менделеева, известных в настоящее время, 80 составляют металлы. Последних два элемента трансурановой группы (с ничтожно малым периодом полураспада) недавно открыты советскими учеными*
Я<гейкя крютсллы¥е(^5 Zz |
ГрскецЕнтрйрябяялый луб"у।
Ряс. 18, Пространственные кристаллические решетки и элементарная ячейка простой кубической решетки
В твердом состоянии все металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным расположением атомов. Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен (кристаллитов), внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической решетке атомы находятся на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллическое тело от аморфного, в котором атомы расположены беспорядочно.
Пространственная кристаллическая решетка любого металла слагается из множества сопряженных друг с другом элементарных ячеек, внутри которых в известном порядке размещаются отдельные атомы. Существует несколько основных типов кристаллических решеток.
На рис* 18, а представлены кубические р е ш ет к и металлов.
Элементарная ячейка простой кубической решетки (рис* 18, ^состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах (1 А —Элементарная ячейка простой кубической решетки (рис* 18, ^состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах (1 А —Рис. 19. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов:Рис. 19. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов:и измеряют в ангстремах (1 А — — Ю~8 см) или килоиксах (1 кх= -1,00202-КУ6 см).и измеряют в ангстремах (1 А — — Ю~8 см) или килоиксах (1 кх= -1,00202-КУ6 см).Каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми ячейкам, т. е. на каждую ячейку в этой вершине приходится 1/8 атома. На всю ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая решетка сокращенно обозначается индексом Кб»В кубической объемноцент- рироеанкой решетке (рис. 18, б и 19, у) кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба.Каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми ячейкам, т. е. на каждую ячейку в этой вершине приходится 1/8 атома. На всю ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая решетка сокращенно обозначается индексом Кб»В кубической объемноцент- рироеанкой решетке (рис. 18, б и 19, у) кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба.имеется тетки, однойимеется тетки, однойодин атом внутри репринадлежащий толькоодин атом внутри репринадлежащий толькоэлементарнойэлементарнойТаким образом, на элементарную ячейкуТаким образом, на элементарную ячейкуячейке* каждую в этомячейке* каждую в этомс — обърммоцентрированная кубическая; б — гранецемтрированная кубическая; в — гексагональная (координационные числа для них со-отегствснно равны 2, 4 и 12)с — обърммоцентрированная кубическая; б — гранецемтрированная кубическая; в — гексагональная (координационные числа для них со-отегствснно равны 2, 4 и 12)случае приходится два атома. Эта решетка обозначается индексом К8. Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку» Базис характеризует плотность решетки, ибо в каждой решетке кроме объема, занимаемого атома-случае приходится два атома. Эта решетка обозначается индексом К8. Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку» Базис характеризует плотность решетки, ибо в каждой решетке кроме объема, занимаемого атома-
Элементарная ячейка простой кубической решетки (рис* 18, ^состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах (1 А —
Элементарная ячейка простой кубической решетки (рис* 18, ^состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба. Расстояние а между центрами соседних атомов, расположенных в узлах ячейки, называют периодом решетки, и измеряют в ангстремах (1 А —
Рис. 19. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов:
Рис. 19. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток металлов:
и измеряют в ангстремах (1 А — — Ю~8 см) или килоиксах (1 кх= -1,00202-КУ6 см).
и измеряют в ангстремах (1 А — — Ю~8 см) или килоиксах (1 кх= -1,00202-КУ6 см).
Каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми ячейкам, т. е. на каждую ячейку в этой вершине приходится 1/8 атома. На всю ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая решетка сокращенно обозначается индексом Кб»
В кубической объемноцент- рироеанкой решетке (рис. 18, б и 19, у) кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба.
Каждый атом в вершине куба принадлежит одновременно восьми ячейкам, т. е. на каждую ячейку в этой вершине приходится 1/8 атома. На всю ячейку в целом (8 вершин) приходится, таким образом, 1 атом. Кубическая кристаллическая решетка сокращенно обозначается индексом Кб»
В кубической объемноцент- рироеанкой решетке (рис. 18, б и 19, у) кроме восьми атомов, находящихся в вершинах куба.
имеется тетки, одной
имеется тетки, одной
один атом внутри репринадлежащий только
один атом внутри репринадлежащий только
элементарной
элементарной
Таким образом, на элементарную ячейку
Таким образом, на элементарную ячейку
ячейке* каждую в этом
ячейке* каждую в этом
с — обърммоцентрированная кубическая; б — гранецемтрированная кубическая; в — гексагональная (координационные числа для них со-
отегствснно равны 2, 4 и 12)
с — обърммоцентрированная кубическая; б — гранецемтрированная кубическая; в — гексагональная (координационные числа для них со-
отегствснно равны 2, 4 и 12)
случае приходится два атома. Эта решетка обозначается индексом К8. Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку» Базис характеризует плотность решетки, ибо в каждой решетке кроме объема, занимаемого атома-
случае приходится два атома. Эта решетка обозначается индексом К8. Базисом кристаллической решетки называют число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку» Базис характеризует плотность решетки, ибо в каждой решетке кроме объема, занимаемого атома-
ми, остается еще свободное пространство.
Коэффициентом компактности называется отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки* Чем больше коэффициент компактности, тем больше плотность элементарной ячейки. Решетку К8 имеют Fca, Сг, Tip, W, Мо и другие металлы»
В кубической гранецентрированной решетке К12 (рис, 18, в и 19, 6) число атомов равно четырем: 1/8*8 = 1 атом от числа атомов, расположенных в вершинах куба и плюс V^B — 3 атома от числа атомов, расположенных в центре граней куба* Кубическую гранецентрированную решетку имеют FeT, Ni, Al, Сор и другие металлы.
Взаимную связь атомов друг с другом характеризует к о о р д и-
нац и о н и о е число. Под координационным числом понимают число атомов-соседей, находящихся на равном и наиболее близком расстоянии от избранного атома, Так, в простой кубической решетке от атома Л (рис, 18, й) на таких расстояниях находятся атомы /, 2 и 3 данной ячейки, а также симметрично расположенные 4. 5 и 6 соседних элементарных ячеек.
Наименьшее расстояние d между атомами в кубической объемно- центрированной решетке определяется формулой d — (д|лЗ)/2. В такой решетке коэффициент компактности равен 0,68, или 68%; коэффициент компактности для кубической гранецентрированной решетки 0,74, или 74%, т. е, здесь атомы более плотно упакованы (см, рис. 19, б). Таким образом, чем больше координационное число, тем больше плотность упаковки атомов. Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток показаны на рис. 19.
Число атомов в различных сечениях пространственной кристаллической решетки неодинаково. Вследствие этого механические, электрические и другие свойства кристаллических тел в разных направлениях будут* различными. Это явление называют анизотропи- е й. Так, например, предел прочности монокристалла чистой меди в различных кристаллографических направлениях изменяется от 140 до 360 МН/м8 (14—36 кгс/мм2), а относительное удлинение от 10 до 50%.
Многие физические свойства металлов и сплавов, например высокая электропроводность и теплопроводность, определяются особенностью их внутриатомного строения. Известно, что атом любого элемента имеет положительно заряженное ядро и движущиеся вокруг него отрицательно заряженные электроны. Число электронов в нормальном атоме равно положительному заряду ядра и атом сам по себ& электрически нейтрален.
Напомним, что порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева равен числу положительных зарядов ядра (и числу электронов). Так, например, у алюминия (порядковый номер 13) число* положительных зарядов ядра и число электронов также равно 13.
Принадлежащие атому электроны разделяются на валентные, движущиеся по внешним орбитам, и внутренние, находящиеся на более близких к ядру орбитах движения. Валентные электроны в атоме металлов слабо связаны с ядром и могут подвергаться воздействию положительно заряженных ядер близлежащих атомов, поэтому их можно назвать свободными электронами.
§ 2, Аллотропические превращения в металлах
Некоторые металлы (железо, олово, титан, цирконий, кобальт и др.) способны испытывать превращения в твердом состоянии при изменении температуры, т- е. подвергаться так называемой вторичной кристаллизации. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в элементарной ячейке решетки называется аллотропией, а процесс
изменения кристаллической решетки — аллотропическим, или полиморфным превращением. Аллотропические формы металла называют модификациями и обозначают начальными буквами греческого алфавита 'а, 0, у, 6 и т. д.). Модификацию, устойчивую при низких температурах, обозначают буквой а, при более высоких — 0, следующие (по температурной шкале) модификации — у. б ит. д. При вторичной кристаллизации происходит перестройка
Рис. 20. кривые охлаждения и нагревания железаРис. 20. кривые охлаждения и нагревания железакристаллической решетки из кристаллов прежней ^ формации и образование 1539 новых кристаллов.
Рис. 20. кривые охлаждения и нагревания железа
Рис. 20. кривые охлаждения и нагревания железа
Железо может существовать в различных моди- фи каци я х. Аллотропические превращения железа можно проследить по кривым охлаждения и нагревания (рис, 20). На кривой охлаждения при температуре 1539° С появляется первая горизонтальная площадка ’ (остановка) , отмечающая переход железа из жидкого состояния (ж) в твердое Fe6 с выделением значител ьн о- го количества тепла. Образующиеся кристаллыРе6 имеют кубическую объем-
н оцентри ров анн ую кристалл ическую решетку со стороной а =2,93 А.
Вторая остановка наблюдается при 1401° С (точка AJ. При этом Fe6 переходит в Рву с более плотной кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. Третья остановка происходит при 898° С (точка Аг3, на рис. 20 аг^, во время которой Fev переходит в Fep и имеет кубическую объемн сцентрированную кристаллическую решетку.
Последняя остановка наблюдается при 768° С (точка А2), что соответствует переходу из состояния Ре^ в Реа без изменения кристаллической решетки.
Выделение тепла при переходе Fcp в Fea связано с внутриатомными изменениями, в результате которых у Fea появляются резко выраженные магнитные свойства. Таким образом, фактически имеются две модификации железа с разными кристаллическими решетками.
Превращения, происходящие при нагревании железа, сопровождаются поглощением тепла. Остановки чаще всего происходят при тех же или несколько более высоких температурах, чем при охлаждении. Критические температурив при которых происходят аллотропические превращения железа, обозначаются А с соответствующими ин-
дексами (при нагревании применяют индекс с с цифрой, при охлаждении — г с цифрой).
Реальная кристаллическая решетка отличается от идеальной схемы, приведенной на рис. 20, наличием кристаллических несовершенств.
§ 3. Понятие о теории дислокации
Все реальные кристаллические твердые тела (в частности, металлы) имеют большее или меньшее количество дефектов кристаллической
структуры, оказывающих влияние, нередко решающее, на макроскопические свойства твердых тел.
Такими дефектами являются: точечные дефекты — вакансии (узлы кристаллических решеток, неза пол ценные атомами), межузельные атомы и др.
одномерные (линейные) дефекты — дислокации;
двумерные (поверхностные) дефекты — границы зерен и двойников, дефекты упаковки и др.;
Успехи учения о прочности и пластичности материалов связаны с развитием представлений о роли дефектов структуры при пластической деформации и разрушении кристал-
ЗкстрпплосксстпьЗкстрпплосксстпьРис. 21. Дислокация в кристаллической решетке:3—3f линейная (краевая) дислокацияРис. 21. Дислокация в кристаллической решетке:3—3f линейная (краевая) дислокациялических твердых тел.
Зкстрпплосксстпь
Зкстрпплосксстпь
Рис. 21. Дислокация в кристаллической решетке:
3—3f линейная (краевая) дислокация
Рис. 21. Дислокация в кристаллической решетке:
3—3f линейная (краевая) дислокация
Дислокациями называют линейные несовершенства или одномерные дефекты кристаллических решеток реальных металлов, представляю
щие собой особые нарушения кристаллического строения, связанные с отклонениями реальных кристаллов от идеального их строения.
Дислокации бывают краевые, винтовые и смешанные криволинейные. Возникают они в металлах в процессе кристаллизации, пластической деформации и по другим причинам, вызывающим создание полей напряжений в кристаллической решетке, приводящих к соответствующим локальным деформациям и смещениям.
Теория дислокаций позволила объяснить, почему реальная прочность металлов [для технически чистого железа ов = 2,5—3,0 МН/м2 (МПа)] разительно отличается от теоретической прочности (подсчитанной с учетом сил межатомного взаимодействия), которая для железа составляет около 200 МН/м3 (МПа).
Представим себе, что в кристаллической решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость Q (рис. 21). Край 3—3' такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называют крае-
>Рйс. 22. Пластический сдвиг в идеальной кристаллической решетке:>Рйс. 22. Пластический сдвиг в идеальной кристаллической решетке:а, б, в — фазы сдвига;Л—^ линейная (краевая) дислокацияа, б, в — фазы сдвига;Л—^ линейная (краевая) дислокация
>Рйс. 22. Пластический сдвиг в идеальной кристаллической решетке:
>Рйс. 22. Пластический сдвиг в идеальной кристаллической решетке:
а, б, в — фазы сдвига;
Л—^ линейная (краевая) дислокация
а, б, в — фазы сдвига;
Л—^ линейная (краевая) дислокация
вой дислокацией. Если такая дислокация находится вверху, то ее счи-
’гают положительной и обозначают знаком Т; краевую дислокацию, находящуюся внизу (отрицательную), обозначают знаком£-
Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи периодов решетки, ее линия не может быть прямой и, обладая поверхностным натяжением, она стремится замкнуться в контур. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Ширина дислокаций, т. е. расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения, невелика и равна нескольким межатомным расстояниям.
Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя легко может смещаться вправо или влево от нейтрального положения и устанавливать связь краевых своих атомов 3 с атомами 1 (см. рис. 21), а соседняя справа (слева) Полуплоскость будет при этом переходить в промежуточное положение, превращаясь тем самым в экстраплоскость и образуя дислокацию вдоль краевых атомов 2 и т. д. Таким образом, дислокация может перемещаться (вернее — передаваться как эстафета) вдоль некоторой плоскости скольжения, расположенной перпендикулярно к экстр а плоскости Q.
Дислокации в металлах можно наблюдать с помощью электронного микроскопа.
Для отожженных металлов плотность дислокаций (рО), т. е. количество дислокаций, пересекающих каждый см2, составляет 107—10е,
а для сильно наклепанных — 1010— 1013.
Теоретически, при элементарном
пластическом сдвиге (рис, 22), если учесть силы межатомного взаимодействия для каждой пары со-
пряженных атомов (относительно плоскости скольжения А А) 1— Г9 2—2' и т. д. и учитывая, что в плоскости скольжения реального метал*
лического кристалла имеется около 1014 атомов на каждый см2 сечения, требуется чрезвычайно большое усилие (для технического желе-
за, как уже отмечалось, в десятки раз большее, чем это реально наблюдается)»
Согласно дислокационной теории пластический сдвиг в металле следует рассматривать как процесс эстафетного перемещения дислокаций. Упрощенная схема этого процесса представлена на рис. 23.
Рис. 23, ДислокационнаяРис. 23, Дислокационнаяй, б, в, г. — фазы сдвигай, б, в, г. — фазы сдвигасхема пластического сдвига:схема пластического сдвига:
Рис. 23, Дислокационная
Рис. 23, Дислокационная
й, б, в, г. — фазы сдвига
й, б, в, г. — фазы сдвига
схема пластического сдвига:
схема пластического сдвига:
В результате наличия дислокации (рис. 23, о) в кристалле по обе стороны скольжения ДЛ возникает искаженное состояние кристаллической решетки с нарушением порядка идеальных связей между атомами. В этом случае достаточно будет’приложить небольшое внешнее усилие Р (значительно меньше силы Р для идеальной решетки рис» 23, б), чтобы вызвать распространение волны последовательных частных смещений вертикальных рядов атомов над плоскостью скольжения ЛЛ, не превосходящих по величине одного межатомного расстояния. В результате прохождения этой волны дислокация, как своеобразная эстафета, будет последовательно передаваться рядам атомов 3, 4-.* и в некоторый момент займет положение, представленное на рис. 23, в» В итоге же передачи движения от частного смещения ряда атомов / дислокация выйдет на поверхность и исчезнет, как это показано на рис. 23, г. Итак, конечным результатом перемещения дислокации вдоль плоскости скольжения ЛЛ явился сдвиг на одно межатомное расстояние, причем для осуществления этого сдвига понадобилось значительно меньшее усилие, чем при отсутствии дислокации.
Отсюда можно сделать вывод, что процесс сдвигав кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций имеется в металле. Наобо- 3-54565
Плотность оцслокациаПлотность оцслокациаРис. 24. Зависимость прочности от плотности дислокаций:Рис. 24. Зависимость прочности от плотности дислокаций:/ — теоретическая прочность; 5 — прочность монокрнстальных нитей (<усов»1; 3 —практическая прочность отожженного металла; с — закаленной стали; б — стали после термомсханнческой обработки; в — мартен* ситостареющие стали/ — теоретическая прочность; 5 — прочность монокрнстальных нитей (<усов»1; 3 —практическая прочность отожженного металла; с — закаленной стали; б — стали после термомсханнческой обработки; в — мартен* ситостареющие стали
Плотность оцслокациа
Плотность оцслокациа
Рис. 24. Зависимость прочности от плотности дислокаций:
Рис. 24. Зависимость прочности от плотности дислокаций:
/ — теоретическая прочность; 5 — прочность монокрнстальных нитей (<усов»1; 3 —практическая прочность отожженного металла; с — закаленной стали; б — стали после термомсханнческой обработки; в — мартен* ситостареющие стали
/ — теоретическая прочность; 5 — прочность монокрнстальных нитей (<усов»1; 3 —практическая прочность отожженного металла; с — закаленной стали; б — стали после термомсханнческой обработки; в — мартен* ситостареющие стали
рот, чем меньше в металле таких дислокаций, тем меньше возможностей для сдвига и тем прочнее металл. В металле, в котором не образуются дислокации, сдвиг возможен только за счет одновременного смещения (как целого) одной части кристалла относительно другой.
В этом случае прочность бездислокационного металла должна быть
равна теоретической (точка 1 на рис. 24).
Прочность нитевидных металлических кристаллов — так называемых усов (точка 2 на рис. 24) — оказалась ближе к теоретической, что, согласно, предположениям, обусловлено весьма малым количеством дислокаций. Так, например, для нитевидных кристаллов железа предел прочности на разрыв составляет ов =140 МН/м2 (МПа).
Большое повышение прочности металла с увеличением совершенства его кристаллического строения (на примере нитевидных кристаллов) является убедительным подтверждением теории дислокации.
Кроме получения бездислока-
ционных металлических кристаллов существует другой путь у и- рочнепия металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув
минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций (р|{р на рис. 24), реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокаций выше ркр объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться, т. е. в элементарный акт пластической деформации будет вовлекаться одновременно все большее число атомов, и реальная прочность металла повысится.
Традиционными способами упрочнения металлов, ведущими к увеличению плотности дислокаций, являются механический наклеп, измельчение зерна и общее фрагментирование кристаллов в результате термообработки. Некоторые давно известные методы легирования (например, внесение в решетку основного металла чужеродных атомов), создающие всякого рода несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствуют свободному перемещению дислокаций или блокируют их. Сюда же относятся способы образования
структур с так называемыми упрочняющими фазами (например, дисперсионное твердение).
Однако во всех этих случаях упрочнение далеко не достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени наличие дислокаций в реальном металлическом кристалле является причиной понижения его прочности за счет проявления способности пластически деформироваться при напряжениях, меньших теоретического уровня.
Следует отметить, что взаимодействия дислокаций друг с другом и с другими дефектами металла настолько сложны, что на основе простых дислокационных теорий нельзя предсказывать прочность твердых тел. Однако теория дислокаций позволяет качественно характеризовать процессы деформации, разрушения и упрочнения твердых тел.
Теория дислокаций на сегодняшний день стала неотъемлемой частью физики твердого тела и физического металловедения.
Все процессы, протекающие в металлах и сплавах, а также формирование их свойств неразрывно связаны с характером и плотностью дефектов кристаллического строения и, в первую очередь, дислокаций. Так, пластическая деформация, обычно представляющая собой внутри- зеренный сдвиг, осуществляется, как об этом было сказано выше, путем движения дислокаций.
Теория дислокаций объясняет зависимость между деформациями и напряжениями, вскрывает причины деформационного упрочнения (наклепа). Чем больше плотность дислокаций при равномерном их распределении, тем выше прочность металла.
Упрочнение твердых растворов нельзя объяснить без учета взаимодействия растворенных атомов с дефектами кристаллического строения и, в первую очередь, с дислокациями.
Вокруг дислокаций могут создаваться скопления чужеродных атомов, получивших название «атмосфер Котрелла». Образование таких скоплений (особенно внедренными атомами) может в значительной степени затруднять движение дислокаций увеличивая тем самым сопротивление пластической деформации.
Процесс разрушения металлов невозможно объяснить, не основываясь на теории дислокаций, поскольку разрушение и пластическая деформация неразрывно связаны между собой. Предложены различные дислокационные модели образования зародышей трещин, возникающих благодаря скоплению дислокаций перед барьерами.
Не привлекая теорию дислокаций, нельзя объяснить ползучесть металлов, поскольку она определяется процессами скольжения и «переползания» дислокаций.
Дислокации оказывают существенное влияние на процесс диффузии. Так как дислокации могут быть источником вакансий (атомных дырок в кристаллической решетке), то они способствуют ускорению диффузионных процессов. Дислокации могут уменьшать работу образования зародышей новой фазы, являясь областями преимущественного ее выделения (например, при дисперсионном твердении).
Теория дислокаций описывает характер взаимодействия дислокаций с дисперсными частицами других фаз и вскрывает причины упрочнения стареющих сплавов»,
Итак, многие вопросы металловедения неразрывно связаны с теорией дислокаций- Теория дислокаций подсказала пути реализации скрытых резервов прочности металлов, заключающиеся в более полном использовании сил межатомных связей в кристаллической решетке» Это выразилось, в частности, в разработке принципиально новых, практически бездислокационных материалов — нитевидных кристаллов металлов и других кристаллических веществ (графита, окислов и др.), обладающих чрезвычайно высокой прочностью в повышении прочности ранее известных марок стали путем комбинированной термомеханической обработки (ТМО).
Дислокационная теория служит дальнейшему развитию металловедения и его практического приложения.
§ 4. Плавление и кристаллизация металлов
.__, неколебательные движения с частотой порядка 1018 периодов в секунду. Чем.__, неколебательные движения с частотой порядка 1018 периодов в секунду. ЧемВсе металлы находятся в твердом состоянии до определенней температуры. Атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, прерывно совершают г—*
.__, неколебательные движения с частотой порядка 1018 периодов в секунду. Чем
.__, неколебательные движения с частотой порядка 1018 периодов в секунду. Чем
Рис. 25. Кривые охлаждения жидкого металлаРис. 25. Кривые охлаждения жидкого металлавыше температура металла, тем больше амплитуда колебания атомов. При определенном нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходит разрушение кристаллической решетки, приводящее к хаотическому передвижению молекул или атомов друг относительно друга и - переходу металлов из твердого в жидкое состояние. Такой не-
Рис. 25. Кривые охлаждения жидкого металла
Рис. 25. Кривые охлаждения жидкого металла
реход происходит при строго определенной температуре плавления. Аморфные (псевдотвер- дые) вещества не имеют строго определенной температуры перехода из твердого состояния в жидкое. Поэтому аморфные вещества можно рассматривать как переохлажденную жидкость.
Любое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переходы из одного агрегатного состояния в другое называют фазовыми превращениями; для чистых кристаллических тел они происходят при строго определенных температурах.
Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов из жидкой или газообразной фазы. Форма, величина, а также ориентировка кристаллов влияют на все свойства металлов и сплавов.
На рис. 25 показана кривая охлаждения жидкого металла до комнатной температуры при медленном отводе тепла (малая скорость охлаждения). В точке т при температуре t° в расплаве возникают первые центры кристаллизации металла, число которых увеличивается по мере отвода тепла. При этом ранее возникшие кристаллы растут, До тех пор пока весь жидкий металл не затвердеет (в точке п\ температура остается постоянной. Этот процесс сопровождается выделением скрытой теплоты плавления. На кривой охлаждения (рис. 25) образуется горизонтальный участок, показывающий, что затвердевание металла из расплава происходит при строго постоянной температуре. После затвердевания металла наблюдается плавное понижение его температуры. Температуру, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое, называют температурой первичной кристаллизации. Температура кристаллизации (а следовательно, и плавления) различных металлов находится в широких пределах — от —38,9 (Hg) до +3410° С (W). Кроме первичной кристаллизации возможна вторичная — изменение кристаллического строения металла в твердом состоянии.
При быстром отводе тепла некоторые металлы способны пере* о х л аждаться, т. е. находиться некоторое время в жидком состоянии при температуре ниже температуры первичной кристаллизации. Это явление объясняется следующим образом. В результате быстрого отвода тепла в расплаве образуется большое количество центров кристаллизации и происходит интенсивный их рост. Это приводит к выделению значительного количества тепла, способного некоторое время поддерживать металл в жидком состоянии и даже повышать его температуру вплоть до обычной температуры затвердевания,
Разность между теоретической /т и фактической ^, температурами кристаллизации называют степенью переохлаждения Л/ = /т — /ф.
Д. К- Чернов установил, что процесс кристаллизации можно определить количествен по, если известны две величины — скорость зарождения центров кристаллизации и скорость роста кристаллов.
Скоростью зарождения называют число центров (ч. ц.) кристаллизации, зарождающихся в единице объема металла в единицу времени.
Скоростью роста (с. р.) называется увеличение линейных размеров растущей грани кристалла в единицу времени.
Г. Тамман установил определенную связь между скоростью зарождения и скоростью роста кристаллов в зависимости от переохлаждения металла.
Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов с повышением степени переохлаждения увеличиваются, достигают максимума и затем уменьшаются до нуля (рис. 26). При малой степени переохлаждения Mt скорость роста (с. р.) велика, а скорость зарождения центров (ч. ц.) мала, в результате металл получит крупнокристаллическое строение.
При Д^2 скорость роста замедляется, а скорость зарождения центров возрастает быстрее; зерно имеет несколько меньшие размеры. При Л^3 скорость роста меньше скорости зарождения центров кристал-
^^ср.«4ср.«4ггРис, 27» Зависимость свободной энергии жидкого и твердого состо* яний металла от температурыРис, 27» Зависимость свободной энергии жидкого и твердого состо* яний металла от температурыта часть внутренней энергии, которая щена в работу. Зависимостьта часть внутренней энергии, которая щена в работу. Зависимость5)5)Рис 28, Схема образования дендрита (п)^^ металла в значительнойи дендрит Чернова <б)степени зависит от скоростиРис 28, Схема образования дендрита (п)^^ металла в значительнойи дендрит Чернова <б)степени зависит от скорости
^
^
ср.
«4
ср.
«4
г
г
Рис, 27» Зависимость свободной энергии жидкого и твердого состо* яний металла от температуры
Рис, 27» Зависимость свободной энергии жидкого и твердого состо* яний металла от температуры
та часть внутренней энергии, которая щена в работу. Зависимость
та часть внутренней энергии, которая щена в работу. Зависимость
5)
5)
Рис 28, Схема образования дендрита (п)^^ металла в значительной
и дендрит Чернова <б)степени зависит от скорости
Рис 28, Схема образования дендрита (п)^^ металла в значительной
и дендрит Чернова <б)степени зависит от скорости
лизации и металл имеет мелкокристаллическое строение, В природе самопроизвольно могут происходить процессы, сопровождающиеся уменьшением свободной энергии системы. Свободная энергия F — это
*пп ^.L,Ч
S-At, "С
Рис. 26. Зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени первоохлаж-
дения
может быть полностью 'превра-
—.,— — jjuWiy, зависимость и изменение свободной энергии жидкого (Лк) и твердого (/^т) состояний металла от температуры приведена на рис- 27.
При температуре Ts свободные энергии твердого и жидкого состояний равны, наблюдается своеобразное фазовое равновесие, процессы кристаллизации и плавления не заканчиваются.
Для плавления необходима температура выше, чем TS1 например Tv При данной температуре свободная энергия жидкости Л« меньше свободной энергии твердого тела F^ и Ы\ = Л, —F»,. Для развития процесса кристаллизации необходимо создать такие условия, при которых свободная энергия твердой фазы будет меньше, чем свободная энергия жидкой фазы. Как видно из графика (рис, 27), это возможно только при некотором переохлаждении сплава.
Первичная кристаллиза-
отвода тепла от него. Поскольку кристаллизация начинается одновременно во многих очагах объема образца, рост кристаллов правильной геометрической формы постепенно нарушается вследствие столкновения кристаллов между собой, В результате образуется множество кристаллов неправильной формы (.кристаллитов). При затвердевании жидкого металла почти всегда образуются кристаллические зерна в форме дендритов.
На рис. 28, а представлена схема образования и роста дендритов. При затвердевании жидкого металла около одного из центров кристаллизации первоначально формируется главная (длинная) ветвь дендрита, ось первого порядка. От нее под определенным углом отходят оси второго порядка, от последних — оси третьего порядка и т. д.
На рис. 28, б показан знаменитый кристалл (дендрит) Чернова» найденный во внутренней полости (раковине) слитка стали массой 3,45 кг и высотой 30 см.
Глава VI
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ
Строение и характеристика сплавов
Металлическими сплавами называют сложные по составу вещества, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов либо металлов с некоторыми неметаллами. Химические элементы или их устойчивые соединения, образующие сплав, принято называть компонентами. Сплавы могут состоять из двух, трех и более компонентов.
Способность различных металлов образовывать сплавы далеко не одинакова; структура сплавов после их затвердевания также может быть самой разнообразной.
Металлические сплавы в жидком состоянии, как правило, однородны, представляют одну фазу. В некоторых случаях металлы в жидком состоянии взаимно нерастворимы и образуют отдельные слои (например, свинец и железо, свинец и цинк). Однако полная нерастворимость металлов в жидком состоянии — редкое явление; чаще встречается ограниченная растворимость. Если концентрация одного из металлов превышает предельную растворимость его в другом металле, то жидкость разделяется на два слоя. Ограниченной растворимостью в жидком состоянии чаще всего обладают металлы, атомные объемы и температуры плавления которых существенно различны.
Фазой называют однородную часть неоднородной системы, отделенную от других ее частей поверхностями раздача. При переходе сплавов из жидкого состояния в твердое в них может образоваться несколько фаз. После затвердевания, в зависимости от природы компонентов» сплавы могут состоять из одной, двух и более твердых фаз. Могут образовываться твердые растворы, химические соединения и механические смеси, состоящие из двух или нескольких фаз.
Твердыми растворами называют сплавы (из двух или более компонентов), в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке компонента растворителя. При образовании твердого раствора растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа. Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими
решетками и вследствие этого
Рис. 29. Схема образования твердых растворов: о — атом основного металла (растворителя), ф — атом рас-Рис. 29. Схема образования твердых растворов: о — атом основного металла (растворителя), ф — атом рас-творенного металлатворенного металланеограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии (образуют непрерывный ряд твердых растворов), то растворителем является тот из них, концентрация которого в сплаве превышает 50% (атомных).
Рис. 29. Схема образования твердых растворов: о — атом основного металла (растворителя), ф — атом рас-
Рис. 29. Схема образования твердых растворов: о — атом основного металла (растворителя), ф — атом рас-
творенного металла
творенного металла
Для образования непрерывного ряда твердых растворов необходимы одинаковый тип кристаллических решеток компонентов и небольшая разность периодов кристаллических решеток.
В твердых растворах могут происходить диффузионные пе-
рехолы большейместа срехолы большейместа сдней до тех пор, пока концентрациядней до тех пор, пока концентрациякомпонентов из мест с их концентрацией в меньшей концентр а- не станет одинаковой
рехолы большей
места с
рехолы большей
места с
дней до тех пор, пока концентрация
дней до тех пор, пока концентрация
во всем объеме. Однако диффузия в твердых растворах протекает значительно медленнее, чем в жидких, и скорость се уменьшается с понижением температуры.
Различают три типа твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. Рассмотрим только первых два типа твердых растворов, так как твердые растворы вычитания встречаются сравнительно редко.
Твердый раствор замещения образуется путем замены части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворяемого компонента (рис. 29. а). Эти твердые растворы могут быть ограниченными и неограниченными.
Обычно компоненты, у которых атомные периоды решетки отличаются не более чем на 8%, образуют неограниченный ряд твердых растворов замещения; на 8—15% —твердые растворы замещения с ограниченной взаимной растворимостью; более чем на 15% — не образуют твердых растворов.
Твердые растворы внедрения образуются путем размещения атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами кристаллической решетки растворителя (рис. 29, б).
Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличной от решеток исходных компонентов. Химические соединения, как правило, обладают характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением.
Химические соединения в сплавах образуются между металлами (интерметаллические соединения), а также между металлами и неметаллами. Некоторые соединения металлов с неметаллами (карбиды, нитриды, оксиды, фосфиды и др.) получили в технике самостоятельное применение.
Механические смеси образуются при одновременном выпадении из жидкого расплава при его охлаждении кристаллов составляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т. д.
Правило фаз (закон Гиббса) устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы, числом фаз и числом компонентов. Под числом степеней свободы системы понимают число независимых внешних (температура, давление) и внутренних переменных (концентрация), которые можно произвольно изменять без изменения числа фаз в системе.
Для металлических сплавов, находящихся под постоянным давлением, переменными величинами являются температура и концентрация. В этом случае правило фаз принимает следующий вид:
С = /(+ 1-Ф,
где С — число степеней свободы, Ф — число фаз и К — число компонентов системы.
При кристаллизации чистого Mei ал ла система состоит из одного компонента (К = I), твердой и жидкой фаз (Ф = 2). При неизменном давлении такая система нонвариантна (число степеней свободы равно нулю: С = 1 + 1—2 — 0) и в ней нельзя произвольно изменять температуру, не изменяя числа фаз.
Для чистого расплавленного металла (^ = 1, Ф ^ LC — 1)система одновариантна, т. е. при изменении температуры равновесие системы нарушится.
Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов
Диаграммы состояния металлических сплавов представляют обобщенные результаты изучения хода затвердевания и структурно-фазс- вых превращений в выбранных системах, Эти диаграммы позволяют определить температуры начала и конца затвердевания сплавов, их структуру для различных температур и превращения, которые сплавы претерпевают при охлаждении и нагревании.
При построении диаграмм состояния сплавов по оси абсцисс откладывают концентрацию каждого компонента (от 0 до 100%), по оси ординат — температуру. Каждому составу сплава при определенной температуре отвечает определенная одна точка на диаграмме. Наука о структуре металлов и сплавов называется металлографией. Для исследования структуры металлов и сплавов применяют металле- микроскопы и рентгеновские аппараты.
Диаграммы состояния сплавов строят на основании их изучения методами термического, микроскопического, рентгеноструктурного, электросопротивления, магнитного и других анализов.
СоставуСоставуРис. 30. Диаграмма состояния РЬ — Sb и микроструктуры свинцово- сурьмянистых сплавов:ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектикаРис. 30. Диаграмма состояния РЬ — Sb и микроструктуры свинцово- сурьмянистых сплавов:ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектика1g,.1g,.
Составу
Составу
Рис. 30. Диаграмма состояния РЬ — Sb и микроструктуры свинцово- сурьмянистых сплавов:
ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектика
Рис. 30. Диаграмма состояния РЬ — Sb и микроструктуры свинцово- сурьмянистых сплавов:
ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектика
1g,.
1g,.
При термическом анализе определяют температуру начала и конца затвердевания сплавов при переходе их из жидкого состояния в твердое, а также температуру всех превращений, происходящих в сплаве в твердом состоянии. Для термического анализа приготовляют ряд сплавов с постепенно изменяющимся содержанием одного из компонентов сплава (например, 10, 20, 30, 40% и т. д.). Серию таких сплавов нагревают и расплавляют, а затем медленно и равномерно охлаждают. При помощи термопары через определенные промежутки времени отмечают температуру сплава. На основании полученных данных строят серию кривых охлаждения и нагревания в координатах температура — время, характерные точки которых переносят на диаграмму состояния.
Первый тип диаграммы состояния характеризуется тем, что компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, совершенно нерастворимы в твердом состоянии и образуют механическую смесь своих кристаллов. По диаграмме состояния первого типа кристаллизуются системы Pb—Sb; Sn—Zn; Pb—Ag и др.
Таблица 1
Температуры затвердевания сплавов системы РЬ—Sb
Силавы
Содержание компонентов (вес), %
Температура затвердевания, °C
Sb
РЬ
начало
конец
I
100
327
327
II
5
95
296
243
III
10
90
260
243
IV
13
87
243
243
V
20
80
280
243
VI
40
60
395
243
VII
80
20
570
243
VIII
100
0
631
631
Для примера построим диаграмму состояния сплавов системы РЬ— —Sb (рис. 30)- Температуры начала и конца затвердевания сплавов этой системы (при медленном охлаждении) приведены в табл. 1.
Кривые охлаждения свинца и сурьмы (рис. 30) имеют только по одной горизонтальной площадке, соответствующей температуре их затвердевания. На каждой из кривых охлаждения сплавов имеется перегиб или площадка при температурах, фиксирующих начало и конец затвердевания. Верхние точки, при которых начинается затвердевание рассматриваемых сплавов, существенно отличаются друг от друга по температуре. Нижняя критическая температура затвердевания для всех сплавов свинца и сурьмы одинакова — она равна 243° С
Перенося точки начала и конца затвердевания кривых охлаждения всей серии сплавов на график состав сплава — температура, получим диаграмму состояния системы РЬ—Sb.
Выше линий ЛС и СВ сплавы любого состава находятся в жидком состоянии. Эти линии фиксируют начало затвердевания сплавов, их называют линиями ликвидуса (ликвидус — жидкий). Прямая линия ВСЕ соответствует концу затвердевания сплавов и называется линией солидуса (солидус — твердый). Ниже этой линии сплавы любого состава находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплавы состоят из двух фаз: жидкой и твердой. На линии Л С начинается кристаллизация чистого свинца из сплавов, содержащих менее 13% сурьмы. На линии ВС — кристаллизация чистой сурьмы из сплавов, содержащих боле 13% сурьмы, В точке С, отвечающей сплаву с 13% Sb и 87% РЬ при температуре 243° С, происходит одновременная кристаллизация обоих компонентов сплава с образованием тонкой механической смеси. Полученную после затвердевания структуру сплава называют эвтектикой (на рисунке обозначена буквой С), а сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим сплавом. Он обладает самой низкой температурой плавления по сравнению с остальными сплавами. Сплавы, состав которых находится на диаграмме левее точки С, называют доэвтектическими, а правее — заэвтектическими.
Доэвтектический сплав выше линии ЛС находится в жидком состоянии. При охлаждении ниже линии ЛС из сплава начинают выпадать кристаллы чистого свинца, обладающего более высокой температурой затвердевания, чем остающаяся жидкая часть сплава, постепенно обогащающаяся сурьмой. Выделение кристаллов чистого свинца из жидкой фазы будет продолжаться вплоть до температуры 243° С, т. е. до линии эвтектики DCE. При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы содержит 13% Sb, и она затвердевает с образованием эвтектики.
Рис. 31. Диаграмма состояния системы Си — Ni и микроструктуры медной икелевых сплавов:
б)б)УУа — чистая медь; б — сплав, содержащий 30% Ni (твердый раствор различной концентрации — светлые участки обогащены никелем; темные участки обогащены медью); в — то же, после ковки и диффузионного отжига (однородные зерна твердого раствора); г —чистый никель
б)
б)
У
У
При охлаждении заэвтектических сплавов ниже линии ВС из жидкого сплава начинают выпадать кристаллы чистой сурьмы, обладающей более высокой температурой затвердевания, чем остающаяся жидкая часть сплава; поэтому последняя обедняется сурьмой, и ее состав начинает приближаться к эвтектическому. При температуре, соответствующей линии DCE (243° С), эта часть сплава будет содержать 13% Sb и по мере дальнейшего понижения температуры затвердеет с образованием эвтектической смеси. Таким образом, заэвтектические сплавы затвердевают аналогично доэвтектическим сплавам с той разницей, что ниже линии ликвидуса из жидкости выделяется не свинец, а сурьма.
Второй тип диаграммы состояния, в котором компоненты неограниченно взаимно растворимы в жидком и в твердом состоянии, образуют однородные твердые растворы.
По этому типу диаграмм затвердевают сплавы Си—Ni; Со—Ni; Fe—Ni и др. В указанных системах образуются однородные твердые растворы, так как составляющие их компоненты имеют одинаковый тип кристаллических решеток при разнице в атомных размерах не более 8%.
В качестве примера второго рода диаграмм состояния на рис. 31 приведена система Си—Ni. По внешнему виду эта диаграмма напоминает чечевицу, верхняя часть которой ограничена линией ликвидуса (линия 1РВК'2\ а нижняя — линией солидуса (линия lK''mn2Y
В отличие от системы РЬ—Sb затвердевание сплавов Си—Ni начинается с выделения из жидкости кристаллов твердого раствора (Си и Ni). Сплав с 30% Ni (точка /<) при 1400° С (точка а) будет жидким. В точке К' из жидкости выпадут кристаллы твердого раствора Ni—Си состава, соответствующего точке п, на диаграмме (73% Ni); при охлаждении сплава ст точки К* до точки Кн состав остающейся жидкости изменяется от точки К* до точки Р. Последняя капля жидкости содержит всего лишь 7% Ni. Состав кристаллов твердого раствора, выпадающих в ходе затвердевания, изменяется вдоль линии солидуса от точки п до точки К"- Последним затвердеет кристаллик состава, соответствующего точке Км (30% Ni).
Таким образом, при затвердевании сплава этой системы наблюдается непрерывное изменение составов жидкой фазы и образующихся кристаллов твердых растворов.
Первые твердые частицы, которые формируются из центров кристаллизации, и главные оси дендритов (оси первого порядка) в затвердевшем сплаве сильно обогащены тугоплавким компонентом, т. е. Ni; по мере понижения температуры и формирования осей последующего порядка в твердой фазе увеличивается содержание Си. Остающаяся жидкость обогащается медью, т. е, более легкоплавким компонентом. В результате кристаллизации структура сплава получается неоднородной, так как диффузия не успевает выравнивать состав образующегося твердого раствора,
На рис. 31, а приведена микроструктура чистой меди, на рис. 31, г — микроструктура чистого никеля. Микроструктура сплава, содержащая 30% никеля, показана на рис. 31, б. Светлые участки представляют твердый раствор, обогащенный никелем, темные — твердый раствор, обогащенный медью. Внутри отдельных зерен элементы распределены неравномерно; такое явление называют внутридендритной ликвацией. Нагрев до температуры, лежащей на 50—100°С ниже линии солидуса, и выдержка при этой температуре выравнивают состав (рис. 31, в).
Третий тип диаграмм состояния; в жидком состоянии компоненты взаимно неограниченно растворимы; в твердом — обладают ограниченной растворимостью, образуя при кристаллизации эвтектику. На рис. 32 приведен этот тип диаграммы Кристаллизация доэвтектических сплавов по линии ликвидуса ЛС начнется выделением из жидкого раствора кристаллов твердого раствора а (твердый раствор компонента В в кристаллической решетке компо-
цента Л ). Кристаллизация заэвтектических сплавов по линии CS начнется выделением из жидкой фазы кристаллов твердого раствора р (твердый раствор компонента Л в кристаллической решетке компонента Д). Эвтектика Э в точке С состоит из двух твердых растворов аир. Их составы меняются по линии солидус ADCEB. Предельная растворимость компонента В в кристаллической решетке компонента А соответствует точке D при эвтектической температуре. Предельная растворимость компонента А в кристаллической решетке компонента В соответствует точке Е при этой же температуре.
Рис. 32, Диаграмма состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью п жидком состоянии и ограниченной — в твердомРис. 32, Диаграмма состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью п жидком состоянии и ограниченной — в твердомСтруктура сплавов, расположенных левее точки D (в области твердого раствора), состоит из однородного твердого раствора а. Структура сплавов, расположенных правее точки Е, состоит из однородного твердого раствора р.
Рис. 32, Диаграмма состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью п жидком состоянии и ограниченной — в твердом
Рис. 32, Диаграмма состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью п жидком состоянии и ограниченной — в твердом
С понижением температуры растворимости компонентов В в Л и А в В уменьшаются (линии Dl и Ет\ Вследствие этого из твердых растворов выделяются избыточные фазы. Из твердого раствора а, например, выделяются вторичные кристаллы твердого раствора ри переменного состава; из твердого раствора р — кристаллы твердого раствора ан- Составы этих вторичных кристаллов определяются соответственно линиям Ет и DL
Сплавы состава левее точки I состоят из однородного твердого
раствора а, правее точки т — из однородного твердого раство ра р.
Сплавы составов от точки I до точки d имеют микроструктуру, состоящую из кристаллов твердого раствора а переменного состава и вторичных кристаллов твердого раствора ри, а от точки е до точки т — из кристаллов твердого раствора р переменного состава и вторичных кристаллов твердого раствора яц. Эвтектический сплав (точка О состоит из тонкой механической смеси двух твердых растворов переменного состава а и р.
Доэвтектические сплавы, имеющие состав от точки d до точки с состоят из кристаллов твердого раствора а, эвтектики а + р и мелких вторичных кристаллов Рп — твердого раствора.
Заэвтектические сплавы, имеющие состав от точки с до точки е, состоят из кристаллов твердого раствора р, эвтектики а + Р и мелких вторичных кристаллов твердого раствора ан ♦
Четвертый тип диаграмм состояния системы; компоненты неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и образуют одно или несколько устойчивых химических соединений. Эти соединения можно рассматривать как само
стоятельный компонент, а диаграмму состояния этого типа как две или несколько сочлененных диаграмм.
Рассмотрим диаграмму состояния системы, состоящей из компонентов Л и В, которые образуют между собой устойчивое химическое соединение АтВп (рис. 33). Температура плавления его может быть ниже или выше температур плавления исходных компонентов А и В.
Эту диаграмму состояния следует рассматривать как состоящую из двух диаграмм первого типа.
Затвердевание системы А—АтВп происходит по линии Л^^^ По линии Д^ кристаллизуется компонент Л, а по линии Ег Сг химическое соединение АтВп.
Рис. 33. Диаграмма состояния двойных сплавов, компоненты которых образуют химическое соединениеРис. 33. Диаграмма состояния двойных сплавов, компоненты которых образуют химическое соединениеОкончательное затвердевание сплава происходит при эвтектической температуре по линии DiE1F1, В точке Ех одновременно кристаллизуются Л и АтВп. Сплав такого состава после затвердевания имеет эвтектическое строение.
Рис. 33. Диаграмма состояния двойных сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение
Рис. 33. Диаграмма состояния двойных сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение
Затвердевание сплавов системы Л^В —Bt начинается по линии С^^В^. При этом по линии Ct Е2 кристаллизуется химическое соединение АтВп, а по линии E^v чистый компонент В.
Полное затвердевание этих сплавов происходит при эвтектической температуре по линии К^Ь^ Эвтектический сплав, отвечающий точке Е^ состоит из V» + в.
По четвертому типу диаграммы состояния затвердевают сплавы Mg—Pb, Со—Sb, Мп—Si и ряд других.
Пользуясь диаграммой состояния, можно определять не только области существования фаз и их качественный состав при любой температуре, но и количественное соотношение между отдельными фазами. Для этой цели служит правило отрезков. Например, чтобы установить количественное соотношение фаз в точке к при температуре t (см., например, рис. 30), через эту точку следует провести линию, параллельную оси абсцисс. Точка и соответствует составу твердой фазы (100% Sb), а точка I — составу жидкой фазы
сплава.
Если Q — масса сплава, Q^ — масса жидкой фазы и QT — масса твердой ф>азы, а отрезки К1 и Кп обозначить у и х, то по правилу отрезков можно получить следующие соотношения:
Qr , у . Уж = у * Ут _= х
Q X ’ Q х + j/ * Уж х + у
Характер изменения свойств сплавов в зависимости от состава для разного типа диаграмм состояния
Зависимость между составом, структурой и характером диаграмм состояния впервые установил академик Н. С Курнаков (1860—1941), Построенные им диаграммы состав — свойство широко используются в практике,
Электрические и другие физические свойства сплавов, затвердевающих в соответствии с диаграммой состояния первого типа, изменяются в зависимости от состава по закону прямой линии (рис, 34, о). При образовании в сплавах непрерывного ряда твердых растворов (диаграмма 2-го типа) их свойства изменяются с составом криволинейно (рис. 34, б).
Рис. 34. Изменения свойств сплавов для различных диаграмм состояния: ч—с ^ВЕбктикой; б— с непрерывным рядам твердых растворив; е — с отраничевной растворимостью в твердом состоянии; г -- с устойчивым химическим соединением
В сплавах с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (3-й тип диаграммы) свойства изменяются в зависимости от состава: в однофазной области— по криволинейному закону, а в двухфазной — по прямолинейному закону (рис, 34, в). При образовании в сплавах химического соединения АтВп (4-й тип диаграммы) свойства сплавов изменяются прямолинейно от компонента А к химическому соединению А^Вп и от этого химического соединения к компоненту В. При составе сплава, соответствующем химическому соединению АтВп, наблюдается резко выраженный перелом (максимум или минимум) в изменении свойств (рис. 34, г).
Глава VII
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Свойства металлов и сплавов зависят от состава и структуры. Их определяют различными методами, которые нужно разделить на механические, физические, технологические, химические и специальные (определение жаропрочности, коррозионной стойкости и т. д.).
Механические испытания металлов
Чтобы предупредить разрушение металлических изделий и конструкций, необходимо при их конструировании учитывать главным образом прочностные характеристики применяемых металлов.
Прочностные (механические) характеристики металлов и сплавов определяют при испытании стандартных образцов или самих изделий на специальных машинах.
Механические испытания металлов могут быть статическими (нагрузка на образец увеличивается постепенно), динамическими (нагрузка на образец действует мгновенно) и повторно-переменными (нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению).
Металлы испытывают на растяжение, сжатие, кручение, на удар, усталость, на твердость и ползучесть (при комнатной, низких или высоких температурах).
Испытание на растяжение» Испытание на растяжение производят па разрывных машинах с механическим или гидравлическим приводом (рис» 35, а, 6)» Как видно из кинематической схемы, образец (рис. 35, б) зажимают головками подвижного захвата /7» Электродвигатель /5 через систему передач и гайку 13 передает движение грузовому винту 12. При испытании сила сопротивления образна передается измерительному рычагу 8, соединенному с маятником 1 тягой 4 через кривошип 2. Маятник /, отклоняясь через поводок 8, двигает каретку 6 с пером 7 по линейке. На диаграммной бумаге перо 7 пишет кривую нагрузка — удлинение, Барабан 17 и винт 12 перемещаются двумя парами шестерен 14 и 9 через валик /б. Для этого вида испытания изготовляют стандартные образцы (рис» 35, в)» В зависимости от площади поперечного сечения различают нормальные и пропорциональные образцы. Нормальные образцы имеют площадь поперечного сечения 314 мм2 (d0 — 20 мм)- Они бывают двух видов: длинные (длина расчетной части /0 = 200 мм, а отношение /0/d0 = = 10) и короткие (<0 = 100 мм и /0/d0 = 5).
Площадь поперечного сечения пропорциональных образцов может быть произвольная, а расчетную длину определяют по формуле
/0 = 11,3 ]^ или /0 = 6,65 ]/^,
где /^ — исходная площадь поперечного сечения образцов, мм2. Литые образцы и образцы из хрупких материалов изготовляют с расчетной длиной /0 — 2,82 J7^.
При испытаниях образец растягивают па специальной машине до момента его разрыва. При этом вычерчивается диаграмма растяжения образца (рис. 35, а). По вертикальной оси диаграммы откладывается нагрузка Р, по горизонтальной — абсолютное удлинение
Рис. 35. Испытание па растяжение:Рис. 35. Испытание па растяжение:
Рис. 35. Испытание па растяжение:
Рис. 35. Испытание па растяжение:
а — общий вид разрывной машины с механическим приводом типа ИМ-4Р; б—кинема-тическая схема; в—стандартные образцы для испьиапия па растяжение; г — диаграммарастяжении пластичного меняла, V — маятник; 2 — кривошип; 3 — повадок; 4 — t«i ■;5 — линейка; 6 — каретка; 7 — перо, 8 - измерительный рычаг. —5 шестерня,. 10 — валик./7—подвижной захват, 12 --винт, 13— гайка, 14—шестерня. /■) —электродвигатель,/£—рукоятка, /7 — барабан с рукояткой, /8 — груз
образца Д/. На диаграмме можно отметить характерные участки и точки. На участке 0Рр удлинение Д,( образца увеличивается прямо пропорционально нагрузке Рр, называемой нагрузкой предела про
пор циональности.
Пределом пропорциональности ор называют наибольшее напряжение, до которого относительное удлинение образца остается прямо пропорциональным нагрузке Рр. Его определяют по формуле (в Н/м2 или Па):
°Р = PpfF0.
Нагрузка Ре, при которой образец получает остаточное удлинение, равное 0,005% расчетной длины, называют нагрузкой предела упругости*
Пределом упругости и€ называют такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,005% первоначальной расчетной длины образца. Его определяют по формуле
°е = PJF».
Выше точки Р€ кривая диаграммы растяжения плавно переходит в горизонтальный участок. При этом образец удлиняется без увеличения нагрузки (металл как бы течет).
Нагрузку Рт, при которой начинается течение металла, называют нагрузкой предела текучести, а горизонтальный участок кривой — площадкой текучести
Пределом текучести от называют наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Его определяют по формуле
От = PT/F0.
Условным пределом текучести о02 называют напряжение, при котором остаточное удлинение образца равно 0,2% расчетной длины.
За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой максимальной величины Рв, после которой на образце начинается образование местного сужения (шейки). Уменьшение сечения в области шейки вызывает снижение нагрузки, и в точке К при нагрузке Р^ происходит разрыв образца. Наибольшую нагрузку Рв, при которой начинается образование шейки, называют нагрузкой предела прочности при растяжении*
Пределом прочности при растяжении называют напряжение ов, соответствующее наибольшей нагрузке Рв. Определяют его по формуле
°„ - рв^0.
Истинным сопротивлением разрыву ог назы в а ют напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва:
=, = P^v
Полная деформация образца М^ складывается из ocrai очной А/Ост и упругой деформации Afynp- Для определения этих деформаций необходимо на диаграмме растяжения из точки А провести прямую, параллельную прямолинейному участку кривой, до пересечения с осью абсцисс.
Относительным удлинением 6 называют отношение приращения длину образца после разрыва к его расчетной длине, выраженное в процентах:
8 = ^—^ 100%,
где / — длина образца после разрыва, мм; /0 — расчетная длина образца, мм,
О/ндосыта^б№л< сужеямеж 6 называют отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:
^=2^Ь-юо%,
где р^ — начальная площадь поперечного сечения образца, мм2; F^ — конечная площадь поперечного сечения образца, мм2.
Испытание на сжатие производят на цилиндрических образцах высотой и диаметром от 10 до 25 мм, как правило, на тех же машинах, что и на растяжение. Для этой цели применяют специальные приспособления, преобразующие растягивающие нагрузки в сжимающие. Существуют и специальные машины для испытания на сжатие. Степень осадки при сжатии е определяют по формуле
6 = ^1100%1h
где h и hx — высота образца до и после осадки* Остальные характеристики определяются по таким же формулам, как и при растяжении.
Испытания на удар. Эти испытания позволяют определять способность металла противодействовать динамическим нагрузкам и выявлять склонность металла к хрупкому разрушению при различных температурах.
Для испытаний применяют стандартные образцы квадратного или прямоугольного сечения с надрезом или без него. Образец устанавливают на двух опорах 6 стоек <3 специального копра (рис. 36, а, б). Маятник 1, падая с высоты Н (положение /), разрушает образец 5 (положение //) и по инерции поднимается на высоту h (положение ///), Маятник останавливают ручкой 4 тормоза, Работа Дн, затраченная на разрушение образца, определяется по шкале 2 в соответствии с формулами:
Ип ~ Р (И — h)t Д, = Pl (cos Р — cos а).
Удельную ударную вязкость определяют по формуле
где он — работа, затраченная на разрушение образца, Дж/м2; Fo — площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м2/(см2).
Испытания на усталость. Разрушение металлов под действием многократных (повторно-переменных) нагрузок, изменяющихся по
величине и знаку, при напряжениях, меньших предела прочности на растяжение, называют усталостным. Способность металлов выдерживать большое число циклов называют биносливостью oto, или цык- лической прочностью.
Циклы бывают симметричные, когда наибольшее атау и наимень
шее Omin напряжения равны, метричные, характеризующиеся различными по величи- не наибольшими и наименьшими напряжениями.
Испытания обычно проводят на цилиндрических образцах путем воздействия на них при вращении изгибающих нагрузок, которые вызывают знакопеременные напряжения (рис, 37, а) и доводят образец до разрушения. В результате усталостного разрушения в сечении образца получается характерный излом (рис* 37, б), в котором можно заметить две зоны: наружная имеет гладкую поверхность, а внутренняя — шероховатую со следами хрупкого разрушения метал-
ла*
Обычно стальные образцы испытывают до 5 мли, переменных циклов.
Испытания на твердость. Определение числа твердости по Бринеллю, Твердость металла определяют путем вдавливания стального шарика в изделие. Для этого применяют стальные закаленные шарики различного диаметра D^ для которых выбирают определенную нагрузку вдавливания Р и вре-
но противоположны по знаку, и асим-но противоположны по знаку, и асим-Рис. 3G. Схема испытания па ударРис. 3G. Схема испытания па ударРис. 37. Схема измерения напряжения при испытании на усталость (а) и излом образца (б)Рис. 37. Схема измерения напряжения при испытании на усталость (а) и излом образца (б)мя выдержки под нагрузкой*
но противоположны по знаку, и асим-
но противоположны по знаку, и асим-
Рис. 3G. Схема испытания па удар
Рис. 3G. Схема испытания па удар
Рис. 37. Схема измерения напряжения при испытании на усталость (а) и излом образца (б)
Рис. 37. Схема измерения напряжения при испытании на усталость (а) и излом образца (б)
Число твердости по Бринеллю НВ (в Н/м2) равно отношению нагрузки Р к площади отпечатка Р:
НВ = Р/Г = P/nDh = 2P/rc (D — VrD^ — dH, где d — диаметр отпечатка, измеренный после снятия нагрузки (рис, 38, a); h — глубина отпечатка, вычисленная по D и d.
Чем тверже металл, тем выше число твердости НВ. Для определения твердости металла рекомендуется применять стальные шарики следующих диаметров: 2,5; 5 и 10 мм для металла толщиной соответственно до 3; 3—6 и более 6 мм. Между диаметром шарика и нагрузкой существует определенная зависимость. Так, для черных металлов Р = = 30 D2; для меди, бронзы и латуни Р = 10 D2; для алюминия и подшипниковых сплавов Р = 2,5 D2.
Рис. 38. Схема испытания на твердость: с — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по ВиккерсуРис. 38. Схема испытания на твердость: с — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу
Рис. 38. Схема испытания на твердость: с — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу
Рис. 38. Схема испытания на твердость: с — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу
Определение числа твердостипоРоквеллу. В поверхность испытуемого металла вдавливают наконечник под действием предварительной и окончательной нагрузок (рис. 38, б). В качестве наконечников для твердых металлов применяют алмазный IOHVCC мл ом при вершине 120°; для мягких металлов — стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм (1,16°). Предварительная нагрузка Pt равна 1,00 Н (10 кгс), а окончательная Р2 при испытании алмазным конусом 1,5 кН (150 кгс шкала С) или 0,6 кН (60 кгс, шкала Л) при испытании шариком 1 кН (100 кгс, шкала В).
Число твердости по Роквеллу определяют по формуле HR^I^-^-M^
где h^ и й, — глубины внедрения наконечника под действием нагрузок соответственно Р2 и Pv мм; К — постоянное число, имеющее размерность мм; 6 — цена деления шкалы индикатора, соответствующая углублению шарика или конуса на 0,002 мм.
В зависимости от шкалы, по которой определяют число твердости, приняты следующие обозначения: HR A, HRB и HRC.
Определение чнслатвердости алмазнойп и- р а м и л о й (по Виккерсу). При определении твердости этим методом в испытуемый металл вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При этом применяют нагрузки от 50 до 1200 Н (5—120 кгс). После действия нагрузки на образце остается отпечаток (рис. 38, б).
Число твердости представляет собой нагрузку, приходящуюся ла единицу поверхности отпечатка. Его определяют по формуле
НВ = 2Psin0,5a/d2t
где Р — нагрузка на пирамиду; d — длина диагонали отпечатка; а — угол при вершине пирамиды.
Измерение микротвердости. В некоторых случаях необходимо определить твердость отдельных структурных составляющих сплава. Для измерения микротвердости используют в основном два метода: вдавливание и царапание. При вдавливании применяют алмазную пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине 136% используя малые нагрузки 1 Н(100 кгс). Диагонали отпечатков измеряют под микроскопом.
При втором методе определения микротвердости на поверхность металла наносят царапину алмазным острием под действием определенной нагрузки. Ширина царапины измеряется специальным микроскопом* При этом за величину твердости принимают ширину царапины при некоторой постоянной нагрузке или величину нагрузки, при которой получается определенная ширина царапины.
Технологические испытания металлов
Способность металла подвергаться различным вилам деформации выявляют обычно при технологических испытаниях образцов* О результатах технологических испытаний металлов судят по состоянию их поверхности- Если после испытания на поверхности образца не обнаружены внешние дефекты, трещины, надрывы, расслоения или излом, то металл выдержал испытание.
Испытание на выдавливание применяют для определения способности листового металла подвергаться холодной штамповке и вытяжке. Образец закладываю]' в специальный прибор, в котором пуансоном с шаровой поверхностью выдавливается лунка до появления первой трещины в металле.
Характеристикой пластичности металла является глубина лунки до разрушения металла.
Испытание на изгиб сварных швов проводят для определения вязкости сварного соединения, выполненного встык. Образец свободно устанавливают на двух цилиндрических опорах и подвергают изгибу до появления первой трещины. Характеристикой вязкости является величина угла изгиба.
Испытание на изгиб в холодном или нагретом состоянии проводится для определения способности листового металла принимать заданный по размерам и форме изгиб. Образцы для испытания вырезают из листа без обработки поверхностного слоя.
При толщине листового металла больше 30 мм испытание па изгиб обычно не проводят. Для осуществления пробы на изгиб применяют прессы или тиски.
Испытание на осадку в холодном состоянии применяют для определения способности металла принимать заданную по размерам и форме деформацию сжатия. Испытаниям подвергают прутки, направленные в ковку и предназначенные для изготовления болтов, заклепок н и т. д. Образец должен иметь диаметр, равный диаметру испытуемого прутка, и высоту, равную двум диаметрам прутка. В этой пробе сбра-
зец осаживают ударами кувалды до высоты, заданной техническими условиями.
Проба на расплющивание необходима для определения способности полосового, пруткового или листового металла принимать заданное расплющивание.
Проба навиванием проволоки диаметром до 6 мм предназначена для определения способности металла выдерживать заданное число витков. Проволоку навивают на оправку определенного диаметра* После навивки на проволоке не должно быть поверхностных дефектов.
Пробу на перегиб проволоки применяют для определения способности металла выдерживать повторный загиб и разгиб. Испытанию подвергают круглую проволоку и прутки диаметром 0,8—7 мм со скоростью около 60 перегибов в минуту до разрушения образца. Длина образца 100— 150 мм*
Проба на двойной кровельный замок предназначена для определения способности листового металла толщиной менее 0,8 мм принимать заданную по размерам и форме деформацию. При испытании два листа соединяют двойным замком. Угол загиба, число загибов и разгибов замка указывают в технических условиях.
Проба на изгиб трубы диаметром не более 115 мм в холодном или горячем состоянии нужна для определения способности металла принимать заданный по размерам и форме загиб. Образец трубы длиной не менее 200 мм, заполненный сухим песком или залитый канифолью, загибают па 90° вокруг оправки, .радиус которой указывают в технических условиях.
Проба на сплющивание трубы необходимо для определения способности металла подвергаться деформации сплющивания. Образец длиной, равной примерно наружному диаметру трубы, сплющивают ударами молотка (молота, кувалды) или под прессом до размеров, указанных в технических условиях.
Методы исследования структуры металлов и сплавов
Механические и технологические свойства металлов и сплавов в значительной степени зависят от их структуры, К методам, изучающим строение металлов и сплавов, относят рентгеноструктурный и металл огр афически й.
Рентгеиоструктурным методом исследуют внутреннее строение кристаллических решеток, фазовый состав, величину зерен и т. д., используя специальные образцы (в том числе и порошка). Кроме того, рентгеновский метод (на просвечивание) применяют для контро* ля литых, кованых и сварных деталей, выявления раковин, пустот, пористости, непроваров и т. д. Современные рентгеновские установки позволяют контролировать стальные детали на глубину до 100 мм, сплавы на алюминиевой основе—до 400 мм, сплавы на медной основе— до 60 мм.
Металлографическим методом исследуют макро- и микроструктуру металлов и сплавов. Структуру металла, видимую невооруженным
глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз)» называют макроструктурой.
Макроскопический анализ позволяет выявить величину, форму и расположение кристаллических зерен в литом металле» направление волокон в деформированном металле» усадочные и газовые раковины, усадочные рыхлости, трещины, химическую неоднородность металла характер его излома и т. д.
Обычно макростроение металла изучают на макрошлифах или по изломам. Макрошлиф представляет собой специально подготовленную к исследованию часть детали или заготовки. Поверхность макрошлифа шлифуют наждачной бумагой или на специальном станке. Шлифы подвергают глубокому травлению в различных реактивах.
При микроскопическом исследовали и структуры металлов используют оптические или электронные микроскопы. Обычно применяют металлографические микроскопы с увеличением 50—3000 раз. Это позволяет определить микроструктуру металла (величину и форму зерен, структурные составляющие» вид и распределение неметаллических включении и др.) на специальных шлифах.
Для этого из изделий вырезают цилиндрики диаметром и высотой 10—15 мм или кубики с ребром около 10 мм» Одну из плоских поверхностей микрошлифа обрабатывают шлифовальной бумагой, а затем полируют на сукне до зеркального блеска. Качество изготовления шлифа проверяют под микроскопом* При этом наблюдают также распределение и сметалл ических включен ий (графита, су л ьфидов» окислов и т. д*).
Для выявления структуры шлиф подвергают травлению в слабых спиртовых или водных растворах кислот или щелочей» а также в смеси различных кислот* В результате травления на поверхности шлифа появляется микрорельеф вследствие неодинаковой травимости структурных составляющих, границ зерен и зерен. Этот микрорельеф создает сочетание света и тени при рассмотрении шлифа в микроскоп. Исследование структуры ведется в отраженном свете. Структура, протравленная в большей степени» оказывается под микроскопом более темной по сравнению с менее протравленной*
Электронный микроскоп дает увеличение до 100 000 раз, что значительно расширяет область применения микроструктурного анализа. В этом микроскопе вместо световых используют электронные лучи, испускаемые вольфрамовой раскаленной спиралью.
В настоящее время разработаны способы микроскопического исследования образцов металла в вакууме. В результате стало возможным наблюдение структур металлов и сплавов при повышенных температурах.
Советскими учеными создан ультрафиолетовый микроскоп, позволяющий фотографировать микрошлифы в ультрафиолетовой области спектра, что очень важно для расшифровки строения сложных многофазных сплавов.
Физические методы исследования
К физическим относят термический, дилатометрический, электрический, магнитный и другие методы исследования. По изменению тех или других физических свойств сплава можно определять происходящие в нем превращения. Например, температуры аллотропических превращений железа можно определить по изменению объема или длины (дилатометрический метод) или электросопротивления (э л е к т р и ч е с к и й метод) при нагреве и охлаждении стандартных образцов.
Магнитный метод применяют для исследования превращений в сплавах. Этот метод основан на зависимости магнитных свойств сплава от структуры или состава. Магнитный метод контроля позволяет также выявлять (главным образом в чугунах и сталях) мелкие трещины, раковины, поры, расположенные близко к поверхности, а также качество термической обработки, Существуют кроме того, и другие методы испытаний самих деталей без их разрушения.
Метод радиоактивных изотопов (меченых атомов) применяют для изучения процессов диффузии, распределения различных специальных элементов, введенных в сплав, и др. Наблюдая следы перемещения меченых атомов, можно установить распределение различных структурных составляющих сплава.
Глава VIII
ДЕФОРМАЦИЯ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ L Деформация металлов
Под действием приложенных сил в металле возникают напряжения, которые вызывают деформации, изменяющие форму и размеры металлического тела. Эти силы могут быть внешними или возникать в результате различных физико-химических процессов. Деформация металла может быть упругой, полностью исчезающей после снятия нагрузки и пластической (остаточной). При упругой деформации смещение атомов незначительно, и они после снятия нагрузки возвращаются в исходное положение. При пластической деформации происходит необратимое смещение атомов без разрушения металла.
Физическая сущность пластической деформации монокристалла (единичного кристалла) заключается в том, что напряжения вызывают перемещение дислокаций (см. рис. 21—23), при которых верхняя часть одного зерна (кристалла) сдвигается на один межатомный промежуток по отношению к его нижней части. В некоторых случаях под действием касательных напряжений одна часть зерна смещается по отношению к другой и является как бы его зеркальным отражением. Такую деформацию называют двойникованием. Любой процесс деформации при возрастании напряжений до предельных величин заканчивается хрупким или вязким разрушением.
Хрупкое разрушение не сопровождается сколько-нибудь заметней пластической деформацией; излом при таком разрушении гладкий, блестящий. Вязкому разрушению предшествует более или менее значительная пластическая деформация; излом получается неровный, матовый, В реальных случаях часто наблюдается смешанный тип разрушения.
Пластическая деформация пачикристалличсского металлического тела осуществляется аналогично пластической деформации монокристалла. Однако в пол и кристаллическом металле на процесс пластической деформации внутри отдельных зерен накладываются процессы поворота или взаимного скольжения зерен. Отдельные зерна поликристалличоского тела вследствие различной кристаллографической ориентировки деформируются по-разному. Прежде всего деформируются те зерна, в которых плоскости скольжения наиболее благоприятно расположены по отношению к приложенной силе. На первом этапе пластической деформации в отдельных зернах появляются линии сдвигов. По мере развития пластической деформации происходит дробление блоков мозаичной структуры, поворот зерен относительно друг друга и изменение их формы.
При увеличении деформации зерна вытягиваются по направлению действия силы, образуя волокнистую структуру. При больших степенях пластической деформации в поликристаллическом металле образуется определенная ориентировка зерен, называемая текстурой» Металл приобретает анизотропию свойств. Прочность вдоль вытянутых зерен (по направлению деформации), больше, чем в поперечном на’ правлении.
В результате сдвига и двойникования вдоль плоскости сдвига и в прилегающих к ней объемах наблюдается искажение кристаллической решетки, которое вызывает упрочнение металла. При увеличении деформации скольжение происходит уже в другой параллельной плоскости, а в данной плоскости сдвиг затормаживается. Таким образом, процесс скольжения в реальных кристаллах приобретает ступенчатый характер. Образующиеся линии скольжения, видимые в от- дельных зернах, являются результатом скольжения множества параллельных плоскостей,
Исследованиями установлено, что в кристаллической решетке процесс скольжения с плотным расположением атомов происходит легче и более затруднен в плоскостях и направлениях с наименьшей плотностью расположения атомов. Как указывалось ранее, легкое перемещение атомов по плоскостям скольжения объясняют наличием в них дислокаций. Пластическая деформация поликристаллическогометалла увеличивает его прочность и уменьшает пластичность.
Нагартовкой, или наклепом, называют упрочнение металлов в процессе пластической деформации.
Непрерывное возрастание напряжений в процессе деформации заканчивается хрупким или вязким разрушением. Хрупкое разрушение не сопровождается сколько-нибудь заметной пластической деформацией.
Вязкому разрушению всегда предшествует значительная пластическая деформация. Излом образца неровный, матовый. Практически чисто хрупкое или чисто вязкое разрушение металлов наблюдается редко,
§ 2. Отдых и рекристаллизация
Пластическая деформация придает металлу неустойчивое состояние благодаря искажению кристаллической решетки и появлению внутренних напряжений. Наклепанный металл даже при комнатной температуре претерпевает превращения, возвращающие металл в более устойчивое состояние. Для ускорения этих процессов повышают температуру.
Нагрев наклепанного металла до температуры 0,25—0,40 Тпл (в градусах Кельвина) устраняет остаточные искажения кристаллической решетки, что приводит к некоторому снижению твердости и прочности и повышению пластичности. 0тдь/лш1, или еозврмом, называют частичное восстановление механических свойств в результате снятия остаточных искажений кристаллической решетки без заметных изменений структуры.
При более высоких температурах вместо деформированных, вытянутых зерен постепенно образуются новые равноосные. При этом металл полностью разупрочняется; механические и физические его свойства достигают исходных значений. Такой процесс называют рекристаллизацией*
Температура начала рекристаллизации зависит от природы металла, степени его наклепа и других факторов. Чем больше, как правило, степень деформации, тем ниже температура рекристаллизации.
В процессе рекристаллизации металлов, аналогично процессу кристаллизации> возникают новые зародыши (центры кристаллизации) с последующим их ростом. Рекристаллизацию, при которой деформированные зерна заменяются новыми стабильными, называют рекристаллизацией обработки. При бол ее высоки х температур ах происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других. Этот процесс называют собирательной рекристаллизацией.
Температуру рекристаллизации определяют в зависимости от абсолютной (термодинамической) температуры плавления 7Г1Л металла. По данным академика А. А. Бочвара, 7рскр = (0,34-0,4) 7ПЛ для чистых металлов и 7рекр — (0,64-0,8)7ПЛ для сплавов.
Размер зерен после рекристаллизации зависит от температуры рекристаллизации и степени предшествующей пластической деформации. Чем выше температура рекристаллизации, тем больше размер зерен. Степень деформации, при которой получаются крупные рекристаллизованные зерна, называют критической.
Изменение размера зерен в зависимости от предшествующей степени деформации объясняется различным механизмом их образования. Увеличение степени деформации приводит к росту плотности дислокаций преимущественно в объемах, прилегающих к границам зерен. При небольшой степени деформации плотность дислокаций воз-
растает незначительно, что практически не влияет на размер зерен после рекристаллизации.
При критической степени деформации плотность дислокаций на границах зерен достигает таких значений, при которых возможно взаимное уничтожение дислокаций. Это способствует постепенному уменьшению дислокаций на границах зерен и слиянию нескольких
езез160016008008005У55У54000 мX 52001.24004000 мX 52001.2400/ 5 10 15 20 30у * Степень деформации, %/ 5 10 15 20 30у * Степень деформации, %Рис» 39. Диаграмма рекристаллизации железаРис» 39. Диаграмма рекристаллизации железада
ез
ез
1600
1600
800
800
5У
5
5У
5
4000 м
X 5200
1.2400
4000 м
X 5200
1.2400
/ 5 10 15 20 30
у * Степень деформации, %
/ 5 10 15 20 30
у * Степень деформации, %
Рис» 39. Диаграмма рекристаллизации железа
Рис» 39. Диаграмма рекристаллизации железа
-да
700
600
500
небольших зерен в одно более крупное. При степени деформации больше критической новые зерна образуются путем зарождения центров кристаллизации с последующим их ростом. Зависимость между размером зерна, температурой нагрева и степенью деформации для каждого металла можно проследить на его пространственной диаграмме рекристаллизации (рис. 39). Эта диаграмма имеет большое практическое значение, так как позволяет определять необходимую температуру нагрева и степень деформации рекристаллизованного металла для получения мелкого зерна.
Многие металлы можно пластически деформировать в холодном состоянии, т. е. при температурах ниже температуры рекристаллизации, и в горячем состоянии — заканчивая процесс деформации выше этой температуры. Эти два способа по-разному влияют на структуру и свойства деформируемого металла. Как уже отмечалось, после холодной пластической деформации структура металла становится волокнистой; под влиянием наклепа металл упрочняется, а его вязкость и пластичность ухудшаются. В таком состоянии металл термодинамически неустойчив и обладает повышенным запасом внутренней энергии. Последующий нагрев позволяет вернуть металл в более устойчивое состояние, что связано, в частности, с разупрочнением.
Горячая пластическая деформация улучшает свойства металла: повышается его плотность, завариваются усадочная и газовые раковины, уничтожается дендритная структура.
Иногда применяют неполную горячую обработку (пол у горя чую, теплую), основной признак которой — окончание деформации при температуре несколько ниже температуры рекристаллизации.
Глава IX
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
Железо — металл серебристо-серого цвета, четвертого периода, восьмой группы таблицы Д. И. Менделеева, обладающий очень высокой пластичностью. Чистое железо содержит не более 0,01 % примесей и является очень дорогим металлом. На практике применяют техническое железо, содержащее до ОД % в сумме примесей (С, Мп, Si, S, Р и др.).
Механические свойства железа в зависимости от степени его чистоты и величины зерен изменяются в следующих пределах:
Твердость по Бринеллю НВ, МН/м2
(МПа) 580—800
Предел прочности при растяжении тв, МН/м2 (МПа) ГО—280
Удлинение б,% 30—50
Сжатие ф, % 70—80
Ударная вязкость дн, МДж/м2, (кгс-м/смй)16—20(1,6—2,0)
Железо легко сплавляется с многими элементами. В технике широко применяют сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, хромом. никелем и другими элементами. Если в сплаве железа содержится до 2% углерода, его называют сталью, если более 2% углерода — чугуном.
Углерод — неметаллический элемент второго периода, четвертой группы, имеет три аллотропические модификации: уголь, графит и алмаз. Графит имеет незначительную прочность и слабо выраженные металлические свойства.
Основные структуры железоуглеродистых сплавов
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов можно рассмотреть под микроскопом на полированном и травленном шлифе. Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в а-железо. Он мягкий (НВ 65—130), пластичный (6 ~ 40%), сильно магнитен, хорошо проводит тепло и электричество.
При комнатной температуре в феррите содержится 0,002 %С, а при 727е С содержание углерода в феррите (и в 6 - железе) — около 0,1%. В феррите кроме углерода может находиться некоторое коли-
чество кремния, марганца, фосфора и др. Кристаллическая решетка феррита — кубическая объемно-центрированная с координационным числом 8. г. е. такая же, как и у чистого а-железа.
Цементит (Ц) — карбид железа Fe3C. В нем содержится 6,67% С. Цементит имеет металлический блеск и сложную кристаллическую решетку, обладает большой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. Он слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло» Температура плавления цементита около 1500° С. Цементит — неустойчивое химическое соединение и при высоких температурах распадается па железо и углерод по реакции Fe^ — 3Fe + С.
Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в у-железо, имеющий кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку с координационным числом 12, Аустенит немагнитен, сравнительно мягкий (НВ 170—200). Максимальная растворимость в нем углерода при 1147°С составляет 2%, при 727° С — 0,8%,
Ледебурит (Л) — механическая смесь (эктектика), состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3%С. Он образуется при затвердевании (с распадением на аустенит и цементит) из жидкого расплава при 1147° С В интервале температур 1147—727° С представляет собой механическую смесь аустенита и цементита, а ниже 727° С состоит из феррита и вторичного цементита. Ледебурит отличается высокой твердостью (НВ 700) и хрупкостью.
Перлит (П) — механическая смесь (эвтектоид), состоящая из очень тонких пластинок или зерен цементита и феррита; образуется в результате распада аустенита при 727° С. Содержание углерода в перлите равно 0,80%. Перлит бывает пластинчатый и зернистый, что определяется формой цементита (пластинки или шарообразные зерна).
Механические свойства перлита зависят от размеров и формы цементита — пластинчатого или зернистого (ов = 820 МН/м2; б = ^15%; НВ 160),
Каждая точка диаграммы состояния «железо — цементит» характеризует определенный состав сплава при данной температуре.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
Диаграмма состояния Fe—С (рис, 40) включает все сплавы (сталь, чугун), имеющие практическое применение. Она является результатом работ многих ученых и непрерывно уточняется вплоть до нашего времени. Практически максимальное содержание углерода в сплавах с железом равно 6,67%. Это значение соответствует содержанию углерода в карбиде железа Fe3C (химическое соединение, которое следует рассматривать как самостоятельный компонент).
На диаграмме нанесены сплошные и пунктирные линии. Это связано с тем, что углерод в сплавах может находиться в элементарном виде (графит) и в виде химического соединения (цементит).
Таким образом, диаграмма состояния системы железо — углерод может иметь два варианта: 1) система железо — цементит (метастабиль- ная) и 2) система железо— графит (стабильная). Рассмотрим диаграм* му состояния системы железо—цементит (сплошные линии).
Верхняя часть диаграммы железо—цементит» Точка Л на диаграмме показывает температуру плавления чистого железа, а точка D* показывает температуру плавления цементита. Процесс кристаллизации расплава начинается по линии ЛЛСО (линия ликвидуса). Выше ли-
ptiC*p Д1559ptiC*p Д1559Тбербый 1500 радобир у ^ еМш мл, ^m^^' uТбербый 1500 радобир у ^ еМш мл, ^m^^' uоо£5£5fcfc/№5ОТ/№5ОТ^Р?Дрс^^Р?Дрс^рлстборй урлстборй ушшЖидкСапь+ЖидкСапь+12001200ЕЕ1№1№110В110ВГУГУЕ* FЕ* FN 15D0N 15D0^цёмй^тттГТ^Р^^■1 реде^реи? (аустенит -* цеэдтншт)^цёмй^тттГТ^Р^^■1 реде^реи? (аустенит -* цеэдтншт)тд/tfi/ т5е и7в-рмтмДа^Твердый растбор Y ^^усл?£нип?/1 .«™ (рустпЁнит)тд/tfi/ т5е и7в-рмтмДа^Твердый растбор Y ^^усл?£нип?/1 .«™ (рустпЁнит)1592 е1592 е9пс9псЕ’Е’I Лус?г?еойт* цементит_ 1М№^«У*^йт?№У у ^^№№*4^^I Лус?г?еойт* цементит_ 1М№^«У*^йт?№У у ^^№№*4^^75^6,77 рсстбер 1 ^гда^75^6,77 рсстбер 1 ^гда^№М а—- , 755№М а—- , 755Й^УЮ^^&У-П?ЫП? *~—гАП {шретичшО)^Й^УЮ^^&У-П?ЫП? *~—гАП {шретичшО)^?б?боо4f^№' /^ЮеМММЧ4f^№' /^ЮеМММЧ^_L^_Lр—1— (Й№т|р—1— (Й№т|" 3J£jP/M/rI^|J №У 1 ^Tf" 3J£jP/M/rI^|J №У 1 ^TfОО40204020ииЦгмемпнт (pfpSywb^fЦгмемпнт (pfpSywb^fАг VАг VРис.Рис.40.40.в1493V1493н1493N1392С1147D1600Е1147S727Р727К727Q20в1493V1493н1493N1392С1147D1600Е1147S727Р727К727Q20HW | Пер^т™»^^ ^Ж™л цем&ип» jy | I ^нтуш) ]JC 4 5506070 SOHW | Пер^т™»^^ ^Ж™л цем&ип» jy | I ^нтуш) ]JC 4 5506070 SOДиаграммаДиаграммасосто я ния желсзоуглер од и сты хсосто я ния желсзоуглер од и сты хz.z.№ 7С7»№ 7С7»SO ?0u^FedCSO ?0u^FedCсплавов:сплавов:1539Тсыпера ту раплавления железа(0,5% С)Состав жидко Л фазы при перитектической реакции(0,18% С)Состав аустенита при перитектической реакции(0,1% С)Состав феррита при перитектической реакцииоАлло грэп и ч еск се л рс вра щен ив(4.3% С)Состав эвтектики (ледебурит)(6,67% С)Температура пл а влен и я цементита(2,0% С)Продельная растворимость углерода вFe^(0,80% С)Состав эвтектоида (перлит)(0.025% С)Предельная растворимость углерода 8 а- железе(6.07% С)Состав цементита(0,01% С)М и и ималь мая растворимос гь углерода а железе1539Тсыпера ту раплавления железа(0,5% С)Состав жидко Л фазы при перитектической реакции(0,18% С)Состав аустенита при перитектической реакции(0,1% С)Состав феррита при перитектической реакцииоАлло грэп и ч еск се л рс вра щен ив(4.3% С)Состав эвтектики (ледебурит)(6,67% С)Температура пл а влен и я цементита(2,0% С)Продельная растворимость углерода вFe^(0,80% С)Состав эвтектоида (перлит)(0.025% С)Предельная растворимость углерода 8 а- железе(6.07% С)Состав цементита(0,01% С)М и и ималь мая растворимос гь углерода а железе
ptiC*p Д1559
ptiC*p Д1559
Тбербый 1500 радобир у ^ еМш мл, ^m^^' u
Тбербый 1500 радобир у ^ еМш мл, ^m^^' u
о
о
£5
£5
fc
fc
/№
5ОТ
/№
5ОТ
^Р?Дрс^
^Р?Дрс^
рлстборй у
рлстборй у
ш
ш
ЖидкСапь+
ЖидкСапь+
1200
1200
Е
Е
1№
1№
110В
110В
ГУ
ГУ
Е* F
Е* F
N 15D0
N 15D0
^цёмй^тттГТ^Р^^
■1 реде^реи? (аустенит -* цеэдтншт)
^цёмй^тттГТ^Р^^
■1 реде^реи? (аустенит -* цеэдтншт)
тд/tfi/ т5е и7в-
рмтмДа^
Твердый растбор Y ^^усл?£нип?/1 .«™ (рустпЁнит)
тд/tfi/ т5е и7в-
рмтмДа^
Твердый растбор Y ^^усл?£нип?/1 .«™ (рустпЁнит)
1592 е
1592 е
9пс
9пс
Е’
Е’
I Лус?г?еойт* цементит
_ 1М№^«У*^йт?№
У у ^^№№*4^^
I Лус?г?еойт* цементит
_ 1М№^«У*^йт?№
У у ^^№№*4^^
75^6,77 рсстбер 1 ^гда^
75^6,77 рсстбер 1 ^гда^
№
М а—- , 755
№
М а—- , 755
Й^УЮ^^&У-
П?ЫП? *~—гАП {шретичшО)^
Й^УЮ^^&У-
П?ЫП? *~—гАП {шретичшО)^
?б
?б
о
о
4f^№' /^ЮеМММЧ
4f^№' /^ЮеМММЧ
^_L
^_L
р—1— (Й№т|
р—1— (Й№т|
" 3J£jP/M/rI^|J №У 1 ^Tf
" 3J£jP/M/rI^|J №У 1 ^Tf
О
О
4020
4020
и
и
Цгмемпнт (pfpSywb^f
Цгмемпнт (pfpSywb^f
Аг V
Аг V
Рис.
Рис.
40.
40.
в
1493
V
1493
н
1493
N
1392
С
1147
D
1600
Е
1147
S
727
Р
727
К
727
Q
20
в
1493
V
1493
н
1493
N
1392
С
1147
D
1600
Е
1147
S
727
Р
727
К
727
Q
20
HW | Пер^т™»^^ ^Ж™л цем&ип» jy | I ^нтуш) ]
JC 4 5506070 SO
HW | Пер^т™»^^ ^Ж™л цем&ип» jy | I ^нтуш) ]
JC 4 5506070 SO
Диаграмма
Диаграмма
состо я ния желсзоуглер од и сты х
состо я ния желсзоуглер од и сты х
z.
z.
№ 7С7»
№ 7С7»
SO ?0u^FedC
SO ?0u^FedC
сплавов:
сплавов:
1539Тсыпера ту ра
плавления железа
(0,5% С)
Состав жидко Л фазы при перитектической реакции
(0,18% С)
Состав аустенита при перитектической реакции
(0,1% С)
Состав феррита при перитектической реакции
о
Алло грэп и ч еск се л рс вра щен ив
(4.3% С)
Состав эвтектики (ледебурит)
(6,67% С)
Температура пл а влен и я цементита
(2,0% С)
Продельная растворимость углерода в
Fe^
(0,80% С)
Состав эвтектоида (перлит)
(0.025% С)
Предельная растворимость углерода 8 а- железе
(6.07% С)
Состав цементита
(0,01% С)
М и и ималь мая растворимос гь углерода а железе
1539Тсыпера ту ра
плавления железа
(0,5% С)
Состав жидко Л фазы при перитектической реакции
(0,18% С)
Состав аустенита при перитектической реакции
(0,1% С)
Состав феррита при перитектической реакции
о
Алло грэп и ч еск се л рс вра щен ив
(4.3% С)
Состав эвтектики (ледебурит)
(6,67% С)
Температура пл а влен и я цементита
(2,0% С)
Продельная растворимость углерода в
Fe^
(0,80% С)
Состав эвтектоида (перлит)
(0.025% С)
Предельная растворимость углерода 8 а- железе
(6.07% С)
Состав цементита
(0,01% С)
М и и ималь мая растворимос гь углерода а железе
нии ликвидуса (область Г) сплав находится в жидком состоянии и представляет собой однородную систему.
Линия АНJECF является линией солидуса. Сплавы, лежащие ниже этой линии, находятся в твердом состоянии. При температурах между линиями ликвидуса и солидуса происходит кристаллизация сплавов. В период кристаллизации одновременно существуют две фазы — жид-
кий сплав и кристаллы твердых растворов. Рассматривая линию ЛЕСЕ, можно отметить, что с увеличением содержания углерода в железе до 4,3% температура плавления сплава понижается, а с дальнейшим повышением содержания углерода (участок CD) температура плавления сплава увеличивается. На участке линии ликвидуса Л В \ выделяются кристаллы 6-раствора, состав которых определяется ли
нией АН. Состав жидкой фазы изменяется по линии АВ< Предельную растворимость углерода (ОД %) в Fe6 при температуре 1493сС показывает точка Н* На линии НJB при температуре 1493°С жидкость, содержащая 0,5% С (точка В), реагирует с ранее выпавшими кристаллами 6-раствора и образуют кристаллы нового вида. Реакцию подобного типа называют перитектической* В результате этой реакции образуются кристаллы аустенита, содержащего 0Д8%С (точка J),
По линии ВС при понижении температуры из расплава выпадают кристаллы аустенита переменного состава, в которых содержание углерода от 0,5 до 4,3% меньше, чем в жидкой фазе, из которой они выделяются. Изменение состава жидкой фазы с понижением температуры происходит по линии ВС> а выпавших кристаллов — по линии JE (линия солидуса). Если сплавы содержат до 2,0% С, то их кристаллизация заканчивается при температуре выше 1147°С Кристаллизация сплавов, содержащих 2—4,3%, заканчивается полностью по линии ЕС при температуре 1147° С, где жидкая фаза обогащается углеродом до 4,3%. Одновременно из расплава выпадают кристаллы аустенита, содержащие 2% С (точка £) и цементита, содержащего 6,67% С (точка Е). Механическая смесь кристаллов цементита и аустенита образует ледебурит (точка С).
Сплавы, лежащие правее точки С, т. е, содержащие от 4,3 до 6,67% С, кристаллизуются по линии CD. В начале кристаллизации из расплава выделяется первичный цементит* По мере выпадения из жидкого расплава первичного цементита содержание углерода в жидкой фазе уменьшается. При температуре 1147°С (линия СЕ) оставшийся расплав содержит 4,3% С и затвердевает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии СЕ) состоит из первичного цементита и ледебурита.
Сплавы, находящиеся влево от точки С (содержащие до 4,3% С), называют доэвтектическими, а сплавы, находящиеся вправо от точки С (содержащие более 4,3% С) — заэвтектическими. /Между линиями ликвидуса ABCD и солидуса AHJECF (области II и ///) железоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твердой фаз, причем с понижением температуры количество твердой фазы увеличивается.
Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита и ледебурита, структура эвтектического сплава из ледебурита и структура заэвтектических сплавов из первичного цементита и ледебурита.
Нижняя часть диаграммы системы железо—цементит. Ниже линии солидуса AHJECF в затвердевших сплавах при понижении температуры наблюдаются дальнейшие изменения их структуры, связанные с перекристаллизацией и твердом состоянии. Такие изменения называют вторичной кристаллизацией. С понижением температуры железо
переходит из одной модификации в другую (FeT-^Fea) и растворимость углерода в Fey и Fea заметно уменьшается.
Доэвтектические сплавы (до 2 % С) в области IV состоят из одного аустенита. При охлаждении сплавов, содержащих менее 0,8% С (левее | точки S), ниже линии GOS происходит распад аустенита с выделением ’ из него избыточного феррита. Так как феррит, выделяющийся при ox- ' лаждении аустенита по линии 60S, содержит не более 0,025% С (предельная растворимость углерода в Fea, точка Р^ аустенит несколько обогащается углеродом, изменяя состав по линии SE. Кристаллы феррита изменяют свой состав по линии COS, Такой процесс протекает до температуры 727°С. В этой точке при 0,8 %С аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цементита — перлит. Пользуясь- правилом отрезков по диаграмме состояния (см. рис. 40), можно определить соотношение феррита и цементита в перлите при 727° С
Оф/Qc = SK/PS = (6,67 — 0,8)70,8 « 7,
где Q — количество вещества.
Сплавы с содержанием 0,8% С называются эвтектоидными, менее 0,8%—доэвтектоидными и более 0,8% С — заэвтектоидными. При охлаждении сплавов, лежащих правее точки S и содержащих более 0,8% С, ниже линии SE происходит распад аустенита с выделением из него вторичного цементита. Так как выделяющийся вторичный цементит содержит 6,67% С, концентрация углерода в остающемся аустените изменяется по линии S£ до состава точки S (0,8% С) при 727° С.
Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области VIII состоят из аустенита и феррита, а в области IX — из феррита и перлита. За- эвтектоидные сплавы (0,8—2,0% С) в области V состоят из аустенита и вторичного цементита, а в области X — из вторичного цементита и перлита.
Сплавы, содержащие от 2,0 до 4,3% С, выше линии PSK^ но ниже линии ЕСЕ (область W) состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита.
По линии PSR и ниже в этих же сплавах (область X/) происходит превращение аустенита в перлит; структура сплава состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Сплавы, соответствующие эвтектической точке С, ниже линии PSK имеют структуру одного ледебурита.
Сплавы, содержащие 4,3—6,7% С, ниже линии CF, но выше линии PSK (область ViO состоят из первичного цементита и ледебурита; ниже линии PSK (область X//) сплавы сохраняют эту структуру.
В нижней левой части диаграммы линия PQ показывает уменьшение растворимости углерода в а-железе (феррите) с понижением температуры. Полинии PQ выделяется третичный цементит. Следовательно, сплавы между точками Р и Q состоят из феррита и третичного цементита.
Сплавы, находящиеся внутри области QPG, состоят только из феррита.
Микроструктура железоуглеродистых сплавов
После медленного охлаждения сталь с низким содержанием углерода (0,02%) состоит из одного феррита, который наблюдается под микроскопом в виде светлых зерен различной формы и размеров. С увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях появляется новая структурная составляющая— перлит в виде отдельных небольших темных зерен между светлыми зернами феррита, С увеличением концентрации углерода количество перлита пропорционально возрастает, а при содержании в стали 0,80% С структура состоит только из перлита. Обычно перлит имеет пластинчатое или зернистое глобулярное строение в зависимости от формы зерен цементита. В первом случае под микроскопом перлит наблюдается в виде светлых и темных полосок, а во втором — в виде мелких округлых зерен цементита, равномерно распределенных в феррите. Зернистый перлит можно получить из пластинчатого путем длительной выдержки при температуре около 700° С.
В заэвтектоидных сталях в ci руктуре перлита появляется новая фаза — вторичный цементит, который наблюдается обычно в виде светлой сетки между зернами перлита. С увеличением содержания углерода количество цементита в заэвтектоидной стали возрастает. При этом он остается в форме сетки.
Содержание углерода в стали можно определять с приемлемой точностью по структуре. В качестве примера возьмем сталь, содержащую около 25% перлита и 75% феррита; это легко определяется под микроскопом (на глаз) или по микрофотографии. Не учитывая углерод феррита, получаем, что 100% перлита содержат 0,8 % С; 25% перлита содержат Л' % С:
X = -—-—ь_ = 0,20% С.с 100
В заэвтектоидной стали, содержащей, к примеру, 90% перлита и 10% вторичного цементита, содержание углерода в образце также можно определить расчетом: 100% цементита содержат 6,67?6 С; 10% цементита содержат к % С
10-6,67 л есп» гх = L— = 0,66% С.юо
Диаграмма состояния системы железо — углерод позволяет связать внутреннее строение железоуглеродистых сплавов с их химическим составом и условиями охлаждения.
На рис. 41 приведены упрощенная диаграмма состояния системы железо —- углерод и микроструктуры сплавов различного состава после их затвердевания с умеренной скоростью охлаждения. На этом же рисунке показаны кривые охлаждения выбранных сплавов; масштаб температур диаграммы состояния и кривых охлаждения сплавов одинаков.
Охлаждение расплава Kj (рис. 41, о), содержащего 0,025% С, характеризуется отрезком /—2. Кристаллизация сплава начинается в
точке 2 и заканчивается в точке 3. От точки 2 до точки 3 из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита переменного состава, причем концентрация жидкости изменяется по линии ликвидуса, а концентрация твердой фазы — по линии солидуса. От точки 3 до точки 4 происходит охлаждение аустенита, от точки 4 до точки 5 — выделение
Рис. 4L Кривые охлаждения сплавов системы Fe — С (а) и микроструктура сплавов с различным содержанием углерода
из аустенита кристаллов феррита. На отрезке 5—6 охлаждается феррит. На отрезке 6—7 при охлаждении ниже температуры 727° С из феррита выделяется избыточный углерод в виде так называемого третичного цементита.
Затвердевший сплав имеет структуру феррита (светлые зерна различной величины и формы) и небольшое количество третичного цементита, располагающегося преимущественно по границам зерен феррита (рис. 41, б).
Охлаждение сплава Ks между точками /—4 протекает так же, как и сплава Кг От точки 4 до точки 5 из аустенита выделяется феррит. На линии 5—5' происходит эвтектоидное превращение, т. е. аустенит
превращается в перлит. От точки 5' до точки 6 из феррита выявляется третичный цементит. По мере увеличения содержания углерода вплоть до 0,8?^ на микрофотографиях шлифов доэвтектодных сгалей появляется перлит, который находится между светлыми зернами феррита (рис. 41, в). При увеличении концентрации углерода в стали коли- чество перлита пропорционально возрастает. На рис» 41, г показан микрошлиф стали, содержащий 0,8% С (пластинчатый перлит).
Охлаждение эвтектоидного сплава К^ содержащего розно 0,8% С, между точками /—4 аналогично предыдущему. По линии 4—4' при температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение. Охлаждение от точки 4* до точки 5 связано с выделением из феррита третичного цементита. На микрошлифе стали, содержащей 0,80% Сг в поле зрения микроскопа виден перлит.
Охлаждение заэвтектоидного сплава Л\ в первой фазе (между точками /—4) протекает аналогично охлаждению эвтектоидного сплава Хз* При дальнейшем охлаждении от точки 4 до точки 5 из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита. По линии 5—5' протекает эвтектоидное превращение (аустенит с 0,8 % С превращается в перлит того же состава), и от точки 5' до точки 6 из феррита выделяется третичный цементит.
Заэвтектоидные стали (рис. 41, 5), содержащие от 0,8% до 2% С, состоят из перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении вторичный цементит кристаллизуется по границам зерен аустенита, образуя твердую и хрупкую обол очку в виде сетки» Выделение вторичного цементита в виде сетки и цементита в виде пластинок нежелательно, так как сталь с такой структурой обладает повышенной хрупкостью. Поэтому стремятся получить цементит в виде зерен.
Доэвтектический сплав (X») охлаждается следующим образом: между точками 1—2 сплав находится в жидком состоянии. Между точками 2—3 выделяются кристаллы аустенита переменного состава. На отрезке 3—3' происходит эвтектическое превращение. От точки 3* до точки 4 из аустенита выделяется вторичный цементит. По линии 4—4* происходит эвтектоидное превращение и, наконец, между точками 4'—5 из феррита выделяется третичный цементит» На рис. 41,е приведена микроструктура доэвтектического сплава — чугуна, содержащего 3,5% С; на микрофотографии видны верлит, ледебурит и вторичный цементит,
Охлаждение эвтектического сплава Xfi1 содержащего 4.3% С, протекает так: между точками 1—2 сплав находится в жидком состоянии. Линия 2—2' соответствует эвтектическому превращению —- жидкий сплав затвердевает с образованием ледебурита» По линии 2*—5 из аустенита выделяется вторичный цементит. Участок 3—Зг соответствует эвтектоидному превращению, а по линии 3'—4 из феррита выделяется третичный цементит, Микроструктура чугуна эвтектического состава, показанная на рис. 41, ж, состоит из ледебурита, в котором темные составляющие — продукты распада аустенита (перлит), а светлые составляющие — цементит.
При охлаждении заэвтектического сплава /(7 в интервале точек 2—3 выделяются кристаллы первичного цементита, Линия 3—3'
отвечает эвтектическому превращению, по линии 3—4 из аустенита:, выделяются кристаллы вторичного цементита. Линия 4—4' — эвтек-' тоидное превращение в сплаве. Между точками 4Г и 5 выделяется третичный цементит.
В структуре заэвтект и четких чугунов также имеется ледебурит, но здесь он располагается между светлыми иглами первичного цементита, выпадающего из чугунного расплава nptd его затвердевании (рис* 41, з).
Влияние некоторых элементов на свойства стали и чугуна
Сталь. Химический состав изменяет не только структуру, но и свойства стали. Влияние углерода на структуру сплава подробно рассмотрено при изложении диаграммы состояния системы Fe—С, однако следует отметить, что с увеличением содержания углерода повышается твердость, прочность, но снижается пластичность. На механические свойства стали также влияет форма и размер частиц ферритоцементитиой смеси. Твердость и прочность тем выше, чем больше дисперсность частиц этой смеси. Если в стали содержится цементит зернистой формы, а не пластинчатый, то она имеет пластичность более высокую при одинаковой твердости. Содержание углерода оказывает влияние на технологические свойства; с увеличением содержания углерода в стали улучшается обработка резанием, повышается закаливаемость и чувствительность к старению, перегреву, охлаждению и одновременно ухудшается свариваемость. Большое влияние на свойства стали оказывают различные примеси, которые разделяют на постоянные или обычные, скрыше и случайные.
К постоянным примесям стали относятся Мп, Si, S и Р, а также газы (азот, водород, кислород), а к случайным — примеси, которые попадают с шихтовыми материалами (например, в рудах содержатся Си, As, Сг и др.). Иногда к стали специально добавляют серу и фосфор, так как они облегчают обработку резанием.
В общем случае сера, фосфор, кислород, водород и азот относятся к вредным примесям.
Сера ухудшает пластичность и вязкость и придает стали красноломкость, т. е, хрупкость при высоких температурах. Сера в железе не растворяется, а образует сернистое железо (FeS), которое с железом при 985D С создаст легкоплавкую эвтектику, располагающуюся в основном ио границам зерен. При нагреве выше 985° С эвтектика плавится, разобщая зерна стали. При горячей обработке такой стали давлением по границам зерен появляются трещины. Чем меньше в стали содержание серы, тем сталь качественнее.
Фосфор вызывает хладноломкость, проявляющуюся в склонности образовывать трещины при комнатной температуре и особенно при температурах ниже нуля. Одновременно фосфор ухудшает пластичность и вязкость. Фосфор растворяется в феррите и повышает прочность стали. Однако при содержании выше 0,1% Р хладоломкос^ь стали резко усиливается. Фосфор имеет большую склонность к ликвации при кристаллизации стали* Это приводит к образованию отдельных участ-
ков, богатых фосфором, при общем содержании его в стали менее 0,1 %. Высококачественные стали должны содержать не более 0,03% Р.
Марганец является раскислителем стали, нейтрализует вредное влияние серы. Он растворяется в феррите и цементите. При обычном содержании он повышает прочность стали.
г)г)Рис. 42* Микроструктура белых чугуновРис. 42* Микроструктура белых чугунов
г)
г)
Рис. 42* Микроструктура белых чугунов
Рис. 42* Микроструктура белых чугунов
Кремний при обычном содержании так же, как и марганец* повышает прочность стал и.
Чугун. Микроструктура чугуна зависит не только от химического состава, но и от скорости охлаждения при переходе из жидкого состояния в твердое. При сравнительно быстром охлаждении жидкого чугуна углерод может выделяться в форме цементита, который располагается отдельными включениями в основной металлической массе. Если в чугуне весь углерод находится в виде цементита, то чугун называют белым. Цвет излома такого чугуна белый, блестящий.
На рис. 42 показаны основные типы микроструктур белого чугуна с различным содержанием углерода.
В доэвтектических чугунах (рис. 42, а, б) цементит располагается между более темными зернами перлита (продукта распада аустенита). Форма их соответствует форме первоначальных выделений аустенита. Поэтому микроструктура белых чугунов сохраняет тот вид, который она имела бы при высокой температуре (между линиями ECF и PSZ( диаграммы состояния).
Микроструктура белого чугуна эвтектического состава представлена на рис, 42, в. Темные составляющие структуры ледебурита — продукты распада аустенита (перлит), а светлые — цементит.
Рис. 43. Микроструктуры серых чугунов
В структуре заэвтектических чугунов также имеется ледебурит, располагающийся между светлыми иглами первичного цементита (рис. 42, г).
При медленном охлаждении жидкого чугуна углерод выделяется из расплава в виде графита, распределяющегося внутри металлической массы в форме отдельных включений. Графит придает чугуну серый цвет в изломе. В связи с этим чугуны, в которых наблюдается вкрапление свободного графита, называют серыми. В серых чугунах графит может иметь форму тончайших прожилок или пластинок (чешуек), сфероидальных частичек и хлопьев. Графит уменьшает прочность металлической массы чугуна и снижает его сопротивление ударным нагрузкам.
Путем измельчения и более равномерного распределения графитовых включений в основной металлической массе можно существенно улучшить механические свойства серого чугуна. Процесс графитизации серого чугуна регулируют изменением скорости охлаждения и легированием металлической основы.
Установлено, что различные элементы, искусственно вводимые в состав чугуна при его выплавке, по-разному воздействуют на основную металлическую массу и степень графитизации чугуна. Например, кремний способствует выделению углерода в виде графита, чем и улучшает литейные свойства чугуна. Обычно в серых чугунах содержится 0,8-4,5 % Si.
Марганец, наоборот, препятствует выделению углерода в виде графите и способствует отбеливанию чугуна. Содержание в чугуне до 1,2% марганца полезно, так как он увеличивает прочность и твердость чугуна и частично обессеривает его. При более высоком содержании марганца чугун становится хрупким.
Фосфор повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому содержание его в небольших количествах (до 0,4%) допустимо. В ответственных чугунных отливках должно быть по возможности меньше фосфора (до 0,15%), так как он увеличивает хрупкость чугуна.
!Сера затрудняет выделение графита, увеличивает усадку и хрупкость чугуна, ухудшает его жидкотекучесть. Содержание в чугунах брлее 0,1% серы не допускается.
Рис. 44. Микроструктуры высокопрочных чугунов:
а —-на перлитной; б — феррите-перлитной; у — ферритной основе
Микроструктуры серых чугунов различного химического состава показаны на рис* 43.
В зависимости от формы углерода и природы металлической основы различают следующие типы серых чугунов:
ферритные, в которых весь углерод находится в виде графита* Структура таких чугунов (рис. 43, а) —феррит (светлые зерна) и графит (темные прожилки);
ф е р р и т о - п е р л и т и ы е, в которых часть углерода находится в связанном состоянии» т. е. в виде Fe3C, входящего в состав перлита, Структура чугунов (рис. 43, б) — пластинчатый перлит и феррит (светлые зерна) и графит (черные пластинки);
перл и т н ы е; структура чугунов (рис. 43, в) — пластинчатый перлит и графит (черные пластинки);
перлито-цементитные (половинчатые), в которых внешние слои имеют строение белого чугуна, а сердцевина — серого чугуна. Структура половинчатого чугуна (рис. 43, г) — перлит и цементит (светлые иглы и прожилки) и графит (черные пластинки)*
К группе серых чугунов относят модифицированные, высокопрочные и ковкие чугуны.
Для получения высокопрочного качественного чугуна в жидкий металл вводят небольшое количество специальных присадок (модм-
фикаторов). Они изменяют структуру металлической основы чугуна, почти не изменяя химического состава, и увеличивают его прочность. В качестве модификаторов обычно применяют магний и ферросилиций, а иногда одновременно и то и другое. Кроме того, в качестве модификаторов сейчас применяют и другие материалы.
На рис. 44 показаны микроструктуры высокопрочного чугуна после модифицирования магнием и ферросилицием. В чугуне образуется сфероидальный графит и происходит разложение цементита»
Следует отметить еще один способ графитизации чугуна. Белый чугун подвергают длительному отжигу (томлению) при 900—1000° С. В результате цементит разлагается и образуется углерод отжига. Полученный чугун называют ковким. От серого чугуна он отличается формой выделений графита в виде отдельных зерен или хлопьев. Структура основной металлической массы ковкого и серого чугунов одинакова (может быть ферритной или перлитной). Соответственно ковкие чугуны разделяют на перлитные (рис. 45, с) и ферритные (рис. 45, б).
Рис. 45. Микроструктуры кои к их чугунов:
£1 — перлитного (структура — перлит и углерод отжига); б — ферритного (структура феррит и учлерод с га ига)
Согласно ГОСТу существует 11 марок серого чугуна: СЧ-00, СЧ- 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36 и др. Марки расшифровывают следующим образом: буквы СЧ означают серый чугун, две первые цифры— предел прочности при растяжении, вторые — при изгибе.
ГОСТ предусматривает девять марок чугунов, обладающих более высокими прочностными свойствами: ВЧ50-2Д ВЧ60-2, ВЧ45-5, В442-12 и др. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, две первые цифры — предел прочности при растяжении, вторые — относительное удлинение.
Марки ковкого чугуна: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2. Буквы КЧ означают 'ровкий чу- гун, две первые цифры — предел прочности при растяжении, вторая, цифра — относительное удлинение.
Глава X
ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
§ 1. Превращения в стали при нагревании
Структура железоуглеродистых сплавов при комнатной темпера* туре зависит от их химического состава и скорости охлаждения ниже линий GOS и SE (см. рис. 40), В результате медленного охлаждения доэвтектоидные стали приобретают структуру феррита и перлита» эвтектоидные — одного перлита и заэвтектоидные — перлита и вторичного цементита. Если любую из этих сталей нагревать, она будет испытывать структурные превращения. Температурные точки, при которых происходят такие превращения в твердом состоянии, принято назы в ать к ритическими *
Критические точки обусловливающие превращения в стали на линии PSK, обозначают соответственно Л^ и Дг,; на линии ДЮ — Л. и Лг; на линии GOS — ЛСя и Л, ■ на линии HJB — ЛГа и Лг- и на линии SE — Лгт.
Рассмотрим превращения, происходящие в стали с различным содержанием углерода при ее нагреве от комнатной до температур выше критических точек. При нагреве доэвтектоидной стали до температурной области между критическими точками ЛГ1 и Лс, сталь будет состоять из феррита и аустенита, При дальнейшем нагреве (выше точки ДГк) структура этой стали станет чисто аустенитной* Ниже точки Л,, (727°С) доэвтектоидиая сталь состоит из феррита и перлита; нагрев выше этой точки приводит к превращению перлита в аустенит.
При очень медленном нагреве перлит превращается в аустенит при постоянной температуре (727° С). При повышении скорости нагрева превращение перлита в аустенит происходит уже в некотором интервале температур» несколько выше 727° С, Чем выше температура нагрева, тем быстрее перлит превращается в аустенит*
Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8% углерода, при нагреве до температуры 727°С также состоит из перлита; при этой температуре весь перлит превращается в аустенит*
Заэвтектоидные стали, содержащие от 0,8 до 2% углерода, при нагреве до температуры первой критической точки имеют структуру» состоящую из перлита и вторичного цементита. При дальнейшем нагреве перлит превращается в аустенит. Таким образом, в темпера* турной области между точками Л^ и А,т заэвтектоидные стали имеют структуру аустенита и вторичного цементита*
Рост зерен аустенита происходит за счет превращения феррита. Растворение цементита протекает медленнее» чем превращение феррита. Это приводит к тому, что некоторое время будут одновременно существовать две фазы — аустенит и цементит. При увеличении вре- м^ни выдержки цементит полностью растворится в аустените; однако писледний будет неоднородным по содержанию в нем углерода* Для выравнивания состава аустенита во всем объеме требуется дополни-
тельное время» При нагреве заэвтектоидной стали выше точки Лm (т. е, линии SE) имеющийся в пей свободный цементит до конца растворится в аустените и структура станет однородной.
Различают три характерных величины зерна: начальное» действительное и природное. Под начальным (исходным) зерном понимают зерно, полученное в момент полного превращения перлита в аустенит. Однако образовавшиеся сначала мелкие зерна аустенита неустойчивы и растут в зависимости от температуры нагрева и времени выдержки.
Действительное зерно — это зерно, получаемое после термической обработки. Конечные свойства стали в значительной мере определяются величиной действительных зерен. Их размеры зависят от температуры и времени выдержки в надкритической области и от содержания углерода в стали. Величина исходного зерна аустенита часто влияет решающим образом на размер действительных зерен и тем самым на механические свойства стали после ее закалки. Ответственные стальные детали должны иметь мелкозернистое строение.
Наследственным (природным) зерном называют зерно, полученное в результате специального испытания — нагрева стали до температуры 930—950° С с последующим быстрым охлаждением, фиксирующим полученную при этой обработке величину зерна аустенита.
В целях желательного изменения структуры и получения более высоких или специально заданных свойств изделия из металлов и сплавов подвергают термической (т. е . тепловой) обработке» Такая обработка заключается в изменении структуры сплава путем его предварительного нагрева до заранее определенных температур, некоторой выдержке при этих температурах и последующего охлаждения по заданному режиму. На практике применяют следующие основные виды термической обработки металлов и сплавов: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск.
А. А. Бочвар предложил различать пять типовых групп термической обработки.
Первая группа (отжиг первого рода или низкий отжиг) характеризуется отсутствием в сплавах фазовых превращений. Температура нагрева для отжига (рекристаллизации) Т = 0,6—0,8 К, где К — абсолютная (термодинамическая) температура плавления сплавов. Этот отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, уменьшения твердости и повышения пластичности, в частности после холодной обработки давлением.
Вторая группа (отжиг второго рода), или полный отжиг с фазовой перекристаллизацией, а также нормализация, характеризуется фазовыми превращениями, происходящими в сплавах. Температура нагрева сплавов для такого отжига выше температуры фазовых превращений. Охлаждение ведется медленно (в случае нормализации — на воздухе). Отжиг применяют для получения мелкозернистой структуры литой стали, полного снятия внутренних напряжений, смягчения, сфероидизации, улучшения структуры после обработки давлением И т. д.
Третья группа термической обработки — закалка — характеризу- зуется нагревом сплавов выше температуры фазовых превращений 108
и быстрым охлаждением. В результате при комнатной температуре фиксируются промежуточные стадии структурного превращения стали. Структуры, полученные после закалки, находятся в неравновесном состоянии. После закалки прочностные свойства сплавов повышаются.
Четвертая группа — отпуск — характеризуется нагревом сплавов ниже температур фазовых превращений с целью приближения их к устойчивому равновесному состоянию. Отпуск применяют, как правило, после закалки. Он увеличивает пластичность и вязкость сплава, но снижает твердость и прочность.
Пятая группа ■— химико-термическая обработка— характерна тем, что сплавы обрабатывают в средах, которые взаимодействуют с ними и насыщают их на определенную глубину, изменяя состав и свойства поверхностного слоя.
Все металлы и сплавы можно подвергать термической обработке первой, четвертой и частично пятой группы; обработка по остальным группам применима только к металлам и сплавам, которые имеют аллотропические и фазовые превращения.
Шире других видов термической обработки применяют отжиг, нормализацию, закалку и отпуск стали.
§ 2, Превращение аустенита при охлаждении
Превращение аустеиита,т, е. его распад, может протекать как при непрерывном охлаждении стали значительно ниже точки /Ц , так и при выдержке ее в условиях постоянной температуры, лежащей ниже точки Лг, (и зсте р м и чс с к ое превращение аустенита).
Изотермическое превращение аустенита хороню изучено экспериментально. Существует несколько методов построения диаграмм изотермического превращения аустенита. Сущность любого из них заключается в следующем. Для получения устойчивого аустенита образцы небольших размеров нагревают в печи до температуры выше критической точки ДГ1 и затем быстро переносят в печь с заданной температурой изотермической выдержки (700°, 600°, 500°С), где и выдерживают до полного распада аустенита. Степень распада аустенита определяют магнитным, дилатометрическим, микроскопическим и другими методами.
Опыты показывают, что изотермическое превращение аустенита при любой выбранной температуре начинается не сразу, а через некоторое время, которое называют инкубационным промежутком. На рис. 46 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (0,8% С). По оси абсцисс откладывается время в логарифмическом масштабе; по оси ординат слева — температура выдержки аустенита, справа — твердость металла по Роквеллу. При 700°С сталь сначала некоторое время сохраняет аустенитную структуру, затем в точке ан начинается распад аустенита, заканчивающийся в точке ак. При 600°С аустенит начинает распадаться в точке 6Н, конец превращения — в точке 6К. При 400° С эти процессы соответ ст-
венио развиваются и в точках Си и Ск. Соединив все точки начала и конца процесса распада аустенита, можно получить кривые / и 2. По кривой / начинается распад аустенита, по кривой 2 он завершается. Выше пунктирной линии Д^ при охлаждении аустенит устойчив. Область, лежащая левее кривой /, соответствует переохлажденному аустениту (Д')* область правее кривой 2 соответствует полному распаду аустенита и а феррит Ф и цементит Ц; между этими кривыми существует область частичного распадавенио развиваются и в точках Си и Ск. Соединив все точки начала и конца процесса распада аустенита, можно получить кривые / и 2. По кривой / начинается распад аустенита, по кривой 2 он завершается. Выше пунктирной линии Д^ при охлаждении аустенит устойчив. Область, лежащая левее кривой /, соответствует переохлажденному аустениту (Д')* область правее кривой 2 соответствует полному распаду аустенита и а феррит Ф и цементит Ц; между этими кривыми существует область частичного распадааустенита.Линия ЛГ| означает равновесную температуру превращения аустенита в перлит.В верхнем интервале температур, т, е. ниже равновесной А Гл иаустенита.Линия ЛГ| означает равновесную температуру превращения аустенита в перлит.В верхнем интервале температур, т, е. ниже равновесной А Гл иЖЖHRCHRC700700600600500500&&ч W Чg1^ -|8?№ Чч W Чg1^ -|8?№ Чс.с.^Z4/H^Z4/H^/й?^/й?Г^7/,^УГД«7 * руС/ЛС^/Т?Г^7/,^УГД«7 * руС/ЛС^/Т?ОО-/00-/0020° у20° у\Жрл>№С«О?\Жрл>№С«О?^^Одапт— Гр лпкпйкн ™^^Одапт— Гр лпкпйкн ™накаляйнакаляй^^45450,5/70№0 7000 70000 /00005бремя, с0,5/70№0 7000 70000 /00005бремя, сРис. 4G. Диаграмма изотерм ическо-го превращения аустенита в эвтек-тоидной сталиРис. 4G. Диаграмма изотерм ическо-го превращения аустенита в эвтек-тоидной сталио)о)гИгедьедтый—тресту®.— 55гИгедьедтый—тресту®.— 55б)б)Рис, 47. Структуры стали, получаемыепри различных скоростях охлаждения:я — исходный аустенит; б — сорбит; в — тро-остит; а — игольчатый мартенситРис, 47. Структуры стали, получаемыепри различных скоростях охлаждения:я — исходный аустенит; б — сорбит; в — тро-остит; а — игольчатый мартенсит
венио развиваются и в точках Си и Ск. Соединив все точки начала и конца процесса распада аустенита, можно получить кривые / и 2. По кривой / начинается распад аустенита, по кривой 2 он завершается. Выше пунктирной линии Д^ при охлаждении аустенит устойчив. Область, лежащая левее кривой /, соответствует переохлажденному аустениту (Д')* область правее кривой 2 соответствует полному распаду аустенита и а феррит Ф и цементит Ц; между этими кривыми существует область частичного распада
венио развиваются и в точках Си и Ск. Соединив все точки начала и конца процесса распада аустенита, можно получить кривые / и 2. По кривой / начинается распад аустенита, по кривой 2 он завершается. Выше пунктирной линии Д^ при охлаждении аустенит устойчив. Область, лежащая левее кривой /, соответствует переохлажденному аустениту (Д')* область правее кривой 2 соответствует полному распаду аустенита и а феррит Ф и цементит Ц; между этими кривыми существует область частичного распада
аустенита.
Линия ЛГ| означает равновесную температуру превращения аустенита в перлит.
В верхнем интервале температур, т, е. ниже равновесной А Гл и
аустенита.
Линия ЛГ| означает равновесную температуру превращения аустенита в перлит.
В верхнем интервале температур, т, е. ниже равновесной А Гл и
Ж
Ж
HRC
HRC
700
700
600
600
500
500
&
&
ч W Ч
g1^ -|
8?№ Ч
ч W Ч
g1^ -|
8?№ Ч
с.
с.
^Z4/H
^Z4/H
^/й?
^/й?
Г^7/,^УГД«7 * руС/ЛС^/Т?
Г^7/,^УГД«7 * руС/ЛС^/Т?
О
О
-/00
-/00
20° у
20° у
\Жрл>№С«О?
\Жрл>№С«О?
^^Одапт— Гр лпкпйкн ™
^^Одапт— Гр лпкпйкн ™
накаляй
накаляй
^
^
45
45
0,5/70№0 7000 70000 /00005
бремя, с
0,5/70№0 7000 70000 /00005
бремя, с
Рис. 4G. Диаграмма изотерм ическо-го превращения аустенита в эвтек-тоидной стали
Рис. 4G. Диаграмма изотерм ическо-го превращения аустенита в эвтек-тоидной стали
о)
о)
г
Игедьедтый
—тресту®.— 55
г
Игедьедтый
—тресту®.— 55
б)
б)
Рис, 47. Структуры стали, получаемыепри различных скоростях охлаждения:я — исходный аустенит; б — сорбит; в — тро-остит; а — игольчатый мартенсит
Рис, 47. Структуры стали, получаемыепри различных скоростях охлаждения:я — исходный аустенит; б — сорбит; в — тро-остит; а — игольчатый мартенсит
до температуры минимальной устойчивости аустенита (для углеродистых сталей ^550°С), аустенит распадается на ферритоцементитную смесь, имеющую пластинчатое строение и отличающуюся только степенью дисперсности частиц ферритонементитной смеси.
При медленном охлаждении аустенит (рис. 47, я) превращается в перлит. При средних степенях переохлаждения аустенита (600— 650сС) получают структуру мелкодисперсного перлита, иначе называемого сорбитом (рис. 47, б). При быстром охлаждении аустенита до района температур минимальной устойчивости аустенита (500— 600°С) получаю! структуру троостита, представляющую собой вы- сокодиспсрсную ферритоцементитную смесь (рис. 47, в).
При переохлаждении аустенита (до 550—240°С) он распадается на ферритоцемептитную смесь, имеющую игольчатое строение — игольчатый троостит. Причем дисперсность этой ферритоцементит- ной смеси также зависит от степени переохлаждения аустенита: чем больше эта степень, тем дисперсией смесь. Таким образом, сорбит и троостит являются смесью феррита и цементита, но в отличие от перлита имеют переменный химический состав и более дисперсную структуру. Свойства стали зависят от степени дисперсности ферритоцемен- титной смеси: чем она больше, тем выше прочность (твердость, прочность на разрыв и т. д.) и хуже характеристики пластичности (относительное удлинение, сужение, ударная вязкость).
С понижением температуры эвтектоидной стали ниже 240°С (Мн па рис. 46) диффузионные процессы резко ослабляются и, наконец, при температурах ниже —50°С (Мк, рис. 46) практически полностью прекращаются. Это приводит к тому, что из аустенита перестает выделяться углерод в виде цементита, а весь он сохраняется в твердом растворе. В то же время кристаллическая решетка перестраивается из гранецентрированной Fev в объемноцентрированную Fea. Образовавшаяся новая структура представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе и называется мартенситом (рис. 47,г).
Из всех продуктов распада аустенита (кроме цементита) мартенсит обладает максимальной твердостью и минимальной пластичностью. Превращение аустенита в мартенсит в отличие от превращения аустенита в ферритоцементитную смесь носит бездиффузионный характер и протекает только в интервале температур между началом Л1Н и концом Л4К мартенситных превращений и никогда не идет до конца. В закаленной стали, кроме мартенсита, всегда присутствует небольшое количество остаточного аустенита. Количество остаточного аустенита зависит от содержания углерода в аустените, а также от скорости охлаждения в температурной области ниже начала мартенситных превращений.
Структура мартенсита игольчатая. Иглы мартенсита, как правило, расположены относительно друг друга под углом 60 или 120° и характеризуют те плоскости, по которым произошли сдвиги в кристаллической решетке. Скорость образования мартенситных игл огромна. Кристаллы растут быстро до определенного размера, затем их рост прекращается. Новые кристаллы растут в других направлениях. Размер первых игл мартенсита определяется размером исходного зерна аустенита.
Таким образом, чем больше скорость охлаждения аустенита, тем больше интервал температур, в котором происходит его распад, и тем дисперенсе получается ферритоцементитная смесь. По диаграмме изотермического распада аустенита можно установить, каким образом и с какой скоростью нужно охлаждать данную сталь, чтобы получить нужное строение, а следовательно, и свойства стали.
Рассмотрим теперь структурные превращения, протекающие в сталях разного состава при их непрерывном охлаждении с различной скоростью от области высоких (> ЛГ|) до обычных температур. Полу-
чаемые структуры во многом сходны с теми, которые фиксируются при изотермическом охлаждении.
Как уже отмечалось, при медленном охлаждении нагретого метал* ла ниже 727°С (температура линии PSK) начнется распад аустенита с образованием механической смеси феррита и цементита, т. е- перлита (рис- 47, а)* Увеличение скорости охлаждения стали, соответствующее увеличению степени переохлаждения аустенита, приводит к образованию структуры мелкодисперсного перлита — сорбита (рис. 47, б). Если сталь охладить еще быстрее, появляется более тон- кая структура распада аустенита — троостит (рис. 47, в). Наконец, можно выбрать настолько большую скорость охлаждения, что распад аустенита до троостита или сорбита не успеет произойти. Тогда аустенит превратится в новую структуру игольчатой формы — мартенсит (рис. 47, г).
Стало быть, при непрерывном охлаждении аустенит также распадается, образуя ферритоцементитную смесь той или иной степени измельчения. Опыт показывает, что чем больше скорость охлаждения аустенита, тем больше интервал температур, в котором происходит распад последнего, и тем дисперснее получается ферритоцементитная смесь. При охлаждении аустенита с очень большой скоростью весь аустенит переохлаждается и превращается в мартенсит, т. е. происходит закалка стали, которая заключается в фиксации при более низкой температуре состояния, свойственного более высокой температуре.
На основании всего этого были разработаны режимы закалки стали. Минимальная скорость охлаждения, при которой происходит превращение переохлажденного аустенита в мартенсит, называется критической скоростью закалки vK, Она зависит от устойчивости переохлаждения аустенита и тем меньше, чем больше эта устойчивость.
Превращения при отпуске закаленной стали
Структура закаленной стали (мартенсит и остаточный аустенит) неустойчива; при нагревании она будет стремиться перейти в более устойчивое состояние (ферритоцементитную смесь). Нагрев закаленной стали до температур, лежащих ниже точки ЛГ1 , с последующим охлаждением (большей частью на воздухе), при котором происходит изменение свойств и, иногда, структуры закаленной стали, называют отпуском стали.
Превращения при отпуске протекают в очень малых объемах (внутри мартенситных игл или троостита); обычным микроструктурным анализом нельзя выявить структурных изменений, происходящих до температур отпуска порядка 550°С. При обычном рассмотрении под микроскопом (увеличение 500—600 раз) структуру троостита и сорбита отпуска трудно отличить от структуры мартенсита, так как эти структуры сохраняют мартенситную ориентировку; только при увеличении больше чем в 1000 раз отчетливо видно строение сорбита. При нагреве металла выше 550°С мартенситная ориентировка пропадает
§ 4* Старение стали
Сплавы, претерпевающие фазовые превращения, можно упрочнять путем закалки с последующим старением,
Старением называют переход метастабильной структуры к несколько более устойчивому состоянию. Этот процесс сопровождается изменением физических и механических свойств сплава. Различают два типа старения: естественное, протекающее при комнатной температуре, и искусственное, протекающее при более высокой температуре,
В зависимости от первоначальной структуры различают следую-' щие виды старения.
Старение закаленной на мартенс ит ста л и. Структура закаленной стали неустойчива; даже при комнатной температуре у закаленной на мартенсит стали можно наблюдать изменение магнитных свойств и размеров детали с течением времени, что указывает на происходящие структурные изменения в металле.
Для получения устойчивых размеров, магнитных и других физических свойств многие детали (например, концевые калибры и постоянные магниты) после закалки подвергают искусственному старению например, кипячению в воде при 100° С в течение 8—12 ч,т,е. нагреву, выдержке, и охлаждению, изменяющим структуру и свойства закаленного сплава.
При старении (дисперсионном твердении) быстро охлажденной малоуглеродистой стали от температуры 650—700° С получают структуру пересыщенного твердого раствора—феррита. Такой твердый раствор неустойчив. В результате длительных выдержек при комнатной температуре или более коротких при 150—200° С из феррита выделяются некоторые избыточные упрочняющие фазы (третичный цементит, оксиды, нитриды и др,), что приводит, как правило, к увеличению прочности и твердости и снижению пластичности и особенно ударной вязкости стали.
Старение наклепанной стали. Холодная пластическая деформация в ряде случаев предопределяет и ускоряет процессы старения, В процессе холодной пластической деформации кристаллическая решетка твердого раствора искажается, в зернах появляются плоскости скольжения, увеличивается количество дефектов кристаллической решетки. Такая деформация ведет к увеличению твердости, предела прочности и предела текучести и к снижению пластичности и ударной вязкости стали.
Состояние стали после холодной пластической деформации (наклепа) является метастабильным. Старение наклепанной стали ведет к снижению пластических свойств и повышению предела упругости.
Причиной падения ударной вязкости (повышения хрупкости) при старении является процесс дисперсионного твердения, т, е. выделения в дисперсном виде третичного цементита, нитридов и оксидов из феррита.
Глава XI
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
В заводской практике различают предварительную термическую обработку стали с целью подготовки структуры к последующим технологическим операциям (пластическая деформация, резание, окончательная термическая обработка и т. п.) и конечную термическую обработку, сообщающую стали нужную структуру и заданные свойства.
Рассмотрим основные процессы термической обработки.
§ L Отжиг и нормализация стали
Отжиг имеет цель — улучшение структуры и свойств стали, подготовку ее структуры к окончательной термической обработке, смягчение стали для облегчения механической или пластической обработки и другие задачи. Согласно классификации Л. А. Бочва- ра отжиг бывает первого и второго рода. Отжиг первого рода (нагрев ниже температур фазовых превращений) применяют для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной или полугорячей обработки давлением. Пр и отжиге второго рода сталь нагревают до температур выше фазовых превращений, выдерживают при этих температурах (чтобы успели произойти фазовые превращения) и в последующем медленно охлаждают (обычно вместе с печью). В процессе ох л аждеп и я аустен ит превр а- щается в ферритоцементит- ную смесь — перлит, выделяя избыточные фазы. Скорость ох л аждеп ияуглеродисты х
сталей 50—100 град/ч, мало- легированных сталей — 30— 50 град/ч. После отжига доэв- тсктоидные стали получают структуру перлита и феррита; эвтектоидные — перлита, заэвтектоидпые — перлита и цементита (вторичного). На рис» 48 приведены различные виды отжига и отпуска.
Диффузионный отжиг, или гомогенизация, заключается в нагреве стали до температур близких, ио не выше линии солидус, длительной выдержке при этой температуре (10—15 ч) и последующем медленном охлаждении: до 600° С вместе с печью, затем на воздухе.
I §. 1200 г ^и^узионнми отжиг
§1
Нормализация
Отжиг
1100 -
1000
Р121°
С С О О D о// о о о О а *’
700
600
500
^00
500
wyzzzz
Отжиг на зернистый перлит ^ Еысокай отпуск
Средний отпуск
310с
800
13
100
ZOO
#U3KUU отпуск
0,50,85 1,0
Рис.
48. Диаграмма температурного
режима для различных видон отжигаи отпуска стали
Этот вид отжига применяют для уст ранения неоднородности структуры и химического состава (в частности, литой структуры)- После диффузионного отжига получается крупнозернистая, но однородная структура. Для измельчения зерна после диффузионного отжига производят однократный или многократный отпуск, а иногда нормализацию (см. ниже).
Полный о т ж и г заключается в нагреве стали до температуры, превышающей на 20—50° С критическую точку А8, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При обычном отжиге стальные детали охлаждают медленно со скоростью 50—100° в час до 500° С, а затем на воздухе.
К заэвтектоидпым сталям полный отжиг не применяют, так как при медленном охлаждении этих сталей от температуры Лст вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки, и сталь приобретает повышенную хрупкость.
Изотермический отжиг состоит из двух ступеней. Сначала сталь нагревают и выдерживают при температуре на 50—100° выше верхней критической точки ЛС1 , затем быстро охлаждают до температуры, лежащей на 50—100° С ниже точки ЛГ1 , и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на перлит, а затем охлаждают на воздухе. Изотермический отжиг требует гораздо меньше времени, чем обычный. После полного отжига снижается твердость, повышается пластичность и вязкость, улучшается обрабатываемость резанием. Структура стали подготовлена к конечной термической обработке (если таковая потребуется).
Неполный о т ж и г. При неполном отжиге сталь нагревают выше критической точки ЛГ1, но ниже Л^ с последующим медленным охлаждением. В этом случае происходит только частичная перекрис- таллизаци я стру кту рных состав л яющн х стал и - В доэвтектоидны х сталях перекристаллизации подвергается только перлит, избыточный феррит остается без изменения. В эвтектоидной и заэвтектоидных сталях вторичный цементит частично переходит в аустенит. Неполному отжигу подвергают стали, не требующие исправления структуры, т, е. измельчения зерен.
При неполном отжиге снимаются внутренние напряжения, снижается твердость, повышается пластичность и вязкость, улучшается обрабатываемость резаннем,
Сфероидизирующий отжиг применяют для эвтектоидной и заэвтектоидной стали, т- е. в основном для инструментальной. Цель такого отжига — замена в стали пластинчатого цементита зернистым. Провесе заключается в многократном повторении цикла медленного нагрева и охлаждения стали, имеющей структуру пластинчатого перлита, в области температур немного выше и несколько ниже критической точки Лп . Невысокая температура нагрева стали позволяет сохранить большое число центров кристаллизации, способствующих образованию в перлите зернистого цементита. Сфероидизацию называют также отжигом на зернистый перл из. Такой отжиг снижает твердость, повышает вязкость, улучшает обрабатываемость резанием.
Отжиг на крупное зерно производят для улучшения обработки резанием феррито-перлитных сталей. Такие стали нагревают значительно выше критической точки ЛГя и очень медленно охлаждают в интервале критических температур, т* е. до точки ЛГ1; ниже можно охлаждать с любой скоростью.
Светлый о т ж и г. За последние годы начали применять отжиг в печах с защитной атмосферой или с применением вакуума. Стальные детали после такого отжига имеют светлую и чистую поверхность (без окалины).
Рекристаллизационный отжиг применяют после холодной пластической деформации (прокатки, волочения, холодной штамповки и т. д.) Низкоуглеродистые стали нагревают до температуры 600—700° С. После такого отжига вытянутые в результате деформации зерна становятся равнооссными, снимается наклеп, понижается прочность и твердость, увеличивается пластичность и вязкость.
Дефекты отжига. Нагрев металла при отжиге до высоких температурили излишне длительная выдержка сопровождается получением крупнозернистой структуры и называется перегревом. Перегрев стали может быть исправлен вторичным ее отжигом при соответствующем температурном режиме.
Если температура нагрева при отжиге приблизится к температуре линии солидуса, то может произойти пережог стали, сопровождающийся окислением металла по границам зерен. Пережог стали исправить нельзя.
Нормализацию стали применяют для устранения внутренних напряжений, уменьшения твердости и получения мелкозернистой однородной структуры. Твердость и прочность стали получаются при этом несколько выше, чем после отжига.
Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30—50° С выше точки Л€а, а эвтектоидной и заэвтектоидной — выше точки ЛГ1, непродолжительной выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе. Структура стали после нормализации будет такой же, как и после отжига, некоторые высоколегированные стали после нормализации приобретают структуру закалки. Доэвтектоидные стали после нормализации состоят из феррита и перлита, а у заэвтектоидных устраняется цементитная сетка и образуется мелкая ферритонементитная смесь (сорбит).
Для некоторых сталей нормализация является окончательной термической обработкой, т. е. они получают хорошее сочетание пластичности и прочности.
Нормализация — экономичный вид термической обработки, нашедший широкое применение в заводской практике.
§ 2, Закалка и отпуск стали
Для повышения механической прочности и твердости и сохранения достаточной вязкости стали пользуются термической обработкой, состоящей из двух процессов: закалки и отпуска. Закалка и отпуск — основной вид окончательной термической обработки, придающий де*
% С% СРис. 49. Температурный интервал нагрева углеродистых сталей для закалкиРис. 49. Температурный интервал нагрева углеродистых сталей для закалкиталям и конструкциям необходимые эксплуатационные свойства.
% С
% С
Рис. 49. Температурный интервал нагрева углеродистых сталей для закалки
Рис. 49. Температурный интервал нагрева углеродистых сталей для закалки
Конструкционные стали после закалки и отпуска приобретают повышенную твердость, высокую прочность и вязкость» Инструментальные стали получают высокую твердость и износоустойчивость при достаточной вязкости.
Закалка заключается в нагреве стали на 30—50° С выше температур фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. Температура нагрева зависит от содержания в стали углерода (рис. 49). Вследствие высокой скорости охлаждения сталь приобретает структуры, отличные от равновесны х, соответствующих диаграмме состояния системы железо — углерод. Полученные при быстром охлаждении стали структуры на- зы ваютметастабил ьными.
Они представляют различные стадии превращения аустенита (мартенсит, троостит, сорбит).
Доэвтектои дные стали, применяющиеся в основном в качестве конструкционных материалов в строительстве и машиностроен ин, на гревают под закалку на 30—50° С выше точки ДСа, в результате чего перлит и избыточный феррит образуют однородный твердый раствор — аустенит. Последний при охлаждении со скоростью больше критической превращается в мелкоигольчатый мартенсит при небольшом количестве остаточного аустенита. Данный способ называется полной закалкой; после правильно проведенного отпуска он приводит к получению необходимой структуры стали с хорошими механическими свойствами.
Если перед закалкой нагреть доэвтектоидную сталь до температуры, лежащей в интервале критических точек ЛА —ЛГз , то произойдет лишь частичная перекристаллизация стали; останется некоторое количество феррита, который в процессе закалки не претерпит изменений и тем самым снизит твердость стали. Такую закалку доэвтекто- идной стали называют неполной и ее применяют крайне редко; в общем случае она не позволяет получить максимально возможные прочностные свойства.
Эвтектоидные и заэвтектоидиые стали нагревают перед закалкой на 30—50° выше точки ЛС1 , выдерживают при данной температуре и затем охлаждают со скоростью больше критической. Для этих сталей применяют неполную закалку. В структуре эвтектоидной стали после
такой закалки будут мартенсит и остаточный аустенит, а в заэвтекто- идиой стали — мартенсит, вторичный цементит и остаточный аусте- нит- Из заэвтсктоидны х сталей в основном изготовляют инструмент, от которого требуется высокая твердое! ь и износоустойчивость, и присутствие вторичного цементита в виде мелких равномерно расположенных зернышек даже желательно.
Технология з а к а л к и стал и включает в себя две операции: нагрев и быстрое охлаждение- Правильное их проведение обеспечивает получение необходимой структуры, а следовательно, и физико-механических свойств стали.
Большое значение имеют способ нагрева, время выдержки в печи и расположение деталей при нагреве.
Стальные изделия для термической обработки, в частности для закалки, можно нагревать в ПгШменных печах (нефтяных, газовых), где металл непосредственно соприкасается с пламенем; в муфельных печах, где металлические изделия помещают в камеры, обогреваемые снаружи пламенем или электрическим током; в ваннах, где металлические изделия погружают в расплавленные соли или свинец» Изделия нужно нагревать постепенно и равномерно, чтобы предотвратить возникновение в металле внутренних напряжений. Однако слишком медленный нагрев снижает производительность печей и в ряде случаев сопровождается обезуглероживанием и окислением поверхности стали. Существенно также правильно размещать нагреваемые детали в пламенных и электрических печах, чтобы обеспечить равномерный их прогрев»
Режим нагрева определяется но таблицам в зависимости от формы и размеров поперечного сечения, химического состава изделия и способа подвода к нему тепла. Чем больше углерода н легирующих элементов в стали, чем сложнее форма изделий, тем медленнее их нужно нагревать,
В свинцовых и соляных ваннах металл нагревается быстрее и равномернее; там наблюдается также меньшее окисление и обезуглероживание металла. В муфельных печах тепло передастся изделиям медленнее, чем в пламенных печах иля в ваннах.
Для предохранения металла от окисления и обезуглероживания в некоторых печах создают защитную газовую атмосферу и после нагрева получают изделия с чистой и светлой поверхностью, В качестве защитной атмосферы применяют осушенные газообразные продукты неполного горения топлива (СО), очищенный азот или другие газы. В особых случаях используют для этой цели вакуумные печи.
Скорость охлаждения стали влияет на се структуру. Для регулирования этой скорости при закалке применяют спец и а л ь н ы е закалочные среды. Особенно важно, чтобы охлаждающая среда обеспечивала большую скорость охлаждения стали в пределах 659—500е С, во избежание распада аустенита на смесь феррита и цементита. С другой стороны, необходимо несколько замедлить охлаждение стали в области температур 200—300° С. В этой области наблюдается образование мартенсита, сопровождающееся увеличением объема металла и появлением больших внутренних напряжений; последние
могут привести к деформации закаливаемых изделий и даже образованию закалочных трещин.
Сильно действующей закалочной средой является вода при 20—- 18° С, которая в интервале 650—550° С охлаждает сталь с большей скоростью (и = 600 град/с). Основной недостаток холодной воды — большая скорость охлаждения (и — 270 град/с) в интервале 300— 200° С (в районе образования мартенсита)- По мере повышения температуры закаливающая способность воды резко снижается. Разбавленные водные растворы солей, кислот и щелочей усиливают закаливающую способность воды*
К менее энергично действующим закаливающим средам относятся минеральные и реже растительные масла, применяемые при закалке легированных сталей* С повышением температуры закаливающая способность масел слабо изменяется. В области наименьшей устойчивости аустенита (650—500° С) масло охлаждает сталь примерно в пять раз медленнее, а в области мартенситных превращений (300—200° С) — в 10 раз медленнее, чем вода* Основные недостатки масла—относительно малая скорость охлаждения в области температур наименьшей устойчивости аустенита, огнеопасность (при нагреве до 300—250° С масло может загореться), постепенное загустевание, что ведет к снижению закаливающей способности и пригоранию масла к деталям*
Расплавленные соли калия и натрия, а также жидкий свинец — наиболее слабые охлаждающие жидкие среды при закалке стали. При закалке в этих средах в структуре металла появляется троостит н даже сорбит закалки, уменьшающие твердость металла.
При закалке стали в воде, водных растворах солей и в масле вокруг охлаждаемого изделия всегда образуется оболочка («рубашка») из пара, затрудняющая отвод тепла от металла, Чтобы разорвать такую оболочку, изделия в закалочной ванне непрерывно перемещают; это увеличивает скорость охлаждения стали.
Все применяемые на практике охлаждающие среды полностью не удовлетворяют предъявляемые к ним требования. Вследствие этого наряду с обычной закалкой применяют и другие методы закалки,
В зависимости от метода охлаждения различают следующие способы закалки.
Обычная закалка (в одном охладителе) — применяется для обработки деталей простых форм* Изделия более сложной формы закаливают в двух различных жидких средах или преры в и стой закалкой. Детали при этом нагревают, как обычно под закалку, и охлаждают с необходимой скоростью до температуры, лежащей несколько выше начала мартенситного превращения* Затем их быстро переносят в менее интенсивный охладитель, где и выдерживают до полного охлаждения. Таким образом, превращение аустенит в мартенсит протекает сравнительно медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений и деформаций* Такой способ закаливания часто применяют для закалки инструмента из углеродистой стали.
Ступенчатая закалка производится также в две стадии. Нагретое изделие, как обычно при закалке, быстро переносят в
ванну с температурой 270—290°Ст где и выдерживают некоторое время. После такой изотермической выдержки изделие охлаждают в масле или па воздухе. Время выдержки в ванне должно обеспечить выравнивание температуры по всему сечению детали, но не должно вызывать распада аустенита. Этот метод применяется при закалке легированных сталей и для деталей небольших сечений (8—10 мм) из углеродистой стали. Недостаток этого метода в том, что горячие медленно осаждающие среды не позволяют получать необходимые скорости охлаждения для крупных сечений деталей.
Рис. 50. Схема высокочастотной закалки с машинным генератором для нагрепа стали:
I — генератор; 2 — электродам!з гель; 5 — трансформатор; 4 — индуктор; 5— реле времени; б— ^сктропневмогидрапличсский клапан, 7 кои деиса торные батареи; 8— контактор;
У — возбудитель; 10 — пусковые кнопки
И з о т с р м и ч е с к у ю закалку осуществляют так, что распад аустенита происходит при постоянной температуре в процессе выдержки в изотермической ванне. Это должно обеспечить полный распад аустенита на ферритоцементитную смесь (игольчатый троостит), после чего изделие можно охлаждать с любой скоростью. Изотермическую закалку применяют для пружин, рессор, болтов, шайб, труб и других деталей из углеродистой и легированной стали.
Закалка с самоотпуском. При этом способе работы изделие, нагретое под закалку, погружают в закалочную среду, но охлаждение ведут не до конца. Отпуск металла (самоотпуск) происходит за счет тепла внутренних сдоев детали. Закалку с самоотпуском
широко применяют для зубил, кувалд, слесарных молотков и другого инструмента, который должен иметь высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину.
Поверхностная закалка обеспечивает получение высокой твердости в поверхностных слоях изделия с сохранением вязкой сердцевины* Стальные изделия нагревают до необходимой температуры с поверхности, а затем охлаждают с заданной скоростью в подходящей закалочной среде* Для поверхностного нагрева применяют, как правило, токи высокой и иногда промышленной частоты, контактный электронагрев, нагрев газовыми горелками и другие способы.
Электронагрев металлов токами высокой частоты перед закалкой (ТВЧ) впервые был применен в 1923—1924 гг. В, П. Вологдиным* С 1935 г, началось широкое применение этого метода. Сущность его заключается в следующем: в индуктор (проводник), по которому течет переменный ток, образующий вокруг проводника переменное электромагнитное поле, помещают изделие, которое также проводит ток. Электромагнитное поле, пронизывая изделие, вызывает в нем индуцированный ток той же частоты, являющийся источником нагрева изделия. Этот ток течет по поверхности изделия и разогревает только эту поверхность.
Источником тока высокой частоты служат машинные или ламповые генераторы. Ламповые генераторы с оптимальной частотой / = 15 030—60 000 Гц применяют для закалки мелких деталей и инструмента на глубину 1—2 мм. Машинные генераторы с оптимальной частотой f = 500—700 Гц применяют для закалки крупных деталей на глубину 3—10 мм.
На рис. 50 показана схема высокочастотной установки для нагрева стали от машинного генератора.
Для сквозной закалки и для поверхностной закалки на глубину 20—50 мм иногда применяют токи промышленной частоты 50 Гц.
Кроме частоты тока на глубину прогрева (а значит, и закаленного слоя) большое влияние оказывают скорость и температура нагрева. Чем больше скорость нагрева, тем меньше глубина закалки; чем выше температура нагрева, тем больше глубина закалки. Скорость нагрева зависит от мощности генератора (частоты тока) и колеблется в пределах 50—500 град/с. При данной частоте тока скорость нагрева в первую очередь зависит от магнитной проницаемости Металл а. Чем больше эта проницаемость, тем больше скорость нагрева. Температура закалки зависит от скорости нагрева и исходной структуры стали (дисперсности ферритоцементитпой смеси) и может меняться в пределах десятков градусов. Чем больше скорость иагрева, тем выше температура закалки. Чем дисперснее структура, тем ниже температура закалки при одной и той же скорости нагрева.
Небольшая выдержка при нагреве ТВЧ позволяет получить после закалки более мелкое зерно, чем при обычной закалке. Кроме того, высокочастотный нагрев уменьшает коробление деталей и не дает окалины. Закалочной средой после высокочастотного нагрева могут быть вода, масло, растворы солей и т. д. После закалки ТВЧ твердость
деталей выше» чем при обычной закалке. Закалка ТВЧ является самым производительным и дешевым способом термической обработки при массовом производстве. Установки для закалки ТВЧ полностью автоматизированы. Они могут быть включены в общий поток станков механосборочного цеха, Недостатком является то» что можно производить закалку изделий сравнительно простой формы» а также высокая стоимость установки» сложность наладки режима нагрева и охлаждения.
Поверхностный нагрев изделия под закалку можно производите апс- тилено-кислородпым, газо-кислородным или газовоздушным пламенем газовой горелки (так называемая пламенная закалка). Газовая горелка движется вдоль закаливаемого изделия, нагревая поверхность до температуры закалки; сердцевина изделия за это время не успевает прогреться. Последующее быстрое охлаждение струей воды ведет к закаливанию поверхностного слоя изделия. Глубина закаленного слоя зависит от количества расходуемого газа и его температуры, скорости движения горелки, расстояния от лее до изделия. Чем больше скорость движения горелки, тем меньше глубина слоя.
Этот метод очень прост и дешев, не требует дорогих устройств и применяется для закалки крупных зубчатых колес, шейки валов трактора, прокатных валков и других деталей. Некоторая опасность заключается в возможности перегрева поверхности детали; однако правильный выбор режима нагрева (расход газа, расстояние от горелки до изделия, скорость движения и т. д.) позволяет избежать этой неприятности.
Закалка стали с последующей обработкой х о л о д о м применяется для высокоуглсродистых сталей, у которых температура конца мартенситного превращения находится в области отрицательных температур, и в этом случае в сталях после закалки наряду с мартенситом остается сравнительно большее количество аустенита, который снижает твердость закаленной стали, ухудшает се износостойкость, изменяет размеры детали. Эти недостатки можно устранить, подвергая сталь непосредственно после закалки обработке холодом. Стальное изделие после закалки охлаждают до отрицательных температур, в рсзульта|е чего значительная часть имеющегося в нем остаточного аустенита переходит в мартенсит. Глубокое охлаждение стали сразу же после закалки позволяет изменить некоторые ее свойства. При правильно выбранном температурном режиме обработка холодом значительно повышает твердость и улучшает режущие свойства инструмента из углеродистой и быстрорежущей стали, а также стабилизирует размеры точного мерительного инструмента (например, калибров). Обработку стали холодом проиводят также в установках, создающих отрицательную температуру, чаще всего в пределах от—75 до —195° С.
Все закаленные детали подвергают отпуску. Отпуском называют термическую обработку, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже критической точки Л о , выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают. При отпуске стали мартенсит за-
калки и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые структуры. Цель отпуска — уменьшение внутренних напряжений, снижение твердости и хрупкости, повышение пластичности.
Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.
Низкий отпуск осуществляют в интервале температур 159^-200° С. При нагреве до 109° С заметных изменений в структуре закаленной стали не происходит. Нагрев от 100 до 200° С приводит к выделению из мартенсита дисперсных карбидных включений чаще всего пластинчатой формы толщиной в несколько атомных слоев. Структура после низкого отпуска — так называемый мартенсит отпуска. Низкий отпуск применяют для частичного снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности без заметного снижения твердости. Этому виду отпуска подвергают главным образом мерительный и режущий инструмент.
Средний отпуск производят путем нагрева закаленной стали до температуры 300—400° С. Сталь приобретает структуру тро- остита отпуска, т. е. представляет собой мелкодисперсную смесь феррита и цементита. Снижается твердость и прочность стали, повышается пластичность. Чаще всего этот вид отпуска применяют при термической обработке пружин и рессор.
Высокий отпуск выполняют в интервале температур 500-- 600° С. Такой нагрев стали при отпуске сопровождается образованием структуры сорбита отпуска — ферритоцементитной смеси средней дисперсности, зернистого строения.
При высоком отпуске практически полностью снимаются внутренние напряжения встали. Сорбитная структура дает наилучшее сочетание прочности и пластичности для конструкционных сталей. Высокому отпуску подвергают большинство ответственных деталей машин и конструкций.
Закалка с высоким отпуском носит название улучшающей обработки» Улучшению подвергают конструкционные стали, содержащие 0,3—0,5%С. Такие стали называют улучшенными.
Закаливаемость и прокаливаемоеть стали
Закаливаемостью называется способность стали существенно повышать твердость при закалке. Закаливаемость зависит в основном от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Чем больше углерода, тем выше твердость образующегося при полной закалке мартенсита и тем лучше закаливаемость стали.
Прокаливаемостью называется способность стали принимать закалку на определенную глубину. Эта способность зависит от критической скорости охлаждения при закалке укр. Чем меньше эта скорость, тем лучше прокаливаемость стали. Глубина ирокаливаемости определяется расстоянием от поверхности детали до слоя, имеющего в структуре 50% мартенсита и 50% троостита; ее можно определить, измеряя твердость по сечению образца. Кроме критической скорости закалки на прокаливаемость деталей влияют ее размеры, а также интенсив-
ность охлаждения, Прокаливаемость стали весьма важный фактор, во многом определяющий возможность ее применения*
Несквозная прокаливаемость возникает вследствие того, что внутренние слои охлаждаются с недостаточной скоростью, поэтому в сердцевине аустенит распадается на ферритсцементитную смесь. Для- получения оптимального сочетания механических свойств в больших сечениях деталей необходимо подбирать стали, которые обеспечивали бы сквозную прокаливаемость. Кроме того, стали с высокой прокали- ваемостью можно закаливать в масле, что способствует уменьшению внутренних напряжений при закалке*
Количественной характеристикой прокаливаемости является критический диаметр — тот наибольший диаметр образца, при котором сталь в данном охладителе получает сквозную закалку, С увеличением скорости охлаждения прокаливаемость улучшается, Действительный или реальный критический диаметр зависит от закаливающей среды. Чем интенсивнее охлаждающая среда, тем больше будет действительный критический диаметр. Однако есть немало случаев сознательного получения неполной прокаливаемости (например, когда нужна поверхностная прочность при вязкой сердцевине).
В технике прокаливаемость — один из важнейших факторов, определяющих выбор стали для различных целей. Легированные стали прокаливаются глубже углеродистых и это одна из причин их частого применения для ответственных конструкций,
Дефекты, возникающие при закалке стали
Неправильно проведенная закалка вызывает ряд дефектов в металле. К ним прежде всего относятся недостаточная твердость, мягкие г । яти а, повышенная хрупкость, деформация, коробление и трещины.
Недостаточная твердость может быть следствием заниженной температуры нагрева металла перед закалкой для доэвтектоидных марок стали; недостаточной выдержки металла при температуре закалки; малой скорости охлаждения при закалке; перегрева металла перед закалкой для заэвтектоидных марок стали,
Для исправления этих дефектов необходимо подвергнуть сталь нормализации или отжигу с последующей повторной закалкой при соблюдении установленного режима нагрева и охлаждения*
Мягкие пятнав металле, т, е. незакалепные участки с пониженной твердостью, возникают из-за неоднородной исходной структуры или обезуглероживания поверхности. При наличии, например, в исходной структуре скоплений феррита он не успевает перейти в раствор и сохраняется после закалки. Образование на поверхности изделий обезуглероженных участков,естественно, отражается на твердости металла после закалки* Неоднородность структуры стали перед закалкой исправляют отжигом или нормализацией. Применение более резких охладителей позволяет иногда предупредить^ образование мягких пятен при закалке*
Повышенная хрупкость стали появляется при ее закалке от излишне высоких температур. Дефект обнаруживается при рассмотрении микро-
структуры или излома стали, а также проявляется при механических испытаниях. Для устранения повышенной хрупкости производят повторную закалку стали по нормальному режиму нагрева.
- Деформация, коробление и трещины в изделиях являются следствием объемных изменений и внутренних напряжений в металле при закалке.
Деформация изделий происходит в результате мартенситного превращения стали после закалки. Коробление (поводка) изделий получается при их неравномерном нагреве или охлаждении. Оба эти дефекта могут быть предотвращены или значительно уменьшены равномерным нагревом и охлаждением изделий, применением специальных способов закалки и, наконец, правкой и шлифованием изделий после закалки.
Образование трещин можно предупредить, если правильно конструировать деталь, устранив в ней неравномерные переходы от толстых сечений к тонким и подвергнуть ее отжигу перед механической обработкой для снятия внутренних напряжений. Прерывистая и ступенчатая закалка также способствуют предотвращению закалочных трещин в металле.
§ Б. Термомеханическая обработка стали
Среди различных упрочняющих способов обработок, предназначенных для повышения механических свойств применяемой в промышленности стали, большое развитие за последние годы получил метод термомеханической обработки (ТМО). Такая обработка проводится в две стадии;
горячая, или теплая, деформация в области существования высокотемпературной фазы — аустенита;
Рис. 51. Принципиальная схема упрочнения сталей методами термомеханической обработки:
с —ВТМО; б—НТМО
последующее регламентированное охлаждение, в процессе которого деформированный аустенит претерпевает полиморфное превращение. Чаше всего применяют закалку на мартенсит.
В результате первой стадии ТМО в материале создается меДко- фрагментированная структура с повышенной плотностью дислокаций и последующие фазовые превращения происходят уже в пределах созданной субструктуры с сохранением высокой плотности несовершенств и с последующим получением мелкодисперсной конечной структуры материала в новом фазовом состоянии, В частности, стали, закаливающиеся на мартенсит, при ТМО подвергаются деформированию в состоянии равновесного или переохлажденного аустенита, с последующей закалкой и низкотемпературным отпуском.
Наиболее распространено подразделение ТЛЮ по температурному интервалу деформации аустенита: при температуре выше порога рекристаллизации — вь/оуког/г^лше;^ термолгеханическая обработка (ВТМО) и при температуре ниже порога рекристаллизации — н изкотемпературная термомеханичшеая обработка (НТМО).
Деформация стали при ВТМО осуществляется при температуре, соответствующей области устойчивого аустенита (выше критической точки Л3), а деформация при ИТМО — в температурной области мета- стабильного аустенита (ниже критической точки Л^ но выше точки мартенситного превращения Л1Н). За рубежом метод НТМО получил название «аусформинг».
Принципиальная схема упрочнения сталей методом ТМО представлена на рис. 51.
Высокотемпературная термомеханическая обработка стали проводится по технологической схеме L
Схема 1
I
Низкотемпературный отпуск
I Ввиду большой фрагментированности аустенитных зерен после деформирования и закалки мартенситная структура стали получается ■. мелкодисперсной.
Наиболее ценным результатом применения ВТМО является значи- телщюе улучшение всего комплекса механических свойств. Уникальная' особенность этой обработки — одновременный рост прочности и пластичности.
Исследование стали, обработанной методом ВТМО, показало, что в результате этой обработки статическая прочность (oD> от) повышается на 40% и более, при одновременном сохранении или даже повышении уровня пластичности (6, ф), резко повышается ударная вязкость (аи) при комнатной и низких температурах (в отдельных случаях в два-три раза), сильно понижается температура перехода к хрупкому разрушению, в том числе и после отпуска в интервале развития хрупкости, улучшаются усталостные характеристики стали (предел выносливости o_t возрастает на 40—70%), уменьшается чувствительность легированной стали к образованию трещин. Излом стали становится вязким, волокнистым.
Высокотемпературной термомеханической обработке можно подвергать практически все стали, испытывающие полиморфное превращение ^">ос; важной особенностью ВТМО является эффективное ее применение для упрочнения обычной углеродистой стали.
Обработка стали методом ВМТО имеет перед НМТО то преимущество, что пластическая деформация здесь протекает при высоких температурах, когда аустенит можно интенсивно обжимать при меньших удельных давлениях.
Высокая стабильность аустенита в этой области температур позволяет осуществлять деформацию различными методами: прокаткой, ковкой и штамповкой. ВТМО можно использовать для широкого круга сталей и изделий.
Наконец, положительная особенность ВТМО состоит в том, что для достижения оптимального уровня прочности не требуется чрезмерно высоких степеней обжатия при деформировании аустенита (как при НТМО) и, следовательно, мощного специального оборудования для обработки давлением. Максимальное повышение прочности наблюдается уже после 25—35% предварительного обжатия,
Однако повысить предел прочности ов стали до значений выше 3900 МН/м2 за счет ВТМО пока нс удается. По-видимому, это объясняется тем, что при деформировании стали в условиях столь высоких температур (выше ЛСа) невозможно добиться высокой плотности дислокаций, часть которых исчезает (анигилируст) уже в процессе самой горячей деформации.
Как отмечалось выше, важным преимуществом ВТМО перед другими схемами термомеханического упрочнения является применимость ее к весьма широкому кругу стальных материалов. В этой связи заслуживает большого внимания применение ВТМО для повышения механических свойств как углеродистой, так и низколегированной стали. Это —важная практическая задача, так как эти стали широко применяют в строительстве и промышленности.
В Московском институте стали и сплавов (МИСИС) совместно с pj#* дом заводов изучали влияние ВТМО на свойства стали 40 (для штангового проката нефтяных глубинных насосов) и высокоуглеродистой стали У9 для режущих частей сельскохозяйственных машин.
По сравнению со стандартной термической обработкой BJMO приводит к существенному повышению пластичности и прочности этих сталей. В частности, предел прочности (ов) возрос на 400— 500 МН/м2 (МПа). Так, например, у штанг из стали 40 после ВТМО и отпуска при 150° С в течение часа получили ов =^ 2500 МН/м2 (МПа).
При увеличении длительности низкотемпературного отпуска повышается эффект ВТМО и увеличивается прочность. После отпуска при 200° С в течение 4 ч предел прочности достиг 2900 МН/ми (МПа).
На волгоградском заводе «Красный Октябрь» была создана специальная полупромышленная установка для проведения ВТМО штангового проката. Прочность штанг из стали 40 после ВТМО оказалась в 2,5—3 раза выше (при равной пластичности), чем после применявшейся в производстве штанг термической обработки.
ВТМО углеродистой стали (при различном способе деформации — прокаткой, кручением, ударным воздействием) позволяет повышать не только статическую, но и циклическую прочность, что весьма важно для строительных сталей.
В МИСИС исследовалось влияние ВТМО на статическую и циклическую прочность рессорной стали 55ХГР (0,55% С, ~1% Сг,/-1% Мп, до 0,004% В). После ВТМО предел прочности (ав) увеличился с 2000 до 2300 МН/м2 (МПа) (по сравнению с оптимальным режимом обычной термической обработки), а пластичность тоже возросла (6 = 16%; при обычной термической обработке разрушение хрупкое). Предел усталости о_, повысился с 520 до 570—630 МН/м2 (МПа).
Б работах проф. М. Л. Бернштейна (МИСИС) показано, что применение ВТМО существенно улучшает эксплуатационные свойства широко используемых рессорных сталей — 50С2, 56ХГА, 55ХГР, а также повышает статическую и усталостную прочность не только новых рессор, но и бывших в эксплуатации.
Низкотемпературная термомеханическая обработка стали проводится по технологической схеме 2.
Как видим, этот метод предусматривает интенсивное деформирование стали в области относительной устойчивости аустенита при температуре выше мартенситной точки (7HJ, но ниже температуры рекристаллизации (Тц р(;кр), с последующим фазовым превращением (-'-^ а). Таким образом, существенным отличием НТМО от ВТМО является задержка охлаждения аустенизированной стали в надмартенситной области температур и последующее деформирование мета- стабильного аустенита.
При таком способе обработки удается резко увеличить прочность стали и сохранить удовлетворительные пластические свойства.
Однако метод ПТМО пригоден лишь для сталей с широкой областью устойчивости аустенита, которой, как известно, обладают лишь средне- и высоколегированные стали.
Схема 2
I
Для достижения высокой прочности при НТ АЮ сталь в надмартенситной области температур следует деформировать до значительно более высоких степеней обжатия (X — 75--95%)т чем при обработке методом ВТМО. Это объясняется тем, что в надмартенситной области температур перестройка дислокаций существенно менее развита, чем при нагреве выше точки АГз . Поэтому для прохождения процессов, приводящих к равномерному распределению дислокаций в объеме стали, требуются более высокие степени обжатия.
Высокие механические характеристики при НУЛЮ получаются, как правило, лишь при отпуске стали при температурах не выше 200— 300° С- (Кроме стали, испытывающей вторичное твердение.)
Применение НТМО позволяет во многих случаях повысить прочность ерли до о0 = 2600 МН/м2 (МПа) и выше при сохранении удовлетворительных пластических свойств.
Особенно эффективно воздействие НТМО при обработке стали, полученной вакуумной плавкой из чистых шихтовых материалов. Это воздействие связывают с увеличением пластичности аустенита такой стали.
Метод НТМО, как и ВТМО, приводит к резкому увеличению циклической прочности стали. После ИТМО циклическая прочность на 20—30% выше, чем после обычной закалки и отпуска.
Данный способ упрочнения в связи с затруднениями при формоизменении позволяет применять такие процессы пластической обработки стали, как прокат и волочение* Здесь нет опасности разуйроч- нения аустенита, так как деформирование при НТМО осуществляется при температуре ниже температуры рекристаллизации, /
Предел упругости gc стали, обработанной методом НТМО, достаточно высок, что в сочетании с высокой циклической прочностью делает такие стали пригодными для изготовления высокопрочных пружин, рессор, торсионных стержней, подвесок и других подобных элементов. Кроме того, упрочнение материалов с помощью НТМО (как и ВТМО) приводит к значительному повышению режущей стойкости и вязкости инструментальных сталей.
Деформация металла при НТМО затруднена; для ее осуществления требуется очень -мощное оборудование и прочная оснастка. Это определяет более узкую применимость этой обработки по сравнению с ВТМО.
Посредством НТМО в Институте металлургии АН СССР им. Байкова повысили режущую стойкость быстрорежущих сталей Р18 и Р9. Прочность стали Р18 повысилась на 20%, пластичность — на 15%. Красностойкость (сохранение высокой твердости до температуры 700—8С0° С) стали Р18 после НТМО существенно возрастает.
Широко применяют НТМО к инструментальной стали, добиваясь высокой прочности, твердости и большого сопротивления истиранию. С использованием НТМОбыли изготовлены штампы для высадки, прошивки и горячей резки, превосходившие по своим характеристикам штампы, изготовленные по обычным режимам.
* * *
Степень пластической деформации (обжатие) при термомеханиче- -ской обработке оказывает решающее влияние на механические свойства. В большинстве случаев прочностные характеристики стали, обработанной с помощью ТЛЮ, монотонно возрастают с ростом обжатия заготовок; одновременно (в случае ВТМО) увеличивается пластичность стали, но до какого-то оптимал иного значения обжатия. Высокотемпературной термомеханической обработке свойственно сохранение наследственного упрочняющего влияния наклепа даже после перекристаллизации стали (в частности, после ряда термообработок).
Совмещение процессов ВТМО и НТМО на одном и том же объекте значительно повышает ударную вязкость (а^в зоне развития обратимой хрупкости и одновременно увеличивает твердость .стали.
В табл. 2 приведены значения ударной вязкости в кге ■ м/см2 для стали 37XH3A, в случае НТМО и соединенной термомеханической .обработки (с НТМО).
Таким образом, совмещенной термомех аттической обработкой (ВТМО) можно повысить ударную вязкость стали (по сравнению с НТМО) более чем в три раза.
Таблица 2
Значения ян Для стали 37XH3A
\Вид обработки
Режим отпуска
, НТМО
ИТМО : втмо
3,0
9.8
650 С,
2,2
7,3
550С,
Рассмотрим некоторые ограничения, связанные с использованием ТМО для упрочнения конструкционной стал и*
Для осуществления НТМО необходимо мощное оборудование для обработки давлением, чтобы получить высокие степени обжатия заготовок (до X = 90—95%).
Упрочняемая сталь (в случае НТМО) должна иметь широкую область устойчивости метастабильного аустенита. Не все стали можно подвергать НТМО.
Существенным недостатком ВТМО являются определенные технологические трудности, связанные с необходимостью во многих случаях подавлять процесс рекристаллизации. Для этого необходимо быстро проводить обжатие заготовок при соответствующей температуре (выше Д^).
Общий недостаток ТМО как таковой — необходимость изготовления заготовок (деталей) почт и в окончательных формах и размерах. Резкое увеличение прочности и твердости стали, обработанной ТЛЮ, сильно усложняет их последующую механическую обработку,
Высокотемпературная термомеханическая поверхностная обработка (ВТМПО) — новая схема термомсханичсской обработки, предусматривающая нагрев поверхностного слоя стального изделия на нужную глубину, обкатку его роликами, а затем немедленную закалку. Необходимые структура и свойства сердцевины достигаются в результате предварительной термической обработки.
Наибольший эффект этот метод. должен давать в случае изделий, работающих на усталостную прочность или контактную выносливость, когда ТМО используется для упрочнения наиболее напряженного поверхностного слоя, в котором начинается развитие разрушения.
Ряд ученых провели методом ВТМПО обработку цилиндрических образцов (диаметром 35—40 мм) из стали марок 40, 40X и 9Х с помощью специального приспособления.
Эксперименты и испытания проводили на Старо-Краматорском машиностроительном заводе. Все свойства после ВТМПО сравнивали со свойствами, получаемыми при применении оптимального промышленного режима высокочастотной закалки, установленного для конкретной серийно выпускаемой продукции.
В результате ВТМПО контактная усталостная прочность стали 9Х повысилась на 300—400 МН/м3 (МПа) по сравнению с получаемой после высокочастотной закалки.
С увеличением усилия обкатки до определенного значения (PlCfilt = 650 И) возрастает и выносливость, определяемая как средн ее/число циклов /V до появления первых очагов разрушения на поверхности.
Электронно-микроскопическим исследованием упрочненных зон установлено, что после ВТМПО увеличивается дисперсность структуры поверхностных слоев. Измельчение мартенситных пластин может быть одной из причин повышения усталостных характеристик.
Доказано, что в случае ВТМПО (как и в случае ВТМО) не существует корреляции между твердостью и сопротивлением деформированию и разрушению в .условиях сложного нагружения. Очевидно, высокое сопротивление контактному выкрашиванию после ВТМПО обусловлено изменениями в тонком строении, возникшими в результате совместного влияния деформирования и фазового превращения.
Твердость, будучи сравнительно грубым методом оценки, не отражает изменений в тонком строении поверхностных слоев и поэтому не может сл\ жить основным критерием свойств и эксплуатационных характеристик контактирующих поверхностей в высокопрочном состоянии.
Основное преимущество ВТМПО перед другими способами поверхностного упрочнения (высокочастотная закалка, химико-термическая обработка с последующей закалкой) состоит в создании структуры, отличающейся повышенной пластичностью.
Исследованиями установлено, что после ВТМПО на поверхности детали в упрочненном слое возникают благоприятные сжимающие напряжения. Так, например, после оптимального (по свойствам) режима ВТМПО для стали 40Х (£деф = 950°С, РоСж = 55 кге/мм2) остаточные сжимающие напряжения на поверхности увеличились с 30 до 50 кге/мм3.
Была проведена ВТМПО полупромышленных партий рабочих валков из стали 9Х диаметром 38 мм на промышленной установке. Эксплуатационная стойкость валков повысилась более чем в 2 раза по сравнению с закалкой ТВЧ.
ВТМПО была также использована для повышения износостойкос- сти стали 40Х. Среднее повышение износостойкости (по сравнению с закалкой ТВЧ) составляло 90—120%.
Глава XII
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Химико-термической обработкой стали называют термическую обработку, связанную с изменением химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных изделий. Цель ее—упрочнение поверхностных слоев стали (повышение твердости, усталостной
прочности, износоустойчивости и т. п.), изменение физико-химических. и других свойств (коррозионных, фрикционных и т. д.).
Различают следующие виды химико-термической обработки стали: цементация (насыщение углеродом), азотирование (насыщение азотом) цианирование (параллельное обогащение стали азотом и углеродом); диффузионная металлизация; алитирование, хромирование, силицирование, борирование и др»
Цементация стали
Цементацией называют процесс поверхностного науглероживания изделий из низкоуглеродистой, а иногда и легированной стали в углеродосодержащей среде (карбюризаторе) для получения твердой поверхности и вязкой сердцевины.
При цементации сталь науглероживается на глубину 0,5—2 мм до содержания углерода в поверхностном слое 0,75—1,2 %* Цементацию можно проводить в твердых, жидких или газообразных карбюризаторах,
Цементаци я в твердом карбюризаторе. Известно много составов карбюризаторов. Один из них представляет порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (около 70% по массе), углекислого бария (около 20—25% по массе) и углекислого кальция (до 2,5—3,5% по массе). Этой смесью пересыпают обрабатываемые детали, уложенные в металлические ящики* Эффективность цементации в значительной степени зависит от правильной укладки и засыпки смесью обрабатываемых деталей, а также от хорошей герметизации ящика до установки его впечь. Обычно на дно ящика насыпают слой карбюризатора толщиной 25—30 мм, па который укладывают первый ряд деталей. Эти детали засыпают новым слоем карбюризатора толщиной 15—20 мм и утрамбовывают его, а за!см укладывают второй ряд деталей и т» д. Между деталями и стенками ящика оставляют расстояние 15—25 мм. Верхний слой карбюризатора имеет толщину 30—40 мм. Ящик закрывают сверху металлической крышкой. Кромки между крышками и стенками ящика обмазывают огнеупорной глиной, которая препятствует проникновению воздхха и печных газов внутрь ящика»
Подготовленные ящики загружают в горячую печь периодического или непрерывного действия и нагревают примерно до 900—950°С, Продолжительность этого нагревания определяется массой загруженных Деталей; продолжительность цементации зависит от требуемой глубины слоя: как правило, за 1 ч углерод проникает на глубину примерно 0,1 мм.
Цементация стали в твердом карбюризаторе является сложным процессом и фактически происходит при участии газообразной фазы, которая формируется в ящике под действием высоких температур. В ящике остается воздух, абсорбированный древесным углем и заполняющий пространство между зернами карбюризатора» При 900—
950°С кислород воздуха и углерод карбюризатора реагируют, образуя окись углерода
СОа4-С^2СО(45)
В присутствии железа окись углерода может частично диссоциировать с образованием атомарного углерода по реакции
2СО ^ СО, + Сат.
Последний в момент выделения обладает большой активностью и легко диффундирует в 7-железо, насыщая его углеродом вплоть до образования в поверхностных слоях максимальной растворимости углерода в стали.
Рис. 52. Глубина и микроструктура цементированного слои стали по зонам
Углекислые соли, добавляемые к древесному углю, активизируют процесс науглероживания железа, регулируя давление и состав газовой фазы внутри ящика. Например, углекислый барий при высоких температурах разлагается по реакции
ВаСО3 = ВаО + СО2 (46) и является источником углекислого газа. Последний в свою очередь вступает во взаимодействие с древесным углем [см. реакцию (45)], увеличивая количество окиси углерода в ящике.
Глубина цементированного слоя и распределение углерода по сечению детали определяется по микроструктуре (рис. 52).
При газовой цементации над обрабатываемыми издали* ями пропускают газы, которые при нагревании до высоких температур выделяют атомарный углерод. К газообразньш карбюризаторам относят природный газ, светильный газ и смеси метана, этила, пропана и иных газов, получаемых при пиролизе керосина и других жидких нефтепродуктов.
Издел и я, подлежащие цеме н таци и, у к ладывают в герметически закрытые ящики или муфели печей с температурой нагрева до 900— 950°С. Газ-карбюризатор пропускают в течение нескольких часов: при этом получают нау глероженный слой необходимой толщины.
Газовая цементация, по сравнению с цементацией в твердых карбюризаторах, обеспечивает повышение скорости процесса, а следова-
тельно, производительности труда, более точное регулирование процесса насыщения стали углеродом, упрощение механизации и автоматизации процесса, улучшение санитарно-гигиенических условий труда. После газовой цементации сразу возможно производить закалку.
При скоростной газовой цементации изделия нагревают токами высокой частоты до 1080—1100°С. В результате за 40—50 мин можно получить пауглсроженный слой толщиной 0,8—1 мм. После охлаждения до 870°С изделия сразу подвергают закалке.
Цементация стали в жидких средах. Эта цементация осуществляется весьма редко, обычно в расплавленных солях. Чаще всего применяют следующий состав солей: 83—84% кальцинированной соды, 8—10% поваренной соли, 7—8% черного корунда. В ванну такого состава погружают стальные детали и получают слой толщиной до 0,2 мм за 30—40 мин. Для получения слоя большей толщины часто применяют карбюризатор из четырех компонентов: 78—81% кальцинированной соды, 5—6% поваренной соли, 7—8% хлористого алюминия и 6—8% черного корунда.
Цементацию в жидких средах применяют для малоуглеродистой, среднеуглеродистой и малолегированной стали. Цементация протекает при 870—890°С для малоуглеродистых сталей, 820—84СГС для среднеуглеродистых и 850—870сС для малоуглеродистых легированных сталей. Время выдержки зависит от заданной глубины слоя; ориентировочно 25—45 мин.
Цементация в жидких средах имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе: более высокая скорость процесса, лучшая точность регулировки, возможность термообработки сразу после цементации; весь процесс в три-четыре раза экономичнее.
После цементации детали часто получают неудовлетворительную •структуру; для ее улучшения можно применять один из ipex следующих режимов термической обработки:
После цементации изделия охлаждают до 750°С, затем закаливают в воде или масле в зависимости от марки стали и отпускают при 150—200сС (рис. 53, а). После такой обработки на поверхности получают структуру крупноигольчатого мартенсита с сравнительно большим количеством остаточного аустенита; в сердцевине — крупнозернистую структуру феррита и перлита. Обработка холодом позволяет уменьшить содержание остаточного аустенита.
После цементации изделие медленно охлаждают до комнатной температуры, затем вновь нагревают до 850°С, закаливают и отпускают (рис, 53, б).
В этом случае благодаря перекристаллизации при нагреве зерно измельчается, улучшаются структура и механические свойства изделия.
Вследствие того что цементированное изделие имеет различное содержание углерода и соответственно разную структуру по сечению, применяют тройную термическую обработку—двойную закалку и низкий отпуск (рис. 53, в). Цель первой закалки —измельчение структуры в сердцевине и уничтожение цементитной сетки; ее ведут при
температуре выше критической точки ДГя (для стали, содержащей 0,2% С, при 920° С). В поверхностном слое, при содержании углерода до 0,8%,сталь при такой температуре перегревается; чтобы устранить перегрев и придать высокую твердость поверхностному слою металла производят вторую закалку от температуры 750—780°С.
Рис. 53, Схемы термической обработки после цементации
После такой закалки в поверхностном слое получают мелкоигольчатый мартенсит и зернистый цементит, а в сердцевине мелкозернистый феррит- Для снятия внутренних напряжений затем производят низкий отпуск (150—200° С).
Азотирование стали
Азотированием, или нитрированием, называют процесс поверхностного насыщения стали или чугуна азотом. Этот процесс осуществляется в атмосфере газообразного аммиака NH3 при 430—600°С для повышения твердости, износоустойчивости и предела прочности и при 600—800°С только для повышения коррозионной стойкости» Азотирование требует значительного времени (например, для получения азотированного слоя в 0,5 мм требуется около 60 ч). В указанном интервале температур аммиак почти полностью диссоциирует по реакции
2NH3 - 2N + ЗН2 (47)
Выделяющийся при этом атомарный азот диффундирует в сталь. После азотирования изделия обычно охлаждают до 200°С в потоке аммиака, а затем на воздухе.
Азотирование стали значительно повышает ее поверхностную твердость, которая сохраняется даже при нагревании до 600—650° С, увеличивает износоустойчивость и предел усталости стали, а также повышает сопротивление коррозии на воздухе, в воде и водяном паре.
Азотированию подвергают изделия из среднеуглеродистой и легированной стали, способной образовать с азотом прочные нитриды. Этому способствуют такие элементы, как Al, Cr, Mo, TL
Детали до азотирования подвергают термической и окончательной механической обработке (включая шлифовку). После азотирования проводят только окончательное шлифование или доводку в пределах нескольких сотых мм. Поверхностная твердость азотированного слоя в 1,5—2 раза выше цементированного и достигает примерно 1000— 1200 кге/мм2 по Виккерсу (1—1,2-1010Па).
Цианирование стали
Цианированием называют процесс, при котором поверхность стального изделия насыщается одновременно углеродом и азотом. Применяют твердое, жидкое и газовое цианирование. Более широко распространено жидкое цианирование. Толщина цианированного слоя обычно равна 0,1—0,2 мм, В результате такой обработки повышаются поверхностная твердость и износоустойчивость. Особенно эффективно цианирование мелких и средних деталей — шестерен, поршней, пальцев, валиков и т. п.
Цианирование в твердой среде, состоящей из 60—80% древесного угля и 40—20% желтой кровяной соли K4Fe(CN)6, проводят в течение 1 >5—3 ч при 540—56О°С. Этот способ цианирования применяют в основном для повышения режущих свойств инструмента.
Цианирование в жидкой среде производят в ванне из расплавленных нейтральных (Na2CO3; NaCl и др,), цианистых (NaCN, Ca(CN)2) и других солей.
Различают три вида цианирования: низко-, средне- и высокотемпературное ,
При низкотемпературном цианировании (550—600°С) ванна содержит 25—40% NaCN, 20—45% Na2CO3 и 10—20% NaCl. Продолжительность процесса 5—30 мин, а толщина цианированного слоя 0,02—0,04 мм. Это цианирование применяют главным образом для обработки инструмента из быстрорежущей стали.
При среднетемпершпурном цианировании (800—850° С) ванна содержит до 20—35% NaCN. Продолжительность этого процесса цианирования от 5 мин до 1,5 ч, а толщина цианированного слоя порядка 0,075—0,25 мм. Такое цианирование применяют для обработки различных деталей из среднеуглеродистой стали: болтов, гаек, шестерен и др. После цианирования изделия подвергают закалке и отпуску так же, как и после цементации.
При высокотемпературном цианировании (900—950° С) ванна содержит 6—10% NaCN, 89—84% ВаС12 и до 10% NaCl, Эту операцию применяют, если необходима более значительная глубина цианирования. Продолжительность цианирования в этом случае 1—6 ч, а толщина цианированного слоя достигает 0,5—1,5 мм. Изделия после цианирования подвергают закалке и низкотемпературному отпуску (160—180° С).
Работа с цианистыми ваннами любого состава требует строгого соблюдения правил черники безопасности, так как цианистые соли очень ядовиты.
Газовое цианирование — обработка стальных изделий смесью, состоящей из науглероживающего и азотирующего газов (например, 70—80% природного газа и 30—20% аммиака).
Процесс цианирования осуществляется при 850—900° С.
Диффузионная металлизация
Процесс поверхностного насыщения стали алюминием, хромом, кремнием, бором, бериллием и другими элементами называют диффузионной металлизацией. Его осуществляют путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных элементов, которые могут находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Такая обработка изделия придает поверхностным слоям стали жаростойкость, износоустойчивость, сопротивление коррозии.
А л и т и р о в а н и е — поверхностное насыщение стали алюминием для повышения жаростойкости (до 850—900° С). При нагреве алитированной стали на ее поверхности образуется плотная пленка окиси алюминия А12О3> которая в дальнейшем предохраняет основной металл от окисления.
При твердом алитировании применяют порошок алюминия или ферроалюминия с добавкой 0,5—2% хлористого аммония* Процесс проводят при 950—1000° С в течение 3—5 ч (толщина слоя 0,2—0,3 мм) или 12—15 ч (толщина слоя 0,4—0,5 мм).
При жидком алитировании изделие погружают в ванну с расплавленным алюминием, нагретым до 750—800сС. Процесс продолжается 45—90 мин, толщина алитированного слоя достигает 0,2—0,35 мм.
Газовое алитирование стали проводят в закрытых ретортах газообразным хлористым алюминием, который при высоких температурах частично диссоциирует и насыщает сталь алюминием,
Дли уменьшения хрупкости поверхностного слоя алитированные изделия подвергают диффузионному отжигу при 900—1000° С.
Хромирование — поверхностное насыщение стали хромом в твердой, жидкой и газообразной средах. При хромировании стали в твердой среде применяют порошкообразную смесь из 40—45% феррохрома, 45—50% шамота и 3—5% хлористого аммония. Хромирование проводят при 1100—1150° С в течение 10—15 ч.
При жидком хромировании изделие нагревают до 900—1100° С в ванне, состоящей из расплавленных хлористых солей бария, магния * и кальция с добавкой 15—30% хлористого хрома или 15—25% феррохрома.
Более прогрессивно газовое хромирование стали. Изделие нагревают до 950—1050° С в атмосфере газообразного хлористого хрома.
Хромированная сталь окалиностойка (особенно при нагревании до 800—900° С) и хорошо сопротивляется коррозии в водных растворах некоторых кислот и в морской воде.
Силицирование — поверхностное насыщение стали кремнием— проводят для повышения износоустойчивости и улучшения коррозионной стойкости и кислотоупорности изделий. При силицировании в твердой среде применяют порошкообразную смесь из 60% ферросилиция, 38—39% глинозема или каолина и 2—1% хлористого аммония. Глубина силицированного слоя стали зависит от выдержки, составляет 0,2—0,8 мм.
Газовое силицирование стали осуществляется при 950—1050° С в атмосфере хлористого кремния в течение 2—4 ч, При этом получается силицированный слой толщиной 0,5—1,24 мм.
Борирование — поверхностное насыщение стали бором для придания износостойкости и высокой твердости, которая сохраняется до 950° С. Кроме того, металлизация производится титаном, бериллием и другими элементами.
В некоторых случаях после металлизации детали подвергают термической обработке.
Глава ХШ
КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.
По способу производства различают мартеновскую, бессемеровскую, томасовскуго, кислородно-конверторную, тигельную и электросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают сталь основную и кислую. По химическому составу — углеродистые и легированные стали. По назначению углеродистые стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3 % С; машиностроительные цементируемые — от 0,025 до 0,3% С, улучшаемые термообработкой от 0,3 до 0,5% С, пружинные — от 0,5 до 0,8% С; инструментальные — от 0,7 до 1,3% С.
Углеродистые стали
Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.
В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь обыкновенного качества согласно ГОСТ 380—71, разделяют на три группы А, Б, В, учитывающие условия поставки:
сталь группы А — поставляют потребителям по механическим свойствам;
сталь группы Б — по химическому составу;
сталь группы В—с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А изготовляют следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб, Ст7. По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а также прочность и твердость, по снижается пластичность и ударная вязкость.
Сталь группы Б изготовляют тех же марок, но перед маркой стали ставят букву Б (БСтО, БСт1кп). Сталь группы В изготовляют следующих марок: ВСт2, ВСтЗ, ВСт4 и ВСт5.
Стали обыкновенного качества применяют для строительных конструкций и неответственных деталей машин. Если из этой стали изготовляют сварные строительные конструкции, то в ней ограничивается содержание углерода, серы, фосфора, азота и других примесей, ухудшающих качество сварки.
Углеродистая конструкционная сталь обычного качества выпускается в виде проката — листов, уголков, балок, прутков и т. Д.
Углеродистые стали специального назначения имеют дополнительные индексы, например стали для мостовых конструкций — СТЗ мост,
Как уже отмечалось, в зависимости от степени раскисления сталь может быть кипящей, спокойной и полуспокойной. Кипящую сталь обозначают индексом «кп», спокойную «сп» и полуспокойную «пс». Спокойная сталь обладает более, высокими показателями сопротивления динамическому нагружению и ударной вязкости. Буквы М (мартеновская) и Б (бессемеровская) в марках стали означают способ вы-' плавки. Так, мартеновскую спокойную сталь обозначают МСт. 2сщ бессемеровскую кипящую — БСт. Зкп.
Качественные конструкционные углеродистые с т а л и в зависимости от содержания марганца разделяют на две группы (ГОСТ 1050—74): I группа — стали с нормальным содержанием марганца (0,5кп, 0,8кп,,,., 20, 25,.*.,85, где цифры показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента); II группа — стали с повышенным содержанием марганца (15Г, 20Г,*.. 70Г, где буква Г означает, что сталь содержит 0,7—1,2% Мп).
Содержание серы и фосфора должно быть не больше 0,04% (каждого). *
Малоуглеродистые стали 08кп и 05кп широко применяют в виде листов для штамповки различных деталей (кузова, фары и т д.).
Малоуглеродистые качественные стали 10, 15, 20, 25 применяют для сварных и клепаных конструкций, а также для деталей, подвергающихся цементации или цианированию (втулки, пальцы, шестерни, и т. д,).
Среднеуглеродистые качественные стали 30, 35, 40, 45 и 50 хуже свариваются, чем стали, указанные выше. Стали 30, 35 и 40 используют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам. Стали 45 и 50 применяют для изготовления деталей, также подвергающихся большим нагрузкам, но после нормализации (см. стр. 114) (коленчатые валы 140
автомобильного двигателя), а также для изготовления мелких деталей с последующей улучшающей термической обработкой*
Высокоуглеродистые качественные стали 55, 60, 65 и 70 применяют для изготовления пружин, рессор и зубчатых колее- Высокие эксплуатационные свойства достигаются закалкой с последующим отпуском в интервале 300—400° С,
Инструментальные качественные углеродистые стали предназначены для изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших размеров» Марки этих сталей обозначаются так: буква У и цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, ..., У13).
Высококачественные стали содержат более низкое количество серы (до 0,02%) и фосфора (до0,03%), имеют меньшее содержание неметаллических включений, обладают повышенными механическими свойствами-
В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных ставится буква А.
§ 2, Строительные стали
Наиболее широко в строительстве применяют основную мартеновскую сталь. Для элементов строительных конструкций, не подверженных динамической нагрузке и влиянию низких температур, ранее применяли бессемеровскую сталь. В сварных конструкциях эту сталь применяли только для малоответственных назначений. Применение кислорода в конверторном производстве позволило практически полностью заменить бессемеровскую сталь и значительно расширить область применения стали в строительной тех нике.
Строительные конструкционные стали в основном предназначены для работы в атмосферных условиях при обычных и пониженных температурах.
Строительные стали должны обладать хорошей свариваемостью (не образовывать трещин в промессе сварки и не снижать ударную вязкость металла в&шзи сварного шва), пластичностью, хорошей обра* батываемостыо резанием.
Малоуглеродистую сталь обыкновенного качества применяют для изготовления строительных конструкций. По данным институтов электросварки им. Патона и Проектстальконструкции, оптимальный химический состав строительной малоуглеродистой стали следующий: 0,13—0,18% С; 0,1% Si; 0,4—0,6% Мп; до 0,035% S; до 0,04% Р.
Сталь обычного назначения (ГОСТ 380—71) широко применяется в строительной технике; поэтому остановимся на ней более подробно. Сталь группы А подразделяют на три категории. Первая категория этой стали нормирует показатели временного сопротивления разрыву и относительного удлинения. Вторая категория кроме первых двух показателен учитывает также изгиб в холодном состоянии, а третья еще и предел текучести стали.
Сталь группы В гарантирует не только механические свойства, но и химический состав, что очень важно для строительных сварных конструкций»
В строительстве применяют также низколегированные стали (см, ниже).
Стальные фасонные гнутые профили изготавливают из стали марок СтО, Ст1, Ст2, СтЗ по ГОСТ 380—71 и стали марок от 08 до 25 включительно по ГОСТ 1050—74.
Стали, предназначенные для изготовления ответственных металлоконструкций, подвергают испытанию на чувствительность к старению после наклепа. Для этого образцы деформируют на 10%. Один образец испытывают на ударную вязкость до старения, другой — после. Старение производят в течение 1 ч при 250° С с последующим охлаждением на воздухе.
Показатель чувствительности стали к деформационному старению определяют по формуле
К = -^^- юо%,
Си
где ай — ударная вязкость образца в исходном состоянии; а/ — то же, после старения.
Если этот показатель более 0,5, из такой стали не разрешают изготовлять металлоконструкции.
V Несущие (расчетные) сварные и клепаные конструкции зданий и сооружений изготовляют из мартеновской и кислородно-конверторной стали. Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих только статические нагрузки, применяют в основном мартеновскую сталь.
Нерасчетные элементы конструкций (нс несущие большие нагрузки) изготовляют из мартеновской и бессемеровской стали» В случае применения сварки следует использовать стали этих марок по группе Б (ГОСТ 380—71), Сталь группы Б, предназначаемую для изготовления строительных конструкций, проверяют на свариваемость по специальному стандарту.
Стали группы А (ГОСТ 380—71) применяют для неответственных элементов строительных конструкций.
Кроеельное железо изготовляют из стали марок МСт1кп, КСт1кп. Поставляют его в виде отожженных листов толщиной 0,38—0,82 мм. Листы испытывают па перегиб с образованием двойного кровельного замка; при этом не должны появляться отслаивания, трещины, надрывы и изломы.
Конс/ир^кции из листовой стали: резервуары, газгольдеры, трубопроводы и другие изделия изготовляют из стали различных марок: мартеновской или конверторной, кипящей или пол у спокойной. Эти стали малочувствительны к концентрации напряжений, не склонны к хрупкому разрушению и старению после наклепа, обладают хорошей свариваемостью, достаточно высокой ударной вязкостью.
Арматурная сталь для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций подразделяется на четыре
класса: А-*!, АЛ, А-Ш и A-IV- Стержни класса A-I изготовляют из стали: СтЗкп, СгЗсп, СтЗпс, ВСтЗкп2, КСтЗпс2: стержни класса АП диаметром от 10 до 40 мм — из стали марки ВСт5сп2.
Л4остовые металлические конструкции изготовляют из горячекатаной малоуглеродистой мартеновской стали (ГОСТ 6713—53). Сварные конструкции мостов изготовляют из стали марки M16Q Клепаные конструкции мостов изготовляют из стали марки МСтЗмост. Структура мостовых сталей должна быть мелкозернистой, однородной. без внешних дефектов (раковины, пористость, трещины, волосовины)*
Прочностные характеристики (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость) имеют решающее значение при выборе марки стали для элементов мостовых конструкций.
До последнего времени строительные стали нс подвергали упрочнению термической обработкой. Однако исследования показали, что термическое упрочнение малоуглеродистой стали повышает ее механические свойства [предел прочности и предел текучести стали марки МСтЗкп увеличился на 20—30%; ударная вязкость при температуре —20° С составляет не менее 40 Дж/см2 (4 кге-м/м8)). Термическую обработку осуществляют после прокатки; такая обработка, упрочняя сталь, позволяет уменьшить массу конструкции па 15—20%.
Строительные стали можно упрочнить холодной обработкой давлением, а также высокотемпературной термомеханической обработкой при прокатке*
Глава XIV
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И ОСОБЫЕ СПЛАВЫ
В связи с бурным развитием строительной техники и машиностроения и появлением новых отраслей техники —- ракетной, реактивной, атомной — потребовались сплавы, способные выдерживать широкий диапазон температур (от —269 до 1200° С, а в отдельных случаях до 2000—2500° С) при повышенных удельных давлениях, в условиях различных видов износа и агрессивных сред, обладающих определенным комплексом магнитных, электрических, оптических и других физических свойств. Нет возможности перечислить все те разнообразные условия, в которых могут работать различные конструкции, машины, механизмы, приборы, агрегаты.
Однако углеродистые сплавы, даже после термообработки, не могут по прочности удовлетворять высоким требованиям, предъявляемым к современным материалам, Углеродистая сталь имеет относительно малую прокаливаемость, повышенную склонность к старению и к переходу в хрупкое состояние при пониженных температурах, малую стойкость против коррозии и т* д.
Сталь называют легированной, если в ее составе имеются специально введенные (легирующие) элементы или содержится более I % Si или 1% Мп.
В качестве легирующих элементов в настоящее время применяют Сг, Мп, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, Си, V и др. Преимущества легированных сталей выявляются в большинстве случаев только после термической обработки.
Если сталь легирована одним элементом, например хромом, никелем или ванадием, ее называют хромистой, никелевой, ванадиевой и т, д.; если же опа легировала двумя или более компонентами, то ее называют сложнолегированной (например, хромоникелевованадиевой).
§ L Распределение легирующих элементов и их влияние на свойства стали
Легирующие элементы в стали могут находиться в свободном состоянии. ~Ии случаи очень редки. Например, свинец и медь встречаются в чистом виде в свинцовых и медистых сталях. Механические свойства таких сталей невысоки.
Легирующие элементы могут образовывать с железом химические соединения (интерметаллические соединения FeSi, Fe3W, FeCr) и твердые растворы замещения. Интерметаллические соединения часто играют роль упрочняющей фазы.
Легирующие элементы способны образовывать химические соединения с неметаллами (MnO, MnS, 8Ю2» А!2О3 и др,)*
Все легирующие элементы по отношению к углероду подразделяются на две группы: элементы, не образующие карбидов, и карбидо- образующие. В периодической системе Менделеева не карбидообразующие элементы стоят правее железа. К ним относятся, например, Ni, Si, Со, Си, А1 и некоторые другие.
Карбидообразующие элементы в периодической системе Менделеева стоят левее железа: к ним относятся Мп,Сг, W, Mo, V, Ti, Nb, Та и др. Менее устойчивые карбиды находятся в начале этого ряда. Если в сплаве несколько легирующих элементов, то сперва образуются карбиды с более активными из них (согласно вышеуказанному ряду). В стали, содержащей карбидообразующие элементы в большом количестве, образуются простые и сложные карбиды.
Простые карбиды имеют химическую формулу (Fe, М)3С, где М — легирующий элемент в стали.
Сложные карбиды (Сг,Ре)7С3; (Сг, Рс)23С6 и др. образуются на основе цементита путем замещения атомов основного металла легирующим элементом.
Актирующие элементы, растворяясь в феррите или аустените, оказывают разное влияние на полиморфизм железа. *
Одни легирующие элементы (аустепитообразующие) расширяют ^-область, повышая точку Л4 (см, рис- 40) и понижая точку Л3.
Другие легирующие элементы (ферритообразующие) сужают 7- область и расширяют a-область. Они понижают точку А4 и повышают точку Л 2*
К элементам первой группы относятся Мп, Ni, С, N; Си, Cd, а к элементам второй группы — Zn, В, Be, Al, Si, V, Ti, Mo, W, Ta, Nb, Cr.
Легирующие элементы, растворимые в феррите, изменяют его свой-
ства, а следовательно, и свойства стали, так как феррит является ос- новой многих структур стали.
Все легирующие элементы сдвигают точки Е и S влево.
Легирующие элементы, растворенные в аустените (за исключением кобальта), уменьшая критическую скорость закалки, увеличивают прокаливаемость и улучшают закаливаемость стали. Это позволяет получать высокие механические свойства в больших сечениях и применять при закалке в качестве охлаждающей среды масло или воздух, что способствует уменьшению внутренних напряжений.
При закалке легированной стали в ней остается больше остаточного аустенита, чем в углеродистой. При отпуске легирующие элементы оказывают существенное влияние на превращения, что часто делает необходимым проводить отпуск при более высоких температурах. При одинаковых температурах отпуска твердость легированной стали будет больше, чем углеродистой.
Легированные стали содержат три фазы: легированный феррит, легированный аустенит и легированный цементит (карбиды). Легированный феррит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в а-жслезе. Свойства легированного феррита улучшаются по мере увеличения легирующих элементов. Легированный аустенит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в у-железе, Легированный аустенит увеличивает прочность стали не только при комнатных температурах, но и при повышенных, а также сущест- венно изменяет коррозионные, магнитные и электрические свойства.
Легированным называют иементит» в котором часть атомов железа заменена атомами легирующего элемента.
Классификация легированных сталей
Согласно существующим стандартам легированные стали классифицируют по химическому составу, микроструктуре и назначению.
Для обозначения марок стали по ГОСТу принята буквенно-цифровая система. Буквы обозначают присутствие в стали определенного элемента; цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных — в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Буквами обозначены следующие Элементы:
А — азот Б — ниобий
К — кобальт
М — молибден
С — кремний Т — титан
В — вольфрам
Н — никель
Ф — ванадий
Г — магний
П — фосфор
X — хром
Д— медь Е — селен
Р — бор
Ю — алюминий
Если содержание элементов не превышает 1,5%* то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35XH3MA —высококачественная, содержащая 0,35% С, 1% Сг, 3% Ni, 1% Ato.
По химическому составу легированные стали разделяют на тройные, содержащие один легирующий элемент (хромистые, никелевые, молибденовые); четверные, содержащие два легирующих элемента (хромоникелевые, хромомарганцевые и т. д.), и сложные, содержащие три, четыре и более легирующих элементов (хромомар- ганцевоникельтитановая сталь и т. д*).
По химическому составу легированные стали делятся на три класса: низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5%; среднелегированные — от 2,5 до 10%и высоколегированные, содержащие более 10% таких элементов.
Нержавеющие, шарикоподшипниковые, быстрорежущие и некоторые другие легированные стали выделены в особые группы; они имеют следующее буквенное обозначение: быстрорежущие — Р, хромистые нержавеющие — Ж, шарикоподшипниковые — Ш, хромоникелевые нержавеющие — Я, магнитые — Е.
Классификация по структуре, В зависимости от структуры, получаемой после нормализации, легированные стали делят на пять классов: перлитная, мартенситная, аустенитная, ферритная и карбидная (ледебуритная).
Стали перлитного класса содержат незначительное количество легирующих элементов (обычно не более 5—6%), хорошо обрабатываются давлением и резанием. После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска заметно повышают механические свойства. Большинство конструкционных и инструментальных сталей относятся к сталям перлитного класса.
Стали мартенситного класса содержат значительное количество легирующих элементов, характеризуются высокой твердостью, трудно обрабатываются резанием; вследствие этого нс получили широкого распространения. Структура этих сталей —легированный мартенсит и избыточные карбиды.
Стали аустенитного класса содержат большое количество (от 12 до 30% и более) легирующих элементов, расширяющих 7-область (Мп, Ni, Сг). Эти стали обладают высокими прочностными свойствами, большой пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением коррозии, а также приобретают такие ценные свойства, как износостойкость, жаропрочность, немагнитность и другие особые свойства. Эти стали не подвергают упрочняющей термической обработке, так как они не претерпевают фазовых превращений в твердом состоянии, сохраняя аустенитную структуру.
Стали ферритного класса также содержат большое количество легирующих элементов (Сг, W, Si), малое количество углерода. В твердом состоянии ферритные стали не претерпевают фазовых превращений и поэтому их нс подвергают упрочняющей термической обработке, имеют структуру феррита и небольшого количества карбидов.
Сталь карбидного класса (ледебуритная) содержит значительное количество углерода и карбидообразующих элементов (Сг, W, Мп, Ti, Zr). В этой стали образуются сложные карбиды, располагающиеся в основной металлической массе, которая в зависи-
мости от химического состава может быть сорбитной или мартенситной. Стали этого класса имеют высокую твердость и износостойкость.
При ковке стали карбидного класса включения карбидов равномерно распределяются в основной металлической массе в виде глобу- лей.
Из стали карбидного класса изготовляют главным образом режущие инструменты.
По структуре в отожженном состоянии легированные стали делятся на четыре группы: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.
Классификация по назначению. По назначению легированные стали разделяют на три класса конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.
Конструкционные стали подразделяются на два подкласса: стали, применяемые при обычных температурах, и стали, применяемые при повышенных температурах.
Инструментальные стали подразделяются на три подкласса: для режущего инструмента, для штампового инструмента и для измерительного инструмента.
Стали с особыми свойствами, т. е. стали, обладающие специальными физическими, химическими и механическими характеристиками.
Легированные конструкционные стали
Легированные конструкционные стали должны обладать высокой прочностью, твердостью, пластичностью, вязкостью, выносливостью при ударных и знакопеременных нагрузках. Одновременно эти стали должны быть экономичными и иметь хорошие технологические свойства. Сочетание механических и физических свойств позволяет легированным сталям повысить реальную конструктивную прочность деталей машин и конструкций.
Обычно легированные конструкционные стали после закалки в масле и отпуске при температуре 300—400° С приобретают более высокие механические свойства, чем углеродистые конструкционные стали, благодаря более глубокой прокаливаемости, а следовательно, и более однородным свойствам по сечению детали. Однороднее происходит упрочнение феррита и измельчение зерен стали. Наиболее высокие механические свойства достигаются при легировании конструкционной стали нисколькими элементами.
Низколегированные конструкционные ста- л и широко применяют в строительстве и машиностроении. Atapanw- цовистые стали марок 15г, 20г,..., 50 Г, 40Г2 и др. (ГОСТ 4 543—71) содержат 0,7—1,8% Мп. Марганец недефицитный элемент; в стали образует с ферритом и аустенитом твердый раствор, а с углеродом — карбиды, Он увеличивает прокаливаемость стали, так как придаст устойчивость аустениту и снижает критические точки.
Марганцовистые конструкционные стали, содержащие более 1,5%Мп, имеют повышенную склонность к отпускной хрупкости; их ударная вязкость резко снижается при медленном охлаждении после отпуска.
Кремнистые стали марок 50С2, 55С2, 60С2, 7ОСЗА содержат кремния от 1,5 до 2,8 % (ГОСТ 14959—69). Кремний также недефицитный легирующий элемент; из кремнистой стали изготавливают рессоры и пружины. После закалки в масле и отпуске при 300—400° С такая сталь приобретает высокую прочность, ударную вязкость и пластичность.
Хром в СССР не является дефицитным легирующим элементом, поэтому хромистые конструкционные стали широко применяют в промышленности- Хром снижает критическую скорость закалки и увеличивает прокаливаемость стали, повышая устойчивость аустенита. После закалки и высокого отпуска в стали повышается предел прочности и текучести, пластичность почти не изменяется, а твердость повышается благодаря образованию карбидов, вязкость несколько снижается. В машиностроении широко применяют хромистые конструкционные стали марок 15Х, 20Х,..., 50Х (ГОСТ 4543—71) с содержанием 0,7—1,1% Сг.
Широкое распространение имеет сталь марки 15ХА. Изделия из этой стали подвергают цементации. Для получения в цементованном слое мартенситной структуры и высокой твердости сталь марки 15ХА закаливают с охлаждением в масле для уменьшения деформаций изделия.
Добавка 0,1% V к хромистой стали измельчает структуру металла. Это положительно влияет на пластичность стали, уменьшает склонность ее к перегреву, повышает механические свойства (особенно ударную вязкость).
Из стали марки 40X изготовляют коленчатые валы и другие ответственные детали. Сталь марки 50ХФА предназначена для изготовления особо ответственных пружин.
Хромомолибденовую сталь 35ХМА применяют для изготовления вы соконагруженных болтов, шпилек, шестерен, валов. Присадка в сталь 0,4—0,55% Мо увеличивает ее прокаливаемость, уменьшает склонность к перегреву и устраняет отпускную хрупкость. Благодаря хорошей свариваемости хромомолибденовую сталь используют в сварных конструкциях.
Хромокремнемарганцовистая сталь 13ХГСА и другие хорошо свариваются. Из этой стали изготовляют валики, оси и сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках.
Никель— очень полезный, но в то же время дефицитный легирующий элемент; его следует применять лишь там, где другие легирующие элементы не могут обеспечить требуемых параметров. Никель увеличивает прокаливаемость стали, повышает устойчивость аустенита и уменьшает критическую скорость закалки. После закалки к отпуска прочность никелевых сталей повышается без заметного уменьшения пластичности и вязкости металла. Чисто никелевые стали не получили широкого применения, так как сложные стали, в которых 148 *
никель используется в сочетании с другими легирующими элементами обладают лучшими свойствами. Хромоникелевые стали (ГОСТ 454371) обладают высокими механическими свойствами и большой прокаливаемостью, Сталь марок ЗОХНА и 40ХН используют для изготовления вы соконагружаемых изделий различных сечений.
Сталь марок 12ХНЗА и 12ХН4А служит для изготовления зубчатых колес, валов, пальцев, осей и других деталей, подвергаемых цементации.
Большое применение получила также хромоникельвольфрамовая сталь (18ХНВА), Ее применяют после закалки и низкого отпуска, а также после цементации с последующей закалкой и отпуском.
Легированные строительные стали
В течение многих лет основным материалом для строительных стальных конструкций была только малоуглеродистая сталь. Однако такая рядовая сталь не может полностью удовлетворить растущие потребности строительной техники.
Стремление к снижению массы (веса) строительных конструкций и уменьшению их сечений, а также необходимость применения сталей с более высокими физико-механическими свойствами, повышенной коррозионной стойкостью и пониженной чувствительностью к хладо- ломкости и старению вызвали необходимость замены углеродистых сталей низколегированными,
Низколегированные стали (ГОСТ 5058—65) применяют в строительстве для сварных и клепаных конструкций.
Наибольшее применение в строительной технике для металлических конструкций получили низколегированные стали марок 10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС, 10Г2СД, 09Г2, 14Г2 и др. Для улучшения структуры, уменьшения ее чувствительности к старению и хладоломкости иногда вводят (в сотых долях) титан, бор, вольфрам, ванадий, цирконий. Низколегированные стали понижают температуру перехода в хрупкое состояние; при температурах ниже —40° С их ударная вязкость не должна снижаться более чем на 50%.
Низколегированные строительные стали обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью, После старения при 40° С ударная вязкость этих сталей должна составлять не менее 0,3 МДж/м2 (3 кгс-м/см2), Предел текучести пй 2 является основной характеристикой стали при расчете элементов строительных конструкций, Если у углеродистых сталей о0 8 220—230 МН/м2 (22—23 кге/мм2), то для низколегированной а^2 = 3404-370 МН/м2 (34—37 кге/мм2), т. е. в 1,5 раза выше. Низколегированные строительные стали обладают высокой пластичностью (6 = 18—20%, ф = 45—50%) и ударной вязкостью вдоль волокна аы — 0,8 МДж/м2 (8 кгс-м/см2) и поперек волокна йн — 0,6 МДж/м2 (6 кгс-м/см2).
Для армирования железобетонных конструкций применяют сталь марок 18Г2С, 20ХГ2С (ГОСТ 5058—65),
§ 5» Легированные инструментальные стали
Эти стали применяют для изготовления инструмента в тех случаях, когда углеродистая сталь является недостаточно стойкой в работе. Низколегированные инструментальные стали сохраняют высокую твердость при температурах до 250° С, а высоколегированные — до 600° С.
Рис. 54. Графики термической обработки стали Р18
Низколегированные инструментальные стали марок X, 9ХС, ХГ, ХВГ и некоторые другие относятся к группе эвтектоидных изаэвтек- тоидиых сталей. По сравнению с углеродистыми эти стали обладают несколько большей твердостью и износоустойчивостью.
Высоколегированные инструментальные стал и содержат значительное количество карбидообразующих элементов, которые повышают способность стали сохранять твердость и режущие свойства инструмента при повышенных температурах (красностойкость). Обычно для изготовления режущих инструментов применяют сталь марки Р18 (0,8% С, 18% W, 4% Сг и 1,5%V)H сталь марки Р9 (0,9% С, 9% W, 4% Сг и 2—2,5% V) после соответствующей обработки. Эти стали называют быстрорежущими; изготовленные из них инструменты могут работать при высоких скоростях резания. *
Структура литой быстрорежущей стали состоит из перлита, ледебурита и вторичных карбидов. После обработки давлением и отжига получаем структуру из сорбитообразного перлита и избыточных карбидов, w
Высокие режущие свойства быстрорежущая сталь получает после соответствующей термической обработки (рис. 54). При закалке этой стали из-за плохой ее теплопроводности нагрев до 850°С дол жен быть очень медленным во избежание термических напряжений и образования трещин с последующей выдержкой при этой температуре. Нагрев с 850 до 1300° С, когда сталь уже находится в достаточно пластическом состоянии, наоборот, должен быть очень быстрым, выдержка кратковременная, чтобы предотвратить обезуглероживание поверхности инструмента. Высокие температуры при закалке стали Р18 (1250—1300° С) требуются для возможно более полного растворения вторичных карбидов в аустените. После нагрева до указанных температур закалки и надлежащей выдержки инструменты охлаждают в масле или на воздухе.
В результате закалки получается структура, состоящая из мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов. После закалки твердость быстрорежущей стали равна HRC 61—63.
Для получения необходимых свойств закаленный инструмент подвергают высокому отпуску при температуре 560°±Ю°С. При этом из мартенсита выделяются карбиды вольфрама и ванадия, которые повышают твердость инструмента. Кроме того, происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит* Для некоторых видов инструментов широко применяют ступенчатую закалку быстрорежущей стали в расплавленных солях при 590—550° С.
Однократный отпуск стали марки Р18 (рис. 54, б) не обеспечивает перевода всего остаточного аустенита в мартенсит. Поэтому для получения наилучших режущих свойств применяют многократный отпуск стали Р18 (чаще всего три отпуска в течение 1 ч каждый, рис. 54, а). Твердость повышается до HRC 64. В некоторых случаях возможно применение режима /// (рис. 54, в); после каждого отпуска охлаждение проводят при температуре 300° С в течение 3 ч. Обработка быстрорежущей закаленной стали холодом при —80° С, во время которой значительная часть остаточного аустенита переходит в мартенсит, позволяет ограничиться однократным отпуском. После указанной термообработки структура состоит из мартенсита и карбидов. Для повышения режущих свойств инструмент из быстрорежущей стали после отпуска иногда подвергают низкотемпературному цианированию.
Стали с особыми свойствами
Легированные стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами можно разделить па пять классов: нержавеющие; жаростойкие (окалиностойкие, термостойкие) и жаропрочные; износоустойчивые; магнитные; с особыми тепловыми свойствами.
Нержавеющая сталь обладает высоким сопротивлением коррозии в различных агрессивных средах. Наиболее широкое применение по- лучили нержавеющие стали, содержащие 0,1—0,45% С и 12—14% Сг. Хром образует на поверхности стали тонкую и плотную пленку окиси хрома, которая надежно защищает изделие от разрушения в агрессивной среде. Высокой коррозионной стойкостью обладают также хромоникелевые стали аустенитного класса (0,12—0,14% С, 17—20% Сг и 8—11% Ni),
Жаростойкие стали (окалиностойкие) — это сплавы, которые в течение длительного времени при температурах выше 550° С не разрушаются с поверхности под действием газовой среды.
Жаростойкие сплавы и стали применяют для изготовления деталей, подвергающихся воздействию высоких температур, но не испытывающих большой нагрузки. В некоторых случаях такие стали используют для нагревательных элементов печей.
Жаропрочные стали и сплавы должны иметь не только достаточную окалиностойкость, но и сохранять механические свойства при высоких температурах.
В состав жаростойких сплавов вводят хром, алюминий и кремний, которые увеличивают сопротивляемость стали воздействию окислительных газов (газовой коррозии) при высоких температурах. Действие этих элементов основано на образовании тонких, плотных окисных пленок па поверхности стали и сплавов, защищающих основной металл от окисления.
Хршшстая сталь (12—14% Сг) обладает достаточной окалино- стойкостью до 750—800° С. При содержании в стали 15—17% Сг окалиностойкость сохраняется до 850—1000° С, а при 30% Сг—до 1100° С.
Сложные легированные стали* содержащие большое количество кремния, хрома, никеля (Х6СЮ, 4Х9С2, 1Х12СЮ, Х18Н25СЮ), обладают высокой окалиностойкостью при нагреве от 800 до 1100° С.
Для изготовления деталей, подверженных действию высоких температур и давления, обычно применяют хромоникелекремнистую сталь марки Х25Н20С2. Детали паровых и газовых турбин и клапаны изготовляют из более сложной стали марки 4Х14Н14В2М.
Из группы износостойких сталей упомянем марганцовистую сталь (0,9— 1% Си около 12—14% Мп), которая после закалки в воде при 1000—1050° С имеет чисто аустенитную структуру. Эту сталь применяют для изготовления деталей, которые при большой вязкости должны обладать и высокой сопротивляемостью износу (черпаки и козырьки землечерпательных машин, экскаваторов, драг, дробильные щеки, железнодорожные стрелки и крестовины).
Магнитные стали разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнито мягкие стали используют для изготовления сердечников, трансформаторов, генераторов, электромоторов и электромагнитов (динамная и трансформаторная стали). Эти стали должны обладать высокой магнитной проницаемостью, малыми потерями на гистерезис и на вихревые токи. Коэрцитивная сила этих сталей должна быть небольшой. *
Магнитотвердые стали необходимы для изготовления постоянных магнитов, которые устанавливают в ряде измерительных приборов, радиоаппаратуре и т. д, Эти стали должны обладать высокой коэрцитивной силой и высокой остаточной индукцией. Постоянные магниты изготовляют из сложных сталей, легированных Со, W, Сг, Ni, Си и AL
Высокие магнитные свойства и их стабильность в магнитотвердых сталях достигаются не только путем введения определенных количеств легирующих элементов, но и при соблюдении специальных режимов термической обработки. Сначала проводят нормализацию при температуре 1100—1250° С, затем нагрев под закалку до температур 830— 850° С с охлаждением в масле и, наконец, отпуск при 100° С (охлаждение на воздухе).
Стали с большим содержанием никеля (35—44%) н малым содержанием углерода (до 0,35%) имеют аустенитную структуру, что обеспечивает низкий коэффициент их теплового расширения при нагреве.
Известны стали трех марок с особыми тепловыми свойствами: инвар (36% Ni) и супер-инвар (31% Ni и 50% Со), платинит (42% Ni) и элинвар (Х8Н36), Коэффициент линейного расширения инвара от —50 до 4-100° С близок к нулю. Однако при температуре выше 100° С этот коэффициент повышается и при 275° С становится больше коэффициента линейного расширения обыкновенных сталей. Инвар применяют в точном приборостроении (геодезические и оптические при* боры).
Платинит имеет коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту линейного расширения стекла, хорошо припаивается к нему (заменяет дорогую платину),
Элинвар отличается постоянным модулем упругости, практически не изменяющимся в пределах температур от —50 до 4-100° С Из элинвара изготовляют часовые пружины, камертоны и детали многих физических приборов.
Твердые сплавы и керметы
Твердые сплавы, изготовленные на основе тугоплавких карбидов, отличаются высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, жаростойкостью и хорошим сопротивлением коррозии.
По способу производства они разделяются на литые и металлокерамические, получаемые спеканием порошков карбидов вольфрама и титана с кобальтом или никелем.
Литые сплавы — стеллиты — содержат до 2,5% С; около 40% Сг; 13—17% W; 50—55% Со и незначительное количество никеля; они обладают высокой твердостью (HRC до 65).
Заменители стеллитов — сормойты — содержат около 3% С; 30% Сг; 60% Fe, имеют твердость HRC около 60,
Сталинит не содержит дефицитного вольфрама (10% С; 18% Сг; 15% Мп и 57% Fe); имеет очень высокую твердость (HRC 65), Эти сплавы выпускаются в виде прутков диаметром 5—10 мм и длиной 200— 300 мм. Благодаря высокой твердости при температурах 600—800° С
они применяются для покрытия деталей машин, работающих при высоких температурах,
Для получения металлокерамических твердых сплавов используется порошкообразная смесь карбидов вольфрама и металлического кобальта (иногда также карбида титана), которую подвергают прессованию и последующему спеканию, В готовом виде металлокерамический твердый сплав состоит из мельчайших зерен карбидов вольфрама (и титана)» связанных между собой кобальтом. Эти сплавы облачают особо высокой твердостью (HRC до 85) вплоть до температуры 800—900° С,
Пример обозначения вольфрамокобальтового твердого сплава, спекаемого на базе карбидов вольфрама, где в качестве связующего служит кобальт: ВК2, ВК6, ВК15. Цифра, стоящая после букв, показывает содержание кобальта; так, например, сплав ВК8 содержит 92% карбидов вольфрама и 8% кобальта,
Титановольфрамовые твердые сплавы обозначают так: ТК15, Т5КЮ, Т30К4. Примерный состав сплава Т14К8: 78% карбидов вольфрама, 14% карбидов титана и 8% кобальта- Микроструктура вольфрамокобальтовых сплавов состоит из двух фаз: карбидов вольфрама и твердого раствора вольфрама и углерода в кобальте. Микроструктура титановольфрамовых твердых сплавов состоит из карбидов вольфрама и титана и твердого раствора на основе кобальта с карбидами вольфрама и титана.
Для деталей, работающих при высокой температуре, от которых требуется одновременно жаропрочность, окалиностойкость, коррозионная стойкость и твердость, применяют керметы.
Керметами называют порошковые сплавы, являющиеся сочетани* 1 ями металлов и неметаллических материалов (карбидов, окислов, нитридов, боридов, силицидов). Связующим материалом могут служить порошки никеля, кобальта, хрома и др.
Температуру до 500°С хорошо выдерживают керметы на алюминиевой основе (сплав САП, состоящий из 80% А1 и 20% А12О3).
Глава XV
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ. АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Алюминий и сплавы на основе алюминии
Алюминий — металл ссребристо-белого цвета, трехралентен, находится в II группе периодической системы элементов, порядковый номер 13. Его атомный радиус 1,43А; имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с параметром от 4,041 до 4Д47А, изменяющимся в зависимости от чистоты алюминия. Плотность алюминия в зависимости от температуры имеет следующие значения:
Температура, ~С .. . ,20100400
Плои юс гь. кг;м3 .....,.,, 27032690 2620
В зависимости от чистоты температура плавления алюминия колеблется от 667 до 660° С. Чистый алюминий обладает высокой пластичностью (8^40%), небольшой прочностью (пв^80 МН/м2 (МПа), высокой электропроводностью, относительно высокой теплопроводностью, теплоемкостью и коррозионной стойкостью на воздухе. В зависимости от содержания примесей чистый алюминий по ГОСТ 11069—64 подразделяется на особо чистый А999 (99,999% А1) и высокой чистоты А99, А995, А97, А95 и технически чистый А85, А8, А7, Аб, А5 и т. д. Примеси значительно снижают электропроводность, теплопроводность и пластические свойства алюминия.
Низкий предел прочности чистого алюминия сильно ограничивает область его применения. В качестве конструкционных материалов промышленность широко применяет сплавы алюминия с другими металлами и неметаллами, сочетающие в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики добавок. За последние годы в технике нашли применение многокомпонентные легированныесплавы на основе алюминия, которые по своим прочностным и другим свойствам конкурируют с традиционными сплавами на основе железа и других металлов.
Все сплавы на основе алюминия подразделяются на два класса — деформируемые и литейные.
Деформируемые алюминиевые сплавы. В зависимости от химического состава деформируемые сплавы можно разделить на следующие семь групп: сплавы на основе системы А1—Мп (АМц); сплавы на основе системы А1—Mg—Si (АД31, ДДЗЗ, АД35, АВ); сплавы на основе системы А1—Си—Mg (Д1, Д16, В65, ВД17, Д18, Д19); сплавы на основе системы Al—Mg—Ain (AMrl, АМг2, АМгЗ, АМгб, АМгб); сплавы на основе системы А1—Mg—Zn—Си (В93, В94, В95, В96); сплавы на основе системы А1—Си—Mg—Ni—Fe (АК2, АК4, AK4-I); сплавы на основе системы А1—Si—Mg—Си (А Кб—АК8).
Алюминиевые деформируемые сплавы разделяются на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
Деформируемые алюминиевые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют специальные буквенные обозначения, указывающие характер этой обработки; М (мягкий) — отожженный; Н — нагартованный, Т — термически обработанный (после закалки и естественного старения), Т1 — после закалки и искусственного старения, TH ■— нагартованный после закалки и естественного старения, ТНВ — нагартованный после закалки и естественного старения с повышенным качеством выкатки, О — отожженные листы с повышенной выкаткой, А — плакированные листы, Б — без плакировки (листы), УП — утолщенная плакировка, Р — сплав для заклепок. По новому ГОСТу принята единая цифровая маркировка.
Обработкой давлением в холодном или горячем состоянии из этих сплавов изготавливают трубы, уголки, тавры, плиты, листы и т. д.
Высокопластичные термически неупрочняемые сплавы разделяют на «мягкие» (АД, АДО, АД1, АМц, АМг, АМг2) и «твердые» (АМгЗ, АМгб, АМгб). Содержание магния в этих сплавах
колеблется от 2 до 7%, а марганца 1,0—1,6%. По структуре эти сплавы представляют однородный твердый раствор марганца, магния, меди и других элементов в алюминии, Упрочнение указанных сплавов достигается деформацией в холодном состоянии (наклеп, нагартовка).
В строительстве и мостостроении термически иеупрочняемые алюминиевые сплавы применяют для несущих сварных конструкций (фермы, арки, балки и т, д.), малонагруженных и ненагруженных эле* ментов конструкций здания (кровельные настилы, стеновые панели, дверные и оконные переплеты, арматурные детали).
В строительстве применяют сплавы АМгбМ (5,8—6,8% Mg, 0,5— 0,8% Мп, 0,02—0,1 % Ti), АМг5 (4,7—5,7% Mg, 0,2—0,6%Мп), АМгЗМ (3,2—3,8% Mg, 0,3—0,6% Мп, 0,5—0,8% Si), АМг5ВМ (4,8—5,5% Mg, 0,3—0,6% Мп, 0,02% V). Все эти сплавы обладают высокой коррозийной стойкостью.
Сплав марки АМгб в состоянии поставки (АМгбМ) обладает следующими механическими свойствами: ав = 320 МН/м2 (МПа); НВ 800 МН/м2 (МПа), 6 =20%. Прочность этого сплава по сравнению со сталью марки СтЗ в 1,9 раза больше; по сравнению с легированной сталью марки 15ХСНД — в 1,38, а марки 10ХСНД— в 1,17 раза.
Сплав высокой прочности АМг4ВМ (ов = 280 МН/м2 (МПа), 5 — 15%) применяют для сварных ответственных конструкций.
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы этой подгруппы приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Эти сплавы делят на авиали (АВ, АД31, АДЗЗ), дуралюмин (Д1, Д16; А Кб, АК8), сплавы высокой прочности (В96, В95) и специальные сплавы, работаю* щие при повышенных температурах — жаропрочные (АК4, АК4-1, ВД17). Термическая обработка заключается в закалке и последующем старении- Изменение структуры можно проследить по диаграмме состояния системы А1—Си (рис. 55). Выбор температуры закалки определяется левой частью этой диаграммы. При обычной температуре содержание Со составляет 0,5%; с возрастанием температуры растворимость меди в алюминии увеличивается при эвтектической темпера* туре (548° С).
Из диаграммы видно, что алюминий с медью образует ограниченные твердые растворы различной концентрации (в зависимости от температуры) и химическое соединение СиА12- Сплавы А1—Си, содержащие до 0,5% Си, после медленного охлаждения имеют однофазную структуру а-раствора меди в алюминии; при содержании 0,5— 5,7% Си — двухфазный а-раствор Ч СиА12. Если этот двухфазный сплав нагреть до температуры выше линии предельной растворимости меди в алюминии, то химическое соединение Си А12 растворится в алюминии и сплав станет однофазным. Это обстоятельство используется При закалке А1—Си сплавов. При быстром охлаждении примерно с температуры 550° С СиА12 не успевает выделиться из а -твердого раствора и последний зафиксируется в неустойчивом метастабильном состоянии. Эгот пересыщенный твердый раствор сохраняется, как правило, около 30 мин ^инкубационный период) и вдальнейщем распадает-
ся с выделением соединения СцА12. Происходит процесс старения. После старения прочность и твердость увеличиваются, Во время инкубационного периода можно осуществлять пластическую деформацию. По окончании этого периода производить ковку, гибку, отбортовку
невозможно.
Естественное старение протекает при комнатной температуре и заканчивается через 4—7 суток* При искусственном старении этот
процесс протекает при температуре 150—180° С с выдержкой 2—3 ч.
Выделившиеся дисперсные частииы (6'-фаза) не отличаются по химсоставу от СнА12 и вызывают упрочнение сплава; так, например, если алюм иниевомедный сплав после отжига имеет предел прочности разрыву сгв=200 МН/м3 (МПа), и свежезакаленный сплав 250 МН/м2 (МПа), то после старения прочность повышается до 400 МН/м2 (МПа).
Если сплав после естест
Рис. 55. Часть диаграммы состояния сплавов системы алюминий — медь: ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектикаРис. 55. Часть диаграммы состояния сплавов системы алюминий — медь: ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектикавенного старения подвергнуть кратковременному нагреву при 150—250° С, то он вновь приобретает свойства свеже- закаленного сплава (явление
Рис. 55. Часть диаграммы состояния сплавов системы алюминий — медь: ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектика
Рис. 55. Часть диаграммы состояния сплавов системы алюминий — медь: ж. с. — жидкий сплав, з — эвтектика
возврата). Это широко используют на практике при выполнении различных технологических операций, связанных с пластической деформацией.
С течением времени сплав, обработанный на «возврат», вновь под
вергается естественному старению*
К сплавам низкой прочности ав < 300 МН/м2 (МПа) относятся марки АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг4,АМг5, Они обладают хорошей коррозийной стойкостью* Средней прочностью пв — 300 до 450 МН/м3 (МПа) обладают ковочные сплавы АК4, АК6, АК8, а также дуралю- мин Д1, Д16, Д19 и др. Их применяют после закалки и искусственного или естественного старения. Холодная пластическая деформация со степенью обжатия 5—10% повышает прочностные свойства дуралюмипа* Сплавы высокой прочности (ав>450 МН/м8) типа В93, В95 применяют после закалки и искусственного старения*
Литейные алюминиевые сплавы находят в промышленности широкое применение. ГОСТ 2685—63 предусматривает более 35 марок литейных алюминиевых сплавов, которые можно разделить на шесть основных групп (по химическому составу):
На основе системы А1—Si (силумины): АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9, АЛ4М, ВАЛ5 и др*; Al—Mg: АЛ8, АЛ 13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1,
АЛ27, АЛ27-1, АЛ28, АЛ29 и др.; Al—Си: АЛ7; АЛ19; Al—Zn: АЛ 11, АЛ24; поршневые: АЛ10В, АЛ25, АЛ26, АЛЗО; жаропрочные: АЛ1, АЛ20, АЛ21, ВАЛЬ, АЦР-1 и др.
Химический состав некоторых из этих сплавов представлен в табл. 3.
Таблица 3
Химический
составж %
А1 —основа
Марка
сплава
Mg
Si
Мп
См
Ti
Прочие элементы
АЛ2
10,0—13,0
АЛ4
0,17—0,3
8,0—10,5
0,2—0.5
АЛ9
0,2—0,4
6,0—8,0
АЛ7
4,0-5,0
АЛ9
—
0,6—1,0
4,5-5,8
0.15—0,35
АП27
9,5-11,5
0,05—0,15
0,05-0,1 Sb
0,05—0,20 Zr
АЛ 13
4,5-5,5
0,8—1,3
0,8—1,2
0,1—0,4
—
—
АЛ22
10,5—13,0
—
—
0,05—0,15
0,03—0,07 Be
АЛ23
6,0—7,0
—
—
—
0,05—0,15
0,05—0,20 Zr
0,02-0,1 Be
АЛ 28
4,8-6,3
—
0.4—1,0
—-
0.05—0,15
—
АЛЗ
0.35-0.6
4.5-5,5
0,6—0,9
1,5—3,0
—
■—
АЛ6
—
4,5—6,0
—
2,0—3,0
—
—-
АЛ10В
0,2-0,5
4,5—6,5
—.
6,0—8,0
—
—
АЛ15В
—
3,0—5,0
0,2—0.6
3,5-5,0
—
—
АЛ1
1,55-1,75 0,1—0,3
-—
—
3,75—4,0
—
1,75-2,25 Ni
АЛ11
6,0—8,0
—
—
—-
7,0—12,0 Zn
АЛ18
—
1,5-2,5
0,3—0,8
7,5-9,0
—
1,0—1,8 Fe
АЛ20
0,7—1,2
1,5—2,0
0,15—0,3
3,5—4.5
0,05—0,1
1,2—1,7 Fe
АЛ24
1,5—2,0 0,4—0,7
—
0,2—0,5
0,1—0,2
3,5-4,5 Zn
АЛ 26
20,0—22,0
0.4—0,8
1.5
0,1—0,4 Cr
2,5
—
1,0—2,0 Ni
АЛЗО
0,8—1,3
11,0—13,0
—
0,8
—
0,8 Ni
1,5
—
0,8—1,3 Ni
Химический состав некоторых литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 2685—63)
Рис. 56. Диаграмма состояния AI — Si (а) и микроструктуры силумина марки АЛ2: до модифицирования (б) и после модифицирования (в)
Таблица 4
В зависимости от условий работы детали и химического состава сплава выбирают тот или иной вид термической обработки. Классификация этих видов в зависимости от назначения детали приведена в табл. 4.
Сплавы на основе системы А1—Si (силумины) (рис. 56) обладают хорошими литейными и достаточно высокими механическими свойствами: высокой жидкотекучестью (от 350 до 420 мм при 700° С), небольшой литейной усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин, хорошим отпечатком по полости формы, достаточно высокой 158
Вид термической обработки и его обозначение
Назн ачение
Искусственное старение без закалки Т1
Улучшение обрабатываемости резанием для повышения чистоты поверхности. Повышение механической прочности (до 20%) деталей из сплавов АЛЗ. АЛ5 и др.
Отжиг Т2
Снятие литейных и термических напряжений, а также наклепа. Повышение пластичности сплава
Закалка Т4
Повышение прочностных характеристик и коррозийной стойкости деталей, работающих при температурах до ЮО^С
■ Закалка-(-неполное искусственное старение Т5
Получение высокого предела прочности при сохранении хорошей пластичности
Закалка-(-полное искус-
1сгеенное старение Тб
Получение максимальной прочности при некотором снижении пластичности
Зака лка--ст абилизирующий отпуск Т7
Получение достаточно высокой прочности и высоких стабильных свойств по структуре и объемным изменениям
Закалка + смягчающий отпуск Т8
Получение повышенной пластичности и стабильных размеров при некотором снижении прючностных характеристик
Классификация видов термообработки деталей из литейных алюминиевых сплавоа
прочностью и удовлетворительной пластичностью (от 2,5 до 8%). Механические свойства и режимы термической обработки некоторых сплавов этой группы приведены в табл. 5.
Таблица 5
Механические свойства и режимы термообработки (ТО) некоторых силуминов
Способ личья
о
СП?
X at
Способ
р
I
55
не менее
не менее
АЛ9
3, о, в, к
—
16
2
50
ВАЛ5
зм
ТБ
30
2
100
д
—
17
1
50
АЛ4М
км
Т5
30
3
90
з,о,в,к,д
Т2
14
2
45
зм
Т5
30
2
90
к
Т4
19
4
50
АЛБ
3,0,в, к
TI
16
0,5
65
3,0,в
Т4
19
4
50
з.о.в
Т5
20
0,5
70
к
Т5
21
2
60
3,0,в
Тб
■ 23
0,6
70
3,0,в
15
20
2
60
з.о.в. к
Т7
18
1
зм.ом.вм
Тб
23
1
70
зм.ом.вм
Т7
20
2
60
зм ,ом,вм
та
16
3
55
Примечания: 1)3 — литье в землю; О — оболочковое литье; К — литье в кокиль; Д—литье под давлением; В — литье по выплавляемым моделям; М —модифицированное состояние.
2) J кгс/ммг = 10 МНумг (МПа).
Сплавы на основе системы AI—Mg обладают высокими свойствами (о и 8), хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозийную стойкость. Высокая удельная прочность ос/у (т. е. с учетом плотности) сплавов па основе А1—Mg позволяет широко применять их в качестве конструкционных материалов, работающих в условиях повышенных статических и удар
ных нагрузок в различных климатических условиях. Режимы термообработки (ТО) и механические свойства некоторых сплавов этой группы представлены в табл. 6.
Таблица 6
Механические свойства сплавов на основе системы AI— Mg
Сплав
Способ литья*
о
ю?
Сплав
Способ лнтья*
д
5?
2м
не менее
не менее
АЛ8
з.о.в, к
Т4
29
9
60
АЛ13
з.о.в, к
15
1
55
АЛ 27
3,0, к, д
Т4
32
12
75
д
17
0,5
55
АЛ27-1
з.о.к, д
Т4
35
15
. 75
АЛ29
д
21
3
60
АЛ23-1
3,0,к
Т4
25
10
60 I
• См. примечания к табл. 5.
Промышленные сплавы на основе системы А1 — Си характеризуются высокими физико-механическими свойствами, повышенной жаропрочностью и хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные свойства и герметичность (т. е. непроницаемость для газов и жидкостей, часто в условиях повышенных давлений) этих сплавов несколько хуже, чем у силуминов (это обусловлено широким температурным интервалом кристаллизации); коррозийная стойкость невысокая.
Классическими представителями сплавов на основе системы А|—Zn являются сплавы АЛ 11 и АЛ24. Согласно диаграмме состояния этих сплавов цинк имеет высокую растворимость в алюминии, образуя твердый раствор а, крайне неустойчивый при повышенных температурах. Обладая низкими технологическими и физико-механическими свойствами, двойные сплавы А!—Zn в настоящее время не применяются: используются сплавы системы Al—Zn—Si (сплав АЛ11) и АЛ—Zn—Mg (АЛ24), склонные к естественному старению и обладающие высокими механическими свойствами. Общий недостаток цинко- алюминиевых сплавов — их сравнительно высокая плотность (до 3 г/см8).
Сплавы на основе А1—Zn обладают хорошей обрабатываемостью резанием и удовлетворительной герметичностью, а также хорошо свариваются. Используют эти сплавы для изготовления сложных по конструкции средненагруженпых деталей, работающих при температурах до 150° С.
160
161
Строительные алюминиевые сплавы
В строительной индустрии с каждым годом увеличивается применение строительных алюминиевых сплавов в качестве основного конструкционного материала в несущих конструкциях зданий и сооружений, а не только в ограждающих элементах, оконных и дверных переплетах*
Основными* достоинствами деформируемых и литейных сплавов являются: значительная удельная прочность, высокая технологичность (в холодном и в горячем состоянии), сохранение высоких прочностных свойств при отрицательных температурах, повышенная жаростойкость, значительная стойкость против коррозии»
Из сплавов марок Д1, Д6, Д16 изготовляют клепаные несущие конструкции сооружений и зданий (арки, фермы, балки и др.), а также различные элементы конструкций, совмещающих функции ограждающих и несущих конструкций (кровельные панели, каркасы стеновых панелей, подвижные потолки и др.). Для силовых элементов конструкций рекомендуется применять дюралюминий Д6 и Д16, а для элементов конструкций средней прочности сплав ДИ Сварку можно применять только в тех конструкциях, в которых сварные швы мало нагружены. Ответственные конструкции не рекомендуется сваривать, так как в околошовной зоне в результате нагрева прочность значительно понижается. Это не относится к сплавам АВ, АД31, АДЗЗ.
Магний и его сплавы
Магний — металл II группы периодической системы серебристобелого цвета, порядковый номер 12, кристаллическая решетка Г12. Температура плавления 651° С, кипения 1007° С, плотность 1740 кг/м3, ов — 180 МН/м2, 6 — 5%, НВ 300 МН/м2, мягкий, относительно легко воспламеняется и горит ослепительным пламенем, выделяя значительное количество тепла. Среди конструкционных материалов он самый мягкий и легкий.
Магний выпускают двух марок Мг1 и Мг2. В машиностроении в чистом виде магний не применяют, по сплавы на его основе широко используют в различных отраслях промышленности как в литом, так и в деформируемом состояниях. Основные легирующие элементы магниевых сплавов: Al, Zn, Мп, Zr, CL
К вредным примесям относят К, Na, Ni, Fe, Си и газ Н2, снижающие коррозийные и механические свойства сплавов. Легирующие элементы образуют с магнием твердые растворы-и соединения типа Mg2AI3t MgAl, MgZn2, Mg4Al3Zn3 и др. Алюминий (до 10%) и цинк (до 50%) повышают механические свойства магниевых сплавов. Марганец в количестве от 1 до 2,5 % улучшает прочностные свойства, а при малом содержании (0,15—0,5%) только антикоррозийные свойства. Термическая обработка (включая старение) повышает прочностные свойства сплавов на 25—35%.
Небольшие добавки к эти у сплавам циркония, бериллия и некото-
рых других редкоземельных металлов (например, церия) способствуют получению мелкозернистой структуры, улучшают механические свойства и пластичность, понижают окисляемость при нагреве.
Магниевые сплавы так же, как и алюминиевые, разделяются на деформируемые и литейные. В настоящее время возрос ассортимент деформируемых сплавов, применяемых в промышленности главным образом в виде фасонных штамповок, профилей, труб и пр* Обработку давлением магниевых сплавов ведут преимущественно в горячем состоянии при температурах 225—400° С Здесь находят применение следующие марки: MAI, МА2, МАЗ, МА8, МА9, БМ17, ВМ65-1 (ГОСТ 14957—69),
Сплавы МА1 и МА8 содержат от 1,0 до 2,5% Мп; в состав МАЗ входит также церий до 0,35%. Эти сплавы обладают следующими механическими свойствами: ор = 250 МН/м2, НВ 500 МН/м2, 6 = = 18%, плотность 1760 кг/м3. Сплавы хорошо обрабатываются резанием, отличаются высокой пластичностью в горячем состоянии, обладают удовлетворительной коррозийной стойкостью, хорошо свариваются, относительно экономичны.
Сплавы МА2, МАЗ, МА5 легированы алюминием (3,5—9,2 % А1 с добавкой десятых долей процента цинка и марганца), обладают следующими мех ан и ческими свойствами: ов=250—320 * М Н / м2, НВ 550—600МН/м2, 6 = 10—14%. Сплав ВМ65-1 (4,0—5,0% Zn, 0,3—0,5% Се) имеет повышенную прочность, хорошую пластичность (ов ^ 340 МН/м2, 6=9%, НВ 550—750 МН/м2) и плотность ~ 1700 кг м3. Для повышения прочностных свойств (до 400 МН/м2) его подвергают термической обработке по режиму: нагрев под закалку в течение 16 ч до температуры 410—425° С, отпуск при 175° С также в течение 16 ч.
Сплавы МА9 и ВМ19 относят к жаропрочным, т. е. выдерживающим нагрузку при 350—400° С- Сплав МА9 имеет состав: 0,4—0,8% А1, 1,0—1,8% Мп, ОД—0,3% Се, а сплав ВМ19 — 2% Мп и 3% Се.
Литейные магниевые сплавы широко применяют для изготовления фасонного литья, хотя по сравнению с алюминиевыми сплавами обладают значительно худшими литейными свойствами. Они имеют маркировку, подобную алюминиевым сплавам, и могут быть разделены на пять основных групп:
на основе системы Mg—Si (МЛ1); Mg—Мп (МЛ2); Mg—Al—Zn (МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6, МЛ7-1); сплавы,содержащие цирконий и редкоземельные металлы (МЛ9, МЛ 10, МЛ11, МЛ 12, ВМЛЗ); сплавы, содержащие торий и другие элементы (МЛ 14, ВМЛ1, ВМЛЗ).
Сплавы группы / (МЛ1) содержат 1,0—1,5% Si, обладают сравнительно низкими механическими свойствами (ав = ПО MHV, НВ 44 МН/м2 и 6 = 3%), малой удельной плотностью; их применяют главным образом для отливки деталей, от которых требуется герметичность при повышенных давлениях.
Сплавы группы // (МЛ2) содержат 1—2% Мп. Примерные механические свойства: ав= 100 МН/м2, НВ 350 МН/м2,6 =4%. Сплавы обладают повышенной коррозийной стойкостью, красноломкостью и пониженными технологическими свойствами.
Сплавы первых двух групп термической обработкой не упрочняют.
Сплавы группы III (МЛЗ) в отличие от первых двух обладают лучшими механическими свойствами как в литом состоянии, так и после термической обработки. Типичные представители этой группы сплавы МЛЗ, МЛ4 и МЛ5. Упрочняющими фазами при термообработке являются соединения типа: Mg17Al12 и Mg3Al2Zn3. Из сплава МЛЗ (2,5—3,5% А1, 0,5—1,5% Zn и 0,15—0,5% Мп) отливают детали повышенной герметичности (корпуса насосов, части арматуры и Др*). Механические свойства сплава МЛЗ: ов = 160 МН/м , НВ 400 МН/м2; 6-6%.
Сплав группы IV (МЛ4) (5—7% А1, 2—3% Zn, 0,15—0,5% Мп) после гомогенизации с закалкой на воздухе и последующем старений имеет повышенные механические свойства: ов = 230 МН/м2, НВ 600 МН/м2 и 6 - 2—5%.
Сплавы группы IV применяют для отливки деталей, работающих при повышенной температуре (250—260° С),
Сплав группы V (МЛ5) обладает аналогичными механическими свойствами. Из этого сплава отливают высоконагруженные детали двигателей и приборов, корпуса пневматических и ручных инструментов И т. д.
Сплавы V группы относят к жаропрочным. Литые детали могут работать при температурах 350—400D С. Сплавы этой группы подвергают закалке от температуры 410° С с последующим искусственным старением при 180° С в течение 12 ч. Такая термическая обработка повышает ов до 260 МН/м2, НВ до 800 МН/м2 и 6 до 9%.
Следует отметить, что литейные магниевые сплавы по удельной прочности превосходят высокопрочные алюминиевые сплавы и некоторые конструкционные стали.
Медь и ее сплавы
Медь относится к тяжелым цветным металлам, ее плотность 8,94 кг/м3, температура плавления 1083° С, кипения 2360° С, кристаллическая решетка — гранецентрированный куб. А^еханические свойства чистой меди после отжига: ов = 220—240 МН/ма, НВ 45 МН/м3, 6 = 50%, ф — 75%. В чистом виде медь применяют для электротехнических целей (провода, шины, кабель). Согласно ГОСТ 854—66 имеется 10 марок технической меди (М00, МО, Ml, М1Р, М2, М2Р, М3, МЗР, М4).
Основные примеси меди Bi, As, Pb, Sb, Fe, Ni, S, O2; суммарное количество их в марке М00 допускается 0,01%, а в марке М4 — 1 %, Более 50% чистой меди потребляет электротехническая промышленность и энергетика. Сплавы меди сцинком — латуни и сплавы меди с другими элементами — бронзы широко применяют в технике в качестве конструкционных материалов.
Применяют латуни с содержанием цинка до 45%; максимальной прочностью обладают латуни, содержащие 42—45% Zn, а наибольшей 164
тус//№/да300800тус//№/да3008007006007006005004005002005004005002000 10 20 30 40 50 601Р//О0 10 20 30 40 50 601Р//О70 70060504030201070 700605040302010Рис. 57. Диаграмма состояния системы Си — Zn в сочетании с графиком изменения механических свойств сплавов и микроструктуры латуней:6 — относительное удлинение;ст у — предел прочностиРис. 57. Диаграмма состояния системы Си — Zn в сочетании с графиком изменения механических свойств сплавов и микроструктуры латуней:6 — относительное удлинение;ст у — предел прочности
тус//№
/да
300
800
тус//№
/да
300
800
700
600
700
600
500
400
500
200
500
400
500
200
0 10 20 30 40 50 601Р//О
0 10 20 30 40 50 601Р//О
70 700
60
50
40
30
20
10
70 700
60
50
40
30
20
10
Рис. 57. Диаграмма состояния системы Си — Zn в сочетании с графиком изменения механических свойств сплавов и микроструктуры латуней:
6 — относительное удлинение;ст у — предел прочности
Рис. 57. Диаграмма состояния системы Си — Zn в сочетании с графиком изменения механических свойств сплавов и микроструктуры латуней:
6 — относительное удлинение;ст у — предел прочности
пластичностью — латуни с 30—32% Zn. Сплавы, содержащие до 10% цинка, называют томпаками, а от 10 до 20% Zn— полутомпаками. В технике применяют деформируемые и литейные латуни.
С увеличением содержания цинка (рис. 57) прочность и пластичность латуни сначала повышаются, а затем уменьшаются. При содержании до 39% Zn латунь состоит из одной a-фазы. С увеличением содержания цинка до 46% возникает вторая фаза р, представляющая твердый раствор CuZn. Эта фаза является твердой и хрупкой структурной составляющей.
Широкое применение получили а-латуни, содержащие до 39% Zn и обладающие высокой прочностью, Эти латуни можно обрабатывать давлением в холодном состоянии. Пластичность н ага ртован кого сплава восстанавливают рекристаллизационным отжигом при температуре 600—700°С с последующим охлаждением на воздухе, Широко применяют также латуни, содержащие от 39 до 45% Zn и имеющие структуру а + р твердые растворы, К латуням относят также томпак, содержащий 90% и более меди (остальное цинк), и много других не только двухкомпонентных, но и более сложных сплавов, содержащих кроме цинка и меди А], РЬ, Мп, Sn и другие элементы. Эти добавки повышают прочность, а также придают латуням специальные свойства. Алюминий и никель, присутствующие в сплаве одновременно, после термической обработки повышают прочность и твердость латуней; олово, никель и марганец увеличивают прочность и коррозийную стойкость латуней, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость латуней резанием,
но одновременно, при повышенных температурах, сообщает однофазным латуням хрупкость,
В СССР применяют следующий принцип маркировки латуней: буква Л означает латунь, следующие буквы означают легирующие элементы, цифры показывают содержание меди и легирующих элементов. Согласно ГОСТ 15527—70 существует семь марок обыкновенных а- латуней (Л99, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л62). Специальные латуни, например ЛА 59—32, содержат 59% Си, 2—3% №, 2% Al, остальное Zn, Согласно этому же ГОСТу существует 18 марок специальных латуней,
Бронзы* Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. Раньше к бронзам относили сплавы только двойной системы медь — олово* С течением времени разработаны новые сплавы на медной основе, в которых олово частично или полностью заменено другими элементами. Однако название сплавов осталось прежним, так как они ио многим физико-механическим свойствам и цвету не отличаются от медно-оловянистых сплавов. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянистыми, алюминиевыми, кремнистыми, марганцовистыми и т* д.
На рис* 58 представлена левая часть диаграммы состояния системы Си—Sn, охватывающая бронзы, применяемые в промышленности. Практический интерес представляют сплавы, содержащие до 14% Sn. Они обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами. Сплавы, содержащие до 14% Sn, при медленном охлаждении однофазны, состоят из однородного твердого раствора олова в меди (a-фаза), При содержании более 14% 5п(до22%) бронза становится двухфазной (сс -j- p-фаза). Оловянистые бронзы разделяют на две группы: обрабатываемые давлением (до 6% Sn) и литейные (до 15% Sn). Бронзы, подвергаемые обработке давлением, идут на приготовление прутков, лент, полос, проволоки, трубок и т* д. Литейные оловянистые бронзы применяют для получения различных фасонных литых деталей. Дефицитность и высокая стоимость олова — основной недостаток оловянистых бронз.
Безоловянистые, или специальные, бронзы в ряде случаев имеют более высокие механические и физические свойства.
Бронзы маркируют следующим образом: буквы Бр означают бронзу, следующие буквы означают легирующий элемент (О — олово, Ц — цинк, Ф— фосфор, Б — бериллий, Н — никель, А — алюминий, Ж — железо, К — кремний, Мц — марганец, С — свинец), цифры показывают содержание элементов в сплаве. Так, бронза марки БрОФ-10-I имеет следующий химический состав: 10% Sn, 1,02% Р, остальное медь.
Алюминиевые бронзы, содержащие от 4 до 11,5% А1, обладают высокими механическими свойствами и высокой коррозийной устойчивостью, значительно превосходящей устойчивость оловянистой бронзы и латуни.
Алюминиевые бронзы БрА5 и БрАб обладают хорошими пластическими свойствами; из них изготовляют прутки, проволоку, ленты и листы* Они также имеют хорошие литейные свойства. Буква «Л» в конце марки показывает, что бронза литейная*
Алюминиевые бронзы упрочняют термической обработкой, состоящей из закалки с температуры 850—900° С и последующего отпуска при температуре 400—600° С.
Алюмшшевожеяезомарганцевые бронзы (БрАЖМц 10-3-1,5 и БрАМц 9-2Л) применяют в качестве литейных и деформируемых сплавов.
Алюминиевые бронзы с добавкой железа и никеля (БрАЖН 10-4-4, БрАЖН 10-4-4Л и БрАЖН 11-6-6) являются сложными сплавами на медной основе, которые пригодны для обработки давлением (ковки и штамповки) и для фасонного литья.
Кремнистые бронзы, содержащие 0,6—0,8% Sn и небольшое количество № и Мп, удачно сочетают механические, антифрикционные и антикоррозийные свойства. Они успешно поддаются обработке давлением в горячем состоянии и литью (БрКМц 3-1, БрКН 1-3).
Свинцовистые бронзы (БрСЗО, БрСН 60-2,5) содержат 27—63% РЬ. Они обладают весьма высокими антифрикционными свойствами и применяются для изготовления деталей, работающих в условиях
^1^122
^1
^1
2
2
Рис, 58. Диаграмма состояния системыРис, 58. Диаграмма состояния системы.Си — Sn (а), механические свой-ства литой бронзы в зависимости от содержания олова (б) и микро-структуры бронзы БрОЦ 10-2 (л):
Рис, 58. Диаграмма состояния системы
Рис, 58. Диаграмма состояния системы
/ — после литья (дендриты твердого раствора}; 2—после ковки и диффузионного от-жига (однородные зерна твердого раствора}
трения и скольжения, а также для заливки стальных вкладышей высоконагружепных подшипников.
Бериллиевые бронзы (1,6—2,2 Be) отличаются высокой прочностью и коррозийной устойчивостью, хорошими пластическими и антифрикционными свойствами. Одновременно они обладают высокой электро- и теплопроводностью. Растворимость бериллия в меди при 860° С составляет 2,8%, а с понижением температуры до комнатной уменьшается до 0,2%, Это позволяет проводить термическую обработку, состоящую из закалки с 800° С и искусственного старения в течение 9 ч при температуре 250—350° С. Такая обработка повышает прочность и твердость. Бериллиевая бронза хорошо поддается горячей обработке давлением, сварке, резанию. Ее применяют для изготовления мембран, пружин, электроконтактов, часовых механизмов и других пружинящих деталей.
Титан и его сплавы
Титан — самый «молодой» из крупных конструкционных металлов, хотя был открыт в 1795 г. Содержание его в земной коре 0,6%- Титан — переходный металл IV группы, порядковый номер 22, плотность 4 510 кг/м3. Температура плавления 1800° С, кипения 3400° С; твердость НВ 850 МН/м2 и gb — 320 МН/м2.
Титан существует в двух модификациях: до 882° С в видеа-титана с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой и при температуре выше* 882° С g-титан с кубической объемно-центрированной решеткой.
Чистый титан пластичен, мягок; технический — хрупкий и твер' дый. Механические свойства титана резко изменяются в зависимости от содержания примесей (N2, Н2, О2, С). В промышленности применяют титан двух марок ВТ 1-1 и ВТ 1-2 (табл. 7).
Таблица 7
Состав и механические свойства технического титана (ГОСТ 9855—61)
Марка титана
Примеси, %
Мея а нические свойст в а
МН/м=
5, %
НВ.
МН/ма
ВТ1-1
ВТ1-2
0,1 %С; 0,15%О2, 0,04%N2; 0,3%На 0,15%Si; 0,015%Н2
450—600
550—750
25-30
20—25
500
450
Азот и кислород резко снижают пластичность титана; водород вызывает повышенную чувствительность к надрезу. Такое явление называют водородной хрупкостью. При содержании в титане более 0,15% С ухудшается его ковкость и свариваемость и затрудняется обработка резанием. Образующиеся на поверхности титана оксидные пленки (TiO2, TiO3 и др.) обладают высокой коррозийной стойкостью в пресной и морской воде, в атмосфере и различных кислотах.
При нагреве до температуры 400° С титан почти не изменяет свои механические свойства, при дальнейшем нагреве эти свойства постепенно ухудшаются, но особенно после 540° С (из-за энергичного поглощения кислорода титан становится хрупким). С увеличением степени холодной деформации прочностные свойства титана улучшаются, а пластичность снижается. Вследствие недостаточной прочности чистый титан имеет ограниченное применение- Сплавы титана представляют значительный интерес.
Сплавы на титановой основе применяют широко. Известно 30 марок титана. Наиболее важные легирующие элементы Al, Cr, Fe, Мп, Mo, Sn, V. Сплавы титана разделяются на пять групп: 1) свариваемые конструкционные; 2) высокопрочные; 3) жаропрочные; 4) для фасонного литья; 5) сплавы со специальными свойствами.
Титановые сплавы подразделяются на три структурные группы: с а-, (а + fl)- и fl-структурой.
Сплавы с a-структурой имеют при комнатной температуре однофазную структуру a-твердого раствора, термически обрабатываются, малопластичны.
Двухфазные сплавы с (а + ^-структурой имеют при комнатной температуре структуру а- и fl-твердых растворов, термически обрабатываются, пластичны, обладают высокими механическими свойствами.
Сплавы с ^-структурой сохраняют структуру fl-твердого раствора, не подвергаются термической обработке, пластичны, малопрочны и не находят сколько-нибудь широкого применения в технике.
Титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью, характеризуемой отношением предела прочности к плотности 0^/7 — =20—28. В настоящее время имеется несколько марок высокопрочных титановых сплавов: ВТ6, ВТ 14, ВТЗ-1, ВТ 15 и ВТ 16.
Обычно промышленные титановые сплавы содержат несколько легирующих элементов, но обязательным компонентом является алюминий, повышающий жаропрочность и улучшающий свариваемость.
Таблица 8
Химический состав и механические свойства титановых сплавов (ГОСТ 5632—68)
Марка
Состав, %I
6» %
А1
другие элементы
МН/№
кге/мм"
втз
4—6,2
2Сг
932—1128
93—112
10—16
ВТЗ-1
4-6,2
1,5—2,5Сг 1—2,8Мо
932—1177
93—117
10—16
ВТ4
4-5
1- 2Мп
785—883
78-88
15—22
ВТ5
4—5,5
—
785-972
79—97
12—15
ВТ6
5-6,5
3,5—4,5V
833-980
83—98
8—13
ВТ8
5,8—6,8
2,8—3,8Мо
ЮЗО—1155
103—116
9—15
Примечавие: Высокой прочностью обладают однофазные с-сплавы ТЗ, Т4, Тб, T9, Т10. Все сплавы, кроме ВТ4 и ВТ5, имеют двухфазную структуру.
Для повышения прочностных свойств целесообразно некоторые марки титановых сплавов термически обрабатывать; нагревать до 700— 950° С, закаливать в воде и искусственно старить при 480—550° С. Сочетание высоких прочностных свойств при малой плотности, высокой коррозийной стойкости и жаропрочности позволили применять титан и его сплавы в качестве конструкционного материала в реактивной технике, в космических кораблях, самолетостроении.
Данные о составе и свойствах сплавов титана приведены в табл. 8.
Антифрикционные материалы
Cuj 5л 5л Sb Твердый (рЧразЫ) раствор яCuj 5л 5л Sb Твердый (рЧразЫ) раствор яТвердый Сиг5п SSmchтака, раствор ра+рТвердый Сиг5п SSmchтака, раствор ра+рРис 59. Антифрикционные сплавы:Рис 59. Антифрикционные сплавы:Q — схема работы подшипника;б— баббит марки Б63; <г — свин-цовистая бронза марки БСQ — схема работы подшипника;б— баббит марки Б63; <г — свин-цовистая бронза марки БСАнтифрикционные материалы служат для изготовления деталей, работающих в условиях трения. Из них изготавливают огромное количество вкладышей подшипников, вследствие чего их часто называют подшипниковыми сплавами. Подшипниковые сплавы должны обладать низким коэффициентом трения, малым износом, хорошей прирабатываемостью, способностью выдерживать большие удельные нагрузки, обеспечивать хороший подвод смазки 3 к валу 2 и сопротивление коррозии. Эти сплавы должны быть мягче шейки вала 2, так как в противном случае оии будут его царапать и изнашивать (рис. 59,а).
Cuj 5л 5л Sb Твердый (рЧразЫ) раствор я
Cuj 5л 5л Sb Твердый (рЧразЫ) раствор я
Твердый Сиг5п SSmchтака, раствор ра+р
Твердый Сиг5п SSmchтака, раствор ра+р
Рис 59. Антифрикционные сплавы:
Рис 59. Антифрикционные сплавы:
Q — схема работы подшипника;б— баббит марки Б63; <г — свин-цовистая бронза марки БС
Q — схема работы подшипника;б— баббит марки Б63; <г — свин-цовистая бронза марки БС
Кроме того, эти сплавы должны обладать хорошими технологическими свойствами: литейными для удовлетворительного заполнения втулки подшипника 1, обрабатываемостью на металлорежущих станках и др. Основой всякого подшипникового сплава является мягкий пластичный материал 5, внутри которого равномерно распределены твердые частицы 4, служащие опорой для вала; мягкая истирающаяся основа способствует образованию микроканалов, по которым циркулирует смазка. Такая структура обеспечивает при эксплуатации хорошую приработку, так как твердые структурные составляющие, вдавливаются в мягкую основу, способствуя равномерному распределению давления вала.
Подшипниковые матери- а л ы можно разделить на следующие группы: баббиты, бронзы, антифрикцион-
ные чугуны и неметаллические антифрикционные материалы.
Баббитами называют сплавы на основе Sn. Однако из-за дефицитности олова его часто заменяют другими элементами — Sb, Pb, Са, Zn и AL Баббиты предназначены для заливки подшипников при умеренных удельных нагрузках на вкладыши. Баббиты обозначают буквой Б, а цифра после буквы показывает среднее содержание олова в процентах. Например, марки Б89, Б83, Б16, Б6 показывают, что в них в ходят 89, 83, 16 и 6 % олова.
Лучшими подшипниковыми сплавами являются баббиты марок Б83 (10—12% Sb, 5,5—6,5% Си, остальное Sn) и Б89 (7,25— 8,25% Sb, 2,5—3,5% Си, остальное Sn). Они применяются для заливки подшипников особо нагруженных машин, обеспечивают низкий коэффициент трения, начинают оплавляться при 240—250° С; температура плавления 342—380е С (рис. 59,6).
Новые стандартные сплавы БН (9—11% Sn, 13—15% Sb, 1,5—2% Си, 0,75—1,25% Ni, остальное Pb), БТ (9—11% Sn, 14—16% Sb, 0,7—1,1% Си, 1,25—1,75% Cd, 0,05—0,2% Ti, остальное Pb) и другие во многих случаях заменяют в подшипниках трения высоко о лов ян истый баббит.
В качестве стандартного баббита применяют кальциевые баббиты марок Б КА и БК2, содержащие (кроме свинца) 0,85—1,15% Са и 0,6— 0,9% Na.
Свинцовистая бронза (БрСЗО), содержащая 27—33% РЬ (остальное Си), применяется для вкладышей подшипников при больших скоростях и повышенных удельных давлениях. В этих бронзах основой является сравнительно твердая медь с включениями мягкого свинца (рис. 59,в).
В качестве подшипниковых сплавов успешно применяют алюминиевые баббиты марок АСС6-5 (5—6% Sb, 4—5% Pb, 0,5—0,7% Mg), ACAI (3,5—5,0% Sb, 0,5—0,7% Mg) и AH2,5 (2,7— 3,4% Ni). В этих сплавах мягкой основой является Ah а твердыми включениями — химические соединения (AlSb, Al3Ni), находящиеся в эвтектике с твердым
раствором.
Широкое применение также получили цинковые баббиты (ЦАМ 10-5, ЦАМ9-15), содержащие 8—12% А1, 1,5—5,5% Си, 0,03—0,06% Mg, остальное цинк.
Антифрикционные чугуны используют в подшипниках трения, работающих при больших удельных давлениях и малых скоростях вращения вала. Обычно применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Из серых чугунов хорошими антифрикционными свойствами обладают легированные чугуны марок АСЧ-1, АСЧ-2, АСЧ-3, содержащие 0,2—0,4% хрома и никеля, 0,3—0,7% меди; из высокопрочных — марки АВЧ-1, АВЧ-2 и из перлитного и перлитно-феррит- ного ковкого чугуна — марки АКГ-1 и АКГ-2.
В последнее время в машиностроении начали широко внедрять н е- металлические антифрикционные мат е р и а лы, К пим относятся текстолит, пластифицированная древесина, пластмассы и др.
Подшипники и вкладыши изготавливают также из металлокерамических материалов, спекая порошки как черных, так и цветных
металлов с добавкой графита. Получаются пористые антифрикционные сплавы. Пористость таких сплавов составляет 10—30%. Изготавливают железографитовые, железомедные, железомеднографитовые, алюминиевопористые подшипники. Поры заполняют минеральной смазкой путем пропитки. Подшипник, пропитанный маслом, во время работы в результате трения разогревается и смазка выступает из пор, уменьшая трение. Такие подшипники называют самосмазывающимися. Методом порошковой металлургии готовят также компактные (беспо- ристые) металлокерамические антифрикционные сплавы.
Глава XVI
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ 1. Общие сведения
Коррозия — страшный бич современной промышленности, строительства и транспорта. По неполным данным 30% ежегодно производимого металла идет на восстановление потерь от коррозии, из них 10% теряется безвозвратно. Это значит, что на каждые 100 млн. т 10 млн. т в год расходуется на компенсацию безвозвратных потерь металла от коррозии.
Поверхность почти всех металлов и сплавов во время эксплуатации деталей машин, механизмов, строительных конструкций находится в контакте с внешней средой (атмосферой, речной и морской водой, почвой, растворами кислот и щелочей, жидкостями органического происхождения, отходящими газами и т. д.) и постепенно разрушается» Этот процесс называют коррозией. Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется вглубь.
Коррозионное разрушение металлов и сплавов в основном зависит от следующих трех факторов: а) химической природы металла или состава металлического сплава и их структуры; б) химической природы окружающей среды и процентного содержания в ней агрессивных веществ (кислорода, влаги, кислот, щелочей и т. д.) и в) температуры окружающей среды.
В зависимости от механизма процесса коррозия может быть химическая и электрохимическая.
Наиболее распространен весовой метод измерения коррозии металла, основанный на определении изменения массы образцов после взаимодействия с агрессивной средой. Кроме того, существуют объемный, электрохимический, электрические, магнитометрические, манометрические и другие методы.
Средняя толщина прокорродировавшего слоя определяется по формуле Томашева:
П = ^^ — mj) ^^(481
std - 1000’'
где П — скорость коррозии, проницаемость, мм/год; г?г0 — вес образца до коррозии, г; тл — вес образца после коррозии, г; s —
Таблица £
Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов
Группа стойкости
Скорость коррозии, мм/год
Балл
I Совершенно стойкие
Менсе 0,001
1
Н Весьма стойкие
От 0,001 до 0,005
2
» 0,005 » 0,01
3
III СТОЙКИЙ
От 0,01 до 0,05
4
а 0,05 » 0,1
5
IV Пониженностонкие
» 0,1» 0,5
6
» 0,5» 1,0
7
V Малостойкие
» 1,0»5,0
8
» 5,0» 10,0
9
VI Нестойкие
Свыше 10,0
1 10
поверхность образца , м2; / — продолжительность коррозии, ч; d — масса металла, г; 8760 — число часов в году.
Согласно действующей шкале коррозионной стойкости все металлы разделены на шесть групп и 10 баллов (табл. 9).
§ 2, Химическая коррозия
Поверхностное разрушение металла под действием газов при высокой температуре или жидкостей (неэлектролитов) называется химической коррозией.
Химическая коррозия протекает по законам химической кинетики; в чистом виде она происходит, если на поверхности металла конденсируется вода. Примером химической коррозии является процесс окисления при высоких температурах металлической арматуры печей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин, элементов электронагревателей и других деталей, а также окисление металла в жидкостях органического происхождения (спирте, бензине, нефти, мазуте и т. п.).
В процессе химического разрушения на поверхности металла образуется пленка из продуктов коррозии, обычно окислов. В некоторых случаях эта пленка предохраняет лежащий под ней металл от дальнейшей коррозии, т, е. делает его более пассивным по отношению к окружающей среде. Необходимым условием защиты металла от последующей химической коррозии является образование на поверхности металла сплошной и плотной пленки, которая защищает (пассивирует) металл от дальнейшего разрушения. Это возможно, если объем получающегося в ходе коррозии (на поверхности металла) окисла V0K больше объема окислившегося металла VMCT.
Сравнительно плотные окисные пленки образуются на поверхности алюминия» свинца, олова, никеля и хрома. Рыхлые окисные пленки возникают в ходе окисления бария, кальция и магния. При окислении железа в сухом воздухе или в атмосфере сухого кислорода образуется также достаточно плотная пленка, но она по мере роста растрескивается и отслаивается от металла.
На стальных изделиях при температурах 200—300° С появляется видимая пленка окислов, которая растет с повышением температуры. До 600° С скорость газовой коррозии углеродистой стали очень мала, но при дальнейшем повышении температуры скорость окисления металла резко повышается и защитное действие пленки прекращается. Легированные стали можно нагревать без заметного окисления до более высоких температур.
Алюминий при высоких температурах покрывается тонкой плотной пленкой, устойчивой до температуры плавления. Эти свойства алюминия используют и добавляют его в другие сплавы, что повышает коррозионную стойкость. Медь окисляется на воздухе и образует пленку, которая предохраняет ее от дальнейшего окисления. Введение алюминия и бериллия увеличивает сопротивляемость меди окислению, т. е. ее жаростойкость.
Сплавы на основе никеля хорошо сопротивляются газовой коррозии и обладают высокой жаропрочностью.
Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия металлических изделий происходит в различных водных растворах, проводящих электрический ток. Это наиболее распространенный тип коррозии. Она совершается в атмосферных условиях, на море, в земле, в грунтовых водах, в растворах различных кислот и щелочей. Значительная часть строительных металлических конструкций — каркасы и крыши зданий, фермы мостов, соприкасающихся с влажным вGЗДyxoм1 подвержены электрохимической коррозии. В зависимости от загрязненности воздуха сернистыми и углекислыми газами эта коррозия протекает с различной скоростью. Строительные конструкции, находящиеся в почве, различные магистральные трубопроводы также подвержены коррозии.
Сущность процесса электрохимической коррозии заключается в том, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, при контакте с раствором электролита переходят в раствор в форме ионов, оставляя эквивалентное количество электронов в металле. Переход атомов металла в ионы и растворение их в жидком электролите определяется величиной нормального электродного потенциала. Он характеризует то напряжение электрического тока, которое надо приложить к границе раздела твердого металла с жидким электролитом, чтобы воспрепятствовать переходу иона металла в раствор. Чем отрицательнее нормальный электродный потенциал, тем более резко выражено стремление металла к растворению в электролитах, Так, свинец растворяется значительно медленнее, чем железо.
Ниже представлены нормальные электродные потенциалы (В) некоторых металлов.
МедьВисмут * Сурьма . ОловоСвинец .Никель . КобальтМедьВисмут * Сурьма . ОловоСвинец .Никель . Кобальт+0,33Кадмий ........ —0,4
Медь
Висмут * Сурьма . Олово
Свинец .
Никель . Кобальт
Медь
Висмут * Сурьма . Олово
Свинец .
Никель . Кобальт
+0,28Железо —0,44
-j-0,22Хром—0,56
— 0,1Цинк—0,76
—0,12Марганец—1,1
—0,23Алюминий —1,34
—0,29Магний—1,53
Следует отметить также, что при погружении в какой-либо электролит двух взаимно контактирующих металлов они образуют гальваническую пару с определенной разностью потенциалов. В этом случае в рассматриваемой системе самопроизвольно разовьется процесс растворения металла, обладающего более отрицательным электродным потенциалом. Этот металл станет анодом и будет посылать свои ионы в раствор электролита, а другой -— катодом и в присутствии первого металла в электролите растворяться не будет. Если такую контактную пару погрузить в электролит, то цинк будет растворяться быстрее железа (электродный потенциал цинка более отрицателен).
Гальванические пары при коррозии образуются не только между отдельными участками контактирующих металлов с разными электродными потенциалами, но также и между микроскопически малыми кристалликами одного и того же сплава, если они различаются по химическому составу и физическим свойствам.
На поверхности неоднородного по строению сплава при погружении в электролит образуются микроскопически малые анодные и катодные участки, между которыми возникают микроскопические и даже субмикроскопические гальванические процессы, приводящие сплав к коррозионному разрушению. В ряде случаев коррозионное разрушение металлов может проникать очень глубоко и идти по границам раздела зерен (межкристаллическая коррозия).
Так, высокохромистые стали подвержены межкристаллической коррозии. Фазы, обогащенные хромом, имеют положительный потенциал, а фазы, обедненные хромом (границы зерен) — отрицательный. Между этими фазами в электролите образуются микрогальванические пары, и начинается интенсивное окисление (разрушение) фаз, обладающих меньшим потенциалом.
Такая коррозия очень опасна, так как по внешнему виду ее обнаружить очень трудно. Сталь постепенно теряет металлический блеск; резко снижаются ее механические свойства.
Таким образом, электрохимическая коррозия — это разрушение сплава, сопровождающееся появлением электрического тока в результате работы множества микрогальванических элементов на корродирующей поверхности металла. Многие детали в условиях эксплуатации подвергаются одновременно разрушающему воздействию коррозии и механической нагрузки. Растягивающие напряжения увеличивают скорость коррозии вследствие разрушения защитной пленки и образования трещин.
В большинстве случаев такое разрушение происходит между кристаллами металла и вызвано одновременным действием коррозии и растягивающих напряжений. Такое разрушение называют коррозионным рострескиванием.
Коррозионной усталостью называют напряжение, вызывающее разрушение металла одновременным воздействием знакопеременных нагрузок и коррозионной среды. Многие детали (например, подшипники) подвержены коррозионному износу, заключающемуся в одновременном разрушении детали от коррозии и сил трения.
Одним из'способов предотвращения коррозии является ликвидация условий, ее вызывающих: неоднородность металлов, неоднородность внутренних напряжений, неравномерность освещенности и теплового нагрева. Однако в ряде случаев устранить эти причины не удается из- за специфики эксплуатации какой-либо конструкции. Именно поэтому непрерывно появляются новые дорогостоящие сплавы, обладающие специальными свойствами.
Кроме того, для борьбы с коррозией прибегают к специальным методам защиты металлов: электрохимическая защита (анодная или катодная), обработка коррозионной среды и защитные покрытия.
Виды коррозионных разрушений
Существуют различные виды коррозионных разрушений, характер которых и метод защиты рассмотрены ниже (рис. 60).
Равномерная (общая, или сплошная) коррозия (металл корродирует с одинаковой скоростью по всей поверхности) наблюдается в сплавах, не образующих защитных пленок (рис. 60,а).
Неравномерная коррозия (также сплошная) протекает с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности многофазного
^6)8)
Рис 60* Виды коррозионных разрушений:
а —сплошная равномерная коррозия; б — неравномерная сплошная коррозия; в — коррозия лятнамя; г —коррозия язвами; д — коррозия точками; е — подповерхностная коррозия; эк — структур но-избирательная коррозия; s — межкристаллитная коррозия;
и —транскрнсталлитная коррозия
сплава в зависимости от рода структурных составляющих и наличия дефектов на поверхности детали (рис. 60,6, в, г).
Местная, или локальная, коррозия происходит лишь на отдельных участках поверхности металла и, как правило, начинается в местах, где нарушается целостность покрытия. Этот вид коррозии имеет следующие разновидности:
коррозия пятнами э заключающаяся в образовании местных повреждений незначительной глубины (рис. 60,е);
точечная коррозия^ при которой разрушение наблюдается па очень малой поверхности в виде отдельных точек и имеет в отдельных случаях сквозной характер (рис. 60,д);
межкристаллитная, коррозия — один из самых опасных видов, так как разрушение протекает по границам отдельных зерен металла и приводит к резкому ухудшению механических свойств (рис. 60,з);
коррозия язвами — начинается на поверхности и распространяется под поверхностью, вызывая расслоение и вспучивание металла;
избирательная коррозия разделяется на два вида: на компонентно-избирательную и структурноизбирательную. Ярким примером структурно-избирательного типа является растворение феррита; компонентно-избирательная коррозия наблюдается у латуней.
Возможны случаи одновременного действия на металл нескольких видов коррозии.
Методы защиты от коррозии
Современные методы предохранения от коррозии металлов и сплавов весьма разнообразны, так как причин, вызывающих ее, также очень много. Существующие методы можно разделить на следующие: легирование; применение многослойных материалов; неметаллические покрытия; протекторная защита; обработка коррозионной среды; рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей.
Легирование металлов. Введение в сталь некоторых легирующих элементов повышает ее антикоррозионные свойства. Одни легирующие элементы образуют на поверхности стали устойчивые окисные пленки, которые защищают металл от коррозии; другие создают с железом твердые растворы — аустенитцую структуру, обладающую высокой стойкостью и практически не корродирующую в данной среде.
Стали, содержащие 12% Сг, с мартенситно-ферритной структурой практически не корродируют в атмосфере, в водных растворах солей, в органических кислотах и других слабоагрессивных средах при комнатной температуре.
Стали, содержащие 12—14% Сг, относятся к мартенситно-феррит- ному и мартенситному классу. При более высоком содержании хрома (17—28%) стали относятся к ферритному классу. Хромоникелевые стали (Х18Н9) имеют аустенитную структуру. Сталь Х18Н10Т, а также легированные стали аустенитного класса, содержащие хром, никель, титан, относятся к нержавеющим сталям и хорошо сопротивляются коррозии.
Двухслойные и многослойные металлы, состоящие из двух или нескольких различных металлов (сплавов), прочно соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения, и представляющие монолитное целое. Машины и агрегаты, работающие в условиях повышенной коррозии, влажности, загрязненности атмосферы парами кислот, пылью и другими вредными веществами, особенно нуждаются в биметаллах, у которых основой являются малоуглеродистые или низколегированные стали/ а в качестве плакирующего слоя используются коррозионностойкие металлы. Наши металлургические заводы освоили многие виды проката листа, ленты, проволоки с защитными покрытиями — луженые, хромированные, оцинкованные и др. Организовано производство труб, покрытых цинком, алюминием, кремнием. Изготовление биметаллов сталь — медь, сталь — латунь, сталь — бронза, сталь — никель и т. д, дает значительную экономию цветных металлов.
Неметаллические покрытия органического происхождения широко применяются в строительстве, машиностроении, на транспорте, К неметаллическим покрытиям относятся лакокрасочные эмали, фенолформальдегидные смолы, неметаллические пленки и др.
Лакокрасочные покрытия, являясь самым распространенным методом защиты металлов от коррозии, изолируют металлические сооружения от контакта с агрессивной средой. Как известно, этот метод защиты обязателен для всех строительных металлических конструкций (мостов, ферм, колонн, магистральных трубопроводов, различных емкостей и т. д.) и некоторых машиностроительных конструкций.
Имеются лаки и краски, которые используют для защиты металла и от электрохимической коррозии, ибо они увеличивают омическое сопротивление коррозийных пор, находящихся под слоем покрытия. Лакокрасочные покрытия, кроме химической стойкости, в условиях эксплуатации должны обладать достаточной механической прочностью, водонепроницаемостью, прилипаемостью (адгезией), не пропускать газ и защищать от подпочвенной коррозии.
Эмалированию подвергаются как черные, так и цветные металлы. Удачное сочетание химической стойкости и механической прочности позволило широко применять эмалирование в строительстве и промышленности.
Фенолоформальдегндные смолы — наиболее распространенные антикоррозионные материалы из числа пластмасс. На основе этих смол изготавливают следующие химически стойкие сложные композиционные материалы: фаолит, текстолит, текстофолит. Кроме того, применяют вяжущие лаки, арзалиты и некоторые специальные мастики.
Получение покрытий напылением другого металла с целью изоляции от агрессивной среды называют металлизацией.Такая защита сейчас широко применяется.
Различают два типа металлических покрытий — анодное и катодное. Для анодного покрытия используют металлы, обладающие более отрицательным электродным потенциалом, чем основной
металл. В процессе коррозии анодные покрытия растворяются и предохраняют металл от разрушения. Эти покрытия не боятся царапин и других внешних нарушений слоя, так как при этом разрушаются преимущественно сами покрытия. Анодным покрытием для железных сплавов являются цинк, кадмий и др.
Для катодного покрытия выбирают металлы, имеющие меньшее отрицательное значение электродного потенциала, чем основной металл. Пока катодное покрытие полностью изолирует металл от контакта с агрессивной средой, он нс подвергается коррозии, При нарушении сплошности катодного покрытия (царапины, механические повреждения и т. п.) его защитное действие прекращается, поскольку основной металл легче будет разрушаться от действия электролита. Катодными покрытиями служат медь, олово, свинец, никель и др. Всякое защитное металлическое покрытие должно быть сплошным. Металлические покрытия наносят горячим методом, гальваническим и способом металлизации. При металлизации на поверхность изделий наносят мельчайшие капли расплавленного металла при помощи пистолета.
Металлизация — один из методов предотвращения коррозии, Химические, механические и физические свойства покрытий, получаемых металлизацией путем напыления, часто резко отличаются от свойств металлов и сплавов, подвергаемых металлизации. Одним из наиболее важных факторов, определяющих практическую возможность применения металлизации, является прочность сцепления наносимого слоя с поверхностью основного металла. Это сцепление имеет чисто механический характер и основано на адгезии, т. е. вызвано избыточной энергией поверхностного слоя. Это определяет относительно невысокую прочность сцепления металлических покрытий с основной поверхностью. Металл изи ров энный слой представляет хаотическое нагромождение отдельных распыленных металлических частиц размером от 1 до 4мкм, В последнее время производят плазменное напыление, сущность которого-заключается в расплавлении металла электрической дугой, последующим его подогреве быстродвижущейся высокотемпературной плазмой и осаждении на рабочую поверхность. Все эти процессы протекают в плазменной горелке.
Диффузионное покрытие осуществляют, насыщая поверхностные слои защищаемого металла атомами наносимого металла с диффузией последнего в глубину основного металла. Этот процесс протекает при высоких температурах.
К диффузионным процессам относятся алитирование (покрытие алюминием), хромирование (покрытие хромом), силш^ирование (покрытие кремнием) и т. д. Широко применяют покрытие оловом (лужение) и цинком (для кровельного железа, водопроводных труб и других изделий).
При гальваническом способе покрытия изделие из основного металла опускают в электролизеры (ванны), где под действием постоянного электрического тока на поверхности защищаемого металла осаждается никель, хром, цинк или другой металл. Защищаемый металл помещают в ваниу в качестве катода и подключают к отри- 7*
нательному полюсу источника тока, а анодами служат пластины металла покрытия, которые присоединяют к положительному заряду источника тока. Металл анода растворяется, выделяясь затем на катоде* Гальванические покрытия равномерно распределяются по поверхности защищаемого металла и обеспечивают неограниченную толщину покрытия; однако последние пористы и это существенный недостаток данного способа, ограничивающий его применение.
Защита протекторами — один из способов электрохимической защиты и в некоторых случаях полностью предохраняет ме-
талл от коррозий* При контакте двух различных металлов, погружен- более низким электродным потенциалом
ных в электролит, металл сных в электролит, металл сРис. 61. Защита от коррозии внешним током: / —* защищаемыйтрубопровод;2 — анод; 5 — пункт дренажа; 4 — эл ектроконта к i ирующий проводРис. 61. Защита от коррозии внешним током: / —* защищаемыйтрубопровод;2 — анод; 5 — пункт дренажа; 4 — эл ектроконта к i ирующий проводслужит анодом и растворяется, защищая от коррозии тот металл, который является катодом. Этот метод — эффективный и экономически выгодный способ защиты от коррозии металлических конструкций в морской воде, почве и других, в том числе нейтральных, средах; здесь в качестве протектора применяют чистый цинк, реже алюмини- ево-цинковый сплав или сплавы на ос-
ных в электролит, металл с
ных в электролит, металл с
Рис. 61. Защита от коррозии внешним током: / —* защищаемыйтрубопровод;
2 — анод; 5 — пункт дренажа; 4 — эл ектроконта к i ирующий провод
Рис. 61. Защита от коррозии внешним током: / —* защищаемыйтрубопровод;
2 — анод; 5 — пункт дренажа; 4 — эл ектроконта к i ирующий провод
нове магния.
Катодная защита внешним током магистральных трубопроводов, котлов и других паросиловых установок заключается в том, что от источника постоянного тока через катод подводится ток к защищаемому металлическому
пластины,пластины,опущенные вопущенные визделию, а анодом служат дополнительные
пластины,
пластины,
опущенные в
опущенные в
электролит. В результате основное изделие становится катодом и перестает корродировать (рис* 61),
Обработка коррозионной среды производится с целью уменьшения ее агрессивного воздействия на металл или сплав. Некоторые вещества сильно замедляют скорость коррозии и служат замедлителями (ингибиторами') коррозии. Ингибиторы по характеру их действия можно разделить на анодные (т. е. тормозящие анодные процессы), катодные (тормозящие катодные процессы) и смешанные — тормозящие оба процесса* Кроме того, коррозионную активность среды можно
уменьшить, удаляя из нее некоторые составляющие, вызывающие
коррозию.
Наконец, при конструировании необходимо выбирать также формы изделий, при которых в пазах, углах, на стыках не задерживается агрессивная жидкость (рис. 61,6).
Кроме того, необходимо, чтобы сопрягающиеся детали и изделия изготовлялись из сплавов, близких по коррозионным характеристикам (нормальным электродным потенциалам).
Раздел третий
ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Глава XVII
ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ
Общие сведения
Литейное производство — одно из самых древних pi в настоящее время самый распространенный способ обработки всех металлических и некоторых неметаллических материалов.
Методом литья изготовляют изделия (отливки), которые после механической обработки или без нее широко используются в машиностроении, металлургии, строительной и других отраслях промышленности.
Примерно четыре пятых всех отливок получают в разовых песчаных формах и одну пятую — специальными видами литья. Процесс изготовления литых деталей в разовых песчаных формах состоит из ряда последовательно выполняемых основных операций, показанных на рис. 62.
Все перечисленные основные операции связаны со множеством более мелких (см. ниже § 2—7).
Специальные виды литья подразделяются более чем на 50 способов, основными из которых являются: кокильное литье, литье под давление, литье в оболочковые формы, штамповка из жидкого металла, литье по газифицируемым моделям, литье по выплавляемым моделям, центробежное литье и др. (см. гл. XIX),
Разбирая основные переделы производства отливок различными способами, необходимо знать их отличие от готовых для сборки литых деталей.
Отливка — литая заготовка, освобожденная от элементов литниковой системы; размеры и форма отливки и литой детали близки.
Литая деталь — готовое для сборки или эксплуатации изделие из металлического или неметаллического сплава, которое изготавливают механической или другой обработкой из отливки.
В том случае, если отливка имеет форму, размеры и массу готового изделия, ее называют литой деталью. Например, специальными видами литья получают отливки с высокой размерной точностью, значительная часть которых поступает на сборку без механической обработки. Для таких отливок правомочно название литая деталь.
Специальные видыЛИТЬЯСпециальные видыЛИТЬЯИзготовление формыИзготовление формыК"К"лло Оо Оииоо4Приготовление формоБОч-пых н стержневых смесей44Приготовление формоБОч-пых н стержневых смесей444Сборка формыСборка формы44Плавка сплава млнметаллаПлавка сплава млнметалла44Заливка сплава или металла в формуЗаливка сплава или металла в форму44Кристаллизация И охлаждение отливки в форме.Кристаллизация И охлаждение отливки в форме.44Выбивка отливки и смеси из формыВыбивка отливки и смеси из формыIIИзготовление стержнейИзготовление стержней2 s2 sX 2X 2й ci -й ci -= у= ук^ -гД =з:к^ -гД =з:SSооЛЛк&к&
Специальные виды
ЛИТЬЯ
Специальные виды
ЛИТЬЯ
Изготовление формы
Изготовление формы
К"
К"
л
л
о О
о О
и
и
о
о
4
Приготовление формоБОч-пых н стержневых смесей
4
4
Приготовление формоБОч-пых н стержневых смесей
4
4
4
Сборка формы
Сборка формы
4
4
Плавка сплава млнметалла
Плавка сплава млнметалла
4
4
Заливка сплава или металла в форму
Заливка сплава или металла в форму
4
4
Кристаллизация И охлаждение отливки в форме.
Кристаллизация И охлаждение отливки в форме.
4
4
Выбивка отливки и смеси из формы
Выбивка отливки и смеси из формы
I
I
Изготовление стержней
Изготовление стержней
2 s
2 s
X 2
X 2
й ci -
й ci -
= у
= у
к
^ -г
Д =
з:
к
^ -г
Д =
з:
S
S
о
о
Л
Л
к
&
к
&
Г Проектирование литой Iдетали
'4
Разработка технологии Идок ументаци и про и звод-ства отливки
Проектирование модель-ного комплекта для наго-той лени я отливки в пес-чано-глинистой форме
I Изготовление модельного
|комплекта
4
Удаление стержней изотливки
44Очистка, обрубка и ибнаж- дачнванис отливкиОчистка, обрубка и ибнаж- дачнванис отливкиЛитники и другие мета л лоот хо пы (возврат}Литники и другие мета л лоот хо пы (возврат}
4
4
Очистка, обрубка и ибнаж- дачнванис отливки
Очистка, обрубка и ибнаж- дачнванис отливки
Литники и другие мета л лоот хо пы (возврат}
Литники и другие мета л лоот хо пы (возврат}
44Окончательный бракотливокОкончательный бракотливокКонтроль качестваотливкиКонтроль качестваотливкиИсправление дефектов отливокИсправление дефектов отливок44
4
4
Окончательный бракотливок
Окончательный бракотливок
Контроль качестваотливки
Контроль качестваотливки
Исправление дефектов отливок
Исправление дефектов отливок
4
4
Термическая обработкаотливки
4
Грунтовки отливки
4
IIНа склад или на сборкуНа склад или на сборкуМеханическая или другая обработка отливки
I
I
На склад или на сборку
На склад или на сборку
Готовая для сборки литаядет а ль
Рис, 62. Структурно-технологическая схема производства отливок
Модельные комплекты, формовочный инструмент, опоки
Модельным комплектом называют совокупность оснастки и приспособлений, предназначенных для получения определенной отливки, Изготовление модельного комплекта является важным этапом производства отливок.
Модельный комплект состоит из модели отливки (или шаблонов для изготовления формы), моделей элементов литниковой системы, одного или нескольких стержневых ящиков, модельных или подмо- делъных плит, шаблонов, кондукторов, драйеров и т. д.
Основной оснасткой для получения отливки в песчано-глинистой форме является модель отливки и стержневой ящик (рис. 63).
Рис, 63. Оснастка и технология изготовления в песчано-глинистой форме со стержнем отливки трубы:
с — отливка; б — деревянная модель; в — деревянныйстержневой ящик; г— песчано-глинистая форма в сборесо стержнем; д— отливка с элементами литниковойсистемы
Модель— приспособление, при помощи которого в литейной форме воспроизводятся наружный контур будущей отливки, каналы элементов литниковой системы и знаки для крепления стержней. По наружной конфигурации модель является копией отливки и отличается от последней несколько увеличенными размерами, учитывающими усадку сплава и другие особенности процесса, Иногда вместо модели для получения полости формы используют шаблоны.
Стержневой ящик служит для изготовления стержней. Стержни проставляются в форму для образования как внутренних, так и наружных сложных поверхностей отливки. Размеры стержней выполняют с учетом усадки сплава. Иногда вместо стержневых ящиков для изготовления стержней используют шаблоны.
Для изготовления отливок без внутренних полостей стержни обычно не применяют.
Модельная плита — металлическая гладкая или со сложным разъемом плита с закрепленными на ней моделями отливки и эле-
ментов литниковой системы* Применяется преимущественно при машинной формовке, -
На под модельную п л и т у (из дерева или металла) при пескометной или ручной формовке устанавливают модель отливки и модели элементов литниковой системы. Такая плита может быть с гладкой поверхностью и фигурными углублениями. соответствующими выступающим частям неразъемной модели.
Формовочные шаблоны (протяжные и шаблоны вращения) применяют для изготовления форм и реже стержней. Шаблоны вращения используют при изготовлении форм для получения отливок- тел вращения, Протяжные шаблоны применяют для изготовления форм, имеющих прямолинейные и реже криволинейные очертания,
Контрольные шаблоны применяют для проверки размеров форм и стержней, а также для контроля правильной их сборки.
Модели элементов литниковой системы служат для образования в форме каналов, по которым жидкий металл подводится к полости формы и питает отливку в процессе ее кристаллизации,
В современной практике в модельном комплекте часто отсутствуют те или иные его составляющие, Однако во всех случаях в модельном комплекте имеется модель.
Важнейшими, признаками классификации моделей являются: вид литейного сплава, серийность производства, способ получения литейных форм; материал, размер, конструкция и прочность модели; точность ее изготовления; сложность модели; технологическая однородность, конструктивная общность и т. д.
По виду литейного сплава различают модели для стального, чугунного и цветного литья.
По способу получения литейных форм различают модели для машинной и ручной формовки.
По материалу модели подразделяются на деревянные, металлические, гипсовые, цементные, железобетонные, пластмассовые и комбинированные (дерево и металл или пластмасса).
По конструкции модели бывают разъемные, неразъемные, с отъемными частями и специальные (скелетные и шаблонные).
Не разбирая всего многообразия классификации моделей, отметим, что деревянные модели делятся на три класса по прочности. Медели первого класса изготовляют из прочных пород дерева (бук, орех) и применяют в крупносерийном производстве при ручной и машинной формовке, Модели второго класса выполняют из березы или липы и применяют в мелкосерийном производстве. Модели третьего класса изготовляют из сосны или ели и применяют в индивидуальном и реже в мелкосерийном производстве.
Чтобы избежать коробления и уменьшения размеров при высыхании древесины, деревянные модели изготовляют из сухого пиломатериала» Рабочая поверхность модели и стержневых ящиков должна
быть гладкой и стойкой против износа. С этой целью эту' поверхность модельно-стержневой деревянной оснастки шпаклюют, зачищают и покрывают нитролаком» не разбухающим при соприкосновении с влажной формовочной или стержневой смесью»
Деревянные модели маркируют в соответствии с изготовляемым по ним литым деталям и окрашивают в красный цвет (чугунныеотливки), синий (стальные отливки) и желтый (отливки из цветных сплавов). Стержневые знаки на моделях окрашивают в черный цвет, а отъемные части модели окантовывают черной полоской,
В связи с усадкой металлов и сплавов при затвердевании линейные размеры моделей увеличивают при производстве отливок из серого чугуна — па 1 %, ковкого чугуна и стали — на 2%, цветных сплавов — от 1 до 2%.
Для облегчения протяжки модели из полости формы и стержня из стержневого ящика на вертикальных их стенках предусматривают формовочные уклоны на утлы величиной от 0,5 до 5°.
Если отливка после изготовления подвергается механической обработке, то модели и стержневые ящики изготовляют с учетом припуска на эту обработку.
Модель и стержневой ящик контролируют и выполняют так» чтобы не было резких и острых переходов по толщине от одной части отливки к другой. Закругление наружных и внутренних углов модели называют галтелями.
Во всех случаях как при конструировании литой детали и модельно-стержневой оснастки, так и при последующих переделах производства отливок, необходимо обеспечить их максимальную технологичность.
Под те х ноло г и ч ность ю подразумевают такую конструкцию литой детали и модельно-стержневой оснастки, которые при минимальной себестоимости и затратах материалов и заданном качестве обеспечивают максимальные удобства в процессе ее отливки, последующей обработки и эксплуатации. Обязательное условие технологичности литой детали — простота ее конструкции с использованием для ее изготовления минимального количества литейных стержней.
Формовочный инструмент, При изготовлении песчано-глинистых и некоторых других форм и стержней применяют инструмент, который условно делится на две группы: инструмент для наполнения опок и стержневых ящиков формовочной или стержневой смесью и последующего ее уплотнения (лопаты, ручные и пневматические трамбовки, линейки); инструмент для извлечения модели Из полости формы и отделки поверхности формы и стержней (крючки, подъемники, гладилки, ложечки, ланцеты, пульверизаторы и т. д.).
Опоки. Опокой называют металлическую (реже деревянную) рамку, служащую для удержания формовочной смеси, образующей литейную форму, как при ее изготовлении и транспортировке, так и при последующей заливке и охлаждении отливки. Обычно опоки отливают из стали, чугунам алюминиевых сплавов.,Иногда стальные опоки сваривают из стандартного проката.
Формовочные и стержневые смеси
Материалы, применяемые для изготовления разовых песчано-глинистых и некоторых других литейных форм и стержней, называют формовочными. Они разделяются на исходные формовочные материалы, формовочные и стержневые смеси.
Исходные формовочные материалы, которые часто называют пер- вичтгыми, подразделяют на основные (пески и глины) и вспомогательные (связующие, молотый уголь, древесные опилки, торф, графит и др.). '
Песок является основной составляющей формовочных и стержневых смесей. Формовочные пески состоят в основном из зерен кварца и примеси глины, которые условно называют зерновой и глинистой составляющими.
Зерновой составляющей, независимо от химического состава, называют ту часть песка, величина зерен которого более 22 мкм.
Глинистой составляющей называют ту часть песка, расчетный диаметр зерен которой менее 22 мкм.
По ГОСТ 2138—56 к формовочным пескам откосят материалы с содержанием глинистой составляющей до 50%, а к формовочным глинам — материалы с содержанием глинистой составляющей свыше 50%. В зависимости от содержания глинистой составляющей и примесей пески подразделяются на классы, группы и категории, которые приведены в табл. 10.
Формовочные и стержневые смеси. В литейном производстве применяют большое количество разнообразных формовочных и стержневых смесей. Выбор состава смеси обусловлен ее назначением.
Наиболее распространенные песчано-глинистые смеси классифицируют:
а) по применению при формовке (облицовочные, наполнительные и единые); б) в зависимости от состояния формы перед заливкой (для сырых, сухих, подсушенных и самотвердеющих); в) по роду сплава (для чугуна, стали и цветных сплавов).
Облицовочной называют формовочную смесь повышенного качества, из которой выполняют рабочую поверхность формы толщиной от 10 до 40 мм, соприкасающуюся с расплавом. Эта смесь должна иметь высокую пластичность, газопроницаемость, прочность и огнеупорность. Она содержит 50—90% свежих формовочных материалов (остальное— соответственно регенерированную оборотную смесь). От общего количества формовочной смеси при изготовлении формы на долю облицовочной приходится 10—20%; остальное — ка долю наполнительной формовочной смеси.
Наполнительную формовочную смесь (она более низкого качества) используют для заполнения объема формы, оставшегося после нанесения облицовочного слоя. В состав такой смеси входит обычно 95—98% оборотной регенерированной смеси и 5—2% свежих формовочных материалов.
Таблица 10
Классы песков в зависимости от содержания кварца и глины (ГОСТ 2138^56)
Наименование песков
Класс
Основные составляющие. %
Вредные примеси, % (не более»
глинистая составляющая
SiO, (нс менее)
сульфидная сера
окислы Щелочно- 1 земельных и щелоч - ных металлов
окислы железа
Кварцевый
IK
До 2
97
Не допускается
Менее
1,5
0,75
»•
2К
» 2
96
0,025
1,5
1,0
зк
» 2
94
0,025
2,0
L5
»
4К
» 2
90
Не нормируется
Не нории руется
Не лимитируется
Кварцево - по лево шп атны й
кп
» 2
Менее 90
То же
То же
То же
Тощий
т
Свыше 2 до 10
Нс нормируется
в
»
в
Полужирный
п
Свыше 10 до 20
То же
»
»
»
Жирный
ж
Свыше 20 до 30
»
»
»
»
Очень жирный
ож
Свыше 30 до 50
»
»
»
»
Единую формовочную смесь, занимающую по качеству среднее положение между облицовочной и наполнительной, применяют при машинном производстве мелких по массе форм, предназначенных для тонкостенных отливок* В состав единых смесей входит 85—95% оборотной регенерированной смеси и 15—5% свежих формовочных материалов*
Все эти смеси имеют влажность от 4 до 7 %, В состав облицовочных и единых смесей, кроме глины, часто вводят противопригарные добавки,
Смеси для сырых форм в основном состоят из большого количества оборотной смеси с добавкой свежих материалов в виде глинистых песков или смеси глины с песком,
. Смеси для сухих форм отличаются от смесей для сырых форм более высокой прочностью, газопроницаемостью и податливостью* Последние два свойства обеспечиваются введением в смесь древесных опилок, торфа и других веществ, которые выгорают, образуя дополнительные поры.
Смеси для подсушиваемых форм широко применяют при изготовлении средних и крупных форм для ответственных отливок* Используют такие смеси как облицовочные. В их состав вводят крепители, жидкое стекло и др. При провяливании на воздухе или при кратковременной тепловой подсушке (в течение 10—30 мин) на поверхности формы образуется прочный слой.
Смеси для химически затвердевающих форм применяют как облицовочные» Они состоят из кварцевого песка, в который вводят 4,5—6% жидкого стекла. Прочность таких смесей обеспечивают продувкой их углекислым газом. При химическом затвердевании вода вступает в прочное соединение с кремнеземом, входящим в состав жидкого стекла» Образующийся при этом гель кремниевой кислоты, располагаясь между зернами песка, связывает их в прочный конгломерат*
Стержневые смеси должны обладать большой прочностью, газопроницаемостью и огнеупорностью. Стержни в процессе формования отливки находятся в более тяжелых условиях, чем форма. В стержневые смеси для изготовления простых крупных стержней вводят глину. Смеси для сложных стержней готовят из кварцевого песка с добавлением различных крепителей. В смеси вводят повышенное количество противопригарных добавок (уголь, графит, мазут) и добавок, обеспечивающих податливость стержня (древесные опилки, торф 2—3% и Т. д.).
Жидкие самотвердеющие смеси (АСС) и песчаные самотвердеющие смеси (ПСС) применяют для изготовления форм и стержней в современном производстве. После заполнения стержневого ящика или опоки через 30—50 мин они затвердевают без тепловой сушки.
Изготовленная в смесителе смесь ЖСС имеет консистенцию сметаны; ее заливают в ящик или опоку и уплотняют.
Свойства смесей. Качество форм и стержней зависит от рабочих свойств используемых для них смесей: пластичности, прочности, газопроницаемости, огнеупорности, долговечности, пригораемости, выби- ваемости и податливости.
Пластичность — способность формовочной смеси воспринимать отпечаток модели.
Прочность — сопротивляемость формы разрушению в процессе транспортировки и сборки, а также при динамическом и статическом воздействии на нее жидкого металла.
Газопроницаемость — способность формы пропускать газы, которые вытесняются из нее жидким металлом, а также выделяются из формы и расплава.
Огнеупорност ь—свойство смеси не плавиться и не спекаться под действием залитого в форму металла и не образовывать пригар па поверхности отливки.
Долговечность — сохранение формовочной смесью своих рабочих свойств в случае повторного использования при изготовлении и заливке форм расплавом.
Пригораем ость — прочное сцепление формовочного материала с поверхностью отливки в результате их химического и механического взаимодействия в период заливки и затвердевания расплава.
Сопротивляемость выб и в ке — работа, затрачиваемая на выбивку отливок из форм и стержней из отливок.
Податливость — способность формы и стержней уменьшаться в объеме под действием усадки остывающей отливки. Особенно это важно для стержней. Плохая податливость форм и стержней часто приводит к появлению в отливках «горячих» трещин.
Технология приготовления смесей. Полный технологический процесс приготовления формовочных и стержневых смесей включает предварительную подготовку свежих исходных материалов; подготовку оборотной смеси; регенерацию оборотной смеси и собственно приготовление рабочей смеси.
На рис. 64 приведена схема подготовки исходных материалов и приготовления смесей в механизированном смесеприготовительном отделении. Рассмотрим основные этапы этой операции.
Подготовка свежих материалов. Свежий песок из вагонов (или автомашин) высыпают в приемное устройство / (рис. 64),
1 2 Сбежий песок
Рис. 64. Схема технологических переходов подготовки формовочных матери* алов и приготовления смесей;
/ — приемное устройство; 2 — закром; 3 — отпускной бункер; 4 — сушило; 5 — размалывающие бегуны; 6 —сито; 7 — дробилка с зубчатыми палками; 8 — дробилка с гладкими валками; 9 — промежуточный бункер; 10 — шаровая мельница; // — устройство для подачи горячего воздуха; /2 — циклон; /3 — смешивающие бегуны; 14— магнитный сепаратор; /5 — бункер-отстойник; 16— расходный бункер; /7—аэратор; /8— выбивная решетка;
J9 — бункер отходов
а затем в закром 2 склада. Далее песок пересыпают в отпускной бункер 3, а из пего в сушило 4. Затем песок просеивают через сито 6 и передают в бункер над бегунами 13. Непросеянные комья песка поступают в бегуны 5, где их разминают, и далее, в виде песка на сито 6 и в бункер над бегунами /5.
Каменный уголь из вагонов высыпают в приемное устройство / и далее передают в закром 2 и в отпускной бункер 3, а из последнего в дробилку с гладкими валками 8- Далее мелкие куски угля транспортируют в промежуточный бункер 9 и из него в шаровую мельницу 10. В процессе размола в мельницу поступает горячий воздух из установки /V* Сухие фракции угольной пыли выносятся этим воздухом в циклон 12, там осаживаются и затем поступают в бункер над бегунами 13.
Глину из вагонов перегружают краном в приемное устройство, а из него в закром 2 и в отпускной бункер 3. Далее ее передают в дробилку с зубчатыми валками 7, а из нее в виде мелких комьев в сушило 4. Из последнего глину передают в промежуточный бункер 9 и далее в дробилку с гладкими валками 8 и в шаровую мельницу 10. Размолотый порошок глины передается в осадительный циклон /2, а из него в бункер над бегунами /5»
Подготовка и регенерация оборотной с м е- с и. Выбитая на выбивной решетке 18 смесь поступает в промежуточный бункер 5, из него на магнитную сепарацию 14, где отделяют металлические включения. Далее смесь проходит через дробилку с гладкими валками 8 и сито 6. При этом песок поступает в бункер оборотной смеси над бегунами 13; пыль, зола и другие включения поступают в бункер отходов 19.
Приготовление с м е с и. В процессе приготовления смеси из бункеров с помощью дозаторов все сухие составляющие компоненты смеси поступают в заданном количестве в смешивающие бегуны /8. Там производится их перемешивание, добавляется вода и вновь осуществляют перемешивание. Готовую смесь передают в бункер-отстойник 15. В бункере смесь вылеживается не менее 2 ч для качественного улучшения. Далее с помощью питателя смесь из бункера подают в аэратор 17, где она взрыхляется. Затем смесь передают по ленточному транспортеру в расходные бункера /6, установленные над формовочными машинами.
Для смешивания составляющих смеси применяют различные бегуны производительностью от 5 до 60 т/ч формовочной или стержневой смеси.
Указанная схема относится только к процессу изготовления формовочных и стержневых смесей обычных составов.
Для приготовления слеш на жидком стекле последнюю из-под бегунов подают в коробах непосредственно па формовку.
Смеси ЖСС и ППС (самотвердеющие) готовят на специальных установках и немедленно (не позднее чем через 2 мин) используют для приготовления стержней и форм. Такие установки размещают прямо на территории формовочного или стержневого отделений.
§ 4, Технология изготовления форм
Наиболее сложной и трудоемкой операцией изготовления отливки является формовка — процесс изготовления формы.
Средняя трудоемкость формовочных работ, в зависимости от степени механизации процесса и сложности литья, составляет 30—60% общей трудоемкости изготовления отливок.
Наиболее распространена формовка по моделям в почве или опоках, шаблонная и машинная.
Формовка в почве. Литейную форму полностью готовят на полу литейного цеха (на формовочном плацу). Формы в почве делают открытыми и закрытыми (рис. 65). При открытой формовке верх
формы в процессе заливки расплавом остается открытым; при закрытой формовке верх формы в этом случае перекрывают заформованной опо-
кой.
Для формовки в почве готовят формовочный плац, так называемую постель* Для производства мелких по размерам и массе отливок гото
вят мягкую постель — производят рыхление, просев и выравнивание формовочной смеси, покрывая участок формовки облицовочной формовочной смесью. Для производства крупных и в ряде случаев средних по
размеру отливок на формовочном плацу готовят твердую постель. С целью повышения газопроницаемости формы ее дно по профилю отливки выкладывают слоем шлака толщиной 50—80 мм, из которого газы отводятся с помощью металлических труб. Указанный слой шлака перекрывают облицовочной формовочной смесью.
При изготовлении твердой постели используют и кирпичную кладку, а промежутки между кирпичами засыпают шлаком.
Открытую формо
вку применяют для отлив-
КИ деталей С ПЛОСКОЙ пове-Рис- 65 Формовка в почве
рхностью (плиты, колосники, грузы, каркасы и т* д.).
В этих случаях обычно применяется мягкая постель (рис. 65,а), на которую кладут модель 2, осаживая ее легкими ударами молотка по наложенной ' на нее дощечке. Ватерпасом 4 проверяют горизонтальное положение модели. Затем ее обкладывают облицовочной смесью, обжимают и насыпают наполнительную смесь* Далее смесь уплотняют вначале клиновидной, а затем плоской ручной или пневматической трамбовкой. Потом вторично проверяют ватерпасом горизонтальное положение верха модели, очищают линейкой излишек формовочной смеси, заглаживают гладилкой смесь вокруг модели, укрепляют шпильками или смачиванием водой смесь вблизи модели и душником 8 накалывают вентиляционные каналы 5. Далее для заливки ме
таллом через чашу 6 на поверхности формы прорезают питатель 7, над которым устанавливают литниковую чашу* С другой стороны формы прорезают канал / с приемником для слива избыточного металла. После этого модель удаляют подъемником 5; в почве остается отпечаток модели, т. е. полость литейной формы. Затем исправляют и заглаживают гладилкой обвалившуюся при удалении модели смесь, пр и выливают поверхность формы углем или серебристым графитом и заливают ее металлом. Поверхность металла засыпают древесным углем
или слоем сухой формовочной смеси. Это создает условия для равномерного охлаждения отливки и меньшего окисления металла.
Открытая формовка дает экономию формовочной смеси, опок и трудозатрат. Однако поверхность верхней части отливки получается неровной с включениями шлака и формовочной смеси; это недостаток способа формовки.
Закрытую формовку применяют для получения отливок с чистой или фасонной верхней частью. В этом случае на приготовленную твердую постель (рис. 65,6) укладывают нижнюю часть модели и несколько осаживают ее в смесь. Затем выполняют все технологические операции открытой почвенной формовки и укладывают верхнюю часть модели. Поверхность уплотненной вокруг модели формовочной смеси и саму модель посыпают разделительным составом (мелким сухим песком) и устанавливают пустую опоку. Правильную центровку опоки по отнетению к нижней половине формы осуществляют деревянными колышками .
Модели литниковой системы на левом фланце трубы и выпора на правом фланце устанавливают перед заполнением опоки формовочной смесью. Затем в опоку последовательно насыпают облицовочную, а за ней наполнительную формовочную смесь, уплотняют ее сначала вдоль стенок опоки, а затем и над моделью. Далее с целью выполнения вентиляционных каналов осуществляют накол формы душником, снимают верхнюю половину формы, поворачивают ее на 180е и отставляют в сторону. После этого вынимают нижнюю половину модели из почвы, а верхнюю — из полуформы, выполненной в опоке; исправляют и отделывают поверхность формы; устанавливают по знакам стержень; ставят на место (центруя по колышкам) верхнюю полуформу; наращивают чашу и выпор.
В ряде случаев закрытую форму в почве перед заливкой металла просушивают. Для этого применяют различные по конструкции переносные сушила.
Формовка в опоках широко применяется при ручном и машинном способе изготовления песчано-глинистых литейных форм. В зависимости от конфигурации отливки, ее размеров и сложности применяют следующие способы формовки: в двух опоках по цельной модели; в двух опоках по разъемной модели; в трех и более опоках; но модели с отъемными частями; стопочная; формовка в жакетах (безопоч- ная) и др.
Форму в двух опоках по неразъемной модели (т. е. верхнюю и нижнюю полуформы) готовят в такой последовательности (рис, 66). Модель устанавливают гладкой поверхностью на подмодельный щиток L На щиток устанавливают опоку 2 и, чтобы уменьшить прилипаемость смеси к модели, ее припудривают порошком ликоподия, талька или графита, Затем модель засеивают слоем в 15—20 мм облицовочной формовочной смеси 3, а опоку заполняют наполнительной формовочной смесью 4 толщиной 70—100 мм. Каждый такой слой уплотняют ручной или пневматической трамбовкой 5 или методом машинной формовки (встряхиванием, прессованием, пескометом). При ручной формовке, чтобы исключить вываливание смеси из опоки, ее уплотняют неравномерно; 192
наиболее плотно набивают слои формовочной смеси около стенок опоки. С этой целью смесь начинают уплотнять около стенок опоки трамбовкой с клинообразной набойкой 5. В средней части опоки смесь уплотняют менее сильно; эту операцию осуществляют трамбовкой с плоской набойкой 6* Затем излишек смеси срезают линейкой 7 и в полуформе
Рис. 66. Изготовление формы в двух опоках по неразъемной модели
душником накалывают вентиляционные каналы 8; их не доводят до модели на 15—20 мм.
Далее опоку переворачивают на 180°, ставят разъемом вверх 9 на выровненную поверхность формовочного плаца или на деревянный щиток, Затем заглаживают поверхность разъема, посыпая ее разделительным песком 10» и удаляют его излишек 1L На нижнюю полуформу ста-
Рис. 67. Стопочные формыРис. 67. Стопочные формывят (обычно по штырям, реже по колышкам) верхнюю пол у форму (опоку), плоскость разъема модели припудривают тальком или графитом 12. Установив модель стояка 13, покрывают (через сито) модель отлив* ки облицовочным слоем формовочной смеси, на которую затем насыпают наполнительную формовочную смесь 14. Затем формовочную смесь уплотняют 15и 16, ее излишки срезают линейкой 17, в верхней полу- форме накалывают вентиляционные каналы 18. Далее извлекают из верхней полуформы модель стояка, расширяют его верхнюю часть для образования литниковой чаши, снимают верхнюю полуформу и кладут на щиток плоскостью разъема вверх. Затем в нижней полуформе по плоскости разъема прорезают ланцетом или гладилкой канал — питатель.
Рис. 67. Стопочные формы
Рис. 67. Стопочные формы
Кромку формы вокруг модели 21 в обеих полу формах слегка смачивают водой. Местное увлажнение смеси нужно для того, чтобы при выемке модели форма не осыпалась. Выемку модели из формы 22 производят при помощи подъемника, который ввинчивают или вбивают в специальные отверстия модели.
Оставшийся в форме сор удаляют струей воздуха. Для уменьшения пригара формовочной смеси к отливке обе половины формы пр и пыл и- вают графитом или углем. Если форма сушится, то внутреннюю ее полость окрашивают формовочной краской.
При сборке формы верхнюю полуформу осторожно, по направляющим штырям, устанавливают на нижнюю. На собранную форму накладывают груз или скрепляют обе половинки скобами (болтами).
Формовку в двух опоках по разъемной модели применяют при изготовлении форм средней сложности. Этот способ формовки имеет много общего с формовкой по целой (неразъемной) модели.
Формы для отливки деталей сложной конфигурации должны иметь по две и более плоскостей разъема, что облегчит выемку частей модели* В этих случаях каждую форму изготовляют в трех и более опоках. Стопочную формовку применяют для отливки мелких деталей; она требует небольших площадей формовочного отделения. Возможны два вида стопочной формовки: этажный и ступенчатый. При этажном способе формовки (рис. 67,а) 10—12 и более опок ста* вят друг на друга и соединяют одним стояком, через который заливают металл во все опоки. Продолжительность процесса заливки сокращается, вес литников уменьшается, Правда, из-за большого давления металла размеры деталей в нижних опоках могут искажаться.
При ступенчатой формовке (рис. 67,6) каждая опока имеет самостоятельную литниковую систему. Опоки устанавливают друг на друга
в виде ступеней. Каждая вышележащая форма сдвинута относительно нижней формы на ширину литейной чаши.
При безопочной формовке (рис. 68) применяют двусторонние модельные плиты. Для предотвращения прорыва металла в плоскости разъема формы, а также для того, чтобы верхнюю половину формы нельзя было сдвинуть относительно нижней, модельные плиты изготовляют с уступом или замком.
Нижнюю опоку (рис. 68,с) набивают на металлической модельной плите. Для удобства работы плиту кладут на перевернутую опоку 3, После набивки нижней опоки 2 наверх кладут деревянный плоский
Рис, 68. Безопочная формовка
Рис. 69. Схемы машинной формовкиРис. 69. Схемы машинной формовки
Рис. 69. Схемы машинной формовки
Рис. 69. Схемы машинной формовки
щиток У, вместе с ним поворачивают форму на 180° и набивают верхнюю опоку (рис. 68,6). Затем снимают верхнюю заформованную опоку (рис. 68 ,е) и подмодельную плиту 4 с моделями (рис. 68,а). Обе половины формы отделывают и собирают (рис. 68,6). С собранной формы одновременно снимают обе опоки (рис. 68,е). После этого безопочную форму на щитке передают к месту заливки, где на нее надевают жакет 5 и кладут груз (чугунную плиту) с отверстием для литника.
Безопочную формовку широко применяют для отливки мелких деталей. Этот способ формовки облегчает выбивку деталей и дает значительную экономию опок. Однако расход формовочной земли при этом несколько увеличивается.
Формовку по шаблонам проводят в почве при помощи профилированных досок-шаблонов, когда требуется быстро отлить детали больших размеров Изготовление соответствующих моделей пр И формовке в опоках стоит очень дорого и требует много времени* Формовка по шаблону исключает применение дорогих моделей, вследствие чего она примерно в пять раз дешевле формовки но моделям. Кроме того, при формовке крупной детали в опоке модель может получиться слишком громоздкой, что затруднит выемку ее из формы.
Машины цля изготовления литейных форм. Применение машин для изготовления литейных форм позволяет резко увеличить производители ьность труда, повысить точность отливок, снизить себестоимость и улучшить качество литья. Кроме того, применение машин позволяет механизировать и автоматизировать процесс изготовления литейных форм.
Формовочные машины выполняют операции уплотнения смеси и удаления модели из литейной формы. По способу уплотнения фермы машины разделяют на прессовые, встряхивающие и пескометы.
Прессовые машин ы приводятся в действие сжатым воздухом под избыточным давлением 0,5—0,7 МН/м2 (0,5—0,7 МПа).
На рис. 69,о приведена схема машинной формовки с верхним прессованием смеси в опоке. На столе / укрепляют подмодсльную плиту с моделью 2 и устанавливают опоку 3 с наполнительной рамкой 4, заполняют их формовочной смесью из бункера. При подъеме стола машины опока вместе с наполнительной рамкой и моделью упирается в прессовую колодку 5 неподвижной траверсы 6. Колодка входит внутрь на-
волнительной рамки и уплотняет формовочную смесь до верхнего края опоки (на рисунке указано пунктиром). После прессования стол опускается в первоначальное положение. Этот способ машинного изготовления форм применяют для небольших по высоте моделей.
На рис. 69,6 приведена схема машины с нижним прессованием. На столе / укрепляют подмодельную плиту с моделью 2» На раму 3 устанавли- вают опоку 4, в которую насыпают формовочную смесь из бункера; после этого к поверхности опоки вплотную подводят траверсу 5. Механизм подъема поднимает стол с моделью до нижнего края опоки (на рису нке у казано пу нкти - ром). По окончании прессования стол опускается в первоначальное положение.
Рис. 70. Схема механизированного удаления модели из формы при машинной формовке :Рис. 70. Схема механизированного удаления модели из формы при машинной формовке :о — подъем полу фор мы штифтами; б — опускание модели через протяжную плиту, в — подъем полуформы штифтам я через протяжную л лигу; у — поворачивание полу формы с моделью на 180s с последующим подъемом стола с моделью: О — опрокидывание полу формы на приемный стол с последующим его опусканием; / — модель; 2 — пол у форма; 5 — подмодельная плита; 4 — штифты; 5 — стол* 6 — протяжная плита; 7 — приемный столо — подъем полу фор мы штифтами; б — опускание модели через протяжную плиту, в — подъем полуформы штифтам я через протяжную л лигу; у — поворачивание полу формы с моделью на 180s с последующим подъемом стола с моделью: О — опрокидывание полу формы на приемный стол с последующим его опусканием; / — модель; 2 — пол у форма; 5 — подмодельная плита; 4 — штифты; 5 — стол* 6 — протяжная плита; 7 — приемный столПринцип работы встряхивающей ф о р м о- ночной машины (рис. 69, в) заключается в том, что стол 2 с подмодельной плитой, моделью и опокой /, наполненной формовочной смесью, поднимается поршнем 5 на определенную высоту при выпуске воздуха через шланг 4 по каналу 3. Затем стол падает (так как воздух выходит через отверстие 6) и ударяет о неподвижный направляющий цилиндр 7, уплотняя формовочную смесь в опоке. Пружины 8, амортизируя
Рис. 70. Схема механизированного удаления модели из формы при машинной формовке :
Рис. 70. Схема механизированного удаления модели из формы при машинной формовке :
о — подъем полу фор мы штифтами; б — опускание модели через протяжную плиту, в — подъем полуформы штифтам я через протяжную л лигу; у — поворачивание полу формы с моделью на 180s с последующим подъемом стола с моделью: О — опрокидывание полу формы на приемный стол с последующим его опусканием; / — модель; 2 — пол у форма; 5 — подмодельная плита; 4 — штифты; 5 — стол* 6 — протяжная плита; 7 — приемный стол
о — подъем полу фор мы штифтами; б — опускание модели через протяжную плиту, в — подъем полуформы штифтам я через протяжную л лигу; у — поворачивание полу формы с моделью на 180s с последующим подъемом стола с моделью: О — опрокидывание полу формы на приемный стол с последующим его опусканием; / — модель; 2 — пол у форма; 5 — подмодельная плита; 4 — штифты; 5 — стол* 6 — протяжная плита; 7 — приемный стол
удары стола» уменьшают шум и предотвращают разрушение механизма и фундамента.
При использовании для уплотнения форм в опоках встряхивающих, встряхивающих с подпрессовкой и прессовых машин производится механизированная протяжка (удаление) моделей из полости форм с помощью механизмов, показанных на
рис. 70,12—д.
Пескометы механизируют процесс уплотнения смеси; их применяют для изготовления средних и крупных форм (а также стержней) при любой серийности производства» Эти высокопроизводительные машины могут набить в опоки или стержневые ящики от 5 до 35 м3/ч смеси в зависимости от разновидности конструкции и модели.
Устройство основной рабочей части пескомета — метательной головки — схематически показано на рис. 71 ,а, В металлическом кожухе 1 со скоростью 1400—-1500 об/мин вращается горизонтальный вал, на конце которого насажен ротор с прикрепленным к нему сменным ков-
шом 2. Смесь подается в головку пескомета транспортером через окно 3 в стенке кожуха и подхватывается вращающимся ковшом, который с большой силой бросает ее в опоку (или стержневой ящик) через выходное окно 4. Порции смеси (пакеты), ударяясь о слои, ранее поступившие в опоку, уплотняют смесь* Для равномерного ее уплотнения головку пескомета непрерывно вручную перемещают в горизонтальной плоскости над опокой со скоростью от 0,3 до 0,6 м/с*
В производстве применяют стационарные и передвижные (велоси* педного типа) формовочные пескометы*
Передвижкой пескомет —опоки (на модельных плитах) устанавливают вдоль колони цеха. Пескомет со скоростью от 2 до 12,7 м/мин передвигается вдоль стенок пролета (или вдоль колонн) и, останавливаясь, набивает смесью опоки в радиусе действия перемещаемой на консолях метательной головки.
К стационарному формовочному пескомету транспортером или краном подают опоки на модельных плитах в зону действия метательной головки.
На рис. 71,6 показан стационарный формовочный пескомет. Основанием машины служит неподвижная тумба /5, в которой размещена основная часть электрооборудования. На ней установлена вертикально подвижная тумба 14, вокруг которой вращается большой рукав 9, связанный с малым рукавом 7 через подвижную опору 2,
Гидравлический цилиндр /3 подъема рукавов шарнирно соединен с опорным звеном большого рукава и поворотной тумбой. На большом рукаве расположен его ленточный транспортер 10, рама которого опирается на поворотную тумбу и стойку большого рукава.
На конце горизонтальной части внешнего звена большого рукава установлена подвижная опора 2 малого рукава* Она может поворачиваться относительно конца большого рукава в горизонтальной плоскости, На малом рукаве смонтирован ленточный транспортер 6*
Метательная головка 5 смонтирована на свободном конце малого рукава. Привод ротора метательной головки и ленточного транспортера малого рукава осуществляется электродвигателем 1 через вал, огражденный трубой 3. Привод ленточного транспортера большого рукава осуществляется электродвигателем 12*
Горизонтальное движение метательной головки (поворот рукавов) по любой траектории производят вручную (ручкой 4).
После включения привода метательной головки и ленточных транспортеров смесь из цеховой смесераздаточной системы (см. рис. 64) непрерывно подается через приемную воронку // на ленточный транспортер большого рукава. Далее она попадает в приемную воронку 8 и через нее на ленточный транспортер малого рукава и потом через приемное окно на роторе метательной головки (рис. 71,я).
Автоматизация изготовления форм и производства отливок
В современном литейном производстве на базе прессовых, вибро- прессовых, встряхивающих и пескометных машин создано много механизированных и автоматизированных формовочно-сборочно-заливочно- выбивных линий производства отливок в разовых песчаных формах.
линия формовки, заливки и выбивки отливоклиния формовки, заливки и выбивки отливок
линия формовки, заливки и выбивки отливок
линия формовки, заливки и выбивки отливок
На рис- 72 показана типовая автоматическая линия для изготовления, заливки, охлаждения и выбивки залитых форм в опоках размером 900 X 700 х 350 мм. Производительность линии 200 форм в час. Линию можно применять для выполнения сложных форм встряхиванием с одновременным прессованием или встряхиванием с последующей допрессовкой, а также для производства простых невысоких форм методом прессования*
Нижнюю полуформу изготовляют методом комбинированного уплотнения и последующей протяжки из нее модели на трехпозиционном проходном формовочном автомате 10; верхнюю полуформу — на аналогичном автомате 9» Нижнюю полуформу кантуют и установщиком 5 разъемом вверх устанавливают иа литейный конвейер пульсирующего типа 4. При необходимости на участке литейного конвейера между позициями 3 и 5 в нижнюю полуформу вручную устанавливают стержни. На позиции 5 нижнюю полуформу с помощью сборщика накрывают верхней полуформой, на которую грузоукладчик 6" накладывает груз.
Формы заливают с помощью автоматизированной заливочной установки 7 с дистанционным управлением, На каждую линию устанавливают по две таких установки. Залитые формы с наложенными грузами подают пульсирующим транспортером в охладительный кожух 8. После затвердевания отливок грузоукладчик 6 снимает груз и переносит его на следующую форму. Форма с отливкой поступает на позицию /, где сталкивателем передается в механизм выдавливания комка смеси /3; там смесь с отливкой выдавливается из опок и поступает на транспортер дополнительного охлаждения /5, а затем на выбивную решетку 14. На последней смесь отделяется от отливки. Оборотная смесь проваливается в решетку, а отливка с элементами литниковой системы скатывается в короб или на транспортер (на схеме не показаны).
Освободившиеся опоки по транспортеру 2 передаются к формовечным автоматам. При этом опоки поступают на механизм очистки опок 12 для удаления остатков смеси. Далее с помощью механизма 11 с нижней опоки снимают верхнюю* После этого специальные механизмы снимают опоки с транспортера и передают нх к формовочным автоматам 10 и 9 соответственно.
§ Б. Технология изготовления стержней
Для производства отливок наиболее часто используют разовые песчаные стержни, упрочняемые тепловой сушкой* Технология изготовления стержней во многом аналогична производству форм. Однако она имеет и особенности, обусловленные более высокими требованиями к их прочности, огнеупорности и газопроницаемости. Удовлетворение этих требований обеспечивается прежде всего применением специальных стержневых смесей, тепловой сушкой, армированием, устройством вентиляционных каналов.
Армирование заключается в том, что при изготовлении стержней в них закладывают стальную проволоку (диаметром 4—8 мм)
и литые каркасы (рис. 73), На литом каркасе могут быть приливы (торцы) (рис. 73д) или залитые в него прутки из стальной проволоки (рис. 73,6). В средних и крупных по массе стержнях к каркасам прикрепляют ушки, за которые транспортируют стержень при его постановке в форму.
Для упрочнения связи стержневой смеси с каркасом последний перед помещением в изготавливаемый стержень смачивают раствором глины.
Вентиляционные каналы в простых цилиндрических стержнях, как и в формах, прокалывают душником. В изогнутых сложных стерж-
я)я)нях при единичном характере производства вентиляционные каналы получают с помощью навощенных шнуров, которые закладывают в стержни; в процессе сушки шнуры выплавляются. Иногда для формования вентиляционных каналов в стержни закладывают трубы, па стенках которых в шахматном порядке размещены отверстия для прохода газов. В отдельных случаях вместо труб в стержень помещают стальную стружку (вьюн), которая и образует вентиляционный
я)
я)
Рис. 73. Каркасы для стержней канал.
Очень часто крупные и сложные стержни готовят в стержневых ящиках по частям; после сушки такие части склеивают. Такой процесс называют спариванием стержней. Щели между частями стержня заделывают специальными замазками.
Песчано-глинистые стержни сушат от 2 до 12 ч при 200—280° С. Продолжительность и температура сушки определяется размерами стержня и составом крепителя, на котором изготовлена стержневая смесь. Крупные стержни обычно сушат на фасонных сушильных плитах с мелкими отверстиями, выполненными в шахматном порядке. Такие сушильные плиты из чугуна или алюминиевых сплавов называют драйерами.
Подавляющую часть стержней как простой, так и сложной конфигурации готовят в стержневых ящиках. Очень крупные стержни, имеющие форму тел вращения, иногда готовят с помощью шаб
лонов.
Небольшие цилиндрические стержни получают в разъемных стержневых ящиках (см. рис. 68,в). Такой ящик заполняют с торца стержневой смесью. По центру набитого стержня накалывают вентиляционный канал, после чего ящик ставят на драйер и разбирают.
Стержни сложной конфигурации готовят в вытряхных ящиках. После набивки стержня ящик накрывают драйером и поворачивают на
180°» Далее корпус ящика снимают строго вертикально вверх. Вставки — вкладыши отодвигают от стержня в разные стороны.
Изготовление стержней вручную—трудоемкая операция. На современных заводах абсолютное большинство стержней, также как и форм, готовят на машинах.
Механизированным способом, часто с использованием автоматики, стержни получают на встряхивающих, прессовых, пескометных, пескодувных, пескострельных и мундштучных машинах, а также с использованием жидких самотвердеющих смесей. Изготовление стержней в стержневых ящиках с использованием встряхивающих, прессовых и пескометных машин почти не отлича- ется от аналогичного процесса уплотнения форм.
Сущность работы мундштучной машины состоит в том, что стержневая смесь из ее камеры выдавливается шнеком через мундштук, имеющий отверстие, соответствующее наружному поперечному сечению изготавливаемого стержня. Его в виде ленты
выдавливают на сушильную о_
мj j рис 74 Принципиальная схема и сущность
плиту, сушат, разрезают на работы пескодувной стержневой машины мерные части и после зачистки знаков устанавливают в форму.
Для массового и крупносерийного производства мелких стержней с массой до 10 кг применяют пескодувные стержневые машины; для мелких и средних стержней (до 160 кг) — пескострельные стержневые машины. В большинстве случаев эти машины — полуавтоматы механизируют не только уплотнение смеси в ящике, но также смыкание и размыкание стержневого ящика.
По принципу работы стержневые машины подразделяют на песко- дувные и более совершенные пескострельные.
Пескодувные машины. Принципиальная схема и сущность работы пескодувной стержневой машины показаны на рис. 74. На столе 7 устанавливают стержневой ящик 2. Столом / его поджимают к рабочему резервуару 4, основанием которого является надувная плита 3 с отверстиями. Этот резервуар пневматическим толкателем 10 перемещают по рольгангу 5 под бункер 7 для заполнения стержневой смесью. Одновременно шибер 6, сдвигаясь вправо, открывает отверстие для поступления стержневой смеси из бункера в рабочий резервуар. Пневматический вибратор 8 предотвращает зависание стержневой смеси
Рис. 75. Принципиальная оема и сущность работы пескострельной сгержнеюй машиныРис. 75. Принципиальная оема и сущность работы пескострельной сгержнеюй машиныв бункере. Для надува ящика стержневой смесью рабочий резервуар перемещается пневматическим толкателем по рольгангу под клапан дутья 5. Одновременно отключается вибратор и задвигается шибер бункера. Затем производится надув смеси в стержневой ящик. Для разрыхления смеси в рабочем резервуаре вращают мешалку. Избыточный воздух из стержневого ящика удаляется через венты (пробки с щелями от 0,3 до 0,5 мм) в атмосферу. Готовый стержень извлекают из стержневого ящика, помещают на сушильную плиту или драйер и сушат обычным образом.
Рис. 75. Принципиальная оема и сущность работы пескострельной сгержнеюй машины
Рис. 75. Принципиальная оема и сущность работы пескострельной сгержнеюй машины
Пескодувные машины работают по принципу интенсивного смешения потока воздуха со стержневой смесью. На процесс уплотнения стержня расходуется очень много воздуха, что является недостатком этих машин. Кроме того, для их работы нужна стержневая смесь с малой сырой прочностью, что в свою очередь ограничивает размер изготавливаемых стержней. Поэтому в производстве наибольшее применение получили пескострель- ные стержневые машины.
Пескострельные ма - ш и н ы. В пескодувном резервуаре пескострельных стержневых машин сильного смешения воздуха со стержневой смесью не происходит. Сжатый воздух оказывает практически мгновенное действие на столб стержневой смеси в рабочем резервуаре и как бы выстреливает ее в стержневой ящик. С этой целью площадь поперечного сечения вдувного канала надувной плиты в таких машинах делается больше, чем у пескодувных. Для обеспечения мгновенного большого расхода воздуха в комплект пескострельной машины входит ресивер. Схема надува стержня на пескострельной машине показана на рис. 75. Из бункера заданное количество стержневой смеси подают в рабочий резервуар 4. После этого шибер 3 перекрывает отверстие бункера. В рабочий резервуар с зазором вставлена гильза 5 с вертикальными и горизонтальными щелями шириной 0,4—0,95 мм каждая. При надуве через эти щели в гильзу поступает под давлением воздух. Вертикальные щели служат для некоторого сжатия столба стержневой смеси в гильзе по периметру. Это уменьшает трение смеси о стенки гильзы и предотвращает там ее зависание. Горизонтальные щели предназначены для «выстреливания» стержневой смеси из рабочего резервуара через его конусную насадку 8 в стержневой ящик. При включении дутья быстродействующим клапаном 2 сжатый воздух из ресивера / устремляется в рабочий резервуар, а затем через щели в
гильзу. Из ящика воздух выходит через венты 9 в воздушную коробку 6, а из нее через отверстия в ее стенках и сменной плите 7*
Машины такого типа работают в паре с поворотно-протяжными машинами, на которых кантуют стержневые ящики и извлекают из них стержни.
Пескострельные машины часто используют для изготовления стержней из смесей на основе жидкого стекла, а также для «горячих» стержневых ящиков.
При использовании смесей на жидком стекле стержень в ящике упрочняют, продувая его углекислым газом в цехе.
Процесс изготовления стержней по «горячил!» яичкам состоит в том, что нагретый до 200—220° С металлический стержневой ящик па пес- кострельной машине надувают стержень из термореактивной необратимо твердеющей смеси. Так готовят в массовом производстве оболочковые и сплошные стержни с массой до 6 кг.
При изготовлении стержней из ЖСС жидкую стержневую смесь, изготовленную в смесителе, не позднее чем через 2 мин заливают в подготовленный стержневой ящик, где она через 30—60 мин затвердевает, приобретая высокую прочность.
Изготовленные стержни (кроме полученных по «горячим» ящикам) отделывают, красят, подвергают (если нужно) тепловой сушке и после комплектации и зачистки знаков отправляют на сборку форм.
§ 7. Литниковая система
Литниковая системаЛитниковая системаРис. 76.Рис. 76.Для заливки расплава, приготовленного в печах, в полости форм применяют литниковую систему, представляющую совокупность связанных между собой каналов и резервуаров. Исключение составляет заливка открытых форм, предназначенных для производства простых неответственных отливок (плиты, грузы и т. п.), к качеству которых не предъявляют высоких ^ требований.
Литниковая система
Литниковая система
Рис. 76.
Рис. 76.
имеет: / — чашу (или воронку); 2 —имеет: / — чашу (или воронку); 2 —Для производства отливок в песчано-глинистых 4 и некоторых других формах чаще всего применяют литниковую систему, показанную на рис. 76. Она
имеет: / — чашу (или воронку); 2 —
имеет: / — чашу (или воронку); 2 —
стояк; 3 — шлакоуловитель; 4 — питатель или питатели.
В зависимости от конфигурации и размеров отливки, рода сплава и способа литья на практике применяют литниковые системы различной конструкции. Литниковая система может в отдельных случаях состоять только из одной чаши или из чаши и стояка или из чаши, стояка и питателей. В отдельных случаях к одной полости формы подводят несколько литниковых систем.
Рис. 77. Горизонтальные литниковые системы:Рис. 77. Горизонтальные литниковые системы:а “С фильтрующим шлакоуловителем; б — с щелевым вертикальным питателем; е — тормозящая; / — чаша; 2— стояк; 3 — металлопри- емннк; 4—подсеточный м^аллсприсмник; 5— шлакоуловитель; £ — питатель; 7 — бобышки писателя; ^ •— шелевой вертикальный питатель;9 — перекрывающий литниковый канала “С фильтрующим шлакоуловителем; б — с щелевым вертикальным питателем; е — тормозящая; / — чаша; 2— стояк; 3 — металлопри- емннк; 4—подсеточный м^аллсприсмник; 5— шлакоуловитель; £ — питатель; 7 — бобышки писателя; ^ •— шелевой вертикальный питатель;9 — перекрывающий литниковый канал
Рис. 77. Горизонтальные литниковые системы:
Рис. 77. Горизонтальные литниковые системы:
а “С фильтрующим шлакоуловителем; б — с щелевым вертикальным питателем; е — тормозящая; / — чаша; 2— стояк; 3 — металлопри- емннк; 4—подсеточный м^аллсприсмник; 5— шлакоуловитель; £ — питатель; 7 — бобышки писателя; ^ •— шелевой вертикальный питатель;
9 — перекрывающий литниковый канал
а “С фильтрующим шлакоуловителем; б — с щелевым вертикальным питателем; е — тормозящая; / — чаша; 2— стояк; 3 — металлопри- емннк; 4—подсеточный м^аллсприсмник; 5— шлакоуловитель; £ — питатель; 7 — бобышки писателя; ^ •— шелевой вертикальный питатель;
9 — перекрывающий литниковый канал
Элементы литниковом системы могут иметь различную конфигурацию и соотношения сечений каналов между собой.
В большинстве случаев при литье в песчано-глинистых и некоторых других формах применяют выпоры 5 (рис. 76) или прибыли, которые также относятся к элементам литниковой системы.
Чаша является металле- приемником, в который из ков-
ша или плавильного агрегата заливают расплавленный металл или сплав. Чаша служит для ослабления динамического напора свободно падающей струи металла, предотвращения его разбрызгивания и обеспечения непрерывного питания каналов литниковой системы; чаша также предотвращает попадание шлака в литниковую систему.
С т о я к — канал литниковой системы, передающий жидкий металл из чащи в шлакоуловитель. Обычно это вертикальный сужающийся книзу канал, обеспечивающий, кроме того, необходи мое металлостатическое давление в форме.
Шлакоуловитель — горизонтальный капал, задерживающий шлак и другие неметаллические включения, а также передающий металл от стояка к питателям. Шлакоуловитель обычно размещают по разъему в верхней полуформе и выполняют по модели. По сечению шлакоулови гели обычно трапецеидальной формы, а по длине — прямые, изогнутые, ступенчатые, зигзагообразные и переменного профиля, В отдель
ных случаях, например при использовании щелевых литниковых систем, применяют вертикальные шлакоуловители.
Питатели — короткие щелевидные каналы, служащие для передачи металла из шлакоуловителя или стояка в полость формы. Питатели чаще всего выполняют по разъему в нижней полуформе. Обычно они имеют трапецеидальное и реже круглое или овальное сечение.
По способу подвода металла к форме различают литниковые системы: горизонтальные (рис* 77), в которых металл подводят обычно по плоскости разъема полуформ, и вертикальные (рис, 78),
Сечение каналов литниковой системы определяют расчетом по элементарным формулам гидравлики, в которые введены обобщенные
Рис, 78, Вертикальные литниковые системы;
д — дождевая; 6 —дождевая со шлакоуловителем; е — упрощенная для заливки сверху; а — рожковая с фильтрующим шлакоуловителем; д —емфоппая с кольцевым шлакоуловителем; е — сифонная для мелких отливок; /— чаша, 2— стояк; 5—отливка; 4 " вертикальные и рожковые питатели; 5 — кольцевой коллектор: 6 — выпор; 7 — литниковый канал; в — фильтрующий шлакоуловитель; 9 — сетчатые питатели; /б — подсеточный метал* лоприемник; // — кольцевой шлакоуловитель
опытные коэффициенты. Расчет начинают с определения суммарной площади наименьшего поперечного сечения в узком месте литниковой системы» В литниковых системах, применяемых при изготовлении отливок из чугуна, стали и большинства медных сплавов, наименьшим является сечение питателей у входа их в полость формы.
Каналы не должны быть длинными, так как при заливке формы металл остывает, густеет и его текучесть уменьшается. Это может привести к браку по недоливу формы, заворотам и другим дефектам,
Скорость заполнения формы металлом зависит от поперечного сечения питателей литниковой системы. Слишком большое сечение каналов литниковой системы приводит не только к перерасходу металла (и увеличению себестоимости литья), но и к обвалу формы, особенно верхних частей вследствие сильных ударов жидкого металла о ее
стенки. Кроме того, под действием сильных ударов жидкого металла размеры формы могут увеличиться.
На скорость заливки влияет также давление металла в литниковой системе: чем выше стояк, тем быстрее форма заполняется металлом. Площадь сечения питателей определяют по формуле
^^^'(o.ai^i^)^^^'(o.ai^i^)(49)(49)
^^^'(o.ai^i^)
^^^'(o.ai^i^)
(49)
(49)
где я — масса отливки, кг; р- — коэффициент расхода металла (для чугунного литья 0,27—0,55; стального 0,3—0,41; цветных металлов и сплавов 0,6—0,7); / — время заливки, с: 7/р — расчетный напор металла, см.
Расчетный напор металла
Hp = Hm-№'2HqV(50)
где /7М — максимальный напор (по уровню металла в чаше над уровнем питателя); см; Нп — высота отливки над уровнем питателя; см; Но — полная высота отливки, см.
Площади сечения стояка и шлакоуловителя определяют из соотношения
(51)(51)fcr-Лиддит ^О Л H-L4) : (1,05^1,2):!.
(51)
(51)
Глава XVIII
ПОЛУЧЕНИЕ ЖИДНОГО МЕТАЛЛА И ОТЛИВОК
Шихтовые материалы и плавильные агрегаты
Жидкий металл в литейных цехах получают путем плавления различных шихтовых материалов»
Для производства чугунных и стальных отливок в качестве шихты применяют металлические материалы, топливо и флюсы. Металлическую часть шихты составляют из определенного количества литейного или передельного чугуна, чугунного и стального лома, оборотного металла (литники, брак, всплески, стружка, высечка) и небольшою количества ферросплавов. Для расплавления шихты в вагранках сжигают кокс, кокс с добавкой природного газа и иногда антрацит. При выплавке чугуна и стали используют флюсы: известняк, доломит, плавиковый шпат; апатитовую руду, мартеновский шлак. Назначение флюсов — понизить температуру плавления образующегося шлака.
Для производства отливок из цветных сплавов металлическую часть шихты составляют из первичных и вторичных металлов и сплавов. Первичные .металлы производят на металлургических заводах. Вторичные металлы и сплавы получают путем переплавки цветного лома и стружки в печах с последующей разливкой расплавленного металла в плоские изложницы. В металлическую шихту для производства отливок из цветных сплавов обычно добавляют лигатуру (специально
Рис. 79, ВагранкаРис. 79, Вагранкаприготовленный сплав из двух или нескольких металлов). Так, при изготовлении отливок из бронзы в шихту добавляют слово в виде лигатуры меди и олова. Этим Достигается более равномерное распределение олова в объеме сплава, уменьшается ликвация, улучшается процесс плавления и т. д* Флюсами при плавке цветных металлов обычно служат хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов. Например, при выплавке магниевых и алюминиевых сплавов в качестве флюса используют хлористый барий.
Рис. 79, Вагранка
Рис. 79, Вагранка
Плавильные агрегаты обеспечиваютполучение
жидкого металла требуемого химического состава при минимальном угаре, экономном расходе топлива и электроэнергии. Размеры плавильных агрегатов, их производительность соответствуют потребности литейного цеха в жидком металле* В литейных цехах для плавки стали применяют электрические дуговые печи, небольшие конверторы с боковым дутьем и мартеновские печи; для плавки чугуна — вагранки, электрические индукционные печи промышленной частоты; для плавки цветных сплавов — различные электрические и пламенные печи.
Устройство и работа в а г р а п к и. Для получения жидкого чугуна в литейных цехах широко
применяют вагранки. Вагранкаприменяют вагранки. Вагранкапредставляет собой шахтную плавильную печь цилиндрической формы (рис* 79), установленную на колоннах /. Кожух вагранки 7 изготовлен из листовой стали толщиной ^—10 мм. Изнутри вагранку футеруют шамотным огнеупорным кирпичом 6. Футеровка верхней части шахты защищена от ударов металлической части шихты чугунными плитами 5.
применяют вагранки. Вагранка
применяют вагранки. Вагранка
Твердую шихту (кокс 13 и металл 14) загружают в вагранку послойно с рабочей площадки через загрузочное окно 9. В крупных литейных цехах загрузка шихты механизирована и производится бадьей 12 с откидным дном.
Воздух для горения топлива подается от вентилятора 5 через фурмы 4, расположенные над горном вагранки. Современные вагранки часто имеют два-три ряда фурм, установленных в шахматном порядке. Продукты горения удаляют через трубу 11 и искрогаситель 10 (сухой •или с разбрызгиванием воды).
Нижнюю часть вагранки (от лещади 2 до фурм 4) называют горном 3. Лещадь набивают формовочной смесью, обладающей высокой огнеупорностью. После каждой плавки лещадь выбивают. В нижней части лещади имеется летка 15 для выпуска жидкого чугуна в копильник 16. Диаметр копильника в свету делается обычно несколько больше диаметра шахты вагранки. Из копильника через летку V# металл выпускают по желобу 19 в ковш. Шлак по мере накопления удаляют через летку 17.
Основные размеры вагранки выбирают по данным практики. Так, площадь поперечного сечения вагранки (F) в зависимости от заданной часовой производительности определяют по формуле
^ = ^2/4 = Л/Пр (52)
где d — диаметр вагранки в свету, м: П — заданная производительность вагранки, т/ч; Пх — удельная производительность на 1м2 сечения шахты, т/ч (обычно П — 6 4- 8 т/ч)-
Полезиую высоту вагранки Н (расстояние от оси основных фурм до нижнего уровня загрузочного окна) определяют в зависимости от ее диаметра. /7 примерно равно (4—5) d.
Фурмы вагранок с копильником должны быть максимально приближены к лещади. В вагранках без копильника положение фурм над лещадью определяется количеством жидкого металла, которое необходимо накопить в горне перед выпуском. Высота горна с копильником обычно не более 150—200 мм, без копильника — не более 450 мм.
При.задувке новой или капитально отремонтированной вагранки на ее лещади разжигают костер из дров. Затем в вагранку загружают кокс (несколько выше фурм) и подают дутье. Новые порции кокса загружают до тех пор, пока его уровень не поднимется над верхним рядом фурм примерно на 700—800 мм. Этот слой кокса, загруженный на лещадь перед началом плавки, называют холостой колошей.
После разогрева холостой колоши в вагранку загружают первую порцию металлической части шихты, состоящей из штыкового чугуна и лома, а на нее некоторое количество известняка для образования ваграночного шлака. После этого в вагранку задают первую рабочую колошу кокса, составляющую 8—12% массы металлической колоши. Поочередная загрузка шихтовых материалов в вагранку продолжается до уровня ее загрузочного окна. По окончании загрузки включают полное дутье.
При появлении первых капель чугуна летки забивают глиной, после чего горение кокса происходит на уровне фурм и несколько выше его. В зоне полного горения кокса развиваются наиболее высокие температуры (1600—1700° С). Выше этой зоны температура несколько ниже, но достаточна для расплавления металлической части шихты и образования шлака. При прохождении зоны полного сгорания кокса капли об- 210
Рис. 80, Плавильные печи:Рис. 80, Плавильные печи:
Рис. 80, Плавильные печи:
Рис. 80, Плавильные печи:
о — стационарная отражательная; б — барабанная поворотная; в — тигельная; а —барабанная поворотная с независимой электрической дугой; / — отверстие для воздуха; 2 — форсунка; 3 — камера горения; 4 — плавильное пространство; Б— загрузочное окно; 6 — канал для отвода дымовых газов; 7—кладка барабана; 5 — стальные бандажи; 9 — штурвал; 10— цилиндрическая шестерня; 11— зубчатый сегмент (обод) механизма наклона; /2 — камера горения; /3 —стойка; /4— торцовая стенка; /3— дымоход; 16 — клещи подъемного механизма; П — тигель; 18 — приямок; /9 — колосниковая решетка; 20 — графитовые электроды
разевавшегося жидкого металла окисляются, что приводит к угару металла, В горне вагранки металл насыщается серой и частично углеродом. Чем меньше высота горна, тем меньше продолжительность контакта жидкого металла с коксом и, следовательно, меньше aw насыщение.
Производительность вагранки зависит не только от площади ее поперечного сечения, ио и от интенсивности горения кокса. Под этим понимают количество кокса в тоннах, сжигаемого на 1 м2 площади поперечного сечения вагранки в единицу времени. Для повышения производительности вагранки и снижения расхода топлива используют обогащенное кислородом воздушное дутье (до 30—35% О2) и теплоту отходящих продуктов горения (для предварительного подогрева воздушного дутья).
Большим преимуществом вагранки по сравнению с другими плавильными агрегатами является непрерывность ее работы.
Пламенные печи. Чугун и цветные металлы можно плавить в отражательных и барабанных пламенных печах. Для выплавки бронзы, латуни и ковкого чугуна применяют пламенные отражательные печи (рис, 80,я). Свод таких печей отражает факел пламени на металл, благодаря чему он плавится и перегревается. Эти печи работают на каменном угле, пылевидном твердом топливе, мазуте или газе.
Для выплавки цветных металлов обычно используют барабанные поворотные печи (рис, 80,6) с двумя камерами; в одной сгорает мазут, в другой — плавится металл. Продукты горения удаляются через дымовой канал. Барабанные печи емкостью до 300 кг металла вращай т ручным штурвалом, более 300 кг — специальными механизмами. В печи емкостью 300 кг плавка бронзы продолжается 1 ч, а чугуна — 1,5— 2 ч.
Тигельные печи. На рис, 80, в дана схема простейшей тигельной печи. Медные сплавы плавят в шамотных или графитовых тиглях. Алюминиевые и цинковые сплавы часто плавят в стальных и чугунных литых тиглях*
Тигельные печи могут работать на жидком, газообразном и пылевидном топливе. При сжигании топлива стенки тигля нагреваются и передают тепло металлу. Емкость тиглей находится в пределах от 30 до 150 кг расплава. Продолжительность плавки зависит от рода металла, вида топлива и интенсивности его сжигания. Качество отливок получается высокое. Большой расход топлива является недостатком этого способа плавки литейных сплавов,
В современных литейных цехах применяют поворотные тигельные печи, установленные выше уровня пола на подставках. Металл выпускают, поворачивая тигель на цапфах.
Электрические печ и. В этих печах получают высококачественный металл. В литейном производстве применяют электрические печи дуговые, сопротивления и индукционные.
Дуговые электрические печи наиболее часто применяют для выплавки стали, реже для чугуна и некоторых цветных металлов и сплавов. Плавильные участки сталеплавильных литейных цехов, в зависимости от объема производства и развеса выпускаемых отливок, снабжаются
дуговыми электропечами емкостью от 3 до 50 т* В этих печах предусмотрено электромагнитное перемешивание расплавляемой стали. Для участков цветного литья применяются такие же печи, но в большинстве случаев меньшей емкости. Дуговые печи работают на трехфазном токе и расходуют на выплавку 1 т жидкой стали из твердой металлической шихты от 600 до 850 кВт- ч электроэнергии. Продолжительность плавки зависит от емкости печей и достигает 4 ч.
Для выплавки медных сплавов обычно применяют барабанные печи с независимой электрической дугой (рис. 80,а). В таких печах загрузку металлической шихты и выпуск металла производят через загрузочное окно в цилиндрической стенке печи.
Алюминиевые сплавы выплавляют обычно в электрических печах сопротивления и реже в электрообогреваемых и пламенных печах.
Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед другими плавильными агрегатами. В них можно нагревать металл до очень высоких температур без местного перегрева (что наблюдается иногда в электрических дуговых печах), регулировать состав газовой атмосферы или создавать вакуум. Емкость индукционных печей изменяется от нескольких килограммов (лабораторные печи) до 6—10 т. В современной практике находят широкое применение индукционные печи промышленной частоты, их используют для плавки обычного и синтетического чугуна. В таких печах можно успешно вести плавку стружки и высечки без их брикетирования. Одновременно такой процесс очень мобилен (плавка длится не более 40 мин), резко улучшаются условия труда, не нужно расходовать дефицитный литейный чугун. Применение этих печей позволяет с минимальными затратами получать металл высокого качества.
Для производства слитков и отливок ответственного назначения в современной практике используют электро шлаковый переплав и электроннолучевую плавку, которые обеспечивают получение рафинированных расплавов металлов и их сплавов.
§ 2, Получение отливок
Литейные свойства металлов и сплавов прямо и непосредственно влияют на получение качественных отливок заданной конфигурации, на эксплуатационные показатели и получение качественных поверхностей. К литейным свойствам относят: жидкотекучесть; усадку; склонность к поглощению газов и образованию газовых включений; склонность к появлению неметаллических включений; особенности первичной и вторичной кристаллизации и образования микро- и макроструктуры; трещи неустойчивость; образование литейных напряжений; склонность к ликвации.
Ж идкотекучестью называют способность жидких металлов и сплавов течь по литейной форме и заполнять ее полости, образующие отливку. При хорошей жидкотекучести металл или сплав заполнят как толстые, так и тонкие сечения отливки. При недостаточной жидкотекучести форма не заполняется металлом, в тонких сечениях отливки образуются недоливы,
Рис. 81, Спираль для определения жидкотекучести металла: а — спираль; 6 — литниковая системаРис. 81, Спираль для определения жидкотекучести металла: а — спираль; 6 — литниковая системаСтепень заполнения формы зависит от температуры и химического состава металла, качества отделки формы и теплоемкости ее материала, конструкции литниковой системы и количества неметаллических примесей в расплавленном металле, Повышение температуры увеличивает жидкотекучесть всех металлов и сплавов. Чем лучше отделка формы и литниковых каналов, тем быстрее и полнее форма заполняется расплавом. Неметаллические примеси в металле ухудшают его жидкотекучесть и затрудняют продвижение его в форме, С увеличением содержания в чугуне серы, кислорода и хрома жидкотекучесть его уменьшается, а с повышением содержания фосфора, кремния, марганца, алюминия, меди и углерода (до эвтектического состава), наоборот, увеличиваемся.
Рис. 81, Спираль для определения жидкотекучести металла: а — спираль; 6 — литниковая система
Рис. 81, Спираль для определения жидкотекучести металла: а — спираль; 6 — литниковая система
Жидкотекучесть определяют специальной технологической пробой. На рис.81 представлена одна из таких весьма распространенных проб — особая спираль.
У с а д к о й называют сокращение линейных размеров и объема материалов вследствие затвердевания и охлаждения. Различают линейную и объемную усадку.
Линейная усадка представляет разницу между линейными размерами полости форм и отливки. Эта усадка обычно учитывается при определении размеров молельне стержневой оснастки, по которой формируется наружная и внутренняя полость формы.
Л и к в а ц и е й в металлургии и литейном производстве называют неоднородность химического состава в различных частях отливки или слитка. Наличие ликвации характеризует качество отливки или слитка. Различают два основных вида ликвации: внутризеренную (дендритную) и зональную. Внутризерепная, или дендритная, ликвация характеризуется наличием химической неоднородности в пределах отдельного зерна (дендрита) сплава. Зональной ликвацией называют химическую неоднородность, обнаруженную в объеме всего затвердевшего литого изделия. Разновидностью зональной ликвации можно считать ликвацию по удельному весу. При этом наблюдается механическое разделение компонентов сплава, значительно отличающихся друг от друга своим удельным весом.
Заливка форм. Металл, выплавленный в печах, выпускают в ковши, из когорых разливают по формам. Емкость ковшей равна от 25—35 кг до Юти более.
Ковши могут быть конические, барабанные и специальной конст-
рукции. Кожух ковшей готовят из котельного железа. Малые ковши изнутри обмазывают глиной; крупные — выкладывают огнеупорным кирпичом или набивают огнеупорной массой. Перед заполнением металлом ковши следует хорошо просушить и нагреть» так как из плохо просушенных ковшей возможны выбросы жидкого металла. Кроме того, металл в сырых ковшах быстро охлаждается» образуя настыли, и насыщается газами.
Охлаждение отливок. Отливку охлаждают в форме до температуры, которая исключает ее разрушение или образование «холодных трещин» при выбивке* В механизированных цехах чугунные и мелкие стальные отливки выбивают при температуре 500 — 800° С. Крупные и средние по массе отливки — при более низкой температуре.
Выбивка форм. После затвердевания и достаточного охлаждения отливки выбивают из формы. Преждевременно выбитая отливка может покоробиться; поэтому выбивать начинают, когда температура, например чугунной отливки» не превышает 400—600° С.
Выбивка отливок из форм и удаление стержней — трудоемкая операция» во время которой выделяется значительное количество теплоты и пыли. Отливки выбивают из форм при помощи вибрационных коромысел» встряхивающих решеток и вибраторов.
После очистки отливок от остатков формовочной смеси выбивают стержни. Выбивка песчаных стержней возможна ручная» механизированная и гидравлическая, Р у ч н у ю в ы б и в к у производят пневматическими молотками. Механизированную выбивку стержней осуществляют при помощи стационарных или накладных вибраторов. Для выбивки стержней из крупных отливок целесообразно применять также станки-перфораторы. Более гигиенична и производительна гидравлическая выбивка стержней. Она заключается в разрушении и размывании стержня струей воды, подаваемой под давлением 2,4—9,8 МН/м2 (МПа). В последнее время гидравлическую выбивку стержней заменяют песко-гидравлической, применение которой позволяет получать отливки с более чистой поверхностью.
Очистка литья* Отливку, освобожденную от стержней и формовочной смеси, очищают от пригоревшей формовочной смеси. Кроме того, с отливки необходимо удалить литники и заливы. Все эти операции производят в обрубном отделении. Очистка литья может быть ручной и механизированной. Р у ч н ую очистку выполняют пневматическими зубилами, стальными щетками и т. п. инструментами. При механизированной очистке применяют очистные барабаны, пескоструйные и дробеметные аппараты.
В круглых или квадратных барабанах очищают мелкое литье, загружаемое вместе со «звездочками», изготовленными из белого чугуна. Вращаясь в барабане, отливки в течение 0,5 ч трутся друг о друга и о звездочки, в результате чего очищаются от пригоревшей формовочной смеси,
Пескоструйные и дробеметные аппараты широко применяют для очистки мелкого, среднего и крупного литья. На поверхность очищаемой отливки направляют струю сжатого воздуха вместе с сухим пес-
ком или чугунной дробью. Песок или дробь, ударяясь о поверхность отливки, очищает ее от пригоревшей формовочной смеси.
Более совершенна очистка отливок песком с водой в песко-гидравлических установках. При этом способе одновременно выполняются две операции: выбивка стержней и очистка отливок.
В современной практике применяют также очистку отливок от пригара в расплаве щелочей (выщелачивание) и электрохимическую очистку.
Обрезку и обрубку заливов, прибылей, выпоров и питателей, а также зачистку отливок выполняют путем механической обработки или газовой и электрической дуговой резки.
Механическая обработка отливок состоит из следующих операций: обрезка или отбивка питателей, выпоров и прибылей; обрубка заливов и остатков элементов литниковой системы пневматическими зубилами; обдирка и зачистка поверхности отливок на шлифовальных кругах и в дробеметных аппаратах,
Термическую обработку отливок производят в литейном цехе; значительная часть стальных и некоторая часть чугунных отливок проходят термическую и химико-термическую обработку. После термической обработки стальные и некоторые другие отливки подвергают дробеструйной очистке от образовавшейся окалины. Годные отливки передают на механическую обработку, а поставляемые по кооперации другим предприятиям грунтуют (покрывают краской) и пе- • редают на склад готовой продукции.
Характеристика чугунных и стальных отливок
Чугунные отливки — наиболее распространенный вид литых деталей. Широкое применение серого чугуна в машиностроении, строите/ьстве и других отраслях народного хозяйства объясняется удачным сочетанием в нем хороших литейных и удовлетворительных механических свойств.
Механические и некоторые другие свойства серого чугуна регулируют, изменяя содержание углерода, кремния, марганца, хрома и некоторых других составляющих. Механические свойства серого чугуна часто регулируют скоростью охлаждения отливки в полости формы, а также модифицированием жидкого чугуна на желобе плавильного агрегата или в ковше. В качестве модификаторов в этом случае используют ферросилиций, силикокальций, магний и некоторые другие ферросплавы и металлы.
Существует несколько способов улучшения механических свойств чугунных отливок. Большинство их основано на изменении количеслва углерода в сплаве, а также регулировании количества и формы графитовых включений в отливке. Если в металлическую шихту добавить 30—40% стального лома, то содержание углерода в чугуне снизится до 2,8—3% и в результате получится перлитный чугун. Его применяют для изготовления ответственных деталей, как обладающего достаточно высокой прочностью (предел прочности при растяжении достига-
ет400—450 МН/м2. ) . Путем модифицирования чугуна магнием можно получить высокопрочный чугун с шаровидными выделениями графита. Такой чугун имеет прочностные характеристики, близкие к стали, и в ряде случаев ее заменяет.
Ковкий чугун получают при отжиге белого чугуна в течение 30—60 ч при 900—1050°С, В зависимости от условий отжига ковкий чугун бывает перлитный (белосердечный) и ферритный (черносердечный),
Перлитный ковкий чугун получают после отжига белого чугуна в окислительной атмосфере. Для этого отливки из белого чугуна укладывают в металлические ящики, засыпают железной рудой и ставят в пламенную печь или электрическую печь сопротивления. При высокой температуре карбид железа в чугуне разлагается по реакции
Fe3C -* 3Fe + С0ТЖ6ТГа
Одновременно металл с поверхности отливки при воздействии на нее кислорода руды частично обезуглероживается. Отливки перлитного чугуна имеют в изломе светло-серебристый цвет.
Наибольшее применение получил ферритный ковкий чугун, который получают после отжига отливок из белого чугуна в нейтральной среде без добавки руды в ящики. Во время такого отжига распадается цементит, но металл не обезуглероживается. Излом ферритного чугуна бархатисто-черный.
Ковкий чугун разделяют на марки в зависимости от предела прочности при растяжении и относительного удлинения. В отличие от обычных серых чугунов ковкие чугуны обладают лучшими пластическими свойствами. Тем не менее их нельзя подвергать ковке или штамповке, так как они не выдерживают больших деформаций.
Л е г и р о в а н н ы й ч у г у н. Введение в состав чугуна хрома, никеля, меди, титана, молибдена и других легирующих элементов сопровождается улучшением его механических и физико-химических свойств. В ряде случаев можно получать отливки со специальными свойствами.
Чугунные отливки широко применяют в строительстве. Так, из серого чугуна отливают опорные колонны, подушки и другие детали, работающие на сжатие, а также санитарно-технические изделия и печную арматуру (трубы, радиаторы, колосники и т. д,). Чугунные отливки используют также при строительстве тоннелей.
Стальное литье. В зависимости от химического состава стали отливки разделяют на углеродистые, низколегированные и высоколегированные со специальными свойствами. Наибольшее количество стальных отливок получают из углеродистой стали. Фасонное литье из углеродистых сталей по химическому составу и механическим свойствам согласно ГОСТ 997—58 разделяют на десять марок (15Л; 2 0Л;.,.; 55Л).
Широко применяемые в литейном производстве стали имеют следующий химический состав: 0,15—0,45% С; 0,5—1 % Мп; 0,2—0,5% SL Содержание серы и фосфора должно быть минимальным. Стальные отливки имеют феррито-перлитную структуру и следующие механические свойства: предел прочности при растяжении не менее 400—600
МН/м2 (МПа), предел текучести 2С0—350 МН/м2 (МПа), относительнее удлинение 10—24%, относительное сужение 18—35% и ударную вязкость не менее 0,25—0,5 МДж№.
Сталь по сравнению с чугуном обладает более высокой температурой плавления,большей величиной усадки (около 2 %), худшей жидкотекучестью, большей склонностью к образованию термических напряжений и трещин (горячих и холодных). В связи с этим к литейным формам для стального литья предъявляют высокие требования. Такие формы должны обладать большой прочностью, газопроницаемостью, огнеупорностью и податливостью, чем формы для чугунного и цветного литья.
Большинство отливок из углеродистых и других сталей подвергают термической обработке, которую проводят для улучшения их микроструктуры, механических и эксплуатационных свойств, а также для уменьшения остаточных напряжений. Эти напряжения снимают при отжиге или высокотемпературном отпуске.
Литые детали из углеродистой стали применяют во многих отраслях народного хозяйства. Достаточно широко используют в технике и другие стали. Среди последних ведущее место занимают отливки из вы- сокомарганцовистой стали 110Г13Л (шары и била мельниц, щеки камнедробилок, зубья ковшей экскаваторов, крестовины и стрелки трамвайных и железнодорожных линий и т. д.). Детали из такой стали хорошо переносят продолжительные и интенсивные ударно-абразивные нагрузки.
Глава ХЕХ
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ
§ 1. Кокильное литье
В литейном производстве кокиль — металлическая форма, многократно используемая для получения отливок путем заливки в псе расплава свободной струей.
Стоимость металлических форм относительно велика, а изготовление сложно; их применение экономически выгодно лишь при серийном и массовом производствах.
По конструкции кокили могут быть разъемные и вытряхнув с вертикальным, горизонтальным и комбинированным разъемами (рис. 82).
Для регулирования охлаждения кокилей (после их заливки расплавом) в наружных их стенках устанавливают штыри или предусматривают водяное охлаждение (рис. 82,а).
В кокилях получают более половины отливок из алюминиевых и магниевых сплавов и некоторую часть простых толстостенных чугунных и стальных отливок развесом от нескольких килограммов до десяти и больше тонн.
Стойкость кокилей позволяет получать в каждом из них по несколько сот тысяч отливок из легкоплавких сплавов: 1500—5000 чугунных и 400—700 мелких стальных.
fl)fl)Рис. 82. Схема кокилей:Рис. 82. Схема кокилей:
fl)
fl)
Рис. 82. Схема кокилей:
Рис. 82. Схема кокилей:
о ^ с вертикальным разъемом; б, 6—с горизонтальным разъемом; г — с комбинированнымразъемом
Кокили изготавливают из чугуна или стали и собирают обычно из нескольких частей. Для увеличения стойкости рабочую поверхность матрицы кокиля иногда анодируют, борируют или хромируют, но всегда покрывают теплоизоляционной краской или обмазкой. Перед началом работы кокили подогревают до температуры 200—300°С.
К основным недостаткам этого способа литья относятся сравнительная дороговизна кокилей и возможность отбеливания отливок.
§ 2, Центробежное литье
Процесс центробежного литья состоит в том, что расплав заливают во вращающуюся металлическую форму, где он затвердевает под действием центробежных сил. Последние прижимают расплав к стенкам
формы, что позволяет получать пустотелые цилиндрические и другие
Рис. 83. Схема работы центробежной машины:а — с горизонтальной осью вращения: б —• с вертикальной осью вращенияРис. 83. Схема работы центробежной машины:а — с горизонтальной осью вращения: б —• с вертикальной осью вращенияотливки без применения стержней. При этом наружное очертание отливки соответствует в нутрен н им размерам формы, а внутренние размеры отверстия зависят от количества залитого в форму расплава.
Рис. 83. Схема работы центробежной машины:
а — с горизонтальной осью вращения: б —• с вертикальной осью вращения
Рис. 83. Схема работы центробежной машины:
а — с горизонтальной осью вращения: б —• с вертикальной осью вращения
Центробежные машины, как правило, бывают двух
у которых длина (высота) значительноу которых длина (высота) значительноосновных типов: с горизонтальной (рис. 83,а) и вертикальной (рис.83,6) осями вращения. На машинах с горизонтальной осью вращения получают отливки, больше диаметра (различные
у которых длина (высота) значительно
у которых длина (высота) значительно
трубы, гильзы и др). На машинах с вертикальной осью вращения
отливают колеса, шестерни, втулки.
Получаемые отливки имеют 'большую плотность, отличаются мелкозернистой структурой и высокой прочностью. Отсутствие литников и выпоров, малые припуски на механическую обработку, минимальный брак и высокая производительность — преимущества центробежного способа литья.
Однако установки для центробежного литья сравнительно дороги; применять этот способ можно, конечно, лишь для деталей, имеющих форму тел вращения.
§ 3. Литье под давлением
В этом процессе для получения отливки расплав под большим давлением вводят в металлическую пресс-форму, где он затвердевает и охлаждается. Таким способом в массовом и крупносерийном производстве готовят отливки из алюминиевых, магниевых, медных и других сплавов массой от нескольких граммов (шрифты) до десятков кило-
граммов (блоки цилиндров автомобилей). Эти отливки имеют высокое качество поверхности и весьма точные геометрические размеры; в ряде случаев их можно использовать в сборке машин вовсе без механической обработки или только с шлифовкой отдельных посадочных поверхностей,
с?с?Рис. 84. Схема литья под давлением на гидравлической машине:Рис. 84. Схема литья под давлением на гидравлической машине:а — с горячей камерой прессовавин; б — с холодной вертикальной камерой прессованияа — с горячей камерой прессовавин; б — с холодной вертикальной камерой прессования
с?
с?
Рис. 84. Схема литья под давлением на гидравлической машине:
Рис. 84. Схема литья под давлением на гидравлической машине:
а — с горячей камерой прессовавин; б — с холодной вертикальной камерой прессования
а — с горячей камерой прессовавин; б — с холодной вертикальной камерой прессования
Высокие скорости впуска расплава в полость пресс-форм влекут механическое примешивание к нему воздуха и частые случаи получения пористых отливок. Поэтому в основном готовят отливки с толщиной стенок не более 6 мм.
В современной практике наиболее распространены гидравлические машины для литья под давлением с горячей или холодной камерами
прессования. Поршневые машины с горячей камерой прессования применяют для получения отливок из легкоплавких оловянистых, свинцовых и цинковых сплавов. Схема машины с горячей камерой прессования приведена на рис. 84,у* В подогреваемом снизу тигле 3 находится расплав. Перед заполнением пресс-форму 8 закрывают. Конец мундштука 7 входит в канал 6, соединяя его с полостью формы. После включения цилиндра / поршень 2» опускаясь, поизводит прессование расплава в цилиндре 5 и выжимает его из канала в пресс-форму» По истечении установленного времени поршень поднимается. Расплав поступает в канал 6 через отверстие 4, пресс-форма при этом раскрывается и отливка из нее выталкивается.После обдувки поверхности пресс-формы процесс повторяют.
Поршневые машины с холодной камерой прессования применяют для изготовления отливок из магниевых, алюминиевых и медных сплавов. Схема машины литья под давлением с холодной вертикальной камерой прессования приведена на рис. 84,6, В этом случае расплав заливают ковшом в камеру прессования 3, Дном камеры служит подвижный поршень 4. После включения механизма запрессовки поршень под действием плунжера 1 опускается до упора и открывает литниковсе отверстие 7 в неподвижной части пресс-формы 5. При этом расплав с большой скоростью и под высоким давлением заполняет полость пресс- формы, вытесняя через ее венты находящийся в ней воздух; в камере прессования остается прессостаток 8. При подъеме плунжера порше: ь поднимается за ним вверх и выталкивает прессостаток из камеры прессования. Одновременно пресс-форма размыкается за счет отодвигания ее подвижной части 5'; на последней остается отливка 10 с литником 9» После снятия отливки, частичного охлаждения пресс форл ы и покрытия ее поверхности смазкой цикл прессования повторяют.
Для уменьшения или исключения пористости отливок пресс-форму (перед впуском в нее расплава) заполняют кислородом, а также делают в ней капал литниковой системы большего сечения»
§ 4- Литье по выплавляемым моделям
Сущность процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям заключается в следующем» В соответствии с чертежом детали, с учетом усадки модельного состава выплавляемого сплава, а также припусков на механическую обработку изготовляют пресс-форму; в нее шприцем запрессовывают в сметанообразном состоянии модельный состав (смесь парафина со стеарином); после охлаждения и затвердевания в пресс-форме модельного состава из нее извлекают парафино- стеариновую модель будущей отливки; несколько таких моделей припаивают к парафино-стеариповому стояку, покрывают суспензией, обсыпают песком и сушат (последняя операция повторяется от трех до четырех раз); модели отливок со стояком (елка) помещают в горячую водяную ванну,где они выплавляются из сформировавшейся вокруг них трех- или четырехслойной оболочковой формы; оболочки форм далее сушат и с целью удаления остатков парафино-стеариповой выплавляс-
Разработка технологии произ-водства отливки
4
щ to @£ 5sщ to @£ 5s44Состав ле t [ко чертежамоделиСостав ле t [ко чертежамоделий “3 -й “3 -44ClsClsСоставление чертежапресс - формыСоставление чертежапресс - формыл3 g5л3 g544Изготовление пресс-формыИзготовление пресс-формы44Изготовление моделей литниковой системыИзготовление моделей литниковой системыИзготовление выплавляемых моделей Изготовление выплавляемых моделей П ри готовлен не модель нога состава П ри готовлен не модель нога состава II1 Сборка выплавляемых моделей |в блоки1 Сборка выплавляемых моделей |в блоки4466Нанесение от исупорноГОпок рытия и сушкаНанесение от исупорноГОпок рытия и сушкаПодготовка материалов [ о и! еу пор кого покрытия |Подготовка материалов [ о и! еу пор кого покрытия |44Выплавление модель но го состава Выплавление модель но го состава 44A 3 h rdA 3 h rdПрокаливанне оболочкиПрокаливанне оболочкиagagОстатки керамики в отвалОстатки керамики в отвал44коккокrt О, № SCDrt О, № SCDОхлаждение форм я выбивку блоков Охлаждение форм я выбивку блоков Формо вка оболочкиФормо вка оболочкиXXО SО S44оо44Заливка формыЗаливка формыI Приготовление жидкого | | металла или сплава II Приготовление жидкого | | металла или сплава I4444Очистка блоков от керамикиОчистка блоков от керамики44Ответвление отливки от стоякаОтветвление отливки от стоякаВозврат литниковВозврат литников44Очистка отливок от керамикив отверстиях (выщелачивании)Очистка отливок от керамикив отверстиях (выщелачивании)о йо й44| Термообработка отливок| Термообработка отливок44ttу с«Xу с«XИсправлениедефектовотливок Исправлениедефектовотливок Контрить качества отливокКонтрить качества отливокНеисправимый бракНеисправимый брак44>| Склад готовых отливай>| Склад готовых отливай| В механический цех или на сборку| В механический цех или на сборкуРис. 85.Рис. 85.Технологическая схема процесса изготовления отливок литьем по выплавляемым моделямТехнологическая схема процесса изготовления отливок литьем по выплавляемым моделямСоставление чертежаотливки
щ to @£ 5s
щ to @£ 5s
4
4
Состав ле t [ко чертежамодели
Состав ле t [ко чертежамодели
й “
3 -
й “
3 -
4
4
Cls
Cls
Составление чертежапресс - формы
Составление чертежапресс - формы
л
3 g
5
л
3 g
5
4
4
Изготовление пресс-формы
Изготовление пресс-формы
4
4
Изготовление моделей литниковой системы
Изготовление моделей литниковой системы
Изготовление выплавляемых моделей
Изготовление выплавляемых моделей
П ри готовлен не модель нога состава
П ри готовлен не модель нога состава
I
I
1 Сборка выплавляемых моделей |в блоки
1 Сборка выплавляемых моделей |в блоки
4
4
6
6
Нанесение от исупорноГОпок рытия и сушка
Нанесение от исупорноГОпок рытия и сушка
Подготовка материалов [ о и! еу пор кого покрытия |
Подготовка материалов [ о и! еу пор кого покрытия |
4
4
Выплавление модель но го состава
Выплавление модель но го состава
4
4
A 3 h rd
A 3 h rd
Прокаливанне оболочки
Прокаливанне оболочки
ag
ag
Остатки керамики в отвал
Остатки керамики в отвал
4
4
к
о
к
к
о
к
rt О, № S
CD
rt О, № S
CD
Охлаждение форм я выбивку блоков
Охлаждение форм я выбивку блоков
Формо вка оболочки
Формо вка оболочки
X
X
О S
О S
4
4
о
о
4
4
Заливка формы
Заливка формы
I Приготовление жидкого | | металла или сплава I
I Приготовление жидкого | | металла или сплава I
4
4
4
4
Очистка блоков от керамики
Очистка блоков от керамики
4
4
Ответвление отливки от стояка
Ответвление отливки от стояка
Возврат литников
Возврат литников
4
4
Очистка отливок от керамикив отверстиях (выщелачивании)
Очистка отливок от керамикив отверстиях (выщелачивании)
о й
о й
4
4
| Термообработка отливок
| Термообработка отливок
4
4
t
t
у с
«
X
у с
«
X
Исправлениедефектовотливок
Исправлениедефектовотливок
Контрить качества отливок
Контрить качества отливок
Неисправимый брак
Неисправимый брак
4
4
>| Склад готовых отливай
>| Склад готовых отливай
| В механический цех или на сборку
| В механический цех или на сборку
Рис. 85.
Рис. 85.
Технологическая схема процесса изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям
Технологическая схема процесса изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям
мой массы прокаливают при температуре 900- 1000°С в электрических печах; прокаленные оболочки форм в горячем состоянии заформсвыва- ют в опоки (применяя нагретый сухой песок) и заливают цветным или железоуглеродистым сплавом; остывшие отливки в виде елки извлекаются из опоки, с их поверхности удаляют песок; отливки отделяют от стояка, выщелачивают из них остатки керамики, контролируют и отправляют на склад (рис. 85),
Этот способ литья позволяет получать практически из всех металлических сплавов, в том числе и из трудно механически обрабатываемых, сложные и точные по размерам отливки, в большинстве случаев готовые для сборки (с допусками на размер ±0,05 мм и шероховатостью поверхности от V 3 до 6), Готовят, например, такие сложные детали, как щеткодержатели электрических двигателей, челноки швейных машин, лопатки реактивных авиационных двигателей и многие другие изделия, которые другим способом металлообработки изготовить нельзя или экономически нецелесообразно.
Литье в оболочковые формы
В этом способе расплавленный металл здливают в форму, состоящую из двух оболочек с толщиной стенки от 7 до 15 мм. Для получения в отливках внутренних полостей в эти формы, как и в песчано-глинистые, укладывают пустотелые или сплошные стержни. Операции этого процесса изготовления отливок приведены на схеме рис* 86.
Сущность процесса изготовления оболочковых форм следующая. Модельную плиту и укрепленные на ней модели отливки и элементов литниковой системы нагревают в электрической печи до 200—300°C и наносят на нее тонкий разделительный слой эмульсии, облегчающей снятие готовой оболочки. Затем на плиту наносят формовочную смесь, состоящую из 90—94 % кварцевого сухого песка и 10—6% порошка термореактивной фенолоформальдегидной смолы. В прилегающем к моделям и плите слое формовочной смеси смола сначала расплавляется, а затем затвердевает, образуя однородную песчано-смоляную оболочку. Нерасплавившуюся часть формовочной смеси удаляют поворотом плиты на 180°. Затем модельную плиту с оболочкой помещают в прокалочную печь на 1—2 мин при температуре 280—350°С. В результате такой прокалки оболочка необратимо упрочняется.
Твердую оболочку, представляющую полуформу, с помощью толкателей снимают с модельной плиты. Далее такую полуформу соединяют с другой половинкой зажимами или методом склеивания. Готовую форму засыпают опорным материалом (дробью), заливают расплавленным металлом, охлаждают, выбивают и освобождают от элементов литниковой системы.
Этим способом рекомендуется готовить плоские, сложные и мелкие по развесу отливки из любых сплавов. Полученные отливки характеризуются высокой размерной точностью if чистотой поверхности, требуют минимальных затрат на обработку и очистку и фактически готовы для сборки.
Разработка технологии производства отливкиРазработка технологии производства отливкиггСоставление чертежаотливкиСоставление чертежаотливки44Составление чертежей на модельный комплектСоставление чертежей на модельный комплектСУ ч. сПЭД КСУ ч. сПЭД К44пп.Вы сц,С.Вы сц,СИз готов ле кие модель* НОГО комплекта и установка его на машинуИз готов ле кие модель* НОГО комплекта и установка его на машинуIIНагрев подмодель ной плиты До температуры200—300=СНагрев подмодель ной плиты До температуры200—300=ССушка песка.Сушка песка.44Просеивание!пескаПросеивание!пескаНанесение разделительного состава на подмодельную ПЛИТУ if МОДЕЛЬНанесение разделительного состава на подмодельную ПЛИТУ if МОДЕЛЬСборка полуформ еформы с простановкойстержнейСборка полуформ еформы с простановкойстержней444444Засыпка форм огне-упорным материаломЗасыпка форм огне-упорным материаломй) 32й) 32ззssо хчио хчиПриготовлениепесчано-смоля-ной формовоч-ной смесиПриготовлениепесчано-смоля-ной формовоч-ной смесиНанесение смеси наподмодсльную плиту имодель и формованиеоболочкиНанесение смеси наподмодсльную плиту имодель и формованиеоболочки44Тверде i г и е оболоч кипри темпера гуре280—350^0Тверде i г и е оболоч кипри темпера гуре280—350^044Снятие с подмодсльнойплиты оболочки и ееохлаждениеСнятие с подмодсльнойплиты оболочки и ееохлаждениеttСклад оболочекСклад оболочекИсправлен не дефекте вотливокИсправлен не дефекте вотливок44Заливка форм металлом или сплавомЗаливка форм металлом или сплавомОхлаждение оглинкив формеОхлаждение оглинкив форме44Выбивка отливок изформ и стержней изОТЛИВОКВыбивка отливок изформ и стержней изОТЛИВОК44Обрубка» очистка итермообработк аОТЛИВОКОбрубка» очистка итермообработк аОТЛИВОК44Контроль качестваотливокКонтроль качестваотливокПриготовление жидкого сплава или металлаПриготовление жидкого сплава или металлаяяо§5о§5ссщЭД эдщЭД эд££эдэдччу2Гу2Гd ~ йd ~ йЛитнккн и дру-тй возвратмеч алл аЛитнккн и дру-тй возвратмеч алл аttНеиспря нимыйбракНеиспря нимыйбрак44Склад готовыхотливокСклад готовыхотливокВ механическиКд^х или ия сборку
Разработка технологии производства отливки
Разработка технологии производства отливки
г
г
Составление чертежаотливки
Составление чертежаотливки
4
4
Составление чертежей на модельный комплект
Составление чертежей на модельный комплект
СУ ч. сП
ЭД К
СУ ч. сП
ЭД К
4
4
п
п
.В
ы с
ц,
С
.В
ы с
ц,
С
Из готов ле кие модель* НОГО комплекта и установка его на машину
Из готов ле кие модель* НОГО комплекта и установка его на машину
I
I
Нагрев подмодель ной плиты До температуры
200—300=С
Нагрев подмодель ной плиты До температуры
200—300=С
Сушка песка.
Сушка песка.
4
4
Просеивание!
песка
Просеивание!
песка
Нанесение разделительного состава на подмодельную ПЛИТУ if МОДЕЛЬ
Нанесение разделительного состава на подмодельную ПЛИТУ if МОДЕЛЬ
Сборка полуформ еформы с простановкойстержней
Сборка полуформ еформы с простановкойстержней
4
4
4
4
4
4
Засыпка форм огне-упорным материалом
Засыпка форм огне-упорным материалом
й) 3
2
й) 3
2
з
з
s
s
о х
ч
и
о х
ч
и
Приготовлениепесчано-смоля-ной формовоч-ной смеси
Приготовлениепесчано-смоля-ной формовоч-ной смеси
Нанесение смеси наподмодсльную плиту имодель и формованиеоболочки
Нанесение смеси наподмодсльную плиту имодель и формованиеоболочки
4
4
Тверде i г и е оболоч кипри темпера гуре280—350^0
Тверде i г и е оболоч кипри темпера гуре280—350^0
4
4
Снятие с подмодсльнойплиты оболочки и ееохлаждение
Снятие с подмодсльнойплиты оболочки и ееохлаждение
t
t
Склад оболочек
Склад оболочек
Исправлен не дефекте вотливок
Исправлен не дефекте вотливок
4
4
Заливка форм металлом или сплавом
Заливка форм металлом или сплавом
Охлаждение оглинкив форме
Охлаждение оглинкив форме
4
4
Выбивка отливок изформ и стержней изОТЛИВОК
Выбивка отливок изформ и стержней изОТЛИВОК
4
4
Обрубка» очистка итермообработк а
ОТЛИВОК
Обрубка» очистка итермообработк а
ОТЛИВОК
4
4
Контроль качестваотливок
Контроль качестваотливок
Приготовление жидкого сплава или металла
Приготовление жидкого сплава или металла
я
я
о
§
5
о
§
5
с
с
щ
ЭД эд
щ
ЭД эд
£
£
эд
эд
ч
ч
у
2Г
у
2Г
d ~ й
d ~ й
Литнккн и дру-тй возвратмеч алл а
Литнккн и дру-тй возвратмеч алл а
t
t
Неиспря нимыйбрак
Неиспря нимыйбрак
4
4
Склад готовыхотливок
Склад готовыхотливок
Рис. 86. Технологическая схема процесса изготовления отли по к в оболочкопых
-■ ^формах
Штамповка из жидкого металла
Штамповка из жидкого металла — прогрессивный технологический процесс» позволяющий получать йлотные заготовки с уменьшенными припусками на механическую обработку» с выходом годного по жидкому металлу до 95% и с высокими механическими свойствами.
Сущность процесса в том, что залитый в пресс-форму жидкий металл прессуют на гидравлическом прессе до окончания первичной кристаллизации. Время до момента приложения давления должно быть минимальным; оно зависит от технической характеристики пресса, массы залитого металла и конфигурации отливки. В процессе формования отливки в , пресс- форме она находится под давлением от 40 до 200 МН/м2 (МПа),
Оптимальная область применения данного способа — производство компактных отливок из цветных сплавов.
Литье по газифицируемым моделям
Сущность способа заключается в том» что модели и элементы литниковой системы, выполненные из газифицируемого материала, в собранном виде заливают металлом. При этом модели газифицируются, а их место в полости формы занимает металл.
Особенность способа: перед заливкой модели из формы не извлекают; их удаляет заливаемый металл. В отдельных случаях модели предварительно выжигают. Это позволяет выполнять модели без формовочных уклонов, не делать разъема формы» не расталкивать полость формы д 1я удаления моделей. Все это обеспечивает получение отливок повышенной точности.
Для изготовления газифицируемых моделей используют различные марки пенополистирола и другие материалы» которые можно удалять из полости формы методом выжигания» газификации и растворения. Плотность пенополистирола составляет от 0,015 до 0,025 г/см3.
Оптимальная область применения такого способа — производство крупных индивидуальных отливок из железоуглеродистыхеплавов. При этом достигается значительная экономия за счет замены дорогих деревянных моделей и стержневых ящиков пенополистироловой моделью»
Лито-сварные изделия
В ряде случаев в строительстве и тяжелом машиностроении единственный способ изготовления крупногабаритных и массивных деталей (колони, статоров» рабочих колес. лопастей, валов турбин и др.) — литье отдельных элементов отливки с последующей их сваркой.
Применение таких лито-сварных конструкций —одно из прогрессивных решений в машиностроении; при изготовлении крупногабаритных деталей оно дает значительную экономию дефицитных материалов и труда.
Можно сваривать в одну деталь заготовки» полученные любым способом (литьем, ковкой, штамповкой, прокаткой) и из различных металлов и сплавов»
Лито-сварные конструкции вначале проектируют цельными, а затем расчленяют на части длиной не более 4—5 м так, чтобы их можно быЛо отливать в формах, изготовленных на формовочных машинах.
Современные способы электрошлаковой сварки позволяют свари- вать детали в местах их соединения с толщиной стенки до 1000 мм и белее, т, е. практически неограниченной толщины,
Литье неметаллических материалов
Литье пластических масс. Пластическими массами называют материалы, основу которых составляют природные или искусственные высокомолекулярные соединения (фенолоформальдегидные смолы, казеин и др.), К этой основе добавляют наполнители (древесную муку, асбест, стеклянное волокно и др.), которые повышают прочность и снижают усадку. Для улучшения пластических свойств применяют пластификаторы (дибутилфтал ат, три крезил фосфат и др.). Кроме того, в состав пластмасс входят смазки (стеарин, воск), вводимые для устранения прилипания к пресс-форме, красители для придания цвета и т д.
Различают два вида пластических масс: термопластичные и термореактивные. Термопластичные переходят в пластичнее состояние при нагревании без химических изменений (из них можно производить изделия многократно), К ним относят пол ист и рольные, полихлорвиниловые, акриловые, асфальтопековые и другие пластические массы.
Термореактивные пластмассы при нагревании также переходят в пластическое состояние* Но при определенных температурах связующее вещество химически видоизменяется и в результате приобретает определенные свойства (плавкость, растворимость и др.)* Эги пластмассы относят к группе необратимых, т. е. они могут быть использованы только один раз*
Пластические массы очень широко используют в народном хозяйстве. Они во многих случаях с успехом заменяют черные и цветные металлы. Широко применяют пластические массы в строительстве, железнодорожном транспорте, машиностроении, авиации и т. д.
Основные способы производства изделий из пластмасс — горячее прессование и литье под давлением.
При литье под давлением жидкий материал поступает в полость формы через литниковые каналы и сопло* Температура формы должна быть всегда ниже температуры жидкого материала* Это необходимо для быстрого его охлаждения и сохранения неизменности формы. В связи с широким развитием этого процесса для пего создано много машин. Схема одной такой машины приведена на рис. 87*
Каменное литье. В ряде отраслей народного хозяйства, например химической, бумажной, машиностроительной и особенно в строи гель- ной промышленности, применяют отливки из диабаза, базальта и светлого камня.
Производство отл и вок из диабаза заключается в следующем. Куски диабаза нагревают до 1500—1600° С в пламенных печах. В виде расплавленной пористой массы диабаз стекает в ванну, а затем поступает в обогреваемый копильник барабанного типа.
Из копильника при температуре 1200—1250°С диабаз разливают по формам, которые предварительно подогревают до 400—450°С. Форда изготовляют из смеси кварцевого песка и огнеупорной глины. Для медленного охлаждения залитые формы помещают в тоннельные печи. Эго необходимо для кристаллизации диабаза и предотвращения образования трещин на каменном литье. Выдержка отливок в формах достигает 18—20 ч.
Рис. 87, Схема литьевой машины:
/ —цилиндр- 2 — поршень; 3 —дозирующее устройство: 4 — бункер для материалов; 5 — злектрооботрев; 5 —гильза терморегулятора; 7 — кронштейн; 6' —- пружина; 9 — сопло; 10 — подвижная плита; Н — пуансон. 12 — выталкипателы /3 — матрица; 14 — пружина; 15 — подвижная плита; 16 — траверса; /7 — упор
По применению и свойствам отливки из диабаза можно разделить на следующие группы: строительное литье, характеризуемое механической прочностью, сопротивлением истиранию, стойкостью против атмосферной коррозии и способностью полироваться; химическое литье высокостойкое в кислотах, щелочах, солях и т. д,; твердое литье—с высоким сопротивлением износу, например плитки пешеходных переходов; огнеупорное литье, достаточно прочное и химически стойкое при 1300—1500°С; отливки с незначительным коэффициентом термического расширения, что Допускает резкие смены температур; отливки — диэлектрики; пористое литье с теплоизоляционными, огнеупорными и химически стойкими свойствами; отходы диабазного литья, используемые в молотом виде в качестве абразивного материала и наполнителя.
Из база л ьт а отливают плитки различных размеров, трубы диаметром 200-—350 мм и длиной до 2 м, колена и тройники для соединения трубопроводов и т. д. Технологический процесс изготовления их аналогичен диабазовому литью. Основным преимуществом отливок из базальта является высокая износоустойчивость, щелоче- и кислотоупорность в растворах любых концентраций.
Отл и в к и из светлого камня применяют, главным образом, в качестве облицовочного строительного материала, Подго- 228
товленные шихтовые материалы (кварцевый песок, доломит, мел или мрамор) плавят в электродуговых однофазных печах при 1450—1550°С. Песчано-глинистые формы перед заливкой прокаливают при 800°С в течение 5 ч. Залитые формы помещают в печь с температурой 900— 920°С, где происходит кристаллизация и охлаждение отливок до температуры печи. После этого отливки медленно охлаждают до 150°С. Окончательное охлаждение отливок происходит па воздухе и продолжается 55—60 ч.
Шлаковое литье. В последнее время доменные шлаки с успехом применяют в качестве материала для строительной промышленности. Из доменных шлаков изготовляют брусчатку, армированные и пористые блоки, плиты, различные противовесы и т. д.
Технология изготовления литых изделий из доменных шлаков аналогична технологии каменного литья.
Пористые блоки получают путем заливки вспененного шлака в железные формы размером 600 X 250 X 200 мм. Вспенивание достигается путем продувки расплавленного шлака паром.
Глава XX
КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДСТВА отливок
Методы контроля
Контроль литейного производства предусматривает проверку качества исходных металлических и неметаллических материалов, технологических процессов изготовления литья и качества готовых отливок.
Контроль проводится на специально выделенных для этого участках, обеспеченных необходимыми контрольно-измерительными приборами, инструментами, приспособлениями и оборудованием.
Методы контроля литейного производства таковы:
внешний осмотр отливок, позволяющий выявить недоливы, трещины, коробление и другие дефекты. Такой метод контроля наиболее распространен и применяется как при индивидуальном, так и при массовом производстве отливок;
■‘Проверка размеров отливок измерительными инструментами (калибрами, скобами, шаблонами и др.) и установление их соответствия с размерами по чертежам;
определение химического состава, механических и других свойств отливок в лабораторных условиях.
Дефекты отливок и их исправление
Дефекты отливок: 1) коробление — несоответствие конфигурации отливки чертежу вследствие ее искажения; 2) пригар — грубая, не поддающаяся очистке обычными способами шероховатая поверхность отливки, образовавшаяся вследствие оплавления материала формы или взаимодействия металла и его окислов со слоем формовочных материа-
лов; 3) отбел — наличие в различных частях чугунной отливки твердых участков, не поддающихся механической обработке и имеющих светлую поверхность излома; 4) горячие трещины — сквозные или поверхностные трещины в теле отливки, образовавшиеся при ее затвердевании в форме (обычно поверхность металла в трещине окислена); 5) холодные трещины — разрывы и надрывы в отливке, образовавшие* ся в результате неравномерного охлаждения отливки и возникающих в ней внутренних напряжений (поверхность металла в трешинс обычно неокисленная, иногда имеет цвет побежалости;) 6) раковины — газовые, усадочные, земляные; 7) рыхлость и пористость — ясно выраженная крупнозернистая и неплотная структура металла, обнаружива- еь ая при осмогре обработанной поверхности отливок или гидравлическом испытании» В ряде случаев рыхлость представляет собой скопление мелких, а иногда и микроскопических усадочных раковин; 8) л^- ханические повреждения отливок — вмятины и забоины, образовавшиеся при выбивке, транспортировке или очистке литья; 9) несоответствие металла стандартам или техническим условиям по химическому составу*
Способы исправлен и я дефектов отливок. Обычно применяют следующие способы исправления дефектов отливки: наплавка; холодная и горячая заварка; металлизация; применение замазок и пропиток; установка пробок и втулок»
Наплавку применяют в случае больших раковин или трещин на поверхности отливки. Перед наплавкой раковину или трещину очищают, формуют над раковиной чашу из глины, равномерно подогревают отливку и наполняют чашу металлом. После наплавки отливку медленно охлаждают.
Хсыодная заварка трещин, раковин и других дефектов допускается на необрабатываемых поверхностях отливки. Холоди)ю заварку можно производить газовой или электрической сваркой.
Горячую заварку применяют для устранения больших трещин. При горячей заварке детали из серого чугуна подогревают до 500—600° С, выдерживают их при этой температуре в течение 45—60 мин и только потом заваривают ацетилено-кислородным пламенем с применением специальных электродов. Деталь после заварки отжигают при 500— 600° С и вынимают из печи при 50—60°С. Вместо газовой заварки можно применить электрическую.
Металлизацию используют при заделке мелких раковин и рыхлостей на нерабочих и необрабатываемых поверхностях отливки.
П рименение замазок и пропиток позволяет устранить течь в отливках, работающих под давлением.
После устранения всех дефектов отливки проверяют на прочность и герметичность.
Раздел четвертый
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Глава XXI
СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ. НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ
Пластичность металлов
Обработка металлических изделий давлением возможна только благодаря пластичности металлов, т. е. их способности изменять форму и размеры без разрушения.
Различные металлы и сплавы обладают неодинаковой природной пластичностью и, следовательно, по-разному ведут себя при обработке давлением. Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации, схемы напряженного состояния и схемы деформации* Чистые металлы имеют более высокую пластичность, чем их сплавы; в последних часто образуются новые структурные составляющие, в том числе химические соединения, присутствие которых может существенно изменить пластичность основного металла; например, сталь с малым содержанием углерода обладает более высокой пластичностью, чем сталь с большим содержанием углерода; чистая медь гораздо пластичнее ее сплава с оловом (бронзы) и т, д.
Пластичность литого металла ниже пластичности деформированного, что объясняется разной их структурой: в первом случае металл имеет крупнозернистую структуру, во втором — мелкозернистую.
С повышением температуры пластичность металла, как правило, увеличивается, а сопротивление деформации уменьшается.
Скорость деформации при обработке давлением по-разному влияет на пластичность металла. До известного предела увеличение скорости деформации сопровождается понижением пластичности. При дальнейшем увеличении этой скорости пластичность металла возрастает.
Степень деформации металла, особенно при холодной обработке давлением, определяет возможность осуществления процесса деформирования. Превышение предельной для каждого конкретного случая степени деформации сопровождается нарушением целостности металла (появляются трещины, надрывы и другие дефекты)*
Напряженное состояние деформируемого тела характеризуют схемой главных (нормальных) напряжений, действующих по граням эле-
ментарного куба в трех взаимно перпендикулярных направлениях, В зависимости от способа приложения внешних сил к деформируемому телу напряженное состояние его может быть различным- Всего имеет* ся девять схем главных напряжений: четыре объемных, три плоских и две линейных- Однако при различных процессах обработки давлением напряженное состояние металла характеризуется обычно двумя схемами (рис. 88,а): объемной, когда по трем главным осям действуют напряжения сжатия; объемной, когда по двум осям действуют напряжения сжатия, а по третьей — напряжение растяжения.
Рис, 88, Схемы главных напряжений (ы) и главных деформаций (6)
При первой схеме напряженного состояния металл более пластичен, чем при второй. Растягивающие напряжения снижают пластичность металла.
Деформированное состояние металла характеризуется тремя схемами деформации (рис. 88,6): по одной оси металл сжимается, по двум другим растягивается; по одной оси металл сжимается, по второй — растягивается, по третьей деформация отсутствует; по двум осям металл сжимается, по третьей растягивается. Чем меньшую роль в схеме деформации играет растяжение, тем большую способность к пластичес; кой деформации проявляет металл. Один и тот же металл может иметь хорошую пластичность при третьей схеме деформации и плохую — при первой.
Чтобы правильно выбрать режим обработки металла давлением, важно знать совместное влияние перечисленных выше факторов на его пластичность. Для этого разработаны диаграммы зависимости пластичности того или иного металла от температуры, скорости и схемы деформации. По этим диаграммам можно выбрать условия деформации, обеспечивающие максимальную пластичность металла.
§ 2, Способы обработки металлов давлением
Для получения изделий металлы обрабатывают давлением различными способами: прокаткой, волочением, прессованием, ковкой и штамповкой.
При прокатке металл обжимают между двумя вращающимися валками прокатного стана (рис, 89 ,п), в результате чего толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличиваются. Прокаткой изготовляют профили круглой и квадратной формы, рельсы, балки, швеллеры, листы, а также другие виды проката.
Рис. 89. Схемы основных способов обработки метал лов давлением:
а — прокатка; б — волочение; 6 — прессование; г — ковка; 5 — объемная штамповка; е — листовая штамповка
Волочением называют процесс протягивания прутка или проволоки через отверстие в волоке (матрице), размеры поперечного сечения которого меньше размеров исходной заготовки (рис. 89,6). Волочение проводят на волочильных станах и используют для получения тонкой и тончайшей проволоки, калибрования прутков и труб круглого и фасонного сечения из стали и цветных металлов*
В процессе прессования металл выдавливают через круглое или фасонное очко в матрице (рис, 89 ,б), форма и размеры которого определяют форму и сечение прессуемого изделия — прутков, труб и фасонных профилей из цветных металлов и их сплавов, а также сталей, Прессование производят на гидравлических или механических прессах*
Ковка металла заключается в обжатии заготовки между верхним и нижним бойками (рис. 89,а) с применением разнообразного кузнечного инструмента* Свободной ковкой получают поковки различных размеров простой и сложной формы (валы, шатуны, шестерни и т, д,) на молотах или прессах.
штам нов кой называют процесс деформации металла в штампах. Различают объемную и листовую штамповку.
При объемной штамповке (рис. 89,д) предварительно нагретую заготовку деформируют в замкнутой полости штампа, форма и размеры которой определяют форму и размеры получаемой поковки. Горячая объемная штамповка производится на молотах, прессах или горизонтально-ковочных машинах.
Листовая штамповка (рис. 89,в) состоит в деформации в холодном состоянии листовой исходной заготовки в штампе, имеющем матрицы с прижимным кольцом и пуансон. Этот вид штамповки проводят на специальных штамповочных прессах.
Исходными материалами для обработки металлов давлением являются слитки или заготовки, различные по размерам сечения и массе. В прокатном производстве применяют обычно стальные слитки массой 3—8 т. Большие слитки (до 300 т) используют на машиностроительных заводах для получения специальных поковок. Слитки цветных металлов обычно имеют массу 50^1000 кг.
Для разных способов обработки металлов давлением характерны различные схемы напряженного и деформированного состояния. Так, объемная схема с тремя главными напряжениями сжатия имеет место при прокатке, свободной ковке,объемной штамповке и прессовании; объемная схема с двумя главными напряжениями сжатия и одним главным напряжением растяжения — при волочении и листовой штамповке. Схема с одной главной деформацией сжатия и двумя деформациями растяжения имеет место при прокатке узкой полосы на гладкой бочке, прокатке в калибрах, свободной ковке, объемной штамповке; схема с одной главной деформацией сжатия и одной растяжения — при прокатке широкой полосы на гладких валках, прокатке с натяжением, листовой штамповке; наконец, схема с двумя главными деформациями сжати я и одной растяже н ия — при волочен и и и п рессо в ан и и.
Обработка металлов давлением существенно изменяет структуру и свойства металла, так как при этом изменяются размеры и форма зерен. Деформация зерен металла зависит от схемы деформации заготовки и некоторых других факторов.
§ 3- Нагрев металлов и нагревательные устройства
Температурные интервалы обработки металлов давлением. Для каждого металла имеются определенные температуры, при которых он обладает хорошей пластичностью и минимальным сопротивлением деформации.
Основанием для правильного выбора температурного режима при обработке давлением является диаграмма состояния сплавов. Так, для углеродистой стали температурный интервал обработки давлением показан на диаграмме состояния системы железо — углерод (рис. 90, заштрихованная область). После выбора температурного интервала обработки по специальным методикам устанавливают скорость нагрева, время выдержки слитка или заготовки в печи и другие параметры режима нагрева.
Рис* 90. Температурный интервал обработки металла давлением углеродистой сталиРис* 90. Температурный интервал обработки металла давлением углеродистой сталиСлитки или заготовки перед их деформацией равномерно нагревают по всему объему. При этом не допускается перегрев или пережог металла* При обработке давлением перегретого металла образуются трещины и рванины* Структуру перегретого металла в ряде случаев можно исправить последующей термической обработкой. Пережог металла приводит к неисправимому браку,
Рис* 90. Температурный интервал обработки металла давлением углеродистой стали
Рис* 90. Температурный интервал обработки металла давлением углеродистой стали
Для нагрева стальных слитков перед прокаткой обычно применяют нагревательные колодцы, а для нагрева заготовок — методические и камерные печи*
Нагревательные колодцы бывают двух типов — регенеративные и рекуперативные*
В регенеративных колодцах тепло отходящих продуктов горения используется для подогрева в регенераторах газа и воздуха перед их сжиганием в колодце. Устройство и работа регенераторов нагревательных колодцев имеют много общего с устройством и работой регенераторов мартеновских печей.
В рекуперативных колодцах тепло отходящих продуктов горения используется для непрерывного нагрева воздуха и газа в керамических или метал- л ических реку нератор ах * Продукты горения проходят по трубам рекуператоров, воздух и газ — между трубами.
На рис. 91 показан разрез одной из ячеек рекуперативного колодца для нагрева слитков* Колодец отапливается газом через центральную горелку 6- В прокатных цехах обычно сооружают колодцы группами, каждая из которых состоит из двух — четырех ячеек; в группе колодцев можно размещать 12—22 слитка.
При посадке слитков с колодца снимают крышку 4 подъемным напольным краном. После загрузки слитков колодец закрывают крышкой и в центральную горелку 6 вместе с подогретым в рекуператорах воздухом подают природный газ или реже смесь доменного и коксового газов. Образующееся при горении газов пламя соприкасается со слитками 5 и нагревает их. Продукты горения направляются через боковые каналы 3 в рекуператоры /. Трубопроводы 2 предназначены для подачи в рекуператоры холодного воздуха.
Работа современных нагревательных колодцев полностью автоматизирована — автоматически подаются и отсекаются газообразное топливо и воздух, регулируется давление газов в рабочем пространстве нагревательных ячеек и перекидываются клапаны.
Кроме пламенных нагревательных колодцев, применяют также электрические нагревательные колодцы (рис. 92). Подлине каждый колодец разделен поперечными стенками 2 на отсеки, в которые устанавливают по одному-два слитка 3* Каждый отсек закрывается крышкой 4.
Нагревательными элементами являются карборундовые желоба /, заполненные нефтяным коксиком. При прохождении через них электрического тока напряжением 115—250 В они нагреваются, находящийся в желобах коксик раскаляется и передает тепло окружающему пространству колодца. Это обеспечивает нагрев слитков.
Рис. 91. Разрез рекуперативного нагревательного колодца (схема)Рис. 91. Разрез рекуперативного нагревательного колодца (схема)Рис. 92. Схема электрических нагревательных колодцев: о — однорядные; б — двухрядныеРис. 92. Схема электрических нагревательных колодцев: о — однорядные; б — двухрядные
Рис. 91. Разрез рекуперативного нагревательного колодца (схема)
Рис. 91. Разрез рекуперативного нагревательного колодца (схема)
Рис. 92. Схема электрических нагревательных колодцев: о — однорядные; б — двухрядные
Рис. 92. Схема электрических нагревательных колодцев: о — однорядные; б — двухрядные
Электрические колодцы экономичны. При посадке слитков в печь для нагрева в горячем состоянии расход энергии, выраженной в джоулях, составляет 50—60% расхода тепла, затрачиваемого в пламенных колодцах (при одинаковой температуре посадки). При нормальных условиях работы угар металла в электрических колодцах составляет 0,2—0,3%, в пламенных — 2—2,5%.
Нагретые до необходимой температуры слитки подают клещевыми кранами на слитковозы, доставляют их на приемный рольганг прокатного стана.
Методические печи. На рис. 93 показана одна из конструкций методической печи для нагрева заготовок перед прокаткой или ковкой. В методических печах нагреваемый металл и продукты горения движутся навстречу друг другу. Заготовки загружают в печь через посадочное окно со стороны толкателя 1, который перемещает их по двум
Рис. 93. Методическая нагревательная печь
направляющим брусьям в рабочем пространстве печи. Холодные заготовки поступают в м е т од и ч е с к у ю з о и у 2 печи, имеющую в начале зоны температуру 500—600°С и в конце— 900—Ю0 0°С* После прохождения этой зоны слитки поступают в сварочную зону 3 с температурой 1250—1300°С. Температура в этой зоне обычно на 50—100° С выше требуемой температуры нагрева металла. Окончательно нагретые в сварочной зоне слитки выгружают на рольганг 5 и подают к прокатному стану, молоту или прессу. Раскаленные продукты горения движутся от торцовых 4 и нижних 6 горелок печи навстречу заготовкам и, отдавая часть своего тепла металлу, уходят через вертикальные каналы в рекуператоры 7, а затем в боров и дымовую трубу.
Некоторые методические нагревательные печи имеют томильную зону для выдержки металла с целью более равномерного прогрева его по всему сечению.
Для нагрева металла перед обработкой давлением применяют также печи с выдвижным подом, карусельные с вращающимся подом, конвейерные с шагающим подом, непрерывные с роликовым подом, колпаковые и электрические.
Электрические нагревательные печи. В этих печах металл нагревают способом сопротивления, контактным и индукционным.
Электрические печи сопротивления имеют специальные элементы, которые при прохождении тока нагреваются и создают соответствующую температуру в рабочем пространстве печи для нагрева заготовок. Элементы сопротивления расположены на своде и вдоль стенок печи.
При контактном электронагреве заготовку зажимают между кон- тактодержателями вторичной обмотки трансформатора. Ток, проходя через заготовку, нагревает ее до необходимой температуры.
При индукционном электронагреве заготовку помещают в индуктор. Он создает переменное электромагнитное поле, которое возбуждает в заготовке вихревые токи. При прохождении этих токов выделяется тепло, которое и нагревает заготовку* Применение индукционного нагрева в кузнечных и прессовых цехах позволяет автоматизировать процесс нагрева заготовок.
Глава ххп
ПРОЦЕСС ПРОНАТКИ. УСТРОЙСТВО СТАНОВ
§ 1. Процесс прокатки
Рис. 94. Схема прокатки металлаРис. 94. Схема прокатки металлаПрокатка металла осуществляется при прохождении его между валками, вращающимися в разных направлениях (рис. 94), При прокатке металл обжимается, в результате чего толщина полосы уменьшается, а ее длина и ширина увеличиваются, Разность между исходной Ао и конечной hA толщинами полосы называют абсолютным обжатием:
Рис. 94. Схема прокатки металла
Рис. 94. Схема прокатки металла
ДА = й0— Ар (53)
Разность между конечной Ьх и исходной Ао ширинами полосы называют абсолютным уширением:
Степень деформации полосы ющие показатели:Степень деформации полосы ющие показатели:ДА = А, — Ао. (54) и прокатке характеризуют следу-
Степень деформации полосы ющие показатели:
Степень деформации полосы ющие показатели:
относительное обжатие — отношение абсолютного обжатия к исходной толщине полосы:
е = или е =100%;(55)
hoho
коэффициент обжатия — отношение исходной толщины к конечной
е = Ао^;(56)
коэффициент вытяжки — отношение длины полосы после прокатки 1Х к исходной длине /0:
(57)(57)F — I JU*
(57)
(57)
Так как объем металла в процессе прокатки не изменяется, то
^О^О^О '— ^1^1^!*
Отсюда
И = /А = Мо^к^д = f^/Fp(58)
Таким образом, длина полосы при прокатке увеличивается пропор
ционально уменьшению ее поперечного сечения.
При обжатии полосы в валках несколько увеличивается ее ширина. При заданном коэффициенте обжатия hjh3 вытяжка р и коэффициент уширения полосы bjbo взаимно связаны:
ht/h1=y.(bVb0'). (59)
При постоянном обжатии уширение тем больше, чем меньше вытяжка, и наоборот.
Металл соприкасается с каждым из валков по дуге АВ (рис. 95), которую называют дугой захвата. Угол а, соответствующий этой дуге, называют углом захвата.
Объем металла, ограниченный дугами захвата АВ, боковыми гранями полосы и плоскостями входа Л Л металла в валки
Рис. 95. Очаг деформации и угол захвата при прокаткеРис. 95. Очаг деформации и угол захвата при прокаткеи выхода ВВ металла изи выхода ВВ металла изних, называют очагом деформации металла. Длина этого очага
Рис. 95. Очаг деформации и угол захвата при прокатке
Рис. 95. Очаг деформации и угол захвата при прокатке
и выхода ВВ металла из
и выхода ВВ металла из
(60)(60)/ = VR^h .
(60)
(60)
./z0 — h-cos a = 1./z0 — h-cos a = 12R2R1 _D1 _D(61)(61)У гм захвата определяют по формуле
./z0 — h-
cos a = 1
./z0 — h-
cos a = 1
2R
2R
1 _
D
1 _
D
(61)
(61)
Эта формула выражает зависимость между углом захвата а, обжатием Д/г и диаметром валков D.
Действие валков на металл при прокатке. Процесс прокатки металла обеспечивается трением, возникающим по контактным поверхностям валков с прокатываемой полосой. В момент захвата со стороны каждого валка на металл действуют две силы (рис. 96): нормальная (радиальная) сила N и касательная (тангенциальная) сила Т. Из механики известно, что при относительном движении двух тел сила трения равна нормальной силе, умноженной на коэффициент трения, т. е.
(62)(62)T = JVf.
(62)
(62)
Отношение силы трения к нормальной силе равно тангенсу угла трения р, т. е.
Ш = ^ = Г*(63)
Для осуществления захвата металла валками необходимо, чтобы соблюдалось условие: / > tga, tgg > tga, или 0 2> «•
Максимально допустимый угол захвата при прокатке зависит от; материала валков и прокатываемой полосы, состояния их поверхности, температуры и скорости прокатки. Обычно при прокатке блюмов и крупных заготовок максимальный угол захвата составляет 24— 30°, при горячей прокатке листов и полос — 15—20°, при холодной прокатке листов и лент со смазкой — 2—10°.
Рис, 96. Схема действия сил в момент захвата металла валкамиРис, 96. Схема действия сил в момент захвата металла валкамиРис. 97. Положение нейтрального сечения в оч аге деформ аци иРис. 97. Положение нейтрального сечения в оч аге деформ аци и
Рис, 96. Схема действия сил в момент захвата металла валками
Рис, 96. Схема действия сил в момент захвата металла валками
Рис. 97. Положение нейтрального сечения в оч аге деформ аци и
Рис. 97. Положение нейтрального сечения в оч аге деформ аци и
Исследованиями доказано, что при прокатке скорость металла при выходе из валков it несколько больше окружной скорости вращения валков г, а скорость при входе ц, меньше се, т. е. г^ > г > > и0 (рис. 97). В очаге деформации есть такое сечение, в котором горизонтальная составляющая окружной скорости вращения валков равна скорости движения металла пм , Это сечение называют нейтральным, или критическим. Точку С на дуге захвата, в которой vM — = ccosy, называют нейтральной, а соответствующий ей центральный угол v — нейтральным, или критическим. Влево от нейтрального сечения (рис* 97) скорость движения металла меньше скорости вращения валков. Эту часть очага деформации называют зоной отставания. Вправо от нейтрального сечения скорость движения металла больше скорости вращения валков. Эту часть очага деформации называют зоной опережения.
Опережение металла определяется отношением разности скоростей движения металла и вращения валков к скорости вращения валков и выражается в процентах:
01 — оS = 01 — оS = 100%,100%,(64)(64)
01 — о
S =
01 — о
S =
100%,
100%,
(64)
(64)
где t#! — скорость металла при выходе из валков; у — окружная скорость вращения валков.
Опережение при прокатке тем больше» чем больше радиус валков и меньше толщина прокатываемой полосы; оно увеличивается с ростом коэффициента трения и может составлять 3—10%.
Соотношение между вытяжкой и уширением при прокатке полосы с некоторым постоянным обжатием зависит от соотношения между соответствующими главными напряжениями. Действующими на металл в очаге деформации. Основной схемой напряженного состояния металла в прокатываемой полосе является схема трехосного сжатия. В обычных условиях прокатки максимально вертикальное главное напряжение о,, минимально продольное главное напряжение о3, среднее значение имеет поперечное главное напряжение а2 (см. рис» 88). Вследствие этого продольная деформация (вытяжка) значительно превышает поперечную (уширение). Уширение металла увеличивается при возрастании диаметра валков» коэффициента трения и снижении температуры металла в процессе горячей прокатки. Уширение пропорционально обжатию; оно зависит от толщины и ширины прокатываемой полосы.
При расчете и а прочность валков и других деталей рабочей клети прокатного стана и при определении мощности двигателя стана необходимо знать усилие прокатки Р, которое определяют по формуле
Р = Рср?, (65)
где рср — среднее давление прокатки; F — горизонтальная проекция контактной площади металла с валком.
При прокатке простых профилей (листов, полос и заготовок прямоугольного и квадратного сечений) контактная площадь определяется произведением средней ширины полосы в очаге деформации на длину очага деформации. При прокатке сложных профилей (уголков, швеллеров, балок, рельсов и т. п.) контактную площадь определяют графически или по приближенным формулам. Среднее давление прокатки рассчитывают по формулам или находят опытным путем.
При определении мощности двигателя сначала находят крутящий момент, необходимый для прокатки. Крутящий момент двигателя для станов с постоянной скоростью прокатки в течение прохода металла между валками складывается из момента сил, затрачиваемого на деформацию металла,н момента сил трения,возникающего в подшипниках валков и шестерен передаточных механизмов. Для станов с регулируемой скоростью прокатки должен учитываться также и динамический момент, необходимый для разгона двигателя при увеличении скорости прокатки.
Неравномерность деформации металла при прокатке. При прокатке часто происходит неравномерное обжатие металла. Простейший пример — расплющивание круглой заготовки в гладких валках; в этом случае обжатие изменяется по ширине полосы.
Неравномерность деформации металла обусловлена формой поперечного сечения заготовки и валков, а также неодинаковым нагревом по сечению прокатываемой полосы. При неравномерном обжатии отдельные участки поперечного сечения полосы склонны к различной
вытяжке. Однако под влиянием жестких внешних концов и взаимной связи частиц металла по всему поперечному сечению полосы устанавливается некоторая средняя вытяжка металла. Принудительное выравнивание вытяжки различных частей полосы может сопровождаться местным изменением ее поперечных размеров в виде утяжки или вынужденного уширения металла. При этом возможно разрушение металла или накапливание в нем внутренних остаточных напряжений. Все эти явления должны тщательно учитываться при прокатке сложных профилей.
§ 2. Понятие о калибровке валков
Листовую и полосовую сталь и ленты прокатывают в валках с цилиндрической, слегка бочкообразной или вогнутой рабочей поверхностью. Сортовую сталь и профили специального назначения прокаты
вают в калиброванных валках, т. с.
Рис* 98. Системы обжимных или вытяжных калибров
в валках, на рабочей поверхности которых вытачивают специальные вырезы. Вырез, сделанный в одном валке, называют ручьем. Вырез, образованный двумя ручьями валков, называют калибром.
Последовательное прохождение прокатываемого металла через калибры постепенно превращает квадратное или прямоугольное сечение слитка (заготовки) в сечение готового профиля»
Калибры, предназначенные для уменьшения сечения прокатываемого металла, называют обжимными или вытяжными.
К о б ж имны м калибрам относят п рямоугольные (ящичные), ромбические, квадратные и овальные.
Прямоугольные калибры (рис. 98, п) применяют на блюмингах, в линейных и непрерывных заготовочных станах. В таких калибрах прокатку ведут обычно до сечения 100Х
।
।
।
I
।
।
। । i
j
X 100 мм; обжатие составляет 10—30%; коэффициенты вытяжки — 1,10—1,25.
Ромбические калибры (рис, 98, б) образуют систему подобных ромбов, в которых полоса большего сечения задается в следующий меньший калибр с кантовкой на 9С°. Коэффициент вытяжки металла при прокатке в ромбических калибрах зависит от формы ромба. Чем больше отношение диагоналей (или чем больше угол при вершине ромба), тем большее обжатие можно осуществить в калибрах. Применяют обыч-
Рис. 99. Подготовительные (а) и чистовые (б) калибрыРис. 99. Подготовительные (а) и чистовые (б) калибры
Рис. 99. Подготовительные (а) и чистовые (б) калибры
Рис. 99. Подготовительные (а) и чистовые (б) калибры
но ромбы с углами 93—100° ; соответственно коэффициенты вытяжки металла составляют 1,2—1,4.
Систему калибров, в которой ромбы чередуются с квадратами (рис. 98, в), используют главным образом при прокатке квадратных и полосовых профилей. В этой системе калибровки применяют ромбы с углами при вершине 100— 125°. Коэффициенты вытяжки составляют 1,25—1,50,
Наиболее эффективной и распространенной системой вытяжных калибров является система овал—- квадрат (рис. 98, г). Обжатие (вытяжка) в этом случае определяется формой овала. Чем больше отношение осей овала, тем большее обжатие к вытяжку можно осуществить при подаче овальной полосы в следующий квадратный калибр. В вытяжных овалах отношение осей равно двум и более; коэффициенты вытяжки составляют 1,5— 2,5 и более. Систему калибров овал — квадрат широко применяют для прокатки проволоки и многих других мелких профилей.
Для постепенного приближения поперечного сечения прокатываемой заготов
ки к готовому профилю применяют подготовительные калибры (рис. 99),
Форма чистового калибра точно соответствует форме готового проката, но размеры калибра приняты с учетом коэффициента температурного расширения металла и минусового допуска. Кроме того, необходимо предусматривать зазор между валками, чтобы иметь возможность сблизить их до прокатки на величину упругих -деформаций, вызывающих отдачу валков (увеличение расстояния между ними).
При конструировании калибров следует учитывать и величину уширения металла. Если в калибрах не предусмотреть соответствующего места для уширения, то металл выйдет в зазоры между валками и на прокатываемой полосе образуются заусенцы, вызывающие различные виды дефектов — закаты, трещины и др.
Вертикальные стенки калибров имеют некоторый наклон (выпуск) к оси валков. Выпуск позволяет избежать защемления п[ окатываемой полосы в калибре, а после износа последнего — восстанавливать его первоначальную форму и размеры.
Важнейшая задача калибровки — расчет режима обжатий при прокатке. Устанавливая режим обжатия, учитывают пластичность металла и его сопротивление деформации, допустимый угол захвата, прочность валков и деталей стана, мощность двигателя,величину уширения. При расчете и конструировании калибров для прокатки сложных профилей (балок, швеллеров, рельсов) учитывают также явления, связанные с неравномерностью деформации: утяжку металла и вынужденное уширение.
§ 3. Устройство и классификация станов
Главная линия прокатного стана (рис. 100) состоит из следующих основных узлов: рабочей клети /, шпинделей 2, шестеренной клети 3, коренной муфты 4, редуктора 5, маховика 6, моторной муфты 7, двигателя 8.
Рис 100. Схема главной линии прокатного стана
Рабочая клеть. В этой клети осуществляется прокатка металла, Она состоит (рис. 101) из двух станин 5 с приливами (лапами) 2; пли- товии 7» на которые опираются станины; установочных труб 9, соединяющих станины; крышки 3; прокатных валков 10; подушек нижнего 7, средне]'© 6 и верхнего 4 валков и подшипников для них; механизма 8 для установки валков и устройства 11 для уравновешивания нижнего валка.
Станины прокатных клетей предназначены для установки в них валков и для восприятия усилия прокатки, передаваемого через опоры шеек, В опорах (подушках) находятся вкладыши скольжения или подшипники качения для шеек валков.
Станины изготовляют двух типов — закрытые и открытые. Закрытые станины обеспечивают большую точность прокатываемого
Рис 101. Общий вид клети трио крупносортного стана 500Рис 101. Общий вид клети трио крупносортного стана 500
Рис 101. Общий вид клети трио крупносортного стана 500
Рис 101. Общий вид клети трио крупносортного стана 500
профиля. Однако смена валков в них затруднена. Такие станины изготовляют для крупных обжимных и листовых станов. Смену валков в этом случае производят через окно станины при помощи ч слежки. Закрытые станины изготовляют также для чистовых клетей. Открытые станины устанавливают в черновых клетях.
буемую форму. Прокатный валок (рис.буемую форму. Прокатный валок (рис.Рис. 102. Элементы прокатного валкаРис. 102. Элементы прокатного валкаПрокатные валки обжимают металл и придают ему тре-
буемую форму. Прокатный валок (рис.
буемую форму. Прокатный валок (рис.
Рис. 102. Элементы прокатного валка
Рис. 102. Элементы прокатного валка
102) состоит из бочки 3 (гладкой или с ручьями); шеек 2, расположенных с обеих сторон бочки и опирающихся на подшипник валка; трефов /, предназначенных для соединения валка со шпинделем.
при черновой горячей прокатке стали.при черновой горячей прокатке стали.Валки изготовляют из чугуна и стали. Мягкие чугунные валки, отливаемые в земляных формах, применяют Твердые чугунные валки, от
при черновой горячей прокатке стали.
при черновой горячей прокатке стали.
ливаемые в металлических формах, широко применяют на листовых
став ах и в чистовых клетях сортовых и проволочных станов.
На блюмингах, слябингах, обжимных клетях сортовых станов и на станах холодной прокатки листов применяют литые или кованые стальные валки. Кованые валки несколько прочнее литых, но дороже в L5—2 раза, поэтому их применяют реже. Для листовых станов применяют валки из легированной стали (хромоникелевой и хромомолибденовой).
Шейки прокатных валков вращаются во вкладышах подшипников
скольжения или в роликовых подшипниках качения, устанавливаемых в подушках клетей. Вкладыши обычно изготовляют из текстолита, пластифицированной древесины и др. Текстолитовые вкладыши смазывают водой.
Двигатели станов и механизмы привода- Для прокатных станов в настоящее время применяют двигатели постоянного или переменного тока (асинхронные и синхронные). Так как число оборотов быстроходных двигателей обычно не соответствует числу оборотов валков в прокатных клетях, между двигателями и клетями устанавливают редукторы. В прокатных клетях вращающий момент двигателя необходимо распределить между несколькими валками. Для этого применяют шестеренные клети. Крутящий момент от двигателя к валкам передается при помощи шпинделей и муфт.
Вспомогательное и транспортное оборудование прокатных станов. Прокатанный на стане металл подвергают отделке: обрезают концы, разрезают на требуемые длины» правят, свертываю г катанку в бунты, сматывают широкополосную сталь в рулоны и т. п. Эги операции отделки проката механизированы; их производят вспомогательные машины и механизмы, приводимые в действие электромоторами. Вспомогательное оборудование станов весьма разнообразно. К нему относят
ножницы стационарные и летучие, дисковые пилы, правильные прессы, моталки, холодильники и т. д.
Прокатываемые полосы необходимо перемещать от одного устройства к другому. Для этого предусмотрено специальное транспортное оборудование: пластинчатые, роликовые и скребковые конвейеры, рольганги, транспортеры, манипуляторы, толкатели, выталкиватели и сталкиватели.
Классификация станов по типу рабочих клетей. В зависимости от числа и расположения валков в клети станы разделяют на дуо, трио, кварто, многовалковые, универсальные.
Рис, ЮЗ. Типы рабочих клетейРис, ЮЗ. Типы рабочих клетей
Рис, ЮЗ. Типы рабочих клетей
Рис, ЮЗ. Типы рабочих клетей
Станы дуо имеют рабочие клети (рис. 103^) с двумя валками с постоянным направлением вращения. Полоса между валками проходит один раз (станы линейного типа с чистовыми клетями, станы с последовательным расположением клетей и Др-). Реверсивные станы дуо имеют переменное направление вращения валков для прохождения металла между валками несколько раз (блюминги, слябинги).
Станы трио имеют три прокатных валка с постоянным направлением вращения, расположенных в одной вертикальной плоскости (рис. 103,6). Для задачи прокатываемой полосы между верхним и средним валками служат подъемно-качающиеся столы, установленные с одной или обеих сторон клети. К этому типу станов относят сортовые линейные станы.
Станы кварто (рис. 103,а) имеют четыре валка в одной вертикальной плоскости. Два валка меньшего диаметра являются рабочими, два валка большего диаметра — опорными. Эти станы применя-
ют при горячей прокатке броневых плит и толстых листов, а также при холодной и горячей прокатке листовой и полосовой стали.
Многовалковые станы (шести- двенадцати- и двадцативалковые) (рис. 103,г) широко применяют в последние, годы. Благодаря малому диаметру валков (10—30 мм) и большой жесткости рабочей клети на этих станах можно катать тончайшую ленту. Рабочие валки этих станов бесприводные (при малом диаметре валков привод их практически невозможен). Рабочие валки опираются на ряд приводных валков, которые в свою очередь опираются на ряд опорных валков. Такая схема обеспечивает исключительно большую жесткость всей валковой системы и практически полное отсутствие прогиба рабочих валков.
Универсальные станы (рис. 103,5) применяют при прокатке широкополосной стали, листов и слябов. Металл в универсальных станах обжимается горизонтальными и вертикальными валками; последние обеспечивают получение ровных и гладких кромок проката.
У«иа?рсамн№ балочные станы применяют при прокатке балок высотой до 1000 мм (рис. 103,б). Вертикальные валки рабочих клетей этих станов являются неприводпыми и располагаются между опорами подшипников горизонтальных валков в одной плоскости с ними.
Классификация станов по назначению. Станы по назначению разделяют на обжимные, заготовочные, сортовые, полосовые, проволочные, листовые, трубопрокатные и станы специального назначения,
К обжимным станам относят блюминги и слябинги — крупные станы с валками диаметром 800—1500 мм для прокатки слитков массой 2—35 т и более в заготовки крупных размеров (блюмы и слябы). Эти заготовки являются исходным материалом для крупносортных, листовых и заготовочных станов.
Заготовочные станы имеют валки диаметром 450— 850 мм. На этих станах прокатывают блюмы в заготовки меньших размеров [60x60 4-150 X 150 мм] для получения затем сортовой стали и проволоки. Наиболее совершенными станами являются непрерывные заготовочные станы, устанавливаемые непосредственно за блюмингами.
Сортовые станы в зависимости от размеров сортовой стали и назначения изделий разделяют на рельсобалочные с валками диаметром 750—900 мм для прокатки железнодорожных рельсов, балок, швеллеров и других кр упны х профиле й; крупносортные с в а л к ами диаметром 500—750мм; среднесортные свалками диаметром 350 —450 мм; мелкосортные с валками диаметром 250—325 мм.
Расположение рабочих клетей сортовых станов может быть различным. В сортовом стане линейного типа все клети расположены в одну линию. Существенным недостатком этих станов является одинаковое число оборотов валков во всех клетях; вследствие этого на них нельзя прокатывать металл со скоростью, возрастающей по мере увеличения длины прокатываемой полосы.
Для увеличения производительности станов и дифференциации процесса прокатки в настоящее время широко применяют расположение 248
рабочих клетей в несколько линий. Весьма совершенны непрерывные сортовые станы (рис* 104). Рабочие клети в этих станах располагаются последовательно одна за другой. Полоса одновременно прокатывается во всех или нескольких клетях. Скорость прокатки полосы по мере уменьшения ее сечения увеличивается. На непрерывных станах можно достичь очень высокой
Рис. 104. Непрерывный прокатный станРис. 104. Непрерывный прокатный станпроизводительности при полном исключении ручного труда. Благодаря автоматизации на этих станах можно применять скорости прокатки до 30—40 м/с и более.
Рис. 104. Непрерывный прокатный стан
Рис. 104. Непрерывный прокатный стан
При прокатке среднесор- тиой и крупносортной стали применяют станы с зигзагообразным р аспол ожепием клетей. На этих станах в каждой клети производится также только один проход, но полоса размещается на рольганге между двумя последовательно расположенными рабочими клетями. Чтобы здание цеха не было слишком
длинным, клети располагают по ходу прокатки в трех параллельных линиях, Прокатываемую полосу передают из одной на другую линию по рольгангам с косорасположенными роликами или при помощи шлепперов.
Разновидностью этого типа станов являются шахматные станы, в которых предчистовыс и чистовые клети расположены в шахматном порядке*
Для прокатки мелкосортной стали применяют также полунепрерывные станы, имеющие непрерывную черновую группу и чистовую группу, состоящую из нескольких рабочих клетей, расположенных в линию*
В современных непрерывных сортовых станах каждая рабочая клеть имеет индивидуальный привод, что позволяет устанавливать скорость прокатки для каждой клети. У этих станов имеются клети с вертикальными валками, что исключает кантовку полосы в кантующих проводках.
На полосовых стана х с диаметром валков около 300 мм прокатывают ленты, полосы и штрипсовые заготовки для сварных труб. В последнее время такие станы строят обычно непрерывными. К полосовым станам относят также универсальные станы, используемые для прокатки универсальной или широкополосной стали шириной 200— 1050 мм.
На проволочных станах, имеющих валки диаметром около 250 мм, прокатывают проволоку (катанку) толщиной 6—10 мм. Современные проволочные станы строят непрерывными.
Листовые станы для горячей прокатки листовой стали толщиной 1,25—-60 мм и более имеют бочки валков длиной 800—5000 мм. Тол сто л истовую сталь шириной 1500—2600 мм прокатывают на непрерывных и полунепрерывных широкополосных станах.
Листовые станы для холодной прокатки листов толщиной 0,05—4 мм имеют бочки валков длиной 300—2800 мм. При холодной прокатке тонкой ленты из стали различных марок и цветных металлов широко применяют четырех*» двенадцати- и двад- цативалковые станы, а также четырех- и трехклетееые непрерывные станы кварто.
Трубопрокатные станы предназначены для производства бесшовных стальных труб. Процесс прокатки бесшовных труб состоит из двух операций: получение из слитка или заготовки толстостенной гильзы и последующая раскатка этой гильзы в трубу заданного диаметра.
Для производства сварных труб наибольшее применение получили непрерывные станы, на которых стальные трубы изготовляют электросваркой.
К станам специального назначения относят бандажеколесопрокатпые, шаропрокатные и др.
Г л а 6 а ХХШ
ПРОИЗВОДСТВО ПРОКАТА
§ 1- Технология прокатного производства
Сортамент проката. Прокат можно разделить на четыре основные группы: 1) сортовая сталь, 2) листовая сталь, 3) специальные виды проката, 4) трубы.
Сортовую сталь (рис. 105) в свою очередь можно разделить на профили массового потребления и профили специального назначения» К первой группе профилей относят круглую, квадратную, полосовую и угловую сталь, ленту, проволоку, швеллеры, двутавровые балки (в том числе облегченного типа и широкополочные) и др. Ко второй группе— рельсы, профили особой формы, применяемые в строительстве, машиностроении и других отраслях народного хозяйства.
«Листовая сталь, имеющая весьма разнообразное применение, в зависимости от толщины листов разделяется на две основные группы: толстолистовую — листы толщиной более 4 мм, тонколистовую — листы толщиной менее 4 мм.
К специальным видам проката относят: бандажи, цельнокатаные колеса и периодические профили (переменное поперечное сечение по длине полосы). Такие периодические профили проката, как арматурная сталь, используют для изготовления железобетонных конструкций в строительной индустрии.
Разновидностью специальных видов проката являются гнутые профили, позволяющие упростить технологию производства деталей у потребителей. Гнутые профили получают из листа или ленты толщиной от 0,2 до 20 мм. Они особенно широко применяются в строительстве
(в элементах строительных конструкций, оконных переплетах и др.).
Стальные трубы разделяют на бесшовные и сварные. Доля стальных труб в общем выпуске проката с каждым годом увеличивается, В последнее время особенно быстро растет производство сварных труб.
Основные технологические операции прокатного производства следующие: подготовка исходного материала, нагрев, прокатка и Отделка, Схема технологического процесса производства готового проката приведена на рис. 106.
При подготовке исходного металла к прокатке с него удаляют различные поверхностные дефекты, что увеличивает выход готового проката. Эга операция особенно необходима при прокатке качественной углеродистой и легированной стали.
Соблюдение установленных режимов нагрева металла перед прокаткой, индивидуальных для каждой марки или группы марок стали, правильный выбор температуры начала и конца прокатки, а также режим обжатия влияют не только на качество готовой продукции, но и на производительность стана. Нарушение режима нагрева металла может
Рис. 105, Профили сортовой стали:Рис. 105, Профили сортовой стали:1 — квадрат н ый;2 — круглый: 5 —полосовой; 4— шестигранный; 5— угловой; 6 — тавровый; 7 — балочный; S — швеллерный; 9 — рельсовый; 16 —* шпунтовый; П — зетовый; 12 — колыю автообода; 13 — автообод1 — квадрат н ый;2 — круглый: 5 —полосовой; 4— шестигранный; 5— угловой; 6 — тавровый; 7 — балочный; S — швеллерный; 9 — рельсовый; 16 —* шпунтовый; П — зетовый; 12 — колыю автообода; 13 — автоободпривести к получению неудовлетво
Рис. 105, Профили сортовой стали:
Рис. 105, Профили сортовой стали:
1 — квадрат н ый;2 — круглый: 5 —
полосовой; 4— шестигранный; 5— угловой; 6 — тавровый; 7 — балочный; S — швеллерный; 9 — рельсовый; 16 —* шпунтовый; П — зетовый; 12 — колыю автообода; 13 — автообод
1 — квадрат н ый;2 — круглый: 5 —
полосовой; 4— шестигранный; 5— угловой; 6 — тавровый; 7 — балочный; S — швеллерный; 9 — рельсовый; 16 —* шпунтовый; П — зетовый; 12 — колыю автообода; 13 — автообод
рительных механических свойств готового проката и браку.
При прокатке контролируют начальную и конечную температуры, заданный режим обжатия. Во время прокатки проверяют настройку валков наблюдением за размерами и формой проката; состояние калибров; установку и состояние поверхности валковой арматуры. В про
цессе прокатки измеряют усилия прокатки, что позволяет полнее ис
пользовать мощность станов.
Для контроля за состоянием поверхности проката регулярно отбирают пробы, Иногда эти пробы подвергают травлению и после этого дополнительно осматривают. Основной контроль поверхности проводится перед зачисткой проката.
Прокатные станы, выпускающие готовый продукт
Заготовочное отде- леиие прокатною цеха
Рис. 106. Схема технологического процесса производства готового проката
После прокатки контроль продолжают во время отделочных операций (резки полос на мерные длины, правки, удаления поверхностных дефектов и т. д.).
Готовый прокат подвергают конечному техническому контролю. Путем этого контроля проверяется соответствие качества проката техническим условиям или предъявляемым к нему требованиям. При неудовлетворительных результатах контроля допускается повторное испытание удвоенного числа образцов проката,
Производство заготовок и фасонных профилей
Производство блюмов и слябов. На блюмингах и слябингах прокатывают слитки в крупные заготовки — блюмы и слябы. Масса и форма слитков зависят от диаметра валков, мощности двигателя стана, марки стали и вида получаемой заготовки.
Рис. 107. Расположение оборудования одноклетевого блюминга 1150 (план): / — помещение для подачи коксика и уборки шлака; 2 — нагревательные колодцы; 5 — приемный рольганг со стационарным опрокидывателем; 4 — поворотный стол; 5—краны; б —рабочая клеть блюминга; 7— ножницы; 5 — конвейер для обрезков; 9— склад блюмов и слябов; /Й — холодильники; JJ — штабелировочные столы; /2 — сталкмватели; /3 — машинный зал; /4 —слитконоз
Масса слитка должна быть такой, чтобы обеспечизь максимальную производительность стала, требуемое число блюмов и слябов, наибольший выход годного проката. Для прокатки слябов нужны, например, слитки значительно большей массы, чем для прокатки блюмов.
Чтобы обеспечить высокую производительность стана, необходимо выпускать блюмы размерами 300 X (300 4- 400) X 400 мм.
Для нагрева слитков при прокатке блюмов и слябов применяют нагревательные колодцы. В нагревательные колодцы блюмингов и слябингов свыше 90% всех слитков поступает непосредственно из сталеплавильного цеха в горячем состоянии (при средней температуре 800—850° С),
Нагревательные колодцы, как правило, располагают в отдельном здании, примыкающем к основному зданию блюминга или слябинга. На рис- 107 показано расположение оборудования сов- pe^.eннoгo одноклетевого дуо-реверсивного блюминга с валками диа-
Рис. 108. Калибровка валков блюминга 1150: /—//f—номера калибровРис. 108. Калибровка валков блюминга 1150: /—//f—номера калибров
Рис. 108. Калибровка валков блюминга 1150: /—//f—номера калибров
Рис. 108. Калибровка валков блюминга 1150: /—//f—номера калибров
Рис* 109. Схема автоматизации нажимного устройства блюмингаРис* 109. Схема автоматизации нажимного устройства блюминга
Рис* 109. Схема автоматизации нажимного устройства блюминга
Рис* 109. Схема автоматизации нажимного устройства блюминга
метром 1150 мм. Здание нагревательных колодцев состоит из двух пролетов, в одном из которых расположены колодцы, а в другом — устройства для подачи газа, воздуха и управления колодцами.
В последние годы производительность блюмингов значительно возросла и составляет 3,5—4,0 млн. т и более слитков в год. Продолжительность прокатки одного слитка составляет при этом 50—60 с-
Приводом для блюмингов обычно является двигатель
постоя н кого тока мощностью свыше 5000 кВт и числом оборотов 0—50— 120 в минуту.
На отечественных блюмингах большое применение получила система калибровки валков, представленная на рис. 108.
По данным практики работы передовых заводов СССР обжатие слитка за отдельный проход при производстве блюмов из углеродистой и низколегированной стали составляет в среднем около 65— 75 мм, а максимальное обжатие — 90 — 120 мм. При таких обжатиях слиток углеродистой стали массой 7 т прокатывают в блюм сечением 250 X X 250 мм за 13—15 про-
ходов, а слиток легированной стали массой 6,3 т — в блюм сечением 250 Х250 мм за 15—17 проходов.
Выход годных блюмов из слитков кипящей стали составляет 91 — 92,5%, из слитков рельсовой стали — 80—82%.
В настоящее время на многих блюмингах основные операции технологического процесса прокатки (подача слитков, работа рольгангов, главный привод валков, нажимное устройство и т. д.) автоматизированы.
Автоматизация управления нажимным устройством блюминга обеспечивает точное перемещение верхнего валка в соответствии с заданным режимом обжатия слитка по проходам, Автоматическая схема управления блюминга состоит из электронного счетного устройства и следящей системы.
Счетное устройство предназначено для счета проходов металла. В нем имеется несколько реле счетов. После каждого прохода срабатывает очередное реле счета. Реле окончания счета приводит счетное устройство в исходное положение. Счетное устройство переключает следящую систему привода нажимных винтов в соответствии с заданной программой обжатий. Следящая система имеет датчик положения верхнего валка — следящий потенциометр С77 (рис. 109); программное устройство — программный потенциометр ПП, позволяющий изменять обжатия в соответствии с заданной программой; электронное усилительное устройство — ЭУУ для усиления разности напряжений, задаваемых сельсин-датчиком и программным устройством; исполнительное устройство, состоящее из электронного усилителя ЭМУ, генератора Г и двигателя Д нажимного устройства; электронное счетно-решающее устройство предварения торможения ЭУТ, которое переводит двигатели нажимного устройства в тормозной режим.
Работа автоматики нажимного устройства состоит в следующем. При подходе нагретого слитка к валкам засвечивается ближнее фотореле БФР (на рис. 109 — левое) и включается двигатель блюминга; рабочие валки начинают вращаться. Подходящий к валкам слиток ими захватывается, после чего срабатывает реле счета проходов РСП в цепи программного потенциометра ПП. При этом появляется напряжение рассогласования в следящей системе СП, которое усиливается электронным усилительным устройством ЭУУ. По выходе конца слитка из поля ближнего БФР замыкается обмотка ЭМУ и включается генератор Г; двигатели Д привода нажимных винтов опускают верхний валок. Одновременно уменьшается напряжение рассогласования следящей системы движением ползунка реохорда следящего потенциометра С/7, что приводит с помощью счетно-решающего электронного устройства предварения торможения двигателей нажимного устройства к их торможению и остановке. После этого срабатывает автоматика рольганга, слиток поступает к стану, засвечивает ближнее фотореле БФР (на рис. 109 — правое), включается главный привод стана, и все операции повторяются. После последнего прохода срабатывает реле окончания счета и валок поднимается в исходное положение.
Заготовочные станы обычно располагают в непосредственной близости от блюмингов; они входят в состав заготовочного отделения про-
каткого цеха* Таксе расположение станов позволяет прокатывать за* готовки из крупных слитков с одного нагрева, что экономически выгодно.
Производство фасонных профилей проката на рельсобалочных станах. На этих станах прокатывают железнодорожные и трамвайные рельсы, балки, швеллеры, шпунты, угловую, круглую и квадратную сталь большого сечения.
Строительные балки нормального типа обычно имеют высоту 160— 600 мм* В последнее время на этих станах осваивают производство балок высотой 7С0 мм, облегченных тонкостенных балок высотой до 300 мм с меньшим, чем у нормальных балок, углом наклона полок, а также широкополочных двутавровых балок.
Шпунты (сваи) могут иметь плоское, корытное и зетовое сечение в зависимости от назначения (перемычки, противофильтрационные завесы и т* д.) в гидротехническом строительстве*
Рис* 110. Рсльсобалочпын стан с расположением клетей в две линии
Балки и швеллеры изготовляют преимущественно из кипящей стали марок СтО, СтЗ, Ст4 и Ст5* Коррозионная стойкость балок, швеллеров и шпунтов в атмосферных условиях значительно возрастает, если их изготовляют из низколегированных сталей.
Современные рельсобалочные станы располагают обычно в две (рис* ПО) или более линии. Первую линию рельсобалочных станов составляет дуо-реверсивная черновая, или обжимная, клеть /. Конструкция этой клети аналогична конструкции клети блюминга; диаметр ее валков обычно равен 900—950 мм, длина бочки — 2300 мм. С обеих сторон черновой клети имеются устройства для перемещения и кантования прокатываемой полосы — манипуляторы и кантователи, обеспечивающие перемещение заготовки от калибра к калибру и кантовку ее. В качестве привода черновой клети дуо 950 мм служит реверсивный двигатель мощностью до 3680 кВт.
Во второй линии стана обычно имеются две черновые клети трио 2 850, приводом для которых является реверсивный двигатель мощностью около 4400 кВт. Чистовая клеть дуо 3 обычно имеет валки того же диаметра, что и черновые клети* Эта клеть открытого типа. В отличие от черновых клетей трио она часто оснащена подшипниками качения, обеспечивающими большую точность прокатки. Приводом чистовой
клети является электродвигатель постоянного тока мощностью 1840 кВт.
Балки облегченного типа прокатывают на рельсобалочпых станах„ оборудованных сменной универсальной клетью, устанавливаемой вместо чистовой клети дуо.
Широкополочные балки высотой до 1000 мм и более с параллельными полками прокатывают на универсальных балочных станах из слитков массой до 20 т и более прямоугольного или двутаврового сечений. Слитки прокатывают сначала в черновой профиль балки на дуо-реверсивном блюминге с валками диаметром 1370—1500 мм, длиной бочки 3100 мм, а затем направляют на универсальный балочный стан.
Рис. 111. Типовые схемы прокатки балокРис. 111. Типовые схемы прокатки балок
Рис. 111. Типовые схемы прокатки балок
Рис. 111. Типовые схемы прокатки балок
До л ибровка валков рельсобалочных станов. В зависимости от размеров балки и ее профиля на этих станах применяют различные системы калибровки валков. Типовые схемы прокатки балок показаны на рис. 111. Схема / состоит только из закрытых балочных калибров. В первом разрезном калибре исходная заготовка, обычно прямоугольного сечения, прорезается острыми гребнями валков, в результате чего образуется начальное двутавровое сечение. В последующих калибрах врезы (образование стенки профиля) постепенно углубляются и расширяются и утончаются фланцы. Обычно эту схему применяют для прокатки балок № 10—40.
Для прокатки крупных балок (№ 45—60) применяют схему Н. формируя профиль в открытых балочных калибрах. Калибры вытачивают на валках блюминга и черновой дуо-реверсивной клети рельсобалочного стана. В каждом таком калибре изменением расстояния между валками осуществляют несколько проходов, после которых на боковых гранях полосы образуются заусенцы, которые устраняют кан-
Рис. 113» Калибровка валков для прокатки швеллеров:Рис. 113» Калибровка валков для прокатки швеллеров:товкой полосы на 90° и обжатием на гладкой части валков. Деформация в открытых калибрах продолжается до тех пор, пока толщина стенки чернового профиля не достигнет трехпятикратной толщины стенки готового профиля. Дальнейшую прокатку ведут в закрытых балочных калибрах.
Рис. 113» Калибровка валков для прокатки швеллеров:
Рис. 113» Калибровка валков для прокатки швеллеров:
В последнее время используют схему ///, в которой применяют закрытые наклонные балочные калибры (косая калибровка). Такое расположение калибров на валках позволяет прокатывать балки с параллельными полками и с малым уклоном граней полки. Косую калибровку применяют также для прокатки облегченных и тонкостенных балок.
Двутавровые балки изготавливают также сварными из трех плоских элементов (рис* 112,а) или из плоской стенки и специальных профилей для поясов (рис- 112,6). Однако в поясных пшах двутавровых балок, сваренных
д —по балочному методу; из трех плоских элементов, под воздействием 6 "п0 мет°дуевиз™бй Флан- усадочных напряжений происходит коробле
ние, а иногда и перекос*
Для прокатки швеллеров применяют схемы, указанные на рис. ИЗ.
Рельсы, балки и другие профили подвергают после прокатки отделочным операциям (резке, охлаждению, правке и др.), а также производят испытания, осмотр и приемку.
Большое значение для увеличения срока службы рельсов и других профилей имеет термическая обработка. Термически обработанные рельсы (путем нормализации, закалки) получаются более стойкими против износа и контактной усталости.
§ 3, Производство сортовой стали
Круглую, квадратную, полосовую и угловую сталь, балки и швеллеры малых размеров, проволоку (катанку) прокатывают па сортовых станах. Заготовки для прокатки сортовой стали нагревают в рекуперативных методических печах различной конструкции*
Выход годного проката из заготовок на современных сортовых станах составляет 91—96%; более высокий выход дают мелкосортные, полосовые и проволочные станы. На 1 т годного проката расходуется 1,099—1,041 т стали*
Прокатка круглой и арматурной стали. Применяют несколько различных схем прокатки круглой стали и проволоки* Наиболее распространена, особенно при прокатке круглой стали диаметром 6—20 мм, схема, состоящая из предчистового квадратного, предчистового овального и чистового круглого калибров* В качестве черновых калибров используют системы калибров: ромб—квадрат илн овал — квадрат- 258
Проволоку прокатывают с возможно большими вытяжками и максимальными скоростями, что обеспечивается применением систе
мы калибров овал — квадрат.
На сортовых станах прокатывают также арматурную сталь периодического профиля (рис. 114),
Чистовой калибр для арматурной стали вытачивают в валках по размеру внутреннего диаметра профиля, а винтообразные углубления на поверхности калибра получают фрезеровкой канавок, В такой калибр задают овальную полосу.
Прокатка арматурной стали периодического профиля отличается от прокатки обычного круглого профиля только формой чистового калибра и несколько большими размерами предчистовых калибров. Увеличение размеров этих калибров вызывается необходимостью вдавливания металла в канавки чистового калибра.
В строительстве применяют арматурную сталь периодического профиля от № 10 до 90.
Арматурные профили изготовляют из мартеновской стали марок Ст5 и 25Г2С. Эти профили поставляют с гарантированным пределом текучести и испытанием на загиб в холодном состоянии.
Расчет показывает, что производство арматурных профилей из низколегированной стали позволяет сэкономить не менее 20% металла без снижения прочности конструкций.
Производство квадратной стали. Наиболее распростриен-
Рис. 114, Периодический профиль арматурной стали:а —общий виц стержней; б — развернутаи поверхность стержня; s — деталь винтового вы* ступаРис. 114, Периодический профиль арматурной стали:а —общий виц стержней; б — развернутаи поверхность стержня; s — деталь винтового вы* ступаная схема прокатки квадратной стали состоит из ирсдшс- тового квадратного, предчистового ромбического и чистового квадратного калибра. В качестве черновых калибров обычно применяют систему ромб — квадрат. При прокатке квадратной стали малых размеров применяют систему овал—квадрат.
Рис. 114, Периодический профиль арматурной стали:
а —общий виц стержней; б — развернутаи поверхность стержня; s — деталь винтового вы* ступа
Рис. 114, Периодический профиль арматурной стали:
а —общий виц стержней; б — развернутаи поверхность стержня; s — деталь винтового вы* ступа
Полосовую сталь на старых станах прокатывают в ступенчатых валках с применением ребровых проходов и в закрытых прямоугольных калибрах. На современных сортовых станах прокатка полосовой стали в гладких валках чередуется с прокаткой в ребровых калибрах, причем число последних и порядок чередования зависят от конкретных условий (рис. 115,а).
Наиболее совершенной является прокатка полосовой стали на специальных непрерывных станах» в которых чередуются клети с горизонтальными и вертикальными валками (рис. 115,6). В этом случае
через определенное число проходов в вертикальных валках обжимаются кромки полосы. При таком способе прокатки полностью уд ал я- ется окалина, хорошо обрабатываются кромки полосы, возможна про
катка полос разных размеров на одних и тех же валках.Производство угловой стали. На рис. 116 при-катка полос разных размеров на одних и тех же валках.Производство угловой стали. На рис. 116 при-Рис. 115. Схема прокатки полосовой стали:Рис. 115. Схема прокатки полосовой стали:А, Б, В» Г — прокатка в вертикальных валках, /—12 — номера проходовА, Б, В» Г — прокатка в вертикальных валках, /—12 — номера проходовРис. 116, Схема прокат-ки угловой стали;/ — 7 — номера проходов
катка полос разных размеров на одних и тех же валках.
Производство угловой стали. На рис. 116 при-
катка полос разных размеров на одних и тех же валках.
Производство угловой стали. На рис. 116 при-
Рис. 115. Схема прокатки полосовой стали:
Рис. 115. Схема прокатки полосовой стали:
А, Б, В» Г — прокатка в вертикальных валках, /—12 — номера проходов
А, Б, В» Г — прокатка в вертикальных валках, /—12 — номера проходов
на которых полоса прокатывается с неограниченным уширением, могут быть использованы для изготовления угловдй стали любых размеров.
Производство листовой стали
На листовых станах прокатывают толстолистовую сталь (мостовую, резервуарную, судостроительную, броневую, котельную и топочную) и тонколистовую (конструкционную, кровельное железо, жесть белую и черную, электротехническую, трансформаторную и динамную).
Толстолистовую сталь прокатывают из слябов толщиной 100— 250 мм, шириной 600—1600 мм, длиной 1000—2000 мм и массой до 2,2 т.
Прокатку толстых листов проводят в две стадии: I) раскатка сляба в поперечном направлении до получения необходимой ширины. Для 260
этого сляб после одного или двух проходов поворачивают в горизонтальной плоскости на 90° и прокатывают поперек его длины; 2) прокатка по длине сляба после достижения им необходимой ширины и поворота прокатываемой полосы на 90°.
Для получения необходимой ширины сляб, кроме того, прокатывают обычно с подачей под углом к оси валков (прокатка на угол)* Обжатие за каждый проход определяют исходя из условий захвата, прочности валков и мощности двигателя стана.
Тол сто листовую сталь прокатывают на одноклетевых станах трио и кварто, двухклетевых и полунепрерывных.
Тонколистовую сталь получают путем горячей и холодной прокатки.
Г о р я ч у ю прокатку осуществляют на полунепрерывных и непрерывных станах. На этих станах из слябов прокатывают листы шириной 600—2200 мм и более, толщиной 1,25—4 мм. Для окончательной отделки горячекатаной листовой стали непрерывные станы имеют нормализационную печь, травильную установку, сушильную машину, дрессировочные станы, правильные машины и ножницы. Готовый прокат поставляют в виде листов или рулонов.
Холодную прокатку тонких листов осуществляют в листах (карточках) и рулонах. Способ в листах сохранился только на старых металлургических заводах* Рулонный способ получил сейчас широкое применение.
После горячей прокатки рулоны листовой стали поступают в травильное отделение. Травильный агрегат состоит из разматывателя рулонов, ножниц для обрезки переднего конца, машины для сварки или сшивки рулонов, кислотных и промывных ванн, устройства для сушки листов горячим воздухом, ножниц для вырезки места сшивки и сматывателя рулонов. После травления и соответствующей подготовки рулоны поступают на станы холодной прокатки* Прокатка ведется со смазкой и с охлаждением валков* В процессе холодной прокатки происходит иаклеп металла, затрудняющий дальнейшее обжатие и утонение листов* Для снятия наклепа применяют промежуточные отжиги листов обычно в колпаковых печах с защитной атмосферой или нормал изацнонных печах* После отжига листы направляют для дальнейшей прокатки или на дрессировку (холодная прокатка с обжатием 0,5—1,5% за один проход).
Для холодной прокатки листовой стали применяют различные станы в зависимости от объема производства, назначения листов и других условий* На старых заводах с небольшим объемом производства применяют главным образом листовые станы кварто, а иногда листовые станы трио. На современных металлургических заводах широко применяют реверсивные станы кварто, непрерывные трех-, четырех- и пятиклетевые станы. На этих станах листы прокатывают в рулонах.
Непрерывные трех- и четырехклетевые станы, а также реверсивные станы кварто применяют для прокатки всех листов, кроме жести. Жесть в рулонах массой до 12 т при толщине исходного листа около 2 мм прокатывают на непрерывных пятиклетевых станах; скорость прокатки достигает 30 м/с.
Расход металла на производство листовой стали зависит от казна-
чения и толщины листа. Он составляет 1,24—1,6 т стали в слитках на 1 т листов.
Жесть в зависимости от назначении и для предохранения от коррозии подвергают лужению, цинкованию, лакировке и т« п. Лужение жести в прокатных цехах производят двумя способами: погружением в расплавленное олово (горячее лужение) и электролитическим путем. Электролитическое лужение обеспечивает более равномерное покрытие металла с меньшим расходом олова.
Весьма перспективны защитно-декоративные покрытия жести и листов пластмассой. Технология нанесения пластмассового покрытия на стальную ленту состоит в подготовке металла (обычно путем электрохимического травления) для лучшего сцепления с покрываемым материалом; нанесения промежуточного, так называемого адгезионного слоя (обычно активных клеев) для улучшения прочности сцепления стали с пластмассой; нанесения пластмассовых покрытий, в качестве которых обычно используют полихлорвинил. Стальная лента или жесть с пластмассовым покрытием обладает высокой стойкостью против атмосферных воздействий низких (до — 50°С) и высоких (до +80°C) температур, хорошей влагостойкостью и отсутствием отслаивания пленки при вырубке отверстий, гибке, отбортовке и других операциях получения заготовок или готовых изделий.
§ 5* Производство гнутых профилей
Гнутые профили сложной формы и с тонкими стенками получают путем холодной гибки стального листа или ленты.
По сравнению с горячекатаными профилями гнутые профили имеют следующие преимущества: толщина профилей достигает 0,5 мм (при горячей прокатке на современных станах практически трудно обеспечить толщину листа менее 1,2 мм); они могут иметь весьма сложную форму, обладающую высоким моментом сопротивления, что позволяет выбрать более рациональное сечение профиля; уменьшается масса кон* струкции и получается экономия металла.
Гнутые профили изготовляют на роликогибочных станах периодического и непрерывного действия, представляющих собой ряд последовательно расположенных клетей с приводными роликами. Для первых станов исходным материалом являются- сравнительно короткие листы или полосы; для вторых — рулоны ленты.
По конструкции станы бывают двух типов: 1) с консольно расположенными роликами и 2) с роликами, расположенными между станинами клетей. Консольное расположение роликов допускается только при производстве тонких и мелких профилей.
Число клетей в роликогибочном стане зависит от формы профиля: чем он сложнее, тем больше нужно клетей. Окружная скорость роликов составляет 20—120 м/мин и выше.
В автомобильной промышленности применяют главным образом мелкие гнутые профили — ветровое рамки, радиаторные, трубки и т. д. Их изготовляют из тонкой (0,2—1 мм) и узкой (16—18 мм) стальной ленты.
В строительстве применяют гнутые профили в виде швеллеров, деталей тавровых сечений, штамповочных листов и т. ш Очень эффективно применение гнутых профилей в ограждающих строительных конструкциях с элементами сложного сечения.
При замене прогонов промышленных зданий, свариваемых из нескольких горячекатаных профилей, одним гнутым профилем такой же примерно формы достигается экономия до 34% металла с одинаковой несущей способностью конструкций (рис. 117).
Рис. 118. Гнутые профили для прогонов остекления фонаряРис. 118. Гнутые профили для прогонов остекления фонаряРис, 117. Профили для карнизов прогона в фонарях промышленных зданий:
Рис. 118. Гнутые профили для прогонов остекления фонаря
Рис. 118. Гнутые профили для прогонов остекления фонаря
а — гиутый; б — горяче-катаный
Рис. 119. Гнутые профили поручней лестниц жилых зданий
В беспрогонных крупнопанельных покрытиях применяют карнизы с гнутыми профилями в виде уголков, имеющих отбортованные полки (рис. 118). Эти же гнутые профили используют для промежуточных прогонов остекления, благодаря чему экономится до 30% металла по сравнению с обычными прогонами из горячекатаных уголков.
Гнутые швеллерные профили с отбортованными полками в стойках фонарей промышленных зданий (взамен горячекатаных уголков) уменьшают расход металла почти на 40%. Эффективно используются гнутые профили для остекления зданий без применения замазки, а также для поручней лестниц (рис. 119).
Применение гнутых профилей возможно также в несущих конструкциях промышленных зданий, например в фермах. Все стержни ферм могут быть выполнены цельными, с более рациональным использованием металла. Применением в стропильных фермах гнутых профилей, изготовленных из стали СтЗ, можно сэкономить около 10% металла. При использовании в фермах гнутых профилей из низколегированной стали экономия металла может достигнуть 30%.
Приведенные примеры не исчерпывают всего многообразия гнутых профилей, применяемых в строительстве промышленных и гражданских зданий, в автомобильной и некоторых других отраслях промышленности.
Производство труб
Производство бесшовных труб. Бесшовные трубы прокатывают на пилигримовых станах, установках с автоматическим станом и на непрерывных станах.
Рис. 120. Получение трубной гильзы на прошивном стане валкового типа: /—рабочий валок; 2 —заготовка; 5 — оправкаРис. 120. Получение трубной гильзы на прошивном стане валкового типа: /—рабочий валок; 2 —заготовка; 5 — оправкаИсходный материал для прокатки труб на пилигримовых станах — круглые и граненые слитки диаметром 250— 600 мм, массой 0,6—3 т или катаные заготовки. Трубные гильзы из крупных и граненых слитков с большим числом граней и круглых заготовок получают на валковом прошивном стане, а из граненых слитков с небольшим числом граней и квадратных заготовок — прошивкой на прессах.
Рис. 120. Получение трубной гильзы на прошивном стане валкового типа: /—рабочий валок; 2 —заготовка; 5 — оправка
Рис. 120. Получение трубной гильзы на прошивном стане валкового типа: /—рабочий валок; 2 —заготовка; 5 — оправка
Прошивной стан, или стан поперечно-винтовой прокатки (рис, 120), имеет два рабочих косорасположенных валка /, вращающихся в одном направлении, и два направляющих холостых валка 4»
Рабочие валки прошивных станов представляют сочетание обычно двух усеченных конусов с промежуточным цилиндрическим участком. Угол наклона рабочих валков друг к другу составляет 6—I29.
Заготовка поступает в прошивной стаи под небольшим углом к каждому из рабочих валков. Некоторый наклон рабочих валков относительно прошиваемой заготовки обеспечивает ей одновременное вращательное и поступательное движение.
При прокатке в центральной зоне слитка или заготовки образуется разрыхленная полость, правильную форму которой придает оправка (дорн), устанавливаемая между валками на пути движения металла*
Рис. 121. Схема пилигримсвой прокатки за один оборот валков:Рис. 121. Схема пилигримсвой прокатки за один оборот валков:а — положение гильзы в момент подачи в ка- , либр и в конце прокатки; б —период начала и конца раскатки участка трубы валкамиа — положение гильзы в момент подачи в ка- , либр и в конце прокатки; б —период начала и конца раскатки участка трубы валкамиРис. 122. Типы прошивных станов:а —с грибовидными валками; б —с дисковыми валкамиРис. 122. Типы прошивных станов:а —с грибовидными валками; б —с дисковыми валками
Рис. 121. Схема пилигримсвой прокатки за один оборот валков:
Рис. 121. Схема пилигримсвой прокатки за один оборот валков:
а — положение гильзы в момент подачи в ка- , либр и в конце прокатки; б —период начала и конца раскатки участка трубы валками
а — положение гильзы в момент подачи в ка- , либр и в конце прокатки; б —период начала и конца раскатки участка трубы валками
Рис. 122. Типы прошивных станов:
а —с грибовидными валками; б —с дисковыми валками
Рис. 122. Типы прошивных станов:
а —с грибовидными валками; б —с дисковыми валками
Диаметр оправки должен быть равен диаметру отверстия в гильзе. Полученную гильзу прокатывают затем в трубу заданных размеров на пилигримовом стане, имеющем валки с калибром переменного профиля (рис* 121). Валки вращаются в разные стороны с одинаковой скоростью; направление их вращения обратно направлению подачи гильзы. При вращении валков размеры калибра в свету непрерывно изменяются и, следовательно, профиль калибра за полный оборот валков получается переменным.
При максимальном диаметре ручья валки образуют холостой калибр (рис. 121, положение /), размеры которого больше диаметра гильзы; в этот момент гильза вместе с продетым внутрь нее дорном автоматически продвигается вперед на величину подачи. При дальнейшем вращении валков размеры калибра постепенно уменьшаются, и валки обжимают гильзу (положение //); обжатие возрастает с уменьшением диаметра ручья. Валки обжимают захваченный кольцеобразный участок гильзы в направлении их вращения, а гильза вместе с дорном перемещается назад (положение ИГ).
После поворота валков на 360° вновь раскрывается холостой калибр и гильза снова подается в валки* Одновременно с подачей осуществляется поворот гильзы на 90°. После раскатки гильзы дорн извлекают из трубы. Прокатка следующей трубы производится на новом дорне, а дорн, бывший в работе, смазывают и подготавливают для дальнейшего использования.
При прокатке бесшовных труб прошивку заготовки в гильзу осуществляют также на с т а н а х с грибовидными (рис. 122,а) и дисковыми (рис. 122,6) валкам и.
Последующая прокатка гильзы в трубу может производиться на автоматическом реверсивном стане дуо, валки которого имеют ряд круглых калибров. В калибр вставляют оправку, удерживаемую на месте стержнем. Просвет, образуемый калибром и оправкой, определяет толщину стенки прокатываемой трубы. Прокатку осуществляют за два прохода, независимо от толщины стенки трубы. Затем трубу обкатывают на раскатной машине для улучшения ее наружной и внутренней поверхности, устранения неровностей, рисок, овальности и неравномерной толщины стенок. После обкатки трубы направляют в калибровочный стан для получения заданного диаметра.
Гильзы прокатывают также на непрерывных станах с общим приводом для всех клетей или с индивидуальным приводом для каждой клети. После прокатки на непрерывном стане трубы калибруют или редуцируют (уменьшают их диаметр). Применение редукционных станов позволило значительно повысить производительность непрерывных агрегатов.
Сварные трубы получают путем печной и электрической сварки» Исходный материал для сварных труб — листы в рулонах или специальные прокатанные полосы (штрипсы). Сварные трубы производят в две операции: формование заготовки в трубу и сварка шва трубы.
При печной сварке нагретые до 1300—1350° С штрипсы протягивают и сворачивают по продольной оси до соприкосновения кромок в формовочно-сварочном стане. В месте стыка кромки обдувают воздухом или кислородом, что повышает их температуру до точки плавления; благодаря давлению кромки свариваются. Печной сваркой изготовляют трубы диаметром 75—100 мм.
Электрическая сварка позволяет получать трубы более высокого качества, чем при печной сварке, диаметром 6—630 мм со стенками толщиной 0,5—20 мм.
Исходный материал для изготовления электросварных труб — светлая холоднокатаная лента в рулонах или листовая заготовка (для труб больших диаметров), предварительно очищенная от окалины и ржавчины.
Широко распространена контактная сварка сопротивлением^ но применяют и другие виды электросварки. Так, дуговую сварку под слоем флюса применяют при производстве толстостенных труб средних диаметров из углеродистой и легированной стали, а также труб больших диаметров из углеродистой стали; атомно-водородную — при производстве труб диаметром до 2С0 мм со стенками толщиной 2—12 мм из легированной стали; аргонодуговую—при производстве тонкостен-
них труб диаметром до 450 мм со стенками толщиной 0,6—5 мм из высоколегированной стали аустенитного класса, а также из цветных металлов и сплавов.
Получил распространение способ изготовления сварных труб со спиральным швом*
Тонкостенные трубы и трубы малых диаметров получают холодной прокаткой заготовок после горячей прокатки на специальных прокатных станах.
Расход металла на 1 т готовых труб составляет 1,05—1,18 т в зависимости от выбранного способа производства. Наиболее экономичны сварные трубы электродуговой сварки*
Глава XXIV
ВОЛОЧЕНИЕ И ПРЕССОВАНИЕ МЕТАЛЛА
§ 1 Волочение металла
Рис*Рис*123* Разрез волоки123* Разрез волокипосле волочении форму, чистую ипосле волочении форму, чистую иВолочение — процесс протягивания проволоки, прутка или трубы через очко специального инструмента (волоки), имеющее несколько меньшее сечение, чем исходная заготовка* Изделия имеют точные размеры, заданную геометрическую гладкую поверхность. Волочением можно получать тончайшие изделия*
Рис*
Рис*
123* Разрез волоки
123* Разрез волоки
после волочении форму, чистую и
после волочении форму, чистую и
Обычно волочению в холодном состоянии подвергают цветные металлы и их сплавы, низкоуглеродистые, высокоуглеродистые и легированные стали и сплавы с особыми свойствами. Волочение металла осуществляется на волочильных станах.
Устройство волоки и типы волочильных станов. Волока состоит из двух деталей (рис* 123): собственно волоки / и обоймы 2. Волока имеет четыре зоны: смазочную /, деформирующую //, калибрующую (очко или поясок) III и выходную IV. Калибрующая зона обычно цилиндрической формы, остальные зоны— конические. Угол рабочего конуса 2а деформирующей зоны выбирают в пределах 10—20° в зависимости от вида изделия и состава металла.
Изготовляют волоки из твердых сплавов, технических алмазов (для производства паитончайшей проволоки) или инструментальной стали (для волочения прутков и труб крупных сечений).
До начала волочения конец прутка металла заостряют с таким расчетом, чтобы он свободно входил в очко и выходил из него с противоположной стороны. Этот конец захватывается тяговым механизмом волочильного стана, который протягивает пруток через волоку, подвергая его деформации — обжатию и вытяжке*
В зависимости от способа осуществления тяги волочильные станы разделяют на цепные и барабанные.
На цепных волочильных станах (рис. 124) протягивают профили в виде длинных штанг (5—8 м и более). Эти станы имеют силу тяги 10— 1500 кН (1—150 т) при скорости волочения до 200 м/мин. Протягивание заготовки через волоку осуществляется двигателем, вращательное движение которого через ряд механизмов преобразуется в прямолинейное движение цепи и волочильной тележки. Передний конец заготовки, выходящий из волоки, зажимается специальными захватами тележки. Заготовка, протягиваясь через волоку, приобретает форму заданного изделия.
Барабанные волочильные станы применяют в том случае, когда обрабатываемую заготовку и полученные из нее изделия (проволока и т. п.) можно наматывать на барабан.
Рис. 124. Схема цепного волочильного стана:
1 — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — звездочка; 4 — продольные направляющие; 5 — цепь; (5 — захваты: 7 — волочильная тележка, 8 — ось; 9 — волекс- держатели с волокой; 10 — штанга с оправкой; Н — карманы для прутков;
12 — упоры
Барабанные станы могут быть однократного или многократного волочения, что определяется числом осуществляемых на них протяжек. Имеются тяговые барабаны диаметром 150—1000 мм и более с мощностью приводных двигателей 5—НО кВт.
Подготовка металла к волочению. Заготовку перед волочением очищают от окалины, применяя обычно химическое травление в растворах кислот. После травления металл промывают, удаляя с его поверхности остатки кислоты и шлам.
На стальную заготовку, предназначенную для нескольких последовательных протяжек, после травления и промывки наносят подсмазочный слой путем дополнительной обработки — желтения, омеднения, фосфатирования и последующего известкования. Желтение достигается легким окислением (ржавлением) заготовки. При омеднении заготовку погружают в слабо подкисленный раствор медного купороса. Известкование осуществляют кратковременным погружением заготовки в ванну с кипящим известковым раствором.
Завершающей операцией подготовки поверхности заготовки к волочению является сушка при температуре выше 1009С Во время суш- 268
ки удаляется вода и часть растворенного в металле водорода; это способствует устранению травильной хрупкости металла.
До протяжки на сухую поверхность металлической заготовки нано» сят соответствующую смазку, Смазка уменьшает усилие волочения и расход энергии, способствует напучен ню гладкой поверхности протягиваемого металла и повышает стойкость инструмента (волоки). В качестве смазки при волочении применяют минеральное масло, графит, мыло или эмульсии.
Режим волочения. Выбор обжатия, скорости волочения и смазки зависит от состава металла, свойств материала волоки, профиля и величины поперечного сечения изделия,
Процесс волочения металла регламентируется технологическими картами, в которых указаны: 1) маршрут волочения, т. е. последовательность изменения размеров сечения заготовки (обжатие или коэффициент вытяжки) по переходам; 2) температура и продолжительность промежуточного отжига или снятия наклепа; 3) режим травления для удаления окалины, полученной при отжиге; 4) порядок отделки готовой продукции (резка на мерные длины, удаление дефектов, правка, смазка, упаковка)*
Коэффициент вытяжки металла при волочении р равен отношению площади поперечного сечения исходной заготовки F^ к площади сечения после протяжки F^
Р - W1- (66)
Обжатие X при волочении определяют отношением разности площадей поперечного сечения заготовки до протяжки и после нее, к площади сечения заготовки до протяжки, т. е.
X = Z^L Ю0%. (67)
Обычно коэффициент вытяжки металла при волочении составляет 1,25—1,30, а обжатие — до 30—35%.
Некоторые виды проката (проволока, прутки, трубы, папосы) должны иметь очень точное сечение и чистую поверхность. Для этого их подвергают калиброванию, т. е, протягиванию через волоку установленной формы и размеров без существенного обжатия (8—12%) и вытяжки.
Технология процесса калибровки прокатных изделий состоит примерно из тех же операций, которые применяют при волочении.
Прессование металла
Прессованием называют процесс выдавливания находящегося в контейнере металла через выходное отверстие (очко) матрицы. Прессование обычно применяют для обработки цветных металлов и сплавов, а в некоторых случаях — стали и других сплавов.
Исходный материал для прессования — литые или прокатанные заготовки. Прессованием можно получать профили различного сечения (рис. 125), в том числе прутки диаметром 5—200 мм, трубы диа-
метром до 800 мм яри толщине стенок 1,5—8 мм, разнообразные фасонные профили.
Методы прессования. Различают два метода прессования металла — прямой и обратный.
При прямом методе прессования (рис. 126,а) заготовка 3, нагретая до необходимой температуры, помещается в контейнер 4 пресса. С од
ной стороны контейнера посредством матрицедержателя 2 закреплена матрица 1 с выходным отверстием. В данном случае выходное отверстие (очко) матрицы имеет круглое сечение. С другой стороны контейнера имеется пуансон 5 с пресс-шай- бой б на конце. При работе пресса пуансон получает необходимое давление от плунжера и передает его
Рис. 126. Методы прессованияРис. 126. Методы прессованияРис. 125. Профили изделий, получаемых путем прессованияРис. 125. Профили изделий, получаемых путем прессованиячерез пресс-шайбу на заготовку, заставляя металл пластически деформироваться и вытекать через выходное отверстие матрицы. К концу процесса прессования в контейнере остается небольшая часть металла, называемая прессостатком, которая не участвует в формовании изделия.
Рис. 126. Методы прессования
Рис. 126. Методы прессования
Рис. 125. Профили изделий, получаемых путем прессования
Рис. 125. Профили изделий, получаемых путем прессования
При обратном методе прессования металла (рис. 126,6) в контейнер 4 вместо пресс-шайбы входит полый пуансон 5 с матрицей 7 на его конце. Во время движения пуансона закрепленная на нем матрица давит на слиток или заготовку 3, в результате чего металл вытекает через отверстие матрицы в направлении, обратном перемещению пуансона. При обратном прессовании отходы металла уменьшаются на 5—6% (при прямом прессовании они составляют 18—20% массы слитка) и снижаются усилия прессования металла на 25—30%. Однако этот метод имеет ограниченное применение из-за сложности конструкции пресса.
При прессовании труб (рис. 126,в) заготовка 3, помещенная внутрь контейнера 4, сначала прошивается стальной иглой 8, Передний конец иглы проходит через всю заготовку и выходит на некоторое расстояние из отверстия матрицы 1. Вследствие этого между стенками отверстия матрицы и наружной поверхностью стальной иглы образуется кольцевой зазор. При движении пуансона 5 вместе с пресс-шайбой 5 в направлении матрицы металл выдавливается через кольцевой зазор и принимает форму трубы 10. Наружный диаметр трубы равен диаметру отверстия матрицы, внутренний — диаметру стальной иглы.
Технология прессования. Процесс прессования металла включает следующие стадии: 1) подготовка слитка или заготовки к прессованию (удаление наружных дефектов, разрезка заготовки на мерные длины и т. д.); 2) нагрев слитка или заготовки до заданной температуры в пламенной или электрической печи; 3) подача нагретого металла в контейнер; 4) выдавливание металла из контейнера через очко матрицы; 5) отделка полученного изделия — ломка заднего конца для полного удаления пресс-утяжины (окалины и загрязнений, попадающих в осевую часть прутка), резка прутка на мерные длины, правка на правильных машинах, а также разбраковка и удаление дефектов. При прессовании выход годной продукции обычно составляет 70—80%.
Коэффициент вытяжки металла при прессовании ^ равен отношению площади сечения контейнера /^ к плошади сечения отверстия матрицы Fw т. е.
У = Л/^м- (68)
Обычно коэффициент вытяжки находится в пределах 8—50, а иногда и выше.
Степень обжатия металла при прессовании X определяется отношением разности площадей поперечного сечения контейнера и отверстия матрицы к площади поперечного сечения контейнера, т. е.
Х = FK-FM 100% (69)
Степень обжатия может достигать 90%.
При прессовании для уменьшения трения металла о стенки контейнера и достижения более равномерного истечения металла из матрицы применяют смазку — смесь машинного масла с графитом, жидкое стекло или другие смазочные материалы.
Прессование металла обычно осуществляют на гидравлических прессах с горизонтальным или вертикальным расположением плунжера. Механические прессы применяют значительно реже.
В гидравлических прессах рабочей жидкостью является масло, вода или эмульсия. Насосом высокого давления она сжимается до 2—4 МПа (200—400 кгс/см2) и подается в рабочий цилиндр пресса, оказывая соответствующее давление на плунжер. Давление плунжера передается на пуансон с пресс-шайбой.
В механических прессах пуансон приводится в движение от электромотора.
Процесс прессования металла характеризуется скоростью прессования и скоростью истечения металла»
Скоростью прессования оп называют скорость перемещения пуансона в контейнере. Скорость истечения ц, представляет скорость, с которой металл вытекает через очко матрицы:
^и = №
Глава XXV
КОВКА И ШТАМПОВКА МЕТАЛЛА
Ковкой и штамповкой изготовляют металлические изделия — поковки, из которых затем получают детали, идущие в сборку машин, приборов, агрегатов и т. п. В ряде случаев штамповкой получают непосредственно готовые детали*
Поковка отличается от детали припуском — определенным слоем металла поковки, снимаемом при последующей механической обработке.
с)с)Рис» 127. Схема рас- положения волокон в коленчатом вале:Рис» 127. Схема рас- положения волокон в коленчатом вале:-с — после обработки ре-занием; б — после ковки(штамповки)-с — после обработки ре-занием; б — после ковки(штамповки)Ковку и штамповку применяют почти во всех отраслях промышленности и особенно в машиностроении. Процессы штамповки имеют также важное значение при производстве неметаллических изделий.
с)
с)
Рис» 127. Схема рас- положения волокон в коленчатом вале:
Рис» 127. Схема рас- положения волокон в коленчатом вале:
-с — после обработки ре-занием; б — после ковки(штамповки)
-с — после обработки ре-занием; б — после ковки(штамповки)
Механические свойства штампованных и кованых изделий выше механических свойств литых изделий или вырезанных из прутка, полосы и др. Это объясняется тем, что при обработке давлением волокна металла перераспределяются в соответствии с формой изделия (рис. 127)» Детали с таким расположением волокон прочнее деталей с перерезанными волокнами.
В кузнеч но-прессов ом производстве различают свободную ковку и штамповку металла.
§ 1. Свободная ковка
Свободную ковку, осуществляемую с применением пресса или молота, называют машинной свободной ковкой. Ручную свободную ковку применяют только для штучного изготовления мелких поковок, главным образом, в^ ремонтных мастерских и цехах. Небольшие партии крупных (массой свыше 350 кг) и средних поковок изготавливают только методом свободной машинной ковки. Свободной машинной ковкой получают, например, поковки крупных валов, дисков, роторов, бандажей, колец.
При машинной ковке заготовки подают к молоту или прессу вручную или специальными машинами (манипуляторами, кранами и др.). Для облегчения труда по перемещению заготовки в процессе ковки применяют вспомогательный инструмент — патроны, вилки, клещи.
Исходный материал для свободной ковки — слитки, блюмы и прокат различных размеров. Массу заготовки Q3ar определяют исходя из размеров и конфигурации поковки:
Q3ar = Qn "Г Qotx + Qyr + Фобе.(70)
где Qn — масса поковки; QOTX — масса отходов; QjT — масса угара; Qu6c — масса отходов при обсечке.
При ковке слитков отходы составляют 25—30% массы слитка. Угар принимают в размере 2—3% массы слитка или заготовки при нагреве в пламенных печах и 1,5—2% при каждом последующем подогреве. Масса обсечек зависит от сложности поковки и способа ее изготовления; для простых поковок она равна 5—8%, для отдельных сложных поковок — до 30% массы заготовки.
Определив массу заготовки, устанавливают ее форму и размеры исходя из чертежа поковки; в нем учтены припуски на обработку (снятие стружки, окалины) и напуски металла для упрощения конфигурации поковки. На чертеже проставляют также допустимые отклонения размеров готовой поковки. Затем выбирают оборудование (молот или пресс) и инструмент, которыми можно выполнить нужные кузнечно- прессовые операции, обеспечивающие хорошую проковку металла по всему сечению заготовки. Обычно ковку оценивают коэффициент том' уковки (отношение площадей сечений заготовки и поковки). Для стальных слитков общий коэффициент уковки должен быть не менее 3—5, а для прокатанных заготовок — 1,1—1,5.
Основные операции свободной ковки — осадка, протяжка, разгонка, рубка, прошивка, раскатка, передача металла.
При осадке (рис. 128,а) площадь поперечного сечения заготовки увеличивается за счет уменьшения ее высоты. Во избежание продольного изгиба высога осаживаемой заготовки должна составлять не более 2,5 ее диаметра или толщины. Вследствие действия сил трения Т по контактным поверхностям боковая поверхность заготовки приобретает бочкообразною форму.
Осаживание части заготовки называют высадкой (рис, 128. б). Высадку можно осуществить при нагревании соответствующей части заготовки (конца или середины) или ограничивая деформацию заготовки на некоторой ее части кольцевым инструментом К-
При протяжке (рис. 128, в) длина заготоки увеличивается за счет уменьшения площади ее поперечного сечения. Протяжку можно вести с края заготовки и с середины. Операцию протяжки с поворотом заготовки вокруг оси на 90° называют протяжкой с кантовкой. Для интенсификации процесса протяжки необходимо уменьшать уширение. Это достигается путем уменьшения подачи а. Практически подача а составляет 0,4—0,75 ширины бойка В, Коэффициент уковки при протяжке определяют отношением конечной длины поковки к исходной длине заготовки или отношением площади поперечного сечения заготовки к конечному сечению поковки. За каждое обжатие коэффициент ковки составляет примерно 1,3.
Разгонка металла подлине заготовки (рис, 128,г) достигается путем обработки ее отдельных участков; при этом ось заготовки располагают перпендикулярно к ширине бойка.
Для разделения заготовки на несколько частей применяют рубку (рис. 128,5) соответствующим рабочим инструментом И.
Для получения сплошных или глухих отверстий в заготовке применяют прошивку (рис* 128,е) прошивнем П. Прошитые заготовки
Рис. 128, Операции свободной ковкиРис. 128, Операции свободной ковки
Рис. 128, Операции свободной ковки
Рис. 128, Операции свободной ковки
можно подвергать раскатке по диаметру D (рис. 128,ж) с применением оправки О, что приводит к утонению стенки кольца и увеличению его диаметра (длинная ось бойка параллельна оси кольца); или протяжке вдоль оси (рис. 128,з), при которой возрастает длина / кольца вследствие утонения его стенки S (длинная ось бойка перпендикулярна оси кольца).
Передачу металла заготовки (рис. 128,и) с одного места на другое применяют при изготовлении коленчатых валов и других поковок.
Для получения поковок с изогнутой осью применяют операцию гибки.
Технологический процесс свободной к о в- к и. Разработка и осуществление технологического процесса изготовления каждой поковки индивидуальны. На рис. 129 представлена технологическая схема ковки вала (слева) и кольца (справа). Изготовление поковки вала из слитка начинают ковкой цапфы, обжимом ребер и граней и обрубкой поддона (рис, 129, а и б). Для получения надлежащей уковки производят затем двойную осадку (рис. 129, в, г, б). Заканчивают операции протяжкой с наметкой (рис. 129,е) и окончательным оформлением поковки (рис, 129,ж).
Технологический процесс изготовления поковки кольца из слитка также начинается ковкой цапфы и обжимом граней (рис. 129,а и б 274
Рис. 129. Технологическая схема ковки вала (слева) и кольца (справа)Рис. 129. Технологическая схема ковки вала (слева) и кольца (справа)
Рис. 129. Технологическая схема ковки вала (слева) и кольца (справа)
Рис. 129. Технологическая схема ковки вала (слева) и кольца (справа)
справа). Потом обрубают прибыльную и донную части слитка (рис. 129,в). Далее— осадка и прошивка отверстия (рис. 129, г и д). Наконец, осуществляют раскатку с промежуточной и окончательной прав* кой (рис. 129, е, ж и з).
Машины и инструмент для свободной к о в- к и. При свободной ковке мелких изделий обычно применяют пневма
тические ковочные молоты.
крупных поковок — паровоздушные ковочные молоты, очень крупных — гидравлические прессы.
Пневматически й ковочный молот (рис. 130) имеет два цилиндра: компрессорный 9 и рабочий 8, Поршень 13 компрессорного цилиндра нагнетает воздух, приводящий в движение рабочий поршень 12. Возвратно-поступательное движение поршня компрессорного цилиндра осуществляется кривошипно-шатунным механизмом 14 от электромотора 11 через редуктор 10.
Между компрессорным и рабочим цилиндрами молота имеется возду хорасп редел ител ыюе устройство, состоящее из кранов 7 и 6 с каналами; через них сжатый воздух направля-
ется в рабочий цилиндр (попеременно снизу и сверху) и соответственно перемещает бабу молота вверх и вниз. Переключение кранов осуществляется путем нажатия ножной педали 1 или рукоятки. Управляя распределением воздуха, можно регулировать перемещение бабы молота. Верхний боек 5 и нижний 4 крепятся к бабе молота и к подушке 3 специальными клиньями. Стальная подушка 3 установлена на массивном основании молота— шаботе 2, который не связан со станиной молота.
Масса падающих частей пневматических молотов (поршень, шток и баба) изменяется в пределах от 50 кг до 1 т. Масса шабота должна быть в 15—20 раз больше массы падающих частей. Число ударов бабы молота равно 70—190 в минуту.
Паровоздушные ковочные молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом от соответствующих установок. Имеются два их типа: молоты простого и двойного действия. В молотах первого типа пар или
Рис. 130. Пневматический ковочный молот: й — общий вид; б — кинематическая схемаРис. 130. Пневматический ковочный молот: й — общий вид; б — кинематическая схемаРис. 131, Схема устройства двустоечпого ароч-Рис, 132» Гидравлический пресс:НОГО КОВОЧНОГО МОЛОтаа — схема устройства; б — схема установкиРис. 131, Схема устройства двустоечпого ароч-Рис, 132» Гидравлический пресс:НОГО КОВОЧНОГО МОЛОтаа — схема устройства; б — схема установки
Рис. 130. Пневматический ковочный молот: й — общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 130. Пневматический ковочный молот: й — общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 131, Схема устройства двустоечпого ароч-Рис, 132» Гидравлический пресс:
НОГО КОВОЧНОГО МОЛОтаа — схема устройства; б — схема установки
Рис. 131, Схема устройства двустоечпого ароч-Рис, 132» Гидравлический пресс:
НОГО КОВОЧНОГО МОЛОтаа — схема устройства; б — схема установки
воздух осуществляет только подъем подвижных частей молота. Эти молоты встречаются редко, В молотах второго типа пар или воздух поднимает подвижные части молота и дополнительно увеличивает энергию удара молота*
На рис. 131 приведена схема устройства двухстоечного арочного ковочного паровоздушного молота. Пар или воздух в рабочий цилиндр подают через золотник 8. управляемый рукоятью 9. Верхний боек 4 обычно прикреплен к падающей бабе 5, которая связана с нижним концом штока 6. К верхнему концу штока прикреплен поршень 7 рабочего цилиндра. Нижний неподвижный боек 3 укреплен в стальной подушке 2, а последняя — на массивном шаботе 7,
Паровоздушный молот может выполнять единичные и множественные (автоматические) удары бойка о поковку, а в необходимых случаях прижимать поковки бойком к наковальне, Подвижные части паровоздушного молота можно также удерживать на весу.
Масса падающих частей паровоздушных молотов составляет 0,5— 5 т; давление лара или воздуха равно 0,6—0,8 МН/ма (МПа).
Схема гидравлического пресса для ковки металла показана на рис. 132. Рабочий цилиндр гидравлического пресса 1 закреплен в верхней неподвижной поперечине 3, которая колоннами 5 соединена с нижней неподвижной поперечиной 6, установленной на фундаменте. В рабочем цилиндре пресса имеется передвигающийся плунжер 2. к которому прикреплена подвижная траверса 4. Верхний боек 8 и нижний боек 7 размещены соответственно на подвижной траверсе и нижней неподвижной поперечине,
Опускание подвижной траверсы с бойком, т* е* рабочий ход гидравлического пресса, происходит под нажимом главного плунжера 2, 276
на который воздействует в свою очередь рабочая жидкость, Движение подвижной траверсы 4 вверх совершается под воздействием рабочей жидкости на плунжеры 10 в подъемных цилиндрах 9.
Механизмы управления гидравлическим прессом сосредоточены в одном месте — распределителе» имеющем рукоятку и перепускные клапаны.
Рабочей жидкостью пресса является вода» некоторые виды эмульсии, минеральное масло под давлением до 29,5 МН/м2 (МПа). Рабочая жидкость из бака 13 поступает сначала к насосу //, а затем при помощи аккумулятора 12 и распределительного устройства 14 направляется к прессу 15, Применение жидкостного аккумулятора позволяет иметь насосы меньшей производительности и использовать рабочую жидкость одновременно в нескольких прессах.
Гидравлические прессы для ковки металла могут развивать усилие на бойках в пределах 3—15 МН.
При свободной ковке применяют следующий и и с т р у м е н т: бойки (плоские, вырезные и круглые), патроны, осадочные плиты, оправки» топоры, прошивни и др.
§ 2» Горячая штамповка
Различают объемную и листовую штамповку металла в нагретом и холодном состояниях.
При объемной штамповке деформируется весь объем металла и его истечение ограничивается полостью штампа. Штамп состоит обычно из двух разъемных частей, которые в собранном виде создают одну или несколько внутренних полостей, называемых ручьями.
Объемная горячая штамповка имеет ряд преимуществ по сравнению со свободной ковкой: достигается более высокая производительность труда, уменьшаются отходы металла, обеспечивается более высокая точность изделия при лучшем состоянии его поверхности. Методом объемной штамповки можно получать поковки различной конфигурации из стали, цветных металлов и других материалов.
Технология горячей объемной штамповки. Исходными материалами являются сортовой прокат различного сечения, некоторые профили периодической прокатки и другие заготовки.
Технологический процесс горячей объемной штамповки состоит из разделки проката на заготовки необходимой массы (мерные заготовки); нагрева заготовок; штамповки заготовок; термической обработки поковок; отделки поковок. В соответствии с этими операциями в цехах горячей штамповки имеются заготовительное, штампов очное,термическое и отделочные отделения.
При проектировании технологического процесса необходимо учитывать ряд факторов: форму и размеры готового изделия» требуемую точность его изготовления, пластичность металла, программу выпуска. С учетом этих факторов выбирают тин машины для горячей штамповки. Затем по чертежу изделия выполняют чертеж поковки с учетом припусков на механическую обработку и допусков на штамповку. По
чертежу поковки определяют форму и размеры исходной заготовки. Затем проектируют штамп с учетом расположения в нем заготовки, формы и числа промежуточных переходов при штамповке. В технологической карте указывают также режимы нагрева заготовки и термической обработки поковки, заготовительные и отделочные операции.
Объемную горячую штамповку осуществляют двумя способами — в открытых и закрытых штампах. В первом случае получают поковку с облоем (заусенец по месту разъема штампов). При штамповке с облоем полость штампа хорошо заполняется металлом, так как объем заго
Рис. 133. Схема обл о иной одноручьевой штамповки(/1 — контур изделия)Рис. 133. Схема обл о иной одноручьевой штамповки(/1 — контур изделия)товки больше объема полости штампа. Во втором случае объем заготовки должен быть равен объему полости штампа (безо- блойная штамповка). В настоящее время более распространенным является облойный метод штамповки (при котором в месте разъема штампа образуется облой, заусенец), несмотря на отходы металла в облой.
Рис. 133. Схема обл о иной одноручьевой штамповки
(/1 — контур изделия)
Рис. 133. Схема обл о иной одноручьевой штамповки
(/1 — контур изделия)
Открытые и закрытые
штампы могут быть одно- или многоручьевые. Одноручьевой штамп применяют для получения поковок простой формы. Поковки сложной формы изготовляют методом многоручьевой штамповки. Заготовку обрабатывают сначала в подготовительных ручьях, а затем в чистовом ручье* Подготовительные и чистовые ручьи размещают в одном общем или в нескольких отдельных штампах hw бинированный процесс штамповки). При проектировании технологических процессов штамповки выгоднее применять одноручьевые штампы с использованием заготовок фасонной формы.
Штамповку осуществляют иа молотах, кривошипных, гидравли ческих и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных и других
машинах*
Штамповка на молотах. Штампы могут быть открытые или закрытые, одноручьевые или многоручьевые. Для повышения производительности молота при одноручьевой штамповке применяют штампы с 2—3 чистовыми ручьями. При многоручьевой штамповке в штампе может быть один или несколько заготовительных ручьев.
Наиболее прогрессивным способом явлется одно- или двухручьевая штамповка на молотах с предварительной подготовкой фасонных заготовок путем вальцовки или с использованием периодического проката. Однако в промышленности еще широко применяют миогоручьевую штамповку на молотах*
На рис* 133 показана схема облой ной одноручьсвой штамповки простой поковки из цилиндрической заготовки. Штамп 5 состоит из двух частей: верхняя прикреплена к бабе 6; иижнкя — к штамподер-
Рис. 134. Многоручьевой штамп:Рис. 134. Многоручьевой штамп:д — деталь; б — нижняя половина штампа; в — переходы штамповкид — деталь; б — нижняя половина штампа; в — переходы штамповкижателю 3, установленному на шаботе / при помощи креплений 7 и клиньев 4 и 2. Ручей расположен в верхней и нижней частях штампа. Боковые поверхности ручьев штампа имеют уклоны (а — 3 4- 15е) для облегчения выемки поковок*
Рис. 134. Многоручьевой штамп:
Рис. 134. Многоручьевой штамп:
д — деталь; б — нижняя половина штампа; в — переходы штамповки
д — деталь; б — нижняя половина штампа; в — переходы штамповки
Предварительно нагретую заготовку 8 укладывают в нижнюю половину штампа на торец. При ударах верхней пол овины штампа по заготовке металл заполняет ручей, формируя поковку 9.
Наиболее трудно за- пол няются металлом углы штампа* Их заполнению способствует заусенец 10, образующийся при штамповке. Заусенец удаляют в обрезных штампах на кривошипных прессах.
На рис* 134 показан многоручьевой штамп молота и технологический процесс штамповки шатуна по переходам. Нагретая заготовка по- падает сначала в протяжной ручей 1, в котором она вытягивается,
В подка/пяодг ручье 2 происходит перераспределение металла: поперечное сечение заготовки в одних частях увеличивается за счет уменьшения других. Затем заготовка поступает в гибочный 5 и черновой 6 ручьи. Черновой ручей, предварительно формируя поковку, уменьшает износ чистового ручья. В чис/ноюи ручье 3 поковка получает окончательную форму. Заусенечную канавку 4 предусматривают только вокруг чистового ручья.
Штамповка в заготовительных и чистовых ручьях производится за один (редко) или несколько ударов молота. При изготовлении поковок применяют также пережимпые и формовочные заготовительные ручьи, площадки для осаживания и расплющивания* Если поковка штампуется из прутка или одновременно штампуется несколько поковок, то на штампе предусматривают отрубной ручей или нож*
Бсзоблойпую штамповку на молоте в закрытом штампе, несмотря на ее экономичность, применяют только для простых поковок.
Для получения поковок в штампах обычно используют паровоздушные молоты с падающими частями массой 0,5—30 т; фрикционные молоты с падающими частями массой 0,5—2 т применяют редко.
/7ирйзозс)у£мны£ молоты для штамповки имеют по сравнению с молотами для свободной ковки большую длину направляющих, в которых перемещается баба молота. Кроме того, у них больше масса шаботов и более жесткая станина* Это обеспечивает высокую точность штам-
ловки. Станина молота крепится к фундаменту специальными болтами с пружинами.
Штамповка на прессах. В кузнечно-штамповочном производстве широко применяют прогрессивный метод изготовления поковок на кривошипных штамповочных прессах. При штамповке на прессах по сравнению со штамповкой на молотах обеспечивается более высокая точность изделия, уменьшается расход металла, упрощается обслуживание пресса»
Кривошипные иотолшовочные прессы строят с номинальным усилием 0,5—SO МН и числом ходов 35—90 в минуту.
При штамповке на прессе деформация металла существенно отличается от его деформации при штамповке на молоте. При ударах молота деформируются в основном поверхностные слои поковки; в прессе на* грузка па поковку возрастает постепенно и деформация распространяется на весь объем металла. Это необходимо учитывать при конструировании штампов для прессов.
Рис. 135. Штамповка шатуна за один переход из периодического профиля, полученного продольной 1 или поперечной 2 прокаткойРис. 135. Штамповка шатуна за один переход из периодического профиля, полученного продольной 1 или поперечной 2 прокаткойШтампы конструируют так, чтобы формирование поковки происходило за несколько переходов в предварительных ручьях. Однако число этих ручьев должно быть минимальным. Для штамповки на прессах рекомендуется применять фасонные заготовки (рис. 135).
Рис. 135. Штамповка шатуна за один переход из периодического профиля, полученного продольной 1 или поперечной 2 прокаткой
Рис. 135. Штамповка шатуна за один переход из периодического профиля, полученного продольной 1 или поперечной 2 прокаткой
поковки в открытых и закрытыхпоковки в открытых и закрытыхПеред штамповкой на криво- шинном прессе с нагретых заготовок необходимо удалять окалину, так как она может вдавливаться в поковку. На ряде заводов окалину удаляют гидравлическим способом.
поковки в открытых и закрытых
поковки в открытых и закрытых
На прессе можно штамповать
(рис. 136) штампах. В последнее время все больше поковок получают прямым и обратным методом выдавливания.
Вид кривошипного пресса для горячей штамповки металла и его кинематическая схема изображены па рис. 137. Рабочие части пресса приводятся в движение от электромотора /, установленного на станине пресса. При помощи клиноременной передачи от шкива 2 движение передается маховику 3, укрепленному на валу 5. Маховик оборудован фрикционным предохранительным устройством, не допускающим перегрузки вала. Для остановки маховика предусмотрен вспомогательный тормоз 4, автоматически включающийся после выключения электромотора 1. Вал 5 вращает шестерню 5, которая сцеплена с шестерней 7, приводящей в движение коленчатый вал 9t перемещающий при помощи шатуна 11 ползун 12. Включение кривошипно-шатунного механизма осуществляется пневматической муфтой 3, которая управ-
Рис, 136. Закрытый сборный штамп:
а — осаживание заготовки в первом ручье; б— формирование углубленияво втором ручье; а—* окончательное формирование поковки в закрытомручье
а)
Рис. 137. Кривошипный штамповочный пресс: о — общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 138. Схема штамРис. 138. Схема штамповки на горизонтально- ковочной машинеповки на горизонтально- ковочной машине
Рис. 138. Схема штам
Рис. 138. Схема штам
повки на горизонтально- ковочной машине
повки на горизонтально- ковочной машине
ляется ножной педалью. Ленточный тормоз /б предназначен для оста
новки кривошипно-шатунного механизма после выключения пневматической муфгы. Верхняя половина штампа крепится к ползуну пресса, нижняя — к столу ♦ снабжаемому двух клиновым устройством 13 для регулирования высоты штампового пространства.
Горячую объемную штамповку металла или отдельные ее операции (гибку, протяжку, прошивку и др.) можно осуществлять на гидравлик ческах и фрикционных прессах. На гидравли
ческих прессах штампуют в основном поковки массой 100—350 кг и более. В последнее время на гидравлических прессах применяют штамповку поковки частями (секционная штамповка). Фрикционные прессы применяют обычно для штамповки мелких поковок.
Штамповкой на горизонтаяьно-коеочных машинах обычно производят поковки типа кольца и стержня с головкой или утолщением (болты, гайки, шайбы и т. д.). Типичным для горизонтально-ковочных машин является процесс многоручьевой штамповки прутковой заготовки в закрытом штампе, состоящем из пуансона и разъемных матриц.
На рис. 138 представлена схема штамповки изделия на горизонтально-ковочной машине» Конец нагретого прутка укладывают в неподвижную половину матрицы У до упора 4. Пуансон 3 в это время находится в левом положении (рис. 138,а). Подвижная часть матрицы 2 зажимает пруток и одновременно образует полость для деформации выступающей части прутка. При этом упор 4 автоматически переходит в другое положение (рис. 138, б). Пуансон деформирует конец прутка с образованием готовой поковки (рис. 138,в),
после чего подвижная матрица и пуансон отходят в исходное положение (рис. 138, г), а пруток с поковкой переносят в следующий ручей, где их отделяют друг от друга.
Общий вид и кинематическая схема горизонтально-ковочной машины представлены на рис. 139. Электромотор / при помощи клиноременной передачи 2 приводит в движение маховик 3. Через муфту 4 вращение сообщается передаточному валу 5. Последний посредством зубчатых колес 5 соединяется с главным коленчатым валом 7, кривошип которого шатуном 9 связан с главным ползуном 11. Кроме того, главный коленчатый вал двумя эксцентриками 6 соединяется с боковым зажимным ползуном 17 через шатун и систему рычагов 16.
Штамп состоит из неподвижной многоручьевой полуматрицы 14» укрепляемой в станине пресса; подвижной многоручьевой полуматрицы /5, укрепляемой в боковом зажимном ползуне 17; пуансонов 12»
укрепленных в главном ползуне 11 и расположенных соответственно ручьям матрицы.
При работе горизонтально-ковочной машины нагретый пруток закладывают в первый ручей полуматрицы 14 и продвигают до упора 13, связанного с роликом 10. Ролик 10 находится на направляющей, скрепленной с главным ползуном 11.
Рис. 139, Горизонтально-ковочная машина: а — общий вид; б — кинематическая схемаРис. 139, Горизонтально-ковочная машина: а — общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 139, Горизонтально-ковочная машина: а — общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 139, Горизонтально-ковочная машина: а — общий вид; б — кинематическая схема
_ При рабочем холе главного ползуна // выступ на направляющей заставляет ролик 10 подняться и, повернув ось упора, сдвинуть конец упора в сторону, освободив тем самым ход пуансону 12. В этот же момент подвижная часть полуматрицы 15 соединяется с полуматрицей 14 и образует полость для формирования поковки. Деформация поковки осуществляется пуансоном 12.
Производительность горизонтально-ковочных машин высокая (400— 600 поковок в час). Усилие при штамповке поковок составляет 0,1— 30 МН, Усилие штамповки на горизонтально-ковочных машинах приближенно определяют по формуле.
Р - ^^п, (71)
где к — поправочный коэффициент, равный в среднем 4; о — предел прочности металла при температуре конца штамповки, Н/м2 (кГс/мм2); Fn — площадь проекции поковки на плоскость, перпендикулярную направлению движения пуансона, мм2.
Диаметр заготовок равняется 25—300 мм,
. Для предварительного обжатия заготовок, предназначенных для дальнейшей штамповки, а также для получения некоторых поковок (типа стрел и пик) применяют ковочные вальцы.
Отделка поковок после горячей объемной ш т а м п о в к и. При открытой штамповке на молотах и прессах об' разующиеся заусенцы удаляют на кривошипных прессах обрезными штампами. Если штампуют поковки с отверстиями, то внутри них образуется пленка металла, которую удаляют при обрезке заусенцев.
Схемы штампов для обрезки заусенцев и удаления пленок приведены па рис. 140, В обоих случаях штампы состоят из матрицы У и пуансона 2. Инструмент для удаления заусенцев имеет режущую кромку на матрице, а для удаления пленки — на пуансоне. Остальные части штампа выполняют роль толкающих или опорных деталей, форма которых соответствует конфигурации поковки по месту соприкосновения.
Рис. 140. Схема обрезных штампов: а —для обрезки заусенцев; б — для удаления пленок
Матрица 1 крепится клином к башмаку 5, установленному на столе пресса; пуансон 2 через державку 4 связывается с ползуном пресса. Съемник 3 предназначен для удаления заусенцев (или поковок в случае их прошивки) с пуансона.
Заусенцы обрезают с поковок в горячем и холодном состояниях. Горячую обрезку осуществляют непосредственно после штамповки на прессе, входящем в состав штамповечного агрегата. Заусенцы, образующиеся после обрезки облоя, удаляют абразивным кругом на наждачном станке.
Поковки после удаления заусенцев подвергают необходимой термической обработке, правят в специальных штампах на молотах или прессах и очищают от окалины (в барабанах, пескоструйных или дробе- метных аппаратах, в растворах кислот).
Для придания поковкам или отдельным их частям точных размеров и улучшения состояния поверхности применяют калибровку и чеканку.
Холодная объемная штамповка
К холодной объемной штамповке относят плоскостную калибровку, объемную калибровку, объемную формовку и некоторые другие специфические операции кузнечно-прессового производства.
Плоскостной калибровкой (рис. ] 41 ,а) изделиям придают точные размеры (калибровка размеров), производят правку (рихтовку) и улучшают качество поверхности поковок.
Объемной калибровкой (рис. 141,6) изделиям или отдельным их частям придают окончательные размеры. Эту операцию производят обычно в открытых штампах с образованием заусенца, который затем обрезают.
Объемную формовку производят в открытых и закрытых штампах. На рис. 141,в показана формовка в открытых штампах, при которой часть металла заготовки переходит в заусенец; на рис. 141,г — формовка в закрытых штампах, при которой объем исходной заготовки равен или несколько больше объема поковки, течение металла ограничено объемом, образуемым пуансоном и матрицей.
Калибруемые и формуемые изделия, как правило, штампуют на
Рис. 142. Шарнирно-рычажный чеканочный пресс: с ^ общий вид; б — кинематическая схемаРис. 142. Шарнирно-рычажный чеканочный пресс: с ^ общий вид; б — кинематическая схемаРис. 141. ОперацииРис. 141. Операциихолодной объемнойхолодной объемнойштамповкиштамповкишарнирно-рычажных чеканочных прессах. Общий вид такого пресса и его кинематическая схема показаны на рис. 142. Коленчатый вал 4. приводимый в движение от электромотора, при помощи шатуна 3 и рычагов 2 перемещает ползун 5, к которому крепится верхняя половина штампа /, Благодаря такому устройству пресса создается возможность получать большое усилие в конце рабочего хода ползуна при небольшом крутящем моменте на валу привода. Номинальные усилия чеканочных прессов составляют 0,1—80 МН и более.
Рис. 142. Шарнирно-рычажный чеканочный пресс: с ^ общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 142. Шарнирно-рычажный чеканочный пресс: с ^ общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 141. Операции
Рис. 141. Операции
холодной объемной
холодной объемной
штамповки
штамповки
Обрабатывать изделия в холодном состоянии можно выдавливанием (прессованием) и высадкой.
На рис. 143 показано холодное выдавливание (прессование) изделия прямым и обратным способами. Некоторые изделия получают комбинированным выдавливанием (прямым и обратным). Процесс выдавливания осуществляют на кривошипных или специальных прессах»
Рис. 143. Холоднее выдавливание (прессование): а — прямым способом; б — обратным способомРис. 143. Холоднее выдавливание (прессование): а — прямым способом; б — обратным способом
Рис. 143. Холоднее выдавливание (прессование): а — прямым способом; б — обратным способом
Рис. 143. Холоднее выдавливание (прессование): а — прямым способом; б — обратным способом
Рис, 144. Схема процесса холодной высадкиРис, 144. Схема процесса холодной высадки
Рис, 144. Схема процесса холодной высадки
Рис, 144. Схема процесса холодной высадки
Холодную в ы с а д- к у металла широко применяют при производстве мелких массовых деталей — гаек, заклепок, гвоздей ит. п. В качестве заготовок для этих деталей используют проволоку или калиброванные прутки диаметром 0,6— 40 мм из углеродистой стали, цветных металлов и их сплавов. На рис. 144 показана схема процесса холодной высадки. Пруток или проволоку через матрицу / подают до упора 2. Матрица перемещается в новое положение,
отрезая при этом заготовку от прутка. Для высадки головки изделия матрица фиксируется пуансоном 3.
Процесс высадки металла за один или несколько переходов осуществляют обычно на высадочных автоматах, производящих 20—250 изделий в минуту.
Листовая штамповка
Листовая штамповка металла в холодном состоянии — один из распространенных способов получения деталей сложной конфигурации с тонкими стенками. Изделия получают с очень малыми допусками при высоком качестве поверхности. В большинстве случаев холодноштампованные изделия применяют для сборки машин без механической обработки,
При холодной листовой штамповке исходным материалом являются заготовки толщиной от нескольких сотых долей миллиметра до 5—
6 мм в виде ленты, полос и листов из цветных металлов и сплавов, малоуглеродистой и легированной стали (например, нержавеющей) и др. Заготовки толщиной более 5—6 мм штампуют обычно в горячем состоянии.
Холодную штамповку листового материала производят за одну или несколько последовательных операций (разделительные и операции изменения формы).
Кразделительным операциям относят резку, вырубку по контуру и другие, при которых часть металла отделяется от заготовки.
Листовой материал разрезают на мерные заготовки ножницами или в штампах. При резке ножницами нельзя получить заготовки лю-
Рис. 145, Схема штампа для вырубки:7 — заготовка; 5 — пуансон; 5 — съемник; 4 — матрица, 5 — маг* рицедержатель (башмак)Рис. 145, Схема штампа для вырубки:7 — заготовка; 5 — пуансон; 5 — съемник; 4 — матрица, 5 — маг* рицедержатель (башмак)Рис, 146. Штамп для вытяжки листового металлаРис, 146. Штамп для вытяжки листового металла
Рис. 145, Схема штампа для вырубки:
7 — заготовка; 5 — пуансон; 5 — съемник; 4 — матрица, 5 — маг* рицедержатель (башмак)
Рис. 145, Схема штампа для вырубки:
7 — заготовка; 5 — пуансон; 5 — съемник; 4 — матрица, 5 — маг* рицедержатель (башмак)
Рис, 146. Штамп для вытяжки листового металла
Рис, 146. Штамп для вытяжки листового металла
бой формы, Кроме того, кромки заготовок получаются низкого качества; поэтому для фасонных листовых заготовок применяют вырубку в штампах.
При вырубке в штампах (рис. 145) для уменьшения отходов и повышения выхода годных заготовок применяют шахматное или наклонное их расположение. Выход годных изделий при разделительных операциях составляет 70—80%.
К операциям изменения ф о р м ы относят гибку, вытяжку и др. При г^бк^одну или несколько частей листовой заготовки изгибают относительно других.
Вы/ияжка — наиболее сложная операция холодной листовой штамповки, при которой плоская заготовка превращается в полое тело (колпачок). Операция выполняется в вытяжном штампе (рис. 146, а). Радиус закругления рабочей грани матрицы 3 обеспечивает плавность превращения круглой листовой заготовки в колпачок. При вытяжке изделий пуансоном / плоская часть заготовки (фланец) может свертываться с образованием складок. Дпя предотвращения этого явления применяют прижимы 2.
Прй вытяжке за один проход можно получить колпачок диаметром в 1,82 раза меньше диаметра исходной заготовки. При большей деформации усилие вытяжки возрастает настолько, что металл разрушается (отрывается дно колпачка)* Дальнейшее уменьшение диаметра колпачкй достигается последующими вытяжками (рис. 146, б).
При холодной листовой штамповке толщина обрабатываемого металла практически остается почти неизменной. Исключение составляют вытяжки с большими степенями деформации* В этом случае толщина колпачка около дна уменьшается примерно на 20—30% толщины заготовки. Зазор между пуансоном и матрицей должен быть равен
Рис* 147. Процесс штамповки:
а — резиной; б — жидкостью (газами); а — взрывом
величине, большей на 10% толщины заготовки. При штамповке с утонением стенок заготовки зазор между пуансоном и матрицей меньше толщины листа.
Для холодной листовой штамповки применяют кривошипные прессы различной конструкции, из которых наиболее распространены одно- и двухстоечные.
Для массового производства деталей способом холодной листовой штамповки широко применяют прессы-автолюты, выполняющие за один ход несколько операций — вырубку, вытяжку, гибку, чеканку и пр.
Большую группу составляют специальные штампы для получения поковок посредством резины, жидкости, газов, сыпучих тел и взрывчатых веществ (импульсная штамповка)*
При штамповке резиной лист 3 (рис, 147, а) помещают на шаблон /, Ползуном пресса прижимают слой резины 2 и придают листу рельеф шаблона. Под пресс можно укладывать несколько шаблонов и получать соответствующее число изделий- Если шаблон имеет отверстие с острыми краями, то происходит пробивка или вырубка заготовки.
Штамповкой жидкостью или гасаии получают как пустотелые изделия, так и плоские, На рис* 147,6 приведена схема преобразования стаканообразной заготовки в сфероидальную. Заготовку 2 помещают в разъемную матрицу 1 и через приемное устройство (канал 4) подается под давлением жидкость или газ.
В последние годы получила большое распространение взрывная штамповка. Схема такой штамповки представлена ла рис. 147, в. На матрицу 5 укладывается заготовка 3, которую закрепляют прижимным кольцом-
бассейном 2 при помощи болтов 7. Матрицу вакуумируют через штуцер 6. Посредством взрыва заряда 4 происходит формовка заготовки в матрице. /
Горячую листовую штамповку применяют для изготовления крупных поковок — котлов, цистерн, корпусов кораблей и др. Исходный материал для горячей штамповки — лист толщиной более 5—6 мм, разрезаемый на мерные заготовки (обычно газовой резкой). Заготовки нагревают в нагревательных печах. Детали штампуют на гидравлических ковочных и фрикционных винтовых прессах, а иногда на кривошипных штамповочных прессах.
глава XXVI
ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Технологический процесс обработки давлением цветных и редких металлов и сплавов состоит примерно из тех же операций, что и обработка стали. Однако в зависимости от свойств металла и его сплавов, размеров и назначения готовой продукции, типа и характеристики оборудования одни операции могут повторяться несколько раз, а другие — отсутствовать.
Обработка давлением меди и ее сплавов
Из м е д и и е е сплавов (латуни, бронзы и т. д.) изготовляют листы, ленты, сортовые профили и трубы способом прокатки,
Исходным материалом при производстве листов и лент из меди и ее сплавов являются слитки, технологический процесс прокатки которых может осуществляться по различным схемам:
при прокатке бескислородной меди и латуней типа Л-68 — горячая прокатка слитков в заготовки и заготовок в листы и ленты;
при прокатке меди, латуней типа Л-62, некоторых видов бронз, медноникелевых сплавов (нейзильбер) и др. — горячая прокатка слитков в заготовки для получения подката с последующей его холодной прокаткой на готовую продукцию;
при прокатке бронз типа БрОФ-6,5-0,15; БрОЦС-4-4-2,5, свинцовистой латуни ЛС-63-3 и др. — холодная прокатка слитков в заготовки и последних — в готовые профили.
Технологический процесс получения листов и лент по первой схеме начинается с подготовки металла к прокатке с целью удаления литниковой части и поверхностных дефектов слитков (эту операцию обычно выполняют в литейном цехе). Далее слитки нагревают чаще всего в пламенных методических печах,
Температура нагрева меди 850—950°С, латуни 750—900°С, бронзы 800—920°С, нейзильбера (сплав 1МНц-15-20) 980—1030е С, Чтобы избежать водородной «болезни» меди (т. е. насыщения поверхностных слоев водородом), при нагреве в печи поддерживают слабоокислительную атмосферу.
Нагретые слитки поступают на прокатку па двух-трехвалковые станы. Устройство и принцип работы этих станов аналогичны ранее рассмотренным. Валки чугунные с отбеленной поверхностью. Прокатку плоских слитков, например, сечением 100 X 310 мм в первых проходах ведут с обжатиями 15—20 мм, а по мере уменьшения толщины раската до 10 — 15 мм и снижения температуры металла обжатия уменьшают до 3—5 мм. Затем подкат направляют на обрезку кромок на дисковых ножницах и разрезку на карточки (заготовки) длиной около 1500 мм.
Полученные карточки загружают на поддоны, нагревают до указанных выше температур и направляют на вторую горячую прокатку. По пути движения карточек от печи к стану их очищают от окалины и загрязнений на специальных дисковых щеточных машинах, находящихся в технологическом потоке стана. Прокатку ведут на станах квар- то до готового размера по установленному режиму обжатия.
Затем полученные листы разрезают на гильотинных ножницах на заданные длины и подвергают травлению в 7— 12 %-ном растворе серной кислоты при температуре 60—80°С. При этом горячекатаные листы устанавливают на ребро в специальные металлические корзины, которые при помощи крана погружают в травильные ванны. Протравленные листы промывают в холодной и горячей воде, просушивают и разбраковывают, обращая внимание на соответствие геометрических размеров заданным и на состояние поверхности листов.
/7о второй технологической схеме листы и ленты прокатывают карточным и рулонным способами. Последний более целесообразен, поскольку обеспечивает высокую производительность и увеличивает выход годного.
Технологический процесс прокатку медных листов из слитков t отлитых в горизонтальные изложницы, состоит из горячей и холодей прокатки. После удаления поверхностных дефектов слитки подвергают нагреву и горячей прокатке с исходной толщины 150—200 мм до 10— 15 мм с получением заготовки (раската). На отводящем рольганге стана горячей прокатки на гильотинных ножницах отрезают передний конец, раскат свертывают в рулон и направляют его на травление. Протравленные рулоны далее поступают на холодную прокатку до готового размера (1,0—1,5 мм) на станы кварто. Холодную прокатку проводят с применением смазки (машинное масло, керосин, их смеси, эмульсия и т. д.). После этого листы подвергают резке, правке, отжигу, травлению, окончательной правке и разбраковке.
/7рп прокатке лент (толщиной 0,01—0,20 мм) из меди и ее сплавов после горячей прокатки и соответствующей отделки подката (толщиной 5—6 мм) последний подвергают четырем-пяти операциям холодной прокатки, чередующимся с отжигом для снятия наклепа и травлением для удаления окалины, При этом первые операции холодной прокатки осуществляют на станах кварто, а последние — на шести- и двенадцативалковых станах. Этим способом получают рулоны длиной 10— 15 км.
При прокатке листов и лент из бронзы по третьей схеме исходные слитки подвергают обдирке и высокотемпературному отжигу (при 630—
G60C) для устранения ликвации и выравнивания химического состава, Далее следует 3—5 операций холодной прокатки, чередующихся с отжигом и травлением, до получения заданных размеров готовой продукции. При отделке готовых лент применяют шабрение поверхности для удаления дефектов.
Из сортовых профилей медь и ее сплавы прокатывают На катанку (проволочную заготовку) диаметром 6,5—12 мм, мелкосортный подкат прямоугольного и трапецеидального сечения (медные шины) и др. Этот заготовительный передел подвергают затем волочению для получения готовой продукции.
Исходным материалом для сортовой прокатки служат медные слитки трапецеидального сечения 88 X 98 X 92 мм длиной 1400 мм (вайер- барсы), латунные и бронзовые слитки круглого сечения, а также прессованные заготовки из медио-никелевых сплавов.
После удаления дефектов слитки или прессованные заготовки на* гревают в методических печах до заданной температуры и подвергают горячей прокатке но режиму обжатия согласно калибровке. Прокатку обычно осуществляют на станах линейного типа с расположением основного оборудования в две-три линии, а также на полунепрерывных станах.
Полученные сортовые профили сматывают в рулоны, подвергают охлаждению, резке на мерные длины, правке и зачистке дефектов.
Путем холодной прокатки из меди и ее сплавов получают также трубы круглого, квадратного или прямоугольного сечения с постоянным или переменным диаметром подлине периода. Последнее достигают изменением профиля калибра, а также изменением порядка работы механизма подачи и поворота трубы в процессе прокатки. Холодную прокатку труб осуществляют на станах специальной конструкции.
Обработка давлением алюминия и его сплавов
Обработке давлением подвергают деформируемые алюминиевые сплавы типа АМц, дуралюмины марок Д1, Д6, Д16, сложные алюминиевые сплавы ВК2, АК4, АК4-1 и др., а также сплав алюминия с добавками цинка, магния и меди (сплав В95 и др.).
Прокаткой из алюминиевых сплавов получают листы и ленты* Исходный материал — слитки высотой 200—400 мм, шириной 1000— 1500 мм и длиной 3000—7000 мм.
Для обеспечения хорошего качества поверхности листов и лент слитки алюминиевых сплавов фрезеруют* Затем на слиток накладывают плакирующий слой из чистого алюминия для защиты от газовой коррозии при нагреве.
Подготовленный слиток подвергают гомогенизирующему отжигу, совмещая его с нагревом для прокатки па обжимном стане (обычно клеть трио). В первых проходах обжатие слитка составляет 8—10%, а по мере раздробления крупных зерен литой структуры и увеличения пластичности металла обжатия достигают 30—45%, Слиток высотой 200—250 мм прокатывают в заготовку толщиной 90—100 мм,
У полученного раската обрезают оба конца и разрезают его на заготовки мерной длины; после нагрева до 400—450°С полученные заготовки подвергают горячей прокатке до толщины 3—6 мм.
Горячекатаные плиты, листы и ленты из алюминиевых сплавов, как правило, подвергают холодной прокатке. Практически холодную прокатку металла с 6 до 0,5—0,6 мм проводят без отжига. Холодную прокатку листов выполняют на станах кварто.
После прокатки листы подвергают отделочным операциям: разрезке, термической обработке, правке, травлению, обезжириванию, электрохимическому и химическому оксидированию, окрашиванию, контролю, маркировке и упаковке.
Ковка и штамповка сплавов типа дуралюмина проводится при температуре около 380°С. Так как сопротивление деформации сплавов на алюминиевой основе в области температур горячей обработки давлением довольно высокое, степень деформации при свободной ковке равна 3—5%, а при безоблойпой штамповке — 2—3%, Чтобы зерна структуры получились одинаковыми по величине, нельзя допускать снижения температуры ниже заданного предела.
Прессованием алюминиевых сплавов получают прутки, проволоку и трубы. Прессуют в основном сплавы, обладающие пониженной пластичностью (упрочняющиеся сплавы Д16, В95 и др.). Считки после отжига фрезеруют, нагревают до 350—450°С и прессуют. Для уменьшения брака по поверхностным дефектам прессование ведут с рубашкой. Коэффициент вытяжки при прессовании составляет 4—100. Для уменьшения трения при прессовании применяют смазку (смесь графита с машинным маслом).
Волочением получают проволоку диаметром 1—6 мм из катаной алюминиевой заготовки диаметром 6,5—7 мм; более толстую проволоку получают из заготовки диаметром 10—12 мм. При волочении дуралюмина. для снятия наклепа металла и восстановления его пластичности, после каждых двух протяжек проводят отжиг при 350—400°С. Алюминиевая проволока после волочения должна иметь гладкую поверхность без грубых следив протяжек, плен, закатов и т. д.
Обработка давлением магниевых сплавов
Деформируемые магниевые сплавы MAI, МА2, МА5, МА8 и ВМ65-1 широко применяют в автомобильной и авиационной промышленности в виде листов, прутков, труб, поковок и фасонных профилей. Перед обработкой давлением слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизирующему отжигу при 400—420° С (с выдержкой 10—15 ч) для выравнивания концентрации элементов по объему слитка.
Сплавы магния при обычных методах обработки давлением обладают пониженной пластичностью. Для увеличения пластичности и уменьшения анизотропности слитки магниевых сплавов перед прокаткой предварительно прессуют. При такой деформации (измельчение зерен) пластичность металла улучшается. Это позволяет получать штамповкой детали сложной конфигурации.
Прессование. При прессовании слитков магниевых сплавов обжатие должно быть не менее 85—90%. В этом случае изделия получаются с более высокими и равномерными механическими свойствами.
Перед прессованием слитки магниевых сплавов нагревают в электрических печах до 340—410° С, а контейнер пресса —до 280—300° С. Магниевые сплавы прессуют со смазкой (смесь машинного масла с пластинчатым графитом).
Прокатка. Этим способом получают листы толщиной 0,8— 10 мм из прессованных брусков магниевых сплавов. Листы прокатывают в основном в горячем состоянии на станах дуо и трио. Температура нагрева металла для прокатки — 280—320° С После прокатки листы подвергают рекристаллизационному отжигу при 300—350° С.
Ковка и штамповка. При деформировании магниевые сплавы под молотами могут разрушаться вследствие недостаточной пластичности и большой скорости деформации. Поэтому их куют под прессами с малыми скоростями деформации. Оптимальная температура нагрева металла — 340—420° С. Изделия из листов магниевых сплавов получают листовой штамповкой.
Обработка давлением титана и его сплавов
Как отмечено ранее, титан существует в модификациях а и 0. Температура аллотропического превращения для чистого титана равна 882—885° С. а-Титан пластичнее р-титана, что объясняется особенностями кристаллической структуры. Примеси в титане (кислород, азот, водород и др.) значительно ухудшают его пластичность. Все это следует учитывать при разработке технологии ковки, штамповки, прессования и прокатки технического титана. Его необходимо деформировать с меньшими обжатиями и более частыми отжигами, чем чистый титан (иодидный).
Обработка давлением титана и его сплавов имеет много общего с обработкой нержавеющей стали. Титан и его сплавы имеют очень узкий интервал температур для обработки давлением. Титан можно нагревать в электрических или пламенных печах. В последнем случае его изолируют от непосредственного контакта с пламенем.
При обработке давлением титана и его сплавов возникают значительные трудности из-за налипания металла на инструмент. Это ведет к увеличению брака, Для уменьшений налипания при холодной штамповке применяют фосфатирование, электролитическое покрытие поверхности заготовки или смазку.
Свободная ковка титана применяется для предварительной обработки литого металла, разрушения крупнозернистой структуры слитка и получения из него заготовок для последующей прокатки и объемной штамповки. Ковку обычно ведут при невысоких степенях деформации с промежуточными подогревами слитка. Бойки молота перед ковкой целесообразно нагревать до 200—220° С, что способствует сохранению тепла в металле и позволяет сократить число промежуточных нагревов слитка.
В результате роста зерен при высоких температурах (особенно выше 870° С) пластичность титана снижается* Рекомендуется большую часть операций ковки титана и его сплавов проводить при температурах около 790° С, чтобы не снизить их механические свойства. Для улучшения этих свойств готовую поковку подвергают отжигу.
Титан и его сплавы обрабатывают свободной ковкой на том же оборудовании, что и сталь, но при меньшей скорости деформации.
Объемная штамповка титана отличается от объемной штамповки стали. Титан имеет меньшую усадку, чем сталь. Поэтому для обработки титана нельзя использовать штампы, предназначенные для получения стальных поковок. При конструировании штампов для титана необходимо применять большие уклоны (10%) и большие радиусы в переходах. При объемной штамповке титана необходимо умеренное обжатие с небольшими скоростями деформации и предварительный подогрев штампов. Заготовки из титана и его сплавов нагревают до 870—980° С, что обеспечивает хорошее заполнение штампов.
Прокатку титана и его сплавов применяют для изготовления листов, фасонных профилей проката и труб. Прокатку обычно осуществляют после ковки титановых слитков. При этом используют то же оборудование, что и при прокатке стали.
Листы получают горячей и холодной прокаткой заготовок. Толстые и тонкие листы обычно прокатывают из кованых сутунок на линейных и непрерывных станах.
При прокатке толстых листов заготовки нагревают до 1050—1100е С, а тонких — не выше 1000° С, Заканчивают прокатку обычно при 700— 850° С. За один нагрев заготовки можно достигнуть суммарного обжатия 80% и выше.
При'холодной прокатке листов и ленты исходным материалом являются горячекатаные листы толщиной 2—4 мм. Предварительно эти листы проходят травление для снятия газонасыщенного слоя металла. Подкат протравливают также после каждого межоперационного отжига.
Простые профили (круг, квадрат, уголок) прокатывают на сортовых станах по той же технологической схеме, как и нержавеющую сталь. При проектировании калибровки валков для прокатки титана и его сплавов нужно учитывать большое уширение металла при температуре начала прокатки и резкое уменьшение уширения к концу прокатки.
Листовую штамповку титана и его сплавов применяют для получения различных тонкостенных изделий. Для увеличения коэффициента вытяжки титана при листовой штамповке практикуют подогрев фланцев заготовки и пуансона. При вытяжке титана применяют графитовую смазку (50% графита и 50% масла).
Прессование титановых сплавов используют для получения проволоки, прутков, труб и фасонных профилей* Лучшие свойства достигаются при прессовании в интервале температур, когда не происходит аллотропическое превращение металла. При прессовании титановых сплавов смазкой служит смесь, содержащая
графит, слюду и другие добавки. Матрицы, изготовленные из карбида титана, устраняют налипание металла к их поверхности и обеспечивают хорошее качество изделий.
Волочение титана и его сплавов применяют для последующей обработки прессованой проволоки, прутков и труб и осуществляют на том же оборудовании, что и для других цветных металлов и сплавов. Волочение проволоки и труб из титана затрудняется налипанием и задиранием металла. Для избежания этого на поверхность титановых заготовок анодированием наносят окисную пленку, предотвращающую контакт титана с металлом очка волоки.
Раздел пятый
СВАРКА, ПАЙКА И ОГНЕВАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
В настоящее время нет ни одной стройки, пи одного предприятия строительной индустрии и промышленности, где бы не применялась сварка, пайка или огневая резка металлов.
Широкое применение сварки в строительстве и на предприятиях строительной индустрии объясняется ее технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими способами соединения метаболических заготовок и деталей. Экономия металла, ускорение производственного процесса, снижение стоимости продукции и высокое качество сварных соединений сделали сварку прогрессивным технологическим процессом. Например, при замене клепеных конструкций сварными расход металла сокращается на 15—30%. Сварка позволяет получать более рациональные конструкции, используя различные профили проката. Стоимость сварных конструкций значительно снижается, так как уменьшается трудоемкость таких подготовительных работ, как резка, пробивка или сверление отверстий, чеканка.
Некоторые литые изделия можно заменить более легкими сварными; при этом экономия металла может достигать 40—50% массы изделия.
Изготовление, монтаж металлических и сборных железобетонных конструкций и сооружений во многих случаях неразрывно связаны с применением различных сварочных процессов.
Глава XXVII
ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА СПОСОБОВ И ВИДОВ СВАРКИ
Физическая сущность и основные способы сварки
Сварка—это процесс получения неразъемных соединений металлических деталей в узлах и целых, конструкциях, осуществляемый за счет межатомных сил сцепления. По своей природе сварка — сложный и разнообразный по форме металлургический процесс. Образование сварных соединений происходит в большинстве случаев при нагреве в узкой зоне кристаллизации с образованием сварного шва. за счет свариваемого металла или при помощи промежуточного, называемого присадочным.
Все способы сварки (рис. 148) можно разделить на две группы: сварка совместной пластической деформацией соединяемых деталей (стыков) (сварка давлением); сварка совместным плавлением этих стыков.
Сварка плавлениемСварка давлением
Рис. 148* Классификация процессов сварки
Существуют также промежуточные методы сварки с применением одновременно пластической деформации и плавления. К ним относят три метода электрической контактной сварки: точечную, роликовую (шовную) и стыковую.
В последнее время начали применять также сварку взрывом и плазменную сварку.
Для быстрого нагрева и плавления металлов в процессе сварки используют различные источники тепловой энергии. Основными из них являются электрический ток и газовое пламя.
В зависимости от способа подачи присадочного металла и флюсов к месту сварки (соединения деталей) различают ручной, автоматический и полуавтоматический способы сварки.
Виды сварных соединений и швов
В сварных конструкциях различают стыковые, нахлесточные, угловые, тавровые и заклепочные соединения.
Стыковые соединения (рис. 149,я—ж) различают по виду предварительной подготовки кромок. В зависимости от толщины сваривае-
Рис. 149. Виды сварных соединений
мого металла производят различную подготовку кромок, которая для ручной электродуговой сварки и автоматической сварки под слоем флюса регламентируется соответственно ГОСТ 5264—58 и ГОСТ 8713— 58. При толщине металла до 3 мм применяют ^отбортовку без зазора (рис. 149, а), высота бортика h -— 2 s; при толщине металла до 4 (иногда до 8 мм) сварку производят без разделки кромок (скосов) при зазоре до 2 мм (рис. 149, 6). Металл толщиной 13—15 мм сваривают с односторонней V-образной разделкой кромок (рис. 149, а).
При толщине металла больше 15 мм рекомендуется двусторонняя Х-образная разделка кромок (рис* 149, г). Металл толщиной более 20 мм сваривают с чашеобразной разделкой кромок, которая может быть односторонней и двусторонней (рис. 149, дт е)-
Соединения внахлестку (рис. 149,ж) выполняют угловыми швами, величина нахлестки равна трех-пятикратной толщине свариваемых элементов.
Угловые соединения (рис. 149,з) производят без сксса и со скосом кромок.
Рис, 150. Типы швов при различном положении в пространстве: а — нижние; б — горизонтальные; в — вертикальные; г — потолочныеРис, 150. Типы швов при различном положении в пространстве: а — нижние; б — горизонтальные; в — вертикальные; г — потолочные
Рис, 150. Типы швов при различном положении в пространстве: а — нижние; б — горизонтальные; в — вертикальные; г — потолочные
Рис, 150. Типы швов при различном положении в пространстве: а — нижние; б — горизонтальные; в — вертикальные; г — потолочные
Рис. 151. Типы швов в зависимости от пх положения относительно действия внешних сил:/ — фл а нговы й; 2 — лобовой; 3 — косойРис. 151. Типы швов в зависимости от пх положения относительно действия внешних сил:/ — фл а нговы й; 2 — лобовой; 3 — косойют на вертикальной шют на вертикальной ш
Рис. 151. Типы швов в зависимости от пх положения относительно действия внешних сил:
/ — фл а нговы й; 2 — лобовой; 3 — косой
Рис. 151. Типы швов в зависимости от пх положения относительно действия внешних сил:
/ — фл а нговы й; 2 — лобовой; 3 — косой
ют на вертикальной ш
ют на вертикальной ш
Тавровые соединения выполняют приваркой одного элемента изделия к другому (рис. 149, иу Без скоса кромок сваривают конструкции с малой нагрузкой. При изготовлении ответственных конструкции с элементами толщиной 10—20 мм применяют односторонний скос, а при толщине более 20 мм — двусторонний. Подготовка кромок для ручной сварки регламентируется ГОСТ 5264—69; для автоматической — ГОСТ 8713—70.
По положению в пространстве швы могут быть иижиие и горизонтальные (рйс. 150, а, б), вертикальные (рис. 150, 6) и потолочные (рис. 150, г). Наиболее легко выполнять нижние швы; их можно располагать на нижней горизонтальной плоскости в любом направлении. Вертикальные швы располага- гости в любом направлении. Наиболее
трудны для выполнения потолочные швы; они располагаются в любом направлении на верхней горизонтальной плоскости.
Швы можно выполнять непрерывными и прерывистыми^ зависимости от действующей нагрузки”
Типыш^ов по отношению к направлению действующих на них усилий (рис- 151) разделяют на фланговые /, лобовые 2 и косые 3*
Строение сварного шва
Строение сварного шва после затвердевания и распределения температуры малоуглеродистой стали показаны на рис. 152. Наплавленный металл 2 получается в результате перевода присадочного и частично основного металлов в жидкое.состояние» образования жидкой ванночки и последующего затвердевания, в процессе которого расплавленный металл соединяется с основным L В узкой зоне сплавления. 5 кристаллизуются зерна, принадлежащие основному и наплавленному металлу. Во всяком сварном шве образуется зона термического .влияния 4» которая располагается в толще основного металла. В этой зоне под влиянием быстрого нагрева и охлаждения в процессе сварки изменяется лишь структура металла, а его химический состав остается неизменным.
Рис. 152, Строение сварочного шва (о) и структурные превращения малоуглеродистой стали в зоне термического влияния (б):Зоны /— неполного распланления; // — перегрева; /// — нормализации; /V — неполной перекристаллизации; У — рекристаллизации; V/ — синеломкостиРис. 152, Строение сварочного шва (о) и структурные превращения малоуглеродистой стали в зоне термического влияния (б):Зоны /— неполного распланления; // — перегрева; /// — нормализации; /V — неполной перекристаллизации; У — рекристаллизации; V/ — синеломкости
Рис. 152, Строение сварочного шва (о) и структурные превращения малоуглеродистой стали в зоне термического влияния (б):
Зоны /— неполного распланления; // — перегрева; /// — нормализации; /V — неполной перекристаллизации; У — рекристаллизации; V/ — синеломкости
Рис. 152, Строение сварочного шва (о) и структурные превращения малоуглеродистой стали в зоне термического влияния (б):
Зоны /— неполного распланления; // — перегрева; /// — нормализации; /V — неполной перекристаллизации; У — рекристаллизации; V/ — синеломкости
Свойства металла в зоне шва определяются условиями плавления, металлургической обработки основного и присадочного металлов и кристаллизации металла шва при охлаждении. Свойства сварного соединения в целом определяются характером теплового воздействия на металл в околошовных зонах.
Во время плавления основной и присадочный металлы сильно перегреваются иногда до температур, близких к температуре кипения. Эго приводит к испарению металла и изменению химического состава сплава. Наличие газовой атмосферы вокруг плавящегося металла приводит в ряде случаев к окислению, взаимодействию мечалла с азотом и растворению в металле газов. Все это изменяет химический состав наплавленного металла, создает в нем окисли и другие неметаллические включения, поры и трещины. Чем чище наплавленный металл, тем выше механические свойства сварного Тыва'
С целью повышения качества наплавленного металла вокруг жидкого металла создают специальную газовую, атмосферу, защищающую его от воздействия воздуха, раскисляют и прикрывают жидкую ванночку специальными шлаками»
Строение сварного шва после затвердевания и распределения температуры в малоуглеродистой стали показаны на рис. 152, б* Зона / примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в процессе сварки частично расплавляется и представляет собой смесь твердой и жидкой фаз.
Наплавленный металл имеет столбчатое (дендритное) крупнозернистое строение, характерное для литой стали. Если наплавленный металл или соседний с ним участок был сильно перегрет, то при охлаждении на этом участке (зона //) зерна основного металла (малоуглеродистой стали) образуют грубоигольчатую так называемую видманшге- товую структуру.
Металл этой зоны обладает наибольшей хрупкостью и является самым слабым местом сварного соединения» В зоне HI температура металла не превышает 1100°С. Здесь наблюдается структура нормализованной стали с характерным и мелкозернистым строением. Металл в этой зоне имеет более высокие механические свойства (в сравнении с металлом первых двух зон),
В зоне /V происходит неполная перекристаллизация стали, нагретой до температуры, лежащей между критическими точками Ли ^, На этом участке после охлаждения наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. Металл этой зоны также обладает более высокими механическими свойствами,
В зоне V структурных изменений в стали не происходит, если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации. В противном случае на этом участке наблюдается рекристаллизация.
В зоне V/ сталь не претерпевает видимых структурных изменений. Однако на этом участке наблюдается резкое падение ударной вязкости (сине ломкость).
Структурные изменения основного металла в зоне термического влияния незначительно отражаются на механических свойствах малоуглеродистой стали при сварке ее любыми способами. Однако при сварке некоторых конструкционных сталей#? saw терм ического влияния возможно образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин.
Размеры зоны термического влияния зависят от способа и технологии сварки и рода свариваемого металла. Так, при ручной дуговой сварке стали тонкообмазанными электродами (обмазку применяют в виде покрытия для защиты сварного шва от воздействия внешней среды) и при автоматической сварке стали под слоем флюса размеры зоны термического влияния минимальны (2—2,5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность этой зоны равна 4— 10 мм, а при газовой сварке —20—25 мм.
Глава xxvili
ЭЛЕНТРОДУГОВАЯ СВАРКА
§ Т, Свойства алектрической дуги
Электродуговая сварка — наиболее распространенный способ соединения металлических деталей, использующий тепло электрической дуги. Электрическая дуга представляет непрерывный поток электронов и hohoBj образующихся между двумя электродами в той или иной среде^ак постоянным, так и переменным токами.
Для создания и поддержания дуги необходимо ионизировать воздушный промежуток или специально созданную газообразную среду. Непрерывная ионизация воздуха или газа обеспечивается электронами, вылетающими с поверхности отрицательно заряженного электрода. Эти электроны сталкиваются с атомами или молекулами газообразных веществ, находящихся в пространстве между электродами, возбуждают или ионизируют их.
В дуговом разряде выбрасывание (эмиссия) электронов с катода происходит под влиянием двух факторов: высокой температуры (fnepjno* элв!дпронная эмиссия) и напряженности электрического поля (оето- электронная эмиссия).
Отрицательно заряженные частицы бомбардируют анод, а положительно заряженные — катод. Взаимная бомбардировка ионсв при соответствующем напряжении дуги превращает кинетическую энергию этих частиц в тепловую и световую; электроны превращаются в электроны проводимости, а ионы нейтрализуются.
Тепловая и световая энергия в сварочной дуге выделяется неравно мерно. На аноде выделяется около 43% тепла за счет бомбардировки его электронами, имеющими более высокую кинетическую энергию, чем ионы, бомбардирующие катод; на катоде выделяется около 36% общего количества тепла сварочной дуги. Остальное тепло (~21 %) образуется в столбе дуги.
Температура электрической дуги зависит от материала электродов; при угольных электродах она составляет на катоде около 3200° С, на аноде — около 3900° С; при металлических электродах — соответственно 2400 и 2600° С. В центре дуги, по ее оси, температура достигает 6000—7000° С.
При электродуговой сварке на нагревание и расплавление металла используется 60—70% тепла. Остальное его количество (30—40%) рассеивается в окружающем пространстве.
На рис. 153 изображена схема ручной дуговой сварки. Дуга возникает при пропускании тока между металлическим (проволочным) электродом 4 и основным металлом к Дуговой разряд (пламя дуги) имеет форму расширяющегося к поверхности изделия столба, у основания которого в толще изделия образуется кратер дуги или сварочная ванна 3. Для зажигания (возбуждения) дуги электрод под током соприкасают с изделием. Вследствие высокой плотности тока в месте контакта конец электрода и соприкасающийся с ним участок изделия
сильно нагреваются. Эго обеспечивает образование дугового разряда в момент отвода электрода от поверхности изделия.
Под влиянием автотермоэлсктронной эмиссии конец электрода и находящийся под ним участок изделия расплавляются, па изделии возникает сварочная ванна, в которую по каплям стекает расплавленный металл 6 с электрода 4. Пространство между оплавляющимся торцом электрода и поверхностью сварочной ванны заполняется раскаленной средой, представляющей смесь частично ионизированного
Рис. 153. Схема ручной дуговой сварки (стрелкой показано перемещение электрода)Рис. 153. Схема ручной дуговой сварки (стрелкой показано перемещение электрода)Рис. 154. Деформация .капли металлаРис. 154. Деформация .капли металла
Рис. 153. Схема ручной дуговой сварки (стрелкой показано перемещение электрода)
Рис. 153. Схема ручной дуговой сварки (стрелкой показано перемещение электрода)
Рис. 154. Деформация .капли металла
Рис. 154. Деформация .капли металла
воздуха, паров металла и обмазки 5, которые образуются при высоких температурах в процессе взаимодействия материала электрода и его обмазки 5 с воздухом. Электрод, перемещаясь в направлении стрелки, оставляет слой наплавленного металла 2.
Устойчивое горение, необходимое для высокого качества сварки, достигается при длине дуги а — 3—5 мм. Величину проплавления свариваемого металла называют глубиной сварки.
Обычно в сварочную ванну с электрода в виде капель стекает до 90% всего металла плавящегося электрода; остальной металл нс достигает сварочной ванны вследствие частичного разбрызгивания, испарения и окисления и уходит в окружающую среду.
При любом способе сварки и положения шва в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие в виде капель (рис» 154)* Капли / жидкого металла переносятся от электрода 3 к сварочной ванне 5 в результате совместного действия силы тяжести, сил поверхностного натяжения, давления образующихся в металле газов и сжимающего действия электромагнитных сил 2 на металл (пинч- эффект), способствующих образованию шейки 4.
Силы поверхностного натяжения придают каплям сферическую форму, доводя их размер перед отрывом до критической величины, Это облегчает стекание капель в ванночку.
Поверхностное натяжение способствует переносу металла с электрода на изделие» Сила давления газов, возникающих при плавлении электрода, также помогает процессу переноса капли с электрода на
деталь. Это очень важно при потолочной сварке- Электрический ток, проходящий по электроду, создает вокруг электрода магнитное силовое поле, которое, как указано, образует шейку при его расплавлении. Электромагнитные силы способствуют переносу капли металла при всех положениях шва в пространстве с электрода па изделие.
Для зажигания электрической дуги необходима сравнительно небольшая разность потенциалов на электродах: обычно для металлических электродов она составляет около 40—60 В при постоянном токе и около 50—70 В при переменном. После возбуждения дуги напряжение уменьшается. Дуга между металлическим электродом и свариваемым металлом устойчиво горит при напряжении 15—30 В, а между угольным или графитовым электродами и металлом — при напряжении 30—35 В- Напряжение, необходимое для поддержания горения дуги, зависит от длины дуги, химического состава электродного стержня, его покрытия, давления газов в окружающей среде, Величины и рода тока.
При работе на постоянном токе свариваемое изделие обычно присоединяют к положительному полюсу (аноду) а электрод — к отрицательному полюсу (катоду7). Такое соединение называют включением на прямую полярность. Иногда (особенно при малых сечениях изделия) во избежание прожога изделие присоединяют к катоду, а электрод — к аноду. Такое соединение называют включением на обратную полярность.
Горение дуги при переменном токе менее устойчиво, чем при посте* янном. Устойчивость дуги увеличивается с повышением напряжения, с увеличением частоты переменного тока или созданием специальной Газовой среды путем обмазки электродов*
§ 2, Основные способы электродуговой сварки
В практике применяют два способа дуговой электросварки: не- плавящимся электродом и плавящимся металлическим электродом.
При первом способе, разработанном русским инженером Н. Н. Бенардосом (1842—1905), сварку обычно производят угольным или вольфрамовым электродом по схеме, приведенной на рис. 155, о, постоянным током. Неплавящийся электрод обычно присоединяют к отрицательному полюсу генератора, изделие — к положительному полюсу. При сварке с обратной полярностью дуга получается менее устойчивой.
Второй способ сварки (плавящимся электродом) был разработан в 1801 г. Н. Г. Славя новым (рис* 155,6).
При сварке металлов электрическая дуга может быть зависимой и независимой. Сварка дугой прямого действия (зависимой) происходит при ее горении между электродом и металлом. Независимая дуга горит между двумя угольными электродами вблизи свариваемых деталей; металл нагревается за счет косвенного действия дуги.
Различают три вида сварочной дуги — закрытую, защищенную и открытую.
Наиболее эффективна защита металла от воздействия окружающей
среды при закрытой дуге погружением ее в жидкость, газовую среду или в гранулированные стекловидные флюсы.
Широкое применение получил способ заи^шцекной электрической дуги; в нем металл защищен от воздействия окружающей среды слоем шлака или оболочкой газа. Шлак образуется вокруг дуги за счет применения обмазанных электродов, слой покрытия которого плавится при нагревании. Иногда в зону сварки подают активные или инертные газы, изолирующие дугу от внешней среды. Неответственные изделия обычно сваривают открытой дугой без защиты от воздействия воздуха. Дуговую электрическую сварку, как уже отмечалось,
Рис. 155. Схема дуговой электросварки:Рис. 155. Схема дуговой электросварки:
Рис. 155. Схема дуговой электросварки:
Рис. 155. Схема дуговой электросварки:
д — способ Бенардосз; б — способ Славянова; / — держатель: 2 — электрод; 5 — электри-ческая дуга; 4 — пр иг а доч Ef ый металлу 5 — свариваемая деталь; 6 — гибкий провод
можно осуществлять на постоянном и переменном токе. Достоинство сварки на постоянном токе — повышенная устойчивость дуги и возможность использования прямой и обратной полярности для регулирования степени нагрева свариваемого изделия.
Более широко все же применяют сварку на переменном токе; оборудование здесь значительно дешевле, меньшей массы и габаритов, проще в эксплуатации. Кроме того, коэффициент полезного действия сварочных трансформаторов переменного тока составляет 0,8—0,85, а агрегатов постоянного тока 0,3—0,6.
При сварке переменным током расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла достигает 11—14 МДж (3—4 кВт-ч), а при сварке постоянным током— 22—36 МДж (6—10 кВт-ч),
Недостатками сварки на переменном токе являются сравнительно низкий cos ф сварочного поста при сварке электродом с тонкой обмазкой (обычно 0,3—0,4) и меньшая устойчивость сварочной дуги.
§ 3. Электроды, сварочные машины и аппараты
Электроды. Н иел л а в я щ и е с я электроды бывают угольными, графитовыми и вольфрамовыми. Угольные и графитовые электроды применяют только при сварке на постоянном токе. Вольфрамовые электроды применяют при сварке постоянным и переменным током.
Плавящиеся электроды, в зависимости от назначения и химического состава свариваемого металла, могут быть изготовлены из различных материалов: стали, чугуна, меди, латуни, бронзы, алюминия и твердых сплавов. Применяют их при сварке без покрытия (обмазки) или со слоем тонкого либо толстого покрытия (обмазки).
Стальные электроды изготовляют из стальной сварочной проволоки ГОСТ 2246—60 диаметром о^0,3 до 12 мм;
Электроды для р ^ч ной дуговой сварки представляют металлические стержни диаметром 1,6—12 мм, длиной от 350 до 450 мм. Для сварки углеродистой стали электроды изготовляют из мягкой стальной проволоки, содержащей 0,08—0,12% С; содержание фосфора и серы допускается в пределах до 0,04%. При сварке легированной стали электроды изготовляют из низколегированной стальной проволоки, содержащей до 0,22% С. При автоматических и полуавтоматических процессах сварки применяют только электродную проволоку без покрытия.
Электроды разделяют на три группы: углеродистая (Св. 08, Св. 1ОГС и т. д.), легированная (Св. I8XM9, Св. 10Х5М, Св. 20ХГС) и высоколегированная^(Св. 07Х18Н9Т, Св. 07Х25Н20 и т. д_).
Качественные электроды (т. е. электроды с разнообразными толстыми покрытиями) делят на типы по их назначению и механическим свойствам сварного шва.
Толщина такого стабилизирующего покрытия электродов составляет 0,1—0,3 мм на сторону, а толстого — 0,5—3 мм на сторону. Тонкие покрытия (обмазки) повышают устойчивость горения дуги, поэтому их называют ионизирующими покрытиями. Опи состоят из мела или поташа, калиевой селитры, углекислого бария, титанового концентрата, силиката калия, полевого шпата и др. Электроды с тонкими обмазками применяют для сварки малоответственных конструкций, так как сварные швы, выполняемые этими электродами, обладают пониженными механическими свойствами вследствие влияния атмосферы на расплавленный металл.
Сварочные машины и аппараты. При сварке постоянным током электрическая дуга питается от сварочных машин, имеющих в качестве источника тока сварочные генераторы^ или выпрямители, а при переменном токе от свапочных тпянгйюпмятлпппСварочные машины и аппараты. При сварке постоянным током электрическая дуга питается от сварочных машин, имеющих в качестве источника тока сварочные генераторы^ или выпрямители, а при переменном токе от свапочных тпянгйюпмятлпппЭлектроды с толстыми (защитными) обмазками повышают устойчивость горения дуги и защищают расплавленный металл от окисления и насыщения азотом. Наличие в покрытии раскислителей FeMn, FeSi, FeTi позволяет восстанавливать окисли металла на кромках изделия. При необходимости в обмазку добавляют легирующие элементы, обеспечивая получение соединения с определенными физико- механическими свойствами.
Сварочные машины и аппараты. При сварке постоянным током электрическая дуга питается от сварочных машин, имеющих в качестве источника тока сварочные генераторы^ или выпрямители, а при переменном токе от свапочных тпянгйюпмятлппп
Сварочные машины и аппараты. При сварке постоянным током электрическая дуга питается от сварочных машин, имеющих в качестве источника тока сварочные генераторы^ или выпрямители, а при переменном токе от свапочных тпянгйюпмятлппп
'"'Сварочная'"'Сварочнаяот сварочных трансформаторов.^
'"'Сварочная
'"'Сварочная
машина для дуговой" св а р-к-и—н-а- п °F Т.° я и ном ток е в качестве источника тока имеет скаредный. генератор и электродвигатель, приводящий генератор во вращение, а также регулятор тока и другие механизмы. В ряде случаев генератор приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания.
Сварочные генераторы по устройству и характеристикам отличаются от обычных генераторов, применяемых для силовых установок и освещения. Сварочный генератор должен обладать хорошими динамическими свойствами, т. е. обеспечивать получение крутопадающей характеристики (см. кривые 1 и 2, рис. 156). Такая форма внешней характеристики генератора обеспечивает взаимосвязь со статической характеристикой дуги (кривая 3, рис. 156). Кривая 2 в двух точках пересекает х ар актеристику электри-
Iл ческой дуги (кривая 3); в точке А
Рис. 156. Внешняя характеристика генераторов и электрической дуги:Z— генератора обычного тока; 2 — сварочного генератора; 5 ■— электрической дуги статическая; 4— электрической дуги падающая вами обладают генераторы с чивающую параллельную и обмотки.Рис. 156. Внешняя характеристика генераторов и электрической дуги:Z— генератора обычного тока; 2 — сварочного генератора; 5 ■— электрической дуги статическая; 4— электрической дуги падающая вами обладают генераторы с чивающую параллельную и обмотки.происходит возбуждение дуги, а в точке Л! обеспечивается устойчивое горение дуги.
Рис. 156. Внешняя характеристика генераторов и электрической дуги:
Z— генератора обычного тока; 2 — сварочного генератора; 5 ■— электрической дуги статическая; 4— электрической дуги падающая вами обладают генераторы с чивающую параллельную и обмотки.
Рис. 156. Внешняя характеристика генераторов и электрической дуги:
Z— генератора обычного тока; 2 — сварочного генератора; 5 ■— электрической дуги статическая; 4— электрической дуги падающая вами обладают генераторы с чивающую параллельную и обмотки.
Длина дуги в процессе сварки не постоянна; постоянство силы тока обеспечивается источником с крутопадающей хар актеристикой.
При изменении длины дуги с /1 до /2 сила тока изменяется на величину ДД при характеристике 2 и на MC>Mi при падающей характеристике 4. Следовательно, устойчивость дуги будет меньше.
Рис, 157. Схема (о) и общий вид (б) сварочного генератора:Рис, 157. Схема (о) и общий вид (б) сварочного генератора:/ — корпус агрегата, 2 — пусковая кнопка: 5 — якорь; 4 — шейки; 5 —- коллек- тор; 6—рукоятка; 7—башмак; 5 — подача тока во внешнюю цепь/ — корпус агрегата, 2 — пусковая кнопка: 5 — якорь; 4 — шейки; 5 —- коллек- тор; 6—рукоятка; 7—башмак; 5 — подача тока во внешнюю цепьБольшое распространение получили однопостовые сварочные генераторы с ^внешней падающей характеристикой. Наилучшими свойст- самовозбуждением, имеющие памагни- размагничивающую последовательную
Рис, 157. Схема (о) и общий вид (б) сварочного генератора:
Рис, 157. Схема (о) и общий вид (б) сварочного генератора:
/ — корпус агрегата, 2 — пусковая кнопка: 5 — якорь; 4 — шейки; 5 —- коллек- тор; 6—рукоятка; 7—башмак; 5 — подача тока во внешнюю цепь
/ — корпус агрегата, 2 — пусковая кнопка: 5 — якорь; 4 — шейки; 5 —- коллек- тор; 6—рукоятка; 7—башмак; 5 — подача тока во внешнюю цепь
Принципиальная схема генератора приведена на рис. 157. В этом генераторе магнитный поток создается за счет двух обмоток возбуждения, из которых намагничивающая обмотка питается от главной и
вспомогательной щеток генератора, а размагничивающая включена последовательно в сварочную цепь. Генератор можно включать на малые (120—350 А) и большие (320—600 А) токи.
Рис. 158. Схема сварочных трансформаторов типа СТЭ-34:Рис. 158. Схема сварочных трансформаторов типа СТЭ-34:/ — первичная обмотка; 2 — магнитопровод трансформатора; 3— вторичная обмотка;1 — регулируемый зазор; 5 — ярмо; 6 — обмотка дросселя; 7 — магнитопровод дросселя; <8 — электрическая дуга/ — первичная обмотка; 2 — магнитопровод трансформатора; 3— вторичная обмотка;1 — регулируемый зазор; 5 — ярмо; 6 — обмотка дросселя; 7 — магнитопровод дросселя; <8 — электрическая дугаСварочный преобразователь ПС-500 состоит из сварочного генератора постоянного тока и трехфазного асинхронного электродвигателя А-72/4, соединенных между собой эластичной муфтой. Мощность генератора 28 кВт, величина тока 500 А, рабочее напряжение 40 В. Агрегат предназначен для питания одной дуги. При выполнении сварочных работ на новостройках, при монтаже или в полевых условиях, где нет электроэнергии, применяют передвижные сварочные агрегаты, состоящие из сварочного генератора постоянного тока и двигателя внутреннего сгорания. Генератор и двигатель устанавливают на общей раме и соединяют эластичной муфтой (рис. 157, б).
Рис. 158. Схема сварочных трансформаторов типа СТЭ-34:
Рис. 158. Схема сварочных трансформаторов типа СТЭ-34:
/ — первичная обмотка; 2 — магнитопровод трансформатора; 3— вторичная обмотка;
1 — регулируемый зазор; 5 — ярмо; 6 — обмотка дросселя; 7 — магнитопровод дросселя; <8 — электрическая дуга
/ — первичная обмотка; 2 — магнитопровод трансформатора; 3— вторичная обмотка;
1 — регулируемый зазор; 5 — ярмо; 6 — обмотка дросселя; 7 — магнитопровод дросселя; <8 — электрическая дуга
В больших сварочных цехах применяют централизованную многопостовую систему питания
электрическим током.
При сварке переменным током в качестве сварочной машины применяют сварочные трансформаторы. Для регулирования сварочного тока л улучшения устойчивости горения дуги в день последовательно включают индуктивное соиротивление, называемое регулятором, реактивной катушкой или дросселем. Главное назначение регулятора — обеспечить получение падающей внешней характеристики сварочного аппарата и возможность регулировки силы сварочного тока.
В настоящее время выпускают сварочные аппараты переменного тока различных типов.
Аппараты типа СТЭ-34 (рис. 158) состоят из понижающего трансформатора и отдельного регулятора тока. Первичная обмотка трансформатора включается в сеть переменного тока (220, 380 и 500 В), а во вторичной обмотке индуктируется ток напряжением 55—G0 В. Регулятор тока представляет собой катушку самоиндукции с железным сердечником, состоящим из неподвижной и подвижной частей. Обмотка включена последовательно в сварочную цепь. Между подвижными частями сердечника имеется воздушный зазор, который устанавливается вращением рукоятки регулятора.
Трансформаторы типа СТН со встроенными регуляторами состоят из общего магнитопровода с тремя обмотками: первичной, вторичной и реактивной. Взаимодействием обмоток создается основной магнитный поток. Магнитный поток, создаваемый реактивной обмоткой, имеет противоположное основному потоку направление, вследствие чего при сварке напряжение на дуге представляет собой разность на-
пряжений вторичной обмотки трансформатора и реактивной катушки. Сварочный ток регулируется перемещением пакета, набранного из листового железа.
Трансформаторы типа СТН применяют для тока 500, 1000, 2000 А и используют для питания дуги при ручной или автоматической сварке. Трансформаторы со встроенными регуляторами применяют только как однопостовые электросварочные машины. В качестве многопостовых сварочных трансформаторов обычно используют трехфазные трансформаторы с вторичным фазовым напряжением при соединении вторичной обмотки звездой на 65—70 В* В этом случае каждый сварочный пост снабжают отдельным регулятором силы тока.
Мощность трансформатора должна соответствовать суммарной мощности сварочных постов с учетом коэффициента одновременности их работы.
§ 4» Ручная электрод уговая сварка
Режимы ручной сварки. Для получения качественного сварного шва нужно правильно выбрать режим сварки, определяемый диаметром электрода, величиной сварочного тока и длиной дуги.
Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла и типа сварного соединения. При этом можно руководствоваться ориентировочно следующими данными:
Толщина металла, мм 0,5 1—2 2—5 5—10 Свыше 10 Диаметр электрода, мм 1,5 2—2,5 2,5—4,0 4—6 4—8
(72)(72)Величина сварочного тока зависит от толщины свариваемого металла, типа соединения, скорости сварки, положения шва в пространстве, толщины и вида покрытия электрода, его диаметра. Практически величину сварочного тока при сварке электродами из малоуглеродистой стали можно определять по формуле
(72)
(72)
/св - (40 ^ 60) d.
где d — диаметр электрода, мм.
Величина сварочного тока влияет не только на глубину провара, но и на форму шва. При ширине шва, равной 3—4 диаметрам электрода, форма шва наиболее благоприятна.
(73)(73)Длина дуги существенно влияет на качество шва: чем короче дуга, тем выше качество наплавленного металла. Длину дуги определяют по формуле
(73)
(73)
/д_0,5М + 2),
где d — диаметр электрода, мм.
Обычно сварку ведут при токах свыше 50 А. При величине сварочного тока более 100 А напряжение горения дуги зависит только от длины дуги и определяется по формуле
(74)(74)уд — а 4- ₽/д,
(74)
(74)
где а — коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах (яри стальных электродах а = 104'12, при угольных а = 35—38); р — коэффициент, характеризующий падение напряжения на I мм длины столба дуги; р = 2,0—2,5.
Напряжение зажигания дуги для постоянного тока равно 40—60 В; для переменного 50—70 В.
Производительность сварки зависит от затрачиваемого времени и диаметра электрода. Полное время определяют по формуле
ТП - ^'А,(75)
где tQ — основное время горения дуги, ч; А — коэффициент загрузки сварщика, равный 0,4—0,8 в зависимости от вида производства и характера выполняемой работы.
Основное время горения дуги можно определить по формуле
к = ~ >(76)
где Q— количество наплавленного металла, г; /—сварочный ток, А; Ан — коэффициент наплавки, т. е. количество электродного металла в граммах, наплавленное в течение 1 ч, приходящееся на 1 А сварочного тока с учетом марки электрода, потери металла на угар и разбрызгивание; для тонкообмазанных электродов 6В = 7—8 г/А-ч, а для толстообмазанных Ай = 10—12 г/А-ч и выше.
Массу наплавляемого металла определяют по формуле
Он — крН^(77)
где Ар —коэффициент расплавления (8—14 г/А-ч); / — сварочный ток, А.
Скорость сварки
yCD = Ut0,(78)
где L — длина шва, м.
Расход электродов (на угар, разбрызгивание и огарки) составляет до 25% всей массы электродов. Расход электроэнергии при ручной сварке на постоянном токе составляет 7—8кВт-ч/кг, а на переменном— 3,5 кВт-ч/кг наплавленного металла.
Оборудование рабочего места для ручной сварки состоит из сварочного аппарата постоянного или переменного тока, сварочного стола, стеллажа, предохранительного щитка, электродоДержателя и различных сборочно-сварочных приспособлений. Рабочий пост сварщика находится в изолированной кабине, снабженной приточно-вытяжной вентиляцией.
Техника ручной сварки. Дугу можно возбудить двумя способами: прикосновением торца электрода к свариваемому изделию с последующим его отводом на расстояние 3—4 мм; быстрым боковым движением электрода по направлению к свариваемому изделию с последующим отводом (подобно зажиганию спички). Прикосновение электрода к из-
делию должно быть кратковременным: иначе он приваривается к из де-
лию.Длина дуги горит устойчиво иWVWVWVVWWWлию.Длина дуги горит устойчиво иWVWVWVVWWWзначительно влияет на качество сварки. Короткая дуга обеспечивает получение высококачественного сварного шва, так как расплавленный металл быстро проходит воздушный
лию.
Длина дуги горит устойчиво и
WVWVW
VVWWW
лию.
Длина дуги горит устойчиво и
WVWVW
VVWWW
гшшж 44444444- Рис. 159. Схема движения электрода при ручной электроду го вой сваркегшшж 44444444- Рис. 159. Схема движения электрода при ручной электроду го вой сваркепромежуток и меньше окисляется и азотируется. Для правильного формирования шва при сварке плавящимся электродом его необходимо держать наклонно по отношению к поверхности свариваемого металла (под углом 15—20° от вертикали). Изменяя угол наклона электрода, можно регулировать глубину расплавления основного металла и влиять на скорость сварки и охлаждения наплавленного металла.
гшшж 44444444- Рис. 159. Схема движения электрода при ручной электроду го вой сварке
гшшж 44444444- Рис. 159. Схема движения электрода при ручной электроду го вой сварке
При сварке тонких листов накладывают шов в виде узкого валика (шириной 0,8—1,5 диаметра электрода). При сварке толстых листов применяют уширенные валики. При таких швах конец электрода совершает три движения: поступательное вдоль оси электрода, поступательное вдоль линии шва и поперечно-колебательные движения. Последние улучшают прогрев кро
Рис, 160. Схема наложения валиков для стыковых и угловых швовРис, 160. Схема наложения валиков для стыковых и угловых швовмок шва, замедляют остывание ванны наплавленного металла, устраняют непровар и обеспечивают получение однородного шва. Схема различных колебательных движений конца электрода показана на рис. 159.
Рис, 160. Схема наложения валиков для стыковых и угловых швов
Рис, 160. Схема наложения валиков для стыковых и угловых швов
Сварку встык без разделки кромок (рис. 160, а) производят преимущественно сквозным проплавлением с одной стороны шва* В этих случаях рекомендуется применять подкладки (стальные, медные). Иногда, если возможно, шов подваривают узким валиком с обраткой стороны.
При сварке встык шва с V-образной разделкой (рис. 160, б, дугу зажигают вблизи скоса кромок и наплавляют валик металла. В зависимости от толщины листа и диаметра электродов шов выполняют за один или несколько проходов-
Рис. 161. Схематическое изображение работы при сварке различных швов:
/, 2, 5 —положение электрода; 4 —обмазка
При многослойной сварке каждый слой тщательно очищают. Число слоев определяют исходя из диаметра электрода. Толщина слоя равна (0,84-1,2)^.
Для сварки X-образных швов (рис, 160, е) с целью уменьшения деформации слои накладывают попеременно с обеих сторон разделки.
При образовании углового шва (рис. 160, г, д) электрод ставят под углом 45° к поверхности детали. Применяя повышенные величины тока (во избежание непровара шва), обе свариваемые поверхности наклоняют к горизонтальной плоскости под углом 45° (сварка в лодочку, рис. 160, е).
При сварке горизонтальных швов на вертикальной плоскости (рис. 161, а) разделку дают лишь верхнему листу, дугу возбуждают на нижней кромке, затем постепенно переходят на скошенную верхнюю кромку.
Вертикальные швы сваривать труднее вследствие стекания расплавленного металла вниз. Для уменьшения стекания металла работу ведут короткой дугой и в направлении снизу вверх (рис. 161, б), за исключением листов с толщиной до 1,5 мм,
Сварку потолочных швов (рис, 161, в) производят очень короткой дугой (короткое замыкание электрода на деталь), Применяют электроды с тугоплавкой обмазкой, которая образует вокруг электродов «втулочку», содержащую направленный газовый поток, удерживающий электродный металл.
Увеличение длины дуги до 6—10 мм не оказывает заметного влияния на качество сварного шва. При сварке угольным электродом на постоянном токе прямой полярности расход этого электрода незначи-
телен; при работе из обратной полярности может происходить науглероживание металла.
Для изделий с отбортованными кромками при толщине листов 3 мм сварку у гольиым электродом производят без присадочного материала, а для изделий из листов толщиной более Змм — с подачей присадочного прутка в дугу.
Кроме дуги прямого действия можно пользоваться дугой косвен’ ного действия. В этом случае применяют два угольных электрода, укрепленных в специальном держателе.
Производительность сварки угольным электродом без присадки металла при толщине стали 1—3 мм достигает 50—60 м/ч. Диаметр угольного электрода изменяется в пределах 10—25 мм при величине тока 200—603 А.
Прогрессивные методы ручной сварки. Применение новых скоростных методов позволяет повысить коэффициент использования сварочного поста и резко увеличить производительность ручной сварки* Важнейшими технологическими приемами скоростной сварки являются: сварка с глубоким проплавлением, сварка спаренным электродом, пучком электродов, многоэлектродная сварка, сварка трехфаз-* ной дугой лежачим электродом и т* д.
Сварка глубоким проплавлением (проваром) (рис. 162, а) повышает производительность на 150—200%, Электроды покрывают качественным покрытием 1 (обмазкой) с более высокой температурой плавления, чем у металла электродного стержня 2. Расплавившийся металл 3 находится внутри обмазки 4» имеющей вид конусной втулочки, опирающейся на поверхность свариваемого изделия 5. Эта втулочка предохраняет суг короткого замыкания, облегчает ведение процесса, позволяет лучше использовать тепло дуги и обеспечивает более глубокий провар.
При сварке спаренным электродом два Электрода соединяют вместе так, чтобы один оказался длиннее другого на 30—40 мм; к длинному стержню подводят ток. Затем на электроды наносят общий слой покрытия (обмазки). Дуга образуется между длинным стержнем и изделием, а короткий стержень расплавляется за счет избыточного тепла дуги.
Разновидностью сварки спаренным электродом является сварка пучком электродов (3—4 шт.). При определении величины тока принимается суммарный диаметр пучка электродов, т. е.
/ = (20 -г 30) 2d. (79)
Схема сварки пучком электродов показана на рис* 162, 6. При возбуждении дуги ток сначала проходит через первый электрод, затем через второй, третий и т. д.
Разновидностью этого способа является многоэлектродная наплавка блуждающей дугой (рис. 162, в). Несколько электродов собирают в один ряд в виде частой гребенки. Ток подводят одним полюсом к изделию, а другим ко всем электродам. Дуга под слоем флюса перемещается от одного электрода к другому или одновременно горит от нескольких электродов; при этом
основной металл проплавляется незначительно. В процессе сварки электроды и флюс подают автоматически.
Сварка трехфазной дугой (рис/ 162, г) по сравнению со сваркой однофазной дугой повышает производительность в два-три раза, уменьшает расход электроэнергии примерно на 25% и обеспечивает более глубокий провар свариваемых изделий. Первые две фазы источника тока / подключают отдельно к двум параллельным электродам 2, имеющим толстую обмазку; третью фазу подключают к изделию 3. При замыкании образуются три дуги 4. Они обеспечивают стабильность и надежность процесса сварки.
Рис, IG2, Скоростные методы ручной сварки:
а сварка глубоким проваром; б — сварка пучком электродов; у — миогозлектрод- ная сварка под слоем флюса; г — сварка трехфазней дугой; <? — сварка лежачим электродом: 3 — сварка в стык одним Электродом; 2 — сварка в стык пучком электродов; 5 — сварка таврового соединения
К скоростным методам можно отнести сварку лежачим электродом (рис. 162, д). Электрод с качественным покрытием или пучок электродов укладывают в разделку кромок деталей при стыковом соединении /, 2 или в угол при тавровом соединении 3. Сварку лежачим электродом можно вести на постоянном и переменном токе, но лучшие результаты даст сварка на постоянном токе прямой полярности. Ток подводят к электроду и изделию,
§ 5, Автоматическая электрод уговая сварка
Сварка под флюсом. При автоматической дуговой сварке управление электрической дугой, подачу присадочного материала и флюсов, установку и передвижение каретки вдоль шва осуществляют специальные механизмы.
Схема установки и процесс автоматической сварки горизонтального стыкового шва электродной проволокой под слоем флюса показаны на рис. 163.
Под автоматом располагают изделие, подготовленное под сварку. Ток от источника питания (обычно переменный) подводят к свариваемому изделию и к сварочной головке. При сварке на подготовленные кромки изделия впереди электрода насыпается флюс из бункера. Дуга возбуждается между свариваемым изделием и электродной проволокой. При горении дуги образуется жидкая
Рис. 163. Автоматическая дуговая сварка под флюсом:
а — схема установки: / — бункер, 2— флюсостсасывающее устройство; 3 —кассе- та, 4 — электродная головка: 5 — подающий механизм сварочной головки; б — шлаковая корка; 7— флюс; 6 — сварной шов; б — процесс сварки: / — электрод, 2 — газовый пузырь; 3—флюс: 4 — слой шлака; 5 — металл шва; 6— ванна жидкого металла; й—глубина провара
металлическая сварочная ванна, закрытая сверху расплавленным ишаком и оставшимся нерасплавленным флюсом. Дуга горит под слоем флюса и, следовательно, без доступа воздуха. Нерасплавившийся флюс отсасывается шлангом в бункер. Шов имеет ровную мелко- чешуйчатую поверхность серебристого цвета; сверху он покрыт коркой шлака, легко удаляемой с поверхности шва.
При автоматической сварке под слоем флюса применяют ток до 3000—4000 А.
Применение автоматической дуговой сварки под толстым слоем флюса (сварка закрытой дугой) позволяет значительно увеличить мощность дуги (дэ 150 кВт и более); повысить производительность сварки в 5—10 раз по сравнению с ручной за счет глубокого проплавления основного металла; улучшить прочностные свойства и получить более чистый наплавленный металл, чем при ручной луговой сварке. Это объясняется более полной защитой расплавленной ванны и лучшей металлургической обработкой расплавленного металла шлаком.
Возбуждаемая дуга расплавляет не только электрод и основной металл, но и часть флюса. Расплавленный металл электрода в виде 316
а в расплавленной ванне,а в расплавленной ванне,Рис. 164. Сварочный трактор ТС-17-М; / — механизм подачи проволоки; 2 — бункер для флюса, 3— кнопочный пульт управления; 4 — кассета для проволоки; 5 — электродвигатель; 6 —механизм передвиженияРис. 164. Сварочный трактор ТС-17-М; / — механизм подачи проволоки; 2 — бункер для флюса, 3— кнопочный пульт управления; 4 — кассета для проволоки; 5 — электродвигатель; 6 —механизм передвижения
а в расплавленной ванне,
а в расплавленной ванне,
Рис. 164. Сварочный трактор ТС-17-М; / — механизм подачи проволоки; 2 — бункер для флюса, 3— кнопочный пульт управления; 4 — кассета для проволоки; 5 — электродвигатель; 6 —механизм передвижения
Рис. 164. Сварочный трактор ТС-17-М; / — механизм подачи проволоки; 2 — бункер для флюса, 3— кнопочный пульт управления; 4 — кассета для проволоки; 5 — электродвигатель; 6 —механизм передвижения
отдельных капель перемешивается с расплавленным флюсом и оседает в сварочной ванне. Образующиеся при высокой температуре дуги паро- и газообразные вещества — продукты частичного испарения металла, разложения флюсов и остатки воздуха, находящегося в слое гранулированного порошкообразного флюса — создают вблизи дуги замкнутую газовую полость. Последняя изолирует дугу от атмосферного воздуха.
Большая плотность тока и направленное давление газов способствуют движению металла и шлаг вают глубокий провар основного металла и, в конечном итоге, высокие механические свойства -
Уямверашмый сварочный /прак/пор ТС-17-М (рис. 164) — широко применяемый агрегат автоматической сварки под слоем флюса. Трактор работает при постоянной скорости подачи электродной проволоки и предназначен для сварки прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении: стыковых, угловых и нахлесточных соединений металлов толщиной 2— 20 мм* Трактор можно использовать для получения внутренних кольцевых швов- Сварку производят на постоянном и переменном токе.
Другой распространенный
автомат — трактор А ДС-1000-2, позволяющий легко изменять режим сварки.
Полуавтомат ПШ-5 представляет универсальный и высокоманевренный сварочный агрегат, работающий при постоянной скорости подачи электродной проволоки. Он может работать также при питании постоянным током от сварочного генератора.
При автоматической сварке свойства сварного шва определяются в основном составом свариваемого металла, электродной проволоки и флюса. Сварочная проволока должна быть очищена от ржавчины и загрязнений. Этим условиям удовлетворяет холоднотянутая сварочная проволока.
При сварке малоуглеродистых и конструкционных сталей большое значение имеют процессы окисления марганца и других элементов. Флюс, надо выбирать так, чтобы он хорошо раскислял металл в сварочной ванне. Температура плавления флюса при автоматической сварке .не должна превышать 1200°С, а его вязкость в расплавленном состоянии должна быть незначительной. Для автоматической сварки применяют флюсы, в состав которых обычно входит ферросилиций, марганцевая руда, известняк, доломит, плавиковый ‘шпат, глинозем*
Для легирования наплавленного металла при автоматической сварке открытой дугой применяют трубчатые электроды (порошковая проволока), внутрь которых насыпают порошок из различных ферро- сплавов.
Электродуговая сварка в среде защитных газов. Особенность этого вида сварки в том, что электрическая сварочная дуга горит в струе газа, защищающей металл от вредного воздействия окружающего воздуха. В качестве защитных применяют инертные и активные газы (водород, окись углерода или их смесь с азотом). Наибольшее распространение получили аргоно-дуговая сварка и сварка в среде углекислого газа*
Аргоне - дуговая сварка* Аргон — инертный газ — хранят и транспортируют в специальных стальных баллонах под давлением 15 МН/м2 (МПа), Для сварки меди и ее сплавов применяют аргон, содержащий кислорода до 0,02%, а для сварки низколегированных и хромоникелевых сталей — чистый аргон. При сварке алюминиевых и магниевых сплавов суммарное содержание примесей в аргоне может составлять от 0,05 до 0,1%. Аргоно-дуговую сварку осуществляют тремя способами: ручной сваркой неплавящим- ся (вольфрамовым) электродом; полуавтоматической и автоматической сваркой неплавящимся электродом; то же, плавящимся электродом.
Сварку неплавя1Ц11мся электродом обычно ведут на переменном токе с применением осцилляторов или на постоянном токе обратной полярности* Такую схему включения применяют при сварке алюминиевых сплавов, когда за счет эффекта катодного распыления происходит разрушение поверхностных окисных пленок. При сварке неплавящимся электродом (рис. 165, а) дуга горит между вольфрамовым (или угольным) электродом 3 и свариваемым изделием 1. В зону пламени дуги 5 подается присадочный пруток 2, изготовленный из материала, близкого по химическому составу к основному металлу. Металлический пруток и основной металл образуют ванну 6 расплавленного металла. Сварка осуществляется специальной горелкой, в которой укреплен электрод 5. По каналу горелки в зону дуги подается аргон 4.
При сварке на постоянном токе прямой полярности с горелками без водяного охлаждения максимально допустимый сварочный ток определяют по формуле
/ = 80d, (80) где / — сила тока, A; d — диаметр электрода, мм.
При сварке на переменном токе
/ = 60d. (81)
При сварке с водяным охлаждением сварочный ток увеличивают на 20—30%. При ручной сварке диаметр присадочного прутка определяют по формуле
d^0,5s+U (82) где s — толщина металла, мм.
Сварку плавяиушея электродом осуществляют проволокой диаметром 0,6—3,0 мм» Химический состав электродной проволоки выбирают
в зависимости от свариваемого металла, требуемой прочности шва и т, д.
Применение плавящегося электрода показано на рис, 165, б. Пруток металла 8 автоматически подается в наконечник горелки 7, Защитный газ через специальный канал наконечника горелки 4 попадает в пламя дуги 5.
Аргоно-дуговую сварку применяют для толстостенных изделий из углеродистой и легированной стали и сплавов на основе алюминия, магния и титана.
Атомновод о р од - пая сварка является разновидностью сварки в среде защитных газов. Особенность процесса в том, что молекулярный водород под вл иян ием высокой темпе ра- туры дуги в промежутке между электродами превращается в атомарный по реакции Н2^2Н. В нижней части дуги при соприкосновении газа с холодным свариваемым металлом атомарный водород превращается вмоле- кулярный. При этом выделяется большое количество тепла.
Водород не только предохраняет металл шва от воздействия кислорода и азота атмосферного воздуха, но и восстанавливает окислы металлов, образующиеся в зоне сварки.
Схема атомноводородной
Рис. 165. Схемы сварки в среде защитных газов:Рис. 165. Схемы сварки в среде защитных газов:а — аргоно-дуговая сварка нсплввящммся электродом; б — плавящимся электродом; 5 —атомноводородная евврка; г—сварка и втмосфере углекислого газаа — аргоно-дуговая сварка нсплввящммся электродом; б — плавящимся электродом; 5 —атомноводородная евврка; г—сварка и втмосфере углекислого газасварки приведена на рис.
Рис. 165. Схемы сварки в среде защитных газов:
Рис. 165. Схемы сварки в среде защитных газов:
а — аргоно-дуговая сварка нсплввящммся электродом; б — плавящимся электродом; 5 —атомноводородная евврка; г—сварка и втмосфере углекислого газа
а — аргоно-дуговая сварка нсплввящммся электродом; б — плавящимся электродом; 5 —атомноводородная евврка; г—сварка и втмосфере углекислого газа
165, в. Сварочная дуга воз
буждается двумя вольфрамовыми или угольными электродами Л расположенными под углом 45°. Вдоль каждого электрода по каналу подается струя водорода. Напряжение источника тока для облегчения зажигания дуги составляет 250—350 В, а рабочее
напряжение равно 30—120 В. Сварочный ток относительно небольшой (10—70 А)*
Атомноводородную сварку осуществляют горелкой особой конструкции. Присадочный металл 2 вводят в зону сварки 3 обычным способом* Сравнительно ограниченное применение этого способа объясняется сложностью и высокой стоимостью оборудования, а также опасностью поражения током высокого напряжения.
z Сварка в среде углекислого газа — наиболее экономичный способ сварки малоуглеродистых и среднелегированных сталей* Углекислый газ транспортируют в баллонах емкостью 40 дм3 под давлением 5—10 МН/м2 (Па). В таком баллоне содержится 25 кг жидкой кислоты, которая, испаряясь, образует 12,725 м3 углекислого газа* В пищевой углекислоте содержится не более 1,5% примесей, в том числе нс более 0,1 % влаги.
Схема сварки представлена на рис. 165, г. Установка состоит из источника питания сварочного тока 1, газоэлектрической горелки 2, механизма додачи электродной проволоки 3, указателя расхода углекислого газа (ротаметра) 4, редуктора 5 (обычно после редуктора устанавливают осушитель влаги) и баллона 6 с углекислотой. Газоэлектрические горелки для малых токов (до 300 А) не имеют водяного охлаждения, а для токов более 300 А оборудованы таким охлаждением во избежание сильного перегрева при сварке.
Особенностью сварки в среде углекислого газа является возможность в широких масштабах заменить ручную электродуговую сварку полуавтоматической и автоматической. При этом можно использовать электродную проволоку диаметром 0,6—2,0 мм, что обеспечивает высокую устойчивость процесса сварки, небольшое разбрызгивание и высокое качество сварных соединений* Однако следует учитывать, что при сварке некоторые элементы металла (С, Ti, Mg, Ai, V и др.) выгорают. Для компенсации окислительного действия углекислого газа повышают содержание в электродной проволоке раскисляющих элементов (Мп, Si)*
Для получения плотного, бес пор истого металла шва и уменьшения разбрызгивания металла при сварке необходимо поддерживать наиболее короткую дугу (1,5—4 мм).
Газоэлектрическая сварка в атмосфере углекислого газа наиболее эффективна для соединения тонких деталей. При сварке деталей малой толщины (до 2 мм) напряжение на дуге должно быть примерно 22 В, ток 60—150 А, расстояние от сопла горелки до металла 7— 14 мм. Для сварки деталей средней толщины принимают ток 250—500 А, напряжение на дуге 26—34 В, расстояние от сопла горелки до металла 15—25 мм.
Сварку, как правило, осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Расход углекислого газа, достаточный для защиты зоны сварки от воздуха, составляет 15—25 дм3/мин ври рабочем давлении 50 кН/м2 (кПа).
На полуавтоматических и автоматических установках скорость сварки достигает 60 м/ч,
§ 6. Электрошлаковая сварка
Процесс электрошлаковой сварки происходит за счет тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через расплавленный флюс (шлак), имеющий большое электросопротивление.
Рис. 166. Схема электрошлаковой сваркиРис. 166. Схема электрошлаковой сваркиПри высокой температуре жидкого шлака, превышающей температуру плавления свариваемого металла, кромки основного металла и электродная кровотока плавятся, образуя общую ванну жидкого металла. Схема электрошлаковой сварки представлена на рис* 166.
Рис. 166. Схема электрошлаковой сварки
Рис. 166. Схема электрошлаковой сварки
Свариваемые детали 1 расположены вертикально» Между свариваемыми кромками детали и медными формующими ползунами 2 устанавливают один или несколько электродов 5 (в зависимости от сечения шва) и помещают флюс. Ползуны 2 охлаждают водой через трубки 7. Процесс сварки начинается с возбуждения электрической дуги между электродами и начальной (опорной) планкой и нижней частью детали. Расплавленный металл 3 (основной и электродный) находится на дне ванны, а над ним образуется слой расплавленного флюса (шлака) 4. Когда над расплавленным металлом образуется слой высоконагретого жидкого шлака, электродуговая плавка переходит в элект-
рошлаковый процесс. Непрерывность процесса сварки обеспечивается равномерной подачей электродов и их перемещением вверх вдоль свариваемого шва, а также перемещением ползунов по мере затвердевания металла шва 6*
Главная особенность электрошлаковой сварки — возможность сварки деталей толщиной до 100—120 мм за один проход одним электродом; при многоэлектродпой сварке можно сваривать детали практически любой толщины. Вертикальное расположение шва облегчает выход газов и частиц шлака на поверхность. Это способствует очистке металла шва от неметаллических включений и обеспечивает хорошее его качество. Кроме того, сварку выполняют без разделки кромок изделия, что значительно сокращает трудоемкость и снижает стоимость работ. Расход электроэнергии в 1,5—2 раза меньше, чем при автоматической сварке под слоем флюсов. Плотность тока составляет 0,1 А/мм2, а при автоматической сварке—10—20 А/мм2. Расход флюса также меньше.
Преимуществом электрошлаковой сварки является эффективное применение трехфазного тока. В результате появились разные виды электрошлаковой сварки: сварка электродными проволоками, пластинками, плавящимся мундштуком, стыковая.
Используя специальные приспособления, можно электрошлаковой сваркой выполнять кольцевые швы.
Глава XXIX
КОНТАКТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА
Общие сведения
Контактная сварка — процесс соединения деталей нагревом их в месте контакта до пластического или жидкого состояния с применением одновременного или последующего сильного сжатия (осадки), обеспечивающего взаимодействие атомов металла.
Контактная сварка — один из высокопроизводительных способов сварки; она легко поддается механизации и автоматизации и ее широко применяют в машиностроении и строительстве.
На заводах, изготовляющих стержни для арматуры из углеродистой (СтЗ, Ст5) и низколегированной стали (25Г2с, 35Гс, 30Г2с), а также при монтаже каркасов, сеток и других арматурных конструкций применяют контактную сварку, которая обеспечивает высокую производительность»
По форме свариваемого соединения, определяющего тип сварочной машины, контактную сварку разделяют на стыковую, точечную и роликовую* При всех видах контактной сварки металл нагревается за счет выделения тепла при прохождении электрического тока по свариваемым деталям; количество этого тепла определяется известным законом Джоуля—Ленца:
Q = 0,24/2№, (83)
где / — сварочный ток, A; R — сумма сопротивлений отдельных участков цепи. Ом; / — время протекания тока, с.
Особенностью контактной сварки является применение кратковременных (доли секунды) импульсов сварочного тока большой силы (иногда до 100 000 А) при напряжении 0,3—10 В* Такой режим сварки повышает производительность труда, экономит электроэнергию, снижает возможность окисления деталей, уменьшает зону термического влияния, позволяет управлять процессом тепловыделения и теплоотвода, т. е. процессом формирования соединения.
Машина для контактной сварки состоит из понижающего трансформатора; механизмов, обеспечивающих закрепление, создание усилий сжатия и перемещение свариваемых деталей; пульта управления.
Стыковая сварка
Стыковую сварку (рис. 167,а) разделяют на сварку оплавлением и сварку сопротивлением* При сварке сопротивлениемторцы деталей тщательно обрабатывают, детали сводят до соприкосновения и включают ток. После нагрева металла в месте контакта до пластического состояния давление сжатия повышают* Этот способ может быть использо-
ван для сварки изделий из стали, меди и латуни с площадью контакта до 1500 — —2*000 мм2.
Наибольшим распространением пользуется сварка оплавлением. При этом не требуется тщательная подготовка кромок. После включения тока детали сводят до соприкосновения и в местах контактов благодаря высокой плотности тока происходит оплавление. При последующих соприкосновениях происходит оплавление всего стыка. Прилегающий к стыку металл нагревается до пластического состояния и в этот момент осуществляется его осадка. В процессе осадки с торцов выдавливается жидкий металл и вместе с ним удаляются о кислы и загрязнения с кромок. В результате полного удаления окислов удается получать более стабильные результаты по качеству образующихся соединений.
Различают два вида сварки оплавлением: непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Последнюю применяют для деталей, способных резко закаливаться. Предварительный подогрев металла способствует более равномерному нагреву и некоторому снижению скорости его охлаждения (для стали типа ЗОХГСА, инструментальной и др.).
При стыковой сварке цветных металлов в основном применяют сварку сопротивлением, причем плотность тока выбирают в несколько раз больше плотности тока, применяемой при сварке стали. Мощность стыковых машин выбирают из расчета 0,12—0,15 кВА/мм2 сечения свариваемых деталей; при сварке изделий с замкнутым контуром мощность увеличивают в два раза. Напряжение сварочного тока составляет 5— 15 В; давление, создаваемое при осадке, равно 15—50 МН/м2 (МПа),
Рис, 167. Схемы различных видов контактной сварки:Рис, 167. Схемы различных видов контактной сварки:а — стыковая: /-—контактная плита; 2— свариваемые детали; 5 — станина; 4 — трансформатор; 5 — электроды; б — точечная: 7 — хобот;2 — свариваемые детали; 3 — элект» рододер жа тел ь; 4 — тр а н с ф ор м а гор; 5 — зона термического влияния шва; 6 — пл а сти чн ы й с,ч ой;7 — р аспл а в -ленное ядро; а — роликовая: /—* ролик, 2— свариваемые детали. 3— тр а неф ор матор; а — и рср ыв а т сл ьа — стыковая: /-—контактная плита; 2— свариваемые детали; 5 — станина; 4 — трансформатор; 5 — электроды; б — точечная: 7 — хобот;2 — свариваемые детали; 3 — элект» рододер жа тел ь; 4 — тр а н с ф ор м а гор; 5 — зона термического влияния шва; 6 — пл а сти чн ы й с,ч ой;7 — р аспл а в -ленное ядро; а — роликовая: /—* ролик, 2— свариваемые детали. 3— тр а неф ор матор; а — и рср ыв а т сл ьВ зависимости от мощности и назначения стыковые машины могут быть ручными и автоматическими.
Рис, 167. Схемы различных видов контактной сварки:
Рис, 167. Схемы различных видов контактной сварки:
а — стыковая: /-—контактная плита; 2— свариваемые детали; 5 — станина; 4 — трансформатор; 5 — электроды; б — точечная: 7 — хобот;
2 — свариваемые детали; 3 — элект» рододер жа тел ь; 4 — тр а н с ф ор м а гор; 5 — зона термического влияния шва; 6 — пл а сти чн ы й с,ч ой;7 — р аспл а в -
ленное ядро; а — роликовая: /—* ролик, 2— свариваемые детали. 3— тр а неф ор матор; а — и рср ыв а т сл ь
а — стыковая: /-—контактная плита; 2— свариваемые детали; 5 — станина; 4 — трансформатор; 5 — электроды; б — точечная: 7 — хобот;
2 — свариваемые детали; 3 — элект» рододер жа тел ь; 4 — тр а н с ф ор м а гор; 5 — зона термического влияния шва; 6 — пл а сти чн ы й с,ч ой;7 — р аспл а в -
ленное ядро; а — роликовая: /—* ролик, 2— свариваемые детали. 3— тр а неф ор матор; а — и рср ыв а т сл ь
Точечную сварку применяют в нескольких вариантах в зависимости от конструкции издел ий.
Для получения точечной сварки детали (см. рис. 167, б) помещают между электродами. При нажатии на педаль верхний хобот / машины опускается и зажимает детали 2. Через определенное время, необхо- димое для создания плотного контакта между деталями, включается сварочныйток, который доводит металл между электродами до плавления, а прилегающую к ядру 7 зону 6 до пластического состояния. После кристаллизации расплавленного ядра давление, снимается.
Электроды должны обладать высокой электро- и теплопроводностью, сохранять необходимую прочность до 400° С. Электроды изготовляют полыми из холоднокатаной электролитической меди и сплавов на ее основе. Во время сварки электроды охлаждают водой.
Для повышения производительности труда при массовом производстве применяют многоточечную сварку. Точечная сварка может быть одно- и двусторонней.
Машины для точечной сварки могут быть механизированные и автоматические. В последних включение и выключение тока производится при помощи специальных механических электромагнитных или ионных прерывателей.
Машины разделяют на стационарные и переносные. Стационарные машины бывают одно-и многоточечными. Последние одновременно сваривают до 50 точек при производительности до 200 точек в минуту.
Мощность точечных машин достигает 600 кВА, плотность тока не менее 120 А/мм2, вторичное напряжение 1—12 В, давление между электродами 20—120 МН/м2 (МПа),
Мощность машины определяют по формуле
W ^ &S (84)
где х — суммарная толщина листов, мм; Аг—коэффициент, равный S—25 (зависит от свариваемого материала).
Рельефная сварка по существу представляет собой многоточечную сварку, при которой расположение точек определяется рельефом деталей. Равномерным распределением усилия сжатия и величиной тока достигается одинаковый провар во всех точках. Свариваемые детали после сварки по всей поверхности плотно прилегают друг к другу.
Роликовая или шовная сварка
При роликовой сварке отдельные точки частично перекрывают друг друга, образуя непрерывный шов свариваемых деталей (см. рис. 167, в). Подготовленные полосы с толщиной до 4 мм пропускают между вращающимися роликами-электродами машины, через которые проходит электрический ток. В результате образуется плотный герметичный шов.
Роликовую сварку выполняют непрерывной, прерывистой и шаговой. При непрерывной сварке детали перемещаются непрерывно, 524
причем все время к электродам поступает ток. Поверхность свариваемых деталей сильно перегревается, электроды быстро изнашиваются, что ухудшает качество сварки.
При прерывистой сварке детали перемещаются непрерывно, а ток к электродам поступает периодически.
При шаговой сварке в момент включения тока детали неподвижны, после кристаллизации сваренного участка металла происходит перемещение деталей па определенный шаг.
Короткие швы сваривают от одного конца к другому, а длинные — от середины к концам. Роликовую сварку осуществляют на переменном токе силой 2000—5000 А. Диаметр роликов равен 40—350 мм; усилие сжатия свариваемых деталей роликами достигает 6 кН; скорость сварки 0,5—3,5 м/мин.
Импульсная (конденсаторная) сварка
Сущность этого нового прогрессивного способа контактной сварки состоит в том, что к первичной обмотке трансформатора подключают колебательный контур, состоящий из выпрямителя В, конденсатора /< и прерывателя 7 (рис, 167, а).
Электрическая энергия предварительно накапливается на пластинках конденсатора Л и затем разряжается, нагревая металл. Мощный импульс энергии производит мгновенное плавление металла в месте стыка изделия. Кратковременность импульса создает реальные возможности для сварки стержней с различными сечениями. Преимуществом этого способа сварки является также значительная экономия электрической энергии*
* * *
В строительстве наиболее распространенным способом сварки является электрическая дуговая сварка плавящимся электродом, позволяющая производить сварку решетчатых, стержневых, сплошно- стенчатых и листовых конструкций. При сварке решетчатых конструкций (ферм, башен, мачт, колонн) применяют главным образом ручную сварку, так как сварные швы имеют незначительую длину и находятся в разных пространственных положениях.
Наоборот, стержневые сплошностепчатые конструкции (балки, двутавровые колонны) имеют сварные швы значительной протяженности и обычно выполняются при помощи автоматической сварки под слоем флюсов *
При сварке двутавровых балок необходимо соблюдать определенную последовательность: в первую очередь сваривают стыковые соединения стенок, затем поясов и элементов, соединяющих стенку с поясами* Только после этого можно приваривать ребра жесткости* Большой объем сварки производится при строительстве и монтаже промышленных зданий, в которых имеются колонны, балки, фермы, опоры и т. д. При монтаже на строительной площадке сварку стыков конструкций производят вручную в различных пространственных положениях*
Автоматическую сварку под слоем флюсов применяют также для сварки листовых конструкций, имеющих чаще всего большую протяженность сварочных швов.
К листовым конструкциям относятся вертикальные цилиндрические резервуары для хранения нефтепродуктов емкостью до 5000 м3 и более из малоуглеродистой стали с толщиной стенок от 2,5 до 16 мм. К сварке таких конструкций допускают сварщиков не ниже 5-го разряда.
Различные виды дуговой и электрошлаковой сварки широко применяют при монтаже арматурных стержней и сборных железобетонных конструкций.
Глава ххх
ГАЗОВАЯ СВАРКА
Газы, применяемые при сварке
При газовой сварке плавлением для местного нагрева соединяемых деталей используют тепло реакций горения газов в струе кислорода; при этом образуется факел пламени с очень высокой температурой. В момент расплавления основного металла в пламя вносят пруток из присадочного металла, который также плавится и образует вместе с основным расплавленным металлом сварное соединение.
Газовая сварка дает более плавный нагрев, чем дуговая. Газовую сварку широко используют при ремонте и изготовлении тонкостенных изделий из стали (толщиной от 0,2 до 5 мм) и сплавов цветных металлов, наплавочных работах, исправлении дефектов чугунного и стального литья.
В качестве горючих газов могут быть использованы ацетилен С2Н2, водород Н2, природный газ (содержащий примерно 94% СН4,) нефтегаз, пары бензина и керосина. В сварочном производстве обычно применяют ацетилен; при горении в технически чистом кислороде он дает наиболее высокую температуру пламени (3150° С) и выделяет наибольшее количество тепла 48 МДж/м3 (11 470 ккал/м3). Ацетилен легче воздуха и кислорода. При содержании в воздухе 2,8—80% С2Н2 образуется взрывчатая смесь. Воспламеняется ацетилен при 420° С, становится взрывоопасным при сжатии свыше 0,18 МН/м2 (МПа), а также при длительном соприкосновении с медью и серебром.
Ацетилен получают из карбида кальция при взаимодействии последнего с водой. Реакция протекает с выделением значительного количества тепла
СаС2 + 2Н2О = С2Н2 + Са(ОН)2
Теоретически для разложения 1 кг карбида кальция требуется 0,562 дм3, а практически во избежание перегрева ацетилена расходуют 5—20 дм3 воды. Средний выход ацетилена составляет 0,23— 0,28 м3/кг.
Ацетилен для сварки поступает из генератора, в котором его получают, или из металлических баллонов, В баллонах ацетилен находится в смеси с ацетоном под давлением 1,5—1,6 МН/м2 (МПа). Для безопасности баллон с ацетиленом заполняют древесным углем, создающим систему капиллярных сосудов.
Технический кислород (98,5—99,5%) поступает к сварочным постам по трубопроводам под давлением 0,5—1,6 МН/м2 (МПа), или в баллонах под давлением до 15 МН/м2 (15 МПа).
§ 2, Аппаратура для газовой сварки
Ацетилен обычно получают в генераторах. По регулированию взаимодействия карбида кальция с водой ацетиленовые генераторы делят на следующие виды:
система «карбид в воду» (рис. 168, с), при которой карбид кальция, находящийся в бункере /, периодически поступает в воду 2 через питатель 5, где разлагается и выделяет ацетилен; выход ацетилена составляет примерно 95%;
система «вода на карбид» (рис. 168, б), при которой вода через питатель 3 периодически подается на корзину 1 с карбидом кальция, находящегося в реторте 2; газ поступает в газосборник 4, герметически закрывающийся снаружи. Отбор газа осуществляется питателем 5; выход ацетилена составляет 85—90%;
система «сухого разложения» (рис. 168, я); выход 90%;
система «вытеснения» (рис. 168, а); выход 95%;
комбинированная система «вода на карбид — вытеснение» (рис. 168,5); выход 95%.
Ацетиленовые генераторы могут быть передвижные и стационарные. Передвижные генераторы обладают производительностью до 0,3 м3/ч ацетилена и предназначены для обслуживания одного сварщика. Производительность стационарных генераторов достигает 1000 м3 ч ацетилена. Современные стационарные генераторы имеют коэффициент полезного использования от 0,85 до 0,98.
В промышленности, строительстве, на транспорте и в других отраслях народного хозяйства применяют генераторы низкого до 0,01 МН м2 (МПа) и среднего давления до 0,15 МН/м2 (МПа). Генераторы среднего давления более удобны, так как облегчают регулирование состава и пламени и обеспечивают более постоянные условия сварки. Генераторы высокого давления в промышленности не применяют.
На рис. 169 показано устройство ацетиленового генератора АНВ-1-66. Он состоит из основного корпуса / и перегородки 2, разделяющей корпус на две части. В нижнюю часть корпуса вмонтирована реторта 7, в которую вставлен ящик 8 с карбидом кальция. Через открытую верхнюю часть корпуса генератор заполняют водой до уровня 3. Через клапан 6 вода из корпуса поступает в реторту и смачивает карбид кальция. Образующийся ацетилен по трубке У выходит из реторты, собирается под перегородкой 2 и затем через осушитель 5 и водяной затвор 4 по шлангу 10 поступает в горелку. Благодаря выделению тепла при разложении карбида
кальция вода нагревается и генератор может работать при низких температурах (до —25 е С),
Для избежания проникновения кис л сродно- ацетиленовой смеси в ацетиленовый генератор применяют водяные предохранительные затворы (рис, 170). В корпус 1 по трубе 2 подводится газ; трубка £
Рис, 168. Схемы ацетиленовых генераторов;
а — система «карбид в воду»: 1 — бункер; 2 — г азообразов ат ель; 5 — питатель: 4 — решетка; S — спуск ила; 6 — отбор газа; б —система «вода на карбид»: / — корзина с карбидом; 2— реторта; 3 — подача воды; 4—газосборник; 5 — отбор газа; в — система «сухого разложения»; / — барабан с карбидом; 2— привод; 3 — подача воды; 4 — загрузка карбида; 5 — газосборник, б — выгрузка сухой извести (пушонки): г — система *вы- теснснмя»: / — корзина с карбидом; 2— газообразователь-газосборник; 5 —воздушная подушка; 4 — отбор газа; д — комбинированная система «вода на карбид — вытеснение»; / — корзина с карбидом. 2— реторта; 5 — подача воды; 4 — бяк с водой. 6 — воздушная подушка; 6" — газосборник; 7 —обратный клапан; 8 — отбор газа
предохранительная. При нормальной работе уровень воды в затворе достигает контрольного крапа 3 и ацетилен собирается в верхней части затвора, откуда через кран 4 поступает к месту сварки. При обратном ударе газа трубка 2 запирается образовавшейся водяной пробкой, а излишний газ сбрасывается в атмосферу через предохранительную трубку 6, Щиток 5 возвращает воду в затвор, уменьшая ее потери.
Стандартный баллон (рис. 171) для кислорода емкостью 40 дм3 при давлении 15 МН/м2(МПа) содержит 6 м3 кислорода и представ- 328
Рис. 169, Устройство ацетиленового генератора
ляет стальной сосуд цилиндрической формы. Вентиль баллона имеет боковой штуцер для присоединения редуктора. На горловину плотно насажено кольцо с наружной резьбой для навинчивания предохранительного колпака.
Так как некоторые вещества (жиры, масла) в среде сжатого кислорода способны самовоспламеняться, при работе с кислородными баллонами необходимо соблюдать особую осторожность.
Для понижения давления газа, отбираемого из баллонов, до рабочего давления и для поддержания его постоянным в процессе сварки применяют редукторы. В зависимости от числа ступеней редуцирования редукторы бывают одно- и двухкамерные. В однокамерном редукторе газ уменьшает свое давление в одной камере.
Рис. 170. Водяной затвор низкого давленияРис. 170. Водяной затвор низкого давленияРис. 171. Схема газового поста с питанием от баллонов:Рис. 171. Схема газового поста с питанием от баллонов:/ — стол; 2 — свариваемые детали; 3 — гря- садсчный металл; 4— горелка, 5 — шланг; б — ацетиленовый редуктор; 7 — кислородный редуктор; 6 — пористая масса/ — стол; 2 — свариваемые детали; 3 — гря- садсчный металл; 4— горелка, 5 — шланг; б — ацетиленовый редуктор; 7 — кислородный редуктор; 6 — пористая масса
Рис. 170. Водяной затвор низкого давления
Рис. 170. Водяной затвор низкого давления
Рис. 171. Схема газового поста с питанием от баллонов:
Рис. 171. Схема газового поста с питанием от баллонов:
/ — стол; 2 — свариваемые детали; 3 — гря- садсчный металл; 4— горелка, 5 — шланг; б — ацетиленовый редуктор; 7 — кислородный редуктор; 6 — пористая масса
/ — стол; 2 — свариваемые детали; 3 — гря- садсчный металл; 4— горелка, 5 — шланг; б — ацетиленовый редуктор; 7 — кислородный редуктор; 6 — пористая масса
При обслуживании од ноева рочпого поста укрепляется на баллоне (или устанавливается на трубопроводе) однокамерный редуктор (рис. 172). Через вентиль из баллона газ поступает в камеру высокого дав* ления Зт через трубку—к манометру высокого давления. При повороте регулирующего винта 9, укрепленного в корпусе редуктора /, главная пружина 8 нажимает на мембрану 7 и ее приподнимает; мембрана в свою очередь посредством толкателя 6 приподнимает клапан высокого давления 5, который сжимается пружиной 4 и этим дает возможность газу попасть в камеру низкого давления 2. Рабочее давление в этой камере определяется манометром низкого давления. Из камеры низкого давления газ поступает в трубопровод горелки.
Двухкамерные редукторы обеспечивают меньший перепад давления и более низкий предел редуцирования (рис. 172, б).
ззо
Редуктор присоединяется к баллону при помощи накидной гайки 3, навертываемой на штуцер вентиля. При открывании вентиля газ устпемляется по каналу штуцера 2, предварительно пройдя через _— _ „,,ПА пп^гтц^КИ
устремляется —-трубку 4. В штуцере помещаетсяустремляется —-трубку 4. В штуцере помещаетсятеплопоглотитель в виде пластинкитеплопоглотитель в виде пластинкиРис. 172. Схемы однокамерного (а) и двухкамерного (б) редукторов
устремляется —-
трубку 4. В штуцере помещается
устремляется —-
трубку 4. В штуцере помещается
теплопоглотитель в виде пластинки
теплопоглотитель в виде пластинки
с отверстиями из красной меди L Кислород проходит через тепло- поглотитель и попадает в корпус 5 редуктора, где давление газа измеряется манометром 6. В этой части редуктора оно равно давлению в баллоне или магистрали. Далее газ поступает к редуцирующему клапану 8; при переходе в первую камеру редуцирования 11 он расширя-
ется до давления 20—25 кгс/см* Величина давления в этой камере устанавливается при помощи регулирующей гайки 14, которая сжимает главную пружину 13, перемещающую вверх нажимной диск 15, мембрану 12 и передаточный диск 10. На конце диска находится стальная шпилька 9, которая приподнимает редуцирующий клапан 8. К седлу клапан 8 прижимается запорной пружиной 7. Газ, пройдя через редуцирующий клапан 16 второй ступени, попадает в камеру редуцирования 17, где расширяется до величины рабочего давления (измеряется манометром 20). Регулирующим винтом 12 можно установить это давление в пределах от 1 до 15 кгс/см2 с делениями через
Рис* 173. Схема инжекторной горелки ГС-53:Рис* 173. Схема инжекторной горелки ГС-53:/—соединительный ниппель; 2 —трубка наконечника; 3 — смесительная камера; 4 — накидная гайка; 5 — корпус; 6— вен гиль для кислорода; 7— трубка рукоятки; 3— кислородный ниппель; 9— ацетиленовый ниппель: 10 — кислородная трубка; // — вентиль для ацетилена; 12 — сопло инжектора: 13 — мундштук; /4 — горючая смесь/—соединительный ниппель; 2 —трубка наконечника; 3 — смесительная камера; 4 — накидная гайка; 5 — корпус; 6— вен гиль для кислорода; 7— трубка рукоятки; 3— кислородный ниппель; 9— ацетиленовый ниппель: 10 — кислородная трубка; // — вентиль для ацетилена; 12 — сопло инжектора: 13 — мундштук; /4 — горючая смесь
Рис* 173. Схема инжекторной горелки ГС-53:
Рис* 173. Схема инжекторной горелки ГС-53:
/—соединительный ниппель; 2 —трубка наконечника; 3 — смесительная камера; 4 — накидная гайка; 5 — корпус; 6— вен гиль для кислорода; 7— трубка рукоятки; 3— кислородный ниппель; 9— ацетиленовый ниппель: 10 — кислородная трубка; // — вентиль для ацетилена; 12 — сопло инжектора: 13 — мундштук; /4 — горючая смесь
/—соединительный ниппель; 2 —трубка наконечника; 3 — смесительная камера; 4 — накидная гайка; 5 — корпус; 6— вен гиль для кислорода; 7— трубка рукоятки; 3— кислородный ниппель; 9— ацетиленовый ниппель: 10 — кислородная трубка; // — вентиль для ацетилена; 12 — сопло инжектора: 13 — мундштук; /4 — горючая смесь
20001200 W0050030020001200 W00500300Рис. 174. Схема строения нор- м ал ьн ого а цетилсио-кислород- ного пламени и график распределения температуры по его длинеРис. 174. Схема строения нор- м ал ьн ого а цетилсио-кислород- ного пламени и график распределения температуры по его длинеt?ct?c
2000
1200 W00
500
300
2000
1200 W00
500
300
Рис. 174. Схема строения нор- м ал ьн ого а цетилсио-кислород- ного пламени и график распределения температуры по его длине
Рис. 174. Схема строения нор- м ал ьн ого а цетилсио-кислород- ного пламени и график распределения температуры по его длине
t?c
t?c
кается с кислородом. Полученная горючая смесь поступает в мундштук. По выходе из него смесь сгорает, образуя сварочное пламя.
Горелка ГС-53 имеет семь сменных наконечников, работает при давлениях ацетилена 1—50 кН/м2 (кПа) и кислорода 100—400 кН/м2 (кПа).
При зажигании горелки сначала на четверть оборота открывают вентиль кислорода, затем открывают вентиль ацетилена и поджигают выходящую из наконечника газовую смесь. После этого немедленна приступают к регулировке сварочного пламени. При гашении горелки сначала закрывают ацетиленовый вентиль, а затем кислородный.
Сварочное ацетилено-кислородное пламя
Строение, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл зависят от соотношения кислорода и ацетилена в горючей смеси. Горение ацетилена может быть представлено следующей реакцией, протекающей в две стадии:
С2Н2 + 2,50, = 2СО, + Н2Опар
В первой стадии в горелку подают один объем ацетилена и один объем кислорода (С2Н2 + О2 = 2СО + Н2).
Во второй стадии за счет кислорода окружающего воздуха протекает реакция 2СО + Н2 + 1,50, = 2СО2 + Н2О
В зависимости от соотношения кис-
лорода и ацетилена в исходной горючей J№
смеси различают три вида кислородно- ацетиленового пламени:
нейтральное, или нормальное восстановительное, пламя при соотношении О2:С2Н2 = 1:1,2; таким пламенем сваривают большинство металлов и сплавов;
науглероживают^ пламя при соотношении О2:С2Н2<1, т. е. при избытке ацетилена. Ядро пламени при этом удлиняется по сравнению с ядром нормального пламени; пламя теряет резкие очертания. Такое пламя применяют при сварке чугуна и наплавке быстро
режущих сталей и твердых сплавов;
окислительное пламя при соотношении О2:С2Н2>1,2> т. е. при избытке кислорода- Пламя при этом приобретает голубоватый оттенок, размеры ядра пламени уменьшаются; применяют при сварке латуней.
На рис. 174 показана схема строения нормального сварочного пламени, образующегося при горении ацетилена. Пламя состоит из трех зон: ядра /, восстановительной зоны 2 и окислительной зоны 3. Ядро пламени имеет вид усеченного конуса с округленным концом.
Эта часть пламени состоит из смеси кислорода и раскаленных продуктов разложения ацетилена и кислорода (самая яркая часть пламени), В восстановительной зоне происходит выделение тепла в основном за счет окисления раскаленных частиц углерода в окись углерода. Наивысшая температура в этой зоне (до 3150е С) создается на расстоянии 3—5 мм от конца ядра пламени; эта зона имеет характерное синеватое свечение.
Находящиеся в восстановительной зоне продукты горения ацетилена СО и Н2 нагревают и расплавляют металл; они также могут восстанавливать окисли, в том числе образующиеся при сварке окислы железа.
В окислительной зоне при избытке кислорода воздуха СО догорает в СО2 и Н2 в Н2ОПЯР* Эта часть пламени имеет желтоватую окраску с красным оттенком. Газообразные продукты этой зоны обладают окислительной способностью. Однако они препятствуют контакту расплавленного металла с воздухом.
Технология газовой сварки
Качественный шов обеспечивается правильным подбором мощности горелки, видом сварочного пламени, способом сварки, углом наклона горелки, применением соответствующего присадочного материала и флюса.
Мощность сварочного пламени оценивают по расходу ацетилена Л, который вычисляют по формуле
Л = As,(85)
где s — толщина свариваемых кромок, мм; А — коэффициент, определяемый экспериментально и зависящий от физико-химических свойств свариваемых металлов.
Для нержавеющей стали А = 70^-80; для углеродистой стали, чугуна А — 100^-120; для меди А = 160-?-200, алюминия А = 75* По мощности пламени определяют номер наконечника сварочной горелки.
Диаметр присадочной проволоки d выбирают в соответствии с толщиной s основного металла. Для приближенного выбора диаметра присадочного прутка при $<10 мм можно пользоваться эмпирической формулой
d = 0,5s + 1 *(86)
При s>-10 мм диаметр присадочного прутка принимают равным 5 мм*
Применение многопламенных горелок с несколькими мундштуками повышает производительность сварки и улучшает качество шва.
Мощность горелки выбирают в зависимости от толщины и теплопроводности свариваемого металла. Для сварки металла с высокой теплопроводностью требуется наконечник с большим расходом газа*
Свариваемый участок предварительно нагревают пламенем горелки до образования жидкой сварочной ванны* После этого в нее 334
При большей толщине металлаПри большей толщине металлакромок без производяткромок без производятразделку кромок.разделку кромок.Рис* 175* Способы газовой св арки "и углы наклона горелки при различной толщине свариваемого металлаРис* 175* Способы газовой св арки "и углы наклона горелки при различной толщине свариваемого металла
При большей толщине металла
При большей толщине металла
кромок без производят
кромок без производят
разделку кромок.
разделку кромок.
Рис* 175* Способы газовой св арки "и углы наклона горелки при различной толщине свариваемого металла
Рис* 175* Способы газовой св арки "и углы наклона горелки при различной толщине свариваемого металла
вводят конец присадочной проволоки» которая, расплавляясь, образует шов* Газовой сваркой можно выполнять швы в любом положе* Нии, Наиболее рациональный способ газовой сварки — соединение встык* При этом сталь толщиной до_2 мм сваривают с отбортовкой присадочного материала* ' м
одно- или двустороннюю
При толщине металла до 3 мм применяют левую сварку (рис, 175» а), при которой горелка движется справа налево. Присадочный пруток / находится слева от горелки 2 и передвигается впереди пламени*
При толщине металла более 5 мм применяют правую сварку (рис. 175, б): горелка 2 движется впереди сварочной проволоки / слева направо. Правая сварка увеличивает производительность на 20—25% при меньшем расходе ацетилена (на 15—25%).
Угол наклона горелки к свариваемой поверхности зависит от толщины металла. При увеличении толщины металла нужна большая концентрация тепла и соответственно больший угол наклона горелки (рис, 175, в).
Горизонтальные и потолочные швы обычно выполняют правым способом сварки» обеспечивающим глубокое проплавление» а верти-
кальпые швы ведут левым способом снизу вверх. При таком способе сварки предотвращается стекание металла из ванны.
При газовой сварке в качестве присадочного материала следует применять проволоку или прутки, близкие по химическому составу к металлу свариваемых деталей.
Применение флюсов, защищающих сварочный шов от окисления, улучшает качество газовой сварки.
\V\VГазопрессовая сварка
\
V
\
V
Газопрессовая сварка является разнозидностью газовой сварки. При этом способе соединяемые кромки деталей нагревают пламенем многосопловой горелки до перехода в пластичное состояние или до оплавления (1200 —
Рис. 176. Схема газопрессовой сварки;Рис. 176. Схема газопрессовой сварки;1300°С) и сваривают приложением давления 15—25 МН/м3 (1,5—2,5 кге/мм2) (рис. 176). Газопрессовую сварку широко применяют для соединения магистральных трубопроводов, рельсов и т. д.
Рис. 176. Схема газопрессовой сварки;
Рис. 176. Схема газопрессовой сварки;
вании теплоты сгорания фтора в водороде по реакцииF2 + Н2 = 2HFвании теплоты сгорания фтора в водороде по реакцииF2 + Н2 = 2HFФторо - водородная сварка основана на использо-
вании теплоты сгорания фтора в водороде по реакции
F2 + Н2 = 2HF
вании теплоты сгорания фтора в водороде по реакции
F2 + Н2 = 2HF
о — сварка стержней кольцевой горелкой в пластичном состоянии или с оплавлением; б — сварка листов линейной горелкой в пластичном состоянии или с оплавлением; 1—изделия порол сваркой; 2 — нагрев изделий; 5—сжатие изделий
В горелку подают фтор и водород. Температура получаемого пламени значительно выше температуры а цетил ено-кислородного пламени- что обеспечивает более высокую производительность сварки.
Глава XXXI
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Способность металлов и сплавов к сварке оценивают по их свариваемости. Под свариваемостью понимают возможность образования при сварке плотных герметичных швов с требуемыми прочностными и физико-химическими свойствами. Не все металлы и сплавы обладают хорошей свариваемостью. Обычно высокая теплопроводность, низкий коэффициент линейного расширения, нечувствительность к
термическому изменению цикла, малая усадка обусловливают хорошую свариваемость металлов и сплавов.
Лучшей свариваемостью обладают металлы, способные образовывать друг с другом непрерывный ряд твердых растворов» Хуже свариваются металлы с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Совершенно нельзя сваривать методом плавления те металлы, которые вовсе взаимно не растворяются в твердом состоянии или образуют хрупкие соединения» Эти металлы подвергают сварке давлением или вводят при сварке промежуточный металл, который способен растворяться в обоих основных»
Сварка углеродистой стали
На свариваемость сталей решающим образом влияют их химический состав, физические свойства и термическая обработка перед сваркой.
Углерод сильно влияет на качество сварного шва, Повышение содержания углерода сказывается на прочности, твердости и вязкости шва. С увеличением содержания углерода в стали сверх 0,3% повышается самозакаливаемость переходной зоны основного металла, и сталь становится более хрупкой. При газовой сварке влияние углерода проявляется значительно меньше, чем при дуговой.
Углеродистые конструкционные стали хорошо свариваются любым способом при содержании до 0,25% С и удовлетворительно при содержании до 0,55% С* Для получения высокого качества сварных швов при электродуговой и газовой сварке этих сталей начо правильно выбирать режим сварки и обеспечивать надежную защиту наплавленного металла от воздействия воздуха»
Конструкционные стали при содержании углерода свыше 0,35% склонны к образованию закалочных трещин при сварке, требуют подогрева и последующей термической обработки. Применение присадочного металла с низким содержанием углерода позволяет избежать закалки шва; прочность шва можно обеспечить легированием металла навариваемого шва марганцем, кремнием и другими элементами в необходимых количествах. Фосфор при содержании более 0,04% повышает хрупкость сварного шва. Сера отрицательно влияет на свариваемость стали, вызывая красноломкость металла вследствие образования легкоплавкой эвтектики, которая располагается между зернами. С увеличением содержания серы (более 0,04%) наб»пюдается образование трещин особенно при газовой сварке.
Низкоуглеродистые стали сваривают покрытыми электродами при толщине металла от 2 до 40 мм стыковым и угловыми способами сварки. Автоматическую сварку целесообразно применять при толщине от 2 до 50 мм для стыковых и угловых швов преимущественно большой протяженности- При толщине стали от 3 до 10 мм целесообразно применять сварку в защитных газах. При толщине металла от 20 до 1000 мм применяют электрошлаковую сварку. Контактная сварка применяется для тонких листов от 0,001 до 5 мм.
Сварка легированной стали
При сварке легированной стали происходит выгорание легирующих элементов, выделение карбидов при нагреве, наблюдается самозакали- ваемость наплавленного металла и металла переходной зоны, возникают усадочные напряжения и появляются трещины вследствие малой теплопроводности некоторых легированных сталей.
Для предотвращения или устранения указанных явлений при сварке легированных сталей рекомендуется не допускать их перегрева, строго соблюдать установленные режимы сварки, применять специальные составы флюсов и обмазок, подогревать изделия перед сваркой и проводить термообработку изделий после сварки.
Свариваемость низколегированной конструкционной стали перлитного класса в основном определяется содержанием углерода. При содержании до 0,2% С сталь сваривается хорошо, при 0,35% С — удовлетворительно, при 0,4% С — ограниченно, а при содержании больше 0,4% С—очень плохо (необходим предварительный подогрев и последующий отжиг).
Хромистые нержавекнцие стали содержат 12—14% Сг и 0,1—0,4% С. Свариваемость этих сталей (марок 1X13, Х14) вполне удовлетворительна при содержании до 0,2% С. Они обычно имеют феррито-мартенситную структуру. При сварке необходимо применять защитные покрытия (для предотвращения выгорания хрома) или легировать присадочный металл или электроды хромом. Стали типа 2X13, 3X13 имеют мартенситную структуру. Сварку хромистой стали рекомендуется осуществлять электродуговым способом с обязательным подогревом металла перед сваркой и последующей термической обработкой. Хромистые стали после сварки становятся хрупкими; сварные швы не выдерживают больших деформаций. Вязкость сварных швов восстанавливают отжигом при 750—800°С. Предварительный подогрев до 200—300°С позволяет избежать образования трещин.
Хромистые стали с содержанием 17% Сг и выше рекомендуется сваривать после предварительного подогрева до 300°С, так как при этом несколько повышается вязкость металла.
Свариваемость хромистых сталей с содержанием 25—30% Сг вполне удовлетворительна. Однако металл сварного шва вследствие сильного роста зерен при высоких температурах сварки и образования внутренних напряжений приобретает низкие механические свойства. Для снятия внутренних, напряжений после сварки применяют отжиг при 960—980°С. Для предотвращения роста зерен при сварке рекомендуется вводить в состав электродов или покрытий титан, ванадий и алюминий; отжиг после сварки производят при 900°С.
Хромоникелевые стали типа 18—8 (18—20% Сг и 8—10% Ni) можно сваривать всеми способами. Одиако необходимо учитывать, что в этих сталях при их нагреве до 500—800°С выпадают карбиды хрома, располагающиеся по границам зерен аустенита; последний у границ зерен обедняется хромом и теряет коррозионную стойкость. В процессе эксплуатации этих сталей может наблюдаться межкристаллитная коррозия. Для предотвращения такой коррозии в сварных швах
необходимо по возможности уме ньшать в этих сталях содержание углерода и вводить в их состав некоторое количество титана и ниобия, Последующий за сваркой стабилизирующий отжиг (выдержка 2—3 ч при 850—900° С) повышает стойкость хромоникелевой стали против межкристаллитной коррозии. Закалкой в воде с 1050—1100° С также можно понизить склонность стали к этой коррозии; во время нагрева под закалку карбиды хрома растворяются в аустените и при быстром охлаждении не успевают выделиться по границам зерен.
При сварке марганцовистой стали (0,8—1,3% С и 12—14% Мп) происходит выделение карбидов из аустенита и даже возможно частичное превращение аустенита в мартенсит в зоне термического влияния. Это резко снижает пластичность металла и может сопровождаться образованием трещин. Для предотвращения этого явления сварку марганцовистой стали надо вести возможно быстрее или применять водяное охлаждение отдельных участков шва, т. е, стремиться уменьшить зону термического влияния.
Сварку марганцовистой стали выполняют электродами того же химического состава, что и химический состав основного металла, или электродами из марганцовоникелевой стали со специальным покры* тием.
Сварка чугуна
Сваривать чугун очень трудно вследствие высокого содержания углерода и низкой пластичности. Сварку применяют для исправления дефектов, после литья производится сварка литых деталей и сварка трубопроводов.
В зависимости от назначения чугунное изделие сваривают в горячем или в холодном состоянии. При горячей сварке чугунные изделия предварительно подогревают до 600—650° С, поддерживая эту температуру в течение всего процесса сварки. В процессе горячей сварки чугуна на стыке свариваемых изделий надо создать значительный объем жидкого металла, заметно превышающий "объем металла в стальной сварочной ванне. Это необходимо для замедленного охлаждения расплавленного металла и предотвращения его отбеливания. Замедленное охлаждение обеспечивает более полную графитизацию чугуна, предотвращает образование в нем трещин и способствует получению шва более высокой плотности, При правильном выполнении сварки наплавленный металл имеет структуру серого чугуна с хорошо сформированными выделениями графита.
Горячую сварку серого чугуна можно осуществлять электрической дугой или газовым пламенем с общим или местным подогревом изделия. Общий подогрев применяют при сварке небольших деталей сложной формы. После сварки деталь покрывают асбестом или засыпают углем, замедляя остывание. В качестве присадочного материала применяют чугунные стержни с содержанием до 3,6% С и стальную проволоку.
При газовой сварке серого чугуна наибольший интерес представляет заварка чугуна медью и ее сплавами. В качестве флюса применяют 12е 339
прокаленную буру или смесь буры (50%), двууглекислого натрия (47%) и кремнезема (3%). Газовое пламя применяют с избытком кисло* рода. Мощность пламени выбирают в зависимости от толщины металла из расчета расхода ацетилена 100—120дм8/ч на 1 мм толщины изделия.
Горячую сварку серого чугуна электрической дугой чаще всего осуществляют на постоянном токе металлическим или угольным электродом. Металлические электроды представляют чугунные стержни диаметром 12 мм, покрытые специальной обмазкой.
Более распространенным методом сварки серого чугуна является холодная сварка электрической дугой* В этом случае в качестве электродов применяют чугунные или стальные стержни со специальной об* мазкой, стержни из сплавов меди с никелем (мопель-металл) и др.
Так как при холодной сварке серого чугуна температура изделия не превышает 30—40° С, процесс сварки необходимо вести коротким швом. Для более медленного охлаждения шов покрывают листовым асбестом.
Чтобы избежать повышения твердости металла в месте сварки, применяют комбинированные электроды, например стальные электроды диаметром 3—5 мм с тонкой обмазкой, вставленные в медную j1трубку,
11Для получения высоких механических качеств шва рекомендуется
в месте сварки устанавливать стальные шпильки. Они передают тер* мические напряжения на весь объем изделия.
Если после сварки деталь аз ковкого чугуна подвергают отжигу, ; i,то для сварки электрической дугой или газовым пламенем применя
ют стальные электроды. Если деталь из ковкого чугуна нс отжигают, ।можно применять газовую сварку с л згу иными присадками или
।электродуговую сварку электродом из монель-металла.
iСварка высокопрочных чугунов значительно сложнее; во-первых,
।трудно обеспечить высокие механические свойства сварного соедине
ния, и, во-вторых, эти чугуны обладают повышенной склонностью J к закаливанию и отбеливанию.
।Дефекты чугунного литья исправляют газовой сваркой с примене-
Iнием прутков из магниевого чугуна. Заварка небольших дефектов в
отливках из серого чугуна осуществляется электродуговой сваркой с железо-никелевыми электродами.
i
§4. Сварка алюминия и его сплавов
В настоящее время в машиностроении применяют сварные конструкции из алюминия и его сплавов. При сварке алюминия и его сплавов ,возникаю!* трудности вследствие того, что алюминий легко окисляется
и на его поверхности образуется тугоплавкая пленка окиси алюминия (А12ОУ) с температурой плавления 2050°С Эта пленка, хотя и защищает поверхность металла от дальнейшего окисления, препятствует сплавлению кромок. Поэтому ее следует перед сваркой механически ।удалять и не допускать образования в процессе сварки.
При нагревании до температуры плавления алюминий быстро переходит из твердого состояния в жидкое при температуре 627° С Нагрев до 400—500° С часто сопровождается образованием прогибов» изломов и провалов участков свариваемого изделия. Поэтому сварку рекомендуют вести на формирующих подкладках.
Алюминий в жидком состоянии хорошо растворяет водород. При понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости в алюминии» водород выделяется из металла и располагается по границам зерен в виде мельчайших пузырьков, несколько снижающих
прочность шва и нарушающих герметичность сварного соединения.
При затвердевании алюминий и его сплавы дают большую усадку, вследствие этого вблизи шва могут образовываться трещины. Для предотвращения таких явлений для сварки алюминия и его сплавов при
меняют прутки и электроды специального состава.
Алюминий и его .сплавы можно сваривать почти всеми рассмотренными способами. Перед сваркой кромки изделия и присадочные прутки очищают металлической щеткой от грязи, обезжиривают бензином, и раствором каустической соды и подвергают травлению. Травление производят при 50—70°С в растворе едкого натрия (45—50 г/дм3 воды) в течение 1 мин. После травления изделия промывают в холодной и горячей воде.
Для удаления пленки окиси алюминия из сварочной ванны применяют порошкообразные флюсы или специальные пасты. Наибольшее распространение получил флюс, содержащий 50% хлористого калии, 28% хлористого натрия, 14%. хлористого лития и 8% фтористого натрия. Остатки флюса вызывают коррозию, поэтому после сварки шлак и остатки этого флюса смывают с поверхности шва теплой водой, а затем 5%-ным раствором азотной кислоты с 2% хромпика с последующей промывкой водой в течение 5 мин и сушкой. Этот флюс в виде пасты, замешанной на воде, применяют при газовой сварке.
При сварке алюминия и его сплавов в качестве присадки применя
ют проволоку того же химического состава, что и химический состав свариваемого металла. Хорошие результаты при сварке сплава АМц и некоторых термически обрабатываемых алюминиевых сплавов дает применение присадочной проволоки марки АК, содержащей около 5% SL Эта проволока обеспечивает повышенную жидкотекучесть ме
талла шва и меньшую усадку его при остывании.
Csa/ж/ алюминиевого литья ведут с предварительным подогревом до 250—260°С. Для получения мелкозернистого строения и устране
ния^нутрениих напряжений шов иногда подвергают отжигу при 300—
При ^ле/стройг/говой сварке металлическим электродом применяют специальную обмазку, в состав которой входит до 15% хлористого натрия, до 50% хлористого калия и до 35% криолита. На 100 г смеси добавляют 50 см9 воды. Связывающим веществом служит хлористый натрий, который одновременно является и флюсующим. Толщина обмазки на электроде достигает 1—1,2 мм на сторону. Сварку алюминия и его сплавов ведут на постоянном токе при обратной полярности. Шлак после сварки удаляют горячей водой
Дуговую сварку алюминия угольным электродом производят с присадочным металлом и флюсом того же состава, что и при газовой сварке.
Artiojwjtoeodopo^^ алюминия и его сплавов применяют для ответственных конструкций (толщина деталей составляет 1,5—10 мм). Состав присадочного металла и флюса тот же, что и при газовой сварке.
Лрго^о-дуговую сварку плавящимся электродом применяют для деталей толщиной 4—100 мм и более, а нс плавящимся электродом — 0,5—15 мм.
При э/гектроконтактной точечной или роликовой сварке алюминиевых сплавов применяют токи большей силы, чем при сварке стали той же толщины; продолжительность сварки должна быть меньше- Это объясняется повышенной тепло- и электропроводностью алюминиевых сплавов по сравнению со сталью. Например, при точечной сварке листовой стали толщиной 2 мм применяют силу тока 7500 А при продолжительности сварки 0,5 с и давлении электродов 3 кН (300 кге), а при сварке листового дуралюминия такой же толщины соответственно 31 000 А, 0,12 с и 5 кН (500 кгс). В машинах, используемых для сварки алюминиевых сплавов, применяют специальные ионные прерыватели, обеспечивающие минимальное время протекания тока. Широкое применение нашли конденсаторные машины, дающие мощный импульс сварочного тока за сотые доли секунды.
Сварка магниевых сплавов
В технике применяют сварные изделия из сплавов магния с марганцем, цинком и алюминием* При газовой сварке магниевые сплавы легко воспламеняются, что затрудняет процесс сварки вследствие низкой температуры плавления магниевых сплавов и образования на поверхности сварочной ванны очень тугоплавкой (2500°С) окиси магния. Магниевые сплавы при нагревании нс только окисляются, но и активно соединяются с азотом, образуя нитрид магния, который снижает прочность сварочного шва. Магниевые сплавы растворяют водород, обусловливающий пористость сварочного шва.
Сварку магниевых сплавов осуществляют так же, как и алюминиевых сплавов. Магниевые сплавы можно сваривать газовой, дуговой (угольным электродом), аргоно-дуговой, точечной и роликовой сваркой. При газовой и дуговой сварке магниевых сплавов чаще всего применяют флюсы такого же состава, что и при сварке алюминия.
Сварка титана и его сплавов
Прочность и пластичность сварных соединений промышленных титановых сплавов одинаковы с основным металлом*
В последние годы широко применяют дуговую сварку титана и его сплавов в атмосфере инертного газа или автоматическую дуговую
сварку под флюсом на основе Са, Na, исключающим возможность взаимодействия титана с кислородом*
Хорошие результаты получают при аргоно-дуговой автоматической сварке деталей малых толщин из титана и его сплавов вольфрамовыми электродами диаметром 1,5—3 мм при короткой дуге (1,0—1,5 мм) и плотности тока 40—75 А/мм3. Для сварки титана и его сплавов чаще всего применяют постоянный ток прямой полярности или переменный ток* Скорость автоматической дуговой сварки составляет 18—27 м/ч при расходе аргона 360— 650 дм3/ч.
Автоматическую электродуговую сварку в среде аргона можно также производить плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности, В качестве электрода применяют сварочную проволоку диаметром 1*2—5 мм, Плотность тока равна 75—100 А/мм2, скорость сварки 16—40 м/ч.
Сварку толстых деталей (до 40 мм) из титана и его сплавов осуществляют методом электрошлаковой с в а р к и электродом толщиной 3—4 мм с использованием переменного тока. Место сварки и прилегающие зоны основного металла необходимо тщательно защищать от воздействия азота, водорода и кислорода, так как титан обладает большой химической активностью к этим элементам и восстанавливает окислы. При температурах выше 600°С титай интенсивно поглощает газы.
Электрошлаковую сварку ведут с применением специального флюса, содержащего стойкие бескислородные соединения титана и обладающего высокой температурой плавления и кипения.
При точечной и роликовой сварке титана защитная атмосфера из нейтрального газа не нужна; необходимо иметь лишь чистую поверхность изделий. Точечная или роликовая сварки применяются для листов или деталей толщиной 0,5—3,0 мм.
§ 7» Сварка меди и медных сплавов
При сварке меди и ее сплавов необходимо учитывать некоторые свойства меди (высокую теплопроводность и электропроводность, способность поглощать кислород и водород) и компонентов, входящих в ее сплавы (цинка, олова).
Для меди применяют главным образом следующие виды сварки: газовую, электродуговую угольным электродом и металлическим с покрытиями, в среде защитных газов и под флюсами.
При газовой сварке меди используют присадочные прутки из чистой электролитической меди или из меди с содержанием до 0,2% Р и до 0,3% SL Последние два элемента энергично раскисляют сварочную ванну.
Наиболее распространенный флюс для сварки меди содержит 70% буры, 10% борной кислоты и 20% поваренной соли.
Мощность горелок при сварке меди вследствие ее большой теплопроводности должна быть в 1,5—2 раза больше, чем при сварке стали.
Сварку меди осуществляют с повышенной скоростью (во избежание перегрева металла вблизи места сварки) при наклоне мундштука горелки под углом 70—80° к поверхности изделия Лзделк я из меди большой толщины подогревают вовремя сварки второй горелки* Сварной шов из меди рекомендуется проковать при 400—500°С с целью повышения его механических свойств, а изделие отжечь для получения мелкозернистой структуры. Пламя при сварке должно быть нормальным.
При сварке меди угольным электродом можно пользоваться открытой или закрытой (под флюсом) дугой. При сварке открытой дугой применяют присадочные прутки из фосфористой меди с нанесенным на них покрытием, в состав которого входят бура, кислый и фосфорнокислый натрий, кремниевая кислота и древесный уголь. При сварке жди закрытой дугой применяют специальные флюсы.
Изделия из меди, и особенно листовой материал, можно сваривать электродуговым способом с применением медного электрода. В этом случае сварку меди, в том числе и автоматическую, надо вести под слоем флюса.
Латунь сваривают в основном ацетил ено-кислородным нормальным пламенем и электрической дугой (угольными электродами). При сварке применяют те же флюсы и прутки, что и при сварке меди. В настоящее время освоена автоматическая сварка латуни электрической дутой под флюсом (медной проволокой).
Бронзу сваривают газовой, дуговой и аргоно-дуговой сваркой. Оловянистая бронза при температуре примерно 600°С приобретает повышенную хрупкость, поэтому процесс ее сварки обязательно ведут на подкладках, Назначение подкладок — огвод лишнего тепла с целью ускоренного охлаждения металла ванны.
При газовой сварке бронзы в качестве флюса применяют буру, а при сварке алюминиевых бронз — флюс марки АФ-4а.
Наплавка '
Наплавку применяют для повышения в определенном месте механических и физико-химических свойств основного металла, а также для восстановления деталей после износа.
В качестве наплавочных материалов применяют литые, керамические Jt порошковые твердые сплавы, содержащие карбиды марганца, хрома, вольфрама, титана и др. Наплавка износостойкими сплавами повышает срок службы изделий в три-четыре раза и позволяет многократно восстанавливать изношенные детали.
Наплавку любого материала можно производить газовой, электро- дуговой и газоэлектрической сваркой.
Наносить наплавочные материалы на изделия следует тонкими слоями. Толщина наплавленного слоя должна быть, как правило, не больше 2 мм; при большей толщине повышается склонность наплавки к образованию трещин.
Детали, подвергающиеся наплавке, предварительно нагревают до 350—5СЮ°С; после окончания наплавки их медленно охлаждают.
Наибольшее распространение получила электродуговая наплавка. Она экономична и обеспечивает хорошее качество наплавленного металла, позволяет автоматизировать процесс наплавки и требует сравнительно простого оборудования. Электронаплавка может быть ручной, автоматической и полуавтоматической.
Перспективны следующие виды наплавки: пучком электродов, трехфазной дугой, ленточным или пластинчатым электродом Применяют также наплавку в защитных газах (углекислом, аргоне, атомарном. водороде и др.)*
Газовую наплавку применяют реже, так как она не обеспечивает достаточной стабильности химического состава наплавленного металла.
Вибройс/ашая наплавка является новым методом восстановления изношенных деталей (шейки валов, оси и т. д.). Слой металла толщиной до 2 мм наносят на поверхность изношенного изделия присадочной проволокой толщиной 1,5—2,0 мм. Наплавку металла производят в специальном электролите (водный раствор мыла и кальцинированной соды). При прохождении тока через электролит происходит электрический разряд, в результате которого выделяющееся тепло оплавляет конец вибрирующей электродной проволоки, расплавленный металл попадает на поверхность вращающейся детали. Вследствие того что наплавку ведут в жидкости, изделие не нагревается; это позволяет производить наплавку термически обработанных деталей. Вибродуговую наплавку можно также осуществлять под слоем флюсов.
Газовая и электродуговая металлизация состоит в том, что расплавленный металл увлекается струей сжатого воздуха и в виде мельчайших распыленных частиц, ударяясь о поверхность изделия, образует прочный слой металлического покрытия любой толщины.
Источником тепла, вызывающего расплавление непрерывно подаваемой проволоки или металлических порошков, служит ацетиленокислородное пламя или электрическая дуга. В соответствии с этим различают газовую или электрическую металлизацию. Процесс осуществляется специальными пистолетами-металлизаторами.
Металлизацию широко применяют при ремонте оборудования для восстановления размеров изношенных деталей, исправления некото- рых<литейных дефектов, защиты от коррозии и получения декоративных покрытий, повышения жаростойкости и т. п. Физико-механические свойства слоя, образуемого в процессе металлизации, могут сильно отличаться от свойств основного металла. После нанесения покрытия детали подвергают механической обработке.
Сцепление наносимого слоя металла с поверхностью основного обусловлено адгезией, т. е. сцеплением за счет избыточной повеРхностного слоя. Прочность сцепления покрытия с ос- нюке» чем при других способах покрытия. Однако
Увеличить улучшением подготовки поверхности, п равил ь- поверхности” ^ежима Ра^°™ пистолета-металлизатора и температуры
Глава xxxil
ОСОБЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ
Термитная сварка
Термитная сварка осуществляется при помощи тепла, получаемсго от сгорания порошкообразных термитных смесей (термитов). Смесь составляют из порошков металлов, обладающих большим сродством к кислороду, и порошка окиси железа* Термитная смесь воспламеняется при введении в нее специального запала. Внутри смеси возникают реакции, выделяющие большое количество тепла и развивающие очень высокую температуру, при которой расплавляется даже основной металл.
На практике получили распространение алюминиевый и магниевый термиты* Состав а л ю м и пневого терм и т а: 20—23% алюминия и 77—80% железной окалины. При нагревании этой смеси с помощью термоспичек или электрической дуги до 1200 — 1300° С происходит следующая реакция:
2А1 Ч- Fe2O3 = A12Os + 2Fe
Температура, развиваемая при горении алюминиевого термита, достигает 2600—3000°С. Для понижения температуры в образующийся расплав добавляют 10—15% Fe (в виде мелкой стружки). Для раскисления расплава используют ферромарганец и ферросилиций.
На практике применяют три способа термитной сварки: давлением, плавлением и комбинированный. При сварке давлением продукты термитной реакции используют как аккумулятор тепловой энергии. Нагретая термитная смесь придает свариваемым торцам изделия пластичность, что позволяет соединить их сжатием.
Сварку плавлен нем произв одят в особы х огнеупорны х форма х, в которые устанавливают кромки свариваемых изделий. Образующийся при горении термита перегретый расплав оплавляет кромки изделий, создавая вблизи них ванну жидкого металла, покрытого слоем шлака. Шлак предохраняет металл от окисления и быстрого остывания, чго обеспечивает хорошее качество сварного соединения.
Комбинированный способ применяют, как правило, при сварке рельсовых стыков. Количество термита выбирают так, чтобы нижняя часть формы была заполнена расплавленным металлом, а верхняя — расплавленным шлаком. После заливки формы рельсы сжимают. В результате нижняя часть сваривается плавлением, а верхняя — давлением»
М а г и и е в ы й тер м и т получил большое применение при муфельной сварке стальных проводов. Сварку осуществляют в специальных прессованных цилиндрических шашках, в которые устанавливают встык свариваемые провода, укрепленные в клещах. Шашки имеют специальный запал для зажигания термита. После сгорания шашки разогретые концы проводов осаживают клещами.
При сварке магниевым термитом происходит реакция с выделением большого количества тепла:
3Mg + Fe2O3 = 3MgO + 2Fe + Q
Сварка трением
Сварка трением осуществляется за счет тепла, выделяющегося при взаимном трении поверхностей свариваемых деталей. При сварке трением одна из деталей вращается вокруг своей оси со скоростью около 3000 об/мин, а вторая деталь прижимается к ней осевым давлением. Благодаря трению свариваемые торцы обеих деталей нагреваются на некоторую глубину в течение 4—5 с до сварочного состоя- ния и под действием осевого давления подвергаются пластической деформации. После остановки вращения дополнительное сжатие обеспечивает хорошую сварку деталей* Количество тепла, выделяюще- гося при трении, зависит от коэффициента трения, осевого давления и скорости взаимного перемещения деталей.
Сваркй"трением не требует специальной подготовки кромок свариваемых изделий* Необходимыми условиями являются строгое совмещение осей деталей и перпендикулярность свариваемых плоскостей к оси вращения*
Сварку трением осуществляют на токарном, сверлильном, фрезерном и других станках. Относительно большие усилия при резкой остановке вращения под нагрузкой приводят к преждевременному износу узлов станка; поэтому для сварки трением рекомендуют применять специальные станки*
Сварку трением успешно используют при соединении встык различных режущих инструментов (резцов, сверл, фрез), стержней, труб, рычагов и других деталей.
Холодная сварка давлением
Холодную сварку осуществляют без нагрева свариваемых деталей и применяют главным образом для пластичных металлов (меди, алюминия и их сплавов). Сварное соединение получается внедрением одного металла в другой при их соприкосновении под давлением за счет пластической деформации металла в месте сварки при комнатной и даже отрицательной температурах*
При сжатии происходит диффузионный обмен электронов внешних ср ит атомов соединяемых металлов и образование общей кристаллической решетки в сварном шве. Под действием сжимающих усилий ™™ сваРиваемых металлов, расположенные на контактирующих рхностях, сближаются на расстояние действия межатомных сил никают прочные металлические связи*
аД^С1ПО хол°днои сварки зависит от подготовки свариваемых кро-
Y едни^олжны быть тщательно очищены от окисных и жировых пленок. Окисные пленки некоторых легко окисляемых на воз-
насосунасосуРис. 177* Схема диффузионной сверки в вакууме:Рис. 177* Схема диффузионной сверки в вакууме:Рис. 178» Схема ультразвуковой установки для сварки металлов:Рис. 178» Схема ультразвуковой установки для сварки металлов:/—магнитострикционный вибратор; 2— катушка, J—волновод; 4 — наконечник волновода; 6 — опорный электрод: 6— свариваемое изделиеX — длина волны звуковых колебаний; 6 — амплитуда колебаний наконечника, Р — усилие сжатия/—магнитострикционный вибратор; 2— катушка, J—волновод; 4 — наконечник волновода; 6 — опорный электрод: 6— свариваемое изделиеX — длина волны звуковых колебаний; 6 — амплитуда колебаний наконечника, Р — усилие сжатия
насосу
насосу
Рис. 177* Схема диффузионной сверки в вакууме:
Рис. 177* Схема диффузионной сверки в вакууме:
Рис. 178» Схема ультразвуковой установки для сварки металлов:
Рис. 178» Схема ультразвуковой установки для сварки металлов:
/—магнитострикционный вибратор; 2— катушка, J—волновод; 4 — наконечник волновода; 6 — опорный электрод: 6— свариваемое изделие
X — длина волны звуковых колебаний; 6 — амплитуда колебаний наконечника, Р — усилие сжатия
/—магнитострикционный вибратор; 2— катушка, J—волновод; 4 — наконечник волновода; 6 — опорный электрод: 6— свариваемое изделие
X — длина волны звуковых колебаний; 6 — амплитуда колебаний наконечника, Р — усилие сжатия
духе металлов при достаточно больших удельных давлениях разрушаются и вытесняются из зоны сварки»
Холодную сварку алюминиевых и медных деталей толщиной до 10 мм производят под давлением. значительно превышающем в зоне сварки пр где л текучести свариваемых металлов, В зависимости от состава и толщины свариваемых деталей выбирают удельное давление.
Холодная сварка проводов осуществляется на пневмогидравлических стационарных рычажных и эксцентриковых прессах и переносных установках. Для сварки алюминиевых и медных проводов применяют ручные и настольные клещи.
Диффузионная сварка в вакууме
При этом способе сварки соединяемые детали помещают в вакуумную камеру при остаточном давлении среды 133-10-3— 133*105 Н/м2 (КГ3—Ю”5 мм рт. ст,) и нагревают токами высокой частоты до
/ — камера; 2—гидравлический цилиндр; 3 — поршень со штоком; 4— опора; 5 — нагреватель; б — сварнвае- мые заготовки
необходимой температуры, а затем соединяют друг с другом с усилием. Удельное давление достигает 25 МН/м8 (МПа) (рис» 177).
Выбор режима при диффузионной сварке зависит от рода свариваемых металлов. При сварке однородных металлов даже под микроскопом трудно установить месторасположение шва,
( Диффузионную сварку в вакууме применяют для соединения тйудносвариваемых металлов и сплавов, цветных металлов, металлокерамических изделий, пластин из твердых сплавов с державкой режущего инструмента. Крэме того, этим способом можно получить различные биметаллы, например, для деталей, работающих на износ, Промышленные установки СДВУ (более 30 типов) для диффузионной сварки применяют для индивидуального, серийного и массового производств. Этим методом можно сваривать сталь с алюминием, чугуном, вольфрамом; серебро с нержавеющей сталью, платину с титаном и т. д. Этот эффективный способ соединения деталей небольших сечений легко можно автоматизировать,
§ Б. Ультразвуковая сварка
В последнее время весьма тонкие пластинчатые детали соединяют сваркой под воздействием ультразвуковых колебаний более 20 кГц. Сущность этого метода сварки в том, что в месте контакта свариваемых деталей возникают упругие колебания и выделяется тепло. Ультразвуковые колебания высокой частоты вызываются при помощи магнитострикционного эффекта (способность некоторых металлов и сплавов сжиматься или расширяться под действием магнитного поля). Если на стержень из такого металла надеть катушку, то переменный ток, проходя по обмотке катушки и возбуждая в ней переменное магнитное поле, сообщает стержню механические колебания сжатия и расширения. Торец стержня излучает ультразвуковые волны (рис 178).
Проходящий по обмотке манигостриктора переменный ток с частотой 20—30 кГц вызывает механические колебания, которые через волновод передаются соединяемым металлическим пластинкам в зону сварки. Эги ультразвуковые колебания разрушают оксидную пленку* сближают свариваемые поверхности и при приложении механического усилия образуют сварное соединение. В настоящее время разработаны и применяются установки для точечной и шовной сварки ультразвуком,
Озарка электронным лучом
Одним из эффективных способов соединения деталей из тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама, тантала и др.) и металлов химически активных (цирконий, уран, бериллий), сильно реагирующих с кислородом, азотом, окисью углерода, является сварка электронным лучом в вакууме.
Принципиальная схема установки для сварки электронным лучом в вакууме представлена на рис. 179. Вольфрамовая спираль 6 электронной пушки служит катодом, с которого при напряжении до 30 кВ срываются электроны и со скоростью около 16 000 км/ч бомбардируют поверхность свариваемых металлов Л являющихся в установке анодом.
Пучок электронов получают с помощью трансформатора /7, нагревающего вольфрамовую спираль 6 до 2500°С. Электроны получа-
Рнс. 180. Схема горения сварочной дуги под водой:/ — облаке мути; 2 — стержень: 5 —обмазка; 4— пузыри газа; 5 — ванна расплавленного металла; 6 — газовый пузырь вокруг дугиРнс. 180. Схема горения сварочной дуги под водой:/ — облаке мути; 2 — стержень: 5 —обмазка; 4— пузыри газа; 5 — ванна расплавленного металла; 6 — газовый пузырь вокруг дуги
Рнс. 180. Схема горения сварочной дуги под водой:
/ — облаке мути; 2 — стержень: 5 —обмазка; 4— пузыри газа; 5 — ванна расплавленного металла; 6 — газовый пузырь вокруг дуги
Рнс. 180. Схема горения сварочной дуги под водой:
/ — облаке мути; 2 — стержень: 5 —обмазка; 4— пузыри газа; 5 — ванна расплавленного металла; 6 — газовый пузырь вокруг дуги
ют ускорения за счет приложенного к полюсам напряжения от высоковольтного трансформатора 10, для выпрямления тока имеется кенотрон 8.
Рис* 179. Принципиальная схема установки для сварки электронным лучом:
/ — свариваемое изделие; 3 — вакуум кая камера: 5— э^чектроиный луч; 4— отклоняющая система; 5 — фокусирующая линза; 6 — вольфрамовый катод электронной пущ- КН; 7 — трансформатор накала; 8 — кенотрон; 5 — конденсатор; 10—высоковольтный трансформатор; 11 — трансформатор кенотрона
§ 7, Электродуговая сварка под водой
Электрод уговую сварку используют при ремонте различных сооружений, находящихся под водой. При сварке применяют электроды с толстой обмазкой, защищенные сверху водонепроницаемыми по-
крытиями (парафином, целлулоидом). В месте сварки они образуют своеобразный козырек, способствующий сохранению газового пузыря вокруг дуги (рис. 180).
§ В, Лазерная сварка
Развитие техники требует разработки новых методов сварки. Одним из них является лазерная сварка, при которой используется световой луч высокой плотности оптического квантового генератора— лазера. Процесс лазерной сварки может протекать в любой пропускающей свет среде.
Температура луча столь высока, что его прямому воздействию ничего не может противостоять. Уменьшая диаметр луча, можно довести мощность до очень высоких значений. Лазерный луч гибок и способен преломляться призмами и зеркалами. Это позволяет сва-
кивать любое место свариваемого изделия* Можно сваривать детали, помещенные внутрь герметически закрытого прозрачного объема, В ^котором создан вакуум.
Плазменная сварка
При электродуговом разряде интенсивно разогревается и испаряется материал электродов. В этот момент между электродами продувают поток газа (аргона). Около электродов эти пары ионизируются и движутся от них с большой скоростью, образуя ярко светящуюся струю—плазму* Температура струи в 2—3 мм от торца электродов достигает 10 000°С. Поток плазмы по мере удаления от торца электрода теряет тепло и на расстоянии 6—8 мм имеет температуру около 6000— 8000° С* Однако продувка газа (например, аргона) приводит к обжа- тию струи, энергия дуги концентрируется в ограниченном объеме, что ведет к повышению температуры до 10000—18000°С. Плазменной струей можно производить резку, наплавку тугоплавкими металлами (молибденом, танталом ит. д*). В современных дуговых газовых горелках мощность плазменной струи и напряжение дуги можно регулировать в зависимости от требуемых условий работы.
Глава хххш
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА И ВИДЫ БРАКА ПРИ СВАРКЕ
Напряжения и деформации при сварке
При сварке металлов в процессе их нагрева и последующего охлаждения возникают значительные температурные напряжения, а после охлаждения в изделиях сохраняются остаточные напряжения*
Основные причины, вызывающие напряжения и деформации при сварке, следующие: неравномерный нагрев, усадка наплавленного металла при переходе его в твердое состояние; структурные изменения наплавленного иди основного металла в зоне термического влияния, сопровождающиеся изменением объема -
Напряжения, возникающие вследствие изменений структуры металла, имеют значение только для сталей, склонных к закалке (особенно легированных), так как образование мартенсита сопровождается увеличением объема металла. Эги напряжения могут суммироваться в отдельных участках сварного соединения и приводить там к образованию трещин.
Величина деформаций и напряжений зависит также от вида сварки,_формы деталей, их размеров и зоны нагрева при сварке- Менее выражены напряжения и деформации, возникающие при сварке электрической дугой деталей простой формы. Газовая сварка вызывает повышенные деформации вследствие большой зоны термического влияния*
К основным мерам борьбы с напряжениями, возникающими при сварке ^относят: предварительный подогрев изделий перед сваркой, замедленное охлаждение, отжиг стальных изделий при 550—650°С,
легкую проковку шва ударами молотка (для многослойных твой). При этом могут образоваться мелкие трещины, которые завариваются последующими наваренными слоями.
Для борьбы с деформацией металла при сварке можно рекомендовать: 1) обратноступенчатый порядэк нанесения швов, при котором длинный шов делится на участки длиной 150—200 мм и сварку ведут отдельными участками; это препятствует концентрации тепла в одном месте и уменьшает зону разогрева изделия; 2) деформирование детали перед сваркой в обратном направлении па ту же величину, которая вызывается сваркой; этот способ обычно применяют для изделий с несимметричным расположением швов; 3) уравновешивание деформаций, т, е. выбор такого порядка наложения швов, чтобы последующий вызывал деформации, обратные тем, которые получились при наложении предыдущего шва; 4) увеличение отвода тепла от свариваемого изделия. Это уменьшает объем на грез ого металла и соответственно его деформацию. Охлаждение достигается погружением частей детали в воду или применением медных подкладок под деталь; 5) жесткое закрепление свариваемых элементов в специальных приспособлениях. Этот способ, хотя и уменьшает деформацию, но увеличивает внутренние напряжения; последующим отжигом они устраняются.
Дефекты и методы контроля сварных соединений
К основным дефектам сварных швов относят:
НеррШ1р — отсутствие сплошного соединения между металлом изделий и наплавленным металлом или недостаточная глубина проникновения наплавленного металла в основной* Причина — неправильный выбор режима сварки.
Пережог — окисление металла шва и прилегающего к нему ос- нового металла. Причины — сильно окислительная среда, чрезмерная длина дуги, замедленное движение источников нагрева, интенсивный режим сварки.
Прожог — местное сквозное проплавление свариваемых частей при электродуговой сварке. Причины — излишняя сила тока, недостаточная толщина металла, малое притупление кроток.
Подрез — углубление вдоль шва на основном металле. Причины — неравномерная подача присадочного прутка, неправильное положение электрода или горелки, избыток подводимого тепла.
Наплывы на швах — образуются при неправильно выбранном режиме и скорости сварки.
Пористость — появление свищей, газовых пузырей или шероховатости на поверхности шва. Причины — газы в металле, вода в обмазке или флюсе, ржавчина на свариваемых кромках или присадочном металле.
Шлаковые включения в металле, Причины — загрязнения основного и присадочного металла окислами, получаемыми в результате неравномерности плавления электродного покрытия, тугоплавкости и повышенной вязкости шлаков и недостаточного раскисления металла шва.
\ Трещины шва — возникают из-за больших усадочных и структурных напряжений в металле, повышенного содержания серы, фосфора, и углерода в металле, чрезмерно жесткого закрепления свариваемых де^лей-
При контроле качества сварных изделии применяют следующие способы выявления дефектов.
Внешний осмотр и проверка размеров шва* Выявляют подрезы, раковины, свищи, трещины, поры, незаплавленныс кратеры, неравномерность шва и несоответствие размеров.
Механические и технологические испытания свойств наплавленного металла и сварного соединения. К механическим относят гидравлическое испытание, которое применяют для аппаратуры, работающей под давлением. Испытание сжатым воздухом проводят с целью определения плотности и прочности изделия.
Керосиновая проба. При этом способе одну сторону соединения покрывают мелом, а другую керосином. При наличии дефектов сварки керосин смачивает мел.
Рентгеновское просвечивание шва. Это просвечивание основано на различном поглощении лучей металлом и неметаллическими веществами; при этом обнаруживают поры, раковины, трещины, непровары, шлаковые включения.
Ультразвуковой метод. Он основан на способности различных сред по-разному отражать ультразвуковые колебания; при нем выявляют дефекты в свариваемом шве в виде неметаллических включений для деталей толщиной до 5 мм.
Магнитные методы. Они основаны на рассеивании магнитных потоков в дефектных местах изделия и позволяют выявлять мелкие трещины и поры шва.
Испытание аммиаком. Полые изделия заполняют сжатым воздухом с добавлением 1% аммиака, а швы обертывают бумагой, пропитанной 50%-ным раствором азотнокислой ртути. При наличии неплотности на бумаге появляются черные пятна.
Л*оданш{ешпяы£ Л1ггпод. Деталь погружают на 20—30 мин в смесь керосина и масла, а затем вытирают насухо и погружают в порошок магнезии, прилипающей в местах появления масла (над трещинами).
Мепимлографический контроль. Определяют макро- и микроструктуру металла, а также поры, трещины, раковины, непровары, пережог, перегрев, нитриды и другие дефекты сварного шва.
Глава XXXIV
ПАЙНА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Пайка — соединение металлических деталей в твердом состоянии с помощью присадочного сплава (припоя). При пайке плавится лишь присадочный металл, который имеет температуру плавления ниже основного металла; этим пайка отличается от сварки.
Для получения прочного соединения необходимо, чтобы припой хорошо смачивал поверхность соединяемых металлов, обладал хорошим
взаимодействием и образовывал с ними растворы. Чем больше степень взаимной диффузии между расплавленным припоем и основными металлами, тем выше механическая прочность соединения. Кроме того, прочность пайки зависит от частоты поверхности соединяемых деталей; поэтому поверхность изделий подвергают предварительной очистке, обезжириванию и удалению окислов.
При помощи пайки можно соединять детали из углеродистой и легированной стали всех марок, цветных металлов и сплавов, а также из разнородных металлов и сплавов.
Пайку широко применяют во всех отраслях народного хозяйства, так как с минимальными затратами можно восстанавливать поломанные детали, исправлять дефекты литья и даже изготовлять изделия. Прочность соединений при помощи пайки ниже сварных.
Припои
Для пайки применяют припои двух видов: мягкие с низкой температурой плавления (до 400G С) и сравнительно малой механической прочностью соединения; твердые с высокой температурой плавления (до 900° С) и большой механической прочностью соединения.
Мягкие припои» к которым относят сплавы на оловянной, свинцовой, кадмиевой, висмутовой и цинковой основах, применяют в том случае, когда шов должен обеспечить герметичность соединения при сравнительно невысокой механической прочности [предел прочности шва 30-100 МН/ма (МПа)].
Твердые припои» к которым относят сплавы на медной, серебряной, алюминиевой, магниевой и никелевой основах, применяют для получения прочных швов (предел прочности шва может достигать 700 МН/м2 (МПа). Твердыми припоями можно паять медь, латунь, бронзу, сталь, чугун и другие сплавы, кроме алюминия и его сплавов.
Припой ПОС-90 (80—90% Sn) применяют для пайки внутренних швов пищевой посуды и медицинской аппаратуры, т. е. в тех случаях, когда требуется высокая коррозионная стойкость шва.
Припой ПОС-40 (39—40% Sn) используют для пайки латуни, стали и сплавов на медной основе.
Универсальным припоем для изделий из различных металлов является припой ПОС-ЗО (30% Sn, 2% Sb).
Припой ПОС-18 (18% Sn, 2% Sb) применяют для пайки свинца, цинка, оцинкованного железа, латуни.
Для экономии дефицитного олова применяют припой типа ПОС-4-6 (4% Sn, 6% Sb).
Легкоплавкие висмутовые припои (9,6% Sn, 45,1% Pb, 45,3% Bi) плавятся при 79° С. Их применяют в тех случаях, когда истребуется высокая прочность шва и изделие работает при температурах не выше 40—50° С.
Пайка твердыми медно-цинковыми припоями ПМц-36 (34—38% Си) и ПМц-54 (54—56% Си) пригодна почти для всех сплавов, но значительное количество цинка делает шов хрупким.
Прочные соединения дает пайка серебряными припоями, причем
надежное соединение получается при толщине слоя припоя 0,03— 0,Q8 мм.
1Для пайки титана и его сплавов применяют припой на основе ти- тано-никелевых сплавов, а также серебряные припои, например- ПСР-45 (30% Си, 45% Ag, 25% Zn).
Для пайки алюминия и его сплавов применяют мягкие припои: (55% Sn, 25% ZnT 20% Cd или 60% Cd, 40% Zn), При пайке используют флюсы в виде порошков, паст и в жидком состоянии.
Технологический процесс пайки
Пайку можно производить тремя видами соединения: стыковым, нахлесточным и соединением в ус, .Технолог и веский процесс пайки мягким (низкотемпературным) припоем включает подготовку поверхности деталей и собственно пайку. Подготовка поверхности деталей состоит в подгонке друг к другу припаиваемых поверхностей, механической очистке от грязи, жиров и окисных пленок, покрытии очищенных поверхностей флюсом.
Флюсы применяют для предохранения очищенных поверхностей от окисления при нагреве и в процессе пайки, а также для улучшения смачивания жидким припоем металла — основы* При пайке мягким припоем в качестве флюсов чаще всего используют соляную, фосфорную кислоты, хлористый цинк (гипс), смесь хлористого цинка с хлористым аммонием или стеарин и канифоль. Иногда применяют также пастообразные флюсы, содержащие хлористый цинк, нашатырь, канифоль, животный жир или касторовое масло, воду.
Для осуществления пайки паяльник нагревают до 250—300° С, рабочим концом погружают во флюс, залуживают припоем и разогревают подготовленные к пайке детали в местах соединения. Одновременно на шов наносят припой, который расплавляют паяльником и вводят в зазор, где он, охлаждаясь, образует шов. Прочность соединения 50—70 МН/м2 (МПа).
При пайке твердыми (высокотемпературными) п р и- поями ранее подготовленные к пайке и обработанные флюсом части изделий нагревают вместе с припоем до температуры его плавления* В качестве флюсов применяют буру (Na2B4O7), соль борной кислоты (Na£BO3), фтористый калий (KF) и др* Прочность соединения 450МН/м8 (МПа)*
Пайку металлов в некоторых случаях механизируют и автоматизируют. К таким методам пайки можно отнести контактную пайку с нагревом токами высокой частоты, пайку электрической дугой, пайку с ™^РУЖением в расплавленный припой и др.
Особого внимания заслуживает нагрев металла при пайке токами высокой частоты с использованием специальных индукторов, изготовленных по конфигурации изделий из медных трубок. В условиях массового производства применяют автоматическую пайку изделий то- ками высокой частоты на конвейерной ленте. После подготовки и сборки на ленте конвейера изделия проходят через индуктср, который нагре-
вает их до заданной температуры путем автоматического включения и выключения тока; припой плавится, после чего осуществляется процесс пайки.
§ 3- Пайка алюминий и его сплавов
На воздухе поверхность алюминия легко покрывается тонкой пленкой А12О3, которая препятствует прямому взаимодействию припоя с основным металлом, Если окисную пленку механически удалить и тщательно очистить и обезжирить поверхность изделия, то
Рис. 181. Схема ультразвуковой пайки металлаРис. 181. Схема ультразвуковой пайки металламожно производить пайку алюминия жягкгшы припоями следующих составов: 55% Sn, 25% Zn, 20% Cd с температурой плавления 20СГС или 60% Sn и 40% Zn с температурой плавления 310° С.
Рис. 181. Схема ультразвуковой пайки металла
Рис. 181. Схема ультразвуковой пайки металла
Для пайки алюминия твердым припоем применяют припой марки 34А (6%} Si, 28% Си, остальное А1) с температурой плавления 525° С*
В качестве флюсов при плавке мягким припоем можно применять канифоль или стеарин, но они не разрушают поверхностную окисную пленку. Поэтому требуется зачистка и нагрев места пайки, а
также растирка припоя по нагретому месту и вторичная зачистка поверхности шабером, В этом случае происходит обычный процесс лужения припоем, после чего луженые поверхности подвергают пайке. В качестве флюсов при пайке алюминия применяют также смесь хлористого цинка (73%) и фтористого натрия (27%).
Для пайки алюминиевых сплавов более тугоплавким припоем (марки 34А) иногда применяют флюс, состоящий из хлористого калия (8—12%), хлористого цинка (8—15%), хлористого калия (59— 43%), хлористого лития (25—30%).
Однако указанные выше меры не обеспечивают разрушение пленки окиси алюминия по всей поверхности. Более эффективно применение ультразвуковой пайки, при которой ультразвук вызывает высокочастотные колебания расплавленного припоя и поз вол нет разрушать окисную пленку.
На рис. 181 показана схема ультразвуковой пайки металла. Стержень 5 паяльника имеет две обмотки: обмотка 4 подключена к сети и служит для нагрева паяльника; обмотка 2 подключена к высокочастотному генератору / переменного тока. Обмотка 2 и никелевые или кобальтовые пластинки 3, находящиеся внутри обмотки, представляют магнитострикционный вибратор.
При прохождении тока определенной частоты переменное магнитное поле действует на эти пластины, которые изменяют размеры (яв-
ление магнитострикции) и совершают колебательные движения, излучая ультразвуковые колебания такой же частоты. Эти колебания передаются на острый конец 6 паяльника. Под действием ультразвуковых явлений в жидком припое 7 образуются мельчайшие пузырьки 9 которые, ударяясь о поверхность алюминия 8, разрушают окисную пленку и позволяют вести пайку без применения флюсов.
Глава XXXV
ОГНЕВАЯ РЕЗНА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Электродуговая резка
Электродугован резка металлов позволяет разделять их на части путем выплавления металла в месте реза угольными или металлическими электродами.
Рис. 182, Воздушно-дуговая резка: а — Р а здел нт ел ьн а я; б —■ поверхн ост на я
При резке угольным электродом диаметром 10^20 мм применяют прямую полярность; сила тока равна 400—1000 А, Резку материала толщиной до 20 мм можно производить на переменном токе при силе тока 280 А.
Применение металлических электродов с толстой обмазкой повышает качество резки, уменьшает ширину реза и дает более ровные кромки.
Дуговую резку применяют при разборке старых металлоконструкций, магистральных трубопроводов, разделке металлического лома, удалении литниковой системы, резке цветных металлов, стали и чугуна, прожигании отверстий, а также при выполнении ремонтных и монтажно-сборочных работ.
Воздушно-дуговую резку стали и цветных металлов осуществляют на постоянном токе с обратной полярностью угольным электродом при давлении воздуха 0,2—0,6 МН;м2 (МПа). Эта резка основана на расплавлении металла и выдувании его струей сжатого воздуха. Струя
сжатого воздуха 2 поступает в резак 7 и вытекает вдоль электрода 5 (рис. 182, я).
При поверхностной резке (рис* 182, б) глубина и ширина канавки 4 зависит от диаметра электрода 3* Металлические электроды улучшают качество резки.
Кислородно-дуговая резка использует одновременно тепло сварочной дуги для разогрева металла и тепло, развиваемое при горении металла в кислороде»
В последнее время применяют дуговую резку металлов (особенно сплавов на алюминиевой основе) в среде защитных газов. Способ основан на режущих свойствах электрической дуги, горящей между вольфрамовым электродом и разрезаемым материалом в смеси аргона и водорода. Для ручной резки применяют смесь из 80% аргона и 20% водорода, для механизированной — 65% аргона и 35% водорода.
Технологический процесс газовой резки
Газокислородная резка основана на способности некоторых металлов гореть в струе кислорода с выделением большего количества тепла.
Различают два вида газовой резки металлов: разделительную и поверхностную.
Газокислородным способом можно резать только те металлы, у которых температура воспламенения ниже температуры плавления, а температура плавления образующихся окислов ниже температуры плавления металла. Окислы должны обладать хорошей жидкотекучестью и легко удаляться продувкой воздухом или кислородной струей. Для концентрации тепла теплопроводность металла должна быть низкой. Этим методом можно резать углеродистую сталь с содержанием до 0,7%С и низколегированные конструкционные стали. При резке высокоуглеродистых сталей требуется предварительный их нагрев до 650—700° С. Не поддаются газовой резке: чугун (температура воспламенения 1350° С); высоколегированные хромистые и хромоникелевые стали; цветные сплавы, так как температура плавления окислов выше температуры плавления металла.
Схема процесса газовой резки приведена на рис. 183, а. Смесь кислорода и горючего газа направляется в кольцевой канал мундштука 2 режущей горелки. При выходе из мундштука газовая смесь зажигается, образуя пламя, которое направляют на разрезаемый металл 3* После нагрева металла до требуемой температуры подача горючего газа прекращается и усиливается поступление кислорода, который при выходе из мундштука, соприкасаясь с нагретым металлом, активизирует горение. В процессе сгорания металла образуются окислы 4, которые увлекаются струей / режущего кислорода и затем выдуваются из полости реза. Таким образом, газовая резка слагается из трех процессов: подогрева металла, горения металла в среде кислорода, выдувания окислов.
Газокислородная резка осуществляется с помощью обычного газосварочного оборудования, только вместо сварочной горелки присоеди- 358
няют резак, подающий газовую смесь для подогрева металла и кислород для его сжигания. Резак имеет сменные мундштуки — подогре- вательные (наружные) и режущие (внутренние).
Газовую резку можно выполнять ручным и механизированным способами- При ручной резке производительность низкая, точность размеров малая. Механизация разделительной резки значительно повышает качество реза и производительность процесса.
Рис. L83. Схема процесса газовой резки (а) в полуавтоматических машинах ПП-1 (б) и ГШ-2 (в) для кислородной резки;
Л —струя режущего кислорода; 2 —режущий мундштук; 5—металл; 4 — выдуваемые окислу
Полуавтоматы ПП-1 и ПП-2, в которых перемещение резака производится механически, а движение направляется вручную при помощи различных приспособлений, широко применяют в промышленности и строительстве. На корпусе машины ПП-1 (рис, 183, б) имеется суппорт, на котором укреплен резак. Внутри корпуса расположен механизм с системой зубчатых колес, соединенных с электродвигателем мощностью 50 Вт и передающих вращение валу ведущего ролика тележки. Скорость передвижения тележки можно регулировать, изменяя число оборотов вала электродвигателя посредством реостата, включенного в цепь обмотки якоря.
, Если на суппорт установить два резака, причем один из них под углом 40°, то можно производить за один проход резку листа и скос ei*o кромок под сварку. Машина ПП-2 (рис. 183, в) снабжена двумя резаками. Этой машиной можно вырезать полосы из листов и фланцы.
Автоматические машины позволяют не только механизировать перемещение резака, но и угол его наклона. Стационарные машины могут выполнять прямые и фигурные разрезы, используя механизмы с продольно-поперечным перемещением рабочих частей или с шарнирно-круговой связью. Эти резаки повторяют движение магнитного ролика, перемещающегося по шаблону, и производят точную вырезку изделии без последующей механической обработки.
Рис. 184. Машины АСШ-2 для точной кислородной резки:а — общий вид; б — наборные комбинированные шаблоныРис. 184. Машины АСШ-2 для точной кислородной резки:а — общий вид; б — наборные комбинированные шаблоныНа специальных машинах резку производят по контуру (при помощи магнитной ведущей головки) и по чертежу или разметке при помощи механической головки» направляемой от руки.
Рис. 184. Машины АСШ-2 для точной кислородной резки:
а — общий вид; б — наборные комбинированные шаблоны
Рис. 184. Машины АСШ-2 для точной кислородной резки:
а — общий вид; б — наборные комбинированные шаблоны
Машина АСШ-2 шарнирного типа (рис, 184) позволяет вырезать из листов толщиной до 100 мм с допуском 0.3—0,5 мм детали любой формы размерами 750— 1500 мм, На массивной колонне / (рис. 184, с) установлены шарнирные рычаги 2 и 5. В верхней части шарнира 3 имеется электродвигатель 7 и ведущая головка с магнитной катушкой 5* Внутри катушки может вращаться стальной палец с рифленым концом. Этот палец при прохождении тока по обмотке катушки намагничивается» притягивается к кромке стального шаблона 6 и катится по ней, описывая фигуру шаблона, Шаблоны крепят к штангам 8 на хоботе машины 9. В нижней
части шарнирного рычага укреплен резак 4, воспроизводящий по поверхности разрезаемого листа фигуру» соответствующую шаблону. Струя кислорода вырезает из листа, уложенного на стол» эту фигуру.
Имеются машины с фотоэлектронным копированием контура вы
резки по чертежу: машины для резки листов» машины с дистанционным управлением и масштабным копированием вырезаемых деталей.
На рис. 185 приведена схема программного управления автоматической машиной для резки металла.
Фтернан резка и резка больших толщин
В последнее время начинают широко применять фторную резку высоколегированной стали, титана, полупроводников. При сгорании фтора в водороде развивается высокая температура пламени» способная резать указанные материалы.
Обычными универсальными резаками можно разрезать сталь толщиной до 300 мм. При резке стали больших толщин повышение дав-
Рис. 185. Схема программного управления резательной автоматической машиной:
/—вычерчивание контура детали; 2—составление программ; 3 — кодирование программы; 4 — счет но- решающ а я машина; 5— управляющее устройство; 6— резательная машина; 7 — команды: 8 — обратные св из и; 9 — продольное движение; $0 -- поперечное днвженне; Н— регулировка газа; /2 — регулировка расстояния от режущего сопла до металла; 13 — автоматическое зажигание; /4 — ковтроль за пламенем
ления кислорода не улучшает процесс резки, так как струя кислорода, подаваемая под высоким давлением, сильно расширяется и охлаждается при истечении из мундштука. Вследствие этого разрез в верхней части металла увеличивается, в то время как в нижней части металл нагревается недостаточно и4 резка прекращается.
Для резки металла больших толщин необходимо, чтобы струя режущего кислорода была по возможности более длинной и имела бы почти цилиндрическую форму. С этой целью применяют низкое давление-0,25-0,35 МН/м2 (МПа) для струи режущего кислорода и специальную форму капала режущего мундштука.
Этим способом можно разрезать металл толщиной до 1,5 м.
§ 4, Подводная резка
Подводную дуговую резку металла осуществляют металлическими электродами с толстой обмазкой и угольными электродами. Горение дуги происходит так же, как и при подводной сварке.
Подводная резка газокислородным способом осуществляется водо- родно* кислородным резаком. Обычно резак зажигают на воздухе; после включения и пуска сжатого воздуха резак опускают под воду, римеияя для зажигания электроискровой разряд, резак можно зажигать и под водой.
Для подводной резки можно применять жидкое горючее — бензин, ензино кислородное пламя повышает скорость резки в 1,5 раза и экономически Целесообразно.
Раздел шестой
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
Глава XXXVI
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДОПУСКАХ И ПОСАДКАХ;
ТОЧНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
§ 1* Взаимозаменяемость, номинальные и предельные размеры деталей
В современном машиностроении различные машины во многих случаях изготовляют поточно-массовым методом без дополнительной слесарной обработки деталей.
Замена деталей или узлов машин при сборке и ремонте без дополнительной слесарной обработки обеспечивается благодаря их взаимозаменяемости. Взаимозаменяемость однотипных деталей достигается установлением допустимых отклонений фактических размеров от номинальных.
Номинальными называют основные размеры, являющиеся общими для соединяемых деталей и служащие началом отсчета отклонений. Так. диаметр вала и диаметр отверстия подшипника, в котором вращается вал, имеют одинаковые номинальные размеры. Номинальные размеры определяют, исходя из назначения детали, конструктивных соображений, расчетов на прочность, опытных данных.
Округление номинальных размеров имеет большое экономическое значение, так как ограничивает их разнообразие и общее число в каком-либо диапазоне. Округление ряда номинальных линейных размеров в интервале 0,001—10 000 мм производится согласно ГОСТ 6636—69, Так, для номинальных линейных размеров общего назначения в интервале 1—1000 мм установлено 124 размера.
При обработке заготовок на станках неизбежны отклонения в размерах деталей вследствие некоторой неточности станка, колебания температуры заготовки и инструмента, различной квалификации рабочих и т. д. Кроме того, не всегда требуется максимальная точность размера детали. Поэтому для обеспечения взаимозаменяемости назначают два предельных размера детали — наибольший и наименьший допустимые размера за которые нельзя выходить и между которыми должен находиться фактический размер.
§ 2. Допуски н припуски
Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами детали называют допуском размера. Номинальный размер Ьн соответствует нулевой линии О—О, от которой производят отсчет отклонений, На рис, 186 отсчет отклонения вы
полнен в минусовую сторону от номинального размера* Разность между наибольшим предельным £)б и номинальным DH размерами называют верхним отклонением (В, О»), а между наименьшим предельным DM и номинальным DH размерами — нижним отклонением (Н, О*)» Действительный размер D находится между наибольшим D6 и наименьшим DM предельными размерами и в частном случае может быть равен одному из них. Зону между верхним и нижним предельным отклонениями называют полем допуска.
Отклонения обычно указывают справа от номинального размера; например, SOz^us означает, что размеры детали могут быть в пределах 49,98—49,95 мм.
Рис 186. Допуск и поле допуска палаРис 186. Допуск и поле допуска палаДля получения детали заготовка должна иметь некоторый излишек металла, который называют припуском на обработку. Чем меньше припуск, тем меньше стоимость обработки и расход металла на единицу изделия.
Рис 186. Допуск и поле допуска пала
Рис 186. Допуск и поле допуска пала
5 3. Система вала и система отверстия
Рис, 187. Система допусков: о—* система вала; б—система отверстияРис, 187. Система допусков: о—* система вала; б—система отверстияВ машиностроении различают размеры сопрягаемые и свободные. Примером сопрягаемых размеров могут быть наружный диаметр поршня и внутренний диаметр цилиндра. Цилиндрическая поверхность
Рис, 187. Система допусков: о—* система вала; б—система отверстия
Рис, 187. Система допусков: о—* система вала; б—система отверстия
няя поверхностьняя поверхностьняяШповеп'хнеТСЯ типовой охватываемой поверхностью вала, а внутрен-■отверстия Для1*1 цилиндРа — типовой охватывающей поверхностьюмых деталей hS^?™ любУю охватываемую поверхность сопрягае-пример, шпонка явХгТЛ’ 8 0ХЕа™ваюЩУю - отверстием. На-«шляется валом, паз — отверстием.
няя поверхность
няя поверхность
Примером свободных размеров могут быть длина втулки контейнера гидравлического пресса, наружный диаметр фланца, диаметр заклепочной головки и т. и.
Систему допусков, в которой приняты постоянными предельные размеры вала, называют системой вала (рис. 187, с). На чертежах поле допуска вала в системе вала обозначают буквой В с индексом класса точности обработки и записывают справа от номинального размера, например 50В3.
Систему допусков, в которой приняты постоянными предельные размеры отверстия, называют системой отверстия (рис. 187, б). На чертежах поле допуска отверстия в системе отверстия обозначают буквой А с индексом класса точности обработки и записывают справа от номинального размера, например 50Л3.
§ 4, Посадки
Характер сопряжения определяется посадкой, под которой понимают степень сопротивления взаимному смещению сопрягаемых деталей или свободу их относительного перемещения. Посадки создаются разностью размеров парных деталей (вала и отверстия).
Различают три основных типа посадок: 1) с зазором или подвижные, 2) переходные и 3) с натягом или неподвижные (прессовые).
При подвижной посадке сопряженные детали перемещаются во время работы (например, поршень в цилиндре; диаметр цилиндра несколько больше диаметра поршня). Разность между диаметрами цилиндра и поршня (в общем случае между диаметрами отверстия и вала) называют зазором. Например, при диаметре отверстия 50 мм и вала 49,8 мм зазор равен 0,2 мм. Зазор всегда положительная величина.
Типы подвижных посадок: скользящая С, движения Д, ходовая X, легкоходовая Л, широкоходовая Ш и теплоходовая ТХ.
При неподвижной посадке сопряженные детали имеют натяг (во время работы перемещение исключается). Неподвижные посадки обеспечиваются принудительной запрессовкой вала в отверстие. При неподвижной посадке диаметр вала до запрессовки должен быть несколько больше диаметра отверстия. Разность между диаметрами вала и отверстия называют натягом (при неподвижной посадке натяг положительная величина).
Типы неподвижных прессовых посадок (с натягом): горячая Гр, прессовая Прг Пр2, Пр3, легкопрессовая Пл.
При переходных посадках обеспечивается хорошее центрирование отверстий. В местах соединений образуется натяг или зазор. Неподвижность сопрягаемых деталей обычно обеспечивается при помощи крепежных элементов (шпонок, шплинтов и т. д.). Разность между диаметрами вала и отверстия незначительна; натяги или зазоры невелики.
Типы переходных посадок: глухая Г, тугая Т, напряженная Н, плотная П.
На чертежах тип посадки условно обозначают соответствующей буквой и индексом справа, указывающим класс точности, напри- 361
мер легкоходовую посадку четвертого класса точности обозначают Л,.
Основные определения допусков и посадок, применяемые в машине- строении, установлены ГОСТ /713—62,
§ б- Точность изготовления и чистота поверхности деталей
Под точностью изготовления в машиностроении понимают степень соответствия действительных размеров детали расчетным (номинальным) размерам, заданным по чертежу. Повышение точности изготовления деталей удорожает обработку, снижает производительность станка и т. д.
В машиностроении для диапазона размеров от 1 до 500 мм применяют 10 основных классов точности — 1,2, 2а, 3, За, 4, 5 , 7, 8, 9. Каждый класс точности характеризуется определенными допусками для вала и отверстия и обеспечиваемся различными способами обработки резанием:
1-й класс—тонким шлифованием, тонким полированием, притиркой и доводкой; применяют в приборостроении, точном станкостроении» при изготовлении деталей шарикоподшипников и т. д.;
2-й и 2а класс — чистовым шлифованием, алмазным точением» чистовым протягиванием и развертыванием; применяют в точном машиностроении, станкостроении, при изготовлении автомобильных и авиационных двигателей, электромоторов, пневматических и других машин;
3-й и За класс — чистовым шлифованием и точением» тонким фрезерованием и строганием; применяют в общем машиностроении, автотракторостроении, вагоностроении, дизелестроснии, при производстве паровых машин и турбин;
4-й класс — чистовым точением, строганием, фрезерованием, сверлением и зенкерованием; используют в тепловозостроении, машиностроении:
5-й класс — получистовым точением, строганием, фрезерованием и сверлением; применяют в машиностроении при отсутствии высоких требований к парным деталям;
7, 8 и 9-й классы — литьем, ковкой и прокаткой, грубой обдиркой на станках; применяют для свободных размеров деталей или заготовок с соответствующими припусками на последующую чистовую обработку на станках.
Степень точности измерений зависит от точност и и чувствительности измерительного инструмента, принятого метода измерения и квалификации рабочего. Опытным путем установлено. ™ наибольшая пена деления измерительного инструмента должна быть примерно в три раза меньше допуска. Так, при шлифовании вала с допуском 0,03 мм наибольшая цена деления инструмента должна ъпь не более 0.01 мм; в этом случае обычно пользуются микрометром.
а точность измерения сильно влияют температура детали и давление на нее измерительного инструмента. Все измерения следует проводить при одинаковой температуре и одинаковом давлении инст-
румента» Некоторые инструменты имеют специальные устройства, ограничивающие давление на деталь (например, трещотка у микрометра).
Чистота поверхности. На поверхности деталей инструмент оставляет неровности в виде впадин и гребней, которые после черновой обработки видны невооруженным глазом, а после чистовой —* при увеличении под микроскопом. Гребни и впадины называют микронеровностями поверхности детали или шероховатостью, характеризующей чистоту поверхности.
Рис- 188* Профиль микронеровностей поверхности детали
Чистота поверхности зависит от свойств обрабатываемого металла, инструмента, режима резания, применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей, способа и вида обработки.
По ГОСТ 2789—73 шероховатость поверхности представляет собой совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности детали в пределах рассмагриваемого участка, длину которого, равную базовой длине, выбирают в зависимости от характера поверхности* Для характеристики шероховатости поверхности установлены следующие понятия.
Геометрическая поверхность — расчетная поверхность 1 тела заданной геометрической формы, не имеющая неровностей и отклонений от плоской или иной формы» обозначенной на чертеже (рис* 188, а).
Реальная поверхность — фактическая поверхность, которая ограничивает тело и отделяет его от окружающей среды.
Неровности — выступы и впадины на реальной поверхности*
Измеренная поверхность — поверхность, воспроизведенная в ре-
тольтате измерения реальной поверхности с учетом ее выступов 2 и впадин 4 (рис. 188, о).
Гео^трическии профиль — сечение геометрической поверхности плоскостью, ориентированной в заданном направлении относительно- этой (геометрической) поверхности 3 (рис. 188, о).
Измеренный профиль — сечение измеренной поверхности плоскостью, ориентированной относительно геометрической поверхности под заданным углом а. Графическое изображение измеренного профиля называют профилограммой.
Шаг неровностей — среднее расстояние между вершинами характерных неровностей измеренного профиля.
Базовая длина — длина участка поверхности, выбираемая для измерения шероховатости поверхности без учета других видов неровностей (например, волнистости), имеющих шаг более / (рис. 188, б),
Средняя линия профиля — линия, имеющая форму геометрического* профиля; она является базой для определения значений шероховатости (рис. 188, б). Средняя линия должна делить измеряемый профиль так, чтобы (в пределах базовой линии) площади по обоим сторонам от средней линии до линии профиля были примерно равны между собой, т. е.
^i + ^з + • * * + ^,^1 = ^2 + ^4 + • • - + Fn-(87)
В соответствии с ГОСТ 2789—73 шероховатость поверхности определяется средним арифметическим отклонением
'5 (У.)
Ro = —(88)
п или высотой неровностей
^ = ^! + ^з + * ■ * + ^о) — №д + ^4 + "" *^ю)(89)
25
По ГОСТ 2789—73 различают 14 классов чистоты поверхности (1-й класс самый грубый), Л лиге чистоты поверхностей обозначают треугольником с номером класса, например Vl; V5.
Шероховатость поверхности грубее Ьго класса обозначают знаком v, над которым указывают высоту неровностей Rz в микронах, например 500, 800.
Для каждого класса чистоты поверхности установлены максимальные значения /?Л и /?г при выбранных базовых длинах L Например,. Для класса V3 при базовой длине / — 8 мм величина R = 20 мкм, ” 80 мкм.
-Д™ 6—12-классов чистоты поверхности основной характеристике шероховатости является R^ а для классов 1—5, 13 и 14-го — пп^ Оценки эстеты поверхности и измерения ее шероховатости. Р еняют эталоны чистоты поверхности и различные приборы*
Глава XXXVII
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ. ТИПЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Способы обработки металлов резанием и основные зле мен ты режима резания
Способы обработки металлов резанием. Металлы обрабатывают резанием на металлорежущих станках при помощи различных режущих инструментов. Заготовками для деталей служат отливки из чугуна, стали, цветных металлов и их сплавов, а также поковки и т. д
В процессе обработки резанием различают рабочее движение №\х видов: главное движение, определяющее скорость отделенш стружки; движение подачи, обеспечивающее врезание режущей кромки инстру мента в новые слои металла; скорость подачи меньше скорости главного движения.
Наиболее распространенные способы обработки металлов резанием (рис* 189) — точение, сверление, фрезерование, строгание, шлифование.
К основным элементам режима резания относят: скорость резания, подачу, глубину резания и поперечное сечение среза (ширина и толщина среза).
Скоростью резания называют перемещение в единицу времени обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущей кромки инструмента. Скорость резания при точении
и^тгПл/ЮОО,(90/
где D — диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм; п — число оборотов заготовки в минуту.
Подача s — поступательное перемещение режущей кромки резца за один оборот обрабатываемой заготовки (рис. 190) (при точении размерность подачи — мм/об).
Глубина резания / — расстояние между обрабатываемой и обрабо таимой поверхностями, полученное за один проход резца. При наружном продольном точении глубина резания
f = (D-d)/2,(91)
где d — диаметр обработанной поверхности заготовки.
Поперечное сечение среза f (площадь срезаемого слоя) равно произведению ширины я па толщину b среза или произведению подачи s на глубину резания /, т. е.
f = ab = 5/, где
а = s sin ф и b — f/sin ф.(92)
Штучное время (затрачиваемое на изготовление одной детали) состоит из машинного (основного) и вспомогательного времени, а так-
Рмс- 189- Основные способы сб- работки металлов резаниемс/
6)
'поп
snn
Ж)
Позиция на рисунке
f
Способ обработки
Движение
заготовки
инструмента
а
Точение
1
Главное и (вращательное)
Посту нательное з (ре- *ец)
б
Сверление
Главное с (нращатель- чпе) и поступательное s (сверло)
у
Фрезерование
Поступательное s
I ла в ное f (ьращагель- ное, фреза)
г
Строгание на станках попсреч но - строгальн ых
Поступательное 8 (пре- речистое)
Главное о (в.«врагно гюступагсльнос, резец}
д
П сдельно - ст рог ал ьных
Глав ное с (возв р ат в о- повтупа гель ное)
Поступательное s (прерывистое, резец)
е:
Шлифование- наружное круглое
Вращательное © (продольное возвратно-поступательное- s х
Главное ск (вращательное, шлифовальный круг)
зк
Плоское шлифование
Продольное возвратно поступательное s
Пр
Главное ик (вращатель ное) и поперечное 8ПОп (шлифовальный круг)
же из времени, необходимого на организационное и техническое обслуживание рабочего места и станка и на отдых рабочего.
Машинным. или основным, называют время, затрачиваемое непосредственно па процесс резания металла. Машинное время, потребное при точении на обработку одной детали за несколько проходов, определяют по формуле
Г„ - —,(93)
где L — расчетная длина хода резца, мм; t — число проходов.
Рис, 190. Элементы режима резания и расчетная длина пути резиа при точенииРис, 190. Элементы режима резания и расчетная длина пути резиа при точении
Рис, 190. Элементы режима резания и расчетная длина пути резиа при точении
Рис, 190. Элементы режима резания и расчетная длина пути резиа при точении
Расчетная длина хода резца L при продольном точении (см. рис. 190) состоит из длины обрабатываемой поверхности детали Zn длины врезания резца Z2 и перебега резца /3, т. е.
£ = ;, + /2л_ /з,(94)
Длина врезания резца зависит от глубины резания и главного угла резца в плане <р, т. е.
/2 = t etg ф.(95)
Перебег резца /3 необходим для предотвращения образования заусенца в конце обработки и в зависимости от диаметра обрабатываемой детали принимается равным 1—3 мм.
Вспомогательным называют время, затрачиваемое на необходимые подготовительные работы (установку и снятие детали, управление станком, смену инструмента, подвод резца, измерение детали и т. д.).
Штучное время (на обработку одной детали) определяют по формуле
Лпт = ^м + ^в + ТобсЛ + ^ОТД»(56)
где Тв — вспомогательное время; Тобсд — время на техническое и организационное обслуживание станка (смазка станка, удаление стружки, регулировка и подналадка станка, получение чертежей обрабатываемой детали и т. д.); Тотд — время перерывов на отдых и личные надобности рабочего.
Зная штучное время, можно определить производительность станка — число деталей, изготовляемых в единицу времени. Часовая производительность станка Л (в шт/ч) определяется по формуле
(97)(97)60
(97)
(97)
шт ^ + Гв 4- 7,обсл 4- Т^д
Как видно, производительность станка можно увеличить за счет уменьшения машинного и вспомогательного времени, е также вре- мени на обслуживание рабочего места и станка.
Машинное время можно существенно сократить, воспользовавшись наивыгоднейшими режимами резания и прогрессивными методами обработки. Автоматизация и механизация работ, применение рациональных приспособлений, обучение рабочих передовым методам труда — все это способствует увеличению производительности станка.
Геометрическая форма и углы резца
Резец (рис. 191) состоит из головки, или рабочей части А и тела 5,
закрепляемого в резцедержателе. Головка резца имеет переднюю поверхность 7, по которой сходит стружка, задние поверхности (главную
Рис. 19L Резец и его элементыРис. 19L Резец и его элементывспомогательную 2) и основание 4. Пересечение передней и главной задней поверхностей образует главную режущую кромку резца об; пересечение передней и вспомогательной задней поверхностей — вспомогательную режущую кромку резца ав. Кроме того, у резца имеется вершина а, Главная режущая кромка выполняет основную работу — резание.
Рис. 19L Резец и его элементы
Рис. 19L Резец и его элементы
Взаимное расположение указанных поверхностей и кромок в пространстве определяется углами, совокупность которых создает геометрическую форму резца.
Для определения углоз резца исходными
служат плоскость резания и основная плос
кость, Первой из них является плоскость, касательная к поверхности резания и проходящая через главную режущую кромку резца; второй — плоскость, параллельная направлениям продольной и поперечной подач*
Резец имеет главные, вспомогательные и углы в плане. Все эти углы называют углами заточки.
Если провести главную секущую плоскость N—N (рис. 192) перпендикулярно к проекции главной режущей кромки на основную плоскость, то можно рассмотреть в ней главный задний угол а, главный передний угол 7, угол заострения р и угол резания 6 = а + р.
* ладный задний угол а образуется главной задней поверхностью и плоскостью резания; его принимают равным 6“12°.
Главный передний угол у получают при пересечении передней поверхности резца и дополнительной плоскости, перпендикулярной плоскости резания, проведенной через главную режущую кромку. Главный передний угол может быть положительным и отрицательным (от —10 до 4- 20°) в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, материала резца и формы передней поверхности.
Если проведем вспомогательную секущую плоскость ^—Л\ перпендикулярно к проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость, то получим вспомогательный задний угол Ор Его образуют вспомогательная задняя поверхность резца и плоскость, проходящая через вспомогательную режущую кромку перпендикулярно основной плоскости, Этот угол чаще всего принимают в пределах 8—10°.
Рис. 192. Углы резцаРис. 192. Углы резца
Рис. 192. Углы резца
Рис. 192. Углы резца
К углам резца в плане относят главный угол <р, вспомогательный угол <р( и угол при вершине е. Эти углы резца влияют на его стойкость и скорость резания»
Главный угол в плане ср — угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи; изменяется в пределах 30—90° в зависимости от вида обработки, типа резца, твердости обрабатываемой детали и резца и других факторов»
Вспомогательным углом в плане qx называют угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи; его принимают равным 10—15°»
Угол при вершине в плане б образуется проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость; чем больше этот угол, тем больше стойкость резца. Угол е находят из соотношения
(98(98е = 180е — (ф + фО-
(98
(98
§ 8. Процесс образования и сиды стружки
Процесс образования стружки. Если закрепить заготовку 1 (рис, 193, й) на станке, а резец 2 установить на некоторую глубину резания и перемещать под действием силы Р по направлению стрелки, то
после соприкосновения с заготовкой резец постепенно будет вдавливаться в металл и сжимать его поверхностный слой. При этом слой металла будет упруго деформироваться. При дальнейшем вдавливании резца в металл наступит момент, когда напряжение в металле превысит сначала
предел упругости, а затем и предел прочности. В результате произойдет сдвиг(ряс. 193, б) по плоскости скалывания /V—Д' и от основной массы металла отделится первый элемент срезаемого слоя,
Следующие элементы срезаемого слоя (рис. 193, в) отделяются по плоскостям скалывания,' параллельным плоскости АГ—N,
Плоскости скалывания и обработан
ная поверхность составляют угол скалывания Д, который для разных металлов колеблется в пределах 145—155°.
Элементы срезаемого слоя металла, образующие стружку, пластически деформируются — укорачиваются по длине и увеличиваются по сечению. Это явление назы-
передней поверхностьюпередней поверхностьюРис 193 Схема процесса образования стружкиРис 193 Схема процесса образования стружкивают усадкой, В общем случае усадка
передней поверхностью
передней поверхностью
Рис 193 Схема процесса образования стружки
Рис 193 Схема процесса образования стружки
стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого
материала, геометрии резца, режима резания, охлаждения и других условий. С увеличением переднего угла резца, скорости резания и применением смазочно-охлаждающих жидкостей коэффициент усадки снижается. При резании различных металлов получают три вида стружек — сливную, скалывания и надлома.
Сливная стружка имеет вид непрерывной ленты, завивающейся в плоскостную или винтовую спираль; она как бы «стекает» с резца. Такая стружка образуется при обработке вязких металлов (малоуглеродистой стали, меди, алюминия, свинца и т, д.) с малыми подачами и большими скоросгями резания и резцом с большим передним
Стружка скалывания состоит из отдельных элементов и образуется при обработке менее вязких металлов (высокоуглеродистой стали и с большими подачами и малыми скоростями резания и резцом с малым передним углом.
Стружка надлома представляет отдельные частицы металла не- ч?г^ИЛЬН°Й Ф°РМы- образуется при обработке хрупких металлов — У Уна, некоторых сортов бронзы и др.
§ 4. Силы, действующие на резец
При обработке резанием металл оказывает сопротивление режущему инструменту. Это сопротивление преодолевается силой резания, приложенной к передней поверхности резца. Работа силы резания затрачивается на деформацию и отрыв элемента
Рис. 194. Схема разложения силы резания на ее составляющиеРис. 194. Схема разложения силы резания на ее составляющиестружки от основной массы металла, а также на преодоление трения стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца о поверхность резания. Сила резания зависит от свойств обрабатываемого металла, подачи и глубины резания, углов заточки резца, скорости резания, охлаждения и ряда других факторов^
Рис. 194. Схема разложения силы резания на ее составляющие
Рис. 194. Схема разложения силы резания на ее составляющие
При продольном точении силу резания Р (рис. 194) обычно раскладывают на три состав- ляющие Рг Рх и Ру.Сила Рг действует по касательной к поверхности резания в направлении главного движения; ее называют вертикальной, или тангенциальной, силой резания* Сила
Р действует параллельно оси заготовки; ее называют осевой силой, или силой подачи* Сила Ру направлена по радиусу обрабатываемой заготовки; ес называют радиальной силой*
р = / Рх + pLр = / Рх + pL(99)(99)Равнодействующая трех составляющих сил
р = / Рх + pL
р = / Рх + pL
(99)
(99)
По некоторым опытным данным для резцов с углом в плане ф =45° при обработке стали 45 между силами Рх> Руи Рг установлены следующие соотношения:
pjp^ ^ о, 15 -^ 0,30; Р^Рг = 0,30 ~ 0,50.
Наибольшей составляющей является сила Рг Она создает крутящий момент на обрабатываемой детали, который определяют по формуле
MKP = ^D/2.(100)
Для определения силы Pz, возникающей, например, при точении, пользуются следующей экспериментальной формулой:
Pz = CptP^Php1(101)
где ср — коэффициент, характеризующий условия обработки (определяется по таблицам); кр — общий поправочный коэффициент, учитывающий обрабатываемый материал и ряд других факторов (также определяется по таблицам).
При наружном точении и растачивании заготовок из конструкционной стали резцом из быстрорежущей стали ср = 225, а заготовок из серого чугуна ср = 98; для заготовок из стали и чугуна показатель степени для глубины резания / Jtp = 1, а для подачи s ур — 0,75
- В процессе резания резец и деталь испытывают некоторую упругую деформацию, что приводит к частичному сжатию (перемещению) их в направлении действия сил и является одной из причин неточности обработки. Так, сила Р2 отжимает резец книзу, а резец под действием этой силы стремится изогнуть деталь вверх; сила Рх отжимает резец в направлении, противоположном продольной подаче, и стремится ее уменьшить; сила Ру отталкивает резец от обрабатываемой детали и стремится уменьшить глубину резания.
Для получения большей точности размеров деталей, учитывая действие указанных сил, при чистовом проходе обычно уменьшают сечение срезаемого слоя. Правильный выбор углов резца и применение смазочно-охлаждающих жидкостей также способствует улучшению качества и точности изготовления деталей.
§ 6, Стойкость и износ резцов
Источниками образования тепла в процессе резания являются упругая и пластическая деформации металла, а также работа сил трения задней поверхности резца об обрабатываемую деталь и стружки о переднюю поверхность резца. Образующееся тепло распределяется между обрабатываемой деталью, стружкой и резцом; незначительная часть тепла излучается в окружающую среду.
Температура резания влияет на износ режущих инструментов, определяет величину производительности и стойкости резца при данных условиях резания.
Под стойкостью резца понимают время его непрерывной работы при заданном режиме резания до момента затупления. Скорость резания — главный фактор, влияющий па стойкость резца.
Между скоростью резания и и стойкостью Т (периодом стойкости) резца существует зависимость:
и = А/Т”\(102)
где Л— постоянная, зависящая от свойств обрабатываемого материала, режима резания, материала и геометрии резца (определяется по таблицам); Т — время работы резца до затупления (стойкость резца); m — показатель относительной стойкости, характеризующий интенсивность влияния стойкости на скорость резания.
Для резцов из быстрорежущей стали и резцов, оснащенных твердыми сплавами и минералокерамикой, этот показатель принимают соответственно равным 0,100—0,125; 0,20—0,30 и 0,30—0,40.
Практически период стойкости резцов из быстрорежущей стали и резцов, оснащенных твердыми сплавами и минералокерамикой, принимают соответственно равным 30—60, 45—90 и 30—40 мин.
В процессе резания металла резец изнашивается. Основная причина износа резцов — трение сходящей стружки о переднюю поверхность резца и задних поверхностей резца о поверхность заготовки. Износ резца зависит от свойств материала рабочей части резца и обра- атываемон детали, скорости и температуры резания, режима резания ряда других факторов. В большинстве случаев в условиях сухого и
полусухого трения преобладает абразивный износ по передней и главной задней поверхностям резца, При износе резца по главной задней поверхности на ней образуется фаска шириной А3; при износе по передней поверхности — лунка шириной Ь, при наличии обоих видов износа на резце образуется ленточка / (рис, 195,а).
f 6
Рис. 195, Характер износа резцов (а) и резец Колесова (б)
Для инструмента с пластинками из твердого сплава характерен износ по главной задней поверхности, а из быстрорежущей стали — по передней и главной задней поверхностям»
Количественное выражение допустимой величины износа называют критерием износа. За критерий износа принимают в большинстве случаев величину износа по главной задней поверхности. Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ ha —- 1,5—2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава — 0,8—1,0 мм, с керамическими пластинками — 0,5—0,8мм.
§ 6. Скорость резания. Высокопроизводительное резание металлов
Скорость резания влияет на усилие резания, количество выделяющегося тепла, стойкость и износ режущего инструмента и другие показатели, характеризующие процесс резания*
Скорость резания при точении
V =^__ Ае,(W3)
Tmt v sy
где с^ — коэффициент, характеризующий условия обработки (находят по таблицам); ^ — общий поправочный коэффициент (находят по таблицам).
Значения показателя степени m для стойкости резца были приведе ны выше; показатели степени у глубины резания и подачи (xv и /'J для различных условий обработки находят по таблицам
Скорость резания зависит от ряда факторов, основными из которых являются: механические свойства обрабатываемого материала; свойства материала режущей части резца; стойкость режущего инструмента; подача; глубина резания; углы резца и охлаждение.
Из механических свойств обрабатываемого материала на режим резания более всего влияют предел прочности при растяжении и твердость. При повышении этих характеристик скорость резания (при постоянной стойкости резца) приходится снижать во избежание быстрого износа инструмента.
Влияние свойств материала режущей части резца па скорость резания учитывают поправочным коэффициентом, который для обработки чугуна и стали резцом с режущей частью из твердых сплавов ВК2 и В КЗ принят за единицу. При обработке тех же материалов другими резцами значение этого коэффициента изменяется от 0,12—0,15 для резцов из углеродистой и низколегированной стали до L3—1,8 для резцов из твердых сплавов Т30К4 и Т60К6. Резцы из углеродистой, низколегированной и быстрорежущей стали целесообразнее применять при скоростях резания 10—15, 15—25 и 30—100 м/мин соответственно, когда их стойкость больше, чем при повышенных скоростях.
Зависимость стойкости режущего инструмента от скорости резания также учитывается соответствующим поправочным коэффициентом. Обычно стойкость резца Т = 30 мин (при данной скорости резания) принята за единицу. При увеличении скорости резания стойкость резца будет меньше единицы; при уменьшении — больше единицы* Указанная зависимость обусловлена количеством тепла, выделяющегося в единицу времени: при больших скоростях резания тепла выделяется больше, что приводит к понижению режущих свойств инструмента, и наоборот. При заданной стойкости резца увеличение подачи и глубины резания приводят к уменьшению скорости резания*
На скорость резания в значительной мере влияют углы ф, у и а. При постоянном режиме резания с увеличением угла ф увеличивается толщина среза и уменьшается его ширина, что приводит к сокращению длины главной режущей кромки резца, повышению на нее тепловой нагрузки, а следовательно, к снижению стойкости резца. Наоборот, уменьшение угла ф повышает стойкость резца. Так, при уменьшении угла ф с S0 до 30° при заданной стойкости резиа скорость резания стали увеличивается почти в два раза*
При обработке мягких металлов увеличение угла у до известных пределов повышает стойкость резца, так как уменьшает деформацию срезаемого слоя и силу резания. Это позволяет увеличить скорость резания* Материалы высокой твердости обрабатывают резцами с пластинками из твердых сплавов, имеющими отрицательный передний угол у, что изменяет силовые условия работы резца и повышает его стойкость.
В процессе обработки резец и изделие охлаждают, понижая температуру резания и повышая стойкость инструмента. Это, следовательно, позволяет повысить скорость резания. Так, при черновой обработке стальных заготовок при охлаждении с интенсивностью 8—12 дм3/мин Скорость резания увеличивается на 15—25%, при чистовой — на 5—8%.
При обработке резанием в качестве смазочно-охлаждающих жидкостей применяют соловые и мыльные водные растворы, эмульсии» растительные и минеральные масла (льняное» сурепное, веретенное» соляровое), а также сульфофрезолы — масла, содержащие активированную добавку в виде серы. Смазочно-охлаждающие жидкости подают в зону резания обычно сверху, а в ряде случаев — снизу напорной струей. Охлаждение напорной струей применяют в основном при обработке труднообрабатываемых жаропрочных сталей и других подобных материалов. При этом стойкость резца увеличивается в пять—семь раз по сравнению с обычным методом охлаждения; это позволяет значительно повысить скорость резания. Применяют также охлаждение распыленной жидкостью.
Применение смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке стальных заготовок, кроме повышения стойкости инструмента, обеспечивает получение более чистой поверхности. При обработке чугунных заготовок смазочно-охлаждающие жидкости обычно не применяют.
Высокопроизводительное резание металлов. Учитывая влияние геометрических элементов режущей части резца на скорость резания, новаторы производства применяют высокопроизводительные методы резания, т. е. с к о р о с т н о е и силовое резание металлов. Так, изменением углов заточки достигают упрочнения режущей части резцов, улучшения отвода тепла от режущей кромки и повыше- ния общей стойкости резца. Все это позволяет увеличить скорость резания.
Другой способ повышения производительности труда — увеличение подачи. Этот способ применил токарь-новатор В. А. Колесов. Для скоростного резания с больШЕТми подачами (метод силового резания) он сконструировал специальный резец (рис. 195,6). При работе этим резцом производительность повышается за счет увеличения подачи с 0,1—0,6 до 1—3 мм/об (т. е. в 5—10 раз), а также совмещения чернового и чистового проходов путем уменьшения вспомогательного угла в плане <р1 с 10—15 до 0е. Резец с углом <pt = 0 срезает с обрабатываемой поверхности неровности в виде гребешков, которые остаются после обточки детали обычным проходным резцом. В результате качество поверхности детали повышается.
7, Мощность резания
Зная скорость у и силу Р2, мощность резания Ар (кВт) можно рассчитать по формуле
Иногда мощность резания определяют, исходя из крутящего момента и числа оборотов шпинделя по формуле
716,2 - 1000 - 1,36
Полную мощность Мдв, которую нужно подвести к станку, определяют с учетом коэффициента полезного действия станка
(106)(106)/V. = А = -^
(106)
(106)
"11- чет 60 логист
где 1СТ " к- п- А- станка.
Практикой установлены следующие значения к, п. д. станков: токарных 0,80—0,90; сверлильных 0,85—0,90; фрезерных 0,80—0,90; строгальных 0,65—0,75; шлифовальных 0,80—0,85.
8. Классификация металлорежущих станков
Современные металлорежущие станки разделяют на группы по различным признакам:
по назначению — станки токарной, сверлильной, фрезерной, строгальной и шлифовальной групп; протяжные, специальные ■ (резьбообрабатывающие и др.); агрегатные или специализированные ' и прочие (центровальные, распиловочные и др.);
по степени автоматизации — станки-автоматы, полуавтоматы, с программным управлением, автоматические линии станков ит. п.;
по степени точности размеров обрабатываемой детали — станки нормальной точности и высокоточные (прецмзиок- : ные); ■ -
по степени чистоты обрабатываемой поверхности— обдирочные в чистовые;
по конструктивным признакам (в зависимости от расположения шпинделя) — горизонтально-фрезерные, вертикально-фрезерные, вертикально-сверлильные и т. д.
Станки каждой группы разделяют на подгруппы (типы) и модели в соответствии с конструктивными и технологическими особенностями, степенью специализации и т. д.
Модель станка обозначают соответствующим номером» Советские станкостроительные заводы обычно пользуются трех- или четырехзначной нумерацией, согласно которой первая циф)ра определяет группу станка, вторая — подгруппу в пределах данной группы (тип, модель), третья (или при четырехцифровом обозначении — третья и четвертая цифры) — условно характеризует основные технологические особенности станка (например, наибольший диаметр обрабатываемой На станке детали, размеры стола и т* п,). Прописная буква после первой цифры указывает на модернизацию станка. Например, для станков токарной группы первая цифра 1, а вторая: 1 и 2 —- автоматы и полуавтоматы, 3 — револьверные, 6 —токарно-винторезные и т. Д-;
для станков сверлильной группы первая цифра 2, а вторая цифра: 1 — вертикально-сверлильные, 4 — координатно-расточные, 6 — ра- ДНально-свсрлильные и т. д.;
для станков шлифовальной группы первая цифра 3, а вторая:
— круглошлифовальные, 2 — внутришлифовальные, 7 — плоскошлифовальные и к д.;
для станков фрезерной группы первая цифра 6, а вторая: 1 — вертикально-фрезерные, 7 — широкоуниверсальные, 8 — горизонтально-фрезерные консольные и т, д.;
для се анков строгальной группы первая цифра 7, а вторая: 1 — продольные одностоечные, 2 — продольные двустоечные, 3 — поперечно-строгальные, 4 — долбежные и т. д.
Так, станок модели 1620— токарно-винторезный станок с высотой центров 200 мм; станок модели 2150 — вертикально-сверлильный станок с наибольшим диаметром сверла 50 мм; станок 2HI50 — тот же станок, но модернизированный; станок 3740 — плоскошлифовальный с круглым столом диаметром 400 мм.
Глава XXXVIH
ОБРАБОТКА НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ
Устройство токарного станка
Токарные станки разделяют на однопшиндельные, многошпин- дельные, револьверные, карусельные, автоматы и полуавтоматы, многорезцовые, специализированные и др.
Каждый тип токарных станков имеет несколько моделей. Например, одношпиндельные токарно-винторезные станки выпускают моделей 1620, 1А62, 1К62, 1Е61МТ, 1В616ит. д.; токарно-револьверные— моделей 1М36, 1336М и т. д.; многорезцовые полуавтоматы — моделей 1721. 1730, 1712П и т. д,; однорезцовые автоматы — моделей 1С616, 16IA и т. д.
Рассмотрим устройство токарно-винторезного станка модели 1К62 (рис, 196), Основные узлы станка: станина /5, передняя бабка 2 , задняя бабка 9, коробка подач / с ходовым винтом 13 и ходовым валиком 14, фартук 16 с механизмами подачи, суппорт 5 и электропривод. Кроме этих узлов станок имеет масляный насос для смазки механизмов станка, насос для подачи смазочно-охлаждающей жидкости и кнопочное или рычажное управление для пуска и остановки станка. Включение, выключение и реверсирование электродвигателя производится посредством реверсивного магнитного пускателя с помощью рукоятки,
Суппорт предназначен для закрепления резца и сообщения ему продольной или поперечной подачи. Основанием суппорта служат нижние (продольные) салазки (поз. 4, рис. 196), скользящие по направляющим станины токарного станка. Продольная механическая подача суппорта осуществляется включением рукоятки /7, а ручная — при помощи маховика 19* Укрепленный на суппорте резец будет при этом перемещаться параллельно оси шпинделя.
Для поперечной подачи суппорта вручную вращают рукоятку 18: при этом поперечные салазки вместе с верхней частью суппорта пере- 380
мещаются перпендикулярно оси шпинделя, скользя по направляющим нижних салазок. На поперечных салазках закреплена поворотная часть суппорта с верхними салазками и резцедержателем 6. При необходимости верхние салазки можно повернуть на нужный угол при помощи поворотной части суппорта. Ручную подачу поворотной или верхней части суппорта осуществляют рукояткой 7.
Рис. 196. Общий вид токарно-винторезного станка модели ! К62:
/ — коробка подач; 2 — передняя бабка; 3 — рукоятка установки чисел оборотов шпинделя; 4 — нижние салазки суппорта; 5 —суппорт; б — резцедержатель; 7 — рукоятка подачи поворотной (верхней} части суппорта; 5 — пиноль задней бабки; 9 — задняя бабка; /0 — рукоятка закрепления пиноли при работе станка; 7/ — маковик продольного перемещения пиноли с задним центром; 12— болт, /3 — ходовой винт; /4 — ходовой валик; /5 — станина станка; 16— фартук; 17 — рукоятка включения продольной механической подачи суппорта; 18 я 79 — рукоятки ручной поперечной и продольной подачи суппорта; 20— рукоятка включения, останова я реверсирования шпинделя; 21 — рукоятка устаноп-
кн величины подач я
Задняя бабка (см. рис. 196) служит для поддержания в центрах станка длинных деталей ^L > 4£>), а также для закрепления режущего инструмента — сверл, зенкеров, разверток. Она состоит из чугунного корпуса, установленного на скользящей плите. В зависимости от длины обрабатываемой детали заднюю бабку устанавливают на станине в нужном месте при помощи соответствующих приспособлений,
В отверстие верхней части корпуса задней бабки вставляют пустотелый шпиндель — пиноль 8 с закрепленным в нем задним центром. При скоростном резании в пиноль вставляют вращающийся центр. Пиноль и задний центр можно перемещать в продольном направлении при помощи винта с маховиком И, Закрепляют пиноль в определенном положении рукояткой 10.
При обтачивании конических заготовок корпус задней бабки станка можно смещать относительно основания в поперечном направлении посредством болта 12.
Главное движение и движение подачи осуществляются при помощи соответствующих приводов.
Привод главного движения (рис. 197) состоит из электродвигателя 1, ременной передачи 2, коробки скоростей 4 и шпинделя 5. Вращение ведомого шкива трансмиссионного вала /—1 передается коробке скоростей и шпинделю 5 (вал //—/7). Коробка сксрсстей позволяет изменять числа оборотов шпинделя, обеспечивая наивыгоднейшие режимы резания.
Существуют два типа коробок скоростей — со ступенчатым и с бесступенчатым (плавным) регулированием чисел оборотов шпинделя.
Первые позволяют полу-
Рис. 197. Схема привода главного движения токарного станка с шестеренной коробкой скоростейРис. 197. Схема привода главного движения токарного станка с шестеренной коробкой скоростейчить максимальное, минимальное и ряд промежуточных чисел оборо тов, вторые — любое плавна изменяемое число оборотов.
Рис. 197. Схема привода главного движения токарного станка с шестеренной коробкой скоростей
Рис. 197. Схема привода главного движения токарного станка с шестеренной коробкой скоростей
В токарных станках со сту пен чатым регул и ров а- нием числа оборотов шпинделя применяют шестеренные коробки скоростей (рис. 197) или ступенчатые шкивы. Привод главного движения шестеренной коробки скоростей компактнее других типов приводов. На валу 7—/ расположен подвижной блок 3
из зубчатых колес zn z^ и z3. При помощи специальной рукоятки этот блок перемещается вдоль вала /—/ и поочередно сцепляется с зубчатыми колесами z4l z5 или z6, неподвижно закрепленными на втулке Л, свободно сидящей на валу 7/—7/. Зубчатые колеса г9 и z10 находятся в постоянном зацеплении с колесами г^ и ze перебора III— /7/ шестеренной коробки. При включении кулачковой муфты Б влево перебор III— III выключается и шпиндель, в зависимости от положения подвижного зубчатого блока, получает три значения чисел оборотов — пъ п2 и л3.
Если число оборотов вала 7—I обозначить л0> то
л, = ^/г^, л2 = пог^/гЬ1 л3 = n^jz^(107)
где z^z^ 22^ 4*4 — передаточные отношения.
При перемещении муфты Б вправо включается перебор ///—ill с передаточным отношением
^пер “ (^ю^в) ’ OV2^)»
В результате шпиндель II—7/ получает еще три значения чисел оборотов.
Коробки скоростей с перебором имеют несколько групп чисел оборотов шпинделя. Значения чисел оборотов шпинделя в каждой группе 382
изменяются по геометрической прогрессии, знаменатель которой ф имеет следующие значения: 1,06; 1,12; 1,26; 1,41; 1,58; 1,78 и 2. Чем меньше ф, тем меньше разность между числами оборотов в той или иной группе чисел и тем, следовательно, легче выбрать близкое к нужному число оборотов.
Преимущество привода главного движения с шестеренной коробкой скоростей — возможность передачи больших мощностей; при этом эффективная мощность на шпинделе при изменении его оборотов остается постоянной.
Коробки скоростей с бесступенчатым регулированием чисел оборотов шпинделя имеют конические шкивы, фрикционные, электрические, электромеханические и гидравлические приводы.
Рис. 198. Схема фрикционной бесступенчатой передачи Светозар онаРис. 198. Схема фрикционной бесступенчатой передачи Светозар она
Рис. 198. Схема фрикционной бесступенчатой передачи Светозар она
Рис. 198. Схема фрикционной бесступенчатой передачи Светозар она
В ряде новых токарно-винторезных станков числа оборотов шпинделя изменяются при помощи фрикционного привода системы Свето- зарова.
На рис. 198 показаны три характерных положения, обеспечивающих максимальное а. среднее б и минимальное в значения чисел оборотов шпинделя. Стальные фрикционные шайбы 1 и 3 с шаровыми поверхностями насажены на пустотелые валы 77 и /. Вал / посредством муфты соединен с валом электродвигателя, от которого получает вращение шайба 3 с постоянным числом оборотов fo = const). Распорные пружины, расположенные внутри валов 7 и 7/ , прижимают шайбы 7 и 3 к стальным каткам 2 и 4. Каждый из них при помощи специальных механизмов может плавно поворачиваться в вертикальной плоскости относительно оси О на определенный угол.
(108)(108)При включении электродвигателя шайба 3 передает вращение каткам 2 и 4 через фрикционную передачу, сообщающим это вращение Шайбе /. Число оборотов шайбы 1 зависит от отношения активных радиусов г4 и г8 и определяется по формуле
(108)
(108)
«2 = ^Г^Гу
Изменяя положение катков, можно обеспечить плавное изменение
чисел оборотов шпинделя между максимальным и минимальным значениями.
Бесступенчатый привод системы Светозарова позволяет получить диапазон регулирования чисел оборотов шпинделя: Д — «maximin от 4 до 8. Применяя фрикционную передачу Светозарова в комбинации с трехступенчатой шестеренной коробкой скоростей, можно получить еще более широкий диапазон плавного регулирования чисел оборотов шпинделя.
Рис, 199. Схема привода движения подачи токарного станкаРис, 199. Схема привода движения подачи токарного станкаРис. 200. Схема реверсивного механизма токарного станкаРис. 200. Схема реверсивного механизма токарного станка
Рис, 199. Схема привода движения подачи токарного станка
Рис, 199. Схема привода движения подачи токарного станка
Рис. 200. Схема реверсивного механизма токарного станка
Рис. 200. Схема реверсивного механизма токарного станка
Привод движения подачи предназначен для передачи движения от шпинделя к суппорту, а также для выбора величины подачи и изменения ее направления.
Движение привода подачи осуществляется от конечного звена привода главного движения — шпинделя. Зубчатое колесо реверсивного механизма насажено на шпиндель или на промежуточный вал, связанный со шпинделем отдельной зубчатой передачей. Иногда источником движения привода подач служит отдельный электродвигатель.
Привод движения подачи токарного станка (рис. 199) состоит из реверсивного механизма /, гитары 2 сменных зубчатых колес, коробки подач 3 с ходовым винтом 4 и ходовым валиком 5, фартука 6.
Реверсивный механизм предназначен для изменения направления вращения ходового винта или ходового валика, обеспечивая перемещение суппорта с резцом справа налево или слева направо.
Конструкция реверсивного механизма может быть различной. В токарных станках в качестве такого механизмачаще всего применяют трензель с цилиндрическими зубчатыми колесами (рис. 200). Зубчатое колесо Zi закреплено на шпинделе /, а колесо z4 — на валу //, которым обычно служит вал гитары сменных зубчатых колес. Зубчатые колеса z2 и z3 свободно укреплены на пальцах III и IV обоймы 1 с рукояткой 2. Обойма установлена на валу // и при помощи рукоятки может по*
, ворачиваться относительно вала, занимая положение 5, О или 4. Колеса 2S. zs и г4 находятся в постоянном зацеплении друг с другом.
Если рукоятку 2 поставить в положение 3 (как показано на рис. 200), то зубчатые колеса z$ —24 будут находиться в последовательном зацеплении и вал // получит вращение, обратнее вращению шпинделя. Ставя рукоятку 2 в положение 4, вводим в зацепление колеса 2^—z3 — г4 и вал // получит то же направление вращения, что и шпиндель. В положении О рукоятки зубчатые колеса z2 и z3 выходят из зацепления с колесом Zj и вращение от шпинделя на вал II не передается — трензель выключен.
Рис. 201. Схема установки сменных зубРис. 201. Схема установки сменных зубчатых колес гитарычатых колес гитарыРис. 202. Схема коробки подач с накидной шестернейРис. 202. Схема коробки подач с накидной шестерней
Рис. 201. Схема установки сменных зуб
Рис. 201. Схема установки сменных зуб
чатых колес гитары
чатых колес гитары
Рис. 202. Схема коробки подач с накидной шестерней
Рис. 202. Схема коробки подач с накидной шестерней
Гитара привода подачи токарного станка представляет механизм, состоящий из набора сменных зубчатых колес и особого устройства, называемого собственно гитарой. Она позволяет изменять число оборотов привода подачи.
В токарных станках используют три способа установки сменных зубчатых колес гитары: одно-, двух- и трехпарную.
Наиболее часто применяемая двухпарная передача (рис. 201) имеет четыре зубчатых колеса zY— z4, которые передают вращение от вала I трензеля на вал II коробки передач. Зубчатое колесо zY закреплено на валу /, а колесо г4 — на валу II; колеса 22 и z3 находятся на общей втулке со шпонкой и помещаются на пальце Б.
Для получения новых передаточных отношений межосевое расстояние изменяют перемещением пальца Б по прямолинейному пазу и поворотом гитары Л относительно оси вала II по дуговому пазу. Передаточное отношение сменных зубчатых колес гитары
|ПП = №-Ш 0°9)
Коробка подач, расположенная с передней стороны станка под бабкой, позволяет переключением рычагов быстро изменять подачу. В токарных станках чаще всего применяют коробки подач с накидной шестерней (рис. 202). Механизм представляет блок 2 зубчатых колес
2l— z6, насаженный на вал /.На валу // скользящей шпонкой закрепляют колесо z8 и обойму 1. Накидная шстерня z7 находится в постоянном зацеплении с колесом z8 и крепится в обойме 1. Передачу обычно осуществляют от ведущего вала / к ведомому //. Накидную шестерню можно сцепить с любым зубчатым колесом блока 2 поворотом обоймы / относительно вала II и перемещением ее вдоль вала в соответствующее фиксируемое положение.
Рис. 203, Схема механизмов фартука
Фартук прикреплен к нижней части каретки суппорта» Заключенные в фартук механизмы подачи служат для преобразования вращательного движения, получаемого от ходового винта или ходового валика, в поступательное движение (подачу) суппорта, на котором закреплен резец. В фартуке имеется система червячных и зубчатых передач (рис. 203). При нарезании резьбы используют ходовой винт 6. При выполнении других токарных работ движение подачи осуществляется через ходовой валик 8, имеющий червяк 9 на скользящей шпонке. Червяк получает вращательное движение и, кроме того, может перемещаться вдоль валика. Вращение червяка передается червячному зубчатому колесу 10 и расположенному на одной оси с ним цилиндрическому зубчатому колесу И, которое находится в зацеплении с колесом /, передающим вращение соосному с ним колесу 3. Это колесо катится по неподвижной рейке 2, прикрепленной к станине токарного станка, заставляя перемещаться суппорт 4, связанный с фартуком. В результате вращательное движение ходового валика преобразуется в продольное поступательное движение суппорта.
Имеющиеся в фартуке механизмы могут преобразовывать вращательное движение ходового валика в поперечное движение резца.
При нарезании резьбы ходовой валик 8 отключается от остальных частей механизма фартука.
Ходовой винт 6 имеет разъемную гайку 7 (называемую маточной). При включении рукоятки 5 половинки разъемной гайки плотно охва-
тывают вращающийся ходовой винт, вследствие чего гайка, а вместе с ней и суппорт осуществляют поступательное движение; при выключении рукоятки половинки гайки расходятся, освобождая винт и останавливая суппорт.
Кинематическая схема токарного станка
Кинематической схемой токарного станка называют условное изображение совокупности всех механизмов, посредством которых осуществляется движение элементов станка; она показывает взаимосвязь отдельных элементов и механизмов, участвующих в передаче движения различных органов станка.
о токарном станке имеются две кинематические цепи: электродвигатель — шпиндель (цепь главного движения) и шпиндель — суппорт (цепь подач), которые изображают в двух вариантах — для продольной (при нарезании резьбы и точении) и поперечной подачи резца.
Кинематическая цепь токарного станка может состоять из ряда кинематических пар зубчатых колес или шкивов,червячных и винтовых передач. Последовательность кинематических пар в цени представлена цифрами, указывающими число зубьев в зубчатых колесах или диаметры шкивов. Для элементов кинематических пар, закрепленных на одном валу, цифры записывают через тире, а закрепленных па различных валах — через знак деления.
На рис, 204 приведена кинематическая схема токарно-винторезного станка. Проследим по ней кинематическую цепь главного движения: электродвигатель — шпиндель. Эта цепь связывает вал двигателя (диаметр шкива dj = 142 мм) через клиноременную передачу со шкивом вала / (диаметр шкива d2 = 254 мм) коробки скоростей токарного станка, на котором свободно укреплен блок зубчатых колес 56—5/ и зубчатое колесо 50. На валу находится также фрикционная пластинчатая муфта Л1г для сообщения шпинделю прямого (при включении влево) или обратного (при включении вправо) вращения. При включении муфты Мд влево вращение с вала I передается на вал IL На нем помещается подвижной блок зубчатых колес Бх (34—«39), который, поочередно соединяясь с зубчатыми колесами блока 56—51, обеспечивает передачу различного числа оборотов валу //- Затем с этого вала при помощи подвижного блока Б2 (47—55—38) на валу /// и подвижного блока Б5 (43—54) на валу 17 вращение передастся на шпиндель (шесть чисел оборотов),
При включении перебора (валы IV—V) движение с вала III передается валу /V, который с помощью подвижных блоков Б3 (88—75) и Бк(22— 45) передает его на вал У и затем через колеса 27 — 54 на Шпиндель (вал VI); дополнительно получаем три передаточных отношения. Структурная формула кинематической цепи имеет вид (об/мин):
«шп = «дв-у (П0)
Где пшп и Пдв — числа оборотов шпинделя и электродвигателя в ми*
^ № ^ 5150 24 36 88 46 65 45^ № ^ 5150 24 36 88 46 65 45Рис* 204, Кинематическая схема токарно-винторезного стайка модели 1К62Рис* 204, Кинематическая схема токарно-винторезного стайка модели 1К62
^ № ^ 5150 24 36 88 46 65 45
^ № ^ 5150 24 36 88 46 65 45
Рис* 204, Кинематическая схема токарно-винторезного стайка модели 1К62
Рис* 204, Кинематическая схема токарно-винторезного стайка модели 1К62
нуту; 1к-с — переменное передаточное отношение коробки скоростей (с учетом передаточного отношения перебора); р — коэффициент проскальзывания ремня (р = 0,98).
При положении зубчатых колес, изображенных на рис. 204, число оборотов шпинделя при прямом ходе
142562165
«шп = 14а0 - —— • — - — ■ —— • 0,98 = 750 об/мин.
254345543
Токарно-винторезный станок 1К62 имеет 24 числа оборотов шпинделя (от 12,5 до 2000 об/мин).
Аналогично можно установить кинематическую цепь суппорта при продольной и поперечной подачах; а также при нарезании резьбы, Например, структурная формула для продольной подачи (мм/об):
(Ш)(Ш)®пр = h'«.n^.
(Ш)
(Ш)
где /к.п — передаточное отношение коробки подач (с учетом передаточных отношений от шпинделя к реверсу, самого реверса, сменных зубчатых^ колес гитары и механизма фартука); т — модуль реечного зацепления, мм; z — число зубьев реечного колеса.
При положении зубчатых колес, изображенных на рис. 204, продольная подача
5[|р *1
. 60
60
42
42
42
* 95
95
50
35
" 37
37
35
28
25
3635 х
44 * 28
2828
15
28
. 27
20
4
40
14
X — ■ —
■ 3,14 -3-10
3535
48
56
20
28
20
37
66
= 0,4 мм/об.
Всего станок имеет 48 продольных подач (от 0,075 до 4, 4G мм/об) и столько же поперечных (от 0,038 до 2,23 мм/об),
Анализируя кинематическую схему токарного станка и ее кинематические цепи, можно подобрать необходимую структурную формулу настройки станка для выполнения конкретной задачи.
Токарные автоматы
Для выполнения ряда токарных работ применяют полуавтоматы и автоматы» У токарных полуавтоматов автоматизированы обычно только рабочие операции по обработке детали (снятие стружки рез* цом), а вспомогательные операции (установка и закрепление обрабатываемой заготовки, освобождение и снятие ее со станка, пуск станка, контроль размеров обрабатываемой детали и т. д.) выполняются вручную. У автоматов автоматизирован весь цикл обработки детали.
У станков-автоматов различные операции автоматизированы при помощи механических, гидравлических, электрических, пневматических, электронных и смешанных устройств (систем). Работа этих устройств регламентируется программным устройством с применением
(в системе программного уп-(в системе программного уп-перфолент или счетно-решающих машин равления).
(в системе программного уп-
(в системе программного уп-
Рассмотрим схему у ст р о й с т в а и работы токарного aZL°M ат а модели 1С616 (рис. 205, а). Автомат предназначен для обработки валов в центрах по автоматическому циклу (с загрузкой за-
Рис. 205, Токарный автомат модели 1С616: а—общий вид; б — кинематическая схемаРис. 205, Токарный автомат модели 1С616: а—общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 205, Токарный автомат модели 1С616: а—общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 205, Токарный автомат модели 1С616: а—общий вид; б — кинематическая схема
готовок и разгрузкой деталей) с применением гидрокопирования по программному управлению.
Станок установлен на двух пустотелых тумбах, В левой тумбе / смонтирована коробка скоростей с рукоятками для установки числа оборотов шпинделя. Коробка скоростей имеет 12 ступеней чисел оборотов шпинделя (от 90 до 2240 об/мин). В правой тумбе 12 расположено гидрооборудование станка (гидропривод). Выше левой тумбы размещен механизм программироваиия/6 со штоком 75, получающим перемещение от фартука 14. Механизм программирования 16 (рис. 205,6) подает электрические команды при автоматическом цикле работы. Электрический контакт осуществляется щетками, расположенными па движущейся каретке, через упоры, закрепленные на плите. Каретка со щетками, проходя над упорами, дает соответствующие команды («Подача», «Быстрый обратный ход», «Стоп» и т. д.).
Фартук, получает поступательное движение от ходового валика /5, который в свою очередь получает подачу от отдельного гидромотора МГ-152 с редуктором, смонтированного на правом торце станины. На фартуке расположена панель электроуправления для пуска и остановки станка, а также быстрого хода каретки.
В шпиндельной бабке 3 размещен шпиндель 2 с гидроцилиндром 2а для зажима заготовки, подаваемой на центры станка. С другой стороны заготовка зажимается задней бабкой 8 при помощи гидроцилиндра 8а. Последний осуществляет осевое перемещение пиноли задней бабки.
Заготовки поступают на загрузочный приемник 4 с цепной передачей /7, движение которой сообщает гидроцилиндр 4а через храповик /8. В соответствии с заданной программой заготовка при помощи механизма проталкивания 19 с гидроцилиндром 19а» укрепляемого на заднем торце шпиндельной бабки, проталкивается планками по лотку заготовок к автооператору 7. Последний имеет два подающих механизма с лотками (один над другим) с гидроцилиндрами 7а. Заготовка с нижнего лотка подается на линию центров станка; перед этим верхний лоток убирает готовую деталь, поднимая ее на уровень лотка готовых деталей. Поступившая па линию центров заготовка при помощи гид- роиилиндров 8а и 2а зажимается и закрепляется в патроне специальным устройством — цангой (помещается в патроне).
После настройки станка, зажатия и закрепления заготовки пакет- ный выключатель на щите шкафа 9 с электрооборудованием ставят в положение «Автоматическая работа» и кнопкой «Пуск» (на панели фартука включают главное движение (главный электродвигатель) и движение подачи (подвод гидрокопировального суппорта 6 к заготовке и щупа к копиру). С включением подачи последующие команды выполняются механизмом программирования через упоры плиты и каретку.
Гидрокопировальный суппорт (типа СГП2) (взамен поворотной части обычного суппорта) установлен на токарном автомате под углом 60° к оси центров станка. Гидросуппорт действует по схеме однокоординатного копирования с заданной продольной подачей. В качестве копира применяют плоский стальной шаблон.
При подаче очередной заготовки на нижний лоток механизм проталкивания при помощи пальца 5, находящегося на уровне лотка готовых деталей, проталкивает детали полотку и подает на лоток сбрасывателя 10. установленного на направляющих станины правее задней бабки. Получив очередную деталь, сбрасыватель при помощи гидроцилиндра 10а опускается, наклоняет лоток и сбрасывает готовую деталь на приемник 1L
Токарные резцы
По виду выполняемой работы резцы разделяют на проходные, подрезные, отрезные, расточные, резьбовые и фасонные.
Различают черновые (обдирочные) и чистовые проходные резцы. Первые используют для черновой обработки деталей, когда нужно снять толстый слой металла. Эти резцы бывают правые, левые, прямые (рис. 206,а), отогнутые. Чистовые проходные резцы (рис. 206,6), имеющие значительно больший радиус закругления при вершине, чем обдирочные, применяют для окончательной обработки изделий.
Черновыми и чистовыми подрезными резцами (рис. 206,в) обрабатывают торцовые поверхности заготовок или уступы при поперечной подаче.
Отрезные резцы (рис. 206,г) служат для разделения заготовок на части и выточки кольцевых канавок.
Рис. 206. Токарные резцы
Расточными резцами (рис. 206,5) обрабатывают сквозные и глухие отверстия; длина этих резцов всегда должна быть больше длины обрабатываемого отверстия.
Резьбовые резцы (рис. 206,^) по расположению головки относительно тела резца для нарезания наружной резьбы выполняют прямыми, а для внутренней — отогнутыми. Угол при вершине должен соответствовать профилю резьбы.
Фасонные резцы предназначены для чистовой обработки фасонных поверхностей. Форма главной режущей кромки резца должна строго соответствовать форме чистовой поверхности детали»
При токарных работах часто применяют специальные резцы, у которых изменена геометрическая форма с целью повышения их стойкости. Такие резцы предложены новаторами производства.
Токарные резцы обычно изготовляют из быстрорежущей стали (Р9, Р18, Р18Ф2 и др.), реже из легированной (9ХФ и ХВ5). У составных резцов режущая часть выполнена из твердс с плавных металлокерамических и минералокерамических пластинок, а тело резца — из углеродистой стали.
Твердые металлокерамические сплавы марок В К (карбид вольфрама с кобальтом) применяют для точения, главным образом, чугуна, цветных металлов и их сплавов, а также жаропрочных и нержавеющих сталей; сплавы марок ТК (на основе карбидов титана и вольфрама) используют обычно для точения пластичных металлов.
Для токарных резцов при черновом точении стали применяют пластинки металлокерамических твердых сплавов марок Т5К10, Т15К6, Т14К8, Т5К12В, а также ВК8 и ВК6М; для черновой обработки чугуна — ВК6, ВК8, ВК6М, а также Т30К4, Т5К10, Т14К8, Т15К6 и др. Для получистого и чистого точения стали применяют твердосплавные пластинки марки ВК6М, При чистовой обработке чугуна применяют пластинки марок ВК2, В КЗ, ВК6, ВК8, а также пластинки из минералокерамического материала марки ЦМ-332.
Для топкого точения используют алмазные резцы с напаянными алмазами или с механическим их креплением.
Пластинки из твердых металлокерамических сплавов соединяют с державкой резца пайкой, а из мияаралокерамики закрепляют при помощи различных механических приспособлений. На рис. 206,ж показано крепление такой пластинки на проходном резце. Пласгинка 2 прижимается накладным стружколомом 3 через подкладку 1 к державке 6 резца. Для надежного фиксирования положения пластинки служит упор 4. Стружколом крепят к державке шпилькой 5.
Резец с механическим креплением многогранных (многолезвийных), неперетачиваемых металло- и минералокерамических пластинок показан на рис. 206,з. При помощи механического крепления 7 пластинка 2 крепится к державке 6 резца. Эти резцы обычно предназначены для наружного обтачивания изделий: они имеют главные углы в плане <р = 45; 60; 75 и 90°. Главный задний угол а получают за счет соответствующей установки пластинки на державке резца.
Многолезвийные пластинки изготовляют трех-, четырех-, пяти- и шестигранными с диаметром описанной окружности 14—26 мм и рабо-
чей высотой 16—30 мм из вольфрамо-кобальтовых, тита по-вольфрамо- кобальтовых и минералокерамических сплавов. Такие резцы надежны в работе и позволяют осуществлять подачу в диапазоне 0,3—0,8 мм. Благодаря углублению (выкружке) на передней поверхности стружка хорошо завивается и дробится. Резцы с многолезвийными пластинками позволяют последовательно использовать для резания металла без переточки все грани пластинки* Срок их службы по сравнению с напаянными резцами увеличивается на 25—200%,
Основные виды токарных работ
На токарных станках можно выполнять точение в центрах, в патроне и на планшайбе; растачивание; торцовое точение, отрезку и подрезку, нарезание резьбы; точение конусов, фасонных поверхностей и другие виды работ с применением соответствующих инструментов и приспособлений.
s #
Рис. 207. Схема точения в центрах с неподвижным люнетом
Точение в центрах. Для обтачивания наружных цилиндрических поверхностей прутковые детали (валы, оси) с отношением L/D > 4 обычно подвергают продольному точению в центрах с использованием проходных резцов. Планшайбу навинчивают на шпиндель. Деталь с просверленными осевыми отверстиями на торцах и надетым хомутиком 5 (рис. 207) зажимают между центрами передней и задней бабок. Хомутик закрепляют на конце детали при помощи винта 2 так, чтобы его палец 4 входил в прорезь поводковой планшайбы 3.
Вместо планшайбы часто применяют поводковый патрон с безопасным хомутиком. Центр и хомутик на передней бабке станка защищены корпусом поводкового патрона; в последнем помещен поводковый палец, вращающий хомутик с деталью.
Для предохранения длинных деталей от прогиба (при L/D > 10— 12) применяют направляющие приспособления — неподвижные и подвижные люнеты. Неподвижный люнет 6 (рис, 207) ставят на обе 394
направляющие станины / и при помощи планки 9 и болта с гайкой 5 закрепляют между передней и задней бабками станка. Обрабатываемая деталь охватывается тремя регулируемыми упорами 7 (кулачками). При точении с большими скоростями вместо обычных упоров в люнетах устанавливают роликовые или шариковые подшипники, наружные кольца которых служат роликами, касающимися поверхности вращающейся детали.
Подвижный люнет крепят на каретке суппорта. Люнет имеет два упора, касающихся обработанной поверхности детали и принимающих на себя давление от резца.
Рис. 208* Токарные патроныРис. 208* Токарные патроныРис. 209. Крепление детали и а планшайбеРис. 209. Крепление детали и а планшайбе
Рис. 208* Токарные патроны
Рис. 208* Токарные патроны
Рис. 209. Крепление детали и а планшайбе
Рис. 209. Крепление детали и а планшайбе
При обработке на токарном станке тяжелых и длинных деталей один конец обычно закрепляют в патроне, а другой поддерживается центром задней бабки. Это необходимо для жесткого закрепления детали.
Точение в патроне. Наружное точение деталей длиной L <2 4D осуществляют проходными и подрезными резцами* Такие детали закрепляют только в патроне (без поддержки свободного конца центром задней бабки токарного станка). Для закрепления используют трех- и четырехкулачковые патроны, навинчиваемые на шпиндель.
Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон (рис. 208, а) используют обычно для закрепления симметричных деталей* В этом патроне кулачки /—3 имеют радиальное перемещение. Для этой цели служит большое зубчатое коническое колесо 4 с нарезанной плоской спиральной впадиной па торцовой стороне, а также связанные с Ним три небольших конических зубчатых колеса 5, вмонтированных в корпус 6 патрона. Выступы кулачков входят в спиральную впадину большого колеса и при вращении последнего вместе с кулачками совершают перемещение в радиальных пазах корпуса патрона.
В четырехкулачковом патроне (рис. 208,5) каждый из кулачков Л—4, укрепленных в радиальных пазах планшайбы 5 имеет независимое перемещение. Эти патроны применяют для установки и закрепления деталей сложной и несимметричной формы.
Обработку плоскостей пластин и других плоских деталей удобно проводить в патронах с постоянным магнитом-
При массовом и крупносерийном производстве некоторых деталей применяют патроны с пневматическими и гидравлическими зажимами, которые значительно облегчают и ускоряют работу.
Точение на планшайбе. При обработке несимметричных деталей и деталей сложной формы, закрепление которых в кулачковых патронах неудобно или невозможно, применяют планшайбу / (рис. 209), навинчиваемую на шпиндель. Планшайба представляет диск с радиальными пазами. Обрабатываемую деталь укрепляют на планшайбе бантами. Если такое крепление затруднительно, то сначала ставят угольник 2 и к нему прикрепляют обрабатываемую деталь-патрубок 3* Закрепленная деталь уравновешивается противовесом 4. При точении на планшайбе резцы применяют в зависимости от вида выполняемой работы; при обработке фланца патрубка (рис. 209) используют подрезной резец.
Растачивание Внутреннее точение осуществляют расточными резцами (см. рис. 206). Обрабатываемые детали укрепляют в кулачковых патронах или на планшайбе* Иногда растачиванию предшествует сверление отверстия.
Торцовое точение* При торцовом точении на обрабатываемой детали можно получить сплошную торцовую плоскость или частичную кольцеобразную плоскость поперечной подачей резца (см. рис. 206,в)* Точение торцовых поверхностей производят подрезными резцами; обрабатываемую деталь закрепляют в кулачковых патронах или на планшайбе.
Отрезание и подрезание* При отрезании или подрезании обрабатываемую деталь закрепляют в патроне. Отрезание выполняют при поперечной подаче отрезного резца (см. рис* 206,г). Подрезание можно производить перемещением резца к центру детали или от него.
Нарезание резьбы, Перед нарезанием резьбы производят настройку станка в большинстве случаев набором соответствующих сменных зубчатых колес гитары подач.
Расчетное уравнение кинематической цепи шпиндель — суппорт при нарезании резьбы выводится из условия, что за один оборот шпинделя продольное перемещение суппорта станка должно быть равно шагу резьбы tp, которое определяют по уравнению
^Р " ^Х.В^СМ^об* (1 1 2)
Отсюда
'см = <ДМ (ИЗ)
где tX B — шаг ходового винта станка; iCM — передаточное отношение сменных зубчатых колес; ^ — общее передаточное отношение всех постоянных передач от шпинделя до ходового винта.
Полученное отношение для настройки станка при нарезании резьбы определяет кинематическую связь ходового винта станка со шпинделем. Используя это отношение, можно решать различные задачи
Застройки станка для нарезания резьб подбором сменных зубчатых колес с соответствующим числом зубьев.
Деталь для нарезания резьбы закрепляют в центрах или патроне, qro зависит от ее длины. В качестве режущего инструмента применяют резьбовые резцы соответствующего профиля.
Точение конусов* Конические поверхности можно обрабатывать при довороте верхних салазок суппорта (рис. 210,а), при поперечном сме- 1дении корпуса задней бабки (рис. 210,6) при помощи копировальной линейки (рис. 210,в) и других приспособлений.
(114)(114)Угол поворота а суппорта определяют по формуле
(114)
(114)
tga = (О —d)/(2Z),
гдеО и d — больший и меньший диаметры конуса; I — длина конуса.
Затем верхние салазки поворачивают на угол а вокруг оси / (рис. ;210,а) и закрепляют их в этом положении. Точение производят про- входным резцом при ручной подаче вращением рукоятки 2. Этим спо- $обом можно обтачивать наружные и внутренние конусы небольшой ‘Длины, но с большими углами. Обрабатываемую деталь закрепляют f патроне.
\ Длинные детали с небольшой конусностью (a С 8°) обычно обрабатывают при поперечном смещении корпуса задней бабки (рис. 210,6} 86а величину Л, определяемую по формуле
Н-ЦО — d)/2U (115)
КГде L — длина всей детали.
После поперечного смещения корпуса задней бабки на величину h (до 15—20 мм) образующая обрабатываемого конуса параллельна направлению продольной подачи резца» поэтому точение можно вести с механической подачей.
Рис. 211. Схема точения фасонной заготовкиРис. 211. Схема точения фасонной заготовкиКонусные детали большой длины часто обрабатывают при помощи копировальной (конусной) линейки (рис. 210,в). С этой целью на кронштейне 3, прикрепленном к станине /, располагают линейку 4 с ползуном 5. Поперечные салазки станка освобождают от связи с гайкой на винте поперечной подачи и через тягу 7 соединяют с ползуном 5. Линейку 4 закрепляют болтами 2 и 6 под углом а» определенным по формуле (114). При продольном движении суппорта ползун 5 скользит по линейке и перемещает резец в направлении, перпендикулярном оси детали 8. В результате сложения двух движений резец перемещается параллельно копировальной линейке и обрабатывает поверхность по заданному конусу.
Рис. 211. Схема точения фасонной заготовки
Рис. 211. Схема точения фасонной заготовки
Точение фасонных заготовок* Фасонные заготовки обрабатывают фасонными резцами или при помощи копировальных приспособлений поперечной подачей.
и хорошо сохраняют свой профиль.и хорошо сохраняют свой профиль.Фасонные резцы обычно применяют в качестве чистовых, поэтому они долговечны Копировальные приспособле
и хорошо сохраняют свой профиль.
и хорошо сохраняют свой профиль.
ния, применяемые для обработки фасонных поверхностей, бывают механические и гидравлические.
На рис. 211 показана схема точения фасонной заготовки при помощи механического копировального приспособления. Копир 5 установлен в пиноли задней бабки 4. В резцедержателе 6 напротив резца укреплен ролик 3, который находится в контакте с копиром 5. Каретка суппорта 2 может свободно перемещаться в продольном направлении. При поперечной подаче резца и постоянном контакте ролика 3 с копиром 5 образуется сферическая поверхность детали L С таким приспособлением при замене копира можно обрабатывать другие фасонные заготовки.
Для получения фасонных поверхностей при продольном точении используют те же копировальные приспособления, что и при обработке конусов, по в этом случае копировальную линейку заменяют соответствующим фасонным копиром. Некоторые фасонные заготовки при продольном точении обрабатывают при помощи гидрокопирова- льных приспособлений, называемых гидрокопировальными суппортами.
Глава XXXIX
ОБРАБОТКА НА СВЕРЛИЛЬНЫХ СТАНКАХ
Процесс сверления
Сверление — весьма распространенный способ получения в обра- батываемой заготовке сквозных или глухих отверстий, а также рассверливания уже имеющихся отверстий. Режущим инструментом при сверлении являются сверла.
Рис. 212. Элементы режима резания при сверленииРис. 212. Элементы режима резания при сверленииСкоростью резания у при сверлении называют окружную скорость точки режущей кромки, наиболее удаленной от оси сверла* Скорость резания определяют по формуле (90) (D — диаметр сверла и п — число оборотов сверла в минуту).
Рис. 212. Элементы режима резания при сверлении
Рис. 212. Элементы режима резания при сверлении
составляет 45—80, а чугуна — 50—95составляет 45—80, а чугуна — 50—95Подача s равна величине перемещения сверла вдоль оси за один оборот. Поскольку сверло имеет две режущие кромки, то подача, приходящаяся на каждую кромку (рис. 212),Подача s равна величине перемещения сверла вдоль оси за один оборот. Поскольку сверло имеет две режущие кромки, то подача, приходящаяся на каждую кромку (рис. 212),Выбор скорости резания при сверлении зависит от механических свойств обрабатываемого материала и материала режущей части сверла, диаметра сверла, величины подачи, стойкости инструмента, охлаждения, глубины сверления и других факторов. Например, при работе сверла, оснащенного пластинкой твердого сплава ВК8, скорость резания стали м/мин.
составляет 45—80, а чугуна — 50—95
составляет 45—80, а чугуна — 50—95
Подача s равна величине перемещения сверла вдоль оси за один оборот. Поскольку сверло имеет две режущие кромки, то подача, приходящаяся на каждую кромку (рис. 212),
Подача s равна величине перемещения сверла вдоль оси за один оборот. Поскольку сверло имеет две режущие кромки, то подача, приходящаяся на каждую кромку (рис. 212),
s, = s/2.
Глубина резания t при сверлении отверстий в сплошном материале составляет половину диаметра сверла.
(116)(116)Площадь поперечного сечения среза, снимаемого двумя главными режущими кромками сверла за один оборот, определяют как удвоенное произведение толщины а на ширину среза b (рис. 212). Ширину и толщину среза (без учета перемычки) определяют по формулам
(116)
(116)
b = D/2sinv и ti —s/2-sin <р.
Машинное время сверления отверстий в сплошном теле определяют (^учетом длины прохода, подачи и числа оборотов сверла по формуле Гн = и (ns) = (/ + /, + ^'(ns),(117)
где I — глубина сверления, мм (рис. 212); Z, и Z2 — врезание и перебег сверла, мм (для сверл с двойной заточкой Z, + Z2 - ид и).
Мощность резания при сверлении jVp определяют исходя из крутящего момента сопротивления резанию Мкр и числа оборотов сверла п в минуту по формуле (105).
Для определения крутящего момента пользуются экспериментальной формулой
Мкр = cMD" Л,(118)
где см — коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого материала и другие условия обработки (определяется по таблицам).
При сверлении быстрорежущим сверлом заготовок из конструкционной стали см = 33,8; хм = 1,9 и ум = 0,8. При сверлении серого чугуна (НВ 190) см = 23,3; хм — 1,9 и ум = 0,8,
Инструмент для сверления и обработки отверстия
Рис. 213. Спиральные сверла:Рис. 213. Спиральные сверла:* — обычное; 6 —с отверстиями для падвпда охлаждающей жидкости* — обычное; 6 —с отверстиями для падвпда охлаждающей жидкостиНаиболее распространенный режущий инструмент при сверлении— спиральные сверла.
Рис. 213. Спиральные сверла:
Рис. 213. Спиральные сверла:
* — обычное; 6 —с отверстиями для падвпда охлаждающей жидкости
* — обычное; 6 —с отверстиями для падвпда охлаждающей жидкости
Спиральное сверло (рис. 213,а) состоит из рабочей части 1, шейки III и хвостовика IV. В рабочей части в свою очередь различают режущую 77 и направляющую или центрирующую части,
В направляющей части сверла расположены две канавки 7 и 6 для отвода стружки из просверливаемого отверстия, а также две ленточки 3 и 8 для обеспечения направления сверла при резании.
Режущая часть сверла имеет две главные режущие кромки 2 и 7, поперечную кромку 4 и две задние поверхности 5 и 9.
Угол при вершине сверла 2ф, образуемый режущими кромками, выбирают в зависимости от твердости и хрупкости обрабатываемого матери ала. Для обработки стали и чугуна средней твердости угол при вершине составляет 116—120°, для красной меди — 125°, для алюминия, мягкой бронзы, латуни — 130—140е.
Угол наклона винтовой канавки ев зависимости ст диаметра сверла принимают 18—30°.
Диаметр спиральных сверл с цилиндрическим и коническим хвостовиками
Изменяется в пределах 0,25—80 мм. При сверлении можно получить \/3—у 5-й классы чистоты поверхности и 4—6-й классы точ-
^ИОСТИ.
Для дальнейшей обработки отверстий, полученных сверлением, литьем или штамповкой, применяют зенкерование и развертывание.
Рис. 214. ЗенкерРис. 214. ЗенкерЗенкерование обеспечивает получение отверстий 3—7-го . классов точности и у 5—у 6-го классов чистоты; при развертывании получают отверстия 2—3-го классов точности и у 5— у 9-го классов чистоты.
Рис. 214. Зенкер
Рис. 214. Зенкер
Режущим инструментом при зенкеровании и развертывании служат зенкеры и развертки.
Зенкер (рис. 214) состоит из рабочей части /, шейки IV, конического хвостовика V и лапки VL В рабочей части
различают режущую // (заборную) и калибрующую III (направляющую) части.
Режущая часть зенкера состоит из срезанной торцовой части —- сердцевины 3 и трех или четырех режущих кромок 2. Каждая из них, как и в других инструментах, образована пересечением передней / и задней 4 поверхностями. Главный угол в плане ф выбирают в пределах
45—60°,
Калибрующий участок зенкера имеет три или четыре винтовые канавки и ленточки 5, Последние являются направляющими элементами зенкера; они обеспечивают большую точность обработки, препятствуя возможному отклонению инструмента в сторону. Угол наклона вин* товых канавок б — 10—30°.
По виду обрабатываемых отверстий зенкеры разделяют на цилиндрические, конические и комбинированные (многоступенчатые). Кроме цельных диаметром до 80 мм, применяют насадные зенкеры (цельные и со вставными ножами диаметром до 100 мм) и зенкеры с напаянными
пластинками из твердых сплавав.
Развертка (рис. 215,а) имеет рабочую часть /, шейку // и хвостовик III. В рабочую часть входят направляющий коиус или заборная часть IV, режущая часть V, калибрующий участок VI и обратный конус V1L
Основную работу выполняет режущая часть, каждый зуб которой имеет главную режущую кромку j, переднюю 2 и заднюю 3 поверхности (рис. 215,6). По передней поверхности сходит срезаемая стружка. Зуб развертки имеет передний угол у и задний а (рис, 215,в),
Режущая часть для обработки сквозных отверстий имеет угол, равный для ручной развертки 0,5—1,5°, для машинной развертки при обработке стали 12—15° и чугуна —3—5°. Главный угол в плане Ц) вли-
Рис. 216. Комбинированные режущие инструменты:Рис. 216. Комбинированные режущие инструменты:Рис. 215, РазверткаРис. 215, Развертка
Рис. 216. Комбинированные режущие инструменты:
Рис. 216. Комбинированные режущие инструменты:
Рис. 215, Развертка
Рис. 215, Развертка
яет на осевое усилие: чем он больше, тем больше потребное осевое усилие.
Развертки бывают цилиндрические и конические, ручные и машинные- У машинных разверток рабочая часть значительно короче, чем у ручных. По конструктивному выполнению развертки делят на хвостовые и насадные, цельные и со вставными ножами, оснащенные пластинками из твердых сплавов.
Спиральные сверла, зенкеры и развертки при небольших скоростях обработки изготовляют из углеродистых инструментальных ста
лей У10А и У12А, хромистых и вол ьфрамовы х инструментал ьны х сталей 9ХС и В1, а при больших скоростях обработки — из быстрорежущей стали различных марок. Изготовляют также сверла, зен-
я — сверло-сверло; 6 — сверло-зенкер; в — сверло-развертка; г — зенкер-развертка; 5 — сверло-зенкер-разеертка
керы и развертки, оснащенные пластинками из твердых сплавов марок В К и ТК.
Монолитные спиральные твердосплавные сверла (из сплавов ВК15М, ВКЮМ и др.) диаметром 1,5—5,5 мм предназначены для сверления труднообрабатываемых материалов. Стойкость таких сверл почти в 20 раз больше стойкости сверл из быстрорежущий стали.
Комбинированные режущие инструменты (рис. 216) применяют для повышения производительности при обработке отверстий в массовом производстве. Замена нескольких инструментов одним комбинированным значительно сокращает вспомогательное время (на смену инструмента), улучшает качество обработки, устраняет опасность несовпадения осей инструмента и отверстия и т. д.
Сверлильные станки
К сверлильным станкам относят собственно сверлильные и расточные станки.
Станки сверлильной группы разделяют на вертикально-сверлильные, радиально-сверлильные, одно- и многошпиндельные полуавтомат
Рис. 217. Одношпиндельный вертикально-сверлильный станок модели 2Л150:в — общий вид; б — кинематическая схемаРис. 217. Одношпиндельный вертикально-сверлильный станок модели 2Л150:в — общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 217. Одношпиндельный вертикально-сверлильный станок модели 2Л150:
в — общий вид; б — кинематическая схема
Рис. 217. Одношпиндельный вертикально-сверлильный станок модели 2Л150:
в — общий вид; б — кинематическая схема
ты, координатно-расточные, алмазно-расточные, горизонтально-сверлильные для глубокого сверления, расточные и специальные.
Указанные типы станков имеют несколько моделей.
На рис. 217// показан общий вид одношпиндельного вертикально- сверлильного станка модели 2А150. На фундаментной плите / крепится станина 9. В верхней части станины расположен электродвигатель 6 мощностью 7 кВт, который сообщает сверлу 3, укрепленному в нижней части шпинделя 4, главное (вращательное) движение. Это движение передается шпинделю через коробку скоростей, которая располо-
жена в консольной части станка, называемой шпиндельной головкой 5, Движение подачи (поступательное вдоль оси) сверло получает от коробки подач, укрепленной в подвижном кронштейне 7.
Вертикальное перемещение шпинделя и сверла может осуществляться механически по заданному режиму от коробки подач или вручную при помощи штурвала 8* В зависимости от формы и размеров заготовки ее укрепляют на столе 2 в машинных тисках, кондукторах или иных приспособлениях. При помощи рукоятки 10 стол можно перемещать по вертикали.
В станке предусмотрена возможность сверления отверстий на заданную глубину с автоматическим отключением подачи. На этом станке можно сверлить отверстия диаметром до 50 мм и глубиной до 300 мм. Станки имеют широкий диапазон чисел оборотов, шпинделя и подач; поэтому их применяют не только для сверления, но также для зепке- рования и нарезания внутренней резьбы.
Числа оборотов шпинделя на станке устанавливают изменением передаточного отношения коробки скоростей дк с путем переключения блока зубчатых колес 36—43—30—23, расположенного на валу / (рис. 217,6), или блока зубчатых колес 20—72—61—43t расположенного на валу IV. В результате получают 12 чисел оборотов шпинделя (от 32 до 1400 об/мин). Зная число оборотов электродвигателя Пдн, число оборотов шпинделя лшп можно определить по формуле (НО).
Согласно рис. 217,6 число оборотов шпинделя
17323295061
= 1500 * • 0,98 = 495 об/мин.
щ17360504347
Коробка подач получает вращательное движение от вала И (шпия- 29 29
деля) через зубчатую передачу— ии далее на вал VI коробки подач.
Установление необходимой подачи сверла производят переключением подвижных блоков 18—24—30 и 18—35—18» расположенных на валах VI и VI1L Полученное число оборотов вала VIII через систему зубчатых колес на валах IX и X, муфту Сцепления и червячную пару передается рейке, укрепленной на гильзе. В гильзе свободно вращается шпиндель; в вертикальном осевом направлении шпиндель перемещается только с гильзой.
Станок имеет девять подач (от 0,125 до 2,64 мм/об). Согласно рис. 217,6 и формуле (111) подача
s=i.JL.2L._*£ .2L.2L. Л .Л. 3,14.4. в =
47464635435360
= 0,125 мм/об,
где т и г — модуль и число зубьев реечного зубчатого колеса.
На рис. 218 показан общий вид радиально-сверлильного станка» модели 2Л53. Эти станки используют для сверления, рассверливания, зенкерования и развертывания отверстий, отдаленных от краев заготовки, а также для получения и обработки отверстий в крупных заго-
товках, установка которых на столе вертикально-сверлильного станка невозможна или неудобна.
На фундаментной плите / крепится неподвижная колонна 2 с поворотной гильзой 3. Разрезной хомут 9, скрепляющий гильзу с колонкой, стягивается специальным устройством. На гильзе закреплена консоль или рукав 8, перемещающийся по ней вверх или вниз при помощи двигателя 4, двухступенчатого редуктора 5 и винта 7. Консоль имеет шпиндельную головку 6 и шпин
дель /5, Последний посредством электродвигателя // коробки скоростей 12 и коробки подач 14 получает заданное главное (вращательное) движение и поступательное движение подачи (вдоль оси)*
Н^ станке можно получить 12 различных чисел оборотов шпинделя в минуту (от 55 до 2240 об/мин) и восемь различных подач (10,06— 1,22 об/мм). Если поменять местами сменные зубчатые колеса, то количество чисел оборотов можно удвоить.
Шпиндельная головка 6, для устойчивости фиксируемая на консоли зажимом, работает как самостоятельный узел и может перемещаться по направляющим рей-
W^WJIWW^WJIWРис. 218. Общий вид радиально-сверлильного станка модели 2А53Рис. 218. Общий вид радиально-сверлильного станка модели 2А53кам 13 консоли в радиальном направлении при помощи специальной рукоятки. Вокруг колонны консоль поворачивают на определенный угол механически или вручную*
W^WJIW
W^WJIW
Рис. 218. Общий вид радиально-сверлильного станка модели 2А53
Рис. 218. Общий вид радиально-сверлильного станка модели 2А53
При сверлении заготовку укрепляют неподвижно на съемном столе 10 или непосредственно на фундаментной плите /, а шпиндель со сверлом устанавливают в рабочее положение при помощи трех перемещений: вертикального вдоль оси шпинделя; радиального по направляющим консоли и вокруг колонны (на определенный угол).
Для получения отверстий сверлением, зенкерованием, расточкой или развертыванием в крупных литых корпусах применяют расточные станки, которые бывают горизонтально- и вертикально-расточные. На рис* 219 показан общий вид горизонтально-расточного станка модели 262Г. На жесткой литой станине 1 укреплена передняя стойка 2,
по направляющим которой может вертикально перемещаться шпиндельная бабка 3 с горизонтально расположенным шпинделем 4. Шпиндель получает главное (вращательное) движение и осевую подачу, параллельную плоскости стола. На шпинделе закреплена борштанга с расточным резцом, второй конец которой поддерживается специальным люнетом 6 задней стойки 7. Обрабатываемая деталь (литые крупные корпуса редукторов, станины, массивные блоки двигателей и т. д.)
укреплена на столе 5, имеющем продольную и поперечную подачи. Движения подач на станке осуществляются вручную и механически.
Во время расточки отверстий вершина резца описывает круговую траекторию и вместе со шпинделем получает продольную подачу. Иногда продольную подачу сообщают обрабатываемой заготовке вместе со столом; в этом случае шпиндель и резец получают только вращательное движение.
Рис, 219. Общий вид горизонтально-расточного станка модели 262Г
Растачивание отверстий может производиться резцами, устанавливаемыми в борштанге, и сверлами, зенкерами и развертками, закрепляемыми в шпинделе станка. Основным размером, характеризующим горизонтально-расточные станки, является диаметр шпинделя.
Основные виды сверлильных работ
Сверление, Различают обычное и глубокое сверление. При обычном сверлении для получения сквозных или глухих отверстий применяют спиральные сверла с коническими или цилиндрическими хвостовиками. Первые закрепляют в шпинделе станка непосредственно или при помощи переходных конусных втулок (рис. 220,а), вторые — при помощи двух- и трехкулачковых патронов (рис* 220,6)*
В зависимости от величины партии обрабатываемых деталей сверление производят по разметке или в кондукторах.
Сверление по разметке применяют при небольших партиях обрабатываемых деталей и ври выполнении ремонтных работ, когда затраты на изготовление кондуктора не окупаются. В этом случае точность обработки получается меньшей (не выше 5-го класса). При сверлении по разметке в зависимости от формы и размеров деталей их устанавливают и зажимают либо непосредственно на столе станка, либо в при-
способлениях. Чаще всего применяют машинные тиски (рис. 220, в), призмы (рис. 220,г) и угольники (рис. 220, д, е), укрепляемые на столе станка.
При обработке больших партий деталей производят сверление в кондукторах — специальных приспособлениях, изготовляемых по форме обрабатываемой детали. Кондукторы позволяют вести сверление без предварительной разметки детали и получать более высокую
точность обработки (до 4-го класса). При пользовании накладным кондуктором (рис. 220,ж) обрабатываемую деталь / закрепляют в машинных тисках или непосредственно на столе станка; кондуктор 3 накладывают и укрепляют боковыми винтами 2 на том части поверхности детали, где нужно просверлить отверстие.
Перед сверлением производится наладка станка (установка и проверка инструмента, укрепление обрабатываемых деталей и т. д.) и его настройка (выбор числа оборотов шпинделя и подачи).
При сверлении пользуются механической и реже ручной подачей сверла. При подходе сверла к выходу из сквозного отверстия во избежание его поломки механическую подачу выключают и досверливание производят при ручной замедленной подаче.
На многих станках имеются устройства для автоматического выключения подачи при достижении сверлом заданной глубины* Этими устройствами пользуются также при сверлении глухих отверстий на определенную глубину; часто при сверлении глухих отверстий применяют упорные приспособления или упорную втулку, закрепляемую на сверле.
При глубоком сверлении, когда длина отверстия превышает его диаметр в пять раз и более, обычно применяют специальные сверла (ружейные для сверления отверстий диаметром до 25 мм в сплошном материале, пушечные одностороннего резания для сверления отверстий диаметром более 25 мм и др,).
Сверление производят на горизонтально-сверлильных (глубоко- сверлильных) станках с вращением обрабатываемой детали и продольной подачей сверла, что уменьшает вероятность увода последнего от оси отверстия. Деталь закрепляют в кулачках патрона и в люнете,
В последнее время для сверления глубоких отверстий применяют спиральные сверла с прокатанными отверстиями для подвода охлаждающей жидкости непосредственно к режущим кромкам (см. рис. 213,6). Эти сверла, по сравнению со сверлами без отверстий, имеют повышенную стойкость, так как жидкость, попадая в зону резания, обеспечивает охлаждение режущих кромок. Кроме того, охлаждающую жидкость подают под давлением, облегчая удаление стружки и устраняя периодическое извлечение сверла из обрабатываемого отверстия для удаления стружки, Это увеличивает производительность станка. Применение таких сверл особенно эффективно при обработке отверстий на автоматах и автоматических линиях. Стойкость таких сверл в три— девять раз больше стойкости обычных спиральных сверл.
Рассверливай и е. Эту обработку применяют для отверстий диаметром более 25 мм. Сверла больших диаметров имеют перемычки значительных размеров, поэтому при их применении необходимы увеличенные усилия подачи. Кроме того, такие сверла часто отклоняются от оси сверления.
Сначала в заготовке просверливают отверстие меньшего диаметра №,3 -0,6 диаметра требуемого отверстия), затем его рассверливают сверлом заданного диаметра. Рассверливание уменьшает усилие подачи и увод сверла, поэтому процесс ведут при подаче в 1,5—2 раза больше, чем при сверлении одним сверлом.
Важным видом сверлильных работ является сверление, отверстий под резьбу* Эти отверстия сверлятся спиральным сверлом в сплошной заготовке или рассверливают в отливках и поковках.
Зенкерование и развертывание. Отверстия, полученные в заготовках сверлением, литьем или штамповкой, с целью получения большей точности размеров и чистоты поверхности подвергают зенкерованию и развертыванию.
Зенкерование применяют для окончательной обработки отверстий или для предварительной обработки под развертывание. Припуск под зенкерование зависит от диаметра отверстия, составляя от 0,6—1,0 мм для диаметров 10—18 мм и до 3—5 мм для диаметров 50—80 мм. При зенкеровании под развертку диаметр зенкера должен быть меньше
окончательного размера отверстия на величину припуска, снимаемого разверткой*
Для зенкерования обычно применяют зенкеры с коническим хвое- товиком, насадные цельные зенкеры и зенкеры со вставными ножами из твердых сплавов.
Для обработки центровых отверстий и торцовых поверхностей применяют соответственно центровочные зенковки и насадные торцовые одно- и двусторонние зенкеры* Чистовое зенкерование обеспечивает получение отверстий в пределах у 5—у 6-го классов чистоты и 3—7-го классов точности*
Развертывание является окончательной обработкой отверстий, полученных сверлением, зенкерованием или расточкой. При развертывании получают чистоту поверхности отверстий в пределах у 5—у 9-го классов и точность 2—3-го классов. В зависимости от конструкции развертки, ее диаметра и технологических требований,предъявляемых к ней, припуск под черновое развертывание обычно составляет 0,2— 0,5 мм, под чистовое — 0,05—0,20 мм на диаметр.
Для обработки цилиндрических сквозных и глухих отверстий применяют ручные или машинные развертки (цельные или со вставными ножами), а также цилиндрические развертки с коническим или цилиндрическим хвостовиком; для обработки конических отверстий— конические развертки.
При развертывании применяют охлаждающие жидкости (обычно эмульсии).
Глава XL
ОБРАБОТКА НА ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ
§ 1. Процесс фрезерования
Фрезерование — процесс обработки плоскостей, фасонных и винтовых поверхностей, нарезания шлицев, резьбы и зубчатых колес, получения винтовых канавок при помощи вращающегося режущего инструмента, называемого фрезой*
В зависимости от направления вращения фрезы и поступательного i перемещения обрабатываемой детали различают встречное фрезерование, когда заготовка подается навстречу вращения фрезы, и попутное фрезерование, когда направление подачи заготовки и вращения фрезы одинаковы.
При встречном фрезеровании (рис. 221,а) нагрузка на каждый зуб фрезы возрастает постепенно ина выходе достигает Максимального значения. Это обеспечивает более плавную работу Станка.
; При попутном фрез е р о в а н и и (рис. 221 ,б) зуб фрезы сразу снимает толстый слой металла, в связи с чем инструмент максимально нагружен. Это ухудшает условия работы инструмента и стан-
ка, особенно при обработке отливок с отбеленной коркой и поковок с окалиной.
Скорость резания у представляет окружную скорость фрезы, измеренную по ее наружному диаметру. Скорость резания определяют по формуле (90), где D — диаметр фрезы и п — число ее оборотов в минуту.
Скорость резания зависит от свойств металла обрабатываемой заготовки и материала режущей части фрезы, диаметра и стойкости фрезы, подачи, глубины резания и ширины фрезерования, а также от числа зубьев фрезы, охлаждения и т, д.
ис. 221. Схемы процессов фрезерованияис. 221. Схемы процессов фрезерования
ис. 221. Схемы процессов фрезерования
ис. 221. Схемы процессов фрезерования
Подачей s называют величину относительного перемещения обрабатываемой детали и фрезы (рис. см. 221), выраженную в мм/зуб, мм/об, мм/мин -
При черновом фрезеровании подачу выбирают возможно большей. Так, для цилиндрических фрез из быстрорежущей стали при фрезеровании конструкционной стали (глубина фрезерования t = 3—5 мм, ширина фрезерования В достигает 50 мм) подача составляет 0,2—0,3 мм/зуб; для чугуна при тех же условиях — 0,25—0,35 мм/зуб. При этом применяют фрезы с большим шагом или крупными зубьями.
При пол у чистовом и чистовом фрезеровании величина подачи ограничивается припуском на обработку, требуемой чистотой поверхности обработки, конструкцией фрезы и другими факторами. Для приведенных выше условий фрезерования величину подачи принимают при обработке стали 0,08—0,1 мм/зуб, чугуна 0,1—0,12 мм/зуб. В этом случае используют фрезы с мелкими зубьями или с малым шагом.
Гдубиной фрезерования С или глубиной резания, называют толщину слоя металла, снимаемую с обрабатываемой заготовки за один проход фрезы (см. рис, 221). Глубина фрезерования при черновой обработке равна 3—8 мм и более, при чистовой — чаще всего равна величине припуска на обработку (обычно 0,5—1,5 мм).
Шириной фрезерования В называют ширину обрабатываемой заготовки.
Площадь поперечного сечения среза, снимаемого одним зубом фрезы (например, цилиндрической), представляет собой произведение ширины фрезерования 5 на толщину срезаемого слоя а (см. рис. 221, а):
(119)(119)f^Ba*
(119)
(119)
Толщина срезаемого слоя, в процессе фрезерования изменяется при встречном фрезеровании от нуля в момент врезания зуба в обрабатываемую заготовку до максимального значения dmax в момент выхода зуба из заготовки (см, рис. 221,а); она измеряется в радиальном направлении.
В контакте с заготовкой одновременно находятся не один, а несколько зубьев. Суммарная площадь сечения среза, снимаемая в процессе фрезерования в данный момент времени всеми зубьями, влияет #а величину силы резания.
Машинное время обработки детали -— время, затраченное на процесс резания металла фрезой за один проход. При расчете машинного времени по формуле (93) учитывают длину пути перемещения фрезы относительно детали, подачу, число оборотов фрезы и число проходов.
Мощность фрезерования определяют по формуле (105) исходя из крутящего момента и числа оборотов фрезы. Для определения крутящего момента Л4кР нужно знать среднюю окружную силу резания Рг> которую рассчитывают по экспериментальной формуле
х у г
(120)(120)CpBt Р s/zP
(120)
(120)
где с — коэффициент, характеризующий условия обработки (определяется по таблицам); kp — общий поправочный коэффициент; z — число зубьев, одновременно находящихся в работе Iобычно z = (0,04 — 0,06)01; О — диаметр фрезы (чаще всего О = 1,6 В).
Значения коэффициента ср и показателей степеней хр, ур1 rp. qp и тр приводятся в справочных и нормативных материалах по режимам резания.
Для случая обработки цилиндрической фрезой из стали Р9 и Р18 значения коэффициента ср и показателей степени следующие:
Сталь ЧугунСталь Чугун69,23069,230ХР0,860.83ХР0,860.83Ур0,720.65Ур0,720.65гр 1гр 1^р0,860,83^р0,860,83тр ол 0,1тр ол 0,1
Сталь Чугун
Сталь Чугун
69,2
30
69,2
30
ХР
0,86
0.83
ХР
0,86
0.83
Ур0,720.65
Ур0,720.65
гр 1
гр 1
^р
0,86
0,83
^р
0,86
0,83
тр ол 0,1
тр ол 0,1
Зная Pz, легко определить Л1КР по формуле (100). После этого определяют потребную эффективную мощность или мощность резания по формуле (105).
Инструмент для фрезерования
Фреза — многолезвийный инструмент, у которого по окружности или на торце расположены режущие зубья, представляющие собой простейшие резцы.
Фрезы (рис. 222) разделяют на цилиндрические и торцовые для обработки плоских поверхностей; дисковые, концевые и угловые для обработки пазов, канавок и шлицев; фасонные для обработки фасонных поверхностей; модульные для нарезания зубьев; червячные для нарезания зубьев цилиндрических и червячных колес.
Зуб 4 цилиндрической фрезы (рис. 222,а) имеет главную режущую кромку 2; переднюю /, заднюю 3 и затылочную 5 поверхности. В сече^ нии зуба плоскостью N—N, перпендикулярной главной режущей кромке, можно рассмотреть следующие углы: передний 7, задний», заострения |3 и резания б -
Рис. 222. Основные типы фрез:
с— цилиндрическая прямозубая; б — цилиндрическая с винтовыми зубьями; в —дисконая пазовая; г — дисковая двусторонняя, <1 —дисковая трехсторонняя; е — торцовая; tie—концевая; з — пальцевая модульная; U — Червячная
Передний угол 7 служит для облегчения схода срезаемых элементов стружки и уменьшения их усадки. При обработке стали 7= 104-20°, чугуна у = 10 4- 15°; для твердых материалов угол принимают меньше, для мягких — больше.
Задний угол а предназначен для уменьшения трения между затылочной поверхностью зуба и поверхностью резания. Для различных фрез угол а = 12 4* 25°.
Зубья цилиндрических фрез могут быть прямыми или винтовыми под углом со к оси фрезы (рис. 222,6). У цилиндрических фрез угол со = 30 4- 40°, у дисковых и торцовых со = 10 4- 2 5°.
Фреза с прямыми зубьями врезается в обрабатываемую поверхность сразу по всей длине зуба, что приводит к переменной (толчковой) нагрузке на станок и несколько ухудшает поверхность обработки.
Фрезы с винтовыми зубьями работают более плавно; станок нагружен более равномерно, так как зубья фрезы врезаются в деталь постепенно, \
Для обработки мягкой и средней твердости стали при малых скоростях резания фрезы изготовляют из углеродистой инструментальной стали У12А (фрезы малых диаметров), а также из легированных сталей 9ХС, ХВ5 и ХВГ для работы при небольших скоростях резания и малых подачах. Хорошие результаты дает использование быстрорежущей стали Р9 и Р18; при обработке жаропрочных и нержавеющих сталей применяют фрезы из той же стали с присадками кобальта или ванадия.
При черновом фрезеровании сталей применяют пластинки из твердый сплавов марок В К и ТК; при чистовом — в основном марок ТК- Для черновой и чистовой обработки серого чугуна применяют твердосплавные пластинки марок ВК, а также минералокерамические пластинки марки ЦМ-332. Корпуса фрез изготовляют из сталей 40, 40Х, У8 и др.
Всесоюзным научно-исследовательским инструментальным институтом (ВНИИИ) разработаны фрезы торцовые с твердосплавными не- перетачиваемыми многогранными и круглыми пластинками с механическим креплением. Эти фрезы позволяют применять более износоустойчивые твердые сплавы и изменять установку или заменять пластинки на станке. По сравнению с напаянными фрезы конструкции ВНИИИ позволяют повысить стойкость в 1,5—2 раза, уменьшить время на восстановление фрез, сократить в 2,5—3 раза расход ножей из твердого сплава и несколько снизить машинное время обработки.
Фрезы с наружным диаметром 5—32 мм из твердых сплавов выпускают монолитными, их используют при интенсивных режимах резания.
Фрезерные станки
В зависимости от выполняемых работ и конструктивных особенностей станки фрезерной группы можно разделить на станки общего назначения и специальные.
Кфрезерным станкам общего назначения обычно относят горизонтально- и вертикально-фрезерные (с горизонтальным и вертикальным расположением шпинделя). Обрабатываемая деталь на этих станках перемещается чаще всего в продольном направлении.
Среди этих станков могут быть универсальные фрезерные станки. Они отличаются от других станков тем, что при фрезеровании ряда винтовых канавок и выполнении других видов работ стол можно повернуть на определенный угол (±454-50°) вокруг вертикальной оси.
К станкам общего назначения относят также продольно-фрезерные: односторонние с одним горизонтальным шпинделем, двусторонние с двумя горизонтальными шпинделями и многошпиндельные с горизон* тальными и вертикальными шпинделями.
Рис. 223. Универсально-фрезерный станок модели 6Н82Рис. 223. Универсально-фрезерный станок модели 6Н82Рис. 223. ПродолжениеРис. 223. Продолжение
Рис. 223. Универсально-фрезерный станок модели 6Н82
Рис. 223. Универсально-фрезерный станок модели 6Н82
Рис. 223. Продолжение
Рис. 223. Продолжение
К специальным фрезерным станкам можно отнести торце-фрезерные, бесконсольно-фрезерные, карусельно-фрезерные с вращающимися столами, барабанно-фрезерные с вращающимися барабанами, копировально-фрезерные для обработки различных фасонных поверхностей, а также резьбо-фрезерные, шпоночно-фрезерные, агрегатно-фрезерные и др.
Каждый тип фрезерных станков имеет несколько моделей.
На рис. 223, а показан общий вид универсально-фрезерного станка модели 6Н82. На фундаментной плите 1 кренится станина 2, в верхней части которой расположен хобот 5 для крепления подвески 6. С задней стороны станины смонтирован электродвигатель 3 мощностью 7 кВт, который через коробку скоростей, расположенную в верхней части станины, передает вращение на шпиндель 7. Фреза 8, закрепленная на оправке 9, осуществляет главное вращательное (вокруг горизонтальной оси) движение, получаемое от шпинделя. Коробка скоростей имеег лимб 4 переключения чисел оборотов шпинделя и кнопочную пусковую панель.
Станина станка имеет вертикальные направляющие для консоли 13. В верхней части консоли расположены стол 10, поворотная его часть //и салазки 12.
Обрабатываемая деталь, укрепляемая на верхней части стола, может иметь продольное, поперечное или вертикальное перемещение. Все три вида перемещений стола с деталью (подача) осуществляются механически от отдельного электромотора 14 мощностью 1,7 кВт через коробку подач, расположенную в консоли, или вручную посредством системы маховиков и рукояток.
С целью сокращения времени на подвод стола с закрепленной деталью к фрезе и отвод детали после окончания рабочего хода коробка подач обеспечивает быстрые (холостые) продольные, поперечные и вертикальные перемещения стола.
Стол можно настроить на полуавтоматический или ручной циклы работы; для настройки по первому циклу на дверке правого электрошкафа необходимо поставить среднюю рукоятку в положение «Управление от кулачков включено». Управление автоматическим ходом стола для продольного и поперечного перемещений стола осуществляют с помощью кулачков, укрепленных Набоковых плоскостях стола и салазок.
На рис. 223,6 приведена кинематическая схема универсально-фрезерного станка модели 6Н82. Шпиндель получает вращение от фланцевого электродвигателя 3 через упругую соединительную муфту и зуб-
чатые колеса валов /1Л Для достижения нужного числа оборотов шпинделя при фрезеровании производят изменение передаточного числа коробки скоростей путем включения подвижного блока зубчатых колес /6—22—/9, расположенного на валу //, и переключения блоков 26—27 и 82—19 и подвижного колеса 47, расположенных на валу IV. Таким образом, можно получить 18 чисел оборотов шпинделя V (от 30 до 1500 об/мин), передаваемых на оправку с фрезой.
(121)(121)Зная число оборотов лдв электродвигателя 3, число оборотов шпинделя ншп можно определить по формуле (110). При отсутствии ременной передачи формула (НО) имеет вид
(121)
(121)
ЛШП ^дв^к.с*
лшп = 1440 -лшп = 1440 -19361936Согласно рис. 223, б число оборотов шпинделя
лшп = 1440 -
лшп = 1440 -
19
36
19
36
~ • -^- = 75 об/мин. 3771
На заднем конце шпинделя насажен маховик, обеспечивающий равномерное вращение шпинделя и смягчение ударов при врезании зубьев фрезы в обрабатываемую заготовку.
Привод механизмов подачи получает вращение от электродвигателя 14. Для настройки на заданную продольную, поперечную или вертикальную подачу производят переключение ряда блоков зубчатых колес и муфт коробки подач, охватывающих валы VI—XL
С вала XI движение передается винту XVII продольной подачи стола по цепи 26/35, 18/33, 33/37 16/16 и 18/18; винту X17 поперечной подачи стола ио цепи 26/35, 18/33, 33/37 и 37/33; винту Х/Х вертикальной подачи стола по цепи 26/35, 18/33, 22/33 и 22/44. Путем этих переключений можно получить 18 скоростей подачи стола — продольные и поперечные в пределах 23,5—1180 мм/мин, а вертикальные в пределах 8—390 мм/мин.
При холостом перемещении стола коробка подач отключается и движение передается от электродвигателя 14 по цепи 26/44, 44/57, 57/43 к валу X/ и затем по указанной выше цепи. Скорость холостых продольных и поперечных перемещений составляет 2300 мм/мин, а вертикальных — 770 мм/мин.
Подачу s на универсально-фрезерном станке можно найти по фор* муле (мм/мин)
s = ^jWk, пА (122)
где пдв — число об/мин электродвигателя цепи подачи; <клт — передаточное отношение коробки подач; t — шаг винта продольной, поперечной или вертикальной подачи, мм.
Согласно рис. 223,6 продольная подача при / — 6
1ЛЛЛ 26203618402618331618
S = 1440 - • -— * - - - — - —• • —- х
44681840403533371618
X 6,- 490 мм'мин.
расположенную в станине коробкурасположенную в станине коробкуРис. 224. Общий вид вертикальнофрезерного станка модели 6Н12 .Рис. 224. Общий вид вертикальнофрезерного станка модели 6Н12 .На рис. 224 показан общий вид вертикально-фрезерного станка модели 6HI2* В качестве режущего инструмента на станке используют торцовые, концевые, пальцевые, шпоночные и другие фрезы.
расположенную в станине коробку
расположенную в станине коробку
Рис. 224. Общий вид вертикальнофрезерного станка модели 6Н12 .
Рис. 224. Общий вид вертикальнофрезерного станка модели 6Н12 .
На фундаментной плите 1 крепится станина 2, В верхней части станины находится шпиндельная головка 5 с вертикальным расположением шпицделя 6. Закрепляемая в шпинделе фреза 7 осуществляет главное вращательное (вокруг вертикальной оси) движение, получаемое от электродвигателя 4 через скоростей и дополнительную пару конических зубчатых ко лес, находящуюся в шпиндельной головке.
"Рассматриваемый станок имеет 18 чисел оборотов шпинделя в пределах 30—1500 об/мин; числа оборотов переключают рукояткой 3 коробки скоростей* Консоль 10 станка перемещается вверх и вниз по вертикальным направляющим станины. На консоли по соответствующим направляющим передвигаются поперечные салазки У, а по последним — стол 8.
Перемещение стола в продольном, поперечном и вертикальном направлениях для осуществления подачи обеспечивается от отдельного электродвигателя II через коробку подач, расположенную в нижней части консоли 10.
Коробка подач станка обеспечивает 18 скоростей продольной и поперечных подач в пределах 23,5—1180 мм/мин , а вертикальных — в пределах 80—390 мм/мин. Все три направления подач имеют рабочие медленные и холостые ускоренные перемещения стола, осуществляемые через отдельные зубчатые пары.
Основные виды фрезерных работ
Фрезерование плоских поверхностей. Различают фрезерование горизонтальных, вертикальных и наклонных плоских поверхностей и уступов,
Горизошпальные поверхности фрезеруют на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках цилиндрическими и торцовыми фрезами. Деталь в зависимости от ее формы и размеров закрепляют па столе в машинных тисках (рис* 225, а) или при помощи болтов, планок и подкладок (рис. 225,6).
Вертикальные поверхности фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках дисковыми трехсторонними фрезами (рис. 225, у) или на продольно-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 225, г)- Детали закрепляют на столе станка так же, как и при обработке горизонтальных поверхностей.
Наклонные поверхности фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках одноугловыми фрезами (рис. 225, д) или на вертикально-фре*
Рис, 225. Основные виды фрезерования плоских поверхностейРис, 225. Основные виды фрезерования плоских поверхностей
Рис, 225. Основные виды фрезерования плоских поверхностей
Рис, 225. Основные виды фрезерования плоских поверхностей
верных станках со шпинделем, установленным под углом а, торцовыми фрезами (рис. 225, е). Заданный угол а можно получить только на станках, у которых шпиндельная головка поворачивается в вертикальной плоскости. Кроме того, наклонные поверхности можно обрабатывать торцовыми фрезами при помощи специальных приспособлений, в которых обрабатываемую деталь закрепляют так, что ее наклонная поверхность становится горизонтальной.
Уступы обрабатывают на вертикально-фрезерных станках концевыми фрезами (рис. 225,9^); в этом случае одновременно фрезеруют две взаимно перпендикулярные плоские поверхности.
Фрезерование пазов, канавок и шлицев. Прямоугольные, Т-образные и типа ласточкина хвоста пазы фрезеруют, как правило, на вертикально-фрезерных станках концевыми фрезами (рис, 226, а, б). Прямоугольные пазы можно также обрабатывать на горизонтальнофрезерных станках дисковыми трехсторонними фрезами.
При фрезеровании шпоночных канавок прямоугольного сечения пользуются концевыми и специальными шпоночными фрезами. Обработку ведут на вертикально-фрезерных станках (рис. 226, е). Иногда шпоночные канавки фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках дисковыми трехсторонними фрезами.
Рис. 226, Основные виды фрезерования пазов, канавок, фасонных поверхностей и зубчатых колес
Деталь обычно закрепляют на столе станка в специальных машинных тисках с установочной призмой и поворотными губками.
Шл'лцы обрабатывают на горизонтально-фрезерных станках про- резвы у 11 фрезами.
Фрезерование фасонных заготовок. Для фрезерования фасонных заготовок небольших размеров на горизонтально-фрезерных станках применяют фасонные фрезы, профиль которых соответствует профилю изготовляемой детали (рис, 226, г). Фасонные заготовки более сложной рформы обрабатывают набором отдельных простых фрез (рис. 226,5) ли* *бо при помощи специальных копиров.
Фрезерование объемных фасонных поверхностей заготовок (штам- пыит. д.) производят обычно на специальных копировально-фрезерных станках.
Фрезерование зубчатых колес и винтовых канавок. Цилиндрические зубчатые колеса фрезеруют дисковыми модульными фрезами на горизонтально-фрезерных станках (рис- 226, е) или модульными пальцевыми фрезами на вертикально-фрезерных станках (рис. 226, ж). При крупносерийном и массовом производстве зубчатые колеса нарезают на специальных зубофрезерных станках.
Для поворота заготовок зубчатых колес на нужный угол, т, е. для деления окружности на части, служат специальные приспособления к фрезерным станкам -— делительные головки.
Рис, 227. Универсальная делительная головка
Применяют универсальные (с простым и дифференциальным делением), оптические и другие делительные головки. Наиболее распространены первые; они позволяют не только делить окружность на части, но и вращать обрабатываемую заготовку при фрезеровании винтовых канавок или зубьев.
Универсальная делительная головка 5 (рис, 227) укреплена на столе 2 фрезерного станка. Обрабатываемая заготовка 3 на специальном стержне зажимается между центрами задней бабки / и делительной головки 5, При простом делении окружности поворот заготовки 3 на заданный угол осуществляют рукояткой 6 со штифтом относительно неподвижного делительного диска 7, Рукоятка закреплена на валике 8, имеющем однозаходный червяк. Последний находится в зацеплении с червячным колесом, насаженным на шпинделе 4 делительной головки.
Червячное колесо имеет 30, 40 или 60 зубьев. При 40 зубьях передаточное отношение червячной пары г — 1/40, т. е, для полного оборота червячного колеса (а следовательно, и шпинделя 4) нужно повернуть рукоятку 40 раз. Это число называют характеристикой делительной головки. Для половины оборота шпинделя, т. е. для деления окружности на две части, надо сделать 20 оборотов и т. д.
Если число зубьев, на которое нужно разделить окружность заготовки зубчатого колеса, обозначить через г» а число зубьев червячного 420
п = Л7^п = Л7^колеса (характеристика делительной головки) через ^, то искомое число оборотов рукоятки п можно определить по формуле
п = Л7^
п = Л7^
(123)
Этой формулой обычно пользуются для определения числа оборотов рукоятки делительной головки при простом делении. Если на лимбе нет ряда отверстий, число которых удовлетворяло бы условию простого деления, то применяют дифференциальное деление; с этой целью диск через систему сменных зубчатых колес соединяют со шпинделем.
Универсальные делительные головки моделей Н*100, 11135 и Н- 160 (цифры обозначают высоту центров в мм) обычно снабжают одним- двумя дисками, у которых с обеих сторон расположены круги с несквозными отверстиями.
Обработку винтовых канавок производят на универсально-фрезерных станках, поворачивая стол станка и делительную головку.
Глава ХЫ
ОБРАБОТКА НА СТРОГАЛЬНЫХ СТАНКАХ
Процесс строгания
Строгание — процесс обработки горизонтальных, вертикальных и наклонных плоских и фасонных поверхностей, пазов, канавок и других выемок специальными резцами.
При строгании происходит прерывистое резание металла вследствие того, что резец совершает рабочий и холостой ходы.
Скоростью резания и называют скорость рабочего хода, при котором с заготовки срезается слой металла; для поперечно-строгального станка это — скорость рабочего хода ползуна с резцом, для продольно-строгального — скорость перемещения стола.
В зависимости от конструкции строгального станка скорость резания может быть переменной или постоянной.
На поперечно-строгальных стайках с кривошипно-кулисным механизмом скорости рабочего ур и холостого ук хода переменны. Для этих станков среднюю скорость резания (м/мин) можно определить по формуле
у = Ln (1 + ^)71000,(124)
где L — длина хода ползуна, мм; л — число двойных ходов ползуна в минуту; т — отношение скорости рабочего хода к скорости холостого хода; при средних и малых длинах хода ползуна т = 0,60 4- 0,75,
Строгальные станки с реечным механизмом для передачи движения имеют постоянную скорость рабочего хода. Для этих станков скорость резания определяют по формуле
up^2L№1000.(125)
Скорость резания при строгании определяют по той же формуле, что и при наружном продольном точении без охлаждения, но учитывая ударную и прерывистую работу резцов, полученное значение умножают на коэффициент £с = 0,75.
РхРхРис. 228. Схема процесса строганияРис. 228. Схема процесса строганияПо найденной скорости резания по формулам (124) или (125) рассчитывают число двойных ходов п ползуна в минуту.
Рх
Рх
Рис. 228. Схема процесса строгания
Рис. 228. Схема процесса строгания
Подача s представляет собой относительнее перемещение детали (для поперечно-строгальных станков) или резца (для продольно-строгальных станков)(рис. 228) в поперечном
направлении за один двойной ход; она измеряется в мм/дв. ход. Подача всегда производится в конце обратного (холостого) хода.
Глубина резания t (рис- 228) представляет собой толщину слоя металла, снимаемого за один проход
резца; ее измеряют в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности.
Поперечное сечение среза f (рис. 228) определяют произведением толщины а на ширину b срезаемого слоя, т. е.
f — ab — sL (126)
Машинное время при строгании, т. е. время, затраченное на обработку заготовки резцом, определяют по формуле (93), исходя из длины перемещения резца в направлении подачи, числа двойных ходов ползуна, величины подачи и числа проходов.
Расчет мощности резания на поперечно-строгальных станках при установившемся режиме работы производят по формуле (105) с учетом силы резания Pz в направлении движения ползуна, определяемой по формуле (101), и скорости резания о, рассчитываемой при строгании по формуле (103). Учитывая ударную и прерывистую работу резцов при строгании, полученное значение и по формуле (103) умножают на коэффициент kv = 0,75. При определении Р2 и и принимают те же значения коэффициентов ср и кр1 с^ и йс и соответствующих степеней, что и для наружного продольного точения без охлаждения.
§ 2» Строгальные резцы
Строгальный резец (рис. 229,о) состоит из стержня А и режущей части Б или головки. Головка резца имеет переднюю поверхность /, главную 2 и вспомогательную 6 задние поверхности, главную 3 и вспомогательную 5 режущие кромки, вершину 4.
При сечении главной режущей кромки резца плоскостью N—^1
перпендикулярной к поверхности резания (рис. 229,6), различают углы: главный передний у и главный задний а, заострения Р и резания 6. Кроме того, резец имеет главный <р и вспомогательный <рт углы в пла
не и угол при вершине в.
Главный передний угол у резцов из быстрорежущей стали выбирают в пределах 5—20° в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала; для твердосплавной режущей части резца угол у от- ^11-0и «
Рис. 229. Строгальный резец: а — основные части н элементы; б — углы резцаРис. 229. Строгальный резец: а — основные части н элементы; б — углы резцарицателен и изменяется в пределах угол а обычно равен 6—10°.
Рис. 229. Строгальный резец: а — основные части н элементы; б — углы резца
Рис. 229. Строгальный резец: а — основные части н элементы; б — углы резца
Главный угол в плане ср для проходных резцов принимают 304-75°, а вспомогательный угол в плане <р, — 10 4- 30°; для отрезных резцов <Pi = 24-3°
По расположению режущей кромки строгальные резцы делят на правые и левые; по расположению головки относительно стержня— на прямые и изогнутые; по виду выполняемой работы— на проходные, подрезные, отрезные, фасонные; по виду обработки — на черновые и чистовые.
Строгальные резцы для обработки стали и чугуна изготовляют из быстрорежущей стали Р9 и Р18 или с пластин-
ками из твердых сплавов
марок ВК8, ВК15, Т5К10 ПриРис. 230, Чашечный резец
черновом и В Кб, Т15К6,
Т5К12В, ТТ7К12 при чисто
вом строгании. Пластинки напаивают на стержень резца из углеродистой инструментальной стали,
Для чистового строгания плоскостей крупных стальных деталей применяют чашечные ершцаюифвся резцы (рис. 230), Резец состоит из изогнутой державки / с запрессованной в нее бронзовой втулкой 2 и изготовленной из быстрорежущей стали или твердосплавной чашки 5, Чашка цилиндрическим хвостовиком входит во втулку и закрепляется винтом 4 и гайкой 5,
Чашку устанавливают в рабочее положение, наклоняя ее ось в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости продольной подачи под углом 0лр = 3° и в плоскости поперечной подачи под углом Рпоп ~ 1°30' 4- 1°40'. Внедрение чашечных вращающихся резцов на чистовых строгальных операциях значительно снижает трудоемкость отделочных работ, исключая в большинстве случаев необходи
мость шабрения.
Строгальные станки
Строгальные станки в зависимости от конструктивных и технологических признаков разделяют на ряд подгрупп — поперечно-строгальные, продольно-строгальные, долбежные (вертикально-строгальные) и
Рис* 231. Поперечно-строгальный станок модели 736
специальные, В каждой подгруппе имеется несколько типов станков, отличающихся конструктивными особенностями* Поперечно-строгальные станки бывают кулисные, шестеренчатые (реечные), гидравлические, кривошипные и пр.; продольно-строгальные — одно- и двухстоечные; долбежные — кривошипные, с вращающейся кулисой и гидравлические; специальные — кромкострогальные, ямострогальные, копировальные и пр*
Типы строгальных станков имеют ряд моделей. Например, поперечно-строгальные кулисные и гидравлические станки имеют модели 736, 7А36, ТВ36, 7М36, 737, ТМ37 и т, д.; продольно-строгальные одно* стоечные—модели 712, 7128 и т- д,; продольно-строгальные двухстоечные — 724, 7231А и т. д.; долбежные — модели 7430, 7М430, 7450, 7М450 и т. д.
На рис. 231,0 показан общий вид поперечно-строгальное станка модели 736, предназначенного для обработки плоских и фасонных поверхностей мелких деталей. В станине 1 находятся коробка скоростей и кривошипно-кулисный механизм, которые передают движение от электродвигателя 2 ползуну 4 и столу 10. Ползун получает главное (возвратно-поступательное) движение, а стол — поперечное движение подачи. На конце ползуна смонтирован суппорт 8 с откидным резцедержателем 9*
Установка необходимого числа двойных ходов ползуна достигается рукоятками 3- Прорезь в ползуне 4 с подвижным зажимом 5 служит для перестановки ползуна при настройке станка. Суппорт с резцом можно опустить или поднять вращением рукоятки 7, регулируя глубину резания. При строгании наклонных поверхностей суппорт повертывают на определенный угол.
Обрабатываемую деталь закрепляют на столе непосредственно или в машинных тисках. Стол через храповой механизм /8 получает поперечное движение через систему передач от вала кулисной шестерни 2 = 100, Вертикальное перемещение стола производят вращением винта 12 при помощи рукоятки, расположенной с противоположной стороны станка. Для более жесткого крепления стола имеется поддерживающий кронштейн 11.
На рис- 231,6 приведена кинематическая схема поперечно-строгального станка. Вращательное движение от электродвигателя мощностью 3,5 кВт посредством червячной передачи передается коробке скорое* тей (валы I—ШУ Последняя через подвижные блоки зубчатых колес 25^30—20 и 45—28, насаженных на валы / и ///, может сообщить шесть чисел оборотов кулисной шестерне z = 100. Кривошипно-кулисный механизм, состоящий из кулисной шестерни z = 100 и кулисы А, шарнирно соединенной с ползуном 4, преобразует вращательное движение шестерни в возвратно-поступательное движение ползуна с резцом. Длина хода ползуна зависит от радиуса кривошипа кулисной шестерни: чем больше радиус кривошипа (пальца 14 с ползуном), тем больше длина хода ползуна, и наоборот; при этом соответственно изменяется и скорость движения ползуна. В современных станках длина хода ползуна колеблется в пределах 400—1200 мм.
На основании подсчета допускаемой скорости резания определяют нужное число двойных ходов ползуна лдв.х в минуту по формуле (121), в которой /кс — передаточное отношение коробки скоростей с , учетом передаточного отношения червячной пары.
Переключая рукояткой 3 подвижные блоки зубчатых колес коробки скоростей, получают необходимое передаточное отношение, а следовательно, и число двойных ходов* Согласно рис. 231,6 число двойных ходов ползуна
X ~ ^60 - — * — -* — = 30 дв, ход/мии,
Лв*х294028100
Движение подачи стола осуществляется посредством передачи движения от вала кулисной шестерни z = 100 через зубчатую пару 36/36. шатун 16. рычаг 17, собачку /5, на храповое колесо /S и винт поперечной подачи.
Рис. 232* Общий вид продольно-строгального станка модели 7231АРис. 232* Общий вид продольно-строгального станка модели 7231А
Рис. 232* Общий вид продольно-строгального станка модели 7231А
Рис. 232* Общий вид продольно-строгального станка модели 7231А
Величину поперечной подачи (мм/дв* ход) определяют по формуле
аа(127)(127)_ 36^поп
а
а
(127)
(127)
36
где а—число зубьев храпового колеса, захватываемых собачкой при подаче; г — число зубьев храпового колеса; /х-в — шаг ходового винта, мм.
Вертикальная подача суппорта с резцом осуществляется вручную или механически.
На рис. 232 показан общий вид двухстоечного продольно-строгального станка модели 7231А. По бокам станины / расположены две вертикальные стойки 6 и 5, соединенные поперечиной 7, По направляющим станины движется стол 2, на верхней плоскости которого расположены Т-образные пазы для закрепления обрабатываемой детали. Стол с деталью совершает главное (возвратно-поступательное) движение от электродвигателя постоянного тока посредством червячно-реечной передачи и редуктора.
На вертикальных стойках помещается траверса 4, перемещающаяся вверх или вниз по своим направляющим от самостоятельного электродвигателя* На траверсе размещены суппорты 5 и 9 с резцами для обра-
ботки горизонтальной плоскости детали. Оба суппорта имеют поперечную подачу по направляющим траверсы от электродвигателей. Вертикальная подача суппортов для снятия нового слоя металла осуществляется перемещением траверсы.
Для обработки вертикальных плоскостей заготовок используют расположенные на стойках 6 и 8 суппорты 3 и 10. Они также имеют
самостоятельное вертикальное перемещение вдоль направляющих стоек.
Станки моделей 7231А применяют для обработки крупных деталей (массой до 5 т) с максимальной длиной строгания до 3000 мм и шириной строгания до 1000 мм.
Для строгания вертикальных плоскостей, канавок и фасонных профилей по кругу применяют долбежные станки. Здесь долбежный резец совершает главное движение (возвратно-поступательное) в вертикальном направлении; движение подачи осуществляет обрабатываемая заготовка; оно может быть продольным, поперечным или круговым (вокруг вертикаль-
Рис. 233. Общий вид долбежного станка модели 7430Рис. 233. Общий вид долбежного станка модели 7430НОЙ оси).
Рис. 233. Общий вид долбежного станка модели 7430
Рис. 233. Общий вид долбежного станка модели 7430
На плите / долбежного станка (рис- 233) установлены станина 2 и стойка 5. В станине и стойке размещены все механизмы привода и подачи станка. По вертикальным направляющим стойки через гидропривод долбя к 7 с резцедержателем и резцом осуществляет возвратно- поступательное перемещение (вниз— рабочий ход, вверх — холостой ход). Гидропривод имеет отдельный электродвигатель мощностью 7 кВт и два гидронасоса. Пуск и остановку станка производят рукояткой 8, а бесступенчатое регулирование скорости перемещения долбяка (в пределах 0 — 16 м/мин) — рукояткой б.
На горизонтальных направляющих станины станка расположен стол 9, нижняя часть которого осуществляет продольную и поперечную подачу вручную при помощи маховичков 10 и 11, либо механически от гидропривода через коробку подач 3 в пределах ОД—L 25 мм/дв. ход долбяка. Верхняя часть этого стола при помощи специального делительного механизма имеет круговую подачу 0—2° на двойной ход, Стол с закрепленной на нем заготовкой во время работы резца остается неподвижным, а в момент реверсирования движения долбяка — полу-
Рис 234. Основные виды поверхностей, батываемых строганиемРис 234. Основные виды поверхностей, батываемых строганиемвертикальные плоскости обрабатывают на долбежных станках.Наклонные плоскости (рис. 234,#) обрабатывают на продольно- ивертикальные плоскости обрабатывают на долбежных станках.Наклонные плоскости (рис. 234,#) обрабатывают на продольно- и
Рис 234. Основные виды поверхностей, батываемых строганием
Рис 234. Основные виды поверхностей, батываемых строганием
вертикальные плоскости обрабатывают на долбежных станках.
Наклонные плоскости (рис. 234,#) обрабатывают на продольно- и
вертикальные плоскости обрабатывают на долбежных станках.
Наклонные плоскости (рис. 234,#) обрабатывают на продольно- и
чает одну из подач (продольную, поперечную или круговую). Ускоренное движение стола осуществляется от отдельного электродвигателя 4 мощностью 1,1 кВт.
Долбежные станки с гидроприводом рассмотренной модели предназначены для обработки деталей высотой до 200 мм.
Основные виды строгальных работ
Горизонтальные плоскости обрабатывают на поперечно- или про- дольно-строгальных станках проходными резцами. При черновом строгании принимают максимально возможную подачу и глубину резания (рис. 234,о). Кроме того, при черновой обработке крупных деталей
для полного использования мощности и повышения и роизводител ьност и станков применяют специальные резцедержатели для закрепления двух, четырех и более резцов. Чистовое строгание выполняют чистовым резцом при малой глубине резания / = 0,5ч- 1,0 мм.
Строгание вертикальных плоскостей осуществляют на продольно-строгальных станках проходными резцами, закрепленными в горизонтально расположенных суппортах; на поперечно-строгальных станках — подрезными и проходными
обра- резцами, установленными под некоторым углом к обрабатываемой поверхности (рис. 234,6); кроме того,
поперечно-строгальных станках проходными и подрезными резцами специальной формы или при наклонном положении суппорта. Резей подают вручную параллельно обрабатываемой плоскости. Наклонные плоскости можно также обрабатывать при помощи приспособлений; обрабатываемую деталь закрепляют так, что ее наклонная плоскость
получает горизонтальное или вертикальное положение.
Строгание пазов и канавок (рис. 234, а, д) удобнее всего вести прорезными прямыми и отогнутыми назад резцами при вертикальной или поперечной подачах.
Фасонные поверхности (рис. 234,г) обрабатывают фасонными резцами при поперечных и вертикальных подачах обычно с помощью копиров.
Обрабатываемые заготовки закрепляют на столе станка в машинных тисках, при помощи болтов, брусков, планок, накладок и т. п.
Глава ХЫ
ОБРАБОТКА НА ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ
Процесс шлифования
Шлифование —процесс обработки деталей при помощи шлифовальных кругов. В большинстве случаев шлифование является отделочной операцией, обеспечивающей высокую точность размеров и хорошее качество обработанной поверхности.
Рассмотрим элементы режима резания при наружном круглом шлифовании в центрах способом продольной подачи.
Скорость резания vK представляет собой окружную скорость шлифовального круга. Практически она составляет 30—60 м/с и более. Скорость резания (м/с) можно определить по формуле
vK=TDKnJ60 * 1000,(128)
где DK — диаметр шлифовального круга, мм; лк — число оборотов круга в минуту.
При шлифовании обрабатываемая деталь вращается со скоростью уд = 15 4- 50 м/мин. Скорость вращения детали определяют по формуле (90), подставляя Од — диаметр детали; пд — число оборотов детали в минуту. Вращение детали представляет собой круговую подачу.
Подача s — перемещение обрабатываемой детали за один оборот вдоль своей оси (продольная подача 5ДР).
Глубина резания / — толщина слоя металла, снимаемого шлифовальным кругом за один проход; определяют ее по формуле (91). Глубина резания при наружном круглом шлифовании является поперечной подачей snon.
Машинное время — время, затрачиваемое непосредственно на процесс резания металла шлифовальным кругом за один проход. Машинное время Гм (в мин) определяют по формуле
Тм = — 6,(129)
^д^пр^
где L — длина продольного хода стола, мм; Д — припуск на обработку (половина припуска на диаметр), мм; А — поправочный коэффициент на дополнительные проходы с целью обеспечения заданной точности размеров (при черновом шлифовании А = 1,14*1,4; при чистовом А = 1 >34-1,8).
Длину продольного хода стола обычно определяют по формуле £ = / — (! 4-2)тВ,
где I — длина заготовки; В — ширина круга; т = 0,34-0,5 (учитывает длину перебега круга).
При шлифовании на инструмент действуют три взаимно перпендикулярные силы: осевая сила или сила подачи РЖ1 радиальная сила Ру и касательная сила резания Pt* При наружном круглом шлифовании максимальной силой является Р а минимальной Р ; сила Pv — = (1,54-3,0)Рг
Сила резания Р2 создает крутящие моменты на шлифовальном круге и обрабатываемой заготовке, определяемые по формуле (100). Для определения касательной силы резания Р2 пользуются экспериментальной формулой
Pz = с/" s^ v\ (130)
где ср — коэффициент, характеризующий условия обработки (определяется по справочным таблицам).
При шлифовании закаленной стали кругом диаметром Ок = 500 мм и шириной В ~ 40 мм коэффициенту = 2,2; показатели степени л: = = 0,6; ур — 0,7; zp = 0,7, При шлифовании чугуна с = 2, показатели степеней те же, что и для стали.
Мощность резания Лгр и мощность, затрачиваемую на вращение обрабатываемой детали N^ определяют по формуле (105) или по формуле
.Vp = PA/102. (131)
Наружное круглое шлифование в центрах осуществляют способами продольной и поперечной подач, а также глубинным способом на круглошлифовальных станках.
При шлифовании способом продольной подочы (рис. 235, о) шлифовальный круг осуществляет главное вращательное движение ик, а обрабатываемая деталь — вращательное движение вокруг своей оси Од (круговая подача) и поступательное движение продольной подачи snp вдоль оси. Глубину шлифования / устанавливают поперечной подачей sntm шлифовального круга.
При шлифовании способом поперечной подачи (или способом вреза» ния) шлифовальный круг получает главное вращательное движение v8 вокруг оси и поперечное движение подачи $поп> а обрабатываемая деталь — только вращательное движение ид, Этот способ применяют для чернового или чистового шлифования деталей, длина которых полностью перекрывается шириной шлифовального круга.
Глубинный способ шлифования характерен тем, что шлифовальный круг устанавливают обычно на полную глубину шлифования (ОД 4-0,3 мм); шлифовальный круг получает главное вращательное движение t^, а обрабатываемая деталь — вращательное вокруг оси од и очень малую продольную подачу $лР вдоль оси. Этим способом обычно шлифуют короткие и жесткие валики.
Наружное круглое шлифование детали осуществляют также при
закреплении ее в патроне*
Внутреннее круглое шлифование (рис* 235, б)
применяют при обработке сравнительно коротких деталей продольными проходами или врезанием круга. При шлифовании продольными проходами круг осущест
вляет главное вращательное движение ук и продольное движение подачи snp, а обрабатываемая деталь — только вращательное движение вокруг оси Уд* Глубину резания / устанавливают поперечной подачей круга $поп*
При шлифовании врезанием ширина круга полностью перекрывает длину обрабатываемой детали. Работу ведут при неподвижном столе станка или же при небольшом возвратно- посту пате льном дв и- жении его в направлении продольной подачи для улучшения качества получаемой поверхности. Диаметр круга принимают 0,7—0,9 диаметра шлифуе-
Рис. 235. Основные виды шлифованияРис. 235. Основные виды шлифованиямого отверстия.
Рис. 235. Основные виды шлифования
Рис. 235. Основные виды шлифования
Плоское шлифование осуществляют наружной частью (периферией) и торцом шлифовального круга.
При шлифовании периферией круга (рис* 235, в) шлифовальный круг
осуществляет главное вращательное движение ик и поперечную подачу Snon* з обрабатываемая деталь, укрепляемая на столе станка, — возвратно-поступательное продольное движение подачи зпр. Глубину резания / устанавливают вертикальной подачей круга. Кроме того, стол с деталью может вращаться в горизонтальной плоскости (по принципу карусельных станков), а круг — радиально перемещаться относительно стола.
При шлифовании торцом круга (рис* 235, а) обрабатываемая деталь осуществляет то же движение, что и при шлифовании периферией круга, а шлифовальный круг — главное вращательное движение ук вокруг вертикальной оси* Глубину резания I устанавливают вертикальной подачей вдоль оси круга.
Бесцентровое наружное шлифование (рис. 235, д) состоит в том, что цилиндрическая обрабатываемая деталь 1, опираясь на упор 3, перемещается продольной подачей между шлифующим 2 и ведущим 4 кругами. Шлифующий круг снимает слой металла.
а ведущий или подающий круг, расположенный под некоторым углом к оси шлифующего круга, обеспечивает вращение детали и ее продольную подачу. В результате поворота оси ведущего круга его окружная скорость ив.к раскладывается на две составляющие — скорость вращения детали ид = vD K cosa и скорость продольной подачи с = ув.к t1 sina> гДе Р — коэффициент проскальзывания детали по ведущему кругу (р, = 0,944-0,98). Угол а принимают равным 1—5° (рис. 235, д); чем больше этот угол, тем больше продольная подача.
Если ось ведущего круга установить параллельно оси шлифующего круга, то а — 0° и деталь не получит осевого перемещения.
Для лучшего контакта с деталью ведущий круг выполняют не цилиндрическим, а вогнутым (форма гиперболоида вращения).
Профильное шлифование осуществляют при помощи приспособлений или копиров. Профиль одной или нескольких деталей обрабатывают одновременно или по переходам профильным кругом.
Для каждого из рассмотренных видов шлифования применяют шлифовальные круги особой формы и специальные станки.
Инструмент для шлифования
Шлифовальный круг состоит из абразивных зерен (режущих Элементов круга), связки и пор. Связка удерживает зерна в теле круга.
Шлифовальные круги характеризуются формой, размерами, видом абразивного материала, величиной зерна (зернистостью), видом связки, твердостью и внутренней структурой.
По форме шлифовальные круги разделяют на следующие типы: 1) плоские прямого профиля ПП (рис. 236, а) размерами 0=34-1100 мм, d = 14-305 мм, В = 64-200 мм — для наружного круглого, внутреннего, бесцентрового и плоского шлифования, а также для заточки резцов; 2) плоские с двусторонним коническим профилем 2П (рис. 236, б) и плоские конические профили 4П (рис. 236, в) — для шлифования резьбы, зубчатых колес и т, д.; 3) плоские с выточкой ПВ (рис. 236, г) — для круглого шлифования с подрезкой торца; 4) круги- диски D шириной (толщиной) 0,5—4 мм и наружным диаметром 80— 500 мм (рис. 236, д) — для отрезных и прорезных работ; 5) круги- кольца К (рис. 236, с), круги-чашки цилиндрические ЧЦ (рис. 236, ж) и круги-чашки конические УК (рис. 236, з) —для плоского шлифования торцом круга и др.
Шлифовальные круги изготовляют из естественных (алмаза» корунда, кварца, наждака) и искусственных абразивов (электрокорунда, карборунда, карбида бора).
Кроме абразивных, используют шлифовальные круги из синтетического (технического) алмаза разных марок. Алмазные круги применяют всех типов, за исключением кругов-чашек цилиндрических. Алмазные инструменты в отличие от абразивных изготовляют не сплошными; они имеют алмазный слой со связкой толщиной до 3 мм; закрепляют их на металлическом корпусе.
Зерна абразивных материалов обладают очень высокой твердостью н термостойкостью, имеют острые режущие кромки, способные резать
весьма твердые металлы и сплавы (чугун с отбеленным слоем, закаленную сталь и т, п.).
Зе/жыстостб шлифовального круга влияет на качество получаемой поверхности: чем мельче зерно круга, тем чище поверхность. Зернистость шлифовальных кругов характеризуется размером зерен и обозна-
Рис. 236» Формы шлифовальных кругов
чается соответствующим номером* Согласно ГОСТ 3647—71 абразивные материалы разделяют на три группы: шлифовальное зерно от № 200 (2500—2000 мкм) до № 16 (200—160 мкм); шлифовальные порошки от № 12 (160—125 мкм) до № 3 (28 мкм); микропорошки от М40 до М5 (40—3,5 мкм).
Круги с зернистостью до 80 мкм применяют для чернового шлифования, до 25 мкм — для обычного чистового шлифования, До 3 мкм — для резьбошлифования и микропорошки — для отделочных работ (доводка и т. д).
Связку изготовляют на неорганической (керамической К, силикатной С и магнезиальной М) или органической основе (бакелитовой Б и вулканитовой В). Большинство шлифовальных кругов готовят на керамической связке, имеющей повышенную прочность и допускающей охлаждение»
с Твердость шлифовального круга характеризуется сопротивляе- -мостью связки срыванию абразивных зерен с поверхности круга под
действием внешних сил. Установлены семь классов твердости шлифовальных кругов: мягкий — МЛ, М2, М3; среднемягкий — СМ1, СМ2; средний — CL С2; среднетвердый — СТ1, CT2t СТЗ; твердый Т1, Т2; весьма твердый ВТ1, ВТ2; чрезвычайно твердый — ЧТ1, ЧТ2. Цифры в обозначении характеризуют степень твердости абразивного материала в порядке ее возрастания.
Правильный выбор твердости круга существенно влияет на процесс шлифования и прежде всего на самозатачиваемость круга. Самозатачиваемость — выкрашивание из круга затупленных зерен и обнажение новых зерен с острыми гранями. При выборе для шлифования данного материала слишком твердого круга — зерна не будут выкрашиваться и, следовательно, самозатачивания не произойдет. Это приведет к засаливанию круга и ожогу шлифуемой поверхности. Из слишком мягкого круга зерна могут осыпаться и он потеряет форму. Обычно для шлифования мягких материалов выбирают твердые круги, и наоборот.
При засаливании круга с целью восстановления его режущей способности и исправления геометрической формы применяют правку шарошками, твердосплавными роликами, абразивными дисками и тех и ическ и ми а лмазами.
Объемное соотношение абразивных зерен, связки и пор характеризует структуру круга; ее обозначают номерами от Одо 12. Структуры № 0—3 называют закрытыми или плотными; круги с этими структурами применяют при круговом шлифовании твердых и хрупких материалов, когда требуется высокая чистота получаемой поверхности. Структуры № 4—7 называют средними; круги с этими структурами применяют для наружного круглого шлифования и плоского шлифования мягких металлов, Круги со структурой № 8—12 называют открытыми; их применяют для скоростного шлифования.
В последнее время применяют высокопористые шлифовальные круги со структурой № 13—18. При скоростном шлифовании круги с такой структурой захватывают воздух, который, создавая внутренние воздушные потоки, поглощает тепло, улучшая тем самым режущую способность абразивных зерен и уменьшая нагрев обрабатываемой детали.
Характеристика шлифовальных кругов отражается в их маркировке, Например, марка Э40СМ2К5 ПП600 х 20 X 305 50 м/с означает, что круг изготовлен из электрокорунда, имеет зернистость № 40, твердость СМ2, керамическую связку К, структуру № 5, плоскую форму прямого профиля размером 600 х 20 X 305 мм и допускает скорость вращения 50 м/с.
Шлифовальные станки
Шлифовальные станки по конструктивным и технологическим признакам (виду выполняемой работы) разделяют на кругло-, плоскошлифовальные, специальные, заточные и отделочные.
К круглошлифовальным относят станки для круглого шлифования в центрах, бесцентровые, полуавтоматы и автоматы; к внутришлифо- вальным — простые, планетарные, бесцентровые, полуавтоматы и
автоматы; к плоскошлифовальным — продольные и карусельные, работающие перифериен и торцом круга, полуавтоматы и автоматы; к специальным — зубо-, резьбо-, копировально-шлифовальные для шлифования шлицевых валиков, шаров и т. д*; к заточным — универсальные для заточки разных инструментов и специальные для заточки определенны х инсгрументов.
Отделочные станки по применению абразивного инструмента разделяют на станки, работающие шлифовальным кругом, порошком и полировальными пастами (притирочные, доводочные, хонинговальные, полировальные и Др.).
Каждый тип шлифовальных станков выпускают нескольких моделей. Так, круглошлифовальные станки для наружного шлифования в центрах имеют модели 3151, 316М, ЗА 151 и т. д.; бесцентровые станки — модели 3180, 3181 и т. д.; внутришлифовальные станки — модели ЗА240, 3250, ЗА229 и т. д.; плоскошлифовальные станки, работающие периферией круга, с прямоугольным столом — модели СК371, 3726, ЗБ722, с вращающимся столом — модели 3740, 375 и т. д.
На рис. 237 показаны общий вид и гидрокинематическая схема круглою лифовального станка модели 3151 для наружного шлифования в центрах.
Г дивное движение (вращательное движение круга) осуществляется от электродвигателя М II мощностью 8 кВт через клиноременную передачу, Уравнение кинематической цепи главного движения следующее:
лк — Лд -у- р = 1450 • -~- - 0,98 = 1005 об/мин, (13 2) 232
где и — коэффициент проскальзывания ременной передачи.
Круговая подача — вращение обрабатываемой детали, укрепленной между центрами передней и задней бабок, осуществляется от электродвигателя М / мощностью 0,35—0,8 кВт через плоскорсмениую передачу, конический фрикцион /, ременную передачу и поводковый патрон, свободно установленный на шпинделе.
Поперечная подача осуществляется поперечным перемещением шлифовального круга от гидропривода после каждого продольного хода стола благодаря возвратно-поступательному перемещению штока гидропил индра подачи 15 шлифовальной бабки. Шток получает движение вниз от скошенного кулачка и обеспечивает поступление масла в рабочий цилиндр 9 поперечной подачи, поршень которого перемещается вправо и через ряд рычагов приводит во вращение систему зубчатых колес. Вращение последних передается винту поперечной подачи с шагом / = 8 мм, связанному со шлифовальной бабкой* Этим обеспечивается механическая поперечная подача круга. Подачу шлифовального круга можно осуществить вручную при помощи маховика 12.
Продольную подачу обрабатываемой детали обеспечивает возвратно- поступательное движение стола от гидропривода или вручную. Переставные упоры 2—2, укрепленные сбоку стола, встречаясь при движении стола с рычагом 16 гидравлического цилиндра 17 продольной подачи, попеременно поворачивают рычаг вправо и влево. Вследствие этого золотники гидравлического цилиндра 17 переключают подачу масла то
в одну» то в другую сторону рабочего цилиндра /8 продольной подачи. Под давлением масла поршень цилиндра, а вместе с ним и стол перемещается вправо или влево, обеспечивая продольную подачу обрабатываемой детали. Скорость продольного перемещения стола гидроприводом можно регулировать при помощи дросселя 4. Для ручного управления столом имеется рычаг 6, через который сообщается движение золотникам гидравлического цилиндра 5, изменяется направление подачи масла и достигается остановка или пуск стола. Кроме того, стол вручную можно перемещать при помощи маховика 3.
На рис. 238 показан общий вид универсального плоскошлифовального станка, предназначенного для шлифования периферией круга различных плоских деталей. По направляющим станины / гидропривод осуществляет продольную подачу — возвратно-поступательное перемещение стола 10 со скоростью 2—40 м/мин. При работе от гидропривода реверс стола производится с помощью рычага 5, который переключается упорами, укрепленными с передней стороны стола. Обрабатываемую деталь укрепляют на электромагнитной плите или непосредственно на столе.
Поперечную подачу производит шлифовальная бабка 6 с кругом» которая при этом перемещается по горизонтальным направляющим каретки 8. Ручная поперечная подача шлифовальной бабки осуществля-
Рис. 237. Круглошлифовальный станок модели 3151: а — общий вид; б— гндрокн нематическая схема; Afr. Mjp Мщ—электродвигатели (передней бабки, шлифовальной бабки, гидропривода): 7—конический фрикцион; 5— переставные упоры;
3 — маховик ручной продольной подачи; 4 — дроссель; 5 — гидро- цилиндр ручного управления столом; 6 — рычаг ручного управления Столом; 7 — насос гидроцилиндра; 8—сливной клапан; 5 — рабочий цилиндр поперечной передачи; 10 — собачка храпового механизма; 11 — рычаг регулирования поперечной подачи; 12—маховик ручного перемещения шлифовальной бабки; 13 — рукоятка ручной поперечной подачи; 14 — золотник быстрого перемещения шлифовального круга; 15— гидроцилиндр подачн шлифовальной бабкн; ^ — рычаг гидроцнлиндра продольной подачи; /7—цилиндр продольной подачн; 18— рабочий цилиндр продольной подачи
Рис. 237. ПродолжениеРис. 237. Продолжение
Рис. 237. Продолжение
Рис. 237. Продолжение
егся маховиком /; для автоматической попе| е шои подачи служит гидрокоробка подач, панель управления 2 когорой имеет рукоятки для установки поперечной подачи. Поперечная подача шлифовальной бабки за каждый ход стола с бесступенчатым регулированием
Рис. 238. Общий вид плоскошлифовального станка модели ЗБ722Рис. 238. Общий вид плоскошлифовального станка модели ЗБ722осуществляется в пределах 0,5—30 мм.
Рис. 238. Общий вид плоскошлифовального станка модели ЗБ722
Рис. 238. Общий вид плоскошлифовального станка модели ЗБ722
Вертикальное перемещение каретки со шлифовальной бабкой для установления глубины резания происходит по вертикальным направляющим колонки 9; может быть ручное при помощи маховика 3 или автоматическое от гидропривода. Приводом шпинделя шлифовальной бабки является электродвигатель мощностью 10 кВт; включение его производится кнопкой 4.
Станок имеет главную насосную установку, обеспечивающую работу гидравлической системы, вспомогательную установку для смазки опор шлифовальной бабки, бак с охлаждающей жидкостью*
Основные виды шлифовальных работ
Наружное шлифование цилиндрических деталей производят иа кругл ошлифовал иных станках способом продольной или поперечной подачи, либо глубинным способом. Цилиндрические детали можно также шлифовать иа бесцентровых станках. Шлифование до упора на бесцентровых станках применяют для обработки ступенчатых деталей.
При наружном шлифовании цилиндрических деталей широко распространено шлифование способом продольной подачи при закреплении детали в центрах (см рис. 235,я).
Детали, имеющие большие отверстия, шлифуют на жестких или разжимных оправках, обычно укрепленных в центрах станка. Для вращения детали используют поводковые устройства, закрепляемые на шпинделе передней бабки.
Подготовка к наружному круглому шлифованию, как и при других видах шлифования, состоит в следующем: выбирают соответствующий шлифовальный круг и устанавливают его на шпинделе шлифовальной бабки; производят балансировку и правку круга; устанавливают деталь в центрах или на оправке. Устанавливают упоры продольной подачи, поперечную подачу и глубину резания. Проводят пробные про-
ходы и подналадку станка. После этого осуществляют шлифование обьвнэ за два прохода (черновой и чистовой).
Внутреннее шлифование цилиндрических деталей выполняют на внутришлифовальных, планетарно-шлифовальных и бесцентровых станках*
Для обработки внутреннего цилиндрического отверстия деталь небольших размеров закрепляют в патроне внутр и шлифовального станка и сообщают ей вращательное движение (см. рис. 235,6), Шлифовальный круг прямого плоского профиля получает вращательное движение и две подачи — продольную вдоль оси и поперечную (радиальную) после каждого прохода.
Глубину резания в зависимости от диаметра шлифуемого отверстия принимают равной 0,006—0,03 мм при черновом и 0,002—0,01 мм при чистовом шлифовании.
При внутреннем шлифовании круг должен иметь перебег на — своей ширины.
Внутреннее шлифование обычно ведут кругами небольших диаметров, сообщая им большие числа оборотов. Диаметр шлифовального круга определяется диаметром отверстия. При внутреннем шлифовании выбирают более мягкие круги, чем при наружном, так как площадка контакта в нервом случае больше, чем во втором. Стальные детали шлифуют, как правило, с охлаждением, а чугунные и бронзовые — всухую.
Обрабатываемые детали закрепляют в ручных, пневматических, гидравлических или электрических зажимных приспособлениях (обычно патронах). Крупные дстали,которые неудобно или невозможно закреплять в патронах, устанавливают на столе планетарно-шлифовального станка, шпиндель круга которого вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг оси обрабатываемого отверстия; кроме того, шлифовальный круг получает продольную подачу вдоль оси.
Отверстия колец шлифуют на бесцентровом станке. Бесцентровое шлифование обеспечивает очень высокую точность обработки.
Наружное шлифование конических деталей ведут на круглошлифовальных станках тремя способами: поворотом верхней части стола на угол а = 6—7° (что позволяет получить конусность детали до 12—14°); поворотом шлифовальной бабки и поворотом передней бабки вместе с деталью.
При первом и третьем способах продольная подача осуществляется возвратно-поступательным движением стола, поперечная — радиальным перемещением шлифовальной бабки; при втором способе продольная подача производится шлифовальной бабкой, а поперечная — продольным перемещением стола.
Наружное шлифование конических деталей ведут также путем заправки шлифовального круга на конус; улучшение качества шлифования деталей достигается при этом продольным колебательным движением круга*
Внутреннее шлифование конических деталей выполняют на универсальных внутришлифовальных станках поворотом на определенный
угол передней бабки с деталью, а также на бесцентровых станках поворотом корпуса с рабочими роликами и детали.
Фасонные детали обрабатывают на кругло- и плоскошлифовальных станках с помощью копиров и профилированных или фасонных кругов способом врезания. К фасонному шлифованию относят также обработку направляющих станин сложной формы.
Плоские детали шлифуют на плоскошлифовальных станках периферией или торцом круга; средняя скорость шлифовального круга в зависимости от обрабатываемого материала составляет 35—50 м/с. Крупные детали закрепляют на столе станка при помощи упоров, планок и других приспособлений, а мелкие — при помощи машинных тисков, электромагнитных и магнитных плит.
Шлифование зубчатых колес осуществляют на зубошлифовальных станках методом обкатки или профильным копированием, применяя фасонные шлифовальные круги. При обкатке зубья шлифуют двумя тарельчатыми кругами. Боковые профили зубьев обрабатывают при сложных движениях зубчатого колеса и шлифовальных кругов.
При профильном копировании зубья шлифуют фасонным кругом, имеющим форму впадины между зубьями. Таким шлифовальным кругом одновременно обрабатывают оба боковых профиля зубьев колеса.
Резьбу шлифуют на резьбошлифовальиых станках одно- или много- ниточными профильными шлифовальными кругами. Шлифование резьбы бывает наружное и внутреннее,
Глава хин
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Электрофизические и электрохимические способы обработки металлов и сплавов получают в машиностроении и металлообработке все более широкое применение. Этими способами обрабатывают материалы, которые обычными механическими методами обрабатывать трудно или вообще невозможно.
Электрофизические способы обработки
К электрофизическим способам обработки металлов и сплавов относят: электроискровой, электроимпульсный, электроконтактаодуго- вой, анодно-механический и ультразвуковой, а также лучевые способы.
Первые четыре способа обработки, называемые иногда э^ктроэро- зионной обработкой токопроводящих металлов и сплавов, основаны на явлении местного разрушения металла под действием электрической энергии. Эта энергия вводится непосредственно в зону обработки, где она преобразуется в тепло, выплавляющее частицы обрабатываемого металла.
При ультразвуковой обработке используют механические колебания повышенной частоты (свыше 20 кГц) инструмента в суспензии, состоящей из смеси абразивного порошка и жидкости, для ударного воздействия частиц абразива на обрабатываемый материал. К ультразвуковым способам обработки относят механическую размерную обработку (разрезание, сверление. Долбление, шлифование) твердых и весьма твердых металлических и других материалов, очистку металла от окалины, удаление поверхностных пленок и загрязнений и т, д.
Рис. 239. Схема электроискровой обработки металлов (а) и прошивочно- копировальный станок (б) модели 18М2
При лучевых способах обработки используют воздействие на обрабатываемый материал концентрированных электронных или световых лучей с высокой плотностью энергии. При этом съем определенной части материала происходит в результате преобразования энергии в тепло непосредственно в зоне обработки.
Электроискровая обработка металла основана на использовании кратковременных искровых разрядов. Схема такой обработки приведена на рис. 239,а. Заготовку (анод) 1 и инструмент (катод) 2 подключают к источнику питания с напряжением, достаточным для возбуждения искровых разрядов. Для их получения используют релаксационные генераторы импульсов. При работе таких генераторов по схеме сопротивление—конденсатор электрическая энергия поступает от источника энергии (например, от сети) через сопротивление 5 и постепенно заряжает конденсатор 6. По окончании зарядки напряжение на обкладках конденсатора повышается.
При сближении заготовки и инструмента происходит ионизация межэлектродного промежутка и его пробой, т. е. возникает электри- - ческий разряд в виде узкого проводящего канала (столба) с температу-
рой от 6000 до 50 000°С. Канал разряда обычно образуется между двумя самыми близкими выступами на электродах* У основания этого канала на поверхности выступов электродов происходит разрушение (оплавлением с частичным испарением материала) — электрическая эрозия»
В зависимости от длительности разряда изменяется глубина распространения тепла в электродах и характер их разрушения. При кратковременных (искровых) разрядах длительностью 1СМ— 10~8 с тепло распространяется на очень малый объем металла, который, расплавляясь и частично испаряясь, удаляется, оставляя углубление — лунку, точно воспроизводящую форму инструмента. При более длительных разрядах (№9 с и более) и особенно при непрерывном (дуговом) разряде тепло распространяется на больший объем металла и точного воспроизведения формы инструмента на металле не получается.
Канал, образовавшийся в процессе разряда, заполняется сильно ионизированными парами металла с появлением значительных ударных давлений, выбрасывающих капли расплавленного металла за пределы электродов, где они (капли) застывают в виде мелких частиц. Следующий разряд возникает между двумя другими выступами, оказавшимися в данный момент наиболее близко друг к другу. Так продолжается до тех пор, пока разряды не снимут с поверхности электродов все точки, лежащие на пробивном расстоянии. При увеличении расстояния между электродами (за счет съема металла) настолько, что приложенное напряжение окажется недостаточным для пробоя межэлектродного промежутка, процесс эрозии автоматически прекратится. Для возобновления и продолжения этого процесса электроды нужно сблизить. Постоянное расстояние между инструментом и заготовкой при заданном приложенном напряжении поддерживается специальным реле 4 (рис. 239,а), которое при съеме слоя металла с заготовки автоматически опускает шпиндель 3, в нижней части которого закреплен инструмент.
В ванне 7 с диэлектрической жидкостью частицы выплавляемого металла быстро отвердевают и в виде шариков оседают на дно ванны; жидкость препятствует расширению зоны действия разряда и способствует концентрации его тепловой энергии на малом участке поверхности. В качестве рабочей жидкости используют керосин и минеральные масла.
Электрод-инструмент изготовляют из латуни, меди, алюминия; реже из чугуна, мед но- или углеграфитовой массы*
При обработке используют генераторы импульсов МГИ-2М, МГИ- ЗМ, ВГ-ЗВ и др, Генераторы МГИ дают ток частотой 400 с-1 и силой 350 А.
Оборудование, применяемое для электроискровой обработки, состоит из стационарных и переносных станков различных моделей и приспособлений для выполнения отдельных операций.
На рис. 239, б показан общий вид универсального электроискрового станка модели 18М2 для прошивки отверстий * и обработки плоскостей. На основании 8 закреплена станина 6* по горизонтальным направляющим 5 которой может перемешаться каретка
4. Шпиндель 3 с инструментом имеет ручное перемещение и автоматическую регулировку межэлектродного расстояния. Обрабатываемая деталь закреплена на столе 2. После опускания шпинделя бак 1 с ми- неральным маслом поднимают так, чтобы обрабатываемая деталь и инструмент полностью погрузились в масло. На пульте управления 7 включают кнопку «Пуск» и начинается процесс обработки.
Промышленность выпускает электроискровые станки модели 18В для извлечения обломков сверл и других инструментов из глубоких отверстий, станки модели 37М для плоского шлифования и автоматические станки модели 62 для получения отверстий диаметром до 0,15 мм с точностью обработки до 0,01 мм.
Точность и чистота обрабатываемой поверхности зависят от энергии импульсов и длительности (частоты) разрядов* Чем меньше энергия импульсов и больше частота разрядов, тем более гладкой получается поверхность детали. При чистовой обработке (1000—10 000 имп/с) получается поверхность V6—V8-го классов чистоты, а при черновой обработке (50—3000 имп/с)—^1—^4то классов чистоты.
Электро импульсная обработка металлов основана на использовании явления электрической эрозии металлов в жидкой диэлектрической среде (обычно минеральное масло). Наиболее часто ее применяют для прошивки, объемного копирования и при обработке резцов, фрез и штампов из жаропрочных и твердых сплавов.
При электроимпульсной обработке заготовка является катодом, а инструмент — анодом. Это означает, что основное воздействие на обрабатываемую поверхность оказывают не электроны, а ионы* Процесс обработки состоит в последовательном возбуждении прерывистых разрядов между инструментом и заготовкой, расположенных друг от друга на расстоянии не более 0,1—0,12 мм.
Процесс обработки основан на плавлении малых частиц металла в зоне электрических разрядов, возникающих между электродами. Каждый разряд сопровождается выделением большого количества тепла, вызывающего плавление металла в зоне разряда и выброс расплавленных частиц металла из межэлектродного пространства* Расплавленный металл распыляется в жидком диэлектрике и затвердевает в виде мельчайших шариков, Плавление происходит преимущественно на заготовке. При обработке снимается до 6000 ммУмин металла. Чтобы зазор между электродами не увеличивался, инструмент непрерывно и автоматически подается в направлении обработки. При электроимпульсной обработке применяют низкое напряжение (от 10—12 до 24—26 В) и относительно большой ток (50—200 А),
Обрабатываемость материала определяется температурой его плавления и теплопроводностью и не зависит от механических свойств. Качество поверхности зависит от частоты импульсов и вида обрабатываемого материала. Так, при обработке стали и жаропрочных сплавов на установках с частотой тока 400 с'1 получают у 2—у/ 4-й классы чистоты; при обработке тех же материалов па установках с частотой тока до 25 000 с”1 и более получают у/5—у? 6-й классы чистоты.
Для обработки обычно применяют специальные станки различных моделей с машинными генераторами МГИ-2М, МГИ-ЗМ, ВГ-3 и высоко-
частотными импульсными установками с частотой 400—35 000 с^1 и мощностью до 28 кВт или электронным генератором с частотой 7000 и 25 000 с-1 и мощностью 3 кВт.
Электроконтактно- дуговая обработка основана на электромеханическом разрушении обрабатываемого металла
Рис. 240. Схемы различных видов электро- контактно-дуговой обработки металловРис. 240. Схемы различных видов электро- контактно-дуговой обработки металловпреимущественно на воздухе без применения электролита, Металл разрушается под воздействием элек- тродуговых разрядов при быстром перемещении инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Эту обработку применяют для резки заготовок (рис. 240, а)» обдирки отливок или слитков (рис, 240, 6), заточки инструмента (рис. 240, в), плоского шлифования (рис- 240, г) или очистки от окалины, обработки круглых заготовок (рис. 240, <Э), а также для сглаживания шероховатостей поверхности металлических изделий, прошивки отверстий и другой черновой обработки плоских и криволинейных поверхностей (например, шаров — рис, 240, е).
Рис. 240. Схемы различных видов электро- контактно-дуговой обработки металлов
Рис. 240. Схемы различных видов электро- контактно-дуговой обработки металлов
Обрабатываемую заготовку / и инструмент 2 (обычно диск) подключают
к источнику постоянного или переменного тока. Соприкосновение под небольшим давлением двух металлических электродов (заготовки и инструмента) приводит к образованию в месте контакта повышенного электросопротивления, разогреву, размягчению и плавлению материала заготовки. Для предотвращения плавления лиска ему придают боль- шую скорость перемещения относительно заготовки (30—80 м/с), что сокращает продолжительность контакта диска с заготовкой, или применяют охлаждение 5. При повышении напряжения до 30—40 В получается искродуговой разряд без заметного механического контакта меж
ду инструментом и заготовкой.
При обработке плоских и криволинейных заготовок металл снимают, последовательно проходя диском вдоль обрабатываемой поверхности. Заготовку перемещают по направлению к вращающемуся диску. Он должен вращаться так, чтобы расплавляемый металл заготовки выбрасывался в сторону ее необработанной поверхности. Для лучшего
удаления частиц расплавляемого металла пространство между диском и заготовкой продувают сжатым воздухом через сопло.
Обработку круглых заготовок осуществляют при одновременном вращении заготовки и диска; последний перемещается вдоль обрабатываемой заготовки.
При обработке шаров между двумя дисками-электродами шары оп
лавляются в непрерывно изменяющихся точках контакта и получают точную сферическую форму.
Электроконтактную обработку применяют для черновой отделки плоских и криволинейных поверхностей (\/1—у 2-й классы чистоты).
А в о д н о - м е х а н и-
ч е с к а я о б р а б о т- к а основана на электрохимическом и электротермическом разрушении обрабатываемого металла. Инструмент 2 (рис, 241, о) является катодом, заготовка 1— анодом. В процессе работы установки обрабатываемую зону заготовки пол ивают электрод итом через шланг 3 так, чтобы зазор между диском и заготовкой всегда был заполнен рабочей жидкостью. Иногда заготовку погру
Рис, 241, Схема анодно-механической обработки :с— резка заготовок: б—долбленые полостей штампов, матриц; d — обдирка отливок; г — шлифованиеРис, 241, Схема анодно-механической обработки :с— резка заготовок: б—долбленые полостей штампов, матриц; d — обдирка отливок; г — шлифованиежают в ванну с электролитом (рис. 241, б), в качестве которого обычно применяют водный раствор жидкого стекла (силиката натрия).
Рис, 241, Схема анодно-механической обработки :
с— резка заготовок: б—долбленые полостей штампов, матриц; d — обдирка отливок; г — шлифование
Рис, 241, Схема анодно-механической обработки :
с— резка заготовок: б—долбленые полостей штампов, матриц; d — обдирка отливок; г — шлифование
При прохождении по-
стоянного тока через электроды и электролит поверхность заготовки подвергается анодному растворению и на ней обра
зуется токонепроводящая пленка, которая снимается перемещающимся или вращающимся инструментом, обеспечивая непрерывное растворение металла. Кроме, того, инструмент и заготовка способны при определенных условиях возбуждать искродуговые разряды. При приближении (подаче) вращающегося диска к заготовке они контактируют по отдельным выступам, на небольших участках которых удалена пленка. При достаточно высоком напряжении, регулируемом реостатом, на малых участках поверхности возникают кратковременные дуговые разряды, Эти разряды, развивая высокую температуру, выплавляют металл заготовки и на месте выступов возникают впадины. В результате соседние участки оказываются выступами, которые при дальнейшем сближении инструмента с заготовкой также выплавляются. Следовательно, при анодно-механической обработке направленное разрушение металла происходит при совместном электрохимическом
Рис. 242. Схема анод но-механического станка модели АМО-14Рис. 242. Схема анод но-механического станка модели АМО-14и образом,(эрозионный)и образом,(эрозионный)
Рис. 242. Схема анод но-механического станка модели АМО-14
Рис. 242. Схема анод но-механического станка модели АМО-14
и образом,(эрозионный)
и образом,(эрозионный)
и электротермическом действии тока на обрабатываемую заготовку. Переход от электрохимических к электротермическим (электроэрози- онным) ироцессам обусловливается энергетическими иараметрами: с увеличением удельной мощности, подводимой в зону обработки, процесс приближается к эрозионному; с понижением этой мощности — к электрохимическому.
При чистовой анодно-механической обработке (шлифование, обработка полостей штампов и т, д. — рис/241, б, г) используют электрохимический процесс анодного растворения и механическое удаление образующейся пленки. Процесс протекает в среде жидкого стекла при напряжении на электродах 10— 12 В. При чистовом шлифовании достигается V8—V 10-й классы чистоты и 2—3-й классы точности. Однако производительность этого процесса низка (снимается не более 2—10 мм8/мин).
При черновых операциях (резка, обдирка и т- д. — рис. 241, а, в) используют, главг электротермический
процесс направленного разрушения обрабатываемого металла, В результате с увеличением производительности снижается чистота обработанной поверхности (до V2 — v4-ro классов чистоты). Получающиеся частицы металла выбрасываются из зоны обработки вращающимся инструментом (чаще всего диск). Скорость вращения диска обычно равна 10—30 м/с, а скорость его радиальной подачи — 40 мм/мин. Для разрезки заготовок диск обычно изготовляют толщиной 1—2 мм из меди, мягкой стали, чугуна или других материалов.
На рис* 242 показана схема станка модели АМО-14 для резки разных профилей на мерные длины* В станине 3 расположено зажимное приспособление 4 для закрепления разрезаемой штанги* Режущий диск 5 укреплен на коромысле //и получает вращение от электродвигателя 10. Подача диска производится демпфером-регулятором 7 и уравновешивается противовесом 9. При работе диск закрыт кожухом 6. Управление станком кнопочное (приборная панель 5). Электролит из бака 1 подается через сопло 2. Подача автоматическая.
Применяют также другие модели станков, например: дисковые разрезные; ленточные отрезные; заточные (для резцов); полуавтомат АФГ-3 для заточки фрез; станки для долбления полостей в штампах и отверстий в волоках и матрицах.
Ультразвуковую обработку — обработку с по-
Рис. 243. Схема ультразвуковой обработки (и) и прошивочный станок (б) модели 4772АРис. 243. Схема ультразвуковой обработки (и) и прошивочный станок (б) модели 4772А
Рис. 243. Схема ультразвуковой обработки (и) и прошивочный станок (б) модели 4772А
Рис. 243. Схема ультразвуковой обработки (и) и прошивочный станок (б) модели 4772А
мощью ультразвуковых колебаний — обычно применяют для прошивки отверстий любого профиля» долбления полостей, разрезания и других видов размерной обработки твердых и хрупких материалов. Сущность этого способа обработки состоит в том, что частицы абразива, будучи взвешенными в
воде или масле, непрерывно поступают под торцовую поверхность вибрирующего с ультразвуковой частотой и в струмента, который наносит удары по зернам абразивного материала и направляет их на обрабатываемую заготовку. Частицы абразива ударяют по ее поверхности, откалывая и выбивая частички металла.
Кроме того, в образовавшиеся под ударами зерен абразива трещины попадают кавитационные пузыр ь к и, образу ющи еся в жидкости вследствие избыточного давления и способствующие отслоению отколовшихся частиц. Съем материала происходит в основном с площадок, расположенных перпендику-
лярно к направлению ко- лебанийинструмента.
Циркуляция воды или масла в зоне обработки обеспечивает унос выкрошенных частичек металла с обрабатываемой заготовки и притупившихся зерен (частиц) абразива. В результате под инструментом образуется углубление, соответствующее форме и размерам этого инструмента.
Для практического использования ультразвуковой размерной обработки применяют разнообразные установки. Основные ее узлы — колебательная система для приведения в движение инструмента с ультразвуковой частотой и система подачи абразивной суспензии в зону обработки и для удаления отходов.
На рис. 243, а приведена схема ультразвуковой обработки. Колебательная система, основанная на явлении магнитострикции, включает ультразвуковой генератор 4, магнитострикционный преобразователь или вибратор 3 и акустический концентратор 5. Обрабатываемую заготовку 1 помещают в ванну 7, наполненную водой или маслом. Инструмент 6 прикреплен к нижней части акустического концентратора, полу*
чающего ультразвуковые колебания от магнитострикционного преобразователя или вибратора. Последний обеспечивает преобразование электрических колебаний мощного ультразвукового лампового генератора в механические колебания. При его помощи вырабатывается переменный ток частотой 15—30 кГц, который поступает на обмотку вибратора, создающую переменное магнитное поле ультразвуковой частоты. В этом поле длина сердечника уменьшается и увеличивается со скоростью ультразвуковых колебаний. Для увеличения их амплитуды применяют акустические концентраторы, в результате чего механические колебания инструмента имеют амплитуду 0,02—0,06 мм с частотой 15—30 кГц.
Систему подачи абразивной суспензии составляют центробежный насос, трубопроводы, сопло 2 и ванна 7, В зону обработки через сопло 2 ст центробежного насоса подают жидкость (вода, масло) со взвешенными частицами абразива.
Процесс ультразвуковой размерной обработки и ее производительность зависят от ряда факторов: амплитуды и частоты колебаний, давления инструмента на деталь, размера абразивных зерен, концентрации суспензии и др. Амплитуда колебаний инструмента определяет интенсивность ударов зерен абразива. При амплитудах 20—60 мкм скорость съема материала пропорциональна квадрату амплитуды. При увеличении амплитуды свыше 60 мкм рост производительности замедляется, а при амплитудах ниже 20 мкм скорость обработки резко снижается, В качестве абразива обычно применяют карбид бора зернистостью № 90—120. С увеличением номера зернистости и величины амплитуды интенсивность обработки повышается, а чистота обработки снижается.
Частота колебаний, принимаемая при ультразвуковой обработке в пределах 16—30 кГц, незначительно влияет на производительность.
Давление инструмента на деталь оказывает определенное влияние на производительность. Максимальная производительность достигается при давлениях в пределах 75—125 кН/м2 (0,75—1,25 кгс/см2).
Оптимальная концентрация абразива в суспензии составляет 35— 55% (по объему) при использовании для ее приготовления воды. При использовании керосина, машинного масла и т. д. при прочих постоянных факторах длительность обработки возрастает, а производительность умен ьшается.
Инструмент изготовляют из конструкционной стали 40, 45 и .50. Различныетехнологические операции ультразвуковой размерной обработки выполняют на специальных станках.
На рис. 243,6 показан общий вид ультразвукового станка для обработки полостей и отверстий в деталях из хрупких и твердых материалов (стекла, керамики, фарфора, твердых сплавов и т. д.). На нем можно изготовлять и восстанавливать вырубные, высадочные, чеканочные матрицы и волоки из твердого сплава; обрабатывать отверстия в ферритах; вырезать линзы из оптического стекла, пластины из германия и кремния; клеймить детали из хрупких и твердых материалов и т. д.
Станок состоит из станины /, на которой расположен стол 2 с продольной, поперечной и вертикальной подачами, На столе укреплена
ванна 3 с жидкостью, в которую помещают обрабатываемую деталь. Стол перемещается с точностью до ±5 мкм при помощи оптической системы, расположенной в станине, К станине прикреплена стойка 5 с головкой 4, в которой расположены магнитострикционный вибратор и акустический концентратор. Станок обеспечивает постоянную скорость обработки независимо от глубины отверстия обрабатываемой детали, Система автоматики позволяет обрабатывать детали по заданному циклу. Точность обработки на станке обеспечивается до =Е10 мкм. Можно обрабатывать отверстия при сплошном инструменте диаметром 80 мм при наибольшей глубине обработки 50 мм. Максимальная производительность при обработке твердых сплавов 50 мм^/мин, выходная мощность 1,6 кВт.
Промышленность серийно выпускает настольные станки различных моделей малой (0,4 кВт), средней (1—3 кВт) и большой мощности (3—4 кВт), а также станки модели МЭ-22 для сверления алмазных фильер, модели УЗМ-5М для обработки минералов, модели МЭ-46 для обработки полупроводниковых материалов и др.
Ультразвуковой метод обработки позволяет получать изделия с поверхностью высокой чистоты (V7—V9-й классы) и высокой точности размеров (2—3-й класс). Скорость обработки твердых сплавов составляет 0,5—-0,3 мм/мин; закаленной стали (HRC45—55) — 0,05 — 0,1 мм/мин; стекла, керамики, кварца — 2—7,5 мм/мин.
Введением ультразвуковых колебаний в систему резец — изделие можно повысить производительность и улучшить качество обработанной поверхности при обработке металлов резанием. Наиболее эффективно и рационально вводить колебания в направлении резания, так как при этом улучшается чистота поверхности и уменьшается усадка стружки, Вибрирование режущего инструмента с ультразвуковой скоростью снижает пластическую деформацию срезаемого слоя металла, уменьшает силы резания и влияет на ряд других показателей процесса резания металлов. Обработку металлов резанием с наложением ультразвуковых колебаний осуществляют при точении, сверлении, шлифовании.
Ультразвуковая очистка металлов или точнее интенсификация ультразвуком процессов химического и электрохимического травления и очистка металла от окалины, различных поверхностных пленок и загрязнений получила в промышленности широкое применение.
При химическом травлении (очистке) металла окалина растворяется в соответствующем растворе сравнительно долго. При прохождении ультразвука через травильный раствор образуются газовые или кавитационные пузырьки. Они собираются на очищаемой поверхности детали, проникают в поры окалины или загрязнения и в период сжатия захлопываются; каждый захлопнувшийся пузырек становится центром новой сферической волны, которая оказывает силовое воздействие на близлежащий слой жидкости и на очищаемую деталь. Это обеспечивает разрушение или отслаивание окалины и загрязнений, в результате чего процесс очистки металла значительно ускоряется.
При заданной интенсивности ультразвуковой энергии кавитацион-
ное разрушение зависит от температуры и вязкости раствора, частоты колебаний и других факторов. При ультразвуковой очистке пе только значительно сокращается ее продолжительность, но и облегчается удаление окалины и загрязнений, прочно сцепленных с поверхностью металла или находящихся в труднодоступных местах изделия» Так, например, если продолжительность химического травления металла при 60° С без ультразвука составляет 30 мин, то с применением ультразвука — 20 с.
Важным преимуществом ультразвуковой очистки является возможность замены в ряде случаев огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочных солей»
Для осуществления ультразвуковой очистки промышленность изготовляет ультразвуковые ванны УЗВ, ультразвуковые агрегаты УЗА и ультразвуковые установки УЗУ. Они позволяют производить травление и очистку проволоки от окалины (в волочильном производстве), напильников и надфилей после термообработки (в инструментальном производстве), горячекатаной ленты от окалины (в прокатном производстве), трубок радиаторов и других деталей от загрязнений (в автомобильной промышленности), стальных и латунных деталей перед гальваническим покрытием, жести перед лужением, а также удалять радиоактивные загрязнения с металлических поверхностей, жировые и масляные пленки на любых металлических поверхностях и т. д.
Электроннолучевая обработка — размерная обработка труднообрабатываемых металлов и сплавов, при которой используют свойство электронного луча передавать кинетическую энергию и превращать ее в тепловую» Источником электронного луча является термоэлектронная эмиссия, т» е. выход электронов из металл а при его нагревании. При повышении температуры металла электроны на внешней электронной орбите возбуждаются и некоторые из них могут получать скорости, достаточные для преодоления потенциального барьера. При сфокусировании этих электронов на малой площади получится электронный луч.
Для создания значительной энергии электронного луча необходимо протекание термоэлектронной эмиссии в среде с достаточно высоким вакуумом и с использованием высоких ускоряющих напряжений» Эффективность действия электронного луча еще более повышается, если его сфокусировать на весьма малой площади (до 1 *10”7 см2). В этих условиях плотность энергии электронного луча достигает весьма больших значений (107 —Ю9 Вт/см2). Такой луч, проходя через электрическое поле ускоряющего напряжения U = 10 000 ^* 30 000 В, имеет скорость электронов у = 6*(107 "108) м/с, примерно определяемую уравнением
у = 6- Ю5/^". (133;
При ударении электронного потока о поверхность металла с такой большой скоростью каждый электрон проникает в толщу металла на определенную глубину 6 (см), определяемую по уравнению
5 = 2,1 - 1012 • C/s/p, (134)
где 6 — свободный пробег электрона в толщу металла» см: (/ — ускоряющее напряжение, В; р — плотность металла, г/см8.
Из формулы (134) следует, что в тяжелых металлах пробег электронов меньше, чем в легких.
Количество электронов, ударяющихся о поверхность обрабатываемого металла в единицу времени, зависит от силы тока от катода к аноду. Даже при сравнительно малой силе тока, например ОД А, в секунду ударяется об обрабатываемый металл 5»1017 электронов. Таким образом, огромное количество электронов, сфокусированных в луч диаметром 0,1—10 мкм и движущихся с большой скоростью, падает на обрабатываемый материал и проникает на определенную глубину; там движение электронов тормозится. В таких условиях кине-
тическая энергия этого движения превращается с большим к. п. д. (97—99,9%) в тепловую энергию. Металл мгновенно нагревается до весьма высокой температуры (свыше 6000°С), благодаря чему он вместе
Рис, 244. Схема электроннолучевой установки для размерной обработкиРис, 244. Схема электроннолучевой установки для размерной обработкивоздействия луча плавится и испаряется, образуя отверстия» канавки, пазы, а также обеспечивая разрезку и другие виды размерной обработки. Этот вид обработки позволяет получать отверстия и пазы диаметром до
Рис, 244. Схема электроннолучевой установки для размерной обработки
Рис, 244. Схема электроннолучевой установки для размерной обработки
мкм.мкм.Размерная электронно-лучевая обработка производится на установке с электронной пушкой, обеспечивающей получение, ускорение, фокусировку и отклонение мощного электронного луча (рис. 244). От импульсного генератора напряжение накала и возбуждения поступает на катод У, который нагревается и является источником электронов. В установках малой мощности катод изготовляют из вольфрамовой нити; в установках больших мощностей из вольфрама изготовляют только нагреватель, а эмигрирующий элемент выполняют из гексаборида лантана ЬаВ2, отличающегося высокой эмиссионной способностью.
мкм.
мкм.
Лантаноборидный катод окружен фокусирующим электродом 2, который вместе с катодом имеет форму вогнутой линзы, чтобы создать менее расплывчатое электронное облако. В непосредственной близости от катода (на расстоянии 3—10 мм) устанавливают анод 3. Между катодом и анодом действует ускоряющее напряжение t/{) (обычно для установок малых и средних мощностей 10—30 кВ). Под влиянием этого напряжения поток электронов в виде пучка проходит через отверстие в аноде и дальше пронизывает катушку с током — так называемую электромагнитную линзу 4, которая своим магнитным полем фокусирует луч диаметром 2,5—10 мкм. Сфокусированный луч затем проходит через магнитную юстировочную систему 7, которая позиционирует (от-
клоняет) луч по двум координатам, перемещая его относительно обрабатываемой детали 8. чтобы обеспечить резание или формообразование. Деталь укрепляют на координатном столе У. Все системы электронной пушки, координатный стол и обрабатываемую деталь помещают в вакуумную камеру. За ходом обработки наблюдают при помощи микроскопа 5- Рабочая зона освещается верхним источником света 6 для отражательного освещения и нижним 10 — для сквозного просвечивания, Стол перемещают при помощи рукоятки 11 только для установки деталей в начальное положение; при обработке перемещается луч, стол неподвижен.
Импульсный режим работы электронной пушки при механической размерной обработке необходим для локализации нагрева участков обработки, Длительность импульсов выбирают так, чтобы за время одного импульса участок металла под лучом успел нагреться и испариться, а тепло не успело распространиться на всю деталь. В интервале между импульсами материал должен охладиться. В существующих установках длительность импульса изменяется от КГ8 до 10“* с при частоте 50—5000 Гц.
При таком режиме обработки ширина зоны оплавления не превышает диаметра луча. Глубина проникновения луча в 100 раз больше его диаметра, что позволяет прорезать паз (канавку) шириной 10 мкм и глубиной 1 мм. Механическими методами обработки это неосуществимо.
Кроме размерной обработки электроннолучевой способ применяют для оплавления поверхностного слоя металла с целью устранения трещин, образующихся при закалке, и других видах обработки деталей; для упрочнения закаленной поверхности после заточки и шлифования; для сварки и т. д., а также для напыления защитных пленок металлических и неметаллических материалов.
Обработка световым лучом ( л азером) — размерная обработка труднообрабатываемых материалов производится также световым лучом, получаемым в квантовых генераторах света (лазерах). В основу этого способа обработки металлов положено использование внутренней энергии возбужденных атомов и молекул некоторых веществ.
Возбужденный атом в большинстве случаев удерживается на высоких уровнях возбуждения миллиардные доли секунды и переходит на более низкий основной или промежуточный уровень. Атомы некоторых материалов (например, розового рубина), возвращаются на основные уровни с большой задержкой (несколько тысячных долей секунды) на промежуточных уровнях. Это позволяет организовать их накопление на определенном уровне. Как только на нем накопится возбужденных атомов более половины всех атомов вообще, процесс разрядки завершается лавинным их переходом на основной уровень и излучением энергии, соответствующей разности верхнего и нижнего энергетических уровней.
Переход возбужденных атомов с верхнего или промежуточного энергетического уровня на основной можно индуцировать (стимулировать) внешней силой. Например, электромагнитной волной той же час- 452
Рис. 245. Схема работы рубинового лазераРис. 245. Схема работы рубинового лазератоты, фазы и направления, что и возбужденные атомы, можно создать условия одновременного излучения атомами света и получать при этом интенсивное когерентное излучение. Придавая такому световому потоку импульсный режим и фокусируя его луч в очень тонкий пучок, можно обеспечить в нем большую концентрацию энергии. Луч выделяет тепло на поверхности; вглубь тепло распространяется благодаря теплопроводности, Очень малый участок обрабатываемого материала, на который направлен световой луч, мгновенно нагревается, плавится и испаряется* Это обеспечивает разрезку обрабатываемого материала при помощи светового луча, получение очень малых отверстий и выполнение других видов размерной обработки.
Рис. 245. Схема работы рубинового лазера
Рис. 245. Схема работы рубинового лазера
Лазеры работают в импульсном режиме с частотой до 1 Гц и сосредоточением луча в пучок диаметром до 0,01 мм при длительности импульса в тысячные доли секунды,
Оптический квантовый генератор состоит из трех основных элементов: активного вещества, являющегося источником индуцированного излучения; источника возбуждения (подкачки), который снабжает внешней энергией активное вещество; резонансной системы, обеспечивающей фокусирование излучения.
Сущность работы лазера состоит в следующем (рис. 245). Активное вещество 4 помещают внутри импульсной спиральной лампы вспышки 5 (обычно ксеноновая), которая является источником возбуждения (подкачки). Эта лампа питается током от высоковольтного конденсатора & В качестве активного вещества используют рубиновый стержень; наибольшее применение получил розовый синтетический рубин — кристалл корунда с примесью окиси хрома А12Оэ-Сг2О3. В одной из эффективных конструкций лазера рубиновый стержень имеет диаметр 6,35 мм и длину 63,5 мм.
Резонансной системой является рубиновый стержень, плоские торцы которого полируют до оптически ровных строго параллельных поверхностей; при этом один торец покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, а другой, также посеребренный, имеет коэффициент пропускания света порядка 8%. Рубиновый стержень заключен внутри стеклянной трубки 3, через которую непрерывно подается охлаждающая среда от входа / к выходу 7, Стержень фиксируется пружиной 2.
От конденсатора S импульсная лампа 5 получает возбуждение — вспышки света длительностью около 0,001 с — и посылает эти излучения (внешнюю энергию) активному веществу — рубину* Свет импульсной лампы посылает на рубиновый стержень поток фотонов с колеблющейся длиной волны 4100 и 5600 А*
Потоки фотонов выходят наружу через полупрозрачный торец рубинового стержня и при помощи Дополнительной фокусирующей системы направляются на обрабатываемый материал, выполняя работу резания путем нагрева металла до температуры испарения. При обра-
ботке световым лучом обеспечивается съем металла до 50 мм3/мищ Один из советских лазеров промышленного назначения (модель ГОР- 100) обладает такой значительной энергией, что даже его несфокусиро- ванный луч света способен прожечь металлические пластины.
В настоящее время для размерной обработки применяют главным образом лазеры на синтетическом рубиле, а также на кристаллах фтористого кальция с примесями урана и фтористого кадмия. Используют также газовые лазеры из смеси гелия и неона.
Обработка материалов с помощью лазеров не требует вакуумных камер; работу можно осуществлять в любой атмосфере или в стеклянных ампулах; в последнем случае обработка производится через стек» ло, которое, так же как и воздух, для красного луча не является препятствием. Недостатком лазеров является низкий к. п. д. (около 1%)»
Электрохимические способы обработки
К электрохимическим способам обработки металлов и сплавов, получивших в промышленности наибольшее применение, относят электролитическую очистку от загрязнений,электролитическое полирование, электролитическую размерную обработку в проточном электролите, а также химико-механическую притирку, чистовую доводку и шлифование поверхности изделий и т. д.
Электрохимическая обработка металлов основана на использовании химического действия электрического тока, т. е. анодного растворения металлов воздействием на них электрического тока в среде электролита. При погружении в электролит двух электродов, одним из которых является обрабатываемое изделие (обычно анод) и подключении их к источнику постоянного тока поверхность анода растворяется.
Один из распространенных в промышленности видов электрохимической обработки — электрохимическое травление металлов для удаления окалины и других химических загрязнений с поверхности изделий. При этом виде обработки в ванну 1 (рис. 246,а) с электролитом (растворы кислот или солей) помещают обрабатываемое изделие 2 и два катода 3, которые подключают к источнику постоянного тока. При соответствующей плотности тока происходит растворение металла изделия (анода). Этот процесс протекает в тонком слое электролита, непосредственно прилегающем к поверхности обрабатываемого изделия. Вместе с растворяемым металлом удаляется находящаяся на поверхности окалина, ржавчина, пригар. Эту обработку часто применяют в качестве промежуточной операции при прокатке листов, получении жести и других видов обработки металлов давлением.
Для удаления механических загрязнений (жировых пленок и т. д.) применяют электролитическую очистку. Принципиальная схема та же, что и при травлении, но очистку проводят при меньшей плотности тока. Эту операцию часто используют в приборостроении для очистки мелких деталей от поверхностных загрязнений. При электролитической очистке металлов применяют щелочные и щелочно-кислотные электролиты.
При электролитическом полировании внутренней поверхности труб для удаления окалины, загрязнений и сглаживания неровностей катод помещают внутрь трубы (рис. 246,6). Процесс обычно ведут в проточномПри электролитическом полировании внутренней поверхности труб для удаления окалины, загрязнений и сглаживания неровностей катод помещают внутрь трубы (рис. 246,6). Процесс обычно ведут в проточномэлектролите который подают по трубке 4, а излишек электролита удаляют через патрубок 5.
При электролитическом полировании внутренней поверхности труб для удаления окалины, загрязнений и сглаживания неровностей катод помещают внутрь трубы (рис. 246,6). Процесс обычно ведут в проточном
При электролитическом полировании внутренней поверхности труб для удаления окалины, загрязнений и сглаживания неровностей катод помещают внутрь трубы (рис. 246,6). Процесс обычно ведут в проточном
Непрерывное электролитическое полирование проволоки или ленты (рис. 246,б) осуществляют по принципу бесконтактного подвода тока. Анодное растворение, приводящее к полированию непрерывно движущейся проволоки или ленты, п роисходит при подаче тока к аноду через жидкостный контакт с ванной. Лента или проволока, перематывая сь с подающего барабана на приемный, проходит через контактную ванну 6 (ванну для подвода тока к проволоке или ленте) и полировочную ванну 7, наполненную рабочим электролитом, а затем проходит промывную ванну 8,
При электролитическом полировании выступающие части шероховатой поверхности (гребешки, выступы) растворяются быстрее, чем металл в углублениях между ними. Это связано с тем, что на
Рис. 246. Схемы электрохимических методов обработки:Рис. 246. Схемы электрохимических методов обработки:а — травление; б — полирование труб и фасонных деталей; у — полирован не проволоки н ленты; г — изготовление конусных изделий; 5 — профилирование; е — Сверлениеа — травление; б — полирование труб и фасонных деталей; у — полирован не проволоки н ленты; г — изготовление конусных изделий; 5 — профилирование; е — Сверлениевыступах создаются повы
Рис. 246. Схемы электрохимических методов обработки:
Рис. 246. Схемы электрохимических методов обработки:
а — травление; б — полирование труб и фасонных деталей; у — полирован не проволоки н ленты; г — изготовление конусных изделий; 5 — профилирование; е — Сверление
а — травление; б — полирование труб и фасонных деталей; у — полирован не проволоки н ленты; г — изготовление конусных изделий; 5 — профилирование; е — Сверление
шенные концентрации (более высокая плотность) тока. Ускоренному растворению выступов способствует также и то, что они обычно сильнее деформированы, чем вся масса металла.
Электролитическое полирование широко применяют для обработки режущих инструментов (сверл, фрез, калибров и т. д,), зубьев шестерен, клапанов для подачи горючего и других деталей сложной конфигурации. Электрополирование изделий, кроме улучшения их поверхности, повышает коррозионную стойкость, предел выносливости и усталостную прочность металла за счет съема ослабленного поверхностного
слоя (в частности, удаляет поверхностные микротрещины, которые могут стать концентраторами напряжений).
В составе электролита для электрополирования в основном имеется фосфорная, серная и хромовая кислоты, иногда с добавками лимонной кислоты или глицерина в зависимости от полируемого металла* Так, для электрополирования углеродистой и низколегированной стали применяют электролит, состоящий из 70% фосфорной кислоты, 5—12% серной кислоты, 6—8% хромового ангидрида и 12—15% воды*
Электрохимическая размерная обработка — метод направленного анодного растворения металла при высоких плотностях тока* В этой обработке анодное растворение металла с поверхности изделия ведется на строго ограниченных участках, расположенных на небольшом расстоянии от катода, имеющего нужную для детали форму. При размерной обработке для изготовления, например, конусных изделий (таких как иглы и др*, рис* 246,а) анод прикрепляют к механизму подъема. В процессе растворения заостряемое изделие 2 постепенно вытягивается из ванны /; при этом концевые участки, дольше подвергающиеся растворению, соответственно растворяются больше, чем лежащие выше* Величина конусности регулируется скоростью подъема изделия.
Имеется и другой вид электрохимической размерной обработки— электрохимическое профилирование металлических заготовок (рис* 246, д); оно происходит при вращении детали (анода) квадратного или любого иного профиля в катоде круглого или другого фасонного профиля* Направленное анодное растворение фасонного изделия, помещенного внутрь катода, происходит интенсивнее на участках, более близких к катоду (например, на углах квадрата), результатом чего являются изменение первоначальной формы и получение заданной (в данном случае круглой)*
Электрохимическое сверление (долбление, прошивание) также относят к размерной обработке* Оно осуществляется по схеме рис* 246, е в проточном электролите* Под действием струи электролита, выходящей под давлением из полого катода 3, в месте ее соприкосновения с обрабатываемой деталью — анодом 2 металл растворяется; при этом форма образующейся полости точно соответствует форме поперечного сечения струи электролита, т. е. форме трубки-катода, внутренний диаметр которой на ОД—0,2 мм меньше диаметра требуемого отверстия» Электролит, выходящий из трубки, возвращается по зазору между стенками отверстия и трубки и по каналам откачивается в систему циркуляции для повторного использования. По мере растворения металла трубка-катод опускается.
При размерной электрохимической обработке скорость съема металла, зависящая от химического состава металла, составляет 1200— 1800 мм3/мин на 100 А силы тока, протекающего между электродами* Чистота обработки достигает ^8—v 9-го классов; точность обработки может достигать ±20 мкм*
Химике-механическая обработка—это обработка, при которой изменяют форму заготовок вследствие протекания химических и электрохимических реакций с применением поверхностно-активных и химически активных веществ или электролитов (растворов солей — в основном
сульфата меди). Заготовки могут быть из черных и цветных металлов и сплавов, а также из металло-керамических материалов.
При погружении изделия 1 (рис- 247) в ванну 2 с раствором металлической соли (обычно сернокислой меди) с абразивным порошком
происходит обменная реакция, в результате которой металл изделия переходит в раствор в виде солей, а металлическая медь оседает в виде рыхлого порошка на обрабатываемой поверхности. Осевший рыхлый порошок механически удаляют путем шлифования порошком, взвешенным в растворе. Шлифование осуществляют в ванне взаимным перемещением обрабатываемого изделия / и притира 3 при помощи специальных приспособлений. Скорость обработки зависит от концентрации раствора и периодичности снятия меди, оседающей на
Рис. 247. Схема химико-механической обработкиРис. 247. Схема химико-механической обработкиобрабатываемой поверхности.
Рис. 247. Схема химико-механической обработки
Рис. 247. Схема химико-механической обработки
Химико-механической обработкой выполняют притирку, чистовую доводку и шлифование поверхности, прежде всего металло-керамических изделий, а также их разрезание (если в качестве притира принять диск). Кроме того, этим способом производят химическое фрезерование титана, а также алюминиевых, магниевых и некоторых других сплавов цветных металлов.
ПРИЛОЖЕНИЕ
I. Основные величины и их измерение в единицах СИ
Величина
Единица измерения
Обозначение русскими буквами
Площадь
Квадратный метр
м®
Объем
Кубический метр
м3
Плотность (объемная масса,
Килограмм на кубический метр
кг/м3
насыпная масса)
Сила
Ньютон
н
Давление (механическое напряжение)
Ньютон па квадратный метр или паскаль
Н/м® (или Па)
Модуль сдвига, модуль упругости, модуль объемного сжатия
Ньютон на квадратный метр
ИЛИ паскаль
Н/м® (или Па)
Поверхностное натяжение
Ньютон на метр
Н/м
Удельный вес (объемный вес.
Ньютон на кубический метр
Н/м3
насыпной вес)
Работа, анергия, количество
Джоуль
Дж
теплоты
Мощность
Ватт
Вт
Удельная теплоемкость
Джоуль на килограмм-градус
Дж/кг • град
Ударная вязкость
Джоуль на квадратный метр
Дж/м®
Коэффициент теплопроводности
Ватт на метр-градус
Вт/м ■ град
Ча стота
Геоц
Гц
Скорость
Метр в секунду
м/ с
3. Переводные множители
Единица измерения
Обозначение русскими буквами
Переводной множитель СИ
Микрон
Ангстрем
Литр
Грамм на кубический сантиметр
Килограмм-сила на квадратный метр
Миллиметр водяного столба
Килограмм-сила на квадратный миллиметр
Килограмм-метр на квадратный сантиметр
Миллиметр ртутного столба
Пуаз
Калория
Килокалория
А
г/см3 кге/м® мм вод. ст.
1 кге/мм8 кгс-м/см® мм рт. ст.
1 микрон = 10"с м
1 А = 10"10 м (мера длины)
1 л = 10’3 м3
1 г/см3 = 1 т/м® = 10s кг/м3
1 кге/м® = 9,80665 Н/м® (Па)
1 мм вод. ст. =
= 9,86665 Н/м2 (Па)
1 кгс/1 мм®=9.81 МН/м® (МПа)
1 кгс-м/см® = 98066,5 Дж/м®
1 мм рт. ст. = 133,332 Н/м® (Па)
1 пз = 0,1 Нс/м®
1 кал = 4,1868 Дж
1 ккал = 4186,8 Дж
2. Образование дольных и кратных единиц, производимое путем делении или умножения на степень числа 10
Приставки кратных единиц
Отношение
К ОСНОВНОЙ единице
Обозначение русскими буквами
Приставки крат пых единиц
Отношение К ОСНОВНОЙ единице
Обозначение русскими буквами
Мега
10’
м
Санти
10®
Кило
103
Милли
10'3
М
Гекто
10®
г
Микро
10""
мк
Деин
10"1
д
Нано
10--
Н
458
ОГЛАВЛЕНИЕCmp.
Предисловие ,,3
Введение 4
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И НЕКОТОРЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава I. Топливо и огнеупорные материалы, применяемые и металлургическом производстве 8
§ 1,Топливо 8
Огнеупорные материалы 9
Глава IL Производство чугуна . И
Железные и марганцевыеруды 12
Топливо и флюсы 14
Подготовка шихты к плавке 14
Устройство доменной печи 16
Работа доменной печи 18
Продукты доменного производства 22
Технико-экономические показатели и перспективы произ* водства чугуна 23
Глава III,Производство стали 25
/-/§1.Производство стали в конверторах 26
--^§2,Мартеновское производство стали 31
у - ?§3-Производство стали в электропечах 37
Комбинированные способы производства стали . . ,42
Разливка стали ,43
Способы повышения качества стали 45
Строение стального слитка 47
Глава IV. Производство некоторых цветных металлов 49
Производство алюминия 49
Производство магнии . f*. .53
Производство меди 54
/> /^ § 4, Производство титана 57
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ и ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Глава V. Общие сведения ,5g
Атомное строение металлов и сплавов 59
Аллотропические превращения в металлах,...61
Понятие о теории дислокации 63
Плавление и кристаллизация металлов 68
Глава VI.Металлические сплавы ,7]
Строение и характеристика сплавов ,71
Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов.73
Характер изменения свойств сплавов в зависимости от состава для разного типа диаграмм состояния80
Глава VII,Испытания и исследования металлов и сплавов ...81
Механические испытания металлов 81
Технологические испытания металлов ■ 87
Методы исследования структуры металлов и сплавов,,88
Физические методы исследования *,,,..,90
Глава VIIL Деформация и рекристаллизация металлов и сплавов. 90
Деформация металлов 90
Отдых и рекристаллизация 92
Глава IX. Железоуглеродистые сплавы 94
Основные структуры железоуглеродистых сплавов.94
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов...95
Микроструктура железоуглеродистых сплавон . .*99
Влияние некоторых элементов на свойства стали и чугуна102
Глава X* Основы термической обработки стали ЮТ
Превращения в стали при нагревании 107
Превращение аустенита при охлаждении 109
Превращения при отпуске закаленной стали . , . -П2
Старение стали .*И^
Глава XLТехнология термической обработки стали Н4
Отжиг и нормализация стали 114
Закалка и отпуск стали П^
Закаливаемость и прокаливаемость стали 123
Дефекты, возникающие при закалке стали . . . .124
Термомеханическая обработка стали 125
Глава XII. Химико-термическая обработка стали 132
Цементация стали 133
Азотирование стали . .. . .136
Цианирование стали 137
Диффузионная металлизация 133
Глава XIII. Классификация углеродистой стали 139
Углеродистые стали... 1391
Строительные стали 141
Глава XIV- Легированные стали и особые сплавы 143-
Распределение легирующих элементов и их влияние на свойства стали 144
Классификация легированных сталей 145
Легированные конструкционные стали 147
Легированные строительные стали ......149
Легированные инструментальные стали 150
Стали с особыми свойствами 151
Твердые сплавы и керметы , . . 153
Глава XV, Цветные металлы и сплавы. Антифрикционные материалы 154
Алюминий и сплавы па основе алюминия J 154
Строительные алюминиевые сплавы^. 162
Магний и его сплавы .. .162
Медь и ее сплавы 164
Титан и его сплавы . 168
Антифрикционные материалы ПО
Глава XVI. Коррозия металлов и сплавов 172
Общие сведения ...,.....•■..172
Химическая коррозия 173
Электрохимическая коррозия 174
Виды коррозионных разрушений 176
Методы защиты от коррозии ♦*177
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Глава XVII. Литейные формы 181
Общие сведения 181
Модельные комплекты, формовочный инструмент, опоки 183
Формовочные и стержневые смеси 186
Технология изготовления форм 190
Автоматизация изготовления форм и производства отливок 199
Технология изготовления стержней 201
Литниковая система 205
Глава XVIII. Получение жидкого металла и отливок ...,208
Шихтовые материалы и плавильные агрегаты...208
Получение отливок 213
Характеристика чугунных и стальных отливок...216
Глава XIX. Специальные способы литья 218
Кокильное литье 218-
Центробежное литье 220
Литье под давлением . , . . 220
Литье по выплавляемым моделям 222
Литье в оболочковые формы . Ф ,- . . . . , .224
Штамповка из жидкого металла 226
Литье по газифицируемым моделям.226
Лито-сварные изделия 226
Литье неметаллических материалов 227
Глава XX. Контроль производства отливок 229
Методы контроля 229
Дефекты отливок и их исправление 229
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМГлава XXI. Способы обработки металлов давлением. Нагрев металлов 231§ L Пластичность металлов 231
Способы обработки металлов давлением 233
Нагрев металлов и нагревательные устройства , . .234
Глава XX JL Процесс прокатки. Устройство станов 238
Процесс прокатки 238
Понятие о калибровке валков 242
Устройство и классификация станов 244
Глава XXIII. Производство проката.. .250
Технология прокатного производства 250
Производство заготовок и фасонных профилей . . .253
Производство сортовой стали 258
Производство листовой стали 260
Производство гнутых профилей 262
Производство труб .264
Глава XXIV- Волочение и прессование металла 267
Волочение металла , , ,267
Прессование металла 269
Глава XXV. Ковка и штамповка металла 272
Свободная ковка 272
Горячая штамповка 278
. Холодная объемная штамповка.. .285
Листовая штамповка827
Глава XXVI. Обработка давлением цветных и редких металлов и сплавов ... , . .290
Обработка давлениеммеди и еесплавов . ,.,290
Обработка давлениемалюминияи его сплавов.,.295
бработка давлением магниевых сплавов 293
Обработка давлениемтитана иего сплавов ....294
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ
СВАРКА. ПАЙКА И ОГНЕВАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВГлава XXVII. Физическая сущность, классификация и характерис-тика способов и видов сварки 297
Физическая сущность и основные способы сварки • ■297
Виды сварных соединений и швов 299
Строение сварного шва 301
Глава XXVIII. Электроцуговая сварка,.303
Свойства электрической дуги *.303
Основные способы электрод у го вой сварки...»305
Электроды, сварочные машины и аппараты...,306
Ручная электрсдуговая сварка ........310
Автоматическая электроду г оная сварка ..,,,315
Электрошлаковая- сварка 321
Глава XXIX. Контактная электрическая сварка 322
Общие сведения 322
Стыковая сварка ....... 322
Точечная сварка
Роликовая или шовная сварка .
Импульсная (конденсаторная) сварка
Глава XXX. Газовая сварка .............
Газы, применяемые при сварке
Аппаратура для газовой сварки
Сварочное ацетилене-кислородное пламя
Технология газовой сварки
Газопрессовая сварка.
Глава XXXI. Технологические особенности сварки различных металлов и сплавов ............
Снарка углеродистой стали . ..
Сварка легированной стали - ...
Сварка чугуна ........
j 4. Сварка алюминия и его сплавов ........
Сварка магниевых сплавов .
Сварка титана и его сплавов .
Сварка меди и медных сплавов
Наплавка
Г л а в а XXXII. Особые способы сварки
Термитная сварка . , . . -
Сварка трением
Холодная сварка давлением
Диффузионная сварка в вакууме ........
Ультразвуковая сварка ....... .
Сварка электронным лучом .........
Электродуговая сварка под водой .
Лазерная сварка
Плазменная сварка
Глава 5СХХШ. Контроль качества и виды брака при сварке
Напряжения и деформации при сварке
Дефекты и методы контроля сварных соединений . . .
Глава XXXIV. Пайка металлов и сплавов .
Припои .
Технологический процесс пайки
Пайка алюминия и его сплавов .......
Глава XXXV. Огневая резка металлов и сплавов
Электрод у гов а я резка
Технологический процесс газовой резки. . . .
Фторная резка и резка больших толщин. . . .
Подводная резка
324324325326326327333334336336337338339340 _:342342343344346346347347348349349350350351351351 *352353354355 356^ 357357358360 3GI324324325326326327333334336336337338339340 _:342342343344346346347347348349349350350351351351 *352353354355 356^ 357357358360 3GIРАЗДЕЛ ШЕСТОЙ
324
324
325
326
326
327
333
334
336
336
337
338
339
340 _:
342
342
343
344
346
346
347
347
348
349
349
350
350
351
351
351 *
352
353
354
355 356^ 357
357
358
360 3GI
324
324
325
326
326
327
333
334
336
336
337
338
339
340 _:
342
342
343
344
346
346
347
347
348
349
349
350
350
351
351
351 *
352
353
354
355 356^ 357
357
358
360 3GI
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
Глава XXXVI. Основные сведения о допусках и посадках; точность изготовления деталей. 362
Взаимозаменяемость, номинальные и предельные размеры деталей 362
Допускии припуски,.. . 363
Система вала и системаотверстия........363
Посадки . 364
Точностьизготовленияичистотаповерхностидеталей365
Глава XXXVTL Основные сведения о процессе резания металлов.
Типы металлорежущих станков 368
Способы обработки металлов резанием и основные элементы режима резания 368
Геометрическая форма и углырезиа 371
Процесс образования и видыстружки 373
Силы. действующие на реаси..........374
§ 5,Стойкость и износ резное 375
§ 6, Скорость резания. Высокопроизводительное резание ме*
таллов..,376
§ 7, Мощность резания 376
§ 8, Классификация металлорежущих станков379
Глава XXXVIII. Обработка на токарных станках 380
Устройство токарного станка 380
Кинематическая схема токарного станка 387
Токарные автоматы 389
Токарные резцы . .392
Основные виды токарных работ ,394
Глава XXXIX. Обработка на сверлильных станках 399
Процесс сверления 399
Инструмент для сверления и обработки отверстия . ,400
Сверлильные станки 403
Основные виды сверлильных работ 406
Глава XL- Обработка на фрезерных станках 409
Процесс фрезерования 409
Инструмент для фрезерования 411
Фрезерные станки- 413
Основные виды фрезерных работ 417
Глава XLI. Обработка на строгальных станках 421
Процесс строгания - . . ...*-,*.421
Строгальные резцы 422
Строгальные станки 424
Основные виды строгальных работ 428
Глава XLII. Обработка на шлифовальных станках 429
Процесс шлифования 429
Инструмент для шлифования 432
Шлифовальные станки 434
Основные виды шлифовальных работ 438
Гл а в a XLIII. Электрофизические и электрохимические способы обработки металлов исплавов 440
Электрофизическиеспособыобработки 440
Электрохимическиеспособыобработки .454
Приложение 458
Петр Иванович Полухин. Борис Григорьевич Гринберг, Василий Тимофеевич Жа-дан, Станислав Константинович Кантеник, Дмитрий Иванович Васильев
ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ И СВАРКА
И, Б. № 670
■Редактор 3. Г, Овсянникова. Художник С, В. М и т у р и ч. Художественный редактор Т А. Дурасова Технический редактор А. К. Нестерова. Корректор Р. К. Косинова
Т—228Н. Сдано в набор 10/VI-76 г. Подл, к печати 15/ХП—76 г. формат 60хАУ/и. Бум. тип. № I ■Объем 29 печ. л. Уел, п. л. 29. Уч.-иэд. л. 31,04. Изд. № От-233/73. Тираж 90L00 эк». Зак. 545, Цена I р. 01 К-
План выпуска литературы для вузов и техникумов издательства «ВыаЬая школа* на !977 г.
Позиция J№ 87. Издательство «Высшая школа», Москва» К-51, Неглкниая vл., д. 29/14
Ярославский полиграфкомбинат Союзполи графпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 150014, Ярославль. ул.
Свободы, 97.
I (
1 кгс/см2. Передача движения от регулирующего винта 19 к редуцирующему клапану 16 во второй камере осуществляется также через главную пружину 18. Предохранительный клапан при давлении 45—50 кгс/см2 открывается и выпускает избыток газа в атмосферу. Прекратить передачу газа на небольшой промежуток времени можно запорным вентилем 21.
Из редукторов баллонов кислород и горючий газ раздельно поступают в сварочную горелку. Горелка предназначена для правильного смешения кислорода с горючим газом, подачи горючей смеси к месту сварки и создания концентрированного пламени требуемой мощности. Горелки по принципу действия разделяют на инжекторные низкого давления газа, и безынжекторные среднего и высокого давления*
Различают одно- и многопламенные горелки. На рис. 173 показана распространенная однепламениая ацетилен о-кислородная горелка для сварки черных и цветных металлов толщиной до 30 мм*