Обработка металлов и сплавов
Литейное производство. Одним из древнейших технологических приемов изготовления деталей является литейное производство. Сущность его заключается в том, что расплавленный металл определенного химического состава заливают в специальную литейную форму, в которой он при охлаждении затвердевает и потом сохраняет очертания этой формы, т. е. конфигурацию и размеры будущей детали. Деталь, полученная таким образом, называется отливкой. Изготовляют отливки различной формы и размеров, от нескольких граммов до нескольких сотен тонн.
Отливки делают преимущественно из чугуна, стали, бронзы, латуни, алюминиевых и других сплавов. При этом литейные сплавы должны иметь хорошую жидкотекучесть (хорошо заполнять форму), обладать малой усадкой (незначительно сокращать свой объем при затвердевании) и плохо растворять газы, чтобы обеспечить хорошую плотность отливок.
В процессе кристаллизации и охлаждения сплава формируются основные механические и технологические свойства отливок, определяемые макро- и микроструктурой, плотностью, внутренними напряжениями, вызванными неоднородным охлаждением частей отливки, и др.
Существуют различные виды литья: в земляные (песчаные) и металлические формы, под давлением, непрерывное, центробежное, по выплавляемым моделям и др.
Литьем изготовляют детали автомобилей, станков, трубы, санитарно-техническое оборудование (ванны, радиаторы, мойки), детали санитарно-технической арматуры (задвижки, вентили, краны), отдельные части строительных изделий и конструкций, транспортных устройств и т. п.
Обработка металлов давлением. В строительстве металлы используются для изготовления различных металлических конструкций, армирования бетона, устройства кровли, ограждений и т. п. Для того чтобы изготовить такие материалы и конструкции, металл (заготовки) предварительно подвергают соответствующей обработке (механической, термической и др.). Преобладающим является механический способ обработки металлов давлением, или пластической обработки. В результате получают изделия определенной формы и назначения (листы, полосы, уголки, швеллеры и др.).
Обработка металлов давлением основана на их способности в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на металлическую заготовку внешних сил (давления или удара). При этом изменяется не только форма и размеры заготовки металла, но существенно изменяется его структура, улучшаются механические и другие свойства. Так, например, при холодной обработке давлением увеличивается твердость и прочность металла, но в ряде случаев уменьшается коррозионная стойкость, снижается ударная вязкость.
При обработке металлов давлением в заготовке под действием внешних сил возникают напряжения. Если они не велики, то происходит упругая деформация, при которой атомы металла смещаются от положения устойчивого равновесия на очень незначительные расстояния, не превышающие межатомные. После снятия такой нагрузки атомы способны возвращаться в исходное положение устойчивого равновесия, сохраняя прежнюю форму изделия. С увеличением внешней нагрузки напряжения в заготовке растут, что ведет к смещению атомов от положения устойчивого равновесия на более значительные расстояния, превышающие межатомные. В результате после снятия нагрузки атомы занимают новое положение, и форма изделия не восстанавливается.
Однако не все металлы одинаково пластичны, а следовательно, и в разной степени поддаются обработке давлением. Такие металлы, как свинец, медь, алюминий, обладают достаточно хорошей пластичностью и легко поддаются деформированию. Сталь же менее пластична, поэтому, чтобы облегчить обработку давлением, в ряде случаев ее приходится нагревать. Некоторые металлы (чугун, марганец) даже при значительном нагревании не обладают достаточной пластичностью и практически не поддаются обработке давлением.
Форму металла с помощью давления можно изменять прокаткой, прессованием, волочением, ковкой, объемной и листовой штамповкой, гибкой и другими способами (рис. 12.10).
Рис. 12.10. Виды обработки металлов давлением: а — прокатка; б - прессование;
в - волочение; г — ковка; д - объемная штамповка; е - листовая штамповка
Рис. 12.11. График термической обработки металлов
Термическая обработка металлов. Свойства металла зависят от его состава и структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру металлов, а следовательно, и свойства является термическая обработка. Такой обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты и другие изделия. Она представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения структурно-фазового состава и свойств без изменения химического состава (рис. 12.11). Такая обработка может использоваться как в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости резанием, давлением и другими методами, так и в качестве окончательной операции технологического процесса, обеспечивающей заданный уровень физико-механических свойств изделий. Различают три основных вида термической обработки металлов: собственно термическая, химико-термическая и термомеханическая.
Основными видами собственно термической обработки металлов являются отжиг, закалка, отпуск, старение.
Отжиг является самой распространенной операцией термической обработки. Заключается в нагреве стали выше или ниже критических температур, выдержке при данной температуре до полного прогрева металла и медленном охлаждении (обычно вместе с печью). В результате получается стабильная структура. Цель отжига — устранить внутренние напряжения, измельчить зерно, придать металлу пластичность перед последующей обработкой и привести структуру в равновесное состояние. В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам металлов, различают следующие виды отжига:
- первого и второго рода;
- диффузионный;
- рекристаллизационный;
- нормализационный;
- низкий;
- полный;
- неполный и др.
Закалка придает стали такую структуру, а следовательно, и свойства, которые обеспечивают изделию надежную и долговечную работу в заданных условиях эксплуатации. Это достигается путем создания у стали мартенситной структуры, при которой сталь становится более прочной, твердой, упругой и износостойкой.
Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2% сталь практически не закаливается. Стали, подвергающиеся закалке, характеризуются закаливаемостью и прокаливаемостью.
Закаливаемость — способность стали приобретать максимальную твердость в результате закалки. Оценивают по твердости поверхностного слоя стального образца после закалки.
Прокаливаемостъ — способность стали закаливаться на определенную глубину, т. е. образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью. Характеризуется максимально получаемой твердостью по сечению изделия.
При закалке в качестве охлаждающей среды чаще всего используют воду, иногда с добавками солей, щелочей. Для увеличения охлаждающей способности применяют также масла, расплавленные соли и металлы. Существуют следующие способы закалки:
- в одной и двух средах;
- ступенчатая;
- изотермическая;
- поверхностная и др.
Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжением, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробление можно устранить последующей рихтовкой или правкой. Поэтому закаленные изделия и инструмент всегда подвергают отпуску.
Отпуск стали производится путем нагрева закаленной стали ниже температур фазовых превращений с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью. Цель отпуска — снятие остаточных напряжений после закалки, снижение твердости, хрупкости и получение необходимых механических свойств.
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска:
- высокий (при температуре 500...650 °С);
- средний (350...450 °С);
- низкий (150...300 °С).
Если отпуск проводится после закалки без полиморфного превращения при комнатной температуре или несколько ее превышающей, то такой отпуск называется старением. Отпуск является заключительной операцией термической обработки, выполняемой после закалки.
Под химико-термической обработкой понимают процесс изменения при высоких температурах и в химически активной среде состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя металлов (твердости, износостойкости, усталостной прочности, эрозионной стойкости, красностойкости и др.). Химически активной средой может быть твердая, газовая или жидкая. Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева, концентрация на поверхности изделия активного химического компонента и продолжительность выдержки в активной среде. В основе самой обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции и диффузии.
Основными разновидностями химико-термической обработки являются:
— цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);
— азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
— нитроцементация, или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);
— диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами). Наиболее распространенными видами диффузионной металлизации являются алитирование (алюминием), хромирование (хромом), силицирование (кремнием) и др.
При термомеханической обработке структура металла изменяется за счет термического и деформационного воздействия.