Обработка металлов давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сущность и способы обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением благодаря пластичности металла позволяет под действием внешних сил изменять его первоначальную форму и сохранять вновь полученную после снятия нагрузки. При обработке давлением из заготовки получают изделия сложной формы, улучшают кристаллическую структуру металла и его механические свойства.

Получение изделий при обработке металлов давлением осуществляется без снятия стружки путем пластического деформирования исходной заготовки под давлением рабочего инструмента: валков, бойков, штампов и др. При этом объем металла и плотность его практически не изменяются. В качестве исходной заготовки при обработке давлением обычно используют слитки черных и цветных металлов.

Обработка давлением является малоотходным экономичным технологическим процессом. Отходы металла при этом процессе не превышают 25%, а при холодной штамповке составляют всего 5-10%. При получении изделий обработкой резанием отходы металла в виде стружки составляют свыше 50 % массы готовой детали, причем удаляется наиболее прочный внешний слой. Обработка металлов давлением обеспечивает очень высокую производительность труда по сравнению с другими методами обработки. Например, при прокатке скорость выхода изделий достигает 30 м/с, при холодной штамповке на одном агрегате производится до 1500 деталей в минуту. Обработкой давлением можно получать не только крупные заготовки, но и мелкие изделия с высокой точностью - фольгу и проволоку толщиной несколько микрон и с допусками, составляющими десятые доли микрона. Основными способами обработки металлов давлением являются прокатка, ковка, объемная и листовая штамповка, прессование и волочение.

Прокатка - процесс обжатия материала между вращающимися валками прокатного стана. Прокаткой получают листы, прутки, трубы и различные профили.

Свободной ковкой называется процесс последовательного деформирования металла молотом или прессом, когда течение его в стороны не ограничено. Свободной ковкой получают различные детали в мелкосерийном и единичном производстве.

Объемная штамповка - ковка в штампах, полости которых определяют конфигурацию изделия. Этим способом заменяют ковку при крупносерийном и массовом производстве.

Листовой штамповкой называют процесс деформации листовой заготовки для придания ей нужной формы и размеров. Способ применяется для изготовления тонкостенных деталей в массовом производстве.

Прессование - процесс выдавливания материала на гидравлическом прессе через отверстие в матрице. Прессованием в основном получают прутки, трубы и различные профили из цветных металлов.

Волочение - процесс протягивание прутка через отверстие в матрице, размер которого меньше размера поперечного сечения заготовки. Волочением получают тонкую проволоку, трубы и прутки.

В машиностроении и других отраслях промышленности давлением обрабатывают около 90 % выплавляемой стали и до 55 % цветных металлов и сплавов.

Деформация бывает упругой, когда тело после снятия прилагаемых к нему сил восстанавливает свои первоначальные форму и размеры, и пластической, когда после снятия нагрузки восстановления не происходит и тело сохраняет полученную форму. Упругая деформация предшествует пластической, так как она возникает при меньшей величине деформирующих сил и напряжений. Поэтому полная деформация тела в момент действия нагрузки равна сумме упругой и пластической (остаточной) деформаций. При упругой деформации происходит искажение кристаллической решетки металла с отклонением атомов, расположенных в узлах решетки, от положений их устойчивого равновесия.

Пластическая деформация отдельно взятого металлического кристалла может происходить путем скольжения или двойникования. Скольжение представляет собой последовательные перемещения дислокаций вдоль кристаллографических плоскостей. Дислокации представляют собой линейные дефекты кристаллической решетки вдоль прерванных плоскостей кристалла. При деформации кристалла перемещение его отдельных объемов происходит разновременно, а не сразу по всей плоскости скольжения. Дислокации смещаются последовательно микроскачками, при этом образуются новые дислокации. Таким образом, пластическая деформация кристалла скольжением складывается из множества микроскачков отдельных дислокаций по различным плоскостям скольжения.

Двойникование также является результатом движения дислокаций и представляет собой поворот части монокристалла относительно плоскости двойникования в зеркально обратное положение. После двойникования части кристалла оказываются симметрично расположенными относительно плоскости двойникования.

Пластическая деформация поликристаллических тел осложнена их многозернистым строением. Она начинается в отдельных зернах и складывается из пластического скольжения внутри зерен (внутрикристаллических сдвигов), поворотов, вытягивания и дробления зерен на более мелкие объемы (блоки) и ограниченных взаимных смещений зерен. Пластическое течение металла начинается в то время, когда касательные напряжения (напряжения, действующие в плоскости сдвига) достигают определенной величины, зависящей от свойств металла и условий деформации. Величина пластической деформации для горячего металла может быть весьма значительной, а для холодного возможна лишь в небольших пределах.

При обработке металлов давлением применяют холодное и горячее пластическое деформирование. Холодное пластическое деформирование вызывает образование первичной волокнистой микроструктуры металла с вытянутыми в направлении деформирования зернами и физическое упрочнение или наклеп металла в результате образования новых дислокаций, дробления зерен и искривления плоскостей скольжения. Наклеп характеризуется увеличением твердости и прочности металла и снижением пластичности. Повышение сопротивления деформированию металла при наклепе и падение его пластических свойств объясняются резким увеличением плотности дислокаций и исчерпанием возможностей их перемещений внутри кристаллов. Наклеп при холодной обработке давлением не позволяет осуществлять значительное деформирование в связи с опасностью разрушения металла. Его устраняют термообработкой - рекристаллизационным отжигом, при котором снижается плотность дислокаций и металл восстанавливает свои пластичность и остальные начальные свойства.

При нагреве холоднодеформированного металла вначале происходит снятие остаточных напряжений, искажений кристаллической решетки и взаимное уничтожение линейных дислокаций различных знаков из-за возросшей подвижности атомов. Это явление называется возвратом, так как оно вызывает частичный возврат прочностных и пластических свойств и снижение хрупкости металла. Размещено на Allbest.ru

При температурах нагрева выше 0,37Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления металлов, начинается процесс рекристаллизации, при котором происходит перерождение волокнистой микроструктуры, окончательное восстановление искаженной кристаллической решетки и физико-механических свойств металла. На границах старых, вытянутых зерен возникают новые центры кристаллизации в виде мельчайших кристаллов, постепенно растущих с повышением температуры и создающих равноосную структуру металла с пониженной плотностью дислокаций. Таким образом, обработка металла давлением при различных температурах сопровождается одновременным действием противоположно направленных процессов упрочнения и разупрочнения - возврата и рекристаллизации. В зависимости от того, какие из этих процессов являются преобладающими, обработка давлением подразделяется на холодную, теплую и горячую.

Холодное деформирование характеризуется интенсивным наклепом металла, волокнистой микроструктурой, полным отсутствием возврата и рекристаллизации. При теплом деформировании отсутствует рекристаллизация, но протекает процесс возврата. Металл имеет полосчатую микроструктуру без следов рекристаллизации. Горячее деформирование характеризуется полным разупрочнением металла в результате рекристаллизации по всему объему деформируемой заготовки. Оно осуществляется при температурах нагрева, превышающих температуру начала рекристаллизации. Металл приобретает равноосную микроструктуру без всяких следов упрочнения, но волокнистое его строение сохраняется.

Учитывая сказанное выше о скоростях рекристаллизации и деформации, горячую обработку давлением практически осуществляют при температурах не ниже 0,6 Тпл, чтобы обеспечить быстрое разупрочнение металла и его полную рекристаллизацию даже в промежутке между двумя последовательными ударами молота. Размещено на Allbest.ru

Горячее деформирование существенно влияет на структуру и свойства металла. Структура слитка характеризуется наличием крупных дендритных кристаллов первичной кристаллизации (см. рис. 2.9), по границам которых расположены неметаллические примеси серы, фосфора, оксидов и карбидов в виде пленок или шариков.

Деформирование литой структуры прокаткой, ковкой и прессованием приводит к дроблению кристаллов и вытягиванию их в направлении наибольшей вытяжки. Одновременно с этим вытягиваются и дробятся межкристаллитные прослойки (оболочки зерен) с неметаллическими включениями, принимая форму прядей при больших степенях деформации. В металле возникает видимость волокнистого строения. В промежутки времени между обжатиями металла бойками молота или валками прокатного стана происходит, как отмечалось, рекристаллизация металла с образованием мелких равноосных зерен, однако эти новые зерна остаются в вытянутых оболочках первичных кристаллитов. Таким образом, первоначальная вытянутость зерен остается зафиксированной. Образование волокнистой макроструктуры приводит к анизотропии (неоднородности) механических свойств металла в разных сечениях изделий, которая проявляется тем резче, чем больше степень деформации.

За показатель степени деформации при вытяжке слитка ковкой или прокаткой принимают отношение исходной площади поперечного сечения слитка Fн к конечному (или текущему) ее значению Fк после вытяжки. Эту величину Y=Fн/Fк называют уковом. Уков оказывает значительное влияние на относительное удлинение д и ударную вязкость, не изменяя существенно предела прочности металла ув. С увеличением степени деформации до четырех-, пятикратного укова показатели пластичности увеличиваются в продольном направлении и убывают в поперечном. Дальнейшее увеличение укова оказывает незначительное влияние на эти показатели.

Получающиеся при горячем деформировании волокнистость металла и анизотропия механических свойств являются стойкими и не устраняются последующей термической обработкой. Изменение направления волокнистости металла в изделии можно обеспечить только повторной горячей обработкой давлением. Процесс деформирования следует вести таким образом, чтобы получившиеся волокна макроструктуры были расположены в направлении максимальных нормальных (растягивающих или сжимающих) напряжений, возникающих в детали при ее эксплуатации под нагрузкой. Направление касательных (срезающих) напряжений должно быть перпендикулярно к волокнам. Размещено на Allbest.ru

При прокатке волокна располагают вдоль изделия, повышая в этом направлении прочность проката. Внешние нагрузки должны изгибать, а не расщеплять волокна металла. Кроме того, волокна при получении заготовки и готовой детали должны не перерезаться, а огибать контур детали. Например, при ковке коленчатых валов, крюков подъемных кранов и других ответственных деталей следует применять гибку, а не изготовлять колено или крюк с помощью газовой резки или обработки на станках.

2. Термическая обработка металлов

Термической обработкой металлов называется тепловой процесс, при котором металл нагревается до определенной температуры, выдерживается некоторое время при этой температуре, а затем с определенной скоростью охлаждается. Термическая обработка производится для повышения механической прочности и износоустойчивости, твердости (закалка), улучшения обрабатываемости (нормализация), снятия внутренних напряжений и уменьшения хрупкости после ковки, штамповки и литья (отжиг), уменьшения твердости и хрупкости; снятия внутренних напряжений после закалки (отпуск). Термической обработке подвергаются главным образом стали. В отдельных случаях ее применяют для улучшения свойств чугуна и цветных металлов. Нагрев металла при термической обработке производится в специальных печах: пламенных, электрических и газовых, снабженных приборами для измерения и регулирования температуры нагрева. Охлаждение - в ваннах с соответствующей жидкостью (водой, маслом, расплавленным свинцом и т. д.).

Основные виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

2.1 Отжиг и нормализация стали

Отжиг. При отжиге стали ее внутреннее строение становится мелкозернистым, это улучшает механические свойства; сталь приобретает меньшую твердость и большую пластичность, что облегчает ее обработку; устраняются внутренние напряжения, вызванные ковкой и литьем, проявляющимися в повышенной хрупкости и слабой сопротивляемости ударной нагрузке.

Температура при отжиге всегда должна быть на 20-30э выше 723°. Нагретые до нужной температуры детали выдерживают при этой температуре в течение срока, достаточного для полного прогрева, что зависит от массы деталей. Затем дается медленное охлаждение до нормальной (20°) температуры. Охлаждение производится вместе с печью или в горячем песке (золе).

Нормализация. Целью нормализации является получение мелкозернистой структуры стали. По сравнению с отожженной сталь после нормализации обладает большей твердостью и прочностью, но меньшей пластичностью.

При нормализации стальные детали нагревают до температуры отжига и затем охлаждают на воздухе.

2.2 Закалка стали

Закалка, придает стали наибольшую твердость и в этом отношении противоположна отжигу. Нагрев для закалки стали производят при температуре 760-860°! (в зависимости от марки стали).

Охлаждение производится с большой скоростью (150-200° в секунду), которая достигается погружением нагретых деталей в жидкую охлаждающую среду.

Очень быстрое охлаждение, т. е. сильная закалка, получается в холодной воде, особенно при растворении в ней 10% поваренной соли или едкого натра; умеренная закалка - в горячей воде, масле; слабая закалка - в расплавленном свинце. Закалке подвергаются стали с содержанием углерода не менее 0,35%.

Поверхностная закалка. Закалка поверхности деталей машин и инструментов производится для повышения твердости только их поверхностного слоя при сохранении мягкой и пластичной основной массы (сердцевины). Примерами таких деталей могут служить шейки коленчатых валов, шейки и кулачки распределительных валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы двигателей внутреннего сгорания, зубья шестерен, валики, шпиндели станков и др.

Существует два основных способа нагрева при поверхностной закалке: нагрев в ацетилено-кислородном пламени и токами высокой частоты.

2.3 Отпуск стали

Отпуск. Применяется после закалки стали для уменьшения ее хрупкости (снятия внутренних напряжений) и улучшения обрабатываемости. Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до определенной температуры (ниже 723°) и последующем охлаждении с любой скоростью. Различают высокий, средний и низкий отпуск.

Высокий отпуск сопровождается нагреванием до температуры 500-700° и применяется преимущественно для деталей из углеродистой стали, чтобы получить наибольшую пластичность и ударную вязкость. Высокий отпуск носит название «улучшения» стали, так как она в этом состоянии обладает лучшими механическими свойствами и хорошо обрабатывается резанием.

Средний отпуск сопровождается нагреванием до температуры 250-450° и применяется для деталей, требующих высокой упругости,- пружин, рессорных листов и т. д.

При низком отпуске нагревание производится в пределах 140-250°. Этот вид отпуска наиболее пригоден после поверхностной закалки, после цементации и во всех случаях, когда требуется обеспечить высокую твердость и износоустойчивость деталей.

Приобретенная при закалке твердость понижается по мере повышения температуры отпуска: при нагреве до 200°- на 14% при нагреве до 300°- на 40% при нагреве до 500°- на 87%.

Размещено на Allbest.ru