Свойства металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Как изменяются свойства металлов и сплавов при холодной пластической деформации? Как называется такое изменение свойств? В каких случаях оно вредно, в каких его специально создают и используют?

С ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость). Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла -- образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например уменьшаются электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ориентировка (текстура) и анизотропия свойств, т. е. их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла. При неполной холодной пластической деформации с нагревом чистого металла до температур (0,25...0,30) Tпл, где Tпл - абсолютная температура плавления, одновременно с процессом упрочнения металла возникает явление, называемое отдыхом или возвратом. Оно обеспечивает частичное снятие остаточных напряжений, небольшое восстановление пластических свойств и повышает сопротивление металла коррозии.При неполной горячей пластической деформации с нагревом чистого металла до температуры свыше 0,47Tпл одновременно с процессом упрочнения протекает процесс рекристаллизации -- зарождение и рост новых зерен взамен деформированных. После деформации в микроструктуре металла наблюдаются рекристаллизованные (равноосные) и нерекристаллизованные (вытянутые) зерна металла.

2. До какой температуры нагревают и как охлаждают сталь 45 при закалке? Какую структуру приобретает эта сталь после закалки? Почему закалка стали 45 обычно является окончательной термообработкой? Для чего после закалки делают низкий отпуск и как изменяется структура стали при низком отпуске?

Закалка заключается в нагреве стали на 30-50°С выше А_С3 для до эвтектоидных сталей или A_С1 для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей это охлаждение проводят чаще в воде, а для легированных - в масле или в других средах. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Инструментальную сталь в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для повышения прочности, твердости, получения достаточной высокой пластичности и вязкости; для ряда деталей также и высокой износостойкости.

Объемной закалке и отпуску подвергают многие детали агломерационного, доменного, сталеплавильного и прокатного оборудования (разнообразные валы и оси, зубчатые колеса и муфты, ролики и звенья цепей, ножи, правильные ролики и т. д.). Очень широко объемная закалка применяется во всех видах машиностроения.

Закаливаемость и прокаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Отпуск стали. Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже АС1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. По этой причине изделия сложной формы во избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500-650?С во всех случаях следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500-680°С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3- 0,5 % С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, работу развития трещины, снижает температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Отпуск при 550-600°С в течение 1-2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. В зависимости от габаритных размеров изделия длительность высокого отпуска составляет 1,0-6 ч.

Закалке с высоким отпуском (600-700°С) на металлургических заводах подвергают низкоуглеродистую и низколегированную толстолистовую сталь, что повышает ее сопротивление хрупкому разрушению и уменьшает склонность к старению.

Свойства стали зависят от ее химического состава и структуры. С помощью термической обработки мы изменяем структуру, а следовательно, и свойства стали.

В качестве примера рассмотрим конструкционную сталь 45. Нагреем ее до аустенитного состояния, т. е. выше температуры точки 3 на диаграмме состояния. В результате такого нагрева, как мы уже знаем, атомная решетка железа из объемно-центрированной превратится в гранецентрированную. При этом весь углерод, который раньше входил в состав перлита в виде кристалликов химического соединения Fe₃C (цементита), перейдет в состояние твердого раствора, т. е. атомы углерода окажутся внедренными в гранецентрированную решетку железа. Теперь резко охладим сталь, например, погружением в воду, т. е. проведем закалку. Температура стали быстро снизится до комнатной. При этом неминуемо должна произойти обратная перестройка атомной решетки -- из гранецентрированной в объемно-центрированную. Но при комнатной температуре подвижность атомов углерода ничтожно мала, и они не успевают при быстром охлаждении выйти из раствора и образовать цементит. В этих условиях углерод как бы насильственно удерживается в решетке железа, образуя пересыщенный твердый раствор. При этом атомы углерода распирают решетку железа, создавая в ней большие внутренние напряжения. Решетка вытягивается вдоль одного направления так, что каждая ячейка из кубической превращается в тетрагональную, т. е. принимает форму прямоугольной призмы.

С учетом сказанного теперь уже нетрудно уяснить, почему мелкозернистая сталь обладает большей прочностью, чем крупнозернистая. Во-первых, при мелкозернистой структуре число границ зерен, которые лежат на пути движения дислокаций, больше, т. е. создается больше препятствий для их перемещения. Во-вторых, если предположить, что в одинаковых условиях нагружения в среднем в каждом зерне возникает одинаковое число дислокаций, то, очевидно, в одном и том же объеме металла при мелкозернистой структуре будет получаться больше дислокаций, чем в крупнозернистой. Как одно, так и другое способствует повышению прочности.

3. Чем качественные углеродистые стали отличаются от сталей обыкновенного качества? Как маркируют качественные стали, углеродистые, легированные?

Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

Классификация сталей и сплавов производится:

по химическому составу;

по структурному составу;

по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей;

по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице;

по назначению.

По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

малоуглеродистые - менее 0,3% С;

среднеуглеродистые - 0,3-0,7% С;

высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

низколегированные - менее 2,5%;

среднелегированные - 2,5-10%;

высоколегированные - более 10%.

Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;

в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству, то есть по способу производства и содержанию вредных примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы:

Таблица 1

Группа	S, %	P,%
Обыкновенного качества (рядовые)	менее 0,06%	менее 0,07
Качественные	менее 0,04%	менее 0,035
Высококачественные	менее 0,025%	менее 0,025
Особовысококачественные	менее 0,015%	менее 0,025

Стали обыкновенного качества. Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Стбкп.

Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.

Стали качественные. Cтепень раскисления и характер затвердевания металла в изложнице.

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

Стали высококачественные. Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.

Стали особовысококачественные. Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

Нелегированные конструкционные. Качественные конструкционные стали в соответствии с ГОСТ 1050^88 обозначают двузначным числом, указывающим примерное содержание углерода в стали, умноженное на сто. Так, сталь с содержанием углерода 0,07-0,14% обозначается 10, сталь с содержанием углерода 0,42-0,50% -45, а сталь с углеродом 0,57-0,65% - 60. При этом для сталей с С < 0,2%,не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы кп (для кипящей стали) и пс (для полуспокойной). Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются, например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т. д.

Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначают по ГОСТ 5520-79 добавлением буквы К в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К и др.

Легированные конструкционные стали. В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа (при содержании легирующего элемента до 1,5% цифра за соответствующей буквой не указывается). Процентное содержание углерода, умноженное на 100, приводится в начале наименования стали.

В конце маркировки высококачественных углеродистых и легированных сталей ставят букву А, например, 12Х2Н4А, 15Х2МА. Особовысококачественные стали выплавляются только легированными. Эти стали подвергают электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от соединений серы и оксидов. Особовысококачественные стали обозначают добавлением через тире в конце наименования стали буквы Ш, например, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

Нелегированные углеродистые инструментальные стали. Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435-99 делятся на качественные и высококачественные. Качественные стали обозначают буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали, умноженное на 10. Так, сталь У7 содержит 0,65-0,74% углерода, сталь У10 - 0,95-1,04%, а сталь У12 - 1,10-1,39%. В обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А в т.д.). Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца (например, У8Г, У8ГА).

Легированные инструментальные стали. Правила обозначения инструментальных легированных сталей по ГОСТ 5950-2000 в основном те же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали. Процентное содержание углерода также указывается в начале наименования стали, но при этом умножается на 10, а не на 100, как для конструкционных легированных сталей. Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода составляет около 1,0%, то соответствующую цифру в начале ее наименования обычно не указывают, например, сталь 4Х2В5МФ содержит 0,3-0,4% С; 2,2-3,0% Сr; 4,5-5,5 % W; 0,6-0,9% Мо; 0,6-0,9% V, а сталь ХВГ -0,9-1,05% С; 0,9-1,2% Сг; 1,2-1,6% W; 0,8-1,1% Мп.

Стали углеродистые качественные конструкционные устанавливаются по ГОСТ 1050-88. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев более высоким содержанием кремния Si и марганца Мn.

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств (см. табл.). По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую кп, полуспокойную пс, спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).

Высокопрочные легированные стали.

Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработкидают прочность до у_в = 1300 МПа и вязкость до КС = 0,8 - 1,0 МДж/м². Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочностиу_в = 1500 - 2000 МПа. Для этих целей применяют комплексно-легированные и мартенситостареющие стали (см. табл.).

Таблица 2

Характеристики высокопрочных легированных сталей

Марка	Предел прочности при растяжении, ув МПа	Относительное удлинение, д %	Ударная вязкость, КС	Назначение
не менее	не менее	МДж/м2
Комплексно-легированные стали
30ХГСН2А 40ХГСН3ВА	1850/1650 2000/1850	13/9 11/12	0,55/0,62 0,45/0,5	Особо ответственные тяжелонагруженные детали (детали шасси и фюзеляжа в авиастроении), работающие в условиях резко меняющихся нагрузок
Мартенситостареющие стали
Н12К15М10 Н18К9М5Т	2500 2100	6 8	0,3 0,5	Особо ответственные тяжелонагруженные детали

Примечания:

Показатели механических свойств в числителе - после закалки от 900 °С и низкого отпуска при 250 °С, в знаменателе - после изотермической закалки.

Показатели механических свойств для стали в состоянии после закалки на воздухе и последующего старения.

Комплексно-легированные стали

Комплексно-легированные стали - это среднеуглородистые (0,25-0,6% С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке.

Мартенситостареющие стали - это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более0,03% С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенситостареющие стали закаливают на воздухе от 800-860 °С с последующим старением при 450-50О °С.

Дополнительно: ГОСТ 30563-98 'Трубы бесшовные холоднодеформированные из углеродистых и легированных сталей со специальными свойствами. Технические условия'.

ГОСТ 977-88 'Отливки стальные. Общие технические условия'.

Высокопрочные легированные стали.

Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработкидают прочность до у_в = 1300 МПа и вязкость до КС = 0,8 - 1,0 МДж/м². Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочностиу_в = 1500 - 2000 МПа. Для этих целей применяют комплексно-легированные и мартенситостареющие стали (см. табл.).

Таблица 3

Характеристики высокопрочных легированных сталей

Марка	Предел прочности при растяжении, ув МПа	Относительное удлинение, д %	Ударная вязкость,КС	Назначение
не менее	не менее	МДж/м2
Комплексно-легированные стали
30ХГСН2А 40ХГСН3ВА	1850/1650 2000/1850	13/9 11/12	0,55/0,62 0,45/0,5	Особо ответственные тяжелонагруженные детали (детали шасси и фюзеляжа в авиастроении), работающие в условиях резко меняющихся нагрузок
Мартенситостареющие стали
Н12К15М10 Н18К9М5Т	2500 2100	6 8	0,3 0,5	Особо ответственные тяжелонагруженные детали

Примечания: Показатели механических свойств в числителе - после закалки от 900 °С и низкого отпуска при 250 °С, в знаменателе - после изотермической закалки.

Показатели механических свойств для стали в состоянии после закалки на воздухе и последующего старения.

Комплексно-легированные стали.

Комплексно-легированные стали - это среднеуглородистые (0,25-0,6% С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке.

Мартенситостареющие стали - это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более0,03% С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенситостареющие стали закаливают на воздухе от 800-860 °С с последующим старением при 450-50О °С.

Дополнительно: ГОСТ 30563-98 'Трубы бесшовные холоднодеформированные из углеродистых и легированных сталей со специальными свойствами. Технические условия' ГОСТ 977-88 'Отливки стальные. Общие технические условия'.

4. Опишите технологию изготовления легких арматурных сеток из класса А-1 марки стали Вст3КП

металл сталь изложница арматурная

Технологические операции по изготовлению арматуры состоят из приемки и транспортирования арматурной стали, правки, чистки, резки, гибки стержней, сварки сеток и каркасов, сборки пространственных каркасов и транспортирования готовых изделий на склад.

Арматурные изделия изготовляют централизованно на арматурно-сварочных заводах, а также в специальных цехах. На крупных предприятиях по производству арматурных изделий все технологические процессы механизированы и автоматизированы. На небольших предприятиях ряд технологических операций выполняют вручную, что увеличивает трудоемкость и стоимость их изготовления.

Арматурную сталь со склада металла подают в цех на самоходных тележках, а затем мостовым краном доставляют к соответствующим участкам, оснащенным специальным оборудованием для переработки. На этих участках производят правку стержней, резку, сварку и т. п. Оборудование компонуют таким образом, чтобы можно было обеспечить поточность производства. В арматурных цехах, как правило, функционируют две технологические линии: изготовления арматуры из стали, поставляемой в бухтах, и из прутковой стали. Для хранения заготовок предусматривают специальные стеллажи. Готовую продукцию в виде плоских или пространственных каркасов складируют в специально отведенных местах.

Переработка арматурной стали включает в себя операции размотки, правки, чистки, отмеривания и резки, которые осуществляют на автоматических правильно-отрезных станках.

Правка и резка. В качестве правильных механизмов используют барабаны, состоящие из системы свободно посаженных роликов. Подающие ролики транспортируют выправленную арматурную сталь к ножам. Заданный размер стержней отмеривают на специальном стенде с концевыми выключателями 6 или мерительными роликами.

Работают станки следующим образом. Проволока, помещенная на вертушке, протягивается через правильный барабан и с помощью вращающихся роликов подается к отрезным ножам.

Точность длины арматурных стержней должна соответствовать следующим требованиям: отклонение от прямолинейности стержня на 1 м длины не должно превышать 3 мм для стержней диаметром до 10 мм и 6 мм -- для стержней диаметром более 10 мм.

Выпускают несколько типов правильно-отрезных станков, которые отличаются конструктивным решением, скоростью подачи проволоки, системой привода и резки арматурных стержней. Наибольшее распространение получили установки СМЖ-357, правильно-отрезные автоматы ИВ-6118, СМЖ-288-2А, ГД-162, А КС-500 и др.

Установка СМЖ-357 для правки и резки арматурной стали из мотков позволяет точно отмеривать стержни и править сталь диаметром 6…8 мм гладкого и 4…10 мм периодического профиля. Четыре скорости подачи позволяют править арматуру гладкую и периодического профиля.

Правильно-отрезной автомат ИВ-6118 правит круглую сталь диаметром 3…6,3 мм и режет ее на стержни длиной 1 …6 м. Станки поставляют с приемно-сбрасывающим устройством, которое позволяет отрезать стержни большей длины -- до 9 м, а также отрезать короткие прутки длиной 100… …1000 мм.

Правильно-отрезной станок ГД-162 правит и режет круглую арматурную сталь диаметром 6… 16 мм и периодического профиля диаметром 6…12 мм. На многороликовом правильном устройстве СМЖ-288-2А заготовляют короткие стержни диаметром 3…8 мм.

Рабочее место по заготовке стержней оборудуют консольным краном грузоподъемностью 1,5 т и системой предохранитель-ныхустройств, обеспечивающих безопасное обслуживание станков.

Перед пуском станков в работу устанавливают бухту на размоточное устройство и заправляют ее конец в станок. При заправке конец арматуры длиной 1… 1,5 м выпрямляют вручную, протаскивая через правильный барабан. Отрезав несколько стержней, станок останавливают и проверяют качество правки и точность отмеривания. Станок снабжен системой автоматического отключения, которая срабатывает после израсходования всей бухты арматурной стали, и системой отсасывающей вентиляции, которая удаляет металлическую пыль и окалину, образующиеся при правке арматуры.

Стержневая арматурная сталь поступает с металлургических предприятий в прутках длиной 6…12 м. В соответствии со спецификацией арма-туру железобетонных конструкций приходится разрезать на более короткие стержни, которые должны быть прямыми, без заусенцев и загибов по концам. Выполняют это на станках с механическим и гидравлическим приводом (СМЖ-175А, СМЖ-172Б, СМЖ-322А), которые предназначены для резки арматурной стали класса A-I диаметром до 40 мм и класса A-IIIдиаметром до 25 мм.

Станок с гидравлическим приводом СМЖ-175А для резки стержней диаметром до 80 мм из стали класса A-III размешен на сварной раме, которая крепится к фундаменту болтами. В верхней части корпуса закреплен неподвижный нож, а в нижней -- расположен гидроцилиндр, на штоке которого закреплен подвижный нож. Для опоры арматурных прутков при их подаче на резку на корпусе установлен поддерживающий ролик. Гидропривод станка состоит из электродвигателя, соединенного муфтой с поршневым гидронасосом, гидроаппаратуры и системы трубопроводов.

В зависимости от класса стали и диаметра арматурной стали применяют несколько режимов работы. С одного режима работы на другой станок переводят переключателем, расположенным на панели управления рядом с кнопкой включения двигателя.

Производительность станка 40…80 резов в час при диаметре арматурных стержней 14…80 мм; цикл резки 6…16 с.

Гибку арматурных стержней выполняют на станках СМЖ-173А и СМЖ-170А.

На рабочем диске станка расположены осевой и гибочный пальцы. Около рабочего диска на станине станка неподвижно закреплен упорный палец. Стержень подается между гибочным и упорным пальцами и загибается вокруг осевого кольца. На верхней плите станка предусмотрены два ролика для перемещения арматурьых стержней и две планки для упорных пальцев. Каждая планка снабжена шестью отверстиями, а каждое отверстие рассчитано на определенные диаметр стержней и их угол загиба. Максимальный диаметр стержней класса A-I 40 мм, класса А-Ш 32 мм. Для гибки стержней меньших диаметров вместо осевого пальца устанавливают вилки различных размеров, а одну из боковых планок заменяют упорной пластинкой. В комплект станка входит набор сменных гибочных и упорных пальцев, пластин и оправок, а также набор различных шестерен для получения нужной скорости вращения рабочего диска.

Станок СМЖ-179 более мощный. Он предназначен для гибки стержней диаметром до 90 мм, оснащен системой мерных реек, что позволяет гнуть стержни без предварительной разметки.

Для угловой гибки арматурных сеток предназначен станок СМЖ-353А. Он состоит из головной гибочной секции с одной дополнительной или двумя линиями, что позволяет работать с различным размером сеток. Головная секция снабжена пультом управления и механизмом угла гибки. Секция состоит из рамы, на которой находится стол, гибочной балки, механизма прижима сетки, пневмоцилиндров, пневмораспределителя и электрического оборудования.

На раме сварной конструкции с помощью рычагов шарнирно подвешена гибочная балка, выполненная из трубы. Она соединена со штоками пневмоцилиндров, установленных на концах нижних рычагов. Рычаги соединены с вертикальными регулируемыми по длине тягами, на которых располагается траверса с крюками для прижима сетки.

Крюки снабжены цилиндрическими пальцами, которые прижимают сетку к раме и вокруг которых сетка изгибается гибочной балкой. Крюки при необходимости переставляются вдоль траверсы, что позволяет изгибать сетки с различными расстояниями между стержнями.

Для повышения быстродействия пневмоцилиндров станок снабжен ресивером. Станком управляют с переносного пульта управления. Угол гибки сетки изменяется поворотом сектора, воздействующего кулачками на конечные выключатели, подающие команды на пневмораспределитель.

Продольные стержни при опускании сетки проходят между пальцами крюков, а затем сдвигом сетки в сторону заводятся под пальцы. При нажатии одной из двух кнопок или педали пульта управления от пневмоцилиндров через рычаги и тяги опускают траверсу, пальцы которой за продольные стержни прижимают к столу станка изгибаемую сетку. Штоки пневмоцилиндров движутся вверх, поворачивая гибочную балку, которая загибает конец сетки. Балка останавливается автоматически после поворота на заданный угол. Затем гибочная балка возвращается в исходное положение. Траверса с крюками поднимается вверх, образуя зазор между гибочными пальцами и стержнями сетки. Сетка либо снимается со стола, либо продвигается для второго изгиба или изгиба в замкнутый контур.

Размер изгибаемой стороны сетки составляет 300, 600 и 900 см. Наибольший угол изгиба для сеток из арматуры B-I диаметром 3…5 мм составляет 180°, классов A-I, A-III диаметром 6…8 мм-- 120°, диаметром 10…12 мм -- 90°. Наименьший шаг стержней -- 100 мм.

Для изготовления арматурных сеток используют автоматизированные линии 7975/1, 7975/2, 7964, 7971, 7972, 7728А/3, 7728А/4…6, обеспечивающие изготовление сеток шириной от 800 до 3800 мм.

Автоматические линии включают вертушки для размотки установленных на них мотков проволочной арматуры и размоточное устройство; правильное устройство для правки проволочной арматуры, сматываемой из мотков; многоэлектродную машину для точечной сварки арматурных сеток; сеточные ножницы для обрезки плоских арматурных сеток и пакетирования их.

Автоматизированная линия 7975/1 предназначена для изготовления арматурных сеток шириной до 3,8 м. Мотки продольной арматуры массой до 1 т укладываются краном на вертушки (СМЖ-495А), с которых арматура пропускается через ролики правильного устройства (СМЖ-775) с подводом ее концов к электродам сварочной машины (МТМ-160).

После приварки к продольной арматуре первого поперечного прутка сетки линия работает в автоматическом режиме. Свариваемое полотно сетки после каждого цикла приварки поперечного прутка подается кареткой сварочной машины на один шаг.

Проходя через портал ножниц (СМЖ-771), заданный размер сеток отрезается и поступает на направляющие пакетировщика (СМЖ-61Г). Далее сетка сбрасывается в контейнер, установленный под раздвигающимися направляющими пакетировщика, которые затем автоматически возвращаются в исходное положение. Пакет сеток удаляется из пакетировщика краном.

Сварка арматуры. Для соединения арматурных стержней, при изготовлении сеток, пространственных и плоских каркасов применяют электродуговую, ванную, электроконтактную точечную и стыковую сварку. В ряде случаев эти операции производят вручную (например, при сварке крестовых соединений стержней большого диаметра, при соединении стержней накладками и внахлестку).

Для изготовления широкой номенклатуры арматурных изделий в заводских условиях применяют сварочные машины, работающие в полуавтоматическом или автоматическом режимах, и только.некоторую часть сварочных работ, связанных с устройством и монтажом арматуры на строительной площадке, выполняют вручную.

Арматурные сетки и плоские каркасы изготовляют контактной точечной сваркой, что позволяет механизировать и автоматизировать процессы, а также упростить изготовление пространственных каркасов путем их сборки из плоских сварных сеток. Легкие рулонные и плоские сетки шириной до 3800 мм из арматуры диаметром 3…10 мм изготовляют на многоэлектродной сварочной машине МТМ-160.

Для сваривания сеток шириной до 2650 мм используется многоэлектродная машина МТМ-166, сеток шириной до 450 мм -- машина ММТ-244 и сеток шириной до 800 мм -- машина МТМ-207.

Для контактной точечной электросварки арматурных сеток шириной до 1450 мм из арматурных стержней диаметром 12… …40 мм применяется машина МТМ-35.

Многоэлектродная машина МТМ-166 состоит из станины с поперечными 10, 13 балками и с установленными на ней механизмами, пультом управления и электрошкафом.

Со станиной соединена верхняя подвижная балка, на которой закреплены подпружиненные верхние электрододержатели с электродами и сборная медная шина. Ниже на станине расположены медные токопроводящие шины, нижние контактные части с электродами, сварочные трансформаторы. Сбоку к станине крепятся подающее и приемное устройство для поперечной арматуры, ножницы 6 для ее отрезки, правильное устройство. Для фиксации поперечных прутков между электродами используются крючки, каретка с цанговыми зажимами, а для крепления продольной арматуры с помощью пневмоцилиндров, осуществляются прижим продольных и поперечных прутков и перемещение подвижных электродов. Устройство включает также синхронизирующий вал с зубчато-реечными передачами, систему охлаждения, пневматические и электрические системы.

Работает многоэлектродная сварочная машина следующим образом. Прутки арматурной стали сматываются с бухт и поступают в правильное устройство, затем направляются в подающие ролики, отмеренные стержни отрезаются механизмом и поступают в приемное устройство поперечной арматуры, фиксируются с помощью крючков.

Синхронизирующий вал с зубчато-реечной передачей обеспечивает перемещение свариваемой сетки на определенный шаг. Кроме того, в машине установлена система охлаждения.

Первоначально арматурщик заправляет концы прутков продольной арматуры. Затем поперечные стержни через правильное устройство направляются в подающие ролики. Отмеренный стержень обрезается механизмом, поступает в приемное устройство, где фиксируется с помощью крючков. Затем производится его сварка с продольными стержнями. После сварки одного из поперечных прутков продольные прутки перемещаются на один шаг, равный' расстоянию между ними. В этот момент срабатывает автомат, подающий очередной поперечный пруток, и проводится его сварка, затем цикл повторяется.

Элементы пространственных арматурных каркасов сваривают точечной контактной и дуговой сваркой.

Универсальным оборудованием для изготовления легких каркасов небольших размеров являются одноточечные сварочные машины МТ-2201, МТ-1818, МТ-2102, МТ-2827, МТ-4218.

Каркасы для плоских железобетонных изделий изготовляют на различных установках (вертикальных или горизонтальных) с использованием подвесных сварочных машин с клещами.

Подвесная сварочная машина К-243В представляет собой пневматические клещи с встроенным в них сварочным трансформатором. Она включает в себя электродную часть, промежуточный трансформатор и подвесное устройство. Сварочные клещи с помощью подвесного устройства подвешиваются на балке. На тележке закреплена поворотная тура.

На противоположном конце балки имеется контргруз. Аппаратный шкаф с промежуточным трансформатором подвешивается к поворотной балке. От аппаратного шкафа кабель соединен со сварочными клещами. Для создания необходимого технологического режима сварки используется электронное реле времени, которое подвешивается на монорельсе.

Рис. 1 Подвесная сварочная машина К-243В: 1 -- сварочные клещи, 2 -- подвесное устройство, 3 -- электронное реле времени, 4 -- монорельс, 5 -- тележка, 6 -- поворотная турель, 7 -- противовес, 8 -- аппаратный шкаф, 9 -- кабель, 10 -- балка

Сборку и сварку объемных арматурных каркасов из плоских сеток, стержней и других элементов производят на горизонтальной установке СМЖ-54В (рис. 74). Она содержит закрепленную на стойке подвесную сварочную машину МТП-1110 и поворачиваемую консоль с подвешенными к ней на стальном канате сварочными клещами. Канат огибает блок на консоли и блок на колонке. На колонке также располагается уравновешивающий клещи контргруз. Стол можно поворачивать вручную вокруг вертикальной оси на 360° и перекатывать по направляющим швеллерам на длину 1700 мм. На столе размещается кондуктор для сборки и сварки каркасов. После укладки в кондуктор элементов каркаса они свариваются клещами.

Контактную стыковую сварку применяют при стыковке стержней арматуры. Она базируется на использовании выделенной теплоты в местах контакта стержней при пропускании через них электрического тока. В зоне контакта происходят оплавление металла и плотное соединение стержней. При контактной сварке применяют режимы непрерывного и прерывистого оплавления. Метод стыковой сварки широко используется при безотходной технологии резки арматурных стержней из стали классов A-I… …A-V. Машины для стыковой сварки МС-2008 и МС-1602 позволяют сваривать стержни диаметром 10…40 мм и работают в комплекте с отрезными станками. Подготовка стержней к сварке заключается в очистке их концов от ржавчины и краски.

Рис. 2 Установка СМЖ-54В для сварки арматурных каркасов: 1 -- контргруз, 2 -- стойка, 3 -- сварочный трансформатор, 4 -- консоль, 5 -- канат, 6 -- сварочные клещи, 7 -- кондуктор, 8 -- поворотный стол

По сравнению с другими способами контактная сварка стержней менее трудоемка и обеспечивает более высокое качество соединения стержней.

Нахлесточные соединения с помощью накладок выполняют ручной дуговой сваркой непрерывными горизонтальными или вертикальными швами. Размер нахлеста и длина накладок зависят от диаметра стыкуемых стержней, класса арматуры и должны быть не менее 8… 12 диаметров.

Дуговую ванную сварку применяют для стыковки стержней арматуры диаметром более 30 мм. Суть этого способа состоит в получении расплавленного металла в пространстве, ограниченном торцами стыкуемых стержней и скобой-накладкой или медной формой. Концы стыкуемых элементов устанавливают с зазором, равным 1,5…2 диаметрам электрода. Ванну заполняют жидким металлом из расплавленных электродов и частично из металла стыкуемых стержней. Чтобы расплавленный металл не растекался, применяют медные формы или стальные скобы-накладки. Ванную сварку выполняют одним или несколькими электродами, объединенными в гребенку. Одним электродом сваривают стыки гладких стержней диаметром до 32 мм из стали класса A-I и периодического профиля из стали классов A-II, A-III. Для арматурных стержней диаметром до 80 мм используют многоэлектродную сварку в медных формах. При ванной сварке применяют сварочные трансформаторы переменного или постоянного тока.

Рис. 3 Дуговая ванная сварка горизонтальных (а) и вертикальных (б) стержней в разъемных формах: 1 -- арматурный стержень, 2 -- разъемная медная форма, 3 -- фиксатор



5. Опишите, в чес проявляется химическая активность углекислого газа по отношению к жидкому металлу сварочной ванны. Какие требования предъявляются к сварочной проволоке при сварке углеродистой стали в среде CO2?

При ручной дуговой сварке электродами с толстым слоем покрытия химические реакции между металлом, шлаком и газами дуги протекают в момент перехода капель расплавленного металла электрода и покрытия через дуговой промежуток при температуре 2100--2300° С. Дальнейшие химические и физические процессы протекают в сварочной ванне. При сварке под флюсом основные химические реакции происходят только в сварочной ванне под слоем расплавленного флюса.

Рассмотрим основные реакции в зоне сварки для стали, как наиболее распространенного металла, подвергаемого сварке.

Окисление. Кислород является наиболее вредной примесью в зоне сварки, так как окисляет элементы, входящие в состав металла шва, и ухудшает его качество, образуя химические соединения -- окислы. Окисление элементов в основном происходит за счет кислорода, содержащегося в газах и шлаках сварочной зоны. В меньшей степени окисление может быть вызвано кислородом поверхностных окислов свариваемого металла (окалины, ржавчины). При случайном увеличении длины дуги капли электродного металла могут окисляться кислородом окружающего воздуха.

С железом кислород образует три окисла:

При окислении сперва образуется закись железа, которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, соотношение кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись железа. При окислении железа в процессе сварки основное значение имеет закись железа, так как только она способна растворяться в жидком металле.

Когда содержание кислорода в стали достигнет 0,035%, избыточный кислород будет выделяться из раствора в виде закиси-окиси железа и располагаться между зернами металла.

В общем виде реакцию между элементом металла и кислородом можно выразить следующей формулой

где Me -- масса элемента металла;

О₂ -- масса кислорода; m и n -- численные коэффициенты формулы химической реакции.

Стрелки указывают направление реакции: направо -- окисление, налево -- восстановление металла из его окисла (раскисление).

Химические реакции в зоне сварки протекают не до конца, а до некоторого равновесного состояния между исходными веществами и продуктами реакции. Равновесное состояние характеризуется одновременным присутствием в зоне реакции как свободного металла, так и его окисла в определенных соотношениях. Состояние равновесия зависит в первую очередь от количеств (концентрации) реагирующих веществ, температуры и давления в зоне реакции.

Равновесное состояние определяется величиной константы равновесия, вычисляемой по формуле

где Me и О -- содержание в % массы элемента (Me) и кислорода (О) в зоне реакции; m ип -- численные коэффициенты формулы реакции.

Величина константы равновесия позволяет определить направление реакции. Чем больше произведение концентраций вступающих в реакцию веществ (т. е. числитель в формуле константы равновесия) по сравнению с равновесной и чем меньше концентрация продуктов реакции (т. е. знаменатель в формуле константы) по сравнению с равновесной, тем энергичнее будет протекать реакция вправо в сторону окисления. При обратном соотношении, когда подсчитанная константа будет меньше равновесной, реакция пойдет влево и будет происходить восстановление металла из его окислов. Кроме соотношения концентраций реагирующих веществ на направление реакции сильно влияет ее температура, поэтому сравнение производят для одинаковых температур в зоне реакции.

Концентрации реагирующих веществ определяют только направление реакции. Возможность же данной реакции обусловлена химическим сродством участвующих в ней веществ, в данном случае сродством к кислороду.

При наличии в свариваемом металле нескольких элементов они начинают окисляться все одновременно, но те элементы, у которых сродство к кислороду при данной температуре больше, будут окисляться интенсивнее и полнее.

При сварке стали в первую очередь окисляется железо, являющееся основным элементом. Другие элементы окисляются тем быстрее, чем больше химическое сродство данного элемента с кислородом. По степени уменьшения химического сродства с кислородом элементы могут быть поставлены в следующий ряд: алюминий, титан, кремний, марганец, хром, молибден, железо, никель, медь. Углерод при повышении температуры увеличивает активность к кислороду и при 1700° С превышает своей активностью титан, а при 2100° С -- алюминий.

По мере уменьшения в зоне реакции концентрации элементов, обладающих большим сродством к кислороду, скорость их окисления падает. Соответственно возрастает скорость окисления других элементов, обладающих меньшим сродством с кислородом, которые начинают выгорать более интенсивно до тех пор, пока их концентрация не уменьшится до равновесной и не прекратится реакция окисления. Такой процесс последовательного увеличения скорости окисления отдельных элементов продолжается до тех пор, пока концентрации всех элементов не будут соответствовать равновесным, после чего процессы окисления металла в сварочной ванне прекратятся.

При сварке стали окисление железа может происходить также под действием кислорода газов: СО, С0₂ и паров воды Н₂0 по реакциям:

Марганец и кремний, обладающие высоким сродством к кислороду, могут интенсивно выгорать при сварке стали. Выгорание углерода при сварке стали протекает по реакциям:

При нагреве ржавого металла присутствующая в ржавчине влага испаряется, а содержащийся в ней кислород окисляет свариваемый металл. Если кромки покрыты окалиной, то последняя при плавлении переходит в закись железа (FeO) с выделением кислорода. Кислород закиси железа и выделившийся из окалины свободный кислород также окисляют металл шва.

Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь, сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород снижает стойкость металла против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.

Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков, а также раскислением металла шва.

Раскисление. Процесс удаления кислорода из наплавленного металла с целью повышения его качества называется раскислением. Реакции раскисления выражаются тем же уравнением, что и окисления, но протекают в обратном порядке, т. е. справа налево.

Раскисление осуществляется или взаимодействием между наплавленным металлом и шлаком, или путем введения в сварочную ванну элементов -- раскислителей, обладающих большим сродством с кислородом, чем железо. Благодаря защите расплавленного металла газами, шлаками и раскислению содержание кислорода в наплавленном металле при сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом очень невелико и практически составляет 0,005--0,060%. При сварке же электродами с тонким (меловым) покрытием содержание кислорода в металле шва много выше и может достигать 0,25%. Для сравнения укажем, что содержание кислорода в электродной проволоке не превышает 0,018%. Раскислители вводят в состав сварочной проволоки или электродных покрытий и флюсов, откуда они поступают в сварочную ванну.

Рассмотрим некоторые наиболее типичные реакции раскисления.

Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:

Образующиеся при этом двуокись кремния (Si0₂) и закись марганца (МпО) плохо растворимы в жидком металле и переходят в шлак. Закись марганца способна растворять в себе до 60% закиси железа, выводя таким образом основное количество FeO в шлак.

Закись железа, закись марганца и двуокись кремния по химическим свойствам являются основаниями и могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя соединения типа 2Fe0-Si0₂, 2Mn0*Si0₂ (силикаты) и 2FeO * Ti0₂ (титанаты). Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в шлаке, что способствует очистке металла от указанных окислов.

Окислы по химическим свойствам могут быть кислые и основные. К кислым относятся: двуокись кремния (Si0₂) и двуокись титана (Ti0₂). К основным -- окись кальция (СаО), закись железа (FeO), закись марганца (МпО), окись натрия (Na₂0), окись калия (К₂0) и окись магния (MgO).

Если в шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы, то такие шлаки, а также образующие их покрытия и флюсы, называются кислыми. Преобладание в шлаке основных окислов, наоборот, придает ему химические свойства основания. Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки, называются основными.

При использовании кислых покрытий и флюсов для сварки сталей с повышенным содержанием кремния, хрома и марганца окислы этих элементов могут оставаться в металле шва, увеличивая содержание в нем кислорода, что приводит к снижению ударной вязкости. Поэтому для сварки таких сталей лучше использовать основные покрытия и флюсы. Основные покрытия и флюсы дают основные шлаки, содержащие преимущественно окись кальция (СаО), которая не может отнимать кислород от окислов металла. Поэтому для раскисления наплавленного металла в основные покрытия и флюсы вводят ферросплавы: ферросилиций и ферротитан. В этом случае главными реакциями раскисления при основных покрытиях и флюсах будут -- раскисление кремнием:

2Fe0 + Si=2Fe + Si0₂

и раскисление титаном:

2FeO + Ti = 2Fe + TiO₂

Эти реакции протекают без газообразования, и сварочная ванна остается спокойной. Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные электродные покрытия дают наплавленный металл с высокими механическими свойствами.

Раскисление углеродом. С кислородом окислов углерод взаимодействует главным образом в момент расплавления электрода и только в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны.

Раскисление углеродом происходит по реакции

FeO_MeT +С_мет = Fe_MеT + СО_атм

Образовавшаяся газообразная окись углерода (СО) выделяется в атмосферу, вызывая сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые покрытия иногда называют кипящими.

Если кремния в металле шва недостаточно, то раскисление будет происходить преимущественно за счет углерода с образованием СО, избыточное количество которой не успевает выделиться из твердеющего металла и остается в нем, образуя газовые поры. Для получения плотного беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления углерода повышением содержания кремния до 0,2--0,3% в металле сварочной ванны. При понижении содержания кремния в металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор.

Размещено на Allbest.ru

...