Производство чугуна и стали

Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ
«ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ»
1
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
2
Производство чугуна и стали
Металлургические процессы основаны на извлечении металлов из руд.
Руды. В настоящее время известно около 80 металлов (т. е. примерно 80% всех
элементов), общая масса которых в земной коре составляет около 25%. Примерное
содержание (%) некоторых элементов в ней следующее
Кислород
4
Хром
2 10-2
2
Медь
1 10-2
8
5
3
Никель
Цинк
Олово
8 10-3
5 10-3
4 10-3
2
Молибд
3 10-4
7
Кремний
8
Алюминий
Железо
Кальций
,6
Натрий
ен
,6
Калий
Вольфр
1 10-4
,6
ам
Магний
2
Серебр
1 10-5
,1
о
Титан
1
Золото
5 10-7
Почти все металлы из-за их большой химической активности находятся в природе
в виде химических соединений. Исключение составляют химически стойкие
самородные золото, платина, серебро, реже - медь.
Рудой называется природное минеральное сырье, содержащий металл, извлечь
который можно экономически выгодным промышленным способом. Некоторые руды,
особенно цветных металлов, являются комплексными (полиметаллическими), т.е.
содержат не один, а несколько ценных металлов. Кроме соединений металла, в руде
всегда имеется пустая порода - соединения, не содержащие данного металла.
Качество руды определяется, прежде всего, ее богатством, т.е. содержанием
извлекаемого металла. Другими критериями при оценке качества руды являются
химическая природа и свойства пустой породы, восстанавливаемость металла из
руды и т. п. Очень важное значение имеет присутствие в ней вредных примесей,
например, серы и фосфора в железной руде. К наиболее богатым относятся
железные руды, содержащие в среднем 40-50% железа. Руды цветных металлов,
как правило, более бедные и редко содержат выше 2% металла. Использование все
более бедных руд приводит к необходимости совершенствовать способы их
обогащения перед плавкой.
Металлургические процессы Задачей металлургии является получение
металлов и металлических сплавов из руд или из других исходных материалов. Для
этого применяют следующие основные способы.
Пирометаллургический основан на том, что тепло, необходимое для выплавки
металла или сплава, обеспечивается сжиганием топлива. К пирометаллургии
относятся доменный процесс выплавки чугуна из железной руды, мартеновский
способ передела чугуна в сталь, выплавка меди из медных руд и т.д.
Электрометаллургический заключается в выплавке металлов и сплавов в
дуговых, индукционных и других электрических печах. Кроме того, некоторые
металлы получают путем электролиза из расплавов их химических соединений.
Гидрометаллургический основан на выщелачивании металлов из руд при
помощи растворителей и последующем выделении металла из раствора. Этот
способ находит применение, например, при извлечении меди из медных руд.
2
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
3
Химико - металлургический заключается в получении металла при помощи
химических металлургических процессов. Типичным применением может служить
производство титана по схеме: титановая руда - получение четыреххлористого
титана (TiCl4) - восстановление титана магнием. Кроме этих основных способов,
металлы и сплавы получают также методом порошковой металлургии
электроннолучевой, плазменной плавкой и другими способами.
ТОПЛИВО. Основными горючими компонентами топлива являются углерод и
водород, нередко в виде углеводорода и других соединений. К негорючей части
относятся азот влага, зола. В топливе часто находится сера - вредная примесь,
которая может переходить в металл, ухудшать его качество.
Важнейшей характеристикой топлива является его теплотворность - количество
тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы топлива. Кроме того,
учитывают температуру воспламенения, зольность и другие характеристики.
Основными видами металлургического топлива являются кокс, мазут, а также
газы - природный, доменный и коксовый.
Кокс - главное топливо при выплавке чугуна в доменных печах. Кокс получают из
коксующихся каменных углей путем удаления из них летучих веществ в специальных
печах путем пиролиза, т. е. разложения при прокаливании измельченного угля без
доступа воздуха при 950-1100°С в течение 15-18 ч. В среднем содержит 85-90%
углерода, 0,5-2% серы, до 0,2% фосфора, 10-13% золы, до 5% влаги. Его
теплотворная способность равна 6500-7500 ккал/кг.
Кокс - дорогое и дефицитное топливо. Его получают только из некоторых сортов
коксующихся углей, запасы которых составляют около 10% всех запасов угля.
Побочными продуктами коксования являются ценные химические вещества: бензол,
фенолы, нафталин, каменноугольная смола и др., а также коксовый газ.
Мазут широко применяется для отопления сталеплавильных мартеновских печей,
нагревательных печей в прокатных и других цехах. Он представляет собой жидкий
остаток переработки нефти - после возгонки из нее бензина, керосина и других
легких фракций. Достоинства мазута - высокая теплотворная способность: 95010500 ккал/кг, отсутствие золы при сжигании, простота регулирования горения.
Природный газ - высококалорийное дешевое топливо. В последние годы он
находит в металлургии все возрастающее применение. Он состоит в основном из
метана (92-98%); его теплотворная способность не менее 8000 ккал/м3. Применение
природного газа позволило значительно интенсифицировать процессы плавки в
доменных и мартеновских печах, значительно повысить их производительность,
уменьшить расход кокса.
Коксовый газ содержит 46-53% водорода, 21-27% метана, 2-7% окиси углерода,
4-18% азота, теплотворную способность 3600-4500 ккал/м3. Он используется как
топливо в коксовых и других печах, а также как сырье в химической
промышленности.
Доменный (колошниковый) газ - побочный продукт при выплавке чугуна в
доменных печах. Его используют на металлургических заводах в качестве топлива в
чистом виде или в смеси с коксовым газом.
Огнеупорные материалы
Одной из основных характеристик огнеупорных материалов является их
огнеупорность - способность выдерживать высокие температуры, не расплавляясь.
В
металлургии
различают
огнеупорные
материалы
(1580-1750°С),
высокоогнеупорные (1700-2000*С) и особо огнеупорные (выше 2000°С). Они должны
также сохранять прочность при нагреве, быть химически стойкими при воздействии
расплавленного металла, шлака, раскаленных печных газов, обладать
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
4
определенной теплопроводностью. Огнеупорные материалы разделяют на три
основные группы: кислые, основные и нейтральные.
Кислые огнеупорные материалы - динасовый кирпич, кварцевый порошок и
другие материалы с высоким содержанием SiO2. Динасовый кирпич имеет высокую
огнеупорность - до 1700°С. Его применяют для кладки кислых печей. Кварцевый
порошок и кварцевый песок применяют для футеровки печей и т. п.
Основные огнеупорные материалы - магнезитовые, доломитовые и др. с высоким
содержанием MgO, CaO.
Магнезитовый кирпич имеет огнеупорность 2000-2400° С. Доломит - 1800-1980° С.
Хромомагнезитовый кирпич имеет огнеупорность не ниже 2000°С, обладает
высокой термостойкостью, т.е. выдерживает резкие смены температур без
образования трещин, и широко применяется для изготовления сводов мартеновских
печей и т. п.
Нейтральные огнеупорные материалы - шамот, углеродистые и другие
материалы.
Шамот - наиболее распространенный огнеупорный материал в металлургии. Он
имеет относительно невысокую огнеупорность (1580-1750°С), но является наиболее
дешевым. Шамотные кирпичи применяют для кладки доменных печей, футеровки и
т.д.
Хромистый кирпич, изготавливаемый из хромитов, обожженного магнезита и
глины - более качественный нейтральный огнеупорный материал. Его огнеупорность
составляет 1800-2000°С.
Углеродистые огнеупорные материалы, основой которых является измельченный
графит, кокс, антрацит, обладают очень высокой огнеупорностью - более 2000° С. Их
применяют в виде блоков для кладки горна доменных печей, футеровки
электролизных ванн при производстве алюминия и т. д.
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме
углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%) и также
фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения
стали, на что расходуется примерно 80- 85% всего чугуна. Вместе с тем чугун наиболее распространенный литейный сплав.
РУДЫ, ФЛЮСЫ И ТОПЛИВО
Железные руды - основной исходный материал для выплавки чугуна. Это окислы
железа, хорошо восстанавливающиеся в условиях доменной плавки. Пустая порода
обычно состоит из кварца и песчаников с примесью глин, т. е. является кислой.
Железные руды относительно богаты. Богатые руды содержат 60% железа и
больше, наиболее бедные 30-40%. В железных рудах всегда присутствуют вредные
примеси - сера и фосфор. Железные руды бывают следующих основных видов.
Красный железняк. Рудный минерал - гематит, безводная окись железа Fe2O3
(>70% Fe). Руда обычно содержит 50-60% Fe. Это наиболее распространенный вид
руды во всем мире.
Магнитный железняк. Рудный минерал - магнетит, магнитная окись железа Fe3O4
(72,4% Fe), в руде 55-60% Fe.
Бурый железняк. Рудный минерал - водные окислы железа n·Fe2O3 m·Н2O (5266% Fe), обычно в руде содержится 30-50% Fe.
Шпатовый железняк. Рудный минерал - сидерит, карбонат железа FeCO3 (48,3%
Fe), в руде обычно 30-40% Fe.
Железистые кварциты. Рудный минерал - магнетит или гематит. Эти руды
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
5
содержат 35-40% Fe с кремнистой пустой породой.
Титаномагнетиты. Комплексная руда, содержит 15-20% Fe, рудными минералами
которых являются магнетит и ильменит FeO-TiO2. Ильменит используют в
производстве титана.
Марганцевая руда, входит в состав шихты доменных печей при выплавке
некоторых марок чугуна, а так для выплавки ферромарганца (до 82% Mn). В ней
марганец находит в виде пиролюзита MnO2 и других соединений. Содержание
марганца в руде обычно составляет 25-50%.
Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой
пустой породы руды и золы. Сплавляясь с флюсом, они образуют доменный шлак; в
расплавленном состоянии он удаляется из печи через шлаковую летку. Кроме того,
флюс должен обеспечить получение шлака с определенным составом, что в
значительной мере определяет состав чугуна.
Флюсы выбирают в зависимости от пустой породы руды. В отечественных
железных рудах пустая порода, как правило, содержит избыток SiO2. Поэтому в
качестве флюса используют сильноосновные материалы, главным образом
известняк СаСО3. Избыток извести в доменном шлаке способствует также удалению
из чугуна серы.
Топливо в доменных печах служит не только источником тепла, но и реагентом,
обеспечивающим восстановление железа из руды и образование чугуна (путем
науглероживания железа).
Основные требования к доменному топливу - высокая теплотворность, малое
содержание золы, чистота по содержанию вредных примесей. Топливо должно
иметь высокую механическую прочность, так как его дробление и образование
мелочи препятствуют нормальному движению печных газов. Топливо должно быть
недефицитным и иметь невысокую стоимость.
Кокс является главным видом топлива в доменных печах и в среднем содержит
10-13% золы, 0,5-2% серы. Он достаточно прочен, что позволяет строить крупные
доменные печи объемом до 5000 м3. В России на выплавку 1 т чугуна расходуется
около 550 кг кокса. При этом стоимость кокса составляет 45-55% себестоимости
чугуна.
В 70-е годы в России впервые в мировой практике внедрена технология доменной
плавки с применением природного газа. Вдувание 60-100 м3 природного газа на 1 т
выплавляемого
чугуна
снижает
расход
кокса
на
10-15%,
повышает
восстановительную способность доменных газов, обеспечивает более высокую
производительность доменной печи.
УСТРОЙСТВО ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Доменная печь (рис.) - вертикальная печь шахтного типа. Ее высота (до 35 м)
примерно в 2,5-3 раза больше диаметра.
Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов - в основном из шамота.
Нижнюю часть горна и его основание (лешадь) выполняют из особо огнеупорных
материалов - углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости
огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на 3/4 высоты печи)
металлические холодильники, по которым циркулирует пода. Кладка печи снаружи
заключена в стальной кожух толщиной до 400 мм.
Современные крупные доменные печи имеют объем 2000-3000 м3. На
Криворожском заводе с 1974 г. работает печь объемом 5000 м3.
Воздух для горения топлива вдувается через фурмы в верхнюю часть горна печи.
В современную доменную печь для выплавки 1 т чугуна вдувается около 3000 м3
воздуха.
Доменная печь работает непрерывно в течение 5-10 лет. Для этого по мере
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
6
необходимости в нее загружают отдельными порциями шихтовые материалы,
периодически выпускают чугун и шлак, непрерывно удаляют доменные газы.
Для выплавки 1 т передельного (мартеновского) чугуна в среднем расходуется
около 1,8 т офлюсованного агломерата, 550 кг кокса. Таким образом, печь объемом
3000 м3 в сутки потребляет примерно 8500 т шихтовых материалов и выплавляет
около 5000-5500 т чугуна.
ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС
Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы
загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу
опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов,
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
7
образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа.
В доменной печи протекают следующие основные процессы.
Горение топлива. В районе воздушных фурм (верхняя часть горна), кокс сгорает
по реакции С+О2 = 2СО +Q кал.
В результате этой реакции выделяется большое количество тепла и в фокусе
горения развивается температура 1800-2000°С. Образующийся углекислый газ СО2
взаимодействует с углеродом кокса, восстанавливаясь до окиси углерода:
СО2+Скокса = 2СО - Q.
Окись углерода СО в доменной печи является главным восстановителем
железа из его окислов.
Природный газ в основном состоит из метана СН4. В окислительной зоне фурм
сначала происходит его полное сгорание по реакции CH4 + 2О2 = CO2 + 2H2O + Q.
Эти продукты сгорания не являются конечными. СО2 восстанавливается
углеродом до СО. Пары воды также взаимодействуют с углеродом раскаленного
кокса: Н2О + С = Н2 + СО - Q.
По этой же реакции происходит и разложение влаги воздушного дутья.
Таким образом, при использовании природного газа доменный газ дополнительно
обогащается СО и Н2, что увеличивает его восстановительную способность.
Восстановление железа, происходит последовательно от высших окислов к
низшим, далее к чистому металлу (принцип А. А. Байкова): Fe2O3 - Fe3O4 – FeO - Fe
Главными восстановителями железа в доменной печи являются окись углерода и
твердый углерод кокса. Некоторое количество железа восстанавливается
водородом.
Восстановление окисью углерода называется косвенным (непрямым)
восстановлением и происходит по реакциям
3 Fe2O3 + СО = 2 Fe3O4 + СО2 + Q 400-500оС, верхняя часть шахты
Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2 - Q;
FeO + CO =Fe + CO2 + Q
900-950оС, нижняя часть шахты
Восстановление Fe2O3 начинается при сравнительно низких температурах (400500°С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов
повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются
условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в
нижней части шахты печи при температурах около 900-950°С.
Одновременно в шахте печи происходит косвенное восстановление окислов
железа водородом. Значение косвенного восстановления очень велико. В
зависимости от условий работы печи окисью углерода СО и водородом
восстанавливается
60-80%
всего
железа.
Остальная
часть
железа
восстанавливается твердым углеродом.
Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением.
Оно происходит при температурах выше 950-1000°С (зона распара печи и
заплечики) по реакции FeO + C = Fe+CО - Q
Науглероживание железа. Восстановление железа начинается при 400-500°С и
заканчивается при 1300-1400°С (в распаре печи). При этих температурах железо (Тпл
= 1539°С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.
Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-500оС наряду с
восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет окиси углерода
СО по реакции 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2+ Q
Карбид железа Fe3C хорошо растворяется в твердом железе и постепенно
образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода
температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального
значения 1147°С при 4,2% С. В зонах печи с высокими температурами - обычно в
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
8
нижней части шахты - начинается плавление сплава. Жидкий сплав - чугун, стекая
вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно
науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний и
другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом
большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.
Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми
материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде
различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью
восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.
Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний,
вредными - сера и фосфор.
Марганец - постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с
повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая
руда. Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца MnO окисью
углерода, аналогично окислам железа: MnО2  Mn2О3  Mn3О4  MnО. Закись
марганца восстанавливается твердым углеродом по реакция Mn + CO - Q.
Эта реакция протекает при температурах выше 1000оС с поглощением тепла.
Поэтому для восстановления марганца требуется увеличивать расход кокса и
температуру дутья.
Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного
кремнезема SiO2 или в виде силикатов. Восстановление кремния происходит по
реакции SiO2 + 2C = Si + 2CO - Q
Другие полезные примеси - никель, ванадий, хром и т. д. - попадают в доменную
печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель
восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром на 85-95%, ванадий - на 7080% и т. д.
Фосфор - вредная примесь железных руд находится в них главным образом в
виде Р2О5·3СаО. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО,
водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой,
восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.
Сера - особенно вредная примесь в чугуне (и в стали). Основное количество серы
вносит кокс, часть железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10-20%
серы удаляется в виде газообразных соединений (SO2 H2S и др.). Остальная часть
серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа
хорошо растворяется в чугуне. В условиях доменной плавки основным способом
десульфурации, т. е. удаления серы из металла, является образование сульфида
кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaS +Q. Сульфид кальция CaS
нерастворим в чугуне и находится в шлаке.
Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Первичный шлак
образуется в результате сплавления CaO, SiO2, AI2О3 и других окислов,
находящихся в составе флюса и пустой породы. При определенных соотношениях
по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси - сплавы с
Тпл= 1150-1200°С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет
свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками
несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем
растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет
состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов
всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50%
СаО; 38-40% SiO2; 7-10% AI2O3).
Одна из важнейших характеристик шлака - его основность, т.е., отношение
содержания основных окислов к содержанию кислотных окислов. В заводской
практике основность нередко определяется упрощенно, как О = %(СаО)/%(SiO2).
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
9
ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Расплавленный чугун выпускают через чугунные летки по 10-18 раз в сутки. В
ковшах - чугуновозах емкостью 80-100 т его по железнодорожным путям подают
либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную машину. В
первом случае чугун сливают в миксеры (копильники) емкостью до 2000 т,
отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический состав и
температура чугуна, происходит дополнительное удаление серы.
Разливочная машина представляет собой конвейер с укрепленными на нем
формами (мульдами); в них получают небольшие слитки - чугунные чушки (до 55 кг)
которые направляют на другие заводы.
Чугуны и ферросплавы. В доменных печах выплавляют передельные и литейные
чугуны, а также некоторые ферросплавы.
Передельные чугуны выплавляют трех видов: 1 - коксовый М1, М2, М3, Б1, Б2 фосфористый - высококачественный
По содержанию вредных примесей - фосфора и серы - чугуны делятся на классы
А, Б и т. д. по фосфору на категории I, II и т. д. по сере.
Наиболее распространенные чугуны М1, М2, М3 применяют для выплавки стали
мартеновским и кислородно-конверторным способами. Чугуны марок Б1, Б2,
используют для передела на сталь бессемеровским способом. Фосфористые чугуны
МФ1, МФ2 и МФ3 переделывают в сталь в мартеновских качающихся печах.
Высококачественные чугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание
вредных примесей и используются для выплавки качественных сталей в
электродуговых и других печах.
Литейные чугуны применяют для получения литых деталей. Обычные литейные
чугуны содержат 0,1-0,3% Р, для художественного литья применяют фосфористые
чугуны, содержащие до 1,2% Р.
Доменные ферросплавы, зеркальные чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 применяют при
выплавке сталей для раскисления и легирования.
В доменных печах из руд некоторых месторождений выплавляют также
природнолегированные чугуны, содержащие хром, ванадий, никель и т. н.
Доменный шлак - побочный продукт плавки - по мере его накопления выпускают
в расплавленном состоянии через шлаковые летки в ковши-шлаковозы. В настоящее
время шлак все шире используют для получения строительных материалов.
Доменный или колошниковый газ непрерывно удаляется через газоотводы в
колошнике из доменной печи.
После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют
как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых
котлов. В смеси с более высококалорийными коксовым или природным газами его
применяют также для отопления мартеновских и нагревательных печей.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
10
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода
(теоретически 2,14%). Кроме углерода, сталь всегда содержит в небольших
количествах постоянные примеси: марганец (до 0,8%), кремний (до 0,4%) фосфор
(до 0,07%), серу (до 0,06%о), что связано с особенностями технологии ее выплавки.
В технике применяют также легированные стали, в состав которых для улучшения
качества вводят хром, никель и др. элементы. Существует свыше 1500 марок
углеродистых и легированных сталей - конструкционных, инструментальных,
нержавеющих и т. д.
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
Для массового производства стали основными исходными материалами являются
передельный чугун и стальной скрап (лом). По химическому составу сталь
отличается от передельного чугуна меньшим содержанием углерода, марганца,
кремния и других элементов. Поэтому выплавка стали - передел чугуна в сталь сводится к проведению окислительной плавки для удаления избытка
углерода, марганца и других примесей. При выплавке легированных сталей в их
состав вводят соответствующие элементы.
Историческая справка
Первым способом получения стали из чугуна был кричный способ (12-13 вв.).
Продуктом плавки были крицы - небольшие куски сварившихся между собой зерен
металла. Получение плотного металла - сварочного железа - происходило при
последующей ковке или прокатке. Во второй половине XIX в. появились к получили
наибольшее развитие высокопроизводительные способы: бессемеровский (1856 г.) и
томасовский процессы (1878 г.). Их недостатками являются невысокое качество
стали и ограниченность сырьевой базы, так как можно было использовать лишь
некоторые чугуны (с определенным содержанием Si, S, Р). Поэтому примерно с
начала нынешнего столетия основную массу стали выплавляли мартеновским
способом (появился в 1864 г.) - менее производительным, но позволяющим
выплавлять более качественную сталь.
В 50-х годах XX в. появился новый, прогрессивный способ выплавки стали кислородно-конверторный процесс, получивший очень широкое применение,
вытесняя мартеновский способ в массовом производстве стали.
В настоящее время в мировом производстве около 40% стали выплавляют
кислородно-конверторным способом и около 40% мартеновским способом; при этом
за последнее время доля кислородно-конверторном стали непрерывно возрастает, а
доля мартеновской стали сокращается.
Выплавка качественных сталей в электрических дуговых и индукционных печах
началась в конце 19 начале XX вв. Электросталь стоит дороже, но превосходит по
качеству кислородно-конверторную и мартеновскую сталь, ее производство около
20% от всей массы стали - непрерывно возрастает. В связи с возрастающими
требованиями к качеству стали применяют другие новые прогрессивные
технологические способы.
Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, а
также путем электрошлакового, плазменного переплава и других новейших методов.
Внедоменные способы производства железа (стали) - одно из перспективных
направлений в металлургии. Для передела в сталь используют около 80% всего
чугуна. Двухстадийная технология современного сталеплавильного производства:
руда - чугун - сталь является технически несовершенной. С давних времен известна
иная технология - получение стали из заранее восстановленного железа. Например,
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
11
еще в VII- X вв. высококачественную булатную сталь получали плавкой железа с
углеродсодержащими добавками в небольших тиглях. Ведутся большие работы по
разработке сталеплавильных агрегатов непрерывного действия.
КИСЛОРОДНО КОНВЕРТОРНЫЙ ПРОЦЕСС
Сущность кислородно-конверторного процесса заключается в том, что налитый в
плавильный агрегат (конвертор) расплавленный чугун продувают струей кислорода
сверху. Углерод, кремний и другие примеси окисляются и тем самым чугун
переделывается в сталь.
Устройство кислородного конвертора. Его грушевидный корпус (кожух) сварен
из листовой стали толщиной до 110 мм; внутри он футерован основными
огнеупорными материалами общей толщиной до 1000 мм. Конвертор устанавливают
на опорных станинах при помощи цапф, и он может поворачиваться вокруг их оси,
что необходимо для заливки чугуна и других технологических операций.
Кислородное дутье поступает из водоохлаждаемой фурмы, которую вводят в
конвертор через горловину. V=70-400 т.
Шихтовые материалы - передельный чугун и стальной скрап (до 25-30% от
массы чугуна), шлакообразующие, раскислители. Благодаря основной футеровке
конвертора при плавке используют основной флюс - известь, для ошлакования и
удаления из металла серы и фосфора; для разжижения шлака - боксит (до 50%
AI2O3 до 20% SiO2) или плавиковый шпат (СаF2). Для быстрого образования
активного шлака в начале продувки загружают железную руду (до 2%).
Окисление углерода и других элементов при продувке происходит за счет
кислорода, растворенного в металле и шлаке при продувке, газообразного
кислорода, образующейся закиси железа FeO. Главную роль в окислении играет
растворенный в металле кислород, он окисляет небольшое количество углерода: С
+ 1/2 О2 = СО и других элементов; в большей мере окисляется железо :[Fe] + 1/2 О2
= FeO + Q.
Образующаяся в большом количестве закись железа FeO растворяется в металле
обогащая его кислородом [FeO]  Feж + [О]. Часть закиси железа растворяется в
шлаке, окисляя примеси по реакциям: [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2Fe; [C] + (FeO) = Fe +
CO и т. д.
Кремний в первые 4-6 мин окисляется почти полностью, к 8-10-й мин окисляется
до 70% марганца. В дальнейшем, при повышении температуры, марганец частично
восстанавливается, но снова окисляется к концу продувки.
Углерод в начале продувки окисляется с небольшой скоростью, вследствие
невысокой температуры и расхода кислорода на окисление кремния и марганца. По
мере выгорания этих элементов и с повышением температуры окисление углерода
ускоряется, достигая максимума в средине продувки. К концу продувки углерод
окисляется менее интенсивно ввиду уменьшения его содержания.
Процесс обезуглероживания определяет продолжительность продувки. Кроме
того, выделяющиеся пузырьки СО обеспечивают удаление из металла азота;
интенсивно перемешивая металл и шлак, они способствуют также удалению
фосфора и серы.
Фосфор интенсивно удаляется из металла в начальный период продувки, когда
температура еще невысока и уже сформирован активный высокоосновной
железистый шлак:
2[Р] + 5[FeO] + 4(СаО) = (СаО)4Р2О5 + 5Fe + Q.
Сера удаляется значительно хуже, чем фосфор - до 40% от ее содержания в
чугуне. До 90% всей удаляемой серы ошлаковывается известью по реакции
[FeS]+(CaO)= (CaS) + (FeO).
Продолжительность продувки в зависимости от емкости конвертора составляет
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
12
15-25 мин. Момент окончания продувки определяют по времени, количеству
израсходованного кислорода и по виду пламени из горловины.
Раскисление стали. Выплавка стали из чугуна и скрапа является окислительным
процессом и в конце плавки сталь содержит растворенный кислород, ухудшающий
прочность и в особенности пластичность стали; металл становится хрупким при
горячей
прокатке
(красноломкость)
и
при
пониженных
температурах
(хладноломкость). Для кислородно-конверторной стали применяют глубинное
раскисление - наиболее простой и дешевый способ. Чаще всего сталь раскисляют
марганцем (ферромарганцем), кремнием (ферросилицием) и алюминием по
реакциям
[MnО] + [O] = (MnO) +Q
[Si] + 2[O] = (SiO2) + Q;
2[AI]+ 3[O] = (AI2O3) + Q.
По степени раскисления различают кипящую, спокойную и полуспокойную
стали.
Кипящая сталь - наименее раскисленная - может быть получена при
раскислении только одним ферромарганцем. В такой стали реакция окисления не
прекращается и металл продолжает «кипеть» из-за выделяющихся пузырей СО.
Такая сталь наиболее дешевая.
Спокойная сталь - наиболее раскисленная - получается при последовательном
раскислении металла ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. После
введения раскислителей реакция завершается и металл «успокаивается». Эта сталь
наиболее качественная, но и наиболее дорогая.
Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и
уменьшенным количеством ферросилиция или алюминия. По качеству и по
стоимости она является промежуточной между спокойной и кипящей сталью.
Кислородно-конверторным способом выплавляют все 3 вида стали.
ДРУГИЕ КОНВЕРТОРНЫЕ СПОСОБЫ
Бессемеровский процесс был разработан Бессемером (в 1856 г). Сущность
способа состоит в том, что сталь получают, окисляя примеси расплавленного чугуна,
налитого в конвертор, путем продувки воздухом снизу. Окисление углерода,
кремния и марганца идет по тем же реакциям, что при кислородном дутье. Емкость
бессемеровских конверторов 10-35т - время продувки 12-15 мин.
Бессемеровский конвертор имеет кислую футеровку (из динасового кирпича). В
него нельзя загружать известь, а, следовательно, удалять из металла серу и
фосфор.
В результате продувки воздухом, бессемеровская сталь имеет повышенное
содержание азота, вызывающего охрупчивание металла. Общая загрязненность
бессемеровской стали примерно в 2,5 больше, чем кислородно-конверторной и
мартеновской стали
В России производство бессемеровской стали почти прекращено.
Томасовский процесс, предложенный в 1678 г. Томасом также основан на
продувке чугуна воздухом снизу. Конвертор имеет основною футеровку (из
доломита), в него при плавке загружают известь для ошлакования фосфора и серы.
Конверторы имеют емкость от 12 до 70 т, общая длительность плавки 25-40 мин.
Главные недостатки те же, что и у бессемеровского процесса: необходимость
использования чугунов строго определенного состава и невысокое качество
получаемой стали. В России томасовского передела нет.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
13
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ
Мартеновский процесс был разработан в 1865 г. французскими металлургами
отцом и сыном Мартенами.
Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной
регенеративной печью. В ее плавильном пространстве сжигаются газообразное
топливо или мазут. Высокая температура для стали в расплавленном состоянии
обеспечивается регенерацией тепла печных газов.
Рабочее плавильное пространство печи ограничена снизу ванной, сверху сводом. В передней стенке расположены загрузочные окна. Головки печи соединены
каналами со шлаковиками и далее с регенераторами. По этим каналам в плавильное
пространство подаются нагретый горючий газ и воздух (из регенераторов), а также
отводятся печные газы. Регенераторы выполнены в виде камер и предназначены
нагрева воздуха и газообразного топлива. Принцип регенерации тепла заключается
в том, что насадка одной пары регенераторов некоторое время нагревается до 12501300°С отходящими из печи газами. Затем при помощи клапанов направление
движения газов меняется автоматически, через один из нагретых регенераторов в
рабочее пространство печи подается воздух, через другой - газ. В качестве топлива
для мартеновских печей используют смесь доменного, коксового и природного газов,
мазут или природный газ.
Емкость (масса плавки) мартеновских печей колеблется в очень широких
пределах. Для выплавки небольших количеств стали применяют печи емкостью 3080 т. На больших металлургических заводах наиболее распространены печи
емкостью 250-500 т. (бывают печи и до 900 т и более). Продолжительность плавки в
малых и средних печах составляет 3-6 ч, в наиболее крупных - до 12 ч.
Мартеновские печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт
через 400-600 плавок (кампания печи).
Основными материалами для выплавки стали являются передельный чугун марок
М1, М2, М3 и стальной скрап. Чугун используют в виде чушек массой 45-55 кг или в
жидком состоянии (из миксера). Используются те же флюсы и раскислители, что в
конверторном процессе.
Окислительный период характеризуется наличием окислительного шлака,
содержащего до 15-20% FeO 50% СаО. Одна из основных задач периода - удаление
фосфора. Второй важнейший процесс - окисление углерода, вызывающее кипение
ванны. Часто для интенсификации окислительного периода применяют продувку
кислородом. Как и в мартеновском процессе, кипение обеспечивает очистку металла
от взвешенных неметаллических включений, удаление из него растворенных газов.
На кипение постепенно расходуется углерод. По достижении заданного содержания
углерода окислительный период заканчивают и переходят к восстановительному
периоду.
Задачами восстановительного периода являются: окисление металла,
удаление серы, доведение состава металла до заданного.
Раскисление электростали в отличие от мартеновской конверторной стали
производят комбинированным - глубинным (осаждающим) и диффузионным
способами. При глубинном раскислении в печь загружают некоторое количество
ферромарганца, ферросилиция, алюминия и шлакообразующие. Затем металл
раскисляют диффузионным способом. Его сущность состоит в том, что раскисляют
не металл, а шлак, восстанавливая в нем FeO._Уменьшение содержания FeO в
шлаке вызывает ее интенсивный диффузионный переход из металла в шлак, и
обеспечивается раскисление металла. Этот метод обеспечивает практически полное
раскисление стали. Реакции протекают в шлаке и на границе шлак-металл. При этом
металл не загрязняется неметаллическими включениями. Этот способ называют
раскислением под белым шлаком.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
14
Основную плавку без окисления примесей проводят методом переплава
отходов в соответствующих или близких по составу сталей. При составлении шихты
и после расплавления металл доводят присадкой ферросплавов до нужного
состава. Во время плавки удаляются фосфор и сера, в конце плавки сталь
раскисляют. Этот способ дает возможность наиболее рационально использовать
отходы легированных сталей.
Кислый процесс в электродуговых печах имеет те же особенности, что и кислый
мартеновский процесс. Используют чистые по сере и фосфору шихтовые
материалы. В качестве флюса используют шлак предыдущих плавок - песок и другие
материалы.
Особенностью
кислого
процесса
является
возможность
«самораскисления» стали кремнием
ВЫПЛАВКА СТАЛИ В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ
В индукционных сталеплавильных печах выплавляют наиболее качественные
нержавеющие, жаропрочные и другие стали и сплавы.
Плавку металлов проводят в тигле, изготовленном из основных или кислых
огнеупорных материалов. Вокруг тигля располагается спиральный многовитковый
индуктор, изготовленный из медной трубки, в которой циркулирует охлаждающая
вода.
По характеру тока, питающего индуктор, различают высокочастотные печи (101000 кГц, повышенной частоты (500-10 000 кГц) и промышленной частоте (50-60 Гц).
При пропускании тока через индуктор в металле индуктируются мощные вихревые
токи, что обеспечивает нагрев и плавление. Плавку проводят методам переплава,
используя отходы соответствующих сталей или чистый по сере и фосфору
углеродистый скрап и ферросплавы. В конце периода плавления на металл
загружают флюс, необходимый для защиты металла от окисления и насыщения.
Мартеновские печи м.б. основными и кислыми. Кислые - футеровка из
динасового кирпича, образуются кислые шлаки, не удаляется сера и фосфор.
Применяется редко. Основные - футеровка из магнезитового и хроммагнезитового
кирпича, можно загружать флюсы (известняк), удаляется сера и фосфор.
Мартеновскую сталь главным образом выплавляют основным способом.
Разновидности - скрап рудный процесс и скрап процесс.
Скрап - применяют на предприятиях где нет производства чугуна. Шихта - скрап
55-75% и чугунные чушки 45-25%, флюс - известняк. Для ускорения окисления
добавляют руду. Основным скрап процессом выплавляют спокойную сталь.
Скрап рудный - металлическая часть шихты состоит из передельного
расплавленного чугуна 60-75% и скрапа 40-25%. Поскольку чугуна больше,
следовательно, серы и фосфора, используют до 15% руда и больше извести. Этим
процессом выплавляют только углеродистые стали, менее качественные, так как
чугун и руда вносят больше примесей. Процесс более экономичен.
Применение кислорода. Для интенсификации мартеновского процесса
используют кислород для продувки металла по ходу плавки. Повышается
температура, сокращается время плавления, ускоряется выгорание примесей,
повышается качество металла.
Двухванные печи. В обычной печи полезная доля тепла составляет 20-25%.
Совершенствование мартеновского процесса было проведено Магнитогорском и
Череповецком МК - созданы двухванные печи. Когда в одной ванне идет нагрев и
плавление шихты, требующий затрат тепла, в другой идет продувка кислородом.
Выделяющаяся при этом СО направляется в первую ванну, где догорает над
шихтой, увеличивая долю полезного тепла. Преимущества - производительность,
снижение затрат топлива.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
15
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГОВЫХ ПЕЧАХ
Электросталеплавильный процесс, появившийся в конце 19 - начале 20 в., более
совершенный способ выплавки, чем кислородно-конверторный и мартеновский
способы.
Преимущества: легко регулировать тепловой процесс, можно сделать кислую,
основную, нейтральную атмосферу или вакуум, легко легировать сталь. Сталь
содержит минимальное кол-во серы и фосфора, хорошо раскислена.
Принцип работы: расплавление металла осуществляется электрическими
дугами, образующимися между угольными или графитизированными электродами и
проплавляемой шихтой.
Электросталь выплавляют в печах с основной футеровкой, и главным образом
путем полного окисления, т.е. из свежей шихты. В случае плавки без окисления переплав отходов.
Плавка методом окисления имеет много общего с основным мартеновским
скрап-процессом. Основную массу шихты (до 90% и более) составляет стальной
скрап Передельный чугун (до 10%) добавляют так, чтобы после расплавления
углерода было больше на 0,4-0,6%, чем в готовой стали, что необходимо для
обеспечения нормального кипения. В качестве флюса применяют известь. При
плавке используют также железную руду, ферросплавы и другие материалы. При
плавлении кремний, марганец и другие элементы окисляются и образуется шлак (как
и при мартеновском процессе). В дальнейшем различают два периода плавки:
окислительный и восстановительный.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ
Залитая в изложницы сталь отдает теплоту ее стенкам, поэтому затвердевание
стали начинается у стенок изложницы. Толщина закристаллизовавшейся корки непрерывно увеличивается, при этом между жидкой сердцевиной слитка и твердой
коркой металла располагается зона, в которой одновременно имеются растущие
кристаллы и жидкий металл между ними. Кристаллизация слитка заканчивается
вблизи его продольной оси.
Сталь затвердевает в виде кристаллов древовидной формы—дендритов.
Размеры и формы дендритов зависят от условий кристаллизации. На строение
стального слитка большое влияние оказывает степень раскисленности стали.
Спокойная сталь (рис. 1 а, г) затвердевает без выделения газов, в верхней части
слитка образуется усадочная раковина 1, а в средней—усадочная осевая рыхлость.
Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают с прибылью, которая образуется надставкой 8 (см. рис. 1 б) со стенками, футерованными огнеупорной массой 9 малой теплопроводности. Поэтому сталь в прибыли долгое
время остается жидкой и питает слиток, а усадочная раковина располагается в прибыли. Слиток спокойной стали (рис. 1 а) имеет следующее строение: тонкую наружную корку А из мелких равноосных кристаллов; зону Б крупных столбчатых
кристаллов (дендритов); зону В крупных неориентированных кристаллов; конус
осаждения Г, мелкокристаллическую зону у донной части слитка. Стальные слитки
неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, или ликвация,
возникает вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его
переходе из жидкого состояния в твердое. Ликвация бывает двух видов—
дендритная и зональная.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
16
Дендритная ликвация - неоднородность стали в пределах одного кристалла
(дендрита) - центральной оси и ветвей. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах дендрита по сравнению с содержанием в центре увеличивается в 2 раза, фосфора - в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.
Зональная ликвация — неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы,
фосфора и углерода увеличивается в несколько раз (рис. 1 г), а в нижней части—
уменьшается. Зональная ликвация приводит к отбраковке металла вследствие
отклонения его свойств от заданных. Поэтому прибыльную и подприбыльную части
слитка, а также донную его часть при прокатке обрезают.
В слитках кипящей стали (рис. 2.9, б, д) не образуются усадочные раковины:
усадка стали рассредоточена по полостям газовых пузырей, возникающих при кипении стали в изложнице. При прокатке слитка газовые пузыри завариваются. Кипение
стали влияет на зональную ликвацию в слитках, которая развита в них больше, чем
в слитках спокойной стали. Углерод, сера и фосфор потоком металла выносятся в
верхнюю часть слитка, отчего свойства стали в этой части слитка ухудшаются Поэтому при прокатке отрезают только верхнюю часть слитка, так как в донной ликвация мала. Для уменьшения ликвации кипение после заполнения изложницы прекращают, накрывая слиток металлической крышкой («механическое закупоривание»),
либо раскисляют металл алюминием или ферросилицием в верхней части слитка
(«химическое закупоривание»).
Слиток кипящей стали имеет следующее строение (рис. 1 б, д): плотную наружную
корку А без пузырей; зону мелких кристаллитов; зону сотовых пузырей П, вытянутых
к оси слитка и располагающихся между кристаллитами Б; зону В неориентированных
кристаллитов; промежуточную плотную зону С; зону вторичных круглых пузырей К и
среднюю зону Д с отдельными пузырями.
Полуспокойная сталь сохраняет преимущества спокойной и кипящей стали и не
имеет их недостатков. Полуспокойная сталь (рис. 1 в, е) частично раскисляется в
печи и ковше, а частично в изложнице. Слиток полуспокойной стали имеет в нижней
части структуру спокойной стали, а в верхней - кипящей. Ликвация в верхней части
слитка полуспокойной стали меньше, чем у кипящей, и близка к ликвации спокойной
стали, но слитки полуспокойной стали не имеют усадочных раковин
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТАЛИ
Развитие машиностроения и приборостроения предъявляет возрастающие требования к качеству металла: его прочности, пластичности, газосодержанию. Улучшить
эти показатели можно уменьшением в металле вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют обработку металлов синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
17
переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), переплав металла в электронно-лучевых и плазменных печах и другие способы.
Обработка металла синтетическим шлаком заключается в следующем.
Синтетический шлак, состоящий из 55% СаО, 40% AI2O3, небольшого количества
SiO2, MgO и минимума FeO, выплавляют в электропечи и заливают в ковш. В этот же
ковш затем заливают сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность их
взаимодействия резко возрастает, и реакции между ними протекают гораздо
быстрее, чем в плавильной печи. Благодаря этому, а также низкому содержанию
оксида железа в шлаке сталь, обработанная таким способом, содержит меньше
серы, кислорода и неметаллических включений, улучшаются ее пластичность и
прочность. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей машин.
Вакуумную дегазацию стали проводят для уменьшения содержания в металле
газов и неметаллических включений. Вакуумирование стали производят в ковше при
переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу и т. п. Для вакуумирования в
ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной
крышкой. Вакуумными насосами в камере создается разрежение до остаточного
давления 0,267-0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяются
водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Все это улучшает прочность и пластичность стали.
Электрошлаковый
переплав
(ЭШП)
применяют
для
выплавки
высококачественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для
дисков и лопаток турбин, валов компрессоров, авиационных конструкций. Переплаву
подвергают выплавленный в дуговой печи и прокатанный на круглые прутки металл.
Источником теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая при
прохождении через нее электрического тока. Электрический ток подводится к
переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2 и к поддону 9,
установленному в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе 7, в котором
находится затравка 8 (рис. 2). Выделяющаяся теплота нагревает шлаковую ванну 2
до температуры свыше 1700оС и вызывает оплавление конца электрода. Капли
жидкого металла 3 проходят через шлак, образуют под шлаковым слоем
металлическую ванну 4.
Перенос капель металла через основной
шлак способствует их активному взаимодействию, удалению из металла серы,
неметаллических включений и растворенных
газов. Металлическая ванна непрерывно
пополняется путем расплавления электрода,
под
воздействием
кристаллизатора
постепенно формируется в слиток 6. Последовательная
и
направленная
кристаллизация способствует получению
плотного однородного слитка.
В результате ЭШП содержание кислорода
в металле снижается в 1,5-2 раза, концентрация серы снижается в 2-3 раза, уменьшается
содержание неметаллических включений,
они становятся мельче и равномерно
распределяются в объеме слитка. Слиток
отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности благодаря
наличию шлаковой корочки 5, высокими механическими и эксплуатационными
свойствами стали и сплавов. Слитки выплавляют круглого, квадратного,
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
18
прямоугольного сечения массой до 110 т.
Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла
газов и неметаллических включений. Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых
печах с расходуемым электродом (рис. 3). В зависимости от требований,
предъявляемых к получаемому металлу, расходуемый электрод изготовляют
механической обработкой слитка, выплавленного в электропечах или установках
ЭШП. Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и
помещают в корпус 1 печи и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из
корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа.
При подаче напряжения между расходуемым
электродом - катодом 3 и затравкой анодом 8
возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода; капли 4 жидкого металла,
проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между расходуемым электродом
и жидким металлом 5 в верхней части слитка на
протяжении всей плавки. Сильное охлаждение
слитка и разогрев дугой ванны металла создают
условия для направленного затвердевания
слитка,
вследствие
чего
неметаллические
включения сосредотачиваются в верхней части
слитка, а усадочная раковина в слитке мала.
Слиток
ВДП
содержат
мало
газов,
неметаллических включений, отличаются высокой
равномерностью
химического
состава,
повышенными механические свойствами. Из
слитков изготовляй ответственные детали турбин,
двигателей, авиационных конструкций. Масса
слитков достигает 50 т.
Плавку
в
электронно-лучевых
печах
применяют для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов
(молибдена, ниобия, циркония и др.), для выплавки специальных сплавов и сталей.
Источником теплоты в этих печах является энергия, выделяющаяся при торможении
свободных электронов, пучок которых направлен на металл. Получение электронов,
их разгон, концентрация в луч, направление луча в зону плавления осуществляется
электронной пушкой. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждаемых
кристаллизаторах при остаточном давлении 1,33 Па. Вакуум внутри печи, большой
перегрев и высокие скорости охлаждения слитка способствуют удалению газов и
примесей, получению метала особо высокого качества. Однако при переплаве
шихты, содержащей легкоиспаряющиеся элементы, изменяется химический состав
металла.
Плавку стали в плазменно-дуговых печах применяют для получения высококачественных сталей и сплавов. Источник теплоты низкотемпературная плазма
(30 000оС), получаемая в плазменных горелках. В этих печах можно создавать
нейтральную среду заданного состава (аргон, гелий). Плазменно-дуговые печи
позволяют быстро расплавить шихту, в нейтральной газовой среде происходит
дегазация выплавляемого металла, легкоиспаряющиеся элементы, входящие в его
состав, не испаряются.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
19
РАЗЛИВКА СТАЛИ
Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который обычно вмещает всю
плавку, имеет емкость до 400 т. Сталь выдерживают для выравнивания химического
состава, дегазации и всплывания неметаллических включений, затем разливают в
изложницы - чугунные или стальные формы для получения слитков. Поперечное
сечение выбирают в зависимости от вида последующей обработки давлением.
Существуют два способа разливки стали в изложницы: разливка сверху и
разливка сифоном (снизу). Оба способа разливки имеют широкое применение.
При разливке сверху каждую изложницу заполняют отдельно, для чего
устанавливают отверстие стакана ковша по центру изложницы. Преимущества более простое разливочное оборудование, меньшая стоимость, отсутствие потерь
металла на литники. Недостатки: длительность, менее качественная поверхность
слитков - наличие плен окислов от брызг металла, затвердевающих на стенках
изложницы.
При разливке сифоном сталь из ковша поступает в центровой литник (стояк),
протекает по каналам, и снизу поступает в изложницы, установленные на чугунном
поддоне. При этом одновременно отливается до нескольких десятков слитков. При
разливке сифоном производительность значительно выше, поверхность слитка
более чистая. Недостатки: сложность сборки поддона и центровых литников, потери
металла на литники.
Непрерывная разливка стали - сравнительно новый прогрессивный способ.
Сталь из ковша поступает в промежуточное устройство и далее и водоохлаждаемый
кристаллизатор из медных пластин. В начале разливки «дном» кристаллизатора
служит затравка - стальная штанга. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий
металл v стенок кристаллизатора и затравки быстро затвердевает. При помощи
тяговых роликов затравка движется вниз, постепенно вытягивая затвердевающий
слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов заправку отделяют.
Преимущества: Не требуется много изложниц, хорошая структура металла,
возможность создания непрерывного технологического процесса с прокаткой.
ПОЛУЧЕНИЕ СТАЛИ И СПЛАВОВ ОСОБО ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
Качество сталей и сплавов в значительной мере определяется их чистотой, т. е.
содержанием; вредных примесей, неметаллических включений, растворенных газов.
Для получения сталей и сплавов особо высокого качества и наиболее
ответственного назначения применяют плавку в вакуумных дуговых и индукционных
печах, а также электрошлаковый и другие методы переплава.
Электрошлаковый переплав (ЭШП) разработан в Институте электросварки им.
Е. О. Патона.
Переплавляемый (рафинируемый) металл подается в установку в виде
расходуемого электрода и плавится в слое шлака, нагретого до 2000оС. Проходя
через слой шлака мелкие капли металла рафинируются. Под слоем шлака
накапливается жидкий металл, постепенно заполняя весь кристаллизаторизложницу. Затвердевший слиток опускают вместе с поддоном и устанавливают
новый поддон для последующей плавки. Расходуемые электроды представляют
собой прутки (штанги) из рафинируемой стали, обычно выплавленной в
электродуговых печах.
До начала процесса на поддон устанавливают затравку - диск из углеродистой
стали, на затравку насыпают флюс для возбуждения, опускают электрод и насыпают
рабочий флюс. После начала процесса электрод по мере его плавления поднимают
вверх с помощью автоматического механизма подачи. Флюс для возбуждения,
состоящий из смеси алюминиево-магниевого порошка с калиевой селитрой (KNO3) и
добавок, обладает высокой электропроводностью в твердом состоянии. При
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
20
расплавлении рабочего флюса образуется шлак, являющийся электрическим
сопротивлением. В шлаке генерируется тепло, обеспечивающее расплавление
металла, и протекают процессы рафинировки. Получению высококачественного
металла способствуют также чрезвычайно благоприятные условия кристаллизации.
ЭШП является более простым способом по сравнению с другими способами
получения высококачественных сталей.
Плавка в вакуумной дуговой печи. Переплавляемый электрод в виде катаной
или литой штанги закрепляют на водоохлаждаемом штоке и вводят в
водоохлаждаемый кристаллизатор - изложницу. С начале процесса дуга горит между
электродом (катод) и затравкой из той же стали, а затем между электродом и
расплавленным металлом. При переплаве металл хорошо очищается от газов,
неметаллических включений, а в результате направленной кристаллизации слиток
не имеет дефектов. Этим способом можно получать крупные слитки (до 50 т) с
высокой однородностью по химическому составу и структуре.
Электроннолучевой переплав (ЭЛП). Плавление металла происходит под
действием потока электронов, излучаемых высоковольтной катодной пушкой. На
облучаемой поверхности их кинетическая энергия переход в тепловую. В
плавильном пространстве создается глубокий вакуум. Излучаемые электроны
направляются на проплавляемый металл (расходуемый электрод) с помощью
электромагнитов. Образующий слиток вытягивается из кристаллизатора. Глубокий
вакуум в плавильном пространстве печи обеспечивает получение особо чистого
металла. Электроннолучевую плавку применяют для выплавки сталей особо
высокой чистоты, а также вольфрамовых, молибденовых и других сплавов.
Плазменно-дуговой переплав (ПДП) - также один из способов получения сталей
и сплавов очень высокой чистоты. Источником тепла являемся плазменная дуга,
образующаяся между расплавляемым металлом и катодом плазматрона; ее
температура может достигать 10000-15000 К. В качестве рабочего газа для
образования плазмы применяют аргон или гелий. Металл плавится в верхней части
медного водоохлаждаемого кристаллизатора, а образующийся слиток вытягивается
вниз. При плавке используют сыпучую шихту - дробленую стружку либо прутки
переплавляемого металла.
Достоинствами являются высокая температура, высокий коэффициент
теплопередачи к расплавляемому металлу, возможность изменения скорости
плавления в широких пределах, простота обслуживания установки.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
21
МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Производство меди
Медь - один из важнейших металлов, красноватого цвета, плавится при
температуре 1053°С. По электропроводности она несколько уступает лишь серебру,
является главным проводниковым материалом в электро- и радиотехнике,
потребляющих 40-50% всей меди. Почти во всех областях машиностроения
используются медные сплавы - латуни и бронзы. Медь как легирующий элемент
входит в состав многих алюминиевых и других сплавов.
Медные руды. Медь встречается в природе главным образом в виде
сернистых соединений CuS, Cu2S в составе сульфидных руд, реже в виде
окисных соединений Cu2O, углекислых соединений CuСО3, Cu(ОН)2 и самородной
металлической меди.
Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды, из которых
получают около 80% всей меди. Самыми распространенными сульфидными рудами
являются медный колчедан, медный блеск и др.
Все медные руды являются бедными и обычно содержат 1-2%, иногда меньше 1%
меди. Многие руды являются комплексными - полиметаллическими, содержат, кроме
меди, никель, цинк, свинец и другие ценные элементы в виде окислов и соединений.
Примерно 90% первичной меди получают пирометаллургическим способом; около
10% - гидрометаллургическим способом.
Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее
выщелачивания (например, слабыми растворами серной кислоты) и последующего
выделения металлической меди из раствора. Этот способ, применяется для
переработки бедных окисленных руд, не получил широкого распространения в
нашей промышленности.
Пирометалургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из
медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт штейн, который представляет собой расплав сульфидов меди и железа, выплавку из
штейна черновой меди, ее рафинирование, т. е. очистку от примесей
Обогащение медных руд. Бедные медные руды подвергают обогащению для
получения концентрата, содержащего 10-35% меди. При обогащении комплексных
руд возможно извлечение из них и других ценных элементов.
Наиболее широко для обогащения медных руд применяется метод флотации,
основанной на различном смачивании водой металлсодержащих частиц и частиц
пустой породу.
Обжиг. Обжигу подвергают богатые рудные концентраты, это снижает потери
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
22
меди, недостаток этого - загрязнение атмосферы сернистым газом. При обжиге
концентратов удаляется сернистый газ, который используется для производства
серной кислоты. После обжига получают богатый медью штейн. Обжиг проводят в
кипящем слое. Измельченные частицы сульфидов окисляются при 600-700°С
кислородом воздуха, подаваемого через низ печи. Под давлением воздуха частицы
находятся во взвешенном состоянии, образуя «кипящий» («псевдоожиженный»)
слой. Обожженный материал «переливается» через порог печи. Отходящие
сернистые газы очищают от пыли и направляют в сернокислотное производство.
Плавка на штейн. Плавку концентрата на штейн наиболее часто проводят в
пламенных печах, при температуре 1500-1600°С. Расплавленный штейн - это сплав,
состоящий в основном из сульфида меди Cu2S и сульфида железа FeS. В
расплавленном состоянии (Т=950-1050°С) штейн поступает на переработку в
черновую медь.
Черновую медь выплавляют путем продувки расплавленного штейна воздухом в
горизонтальных цилиндрических конверторах с основной футеровкой (магнезит) с
массой плавки до 100 т. Через горловину конвертора заливают расплавленный
штейн, на поверхность штейна загружают песок - флюс для ошлакования окислов
железа, образующихся при продувке. Процесс выплавки черновой меди из штейна
делится на два периода.
В первом периоде происходит окисление FeS кислородом воздушного дутья по
реакция 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SiO2 +Q
Образующаяся закись железа FeO ошлаковывается кремнеземом SiO2 флюса.
К концу первого периода железо удаляется почти полностью. Штейн состоит в
основном из CuS и содержит до 80% меди. Шлак содержит до 3%Cu и его
используют при плавке на штейн.
Во втором периоде создаются благоприятные условия для протекания реакций
2Cu2S + 3О2 = 2Cu2O + 2SО2 + Q
Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SО2 - Q
приводящих к восстановлению меди.
В результате плавки в конверторе получается черновая медь. Она содержит 1,52% примесей (железа, никеля, свинца и др.) и не может быть использована для
технических надобностей. Плавку меди разливают в слитки (штыки) или плиты и
направляют на рафинирование.
Рафинирование меди - ее очистку от примесей - проводят огневым и
электролитическим способом.
Огневое рафинирование ведут в пламенных печах. Его сущность состоит в том,
что цинк, олово и другие примеси легче окисляются, чем сама медь, и могут быть
удалены в виде окислов. Процесс рафинирования состоит из двух периодов окислительного и восстановительного.
В окислительном периоде примеси частично окисляются уже при расплавлении
меди. После полного расплавления для ускорения окисления медь продувают
воздухом, подавая его через погруженные в жидкий металл стальные трубки.
Окислы некоторых примесей (SbO2, PbO, ZnO и др.) легко удаляются с печными
газами. Другая часть примесей образует окислы, переходящие в шлак. Золото и
серебро не окисляются и остаются растворенными в меди
В этот период плавки происходит также и окисление меди.
Задачей восстановительного периода является раскисление меди, т.е.
восстановление Cu2О, а также дегазация металла. Для этого шлак полностью
удаляют и на поверхность ванны насыпают слой древесного угля, что предохраняет
металл от окисления. Затем проводят так называемое дразнение меди. В
расплавленный металл погружают сначала сырые, а затем сухие жерди (шесты). В
результате сухой перегонки древесины выделяются пары воды и газообразные
углеводороды, они энергично перемешивают металл, способствуя удалению
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
23
растворенных в нем газов (дразнение на плотность).
Готовую медь и разливают в слитки для прокатки или в анодные пластины для
последующего электролитического рафинирования. Чистота меди после огневого
рафинирования составляет 99,5-99,7%.
Электролитическое рафинирование обеспечивает получение наиболее
чистой, высококачественной меди. Электролитом служит раствор сернокислой меди
(CuSО4) и серной кислоты, нагретый до 60-65°С. Анодами являются пластины,
отлитые из рафинируемой меди, катодом - тонкие листы из электролитической меди.
Аноды и катоды располагают в ванне попеременно. При пропускании постоянного
тока аноды постепенно растворяются, медь переходит в раствор. На катодах
выделяется металлическая медь.
При электролизе на катоде (в меди) выделяется и растворяется водород,
вызывающий охрупчивание металла. В дальнейшем катодную медь переплавляют и
разливают в слитки для получения листов, проволоки и т. д. При этом удаляется
водород. Электролитическая медь имеет чистоту 99,95%. Часть примесей оседает
на дне ванны в виде шлама, из которого извлекают золото, серебро и некоторые
другие металлы.
Производство алюминия
По размерам производства алюминий в настоящее время занимает первое место
среди всех цветных металлов. Он имеет высокую электро- и: теплопроводность
(уступая только серебру и меди) и применяется как проводниковый материал и для
деталей теплотехнических устройств. Алюминиевые деформируемые сплавы
(дуралюмины и др.) - важнейшие конструкционные материалы в авиа- и других
областях техники; алюминиевые литейные сплавы (силумины и др.) широко
применяют в машиностроении. Вследствие высокой коррозионной стойкости
алюминиевые сплавы используют в химической и пищевой промышленности, для
бытовых изделий.
Алюминий - наиболее распространенный металл в природе, он входит в состав
более 250 минералов. Наиболее важные алюминиевые руды: бокситы, нефелины,
алуниты. Основная руда - бокситы, горные породы сложного состава, содержащие
гидраты окиси алюминия Al(ОН)3 и др. Содержание глинозема Al2О3 (в пересчете из
гидратов) составляет от 30 до 70%.
Способы восстановления алюминия непосредственно из бокситов и других руд
еще не разработаны. Современное производство алюминия состоит из двух
основных процессов: получения глинозема Al2О3 из бокситов и получения
металлического алюминия путем электролиза расплавленного глинозема.
Нужно отметить, что глинозем плавится при температуре 2050°С и требует
слишком большой затраты энергии. Поэтому технически важным металлом
алюминий мог стать только при условии, что будет найден способ снизить
температуру плавления двуокиси алюминия хотя бы до 1000°С. Американец Холл и
француз Эру нашли такой «обходной» маневр. Они установили, что глинозем
хорошо плавится в расплавленном криолите AIF3 3NaF. Этот расплав и подвергают
электролизу при Т=950°С. Поэтому процесс получения алюминия состоит из двух
параллельных процессов.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
24
Глинозем получают щелочными, электротермическими и другими способами.
Наиболее распространенным является щелочной способ (схема), разработанный в
конце XIX в. К. И. Байером.
Подготовка боксита - дробление, мокрый размол с добавками щелочи (NaOH).
Выщелачивание при температуре 105-250°С, в автоклавах под давлением до
25-30 ат. При выщелачивании образуется алюминат натрия:
AlО (ОН) + NaOH = NaAIO2 + Н2О;
AI (ОН)3 + NaOH = NaAIO2 + 2H2О.
Разбавление, сгущение и фильтрацию производят для получения чистого
раствора алюмината натрия.
Выкручивание (или декомпозиция) - разложение раствора алюмината натрия с
выделением гидроокиси алюминия Al(OH)3 по реакции NaAIO2 + 2Н2О = Al(ОН)3 +
NaOH.
Кальцинацию, т. е. обезвоживание гидроокиси алюминия, производят ее
прокаливанием при 1200°С: 2 AI(OH)3 = Al2Оз + ЗН2О. Выход глинозема составляет
около 85%, на 1 т глинозема расходуется 2-2,5 т боксита.
Электролиз глинозема для получения металлического алюминия производят в
электролизерах.
Корпус ванны служит катодным устройством установки. Анодное устройство
состоит из вертикально установленного угольного электрода, нижняя часть которого
погружена в электролит - расплав, состоящий из глинозема (8-10%) и криолита.
При электролизе в расплавленном электролите происходит диссоциация молекул
криолита и глинозема:
Na3AIF6 3Na+ + AIF3- ; AI2O3 AI3+ + АlO33На катоде разряжаются только катионы алюминия и, таким образом, для
получения металлического алюминия практически расходуется только глинозем.
Для получения 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, до 0,6 т угольных
анодов, около 0,1 т криолита и 16500-18500 кВт-ч электроэнергии.
Полученный электролизом первичный алюминий содержит примеси (железо,
кремний, частицы глинозема и.т.п.), ухудшающие его свойства, и поэтому
подвергается рафинированию.
Рафинирование хлором заключается в продувке расплавленного алюминия при
700-750°С газообразным хлором в течение 10-15 мин. Образующийся при этом
хлористый алюминий AlCl3 находится в парообразном состоянии. Выделяясь из
металла, он обеспечивает его очистку от растворенных газов и примесей. Этому
способствует также отстаивание расплавленного алюминия в ковше или в
электрической печи при 690-750°С в течение 30-45 мин. После рафинирования
хлором и отстаивания получают алюминий чистотой до 99,85%.
Электролитическое рафинирование применяют для получения алюминия
более высокой чистоты. Его осуществляют в электролитической ванне.
Рафинируемый алюминий сплавляют с медью. После расплавления в нижней части
ванны образуется слой жидкого сплава (анод) с плотностью 3-3,5 г/см3. Поверх него
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
25
находится слой расплавленного электролита, состоящего из ВаСl2 и других солей,
плотностью 2,7 г/см3
Этим способом получают алюминий особой чистоты, до 99,999%. На
рафинирование 1 т алюминия расходуется 17500-18500 кВт-ч электроэнергии, что
значительно повышает стоимость металла.
Новым является способ рафинирования через субсоединения. При пропускании
хлористого или фтористого алюминия над расплавленным алюминием при
температуре около 1000°С образуются газообразные неустойчивые субсоединения
алюминия
При охлаждении до 700-800°С они разлагаются с выделением алюминия чистотой
до 99,999%. Алюминий такой же чистоты можно получать методом зонной плавки.
Разливка алюминия в чушки (небольшие слитки) массой 5-15 кг производится на
разливочных машинах с бесконечной цепью чугунных изложниц. Слитки для
прокатки других видов обработки давлением получают способом полунепрерывной
разливки.
Полунепрерывная разливка алюминия и алюминиевых сплавов по своей
сущности аналогична непрерывной разливке стали.
Производство магния
Магний применяется в производстве титана, используется для получения высокопрочного чугуна, входит в состав многих алюминиевых сплавов. Сплавы на
магниевой основе используются как конструкционные материалы с высокой
удельной прочностью и жесткостью. В нашей стране производство магния началось
в1931-1935гг.
Магний, занимающий среди металлов шестое место по распространению, входит
в состав очень многих минералов. В качестве сырья для получения магния
используют карналлит, магнезит и доломит.
Карналлит - двойной хлорид магния и калия MgCI2 KCI-6Н2О. Природный
карналлит с учетом пустой породы содержит около 20% MgCI2.
Магнезит - карбонат магния МgСО3, после обжига содержит 85-90% МgО.
Доломит - двойной карбонат магния и кальция МgСО3 СаСО3, после обжига в нем
содержится 35-40% МgО, 52-58% СаО, примеси. Огромное количество магния
содержится в морской воде в виде бишофита МgО 6Н2О.
Магний получают двумя способами: электролитическим и термическим.
Электролитический способ - состоит из двух основных процессов 1 получения хлористого магния MgCI2 из исходного сырья и 2 - получения магния из
MgCI2 путем электролиза.
Основным сырьем в нашей стране являются карналлит и магнезит.
Переработка карналлита заключается в его обогащении и обезвоживании. Для
обогащения карналлит выщелачивают горячей водой. При охлаждении раствора из
него выпадают кристаллы так называемого искусственного карналлита MgCI2 KCI6H2O, содержащие до 32% MgCl2. Обезвоживание проводят в две стадии. Сначала
карналлит обжигают при 500-550°С, удаляя влагу до 5-7%, переплавляют в
электрических печах при 750-800°С и затем отстаивают в миксере для удаления
МgО.
Магнезит обжигают при 800-900оС, получая окись магния МgО, и затем
подвергают хлорированию в присутствии углерода при 800-900°С для образования
хлористого магния по реакциям
МgО + С + Сl2 = МgСl2 + СО;
МgО + СО + Сl2 = МgСl2 + СО2.
Расплавленный хлористый магний в ковшах направляют на электролиз.
Электролиз МgСl2 для получения магния проводят в диафрагменных
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
26
электролизерах, в верхней части которых находятся диафрагмы-перегородки,
разделяющие анодное и катодное пространства. В качестве электролита применяют
сложный расплав солей, содержащий 3-15% MgCI2, а также CaCI2, KCI и др., что
необходимо для понижения температуры.
При электролизе магний выделяется на поверхности катодных пластин в виде
мелких капелек, затем укрупняются и всплывают. По мере накопления над
электролитом расплавленный магний периодически удаляют. Выделяющийся на
аноде газообразный хлор в виде пузырьков выходит из электролита и отсасывается
через хлоропровод. Процесс электролиза протекает непрерывно. Поэтому из ванны
периодически удаляют часть отработанного электролита и доливают расплав
хлористого магния или карналлита.
Рафинирование магния. Полученный электролизом магний содержит
значительное количество примесей, поэтому его подвергают рафинированию.
Рафинирование проводят переплавкой с флюсами, в состав которых входят MgCI2,
КСl и другие компоненты.
После расплавления в тигельной печи сопротивления металл перегревают до
720-750°С и интенсивно перемешивают с флюсом, растворяя в нем
неметаллические примеси. Дальнейшую рафинировку металла осуществляют его
отстаиванием во время медленного охлаждения до 670- 690°С.
Термические способы, получения магния. Электролитический способ
получения магния является сложным и требует большого расхода электроэнергии.
Поэтому магний получают также термическими методами путем восстановления
кремнием, углеродом доломита или магнезита. Более простым является
силикотермический метод.
По одному из вариантов процесс проводят в стальных ретортах в вакууме. В
качестве шихты используют обожженный доломит, ферросилиций и плавиковый
шпат. Магний восстанавливается кремнием (ферросилицием). Пары магния
направляют в водоохлаждаемый конденсатор, где происходит выделение крупных
кристаллов магния.
Производство титана
Титан как элемент открыт в 1791 г. Его промышленное производство началось в
50-х годах XX века и получило быстрое развитие. Титановые сплавы имеют
наиболее высокую удельную прочность среди всех металлических материалов, а
также высокую жаропрочность и коррозионную стойкость и находят все более
широкое применение в авиационной технике, химическом машиностроении и других
областях техники. Титан используют для легирования сталей. Двуокись титана TiO2
используют для производства краски; карбид титана TiC - для особо твердых
инструментальных сплавов.
Титан по распространению в природе занимает четвертое место среди металлов
и входит в состав более чем 70 минералов. К основным промышленным
титансодержащим минералам относятся рутил (более 90% TiO2) и ильменит
TiO2 FeO. К перспективным рудам относятся сфен CaO SiO2TiO2 и перовскит CaO
TiO.
Производство титана является технически сложным процессом. Двуокись титана
TiO2 - химически прочное соединение. Металлический титан (Тпл = 1725°С) обладает
большой активностью. Он бурно реагирует с азотом при температуре 500-600°С и
кислородом воздуха при 1200-1300°С, поглощает водород, взаимодействует с
углеродом. Наиболее широкое распространение получил магниетермический
способ, осуществляемый по следующее технологической схеме: титановая руда 
обогащение  плавка на титановый шлак  получение четыреххлористого
титана TiCl4  восстановление титана магнием.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
27
Обогащение титановых руд. Бедные руды обогащают электромагнитным и
другими способами, получая концентрат, содержащий до 50% ТiО2 и около 35%
Fе2О3 и FeO.
Плавку на титановый шлак проводят в электродуговой печи. В результат плавки
получают богатый титановый шлак, содержащий до 80% ТiО2. Побочным продуктом
является чугун, содержащий до 0,5% Ti. Измельченный шлак подвергают магнитной
сепарации (для удаления железосодержащих частиц) и спрессовывают в брикеты.
После обжига при 700-800°С брикеты направляют на хлорирование.
Получение четыреххлористого титана TiCl4 в электрических печах. Нижнюю
часть печи заполняют угольной (графитовой) насадкой, которая нагревается при
пропускании электрического тока. В реакционной зоне печи выше уровня угольной
насадки развивается температура 800-850°С. При хлорировании образуется
четыреххлористый титан по реакции TiO2 + 2Cl2 + 2С = TiCl4 + 2СО. Его очищают от
твердых частиц и охлаждают в конденсаторах, получают жидкий четыреххлористый
титан. Четыреххлористый титан отделяют от других хлоридов путем ректификации
конденсата, основанной на различии температур кипения различных хлоридов.
Жидкий четыреххлористый титан направляют на восстановление.
В настоящее время для получения четыреххлористого титана начинают
применять другие способы хлорирования: в хлораторах непрерывного действия, в
солевом расплаве; перспективным является хлорирование в кипящем слое.
Восстановление титана магнием из TiCl4 проводят в герметичных реакторах.
После установки в печь из реторты откачивают воздух и заполняют ее очищенным
аргоном; после нагрева до температуры 700°С заливают расплавленный магний и
начинают подачу жидкого TiCl4. Титан восстанавливается магнием по реакции TiCl4 +
2Mg = Ti + 2МgCl2. Эта реакция сопровождается выделением большого количества
тепла и в реакторе поддерживается необходимая температура 800-900oС без
дополнительного нагрева. Частицы восстановленного титана спекаются в пористую
массу (титановая губка), пропитанную магнием и хлористым магнием.
Рафинирование
титановой
губки
производят
методом
вакуумной
дистилляции. Крышку охладившейся реторты снимают и вместо нее устанавливают
водоохлаждаемый конденсатор; затем реторту снова устанавливают в печь.
Дистилляция проводится при 950-1000оС в вакууме. Примеси титановой губки
расплавляются, частично испаряются и затем выделяются в конденсаторах.
Получаемый оборотный магний возвращается в производство, MgCI2 используют
для производства магния.
Получение титановых слитков. Титановые слитки получают переплавкой
титановой губки в вакуумных электродуговых печах. Расходуемый электрод
изготавливают прессованием из измельченной титановой губки, дуга горит между
расходуемым электродом и ванной расплавленного металла, постепенно заполняя
изложницу, затвердевающего и образующего слиток.
Для получения слитков может быть использована дробленая титановая губка. В
этом случае дуга горит между расплавленным металлом и графитовым электродом,
поднимаемым по мере заполнения изложницы металлом.
Для обеспечения высокого качества слитков плавку повторяют два раза. При
второй плавке расходуемым электродом служит слиток, полученный при первой
плавке.
Титановые сплавы выплавляют в электрических дуговых вакуумных печах. В
качестве шихтовых материалов используют титановую губку и легирующие
элементы. Из шихты прессованием изготавливают переплавляемый (расходуемый)
электрод.
Натриетермическии
способ
получения
титана
отличается
от
магниетермического тем, что титан из TiCl4 восстанавливают металлическим
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
28
натрием. Этот процесс проводят при относительно невысокой температуре, и титан
в меньшей степени загрязняется примесями. Вместе с тем натриетермический
способ технически более сложен.
Кальциегидридный способ основан на том, что при взаимодействии двуокиси
титана TiO2 с гидридом кальция СаН2 образуется гидрид титана из которого затем
выделяется металлический титан. Недостаток этого способа состоит в том, что
получаемый титан сильно загрязнен примесями.
Иодидный способ применяют для получения небольших количеств титана очень
высокой чистоты, до 99,99%.
Производство никеля
Промышленное производство никеля, возникшее более 100 лет назад, за
последнее время быстро увеличивается. Он входит в состав наиболее качественных
сталей, жаропрочных сплавов. Для производства легированных сталей и никелевых
сплавов расходуется около 80% никеля. Никель применяют также для
антикоррозионных покрытий, как катализатор и т. д.
Сырье для производства никеля - окисленные никелевые или сульфидные
медно-никелевые руды. В окисленных рудах никель находится в виде силикатов
n NiO SiO2 m MgO SiO2 H2O. В этих рудах содержится 1-7% никеля. В сульфидных
рудах никель находится в виде NiS; эти руды часто содержится кобальт, а также
платину, иридий и др.
Технология производства никеля из окисленных руд показана на схеме.
Штейн выплавляют в шахтных печах с воздушным дутьем через щелевидные
фурмы. Шихта состоит из агломерата или брикетов руды, кокса, известняка СаСО3 и
других материалов. Продуктом плавки является штейн (или роштейн) - сплав
сульфидов никеля и железа (Ni3S2 и FeS), содержащий 12-30% Ni, 45-60% Fe, 1723% S, небольшое количество меди b кобальта.
Плавку на файнштейн производят путем продувки расплавленного штейна
воздухом в конверторах, в устройствах, аналогичных конверторам для получения
черновой меди. Плавка делится на два периода. В первый период происходит
окисление и удаление металлического железа. 2Fe + О2 + SiO2 = (FeO) SiO2 +Q.
Во второй период продувки интенсивно окисляется сильфид железа по реакции
2FeS + 3О2 + SiO2 = (FeO)2 SiO2 + 2SO2. Продукт плавки - файнштейн (или белый
никелевый штейн) - содержит 75-78% Ni.
Окислительный обжиг файнштейна производят для удаления серы и
получения закиси никеля.
Для восстановления никеля проводят плавку в дуговых электрических печах
(аналогичных сталеплавильным). Восстановителем служит древесный уголь или
нефтяной кокс, чистые по сере. Восстановление протекает аналогично прямому
восстановлению в доменной печи по итоговой реакции
NiO + C = Ni + CO – Q. Черновой никель содержит 99,2-99,6% Ni.
Электролитическое рафинирование никеля обычно проводят ваннах,
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
29
футерованных керамической плиткой. Аноды - литые пластины из чернового никеля
катоды - тонкие листы из рафинированного чистого никеля. Электролит - водный
раствор сульфата никеля. При электролизе на катоде может выделяться не только
никель, но также медь, кобальт и железо. За 10-15 суток катод наращивают до
толщины 10-15 мм, вынимают из ванны и разрезают. Из анодного шлама извлекают
платину и другие ценные металлы.
Основы технологии получения феррованадия
Ванадий, открытый как элемент в 1831 г., начали использовать примерно с начала
XX в. для легирования конструкционных, быстрорежущих и других сталей.
Для легирования используют феррованадий - сплав на железной основе с 25-45%
ванадия. Феррованадий имеет более низкую температуру плавления, чем ванадий
(1735°С), стоимость легирования ниже, чем при применении чистого ванадия.
Основной сырой материал - железные руды, содержащие 0,3-0,5% V в виде
трехокиси VО3. Подготовка руды к плавке состоит в ее обогащении; железованадиевый концентрат окусковывают (агломерация, окатыши). Из агломерата
выплавляют чугун, содержащий 0,4-0,6% V, и продувают его в конверторе;
железоуглеродистый сплав перерабатывают в сталь. Ванадий переходит в шлак в
виде FeO V2O3.
Феррованадий выплавляют в электродуговой печи; шихта состоит из пятиокиси
ванадия (30%), извести (50%), ферросилиция, алюминия и других материалов.
Выплавленный феррованадий содержит 35-45% ванадия, шлак с 10-15% V2O5
используют как шихтовой материал при плавке. Извлечение ванадия из руды
составляет 60-65%.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
30
Основы производства отливок
Литейное производство - процесс получения заготовок путем заполнения
литейной формы расплавленным металлом, который кристаллизуется, приобретая
эту форму. Этот метод дает возможность получить изделия сложной формы, с
большим коэффициентом необрабатываемых поверхностей, которую нельзя
получить другими способами. Существуют различные способы литья: в песчаные
формы, в кокиль, литье под давлением, литье в оболочковые формы, по
выплавляемым моделям. В результате литья получают отливку - литую заготовку,
отделенную от элементов литниковой системы.
1. Литейные свойства сплавов
К литейным свойствам относят технологические свойства металлов и сплавов,
которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении
отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства— жидкотекучесть, усадка
(объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, поглощению газов, пористости и др.
Жидкотекучесть— это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и
четко воспроизводить контуры отливки. Жидкотекучесть литейных сплавов
зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного
натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д. Чистые
металлы, сплавы, кристаллизующиеся при постоянной температуре (эвтектические
сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые
растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем
меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть
понижается; с повышением температуры заливки расплавленного металла и
температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности
материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту
медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую
форму.
Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных
технологических проб. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей—магниевые сплавы.
Усадка — свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и
последующем охлаждении. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в
относительных единицах. Линейная усадка — уменьшение линейных размеров
отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка,
до температуры окружающей среды. Линейную усадку определяют, %:
εлин=(lФ-lот)100%/lот
где lф и lот—размеры полости формы и отливки при температуре 20°С.
На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки,
скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Так,
усадка серого чугуна уменьшается с увеличением содержания углерода и кремния.
Усадку алюминиевых сплавов уменьшает повышенное содержание кремния,
снижение температуры заливки.
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение
усадки. Механическое торможение возникает вследствие трения между отливкой и
формой. Термическое торможение обусловлено различными скоростями
охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки
подвергаются совместному воздействию механического и термического торможения.
Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для углеродистых сталей
– 2-2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9 -1,5%, для медных -1,4- 2,3%.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
31
Объемная усадка — уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной
форме при формировании отливки. Объемную усадку определяют: %:
εоб=(Vф-Vот)100/Vот
где Vф и Vот - объем полости формы и объем отливки при температуре 20°С.
Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.
Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и
короблении.
Усадочные раковины - сравнительно крупные полости,
расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис. 1а). Сначала около
стенок
литейной
формы
образуется
корка
твердого
металла. Вследствие того, что
усадка расплава при переходе
из жидкого состояния в твердое
превышает
усадку
корки,
уровень
металла
в
незатвердевающей
части
Рис. 1. Схема образования (а) усадочной раковины и отливки понижается до уровня а—
а. В следующий момент времени
(б) усадочной пористости
на корке 1 нарастает новый твердый слой 2, а уровень жидкости далее понижается
до уровня б—б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс
затвердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к
образованию сосредоточенной усадочной раковины. Сосредоточенные усадочные
раковины образуются при изготовлении отливок из чистых металлов, сплавов
эвтектического состава (сплав АЛ2) и сплавов с узким интервалом кристаллизации
(низкоуглеродистые стали, безоловянные бронзы и др.).
Усадочная пористость — скопление пустот, образовавшихся в отливке в
обширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним расплавленного металла (рис. 1 б). Вблизи
температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к
разобщению ячеек 5, заключающих в себе остатки жидкой фазы 4. Затвердевание
небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа к ней
питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке
получается небольшая усадочная раковина. Множество таких межзеренных
микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по границам
зерен металла. Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за
счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристаллизации
вплоть до полного затвердевания. С этой целью на отливки устанавливают
прибыли, обеспечивающие доступ расплавленного металла к участкам отливки,
затвердевающим последними. На рис.2а прибыль 1 не может обеспечить доступ
расплавленного металла к утолщенному участку отливки. В этом месте образуются
усадочная раковина 2 и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли 3
(рис.2б) предупреждает образование усадочной раковины и пористости.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
Рис.2. Способы предупреждения усадочных раковин и
пористости
32
Предупредить
образование
усадочных раковин и пористости
позволяет установка в литейную
форму наружных 4 (рис. 2в) или
внутренних холодильников 5 (рис.
2г).
Вследствие
высокой
теплопроводности и
большой
теплоемкости холодильника отвод
теплоты от массивной части
отливок происходит интенсивнее.
Это способствует выравниванию
скоростей
затвердевания
массивной и тонкой частей и
устранению усадочных раковин и
пористости.
Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях
отливки. Она возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной
растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Ликвация вызывает
неоднородность механических свойств в различных частях отливки.
2. Процессы взаимодействия литейной формы с расплавом
Газовые раковины и пористость в отливках. В расплавленном состоянии металлы
и сплавы активно поглощают газы из оксидов и влаги исходных шихтовых
материалов при их плавке, сгорании топлива, при заливке металла в форму и т. д. В
жидких металлах и сплавах растворимость газов с увеличением температуры повышается. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплыть на поверхность или остаться в отливке, образуя газовые раковины и пористость, снижающие механические свойства и
герметичность отливок. При заливке металла движущийся расплав может
захватывать воздух в литниковой системе, засасывать его через газопроницаемые
стенки каналов литниковой системы. Кроме того, газы могут проникать в металл из
формы при испарении влаги, находящейся в формовочной смеси, при химических
реакциях на поверхности металл-форма и т. д.
Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку следует вести
под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных
шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный металл
необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами и
другими способами, а также увеличивать газопроницаемость форм и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д.
Тепловое воздействие металла на форму. В процессе заливки, затвердевания и
охлаждения металл отдает теплоту литейной форме конвекцией, излучением и
посредством теплопроводности. Чем дольше протекает металл по определенным
участкам формы и находится в них в жидком состоянии, тем сильнее прогревается
поверхность формы и тем медленнее остывает расплав. В результате прогрева
формы на поверхности контакта ее с металлом интенсивно развиваются тепловые,
физико-химические и механические процессы, протекающие в период заливки, затвердевания и охлаждения металла. Вследствие этих процессов на поверхности отливки образуется пригар, который представляет собой трудно отделимый от
поверхности отливки слой из металла, его оксидов и частичек формовочной смеси.
Пригар ухудшает поверхность отливки.
Различают химический и механический пригар.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
33
Химический пригар образуется на отливках в период соприкосновения формы с
полузатвердевшим металлом, еще имеющим высокую температуру. Появлению
химического пригара способствует наличие в формовочной смеси оксидов щелочных
и щелочноземельных металлов, образующих с оксидом железа силикаты с низкой
температурой плавления. Эти силикаты могут проникать между песчинками, образуя
пригарную корку. Для уменьшения химического пригара применяют формовочные
смеси с минимальным содержанием оксидов щелочных и щелочноземельных
металлов, в зависимости от сплава вокруг отливки создают либо
восстановительную, либо окислительную атмосферу, рабочую поверхность формы
покрывают противопригарными покрытиями.
Механический пригар образуется вследствие механического проникания жидкого
металла между песчинками на поверхности формы и стержней. Этот вид пригара
трудно удаляется с поверхности отливки из-за образования прочной корки,
состоящей из формовочной смеси, пропитанной металлом. Для устранения механического пригара снижают температуру заливки металла: окрашивают формы защитными покрытиями: используют облицовочные смеси и т. д.
Кристаллизация сплавов в форме. Залитый в литейную форму металл при
охлаждении начинает кристаллизоваться. Для образования кристаллов из расплава
необходимы зародыши или центры кристаллизации, которые могут образоваться
самопроизвольно. В качестве центров кристаллизации могут служить также и
примеси, образующиеся в расплаве из продуктов реакций плавки металла в печи.
Условия протекания кристаллизации определяют структуру и свойства сплава и
отливки. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче будут кристаллы, и
наоборот. Структура отливок зависит от условий плавки; примесей, содержащихся в
сплаве; способа подвода расплава в форму и охлаждения отливки в форме;
интервала кристаллизации и других факторов. Зная влияние различных факторов на
процесс кристаллизации сплавов, можно направленно изменять кристаллическое
строение отливок, улучшая их свойства, например, модифицированием, установкой
холодильников, направленной кристаллизацией и др.
Напряжения в отливках. В результате неравномерного затвердевания тонких и
толстых частей отливок и торможения усадки формой при охлаждении в отливках
возникают напряжения. Чем меньше податливость формы и стержней, тем выше
напряжения. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного
сплава в данном участке отливки, то образуются горячие или холодные трещины.
Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен
противостоять действию возникающих напряжений, искажается геометрическая
форма отливки.
Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки
металла при температуре, близкой к температуре солидуса. Горячие трещины
проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность
сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кислорода), серы и других примесей. Кроме
того, резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы, выступающие
части и т. д. вызывают образование горячих трещин. Высокая температура заливки
повышает вероятность образования трещин. Для предупреждения возникновения
горячих трещин в отливках необходимо создавать условия для формирования
мелкозернистой структуры; обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности
снижать температуру заливки сплава.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
34
3. Изготовление отливок в песчаных формах
3.1. Модельный комплект
Это совокупность технологической оснастки и приспособлений для получения
определенной отливки. Состоит из модели отливки, моделей элементов литниковой
системы, одного или нескольких стержневых ящиков, модельных плит и др.
Модель - по наружной конфигурации является копией отливки или элементов
литниковой системы, отличается размерами на усадку. Отличают деревянные,
металлические, пластмассовые, комбинированные и др; неразъемные, разъемные, с
отъемными частями.
Стержневой ящик - приспособление для изготовления стержней для формирования внутренних полостей отливки.
Модельная плита - металлическая плита с закрепленными на ней моделями
детали и литниковой системы.
Опока - обычно металлическая рамка для удержания формовочной смеси,
образующей литейную форму при изготовлении, транспортировке, заливке и охлаждении.
Формовочный инструмент.
3.2. Литниковая система
Рис. 4. Горизонтальные литниковые системы: а - с
фильтрующим шлакоуловителем, б - с щелевым
вертикальным питателем; 1 - стояк; 2 металлоприемник;
3
подсеточный
металлоприемник; 4 - шлакоуловитель; 5 - питатель;
6 - бобышка питателя; 7 - щелевой вертикальный
питатель; 8 - отливка
Это совокупность связанных между
собой каналов и резервуаров для
подвода металла и питания отливки.
Чаще всего ЛС имеет (Рис.3): 1 - чаша
(или воронка), 2 - стояк, 3 шлакоуловитель, 4 - питатель (питатели). Иногда для сложных отливок могут подводиться несколько литниковых систем. Также применяют выпоры
(служит для отвода газов из
полости формы, сигнализирует об
окончании заливки) или прибыли, они
тоже относятся к элементам ЛС.
Чаша - металлоприемник, служит
для
ослабления
динамического
напора свободно падающей струи
расплавленного
металла,
также
предотвращает попадание шлака в
ЛС.
Стояк - канал, передающий металл
из чаши в шлакоуловитель. Это сужающийся вертикальный канал.
Шлакоуловитель- горизонтальный
канал, задерживает шлак и неметаллические примеси, а также передает
металл от стояка к питателю.
Питатель - короткие щелевидные
каналы для передачи металла в полость формы. Их чаще всего делают в
нижней полуформе.
По способу подвода металла
различают горизонтальные, и вертикальные ЛС. Сечение канала рассчи-
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
35
тывается. Он не д.б. длинным, т.к. металл при заливке остывает, густеет, что
приведет к незаливу.
3.2. Формовочные и стрежневые
смеси
Разделяются на исходные формовочные
материалы и формовочные и стержневые
смеси. Исходные формовочные материалы
(или
их
называют
первичными)
подразделяют на основные (пески, глины) и
вспомогательные
(связующие,
графит,
опилки и др.). Песок является основной
составляющей формовочных смесей и
состоит обычно из зерен кварца и примеси
Рис. 5. Вертикальные литниковые системы: глины (зерновая и глинистая составляюа - дождевая; б- дождевая со шлакоуловитлем; щая). Зерновой называют часть песка,
в - упрощенная для заливки сверху; г - размер зерен которых более 22 мкм, глирожковая с фильтрующим шлакоуловителем; нистая - менее 22 мкм. Если глинистая
д - сифонная с кольцевым шлакоуловителем; е часть менее 50%, это формовочный песок,
- сифонная для мелких отливок; 1- чаша; 2 - а более - формовочная глина. На 1 тонну
стояк; 3 - отливка; 4 - вертикальные и литья
расходуют
5-15
т
смеси.
рожковые питатели; 5 - кольцевой коллектор; Классификация смесей: по применению
6 - выпор; 7 - литниковый канал; 8 - (наполнительные, облицовочные, единые),
фильтрующий шлакоуловитель; 9 - сетчатые
по состоянию формы (для сырых, сухих и
питатели;
10
подсеточный
металлоприемник;
11
–
кольцевой др. форм), по сплаву (для чугуна, стали,
цветных металлов).
шлакоуловитель.
Облицовочная - смесь повышенного
качества, соприкасается с расплавом, толщина до 10-40 мм. Должна иметь высокую
пластичность, газопроницаемость, прочность, огнеупорность. Содержит 50-90%
свежих формовочных материалов, остальное - регенерированная смесь.
Наполнительная - более низкого качества, для остального объема формы.
Обычно содержит 95-98% регенерированной смеси и 2-5% свежей.
Единая - средняя, применяют при машинной формовке для мелких отливок.
Обычно содержит 85-95% регенерированной смеси и 5-15% свежей.
Все смеси имеют влажность 4-7%. Кроме этого в смеси вводят противопригарные добавки.
Стержневые смеси - должны обладать большой газопроницаемостью, прочностью, огнеупорностью, т.к. находятся в более тяжелых условиях, чем форма. Для
простых стержней добавляют глину, в сложные - кварцевый песок и различные крепители, антипригарные добавки (уголь, графит), и добавки, обеспечивающие податливость (опилки, торф до 1-3%).
Жидкие и песчаные самотвердеющие смеси (ЖСС и ПСС) - затвердевают через
30-50 мин без сушки.
Свойства смесей.
Пластичность - способность деформироваться без разрушения и точно
воспроизводить отпечаток модели. Пластичность смеси увеличивается с повышением в ней до определенного предела связующих материалов и воды, а также песка с
мелкими зернами.
Прочность - сопротивляемость разрушению при сборке, транспортировке,
воздействии жидкого металла. Увеличивается при увеличении содержания глины,
уменьшения размеров зерен песка, плотности.
Огнеупорность - способность смеси и формы сопротивляться размягчению или
расплавлению под воздействием температуры расплавленного металла. Чем
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
36
крупнее песок, тем меньше в нем примесей и пыли, и чем больше кремнезема, тем
огнеупорнее смесь. При низкой огнеупорности на поверхности отливки образуется
пригар - прочное соединение формовочной или стержневой смеси с поверхностью
отливки.
Газопроницаемость — способность смеси пропускать через себя газы. Газопроницаемость тем выше, чем больше песка в формовочной смеси и чем он крупнее, а также чем меньше содержание глины в формовочной смеси.
Долговечность - свойство смеси сохранять рабочие свойства.
Податливость - способность смеси уменьшаться в объеме при усадке металла.
Плохая податливость приводит к горячим трещинам.
3.4. Процесс изготовления форм и стержней.
Имеются 2 разновидности песчаных форм - с применением связующих и без.
Особое место занимают формы с связующими. Универсальным является формовка
в опоках. Изготовление формы из ЖСС сводится к заливке смеси в опоки, где самопроизвольно затвердевает. Основа ЖСС - песок, отвердители - шлаки производства
феррохрома, связующие - смолы, жидкое стекло, добавляют катализаторы для
улучшения текучести смеси и газопроницаемости форм.
Основные операции изготовления форм:
•
•
•
•
•
сборка модельной плиты,
уплотнение формовочной смеси,
выполнение вентиляционных каналов,
извлечение модели,
сборка формы.
Машинная формовка применяется для крупносерийного и массового
производства. По способу уплотнения разделяются на прессовые (Рис.а.б),
встряхивающие (в) и пескометы. Автоматические линии.
Изготовление стержней
Процесс изготовления стержней включает следующие операции: формовку
сырого стержня, сушку, отделку и окраску сухого стержня. Если стержень состоит из
двух или нескольких частей, то после сушки их склеивают.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
37
При изготовлении стержней вручную в разъемном стержневом ящике (рис. 8, а) раздельно
набивают половины стержневого ящика (поз.
1). Поверхности разъема смазывают клеем и
обе половины ящиков соединяют друг с другом
и металлической иглой делают вентиляционный канал (поз. 2). Затем стержень удаляют из стержневого ящика, устанавливают на
сушильную плиту (поз. 3) и отправляют в сушильную печь. На поз. 4 показан стержень,
подготовленный к сборке.
Изготовление стержней в нагреваемой оснастке (рис. 9) состоит в следующем. На поз. 1
нагретые до температуры 200—300° С половинки
стержневого ящика 2 и опустошитель 3 собирают. Из пескодувного резервуара 1 стержневая
смесь с синтетической смолой вдувается в
стержневой ящик. Связующее при нагреве
отверждается, обеспечивая прочность стержню
4. После непродолжительной выдержки (15-120
с) опустошитель 3 извлекают и пневматическим
цилиндром 5 отводят одну из половин ящика
(поз. 2). После этого вторая половина ящика поворачивается на 90°, и выталкивателями 6
стержень 4 удаляется из стержневого ящика (поз.
3). Стержни, полученные этим способом, имеют
высокую
прочность,
точность
размеров,
газопроницаемость.
Изготовление стержней из жидкостекольных
смесей состоит в химическом отверждении
жидкого стекла путем продувки стержня
углекислым газом Изготовленный стержень 2
выкладывают на плиту 5 и накрывают колпаком 1
(рис 10) Плита и колпак плотно соединяются
Стержень продувается углекислым газом под
давлением 0,1-0,3 МПа в течение 1-10 мин.
После
продувки
стержни
отделывают
и
окрашивают самовысыхающими красками. Этим
способом изготовляют средние и крупные по массе стержни.
Далее следуют сборка форм, заливка,
охлаждение, выбивка, обрубка - удаление
прибылей, литников и др., очистка.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
38
Дефекты отливок и их исправление
Дефекты отливок по внешним признакам подразделяют на наружные (песчаные
раковины, перекос, недолив и др.), внутренние (раковины усадочные и газовые,
трещины горячие и холодные и др.).
Песчаные раковины - открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые
возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы,
недостаточного крепления выступающих частей формы и прочих причин.
Перекос - смещение одной части отливки относительно другой в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых
частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установки стержня
в форму.
Недолив - некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой
температурой заливки, недостаточной жидкотекучестью, недостаточным сечением
элементов литниковой системы, неправильной конструкцией отливки (например,
малая толщина стенки отливки) и др.
Усадочные раковины - открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шероховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Эти дефекты возникают
при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки,
неправильной установке прибылей, заливке перегретым металлом
Газовые раковины - открытые или закрытые пустоты в теле отливки с чистой и
гладкой поверхностью, которые возникают из-за недостаточной газопроницаемости
формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности расплавленного металла газами и др.
Трещины горячие и холодные - разрывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литниковой
системы и прибылей, неправильной конструкции отливки, повышенной неравномерной усадки, низкой податливости форм и стержней и др.
Методы обнаружения дефектов. Наружные дефекты отливок обнаруживаются
внешним осмотром непосредственно после извлечения отливок из формы или после
их очистки.
Внутренние дефекты отливок выявляются радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии.
Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.
Методы исправления дефектов. Незначительные дефекты в ответственных местах отливок исправляют заделкой замазками или мастиками, пропиткой различными
составами, газовой или электрической сваркой.
Заделка дефектов замазками или мастиками - декоративное исправление мелких
поверхностных раковин на отливках. Перед заполнением мастикой дефектные места
очищают от грязи и обезжиривают. После заполнения раковин мастикой исправленное место заглаживают, подсушивают и затирают пемзой или графитом.
Пропитывание составами применяют для устранения пористости отливок. С
этой целью их погружают на 8-12 ч в водный раствор хлористого аммония. Проникая
в промежутки между кристаллами металла, раствор образует оксиды, заполняющие
поры отливок.
Для устранения течи отливки из цветных сплавов пропитывают бакелитовым
лаком. Газовую и электрическую сварку применяют для исправления дефектов на
необрабатываемых поверхностях (раковины, сквозные отверстия, трещины).
4. Специальные способы литья
4.1. Отливка в оболочковые формы.
При этом способе расплавленный металл заливают в оболочковую форму с
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
39
толщиной стенки 7-15 мм, при необходимости устанавливают стержни.
Изготовление формы: модельную плиту нагревают в электрической печи до 200300°С и наносят тонкий слой разделительной эмульсии для облегчения снятие
оболочки. Затем наносят формовочную смесь: 94-90% сухого песка и 10-6% термореактивной фенолформальдегидной смолы. Смола в прилегающей к модельной
плите зоне сначала расплавляется, затем затвердевает, образуя оболочку.
Нерасплавившуюся часть смеси удаляют поворотом плиты. Затем модельную плиту
ставят на прокалку 1-2 мин при Т=280-350°С. Оболочка необратимо упрочняется и
снимается с модели легко и не разрушается. Твердую оболочку соединяют со
второй половинкой, заливают металлом. Отливки характеризуются высокой
точностью, качеством поверхности, мало требуют затрат на очистку и отделку. Этим
способом получают отливки мелкие простые и сложные отливки из любых сплавов.
4.2. Литье по выплавляемым моделям.
Сущность процесса.
Изготавливают пресс-форму, внутренняя полость которой - контур детали с
учетом припусков и усадки. В нее шприцем заливается модельная масса, обычно
парафин+стеарин, воск. После отвердевания модель извлекают, собирают модельный блок - несколько (2-100) моделей припаивают к стояку (Ёлка), затем елку многократно окунают в керамическую суспензию состоящую из смеси огнеупорных материалов - пылевидного кварца, электрокорунда - со связующим гидролизированным
раствором этилсиликата. После окунания формы обсыпают кварцевым песком,
сушат на воздухе 2-5 часов или 20-40 мин в потоке аммиака. Всего наносят 4-6 слоем суспензии и песка с просушкой каждого слоя. Для крупногабаритного литья количество слоев может достигать 15. Затем модели погружают в горячую воду (80-90°С)
где модельный состав расплавляется и вытекает. Оболочки сушат при 200°С, ставят
в жаростойкую опоку, засыпают песком, уплотняют и прокаливают при 900-950°С не
менее 2 часов. При этом влага удаляется, остатки модельной массы выгорает, Горячие формы тут же заливают металлом. После охлаждения форму разрушают, отливки обрезают, окончательно травят в 45% растворе NaOH.
Отливки получаются высокоточные, с малыми припусками на мехобработку,
можно изготавливать весьма сложные отливки, в том числе крупногабаритные. Особенно применяется при литье жаропрочных сплавов.
4.3. Литье в кокиль. Заливка металла в металлические формы - кокили.
Формирование отливки происходит в условиях интенсивного отвода тепла от металла к массивному металлическому кокилю.
Техпроцесс: Рабочую поверхность кокиля с вертикальной, горизонтальной или
комбинированной плоскостью разъема (состоит из 2 полуформ) предварительно
нагревают до 150-180°С, покрывают распылением защитным покрытием 0,3-0,8 мм
для предохранения рабочей поверхности от резкого нагрева и схватывания с металлом отливки. Покрытие также регулирует скорость охлаждения отливки. Состоит
из огнеупорных материалов - кварцевой муки, талька, графита, мела и др., связующего - жидкое стекло, и воды. Устанавливают стержень, заливают металл. После ох-
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
40
лаждения кокиль раскрывают и удаляют отливку. Стержни для оформления внутренних полостей применяют песчаные, оболочковые или металлические. Первые
применяют для чугуна и стали, последние - для алюминиевых сплавов. Металлические стержни удаляют до извлечения отливки из кокиля, сразу после образования
корки металла. Для удаления газов выполняют вентиляционные каналы. Температурный режим заливки и охлаждения может регулироваться подогревом или охлаждением кокиля.
Достоинства: возможность механизации и автоматизации процесса, применяется
в крупносерийном производстве. Высокая точность, качество поверхности отливок,
малые припуски на обработку. Недостатки - трудоемкость изготовления кокилей,
трудность получения сложных отливок, малая стойкость.
4.4. Литье под давлением. Получают отливки в пресс-формах, заливка металла
осуществляется под давлением на специальных машинах с холодной или горячей
камерой прессования. Камеры могут располагаться горизонтально или вертикально.
ЛПД используют для крупносерийного производства с минимальной толщиной
стенок
0,8 мм. Высокая точность, качество поверхности, высокая
производительность, КИМ. На машинах с
горячей камерой прессования (рис. 12)
камера прессования 2 расположена в
обогреваемом тигле 1 с расплавленным
металлом.
При
верхнем
положении
плунжера 3 расплавленный металл через
отверстие
4
заполняет
камеру
прессования. При движении плунжера вниз
отверстия перекрываются, сплав под
давлением 10—30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное
положение,
остатки
расплавленного металла из канала сливаются в камеру прессования, а отливка из
пресс-формы удаляется выталкивателями 6. Такие машины используют при
изготовлении отливок из цинковых и магниевых сплавов массой от нескольких
граммов до 25 кг.
При литье под давлением температуру заливки сплава выбирают на 10—20° С
выше температуры ликвидуса.
Недостатки - высокая стоимость пресс-форм, ограниченность габаритов, высокая
пористость в массивных частях, снижающая свойства.
4.5. Центробежное литье
Сплав заливают во вращающиеся формы, формирование отливки идет под действием центробежных сил, метод обеспечивает хорошее заполнение форм.
Применяют песчаные формы, по выплавляемым моделям, кокили. Получают
сложные тонкостенные колеса, трубные заготовки, при этом отсутствуют литниковая
система, что дает существенную экономию металла.
При получении чугунных водопроводных труб на машинах с горизонтальной осью
вращения (рис. 13,а) изложницу 2 устанавливают на опорные ролики 7 и закрывают
кожухом 6. Изложница 2 приводится во вращение электродвигателем 1. Расплавленный чугун из ковша 4 заливают через желоб 3, который в процессе заливки чугуна
перемещается в направлении, показанном стрелкой, что обеспечивает получение
равностенной отливки 5. Для образования раструба трубы используют либо
песчаный, либо оболочковый стержень 8. После затвердевания залитого чугуна
трубу извлекают из изложницы. На этих машинах изготовляют втулки, кольца и т. п.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
41
При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси
(рис. 13, б) расплавленный металл из разливочного ковша 4 заливают в литейную
форму 2, укрепленную на шпинделе 1, который вращается от электродвигателя.
Расплавленный металл центробежными силами прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После остановки
формы отливка 3 извлекается. На этих машинах изготовляют кольца большого диаметра высотой не более 500 мм.
На рис. 13, в показана схема процесса литья сложных тонкостенных рабочих
колес на машинах с вертикальной осью вращения: 1, 6 - половины кокиля; 2 стержень, который формирует канал рабочего колеса и его лопасти; 3 - стол
машины; 4 - стержень, воспринимающий удар струи заливаемого металла; 5 шпиндель центробежной машины. Частота вращения изложницы при центробежном
литье составляет 150-1200 об/мин. Изложницы перед заливкой нагревают до
температуры 150-200°С. Температуру заливки сплавов назначают на 100-150°С
выше температуры ликвидуса.
Преимущества центробежного литья - получение внутренних полостей трубных
заготовок без применения стержней; большая экономия сплава за счет отсутствия
литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок, что достигается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза
и т. д.).
4.6. Штамповка отливок из жидкого металла.
Это прогрессивный технологический процесс, позволяющий получать плотные отливки 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 формирования отливки в пресс-форме она находится под давлением от 40
до 200 МПа. Область применения данного способа - производство компактных
отливок из цветных сплавов.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
42
4.7. Литье по газифицируемым моделям.
Сущность способа заключается в том, что модели и элементы литниковой
системы, выполненные из газифицируемого пенополистиролового материала, в
собранном виде заливают металлом. При этом модели газифицируются
(разрушаются), а их место в полости формы занимает металл.
Особенность способа: перед заливкой модели из формы не извлекают, так как 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 для удаления моделей. Все это обеспечивает получение отливок повышенной точности.
Для изготовления газифицируемых моделей используют различные марки
пенополистирола и другие материалы, которые можно удалить из полости формы
методом выжигания, газификации и растворения.
Оптимальная область применения такого способа - производство крупных индивидуальных отливок из железоуглеродистых сплавов. При этом достигается значительная экономия за счет замены дорогих деревянных изделий и стержневых ящиков пенополистироловой моделью.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
43
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ
ДАВЛЕНИЕМ.
Физико-механические основы пластической деформации металла
Обработка давлением основана на пластичности металлов, т.е. их
свойстве изменять форму и размеры без разрушения.
При производстве металлических изделий применяют обработку металлов
давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Горячей называют
деформацию при температурах (0,7-0,8)Тпл., при которой рекристаллизация успевает
протекать во всем объеме, формируется равноосная микроструктура без следов
упрочнения.
Если
металл
после
деформации
имеет
не
полностью
рекристаллизованную структуру со следами упрочнения, такая деформация
называется теплой ((0,3-0,6)Тпл.). При этом формируемая структура является
неоднородной, следовательно, и механические свойства имеют большой разброс.
При горячей деформации сопротивление деформации примерно в 10 раз меньше, а
пластичность выше, чем при холодной, поэтому ГД применяется для обработки
крупных заготовок, труднодеформируемых и малопластичных материалов.
Основными способами обработки металлов давлением являются прокатка, волочение, прессование, ковка и штамповка.
Прокаткой обрабатывается 75-80% выплавляемой стали. Прокатка осуществляется путем захвата заготовки 2 (рис. 1, а) и деформирования ее между
вращающимися в разные стороны валками 1 прокатного стана; при этом толщина
полосы уменьшается, а длина и частично ширина увеличиваются. Прокатные валки
могут иметь гладкую поверхность для прокатки листов, или ручьи для получения
круглой или квадратной полосы, рельсов и т. д.
Волочение - процесс, при котором исходная заготовка 2 (рис. 1, б) протягивается
на волочильном стане через отверстие инструмента, называемого волокой 3; при
этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
44
Прессование представляет собой выдавливание заготовки 4 (рис. 1, в), помещенной в специальный цилиндр - контейнер 5, через отверстие матрицы 6,
удерживаемой матрицедержателем 7; выдавливание производят при помощи прессшайбы 8 и пуансона 9. В зависимости от формы и размеров отверстия матрицы
получают профили самой разнообразной формы поперечного сечения, а также
трубы.
Ковка металла заключается в обжатии заготовки 2 (рис.1, г) между верхним 10 и
нижним 11 бойками. Окончательная форма кованой заготовки (поковки) достигается
путем нанесения последовательных ударов на молоте или нажатий на прессе с
последовательным перемещением заготовки относительно бойков.
Штамповка — процесс деформации металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и размеры получаемой поковки.
Различают объемную и листовую штамповку. Если исходным материалом для
штамповки служит лист, то это будет листовая штамповка, в остальных случаях объемная.
При объемной штамповке (рис. 1, д) на горячештамповочных молотах и прессах
исходная заготовка 2 деформируется в штампе 12. Листовая штамповка (рис.1, е)
осуществляется на холодноштамповочных прессах. При помощи пуансона 9,
прижима 13 и матрицы 6 листовая заготовка 4 превращается в изделие.
Исходными материалами для обработки металлов давлением служат слитки и
заготовки различных размеров и массы. Для производства проката на
металлургических заводах чаще всего применяются стальные слитки массой 3...28 т.
Более тяжелые слитки (массой до 300 т) используют для крупных единичных
поковок. Слитки цветных металлов и сплавов обычно имеют массу от 50 до 1000 кг.
При обработке металлов давлением по любому способу одновременно с изменением формы и размеров исходного материала изменяется также его структура и
механические свойства. При этом объем металла, если он раньше подвергался
деформации, остается постоянным.
Влияние отдельных факторов обработки давлением на пластичность
металлов
По физической сущности обработка металлов давлением является процессом
пластической деформации. Различные металлы и сплавы обладают неодинаковой
пластичностью и, следовательно, по-разному ведут себя при обработке давлением в
холодном и горячем состояниях.
Чистые металлы более пластичны, чем их сплавы. Так, например, чистое железо
пластичнее стали, чистая медь пластичнее бронзы. Пластичность литого металла,
имеющего
крупнозернистую
дендритную
структуру,
ниже
пластичности
деформированного металла, имеющего мелкозернистую структуру.
С повышением температуры сопротивление металла деформации уменьшается,
а его пластичность, как правило, возрастает, что связано с протеканием процессов
разупрочнения (возврата, полигонизации и рекристаллизации).
Напряженное состояние в точке или в некотором объеме деформируемого тела
характеризуется схемой главных напряжений. Всего имеется девять схем главных
напряжений: четыре объемные О, три плоские П и две линейные Л (рис. 1.2).
При прокатке, прессовании, ковке и объемной штамповке напряженное
состояние характеризуется схемой трехосного сжатия О1. При этом во всех случаях
главное напряжение сжатия σ1, является максимальным, оно создается давлением
инструмента на металл. Наибольшее течение металла происходит в направлении
той оси, где действует минимальное главное напряжение.
При волочении напряженное состояние характеризуется схемой О2.
При листовой штамповке колпачка (см. рис. 1, е) отдельные его участки
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
45
характеризуются различными схемами напряженного состояния: дно колпачка
объемной схемой О3, стенки - линейной схемой Л2, и фланец -объемной схемой О2.
Другие схемы напряженного состояния также встречаются в некоторых сложных случаях пластической деформации при обработке металлов давлением. При схеме
напряженного состояния O1 металл имеет более высокую пластичность.
Растягивающие напряжения снижают пластичность металла.
Для оценки деформированного состояния металла нужно знать схему главных
деформаций. Главная деформация по одной из осей равна сумме двух других
главных деформаций, взятых с обратным знаком. Различают 3 схемы главных
деформаций (рис.3): 1) схема Д1 - по одной оси происходит главная деформация
сжатия, а по двум другим - главные деформации растяжения (прокатка узкой полосы
на гладкой бочке, прокатка в калибрах, свободная ковка и объемная штамповка); 2)
схема Д2 - по одной оси главная деформация сжатия, по второй - главная
деформация растяжения, а по третьей оси деформация не происходит (прокатка
широкой полосы на гладких валках, прокатка с натяжением); 3) схема Д3 - по двум
осям происходит главная деформация сжатия, а по третьей - главная деформация
растяжения (волочение, прессование и некоторые случаи листовой штамповки).
Схема главных деформаций оказывает существенное влияние на пластичность
металла. Наилучшие условия для пластической деформации наблюдаются при
объемной схеме с двумя деформациями сжатия и наихудшие - при объемной схеме
с двумя деформациями растяжения. Следовательно, чем меньше растягивающие
деформации, тем больше способность металла к пластической деформации.
Обработка металлов давлением является одним из экономичных способов производства заготовок, т.к. достигается не только получение заданных формы и
размеров, но и значительное повышение механических свойств металла. При
обработке металлов давлением получают заготовки по форме и размерам весьма
близким форме и размерам готовых изделий.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
46
Нагрев металла и нагревательные устройства
При
обработке
давлением
металл
нагревают
для
снижения
сопротивления деформации, придания ему достаточной пластичности. Для
каждого металла имеется интервал температур (начальная и конечная температура
обработки), 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 Fe - C (рис. 20.4, заштрихованная область). После
выбора температурного интервала устанавливают скорость нагрева, время
выдержки слитка или заготовки в печи для прогрева по сечению и с целью
равномерного нагрева металла по всему объему. Для нагрева стальных слитков
перед прокаткой применяют нагревательные колодцы, а для нагрева заготовок —
методические и камерные печи.
Методические печи. В методических печах нагреваемый металл и продукты горения движутся навстречу друг другу. Холодные заготовки поступают в
методическую зону печи, имеющую в начале зоны температуру 500-600°С и в конце
– 900-1000°С. После прохождения этой зоны заготовки поступают в сварочную зону
с температурой 1250-1350°С. Далее металл поступает в томильную зону для
равномерного прогрева по сечению и длине заготовки. Температура в этой зоне
обычно на 30-50°С выше требуемой температуры нагрева металла. Окончательно
нагретые заготовки подают к прокатному стану или молоту.
Камерные печи. В кузнечных цехах для нагрева заготовок применяют камерные
печи с излучающим сводом для малоокислительного нагрева металла. В рабочей
камере газообразное топливо сжигается с избытком топлива, в камере создается
восстановительная атмосфера, что способствует сокращению потерь металла в
окалину. Заготовки, загружаемые в камеру, нагреваются в основном излучением
свода, а от окисления предохраняют их продукты неполного сгорания.
Электрические нагревательные печи. В этих печах металл нагревают способом сопротивления, контактным и индукционным методами. Электрические печи
сопротивления имеют элементы сопротивления, которые при прохождении тока
нагреваются и создают соответствующую температуру. При контактном
электронагреве заготовку зажимают между контактодержателями 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.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
47
ПРОЦЕСС ПРОКАТКИ. УСТРОЙСТВО ПРОКАТНЫХ СТАНОВ
Прокатка осуществляется при прохождении его между валками, вращающимися
в разных направлениях (рис.). При прокатке металл обжимается, в результате чего
толщина полосы уменьшается, а ее длина и ширина увеличиваются.
.Разность между исходной и конечной толщинами полосы называют
абсолютным обжатием:
h= ho - hk.
Разность между конечной bk и исходной Ьо ширинами полосы называют
абсолютным уширением:
b=bk - bo
Величину деформации полосы при прокатке характеризуют следующие
показатели (коэффициенты):
относительное обжатие - отношение абсолютного обжатия к исходной
толщине полосы;
ε = h / h0 или ε = (h / h0)100%;
коэффициент обжатия - отношение исходной толщины к конечной ε = hQ / hk
коэффициент вытяжки - отношение длины прокатанной полосы к исходной
длине  = lk/l0 из условия постоянства объема: hlb = const, отсюда  = lk/l0 =
h0b0/hkbk = F0/Fk. Угол захвата определяют по формуле cosα=1 - (ho-hk) /2R = 1 h/D
Процесс прокатки металла обеспечивается трением, возникающим по контактным
поверхностям валков с прокатываемой полосой.
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 24-32°, при горячей прокатке листов и полос – 15-20°, при
холодной прокатке листов и лент со смазкой – 2-10°.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ
Главная линия прокатного стана состоит из следующих основных узлов: рабочей клети 1, шпинделей 2, шестеренной клети 3, коренной муфты 4, редуктора 5,
моторной муфты 6, электродвигателя 7. В рабочей клети осуществляется прокатка
металла.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
48
Прокатные валки обжимают металл и придают ему требуемую форму. Прокатный
валок (рис. 2.6) состоит из бочки 3 (гладкой или с ручьями 4), шеек, расположенных с
обеих сторон бочки и опирающихся на подшипник валка, трефов, предназначенных
для соединения валка со шпинделем. Валки изготовляют из чугуна и стали. Мягкие
чугунные валки применяют при черновой горячей прокатке стали. 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 1,5...2 раза, поэтому их применяют реже. Для листовых станов
применяют валки из легированной стали (хромоникелевой и хромомолибденовой).
Классификация станов по типу рабочих клетей
В зависимости от числа и расположения валков в клети станы
разделяют
на
двухвалковые,
трехвалковые,
четырехвалковые,
многовалковые, универсальные. Станы двухвалковые имеют рабочие клети (рис.
2.7, а) с двумя валками с постоянным направлением вращения. Полоса между
валками проходит один раз. Реверсивные двухвалковые станы имеют переменное
направление вращения валков для прохождения металла между валками несколько
раз (блюминги, слябинги).
Станы трехвалковые имеют в рабочей клети три прокатных валка с постоянным
направлением вращения, расположенных в одной вертикальной плоскости (рис.
21.7, б). 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 четырехвалковые (рис. 2.7, в) имеют в рабочей клети четыре валка в
одной вертикальной плоскости. Два валка меньшего диаметра являются рабочими,
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
49
два валка большего диаметра - опорными. Эти станы применяют при горячей и
холодной прокатке листовой и полосовой стали.
Многовалковые станы (шести-, двенадцати- и двадцативалковые) благодаря
малому диаметру валков (10...30 мм) и большой жесткости рабочей клети позволяют
катать тончайшую ленту. Рабочие валки этих станов бесприводные, они опираются
на ряд приводных валков, которые в свою очередь опираются на ряд опорных
валков. Такая схема обеспечивает практически полное отсутствие прогиба рабочих
валков.
Универсальные станы (рис. 2.7, е) применяют при прокатке широкополосовой
стали, листов и слябов. Металл в универсальных станах обжимается
горизонтальными и вертикальными валками; последние обеспечивают получение
ровных и гладких кромок проката.
Классификация станов по назначению
Станы разделяют на обжимные, заготовочные, сортовые, полосовые,
листовые, трубопрокатные и станы специального назначения.
К обжимным станам относят блюминги и слябинги — крупные станы с валками
диаметром 800... 1500 мм для прокатки слитков в заготовки крупных размеров
(блюмы и слябы). Эти заготовки являются исходным материалом для заготовочных
крупносортных и листовых станов.
Заготовочные станы имеют валки диаметром 450.. .850 мм. На этих станах
прокатывают блюмы в заготовки меньших размеров (60X60.. .150Х 150 мм) для
получения затем сортовой стали и проволоки.
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 крупных профилей;
крупносортные с валками диаметром 500...750 мм; среднесортные с валками
диаметром 350...450 мм; мелкосортные с валками диаметром 250...325 мм и
проволочные с диаметром валков 150...250 мм.
Непрерывные сортовые станы. 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 этих станах можно применять скорость прокатки 60...80 м/с и
более. В современных непрерывных сортовых станах каждая рабочая клеть имеет
индивидуальный привод, что позволяет устанавливать скорость прокатки для
каждой клети.
Полосовые станы с диаметром валков около 300 мм являются непрерывными,
они предназначены для прокатки лент, полос и заготовок для сварных труб.
Проволочные станы прокатывают проволоку (катанку) толщиной 5...10 мм. Современные проволочные станы строят непрерывными с блоками чистовых клетей.
Листовые станы для горячей прокатки листовой стали толщиной 1,2...60 мм
и более имеют бочки валков длиной 800...5000 мм. Толстолистовую сталь шириной
1000...2500 мм прокатывают на непрерывных и полунепрерывных широкополосных
станах.
Листовые станы для холодной прокатки листов толщиной 0,05...4 мм имеют
бочки валков длиной 700...2800 мм. При холодной прокатке тонкой ленты из стали
различных марок и цветных металлов широко применяют четырех-, двенадцати- и
двадцативалковые станы, а также четырех- и пятиклетьевые непрерывные
четырехвалковые станы.
Трубопрокатные станы предназначены для производства бесшовных стальных
труб. Процесс прокатки бесшовных труб состоит из двух операций: получения из
слитка или заготовки толстостенной гильзы и последующей раскатки этой гильзы в
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
50
трубу заданного диаметра. Для производства сварных труб наибольшее применение
получили непрерывные станы, на которых стальные трубы изготовляют
электросваркой.
К станам специального назначения относят бандаже-, колесопрокатные,
шаропрокатные, и др.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОКАТКИ
Основы технологии прокатного производства
Сортамент проката
Прокат можно разделить на пять основных групп: 1) заготовки всех видов, 2)
сортовая сталь, 3) листовая сталь, 4) специальные виды проката, 5) трубы.
Заготовки всех видов или полупродукт включают блюмы, слябы, заготовки
передельные, осевые, трубные, и другие. Они являются исходным материалом для
последующей прокатки сортовых, листовых профилей, специальных видов проката и
бесшовных труб.
Сортовую сталь можно разделить на профили массового потребления и
профили специального назначения. К первой группе относят круглую, квадратную,
шестигранную, полосовую и угловую сталь, проволоку, швеллеры, двутавровые
балки и др. Ко второй группе— рельсы, профили особой формы.
Листовая сталь в зависимости от толщины листов разделяется на две
основные группы: толстолистовую—толщиной 4...160 мм, тонколистовую—толщиной
1,2...4 мм. К специальным видам проката относят бандажи, шары, цельнокатаные
колеса и периодические профили (переменное поперечное сечение по длине
полосы). Стальные трубы разделяют на бесшовные и сварные.
ПРЕССОВАНИЕ И ВОЛОЧЕНИЕ МЕТАЛЛА
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, в том числе прутки
диаметром 5... 300 мм, трубы с внутренним диаметром 18...350 мм при толщине
стенок 1,5...50 мм, разнообразные фасонные профили.
Методы прессования. Различают два метода прессования металла — прямой и
обратный.
При прямом методе прессования (рис.23.2, а) заготовка 3, нагретая до
необходимой температуры, помещается в контейнер 4 пресса. С одной 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-шайбой 6 на
конце. При работе пресса пуансон получает необходимое давление от плунжера и
передает его через 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 формировании изделия. При обратном методе
прессования металла (рис., б) в контейнер 4 вместо пресс-шайбы входит полый
пуансон 5 с матрицей 1 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 полый пуансон в направлении, обратном перемещению
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
51
пуансона. При обратном прессовании отходы металла уменьшаются на 5.. .6 % (при
прямом прессовании они составляют 30...20 % массы заготовки) и снижаются усилия
прессования металла на 25...30 %. Однако этот метод имеет ограниченное
применение из-за сложности конструкции пресса и удаления отпрессованного
изделия из полого пуансона.
При прессовании труб (рис., в) заготовка 3, помещенная внутрь контейнера 4,
сначала прошивается стальной иглой 7. Передний конец пуансона проходит через
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 6 в направлении матрицы
металл выдавливается через кольцевой зазор и принимает форму трубы 8.
Наружный диаметр трубы равен диаметру отверстия матрицы, внутренний—
диаметру стальной иглы.
Технология прессования. Процесс прессования металла включает следующие
операции: 1) подготовку слитка или заготовки к прессованию (удаление наружных
дефектов, разрезку заготовки на мерные длины и т.д.); 2) нагрев слитка или
заготовки до заданной температуры; 3) подачу нагретого металла в контейнер; 4)
выдавливание металла из контейнера через очко матрицы (собственно
прессование); 5) отделку полученного изделия - ломка заднего конца для полного
удаления пресс-утяжины, резку на мерные длины, правку на правильных машинах.
При прессовании выход годной продукции обычно составляет 70... 80%.
Коэффициент вытяжки металла при прессовании равен отношению площади
сечения контейнера FK к площади сечения отверстия матрицы Fм, т. е. =FK /FM.
Обычно коэффициент вытяжки находится в пределах 8... 50, а иногда и выше.
Степень обжатия металла при прессовании ε определяется отношением разности
площадей поперечного сечения контейнера и отверстия матрицы к площади
поперечного сечения контейнера: ε = [(FK - FM) / Fk] 100 %. Степень обжатия может
достигать 90%.
При прессовании для уменьшения трения металла о стенки контейнера и
достижения более равномерного течения металла из матрицы применяют смазку—
смесь машинного масла с графитом, жидкое стекло или другие смазочные
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
52
материалы.
Прессование металла обычно осуществляют на гидравлических прессах.
Механические прессы применяют значительно реже. В гидравлических прессах
рабочей жидкостью является масло, вода или эмульсия. Насосом высокого
давления она сжимается до 20...40 МПа 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 электродвигателя.
Процесс прессования металла характеризуется скоростью прессования и
скоростью истечения металла. Скоростью прессования Vp называют скорость
перемещения пуансона в контейнере. Скорость истечения Vи представляет
скорость, с которой металл вытекает через очко матрицы.
Волочение металла
Волочение — процесс протягивания проволоки, прутка или трубы через очко
специального инструмента (волоки), имеющее несколько меньшее сечение, чем
исходная заготовка.
Изделия
после
волочения
имеют
точные
размеры,
заданную
геометрическую форму, чистую и гладкую поверхность. Волочением
получают прутки диаметром 5.. .50 мм, проволоку диаметром 0,006...16 мм, трубы с
внутренним диаметром 0,6...400 мм, толщиной стенки 0,05...15 мм. 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 машинах.
Устройство волоки и типы волочильных машин. Волока состоит из двух
деталей (рис.): собственно волоки 1 и обоймы 2. Волока имеет четыре зоны:
входную /, рабочую (деформирующую) II, калибрующую (очко или поясок) /// и
выходную IV. Калибрующая зона обычно цилиндрической формы, остальные зоны
конические. Угол рабочего конуса деформирующей зоны II выбирают в пределах 1020°. Волоки изготавливают из твердых сплавов ВК2, ВК3, ВК6, ВК8 и других, из
технических алмазов (для производства тонкой проволоки) или инструментальной
стали (для волочения прутков и труб крупных сечений).
До начала волочения конец прутка металла заостряют, чтобы он свободно входил
в очко и выходил из него с противоположной стороны. Этот конец захватывается
тяговым механизмом волочильной машины, который протягивает пруток через
волоку, подвергая его деформации—обжатию и вытяжке.
В зависимости от способа осуществления тяги волочильные машины разделяют
на цепные и барабанные.
На цепных волочильных машинах протягивают профили и трубы в виде длинных
штанг. Барабанные волочильные машины применяют в том случае, когда
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
53
обрабатываемую заготовку и полученные из нее изделия (проволоку и т. п.) можно
наматывать на барабан.
Технология волочения включает подготовку металла к волочению,
установление режима волочения (т.е. обжатий или вытяжек по проходам,
температуры промежуточных отжигов, режима последующего травления) и отделку
готовой продукции. При подготовке металла к волочению заготовку очищают от
окалины, применяя химическое травление в растворах кислот или механические
способы очистки. После травления металл промывают, удаляя с его поверхности
остатки кислоты и шлам. На стальную заготовку 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 100°С. Во время сушки удаляется вода и
часть растворенного в металле водорода; это способствует устранению травильной
хрупкости металла.
До протяжки на сухую поверхность металлической заготовки наносят
соответствующую смазку: минеральное масло, графит, мыло или эмульсии.
Выбор режима волочения, т. е. обжатия, скорости волочения и смазки зависит от
свойств металла и свойств материала волоки, профиля и величины поперечного
сечения изделия;
Коэффициент вытяжки металла при волочении  равен отношению площади
поперечного сечения исходной заготовки Fo к площади сечения после протяжки Fk,
т.е. =Fo/Fk. Обжатие К при волочении определяют отношением разности площадей
поперечного сечения заготовки до и после протяжки к площади сечения заготовки до
протяжки: К = (Fo - Fk)/Fo 100%. Обычно коэффициент вытяжки металла при
волочении составляет 1,25... 1,30, а обжатие—до 30%.
Заготовки, которым предъявляются высокие требования по точности и
шероховатости поверхности, подвергают калиброванию, т. е. протягиванию через
волоку установленной формы и размеров при небольшом обжатии (8... 12 %) и
вытяжке. Технология процесса калибрования проката профилей состоит примерно
из тех же операций, которые применяют при волочении.
Прессованные изделия из цветных металлов и сплавов, а также из сталей и
сплавов на железной и никелевой основе используют в основном как заготовки для
последующей холодной прокатки или волочения в готовые изделия. Прессованные
профили из алюминия, титана и их сплавов являются, как правило, готовыми
изделиями.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
54
ПОЛУЧЕНИЕ ПОКОВОК
1. Виды поковок
Поковкой называют заготовку детали, полученную обработкой металлов давлением. Поковки могут быть сгруппированы по признакам, определяющим технологию их изготовления: по массе, конфигурации, марке сплава и типу производства. Масса поковок, которая может быть от сотен граммов до сотен тонн.
Исходными заготовками для получения поковок являются слитки или сортовой
прокат. Для получения поковок большой массы (от нескольких сотен килограммов) в
качестве заготовки используются слитки.
Поковки могут формироваться путем свободного пластического течения между
поверхностями инструмента или затекания металла в полость штампа. Для заполнения полости штампа (штамповка) усилие требуется выше, чем при свободном
пластическом течении металла (ковке). Поэтому поковки большой массы трудно получать штамповкой. Для тяжелых поковок единственно возможным способом
изготовления является ковка - при которой деформирование производят
последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в
стороны, не ограничивается рабочими поверхностями инструмента, в качестве
которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный
подкладной инструмент. Таким образом, при ковке используют универсальный
инструмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент штамп, изготовление которого при небольшой партии поковок невыгодно. Поэтому в
единичном и мелкосерийном производствах ковка обычно экономически более
целесообразна.
Упрощенно поковки можно разделить на группы: осесимметричные типа дисков и
колес; втулок и колец; осесимметричные типа стаканов и втулок, осесимметричные
типа валов и осей, неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков.
Кроме такого разделения по типу, поковки делят на группы сложности. Критерием
сложности поковки может быть отношение объемов поковки и описанной вокруг нее
простой геометрической фигуры - призмы или цилиндра.
2. КОВКА
Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности
основных и вспомогательных операций.
Основные операции ковки: осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка.
Осадка - операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее
поперечного сечения. Осаживают заготовки между бойками или подкладными плитами. Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осаживают
лишь на части длины заготовки.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
55
Протяжка операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения
площади поперечного сечения (рис. 3.17а). Протяжку производят последовательными ударами на отдельные участки заготовки, с подачей заготовки вдоль оси
протяжки и поворотами ее на 90° вокруг оси. Протягивать можно плоскими (рис. 3.17,
а) и вырезными (рис. 3.17, в) бойками.
Деформация при протяжке может быть выражена величиной уковки:
У= F0/Fk,
Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его механические свойства. Поэтому протяжку применяют не только для получения поковок с
удлиненной осью (валы, рычаги, тяги и т. п.), но и в чередовании с осадкой для
большей уковки металла заготовки. Протяжка имеет ряд разновидностей.
Разгонка операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее
толщины (рис. 3.17, г).
Протяжка с оправкой - операция увеличения длины пустотелой заготовки за
счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 3.17, д). Протяжку выполняют в вырезных
бойках (или нижнем вырезном и верхнем плоском) на слегка конической оправке.
Раскатка на оправке - операция одновременного увеличения наружного и
внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок
(рис. 3.17, е). Заготовка 5 опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую
оправку 6, устанавливаемую концами на подставках 7 и деформируется между оправкой и узким длинным бойком 4.
Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения
металла (рис. а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление
(глухая прошивка). Инструментом для прошивки служат прошивни (рис., в) сплошные и пустотелые; последними прошивают отверстия большого диаметра. При
сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца
(рис., б). Более толстые поковки прошивают с двух сторон без подкладного кольца
(рис. г)
Диаметр прошивня выбирают не более 1/3 наружного диаметра заготовки, при
большем диаметре прошивня заготовка значительно искажается. Прошивка
сопровождается отходом (выдрой).
Отрубка – операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру инструментом – топором (рис. д). Отрубку применяют для разделения заготовок
большой длины, для удаления излишков металла на концах поковок, а также
прибыльной и донной частей слитков.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
56
Гибка - операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру
(рис..е). Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т. п.
Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения
заготовки и уменьшением его площади в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для
компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные
размеры.
Перечисленными операциями ковки трудно изготовить поковки сложной
конфигурации. Поэтому применяют так называемую штамповку в подкладных
штампах (рис, ж). Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в
которых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка.
Чертеж поковки составляют на
основании чертежа готовой детали с
учетом
припусков,
допусков
и
напусков. Припуск - поверхностный
слой металла поковки, подлежащий
удалению обработкой резанием для
получения требуемых размеров и
качества поверхности готовой детали.
Размеры детали увеличивают на
величину припусков в местах, которые
подлежат обработке резанием. Припуск
2 зависит от размеров поковки, ее
конфигурации,
типа
оборудования,
применяемого для изготовления поковки, и других факторов. Чем больше размеры
поковки, тем больше припуск. Допуск 4 - допустимое отклонение от номинального
размера поковки, т. е. разность между наибольшим и наименьшим предельными
размерами поковки. Допуск назначают на все размеры поковки.
Конфигурацию поковки иногда упрощают за счет напусков - объема металла, добавляемого к поковке сверх припуска для упрощения ее формы и, следовательно,
процесса ковки. Напуски удаляют последующей обработкой резанием.
Выбор заготовки осуществляют по ее массе, которая может быть подсчитана по
формуле. Отходы на угар составляют в среднем 2-2,5% массы нагреваемого
металла при нагреве холодной заготовки и 1.5% при каждом подогреве.
Технологические отходы (обрубки, выдры и т. п.) зависят от формы поковки и
последовательности ковки. Размеры поперечного сечения заготовки выбирают с
учетом обеспечения необходимой уковки. Достаточной уковкой для слитков
считается 2,5-3, а для проката 1,3-1,5.
Оборудование для ковки выбирают в зависимости от режима ковки данного
металла или сплава, массы поковки и ее конфигурации. Необходимую мощность
оборудования обычно определяют по приближенным формулам или справочным
таблицам. Ковку выполняют на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.
Молоты - машины динамического, ударного действия. Продолжительность
деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за
счет энергии, накопленной подвижными (падающими) частями молота к моменту их
соударения с заготовкой. Поэтому при выборе молотов руководствуются массой их
падающих частей. Энергия, накопленная падающими частями, не вся расходуется
на деформирование заготовки. Часть теряется на упругие деформации инструмента
и колебания шабота - детали, на которую устанавливают нижний боек. Чем больше
масса шабота, тем больше КПД. Практически масса шабота бывает в 15 раз больше массы падающих частей.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
57
Одним из основных типов молотов для ковки являются паровоздушные молоты.
Такие молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7-0,9
МПа. В зависимости от конструкции станины паровоздушные ковочные молоты
бывают
арочные,
мостовые
и
одностоечные.
На станине 4 арочного молота (рис.
3.20) смонтирован рабочий цилиндр 1 с
парораспределительным устройством
11. При нажатии педали или рукоятки
управления сжатый пар или воздух по
каналу 12 поступает в верхнюю полости
цилиндра и давит на поршень 2,
соединенный штоком 3 с бабой 5, к
которой прикреплен верхний боек 6. В
результате падающие части 2, 3, 5 и 6
перемещаются вниз и наносят удары по
заготовке, уложенной на нижний боек 7,
неподвижно
закрепленный
на
массивном шаботе 8. При подаче сжатого пара по каналу 10 в нижнюю полость цилиндра падающие части поднимаются в верхнее положение. Перемещение бабы 5 происходит в
направляющих 9. В ковочных молотах станина 4 и шабот 8 закреплены на
фундаменте по отдельности, так как для того, чтобы манипулировать заготовками и
кузнечным инструментом, необходимо иметь доступ к бойкам со всех сторон.
Гидравлические прессы - машины статического действиям продолжительность
деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл
деформируется приложением силы, создаваемой с помощью жидкости (водной
эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса.
Последовательность операций ковки устанавливают в зависимости от
конфигурации поковки и технологических требований на нее, вида заготовки.
Технологические требования к деталям,
получаемым из кованых поковок, сводятся
главным образом к тому, что поковки должны
быть
наиболее
простыми,
очерченными
цилиндрическими поверхностями и плоскостями
(рис., 1-4). В поковках следует избегать
конических и клиновых (рис., 6) форм, участков
пересечений цилиндрических поверхностей между
собой
(рис.,
7)
и
с
призматическими
поверхностями (рис., 8), ребристых сечений, бобышек, выступов и т. п. В местах сложной
конфигурации приходится прибегать к напускам в
целях упрощения конфигурации поковки, что
вызывает удорожание детали. Кроме того,
желательно,
чтобы
конфигурация
детали
позволяла получать при ковке благоприятное
расположение волокон.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
58
3. ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА
В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых
штампах.
Штамповка в открытых штампах (рис.) характеризуется переменным
зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает
часть металла - облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет
остальной металл целиком заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет
не
предъявлять
высоких
требований
к
точности
заготовок
по
массе.
Облой
затем
обрезается в специальных
штампах. Штамповкой в
открытых штампах можно
получать
поковки
практически всех типов.
Существенное
преимущество штамповки
в закрытых штампах уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода в облой.
Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную структуру,
так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода
металла в облой. При штамповке в закрытых штампах металл деформируется в
условиях всестороннего сжатия при больших сжимающих напряжениях, чем в
открытых штампах. Это позволяет получать большие степени деформации и
штамповать малопластичные сплавы.
К штамповке в закрытых штампах можно отнести штамповку выдавливанием и
прошивкой, так как штамп в этих случаях выполняют по типу закрытого, и отхода в
заусенец не предусматривают.
Чертеж поковки составляют по чертежу детали. Для открытого штампа прежде
всего необходимо правильно выбрать поверхность
разъема, т. е. поверхность, по которой соприкасаются
между собой верхняя и нижняя половины штампа.
Плоскость разъема должна быть выбрана такой,
чтобы поковка свободно вынималась из штампа. В
целях облегчения заполнения металлом полости
штампа желательно выбрать плоскость разъема таким
образом,
чтобы
полости
штампов
имели
наименьшую глубину. При штамповке возможен сдвиг
одной половины штампа относительно другой. Чтобы
такой сдвиг можно было легко контролировать,
плоскость разъема должна пересекать вертикальную
поверхность поковки (рис.). Желательно плоскость
разъема располагать так, чтобы естественные уклоны
облегчили извлечение поковки из штампа (рис. 3.24, б).
Припуски на механическую обработку назначают
главным образом на сопрягаемые поверхности детали. Припуск зависит от
габаритных размеров и массы поковки, от вида оборудования, шероховатости
обрабатываемой поверхности детали;. Допуски на штамповку учитывают возможные
отклонения от номинальных размеров вследствие недоштамповки по высоте, сдвига
штампов, их износа
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
59
Для облегчения заполнения полости штампа и извлечения из нее поковки боковые
поверхности должны иметь штамповочные уклоны. Штамповочные уклоны
назначают сверх припуска; они повышают отход металла при механической обработке и утяжеляют поковку. Уклон зависит от глубины и сложности полости, применяемого для штамповки оборудования и колеблется для стальных поковок в пределах 3-10°. Для наружных поверхностей поковки (вследствие температурной усадки)
штамповочные уклоны принимают меньшими, чем для внутренних. Пересекающиеся
поверхности поковки сопрягаются по радиусам. Радиусы округления зависят от
глубины полости. Внутренние радиусы округления в 3-4 раза больше, чем наружные
радиусы. Наружные радиусы округления составляют обычно 1-6 мм.
При штамповке в штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить сквозное
отверстие в поковке, поэтому наносят только наметку отверстия с перемычкойпленкой, удаляемой впоследствии в специальных штампах. Штамповкой не всегда
можно получить полностью требуемую конфигурацию поковки, поэтому на отдельных участках поковок могут быть сделаны напуски, упрощающие форму. В частности, при диаметрах отверстия, меньших 30 мм, наметки в поковках не делают.
Изменив все размеры спроектированной поковки на величину усадки, получают
чертеж горячей поковки, по которому изготовляют полость штампа.
Заготовками для горячей штамповки в подавляющем большинстве случаев
служит прокат круглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. Прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют из
прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине. Мерные заготовки отрезают от прутка различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механическими пилами, газовой резкой и т. д.
Поковки простой конфигурации, не имеющие большой разности сечений по
высоте (длине), обычно штампуют в штампах с одной полостью, т. е. в одноручьевых штампах. Поковки сложной конфигурации с резкими изменениями сечений по
длине, с изогнутой осью штамповать в одноручьевом штампе невозможно (иначе
штамповка сопровождается недопустимо большим отходом в облой). В этом случае
форму заготовки следует приблизить к форме поковки, прежде чем производить
окончательное формообразование в штамповочном ручье, т.е. необходимо получить
профилированную или фасонную заготовку. В крупносерийном производстве применяют фасонные заготовки из периодического проката. В этом случае пруток состоит из элементов однотипных конфигураций, каждый из которых представляет собой
заготовку.
Чаще всего фасонную заготовку получают в
заготовительных ручьях штампов. Этот способ в
зависимости
от
характера
производства
осуществляют либо в одном многоручьевом
штампе,
либо
в нескольких одноручьевых,
установленных на отдельных машинах. В первом
случае в одном блоке расположены полости (ручьи)
для
получения
фасонной
заготовки
и
окончательного формообразования поковки (рис).
Ручьи в многоручьевых штампах подразделяют на заготовительные и штамповочные. К
заготовительным ручьям относятся протяжной,
подкатной, гибочный, площадка для осадки и др.
Протяжной ручей 1 (рис.) служит для увеличения длины отдельных участков заготовки за счет
уменьшения площади их поперечного сечения. Из протяжного ручья в зависимости
от конфигурации поковки заготовка может поступать в штамповочный ручей или
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
60
другие заготовительные ручьи.
Подкатной ручей 2 служит для местного увеличения сечения заготовки (набора
металла) за счет уменьшения сечения рядом лежащих участков, т. е. для
распределения объема металла вдоль оси заготовки в соответствии с
распределением его в поковке. При обработке в подкатном ручье заготовку вращают
вокруг оси после каждого удара.
Гибочный ручей 3 применяют при штамповке поковок, имеющих изогнутую ось.
При штамповке поковок, имеющих в плане форму окружности или близкую к ней.
часто применяют осадку исходной заготовки. Для этой цели на плоскости штампа
предусматривают площадку для осадки.
К штамповочным ручьям относят окончательный (чистовой) ручей и предварительный (черновой). Чистовой ручей служит для получения готовой поковки и
по конфигурации точно соответствует горячей поковке. Назначение чернового ручья
4 заключается в основном в снижении износа чистового. При наличии чернового
ручья в нем происходи основное формообразование, в чистовом же ручье получают
требуемые размеры поковки. Черновой ручей применяют при штамповке поковок
сложной конфигурации. Форму полости чернового ручья принимают такой же,
как у чистового, но радиусы скруглений и уклоны увеличивают, а поперечные размеры в плоскости разъема устанавливают немного меньше размера в полости чистового ручья. При штамповке в открытых штампах черновой ручей облойной канавки
не имеет. Вопрос о применении тех или иных ручьев и различных их комбинаций
решают при разработке технологического процесса штамповки в зависимости от
конфигурации и габаритных размеров поковки, а также от особых требований в отношении направления волокна макроструктуры.
В многоручьевом штампе чистовой ручей расположен в центре штампа, так
как при штамповке наибольшее усилие возникает в нем. По краям штампа
располагают ручьи, в которых деформирующие силы штамповки наименьшие, чтобы
уменьшить эксцентрично приложенную на штамповочное оборудование нагрузку.
Оборудование
для
горячей
объемной
штамповки:
молоты,
горячештамповочные кривошипные прессы, горизонтально-ковочные машины,
гидравлические прессы и машины для специализированных процессов штамповки.
Основным видом штамповочных молотов являются паровоздушные штамповочные молоты. Принцип их действия тот же, что и у паровоздушных ковочных молотов, но конструкция другая. У штамповочных молотов стойки станины устанавливают непосредственно на шаботе. Эти молоты имеют усиленные регулируемые направляющие для движения бабы. Масса шабота у штамповочных молотов
в 20— 30 раз больше массы падающих частей (630—25 000 кг). Все эти конструктивные особенности обеспечивают необходимую при штамповке точность соударения
штампов. На молотах штампуют поковки разных форм. Поскольку ход молота
нежесткий, штамп конструируют так, чтобы при последнем ударе его половинки
сомкнулись по плоскости соударения. На молоте обычно штампуют за несколько
(три—пять) ударов.
У бесшаботных паровоздушных молотов шабот заменен подвижной бабой,
соединенной с верхней бабой механической или гидравлической связью. При
соударении верхней и нижней баб развивается значительная энергия (до 1 МДж),
что позволяет штамповать на этих молотах крупные поковки преимущественно в
одноручьевых штампах (ввиду подвижности обоих штампов многоручьевая
штамповка на них затруднена).
В горячештамповочных кривошипных прессах вращение кривошипного вала
преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна. Для облегчения
удаления поковки из штампа прессы имеют выталкиватели в столе и ползуне.
Выталкиватели срабатывают при ходе ползуна вверх.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
61
Кривошипные прессы имеют постоянный ход, равный удвоенному радиусу
кривошипа. Поэтому в каждом ручье штампуют за один ход пресса, и производительность штамповки на прессах выше, чем на молотах. Наличие постоянного хода
приводит к большей точности поковок. При штамповке на кривошипных прессах
имеются большие возможности для механизации и автоматизации процесса, чем
при штамповке на молотах.
Наряду с перечисленными преимуществами штамповка па кривошипных прессах
имеет и недостатки. Ввиду жесткого хода ползуна па прессах при многоручьевой
штамповке нельзя применять такие ручьи, как протяжной, подкатной и отрезной.
Заготовка перед штамповкой на прессе должна быть полностью очищена от
окалины, так как деформация происходит за один ход пресса; при наличии окалины
она заштамповывается в поверхность поковки. Стоимость кривошипного горячештамповочного пресса в 3-4 раза выше стоимости эквивалентного по мощности молота. На кривошипных прессах возможна штамповка всех видов поковок, штампуемых
на молотах. Однако при штамповке поковок с удлиненной осью и большой разностью площадей поперечных сечений по длине требуется применение предварительно профилированных заготовок.
Течение металла при штамповке на прессах отличается от течения в молотовом
штампе, что необходимо иметь в виду при проектировании технологического
процесса. Поскольку скорость деформирования на прессах ниже, время контакта металла с инструментом больше, чем на молотах. Это приводит к переохлаждению поверхности заготовки и худшему заполнению полости штампа. В то же время,
если при штамповке на молоте облой между ударами остывает и препятствует течению металла в стороны, то на прессе при деформировании за один ход в облой
поступает наиболее нагретый металл. В результате течение его в горизонтальном
направлении происходит легче, чем в вертикальном. Поэтому для хорошего заполнения прессового штампа плоскость разъема выбирают вблизи торца поковки, так
что полость в одной из частей штампа получается значительно глубже другой.
Благодаря наличию выталкивателей на прессах удобно штамповать в закрытых
штампах выдавливанием и прошивкой. Кривошипные горячештамповочные прессы
строят усилием 6,3-100 МН: такие прессы успешно заменяют штамповочные молоты
с массой падающих частей 0,63-10 т.
Гидравлические штамповочные прессы по своему устройству принципиально
не отличаются от ковочных. Усилие современных гидравлических штамповочных
прессов достигает 750 МН.
На гидравлических прессах штампуют поковки типа дисков, коленчатых валов,
различного рода рычагов, кронштейнов, сферических днищ, цилиндрических стаканов. Особое значение имеет штамповка на гидравлических прессах крупногабаритных панелей и рам из легких сплавов в самолетостроении. Штампуют в открытых и
закрытых штампах (с одной и двумя плоскостями разъема), как правило, в одном ручье.
На гидравлических прессах осуществляют изотермическую штамповку. При
этом способе горячее деформирование происходит в изотермических условиях, когда штампы и окружающее их ограниченное пространство нагреваются до температуры деформации сплава. Чтобы обеспечить полное протекание разупрочняющих
процессов во время деформации, штампуют при низких скоростях деформирования.
Температура нагрева рабочей зоны установки и штампов, изготовляемых из жаропрочного сплава, может достигать 900°С. Для нагрева используют индукторы, встроенные в установку.
Изотермическая
штамповка
значительно
повышает
пластичность
деформируемого сплава и снижает усилия деформирования.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
62
СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА И ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ И
ДАВЛЕНИЕМ
Сваркой называют технологический процесс получения механически неразъемных
соединении, характеризующихся непрерывностью структур - непрерывной
структурной связью.
С помощью сварки изготавливаются многие конструкции в различных отраслях
промышленности. Для сварных конструкций применяются материалы с весьма
различными физическими и сварочными характеристиками: коррозионностойкие и
жаропрочные стали и сплавы, различные цветные и тугоплавкие металлы и сплавы.
Физическая сущность процесса сварки. Классификация
Задача сварки - получение неразъемных соединений, подобных по свойствам
свариваемому материалу. Это может быть достигнуто, когда по своей природе
сварное соединение будет максимально приближаться к свариваемому
металлу.
Свойства твердых тел, в том числе и механические (прочность, упругость,
пластичность и др.), их внутренними энергетическими связями, т. е. связями
межмолекулярного, межатомного и ионного взаимодействия. В металлах и сплавах
свойства (механические, физические) определяются внутренними связями, или
единым энергетическим полем ионизированных атомов (в узлах кристаллической
решетки) и подвижных электронов. Для получения в сварном соединении таких же
энергетических связей, как в основном материале, нужно поверхность одной детали
приблизить к поверхности другой на расстояния, сопоставимые с межатомными, при
которых между ними возникает единое энергетическое поле.
Установление энергетических связей между отдельными частями, подлежащими
сварке, можно: 1) применением внешней силы достаточной величины, и 2)
повышением температуры.
Некоторые пластичные металлы (алюминий, медь, свинец и др.) и сплавы могут
образовывать сварные соединения без применения каких-либо внешних
источников тепла в результате только совместного пластического деформирования
частей. Другие материалы способны образовывать сварные соединения при
пластическом
деформировании,
выполняемом
только
при
повышенных
температурах. Многие материалы могут быть сварены с доведением до
расплавленного состояния.
Некоторые материалы способны в
определенном
диапазоне
температур
свариваться
как
при
пластическом
деформировании, так и плавлением.
Так, для технически чистого железа на
рис. 1 показаны области режимов сварки.
Выше кривой находится область, в
которой
при
соответствующих
соотношениях давления и температуры
качество сварки получается хорошим, а
ниже кривой - область, где сварка не
получается, либо получается низкого
качества. Как видно из рис. при
температурах ниже Тпл для сварки
требуется и давление, и нагрев (область
левее точки D), а при более высоких
температурах давление для сварки не
требуется (область правее точки D, сварка
плавлением).
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
63
Если торцевые поверхности металлических частей а) идеально чистые, б)
идеально гладкие, в) кристаллические решетки одинаково ориентированы, то для
образования соединения требуется небольшое усилие сжатия для преодоления
энергетического барьера и на преодоление сил взаимного отталкивания атомов в
виде теплоты (термическая активация) или упругопластической деформации (механическая активация) Эта энергия возбуждения поверхностных атомов называется
энергией активации.
Реальные тела - поликристаллы. На поверхности тел имеются шероховатости,
загрязнения, и затраты энергии на соединение намного превышают идеальные.
Классификация способов сварки.
По физической сущности виды сварки делятся на 3 класса: термический, термомеханический и механический. Отличительным признаком каждого класса является форма энергии, используемая для образования соединений.
Форма энергии, ис- Виды сварки
пользуемая для образования сварного
соединения
Термическая
Термомеханическая
Механическая
Дуговая, электрошлаковая, Электронно-лучевая, плазменная,
лазерная, импульсно-дуговая, многодуговая, газовая, термитная
Контактная, диффузионная, кузнечная, прессовая, газопрессовая, сварка прокаткой, высокочастотная, печная
Холодная, взрывом, ультразвуковая, трением, магнитноимпульсная
Основные термины
Свариваемость - способность образовать неразъемное соединение в результате
установления межатомных связей.
Металл шва имеет литую структуру. Зона термического влияния - основной
металл, примыкающий к металлу шва, в котором наблюдается изменение свойств в
результате воздействия термического цикла сварки. Можно выделить следующие
области ЗТВ:
1. Высокотемпературная область - металл нагревается выше температуры
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
64
солидуса. В процессе сварки металл находится в твердо-жидком состоянии. Это
наиболее слабое место шва.
2. Область полной перекристаллизации - где Т в процессе сварки превышала Т
конца фазового превращения (А3). В участках где Т превышала Т начала
интенсивного роста зерен (выше 910оС) наблюдается укрупнение зерен и возможно
образование метастабильных структур.
3. Область неполной перекристаллизации - Т превышала Т начала ФП (выше А1.
Формируются неоднородные по составу фазы. В процессе охлаждения возможно
образование метастабильных структур.
4. Область, где Т превышала Т последней ТО (возможно, отпуска или нормализации). Возможно коагуляция упрочняющих фаз.
Для других материалов также существуют области таких режимов. Исходя из
этого, все способы сварки можно классифицировать как способы сварки
давлением и плавлением.
Материалы, которые при высоких температурах почти не пластичны (чугуны)
практически могут свариваться только плавлением.
Сущность основных способов сварки плавлением
1. Электрическая дуговая сварка наиболее широко используется при
изготовлении всевозможных сварных конструкции.
Источник теплоты - электрическая дуга. В зависимости от материала, способа
включения электродов и заготовки в электрическую цепь различают сварку
неплавящимися электродом (вольфрамовым или графитовым) дугой прямого
действия (рис. 3,б),
при которой соединение выполняется расплавлением основного материала или с
применением присадочного материала;
сварка плавящимся электродом (металлическим) дугой прямого действия
(рис.3,а), при которой металл электрода пополняет сварочную ванну;
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
65
сварку косвенной дугой (3, в) горящей, как правило, между 2 неплавящимися
электродами, при этом металл нагревается и плавится теплотой столба дуги;
сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между 2 электродами, также
между каждым электродом и металлом.
Свойства дуги. Дуга - мощный
стабильный электрический разряд в
ионизированной атмосфере газов и
паров металла. Ионизация дугового
промежутка происходит во время
зажигания дуги и поддерживается в
процессе его горения. Процесс
зажигания дуги включает 3 этапа:
короткое замыкание электрода на
заготовку, отвод электрода на
расстояние 3-6 мм и устойчивое горение. КЗ выполняется для разогрева торца
электрода и заготовки в зоне контакта. После отвода электрода с его разогретого
торца начинается термоэлектронная эмиссия. Столкновение электронов с
молекулами газов приводит к ионизации. В результате дуговой промежуток
становится
электропроводным.
Процесс
зажигания
дуги
завершается
возникновением устойчивого дугового разряда.
Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной
характеристикой, состоящей из падающего, жесткого и возрастающего участков.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
66
Самое широкое применение на 2 и 3 участках. На участке 1 с повышением силы
тока увеличивается степень ионизации дуги, напряжение для ее поддерживания
снижается. Дуга малоустойчива и имеет ограниченное применение.
На 2 участке сечение дуги возрастает пропорционально силе тока, при этом
плотность тока и напряжение дуги остаются постоянными. На 3 участке при
повышении тока рост сечения дуги ограничивается сечением электрода, в
результате увеличиваются плотность тока и напряжение дуги. На 1 и 2 участке
перенос в сварочную ванну расплавленного металла крупнокапельный, на 3 мелкокапельный или струйный. На участке 2 напряжение Uд=+Lд. Lд - длина
дуги, до 8 мм,  и -константы. Из приведенной зависимости следует, что для
сохранения UД неизменным, длина дуги надо поддерживать постоянной.
Устойчивость горения дуги зависит от характеристик электрической цепи, в
которую включена сварочная дуга. Напряжение на дуге зависит от состава
атмосферы, в которой горит дуга, характеристик электродов и длины дуги.
Для поддержания постоянства напряжения на дуге, а значит, и ее длины,
необходимо, чтобы скорость подачи электрода в зону сварки была бы равна
скорости его плавления. Однако некоторые колебания длины дуги без ухудшения
формирования шва возможны. Температура столба дуги зависит от электрода, а
температура катода и анода приближаются к температуре кипения металла
электрода. Например, при сварке стальным покрытым электродом это 6000, 2700 и
2900°С.
Выпрямители.
Выпрямительные сварочные установки собираются из полупроводниковых
элементов — вентилей. Полупроводниковый вентиль обладает свойством проводить
ток только в одном направлении (прямом). В прямом направлении
электропроводность вентиля очень высока, в обратном же направлении
полупроводниковый вентиль практически не пропускает электрический ток.
Сварочный выпрямитель состоит из двух основных узлов: трансформатора с
соответствующим регулирующим устройством и блоком вентилей.
В сварочных выпрямителях используются преимущественно кремниевые и
селеновые вентили, причем кремниевые нашли применение главным образом для
выпрямителей с падающими внешними характеристиками. Выпрямители могут быть
однофазными (рис. 7, а) и трехфазными (рис. 7, б).
В однофазной мостовой схеме вентили включены в четыре плеча, образующие
мост, сходный по схеме с измерительным мостом. В одну из диагоналей моста
включаются нагрузка — сварочная дуга. Для улучшения формы кривой
выпрямленного тока в схему включают, как минимум, две реактивные катушки L1 и
L2.
В трехфазной мостовой схеме (рис. 7, б) вентили включены в шесть плечей моста;
в трех плечах между собой соединены все катоды, образующие катодную группу, в
остальных трех — все аноды (анодная группа). От общих точек этих соединений
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
67
делаются выводы для подключения нагрузки. В каждый момент времени проводят
ток только два плеча, соединенные последовательно через нагрузку. В этой схеме
выпрямляются обе полуволны во всех трех фазах, благодаря чему пульсация
выпрямленного напряжения значительно уменьшается.
Наряду с
однопостовыми сварочными
выпрямителями
изготавливают
многопостовые (рис. 8).
Сварочные генераторы могут быть однопостовые (предназначенные для
питания только одного сварочного поста) и многопостовые (для одновременного
питания нескольких сварочных постов). Наибольшее распространение получили
однопостовые сварочные генераторы.
Источники сварочного тока. Источники тока должны иметь специальную
внешнюю характеристику - зависимость напряжения на его клеммах от тока в
электрической
цепи.
Бывают:
падающая,
пологопадающая,
жесткая,
возрастающая.
Для питания дуги на участке 2 применяют источник с падающей, пологопадающей
характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая сварка под флюсом,
сварка в защитных газах неплавящимся электродом). Источники с падающей
характеристикой нужны для облегчения зажигания дуги за счет повышенного
напряжения XX, устойчивого горения дуги и практически постоянной проплавляющей
способности дуги, а также для ограничения тока КЗ.
Источники питания дуги могут быть подразделены на 2 группы: источники
питания переменным током (сварочные трансформаторы) и источники питания
постоянным током (выпрямители и сварочные генераторы).
Сварочные трансформаторы. Для сварки на переменном токе применяются
специальные сварочные трансформаторы. Такие трансформаторы могут быть как с
отдельным
дросселем,
обеспечивающим
создание
падающей
внешней
характеристики, так и объединенным с дросселем (рис. 6).
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
68
Кроме сварочных трансформаторов с дросселями для сварки на переменном токе
применяются трансформаторы с подвижной обмоткой и трансформаторы с
магнитным шунтом; эти трансформаторы, как и вышеописанные, обеспечивают
получение падающей внешней характеристики. Падающая внешняя характеристика
источника питания необходима как для ограничения токов короткого замыкания, так
и для устойчивого горения дуги.
Для электрошлаковой сварки применяют трехфазные трансформаторы,
приспособленные для работы в однофазном режиме при удвоенном номинальном
сварочном токе. Основная особенность трансформаторов для электрошлаковой
сварки — широкий диапазон ступенчатого регулирования вторичного напряжения,
как правило, с использованием секционных обмоток.
Так как процесс сварки всегда сопровождается большим числом коротких
замыканий (как при возбуждении дуги, так и в процессе переноса электродного
металла в сварочную ванну), то сварочные генераторы должны иметь устройство,
ограничивающее ток короткого замыкания, а также обладать такой динамической
характеристикой, которая обеспечивает высокую стабильность горения дуги. Для
этого магнитный поток, создаваемый магнитной системой генератора, должен
обеспечивать снижение напряжения при увеличении нагрузки, т. е. генератор
должен иметь падающую внешнюю характеристику (рис. 9).
Для создания падающей внешней характеристики используют различные
способы.
Автоматическое регулирование процессов дуговой сварки Для получения
сварных соединений высокого качества, которые определяются постоянством
геометрических размеров шва по всей его длине, необходимо, чтобы сварочный
автомат обеспечивал как точное направление электрода при перемещении его
вдоль выполняемого шва, так и постоянство режима сварки.
Эти функции выполняют сварочные автоматы. Основное назначение регулятора
сварочного режима — стабилизация им тока и напряжения дуги — основных
параметров, определяющих тепловложения в шов.
Все регуляторы по сложности систем регулирования подразделяются на три
группы: саморегулирование, регулирование одного параметра и регулирование двух
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
69
параметров.
В основу принципа саморегулирования, по которому работают многие автоматы,
положено постоянство скорости подачи электродной проволоки в зону горения дуги,
равной скорости плавления проволоки. Однако скорость плавления проволоки
может
изменяться,
например,
из-за
колебания
сетевого
напряжения,
незначительных местных отклонений диаметра проволоки от номинального и др.
Если скорость плавления проволоки станет меньше скорости ее подачи, то длина
дуги начнет уменьшаться. При этом сопротивление дуги уменьшится, что вызовет
увеличение силы тока. Это приведет к увеличению скорости плавления проволоки и,
как следствие, через небольшое время восстановится прежняя длина дуги. Если
скорость плавления проволоки по какой-либо причине возрастет, то длина дуги и ее
сопротивление начнет увеличиваться, сила тока уменьшаться. Это вызовет
замедление плавления при постоянстве скорости подачи и через некоторое время
восстановится требуемая длина дуги.
Основные металлургические процессы в сварочной ванне. Сварочная ванна небольшой объем перегретого выше Тпл металла, находящегося в контакте сверху с
атмосферой дуги, в хвостовой части со слоем расплавленного шлака, снизу и с
боков твердым основным металлом. Сварочная ванна образуется в результате
расплавления и перемешивания основного и электродного или присадочного
металлов.
Химический состав сварочной ванны определяется составом электрода и
основного металла. Доля основного металла в зависимости от способа сварки может
быть 0,15-0,6.
Металлургические процессы в сварочной ванне развиваются в соответствии с
закономерностями металлургии. Особенности: высокая скорость протекания
процессов из-за высокой температуры, их незавершенность вследствие
кратковременности существования ванны.
Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой определяется
составом дуги и химическими свойствами элементов в расплавленном металле.
Атмосфера дуги состоит из смеси газов О, N, Н, СО, СО2, паров - воды, металла,
шлака. О, N, Н попадают из воздуха, а также из сварочных материалов (покрытия
проволоки).
Кислород в первую очередь окисляет металл и образует его оксиды (в случае
стали это FeO), которые растворяются в металле шва и окисляет примеси или
легирующие элементы с большим сродством к кислороду. Нерастворимые оксиды
переходят в шлак, СО2 вытесняется в атмосферу.
Азот и водород растворяются в расплавленном металле, образуют нитриды и
гидриды.
Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой приводит к
отрицательным последствиям: выгоранию отдельных элементов, снижению
прочностных свойств и особенно пластических свойств, образованию пор в шве.
Взаимодействие расплавленного металла и шлака определяется составом
шлака. Шлак состоит из смеси оксидов, хлоридов, фторидов и др. В результате
происходит раскисление металла сварочной ванны, удаление вредных примесей
путем связывания их в нерастворимые соединения, легирование шва.
Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленного основного
металла и протекает путем роста столбчатых кристаллов к центру шва. При этом оси
кристаллита остаются перпендикулярными к поверхности движущейся сварочной
ванны, изгибаются, вытягиваются в направлении сварки. Из-за дендритной ликвации
могут образоваться легкоплавкие эвтектики, неметаллические включения, в
результате снижаются свойства шва.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
70
Сварочные материалы
1. Электроды для ручной дуговой сварки.
Металлические электроды для сварки представляют собой
пруток из специальной проволоки, называемый стержнем
электрода (в подавляющем большинстве случаев из
низкоуглеродистой стали), на который нанесен слой
покрытия (рис.). Электроды диаметром 4, 5 и 6 мм имеют
стандартную длину 450 мм.
Электродное покрытие служит: а - для защиты металла
сварочной ванны от воздуха; б - для раскисления и
легирования наплавленного металла; в - для стабилизации
горения дуги.
В состав любого электродного покрытия входят
материалы, выполняющие соответствующие функции:
шлакообразующие (например, марганцевая руда, гематит, гранит, мрамор,
рутил и др.); флюсующие, т. е. придающие шлаку жидкотекучесть (плавиковый
шпат);
газообразующие
(мрамор,
магнезит,
органические
вещества);
раскисляющие (ферросплавы элементов, обладающих большим сродством к
кислороду);
легирующие
(ферросплавы
различных
элементов);
стабилизирующие (материалы, содержащие элементы, обладающие низким
потенциалом ионизации, например, мрамор, поташ, углекислый барий и др.).
Некоторые материалы одновременно выполняют несколько функций. Например,
мрамор является шлакообразующим, газообразующим и стабилизирующим
материалом; ферромарганец и ферросилиций служат раскислителями и
легирующими материалами.
В зависимости от материалов, используются электроды с покрытиями различных
видов: кислые (А), основные (Б), рутиловые (Р) и целлюлозные (Ц).
В качестве примера электродов с кислым покрытием могут быть приведены
электроды марки ЦМ-7: гематит 33%; гранит32 %, ферромарганец30 %, крахмал 5%.
Кислые покрытия имеют шлаковую основу. Электроды обладают хорошими
технологическими свойствами, позволяют сваривать во всех пространственных
положениях на переменном и постоянном токе. Возможна сварка металлов с
ржавыми кромками и окалиной. Применяют для сварки низкоуглеродистых и
низколегированных сталей. Металл шва соответствует кп и пс стали. Недостатки:
токсичность из-за выделений соединений марганца.
Наиболее широко применяемые электроды основного типа (Б) имеют покрытие
следующего состава: мрамор, кремнезем, плавиковый шпат CaF2, ферромарганец,
ферросилиций,
ферротитан.
Обладают
ограниченными
технологическими
свойствами. Металл шва хорошо раскислен, соответствует сп стали. Возможно
дополнительное легирование шва через покрытие. Применяют для сварки сталей
всех классов.
Электроды с рутиловыми покрытиями (Р), содержат рутил (TiO2), мусковит,
магнезит, ферромарганец, гематит, целлюлоза, железный порошок. Для
предупреждения окисления металла шва в покрытия электродов вводят
раскислители ферромарганец и иногда ферросилиций. Обладают хорошими
технологическими свойствами. Применяют для сварки ответственных конструкций из
низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Металл шва соответствует пс
стали.
Для сварки швов, расположенных на вертикальной плоскости или выполняемых в
потолочном положении, наиболее удобны электроды, которые в основном
использую газовую защиту сварочной ванны от контакта с воздухом (и небольшое
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
71
количество шлака), например, с целлюлозными покрытиями (Ц) имеет следующий
состав: целлюлоза, рутил, тальк, ферромарганец. Газовую защитную атмосферу
создает окисление целлюлозы. Применяют для сварки низкоуглеродистых и
низколегированных сталей. Металл шва соответствует пс и сп стали.
В зависимости от степени легирования наплавленного металла можно
получить различную прочность.
По этим признакам все электроды, согласно ГОСТ, подразделяются на 14 типов:
Э-38, Э-42, Э-46, Э-50, Э-42А, Э-46А, Э-50А, Э-55, Э-70, Э-85, Э-100, Э-125, Э-150.
Цифра в маркировке означает гарантированное временное сопротивление
наплавленного металла в кгс/мм2. Буква А в конце маркировки указывает, что при
данной прочности наплавленный металл имеет повышенную пластичность и
ударную вязкость. Например, электроды типа Э-42 обеспечивают временное
сопротивление наплавленного металла не ниже 42 кгс/мм2 при относительном
удлинении не ниже 18% и ударную вязкость не ниже 8 кгс х м/см2, а электроды типа
Э-42А - при том же временном сопротивлении гарантируют относительное
удлинение не ниже 22%, ударную вязкость не ниже 15 кгс х м/см2.
Флюсы для автоматической и полуавтоматической сварки должны
обеспечивать защиту сварочной ванны от контакта с воздухом, раскисление и
легирование металла сварочной ванны, формирование швов и стабильность
горения дуги. Почти исключительное применение имеют так называемые плавленые
флюсы, представляющие собой крупинки, состоящие из сплава различных оксидов
и фторидов. Наибольшее распространение при сварке углеродистых и
низколегированных конструкционных сталей получили флюсы марок ОСЦ-45 и АН348А. В качестве примера приведен состав флюса ОСЦ-45, %: SiO2 38-41; MnO 3847; CaF2 6-8; примеси (CaO, Al2O3) остальное.
В плавленых флюсах раскислителей и легирующих в чистом виде нет. Поэтому
они могут быть введены в сварочную ванну за счет кремние- и
марганцевосстановительного процессов, причем восстанавливаться и переходить в
металл шва эти металлы будут в тем большем количестве, чем больше содержание
их оксидов во флюсе. Для предотвращения пористости необходимо подавить
реакции окисления углерода в остывающей части сварочной ванны. Для этого
необходимо в ней иметь 0,15—0,25% кремния. Так как при сварке используют
низкоуглеродистую проволоку Св-08А, в которой практически полностью отсутствует
кремний, то все это количество должно быть восстановлено из флюса.
Так как предельное содержание серы в металле шва может составлять 0,03—
0,04, то содержание марганца в металле шва должно быть не менее 0,6—0,8% для
этого необходимо иметь во флюсе 35— 45% оксида марганца.
Таким образом, при использовании низкоуглеродистой проволоки для получения
качественных швов (без пор и горячих трещин) необходимо применять только
кислые (с высоким содержанием кремнезема) высокомарганцовистые
плавленые флюсы.
Надо иметь ввиду, что кремниемарганце- восстановительные процессы протекают
активно, если расплавленный флюс будет жидкотекучим (т. е. будет иметь малую
вязкость). Для обеспечения этого во флюс вводят такие компоненты, которые при
расплавлении флюса снижали бы вязкость расплава в узком интервале температур.
Таким флюсующим материалом является плавиковый шпат, который вводится во
флюсы в количестве 5—8% и более.
Защитные газы. Аргон газообразный чистый используется трех сортов: высшего,
первого и второго. Содержание аргона соответственно 99, 99, 99,98 и 99,95%.
Примеси — кислород, азот, влага. Аргон хранится и поставляется в баллонах под
давлением 150-98,06 кПа. Цвет окраски баллону присвоен серый, надпись «Аргон
чистый» зеленого цвета.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
72
Углекислый газ поставляется в баллонах черного цвета вместимостью 40 л. В
такой баллон заливается сжиженная углекислота массой 25 кг, дающая при
испарении около 12,5 м3 газа.
Ручная дуговая сварка плавящимися покрытыми электродами имеет
наибольшее применение из всех дуговых способов сварки. Питание дуги
осуществляется от сварочного генератора или выпрямителя постоянным током или
от сварочного трансформатора переменным током. Наиболее широкое применение
находит постоянный ток. В настоящее время применяются только покрытые
электроды, т. е. такие, у которых на металлический стержень наносится обмазка
(электродное покрытие). Состав покрытия обеспечивает защиту от окисления и
азотирования металла шва и определенное легирование сварного шва для
придания ему необходимых механических свойств, а также придает устойчивость
горению дуги.
При питании дуги постоянным током в зависимости от марки электрода может
применяться прямая или обратная полярность подключения.
Прямой полярностью называют такую, когда отрицательный полюс источника
питания подключают к электроду, положительный - к изделию. Обратная
полярность - плюс на электрод, минус на изделие. Для большинства марок
качественных электродов рекомендуется обратная полярность.
Ручная дуговая сварка угольным электродом дугой
прямого
действия
используется
при
сварке
тонколистовой углеродистой конструкционной стали, а
также при сварке некоторых цветных металлов и сплавов на
их основе. Схема процесса сварки приведена на рис.
Сварка производится при питании дуги постоянным током
прямой
полярности,
что
обеспечивает
наилучшую
стабильность процесса. В настоящее время объем
применения этого способа невелик.
Ручная дуговая сварка угольными электродами дугой
косвенного действия применяется только при сварке тонкого
металла (стали, некоторых цветных металлов и сплавов на их
основе). Схема процесса сварки приведена на рис. Сварной шов в
этом случае, как правило, образуется за счет расплавления
отбортованных кромок без участия присадочного (добавочного)
металла. Так как расход электродов при питании дуги постоянным
током оказывается неодинаковым (электрод, являющийся анодом,
вследствие большого тепловыделения на нем, расходуется
значительно быстрее), то питание дуги в этом случае
осуществляется переменным током, что позволяет обеспечить равномерный расход
электродов.
Автоматическая и полуавтоматическая сварка под
флюсом (рис.). Областью рационального применения этого
способа
сварки
является
сварка
углеродистых
низколегированных и некоторых марок высоколегированных
сталей. В небольшом объеме этот способ используется при
сварке некоторых цветных металлов и сплавов на их основе.
При сварке дуга горит в пузыре из расплавленного
флюса, который толстым слоем (40—60 мм) насыпается на стык свариваемых
металлов.
Так как при сварке дуга закрыта расплавленным и нерасплавленным
порошкообразным флюсом, то плотность тока по сравнению со сваркой открытой
дугой без опасения разбрызгивания металла может быть увеличена в несколько
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
73
раз, что предопределяет существенное (в несколько раз) увеличение
производительности процесса.
По сравнению с ручной дуговой сваркой существенно расширяется диапазон
толщин, свариваемых встык без скоса кромок, что сокращает время на подготовку
деталей к сварке. Питание дуги может осуществляться как переменным, так и
постоянным током.
Так как объем сварочной ванны (расплавленного металла и флюса) достаточно
велик, то во избежание отекания их сварка этим способом осуществляется только в
нижнем положении, т. е. когда шов располагается в горизонтальной плоскости или
при очень небольших наклонах свариваемых листов, как правило, не более 7о к
горизонту. Это несколько ограничивает объем применения данного способа.
Аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом
(рис.).
Вольфрамовый
электрод
закрепляется
в
токоподводящем устройстве специальной горелки, к которой
по шлангам подводится токоведущий провод и инертный газ
аргон. Истекающая из сопла горелки струя аргона оттесняет
воздух и надежно защищает электрод, дугу и сварочную ванну
от окисления и азотирования. Таким образом, процесс
осуществляется при струйной защите зоны сварки от контакта с воздухом. Если
возникает необходимость в добавочном (присадочном) металле для усиления шва
(валика), то в дугу подается присадочная проволока, как правило, того же или
близкого состава, что и свариваемый металл.
Так как при такой схеме процесса имеет место весьма надежная изоляция
сварочной ванны (а если надо, то и остывающего шва) от кислорода и азота
воздуха, то этот способ применяют главным образом при сварке изделий из
металлов и сплавов, обладающих большим сродством к газам воздуха
(например, из титана, циркония, алюминия, магния и других химически активных
металлов), либо при изготовлении конструкций ответственного назначения из
коррозионностойкой стали и некоторых других материалов.
В особых случаях, когда при сложной конфигурации изделий струйная защита не
может обеспечить надежной изоляции зоны шва и прилегающих участков от
контакта с воздухом, применяют аргоно-дуговую сварку в камерах с контролируемой
атмосферой (как правило, аргоном). Такие камеры могут быть необитаемыми, в
которых располагается автомат с дистанционным управлением, либо при небольших
габаритах изделия сварщик держит электрододержатель и манипулирует дугой
руками, вводя их в камеру через специальные герметические «рукава»,
заканчивающиеся перчатками; при этом наблюдение за процессом осуществляется
через смотровое стекло.
Если свариваемое изделие имеет большие размеры, то сварка может
осуществляться в так называемых обитаемых камерах, заполненных аргоном.
Детали, подлежащие сварке, подаются в камеру через грузовой люк, имеющий
специальный шлюз, исключающий попадание наружного воздуха внутрь камеры.
Через эти же люки сваренные изделия выгружаются.
Плазменная сварка (рис.) является разновидностью аргонодуговой сварки. В отличие от аргоно-дуговой, где дуга между
электродом и изделием горит в потоке аргона, при плазменной
сварке дуга обжимается потоком газа, проходящим через узкое
отверстие в горелке, называемой плазматроном. Обжатие дуги
приводит к повышению температуры ее столба: при свободно
горящей дуге эта температура составляет около 5730°С, при
горении сжатой дуги температура повышается до 14730—24730°С.
Вследствие этого возрастает и степень ионизации газа, что в свою очередь создает
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
74
более высокую эффективность локального нагрева свариваемого металла.
Кроме плазмообразующего через горелку подается также защитный газ, обеспечивающий надежную изоляцию зоны сварки от контакта с воздухом. Плазменная
сварка применяется для соединения тех же материалов, что и аргоно-дуговая.
Сварка в углекислом газе (рис.) применяется
преимущественно
для
углеродистых
и
низколегированных конструкционных сталей. Как
правило,
сварка
производится
электродной
проволокой, в составе которой имеется достаточное
количество раскислителей — кремния и марганца.
Это необходимо в связи с тем, что углекислый газ при
высоких температурах диссоциирует на оксид
углерода и кислород, причем содержание последнего в зоне сварки, может
достигать 20% и более. Таким образом, углекислый газ в зоне сварки представляет
собой сильный окислитель и фактически защищает сварочную ванну только от
азотирования.
При наличии в сварочной ванне достаточного количества кремния и марганца они
выступают как раскислители, тем самым позволяя получить шов требуемого состава, а защита потоком газа от контакта сварочной ванны с воздухом исключает возможность образования нитридов.
Поэтому для сварки в углекислом газе необходимо использовать только кремнемарганцевый электрод, содержащий до 2% марганца и около 1% кремния.
Значительная часть кремния и марганца в процессе сварки окисляется и переходит
в шлак, покрывающий шов тонким слоем, легко удаляемый стальной щеткой, а
оставшееся неокисленное количество этих элементов обеспечивает оптимальные
механические свойства шва.
Атомно-водородная сварка. При этом способе сварки
дуга горит между двумя вольфрамовыми электродами в
потоке водорода. Проходя через дугу, водород нагревается до высоких температур (более 5730°С) и
диссоциирует на атомы, поглощая большое количество
тепловой энергии. Поток диссоциированного водорода,
попадая на свариваемые детали, охлаждается (до
температуры плавления металла) и вновь образует
молекулы, выделяя то количество тепловой энергии,
которое было затрачено на диссоциацию (около 540 кДж/моль). Этой тепловой
энергии оказывается достаточно для локального расплавления кромок свариваемого
металла и образования сварочной ванны. Примерно около 15 % тепловой энергии от
общего тепловыделения образуется за счет горения водорода, окружающего дугу.
Одновременно водород, поступающий в зону сварки, изолирует сварочную ванну
от контакта с воздухом, т. е. исключает возможность окисления и азотирования металла шва. Однако в настоящее время этот способ сварки используется крайне редко из-за ряда недостатков. Основным недостатком этого способа является то обстоятельство, что дуга в водороде горит при высоком напряжении (до 150— 200 В),
что требует использования источника питания (трансформатора) с напряжением холостого хода на вторичной обмотке 250—260 В. В этом случае сварщик должен работать в специальных резиновых перчатках и специальной обуви, что создает определенные неудобства и не гарантирует полной безопасности
Электрошлаковая сварка имеет три основных разновидности: сварка проволочными электродами, пластинчатыми электродами и плавящимся мундштуком
(пластино-проволочными электродами). Электрошлаковая сварка во всех случаях
выполняется при вертикальном расположении шва.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
75
Электрошлаковая сварка проволочными электродами применяется для соединения встык толстого металла (толщиной около 40 мм и более) при большой протяженности швов, например продольных швов барабанов котлов высокого давления.
Сварка пластинчатыми электродами используется для соединения массивных
деталей, имеющих прямоугольное сечение, если длина шва и толщина металла не
намного отличаются друг от друга.
Сварка плавящимся мундштуком применяется для соединения массивных деталей, если сечение их отличается от прямоугольного, например, имеет трапецеидальную форму или другую.
Сущность способа электрошлаковой сварки состоит в том, что расплавленный флюс образует так называемую шлаковою ванну, которая является проводником электрического тока. При прохождении тока через расплавленный флюс
— шлак, выделяется тепловая энергия, которая поддерживает температуру шлака
около 1730°С, т. е выше температуры плавления основного и электродного металла.
В результате электродная проволока, подаваемая с определенной скоростью в зону
сварки, и кромки основного металла расплавляются, вследствие создается металлическая ванна, после затвердевания которой образуется шов.
При любой толщине металла сварка выполняется за один проход, что при изготовлении конструкции из толстою металла во много раз повышает производительность по сравнению с любым другим способом сварки. Недостатки: образование
крупного зерна в шве вследствие замедленного нагрева и охлаждения, после сварки
необходима ТО для измельчения зерен (нормализация).
Поэтому областью рационального применения ЭШС является получение сварных
соединений на металле большой толщины.
Электроннолучевая
сварка.
Схема
процесса
электроннолучевой
сварки
показана на рис. Катод 3 электронной пушки,
нагретый
до
высокой
температуры
(вольфрамовый катод до 2130—2430°С),
эмитирует электроны, которые, попадая в
электрическое
поле,
создаваемое
прикатодным
электродом
электростатической фокусировки 4, направляются в
виде пучка к аноду 5. Электрическое поле
высокой напряженности разгоняет электроны
до больших скоростей. Пройдя через
центральное отверстие в аноде, пучок имеет
наименьшее сечение (кроссовер 6), но
начинает расходиться и для его фокусировки
на изделии 1 используют электромагнитные
линзы 7, представляющие собой плоские
катушки, создающие магнитное поле высокой
напряженности.
В
результате
взаимодействия электронов с магнитным
полем осуществляется электромагнитная
фокусировка
пучка
электронов.
Корректировка положения луча относительно
кромок свариваемого металла выполняется магнитной отклоняющей системой 8.
При электроннолучевой сварке используют электронные пучки мощностью от 2
кВт до 60 кВт, позволяющие выполнять сварку различных металлов и сплавов
толщиной до 80—100 мм и более. Для достижения и поддержания необходимого
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
76
рабочего вакуума в камерах используют соответствующие откачные (вакуумные)
системы, создающими разрежение в камерах.
Лазерная сварка. Применяемый при сварке лазерный луч представляет собой
вынужденное монохроматическое излучение с длиной волны 0,1-1000 мкм в зависимости от природы лазера-излучателя. Излучение возникает в результате вынужденных переходов возбужденных атомов рабочих тел лазеров на более низкие энергетические уровни. При этом возбужденный атом отдает энергию в виде фотонов. Испускание света можно инициировать воздействием внешнего фотона, у которого
энергия равна разнице энергии атомов в возбужденном и нормальном состоянии. В
результате генерируются 2 фотона с одинаковой частотой, который распространяются в направлении вектора внешнего фотона.
Одновременно может протекать и обратный переход. Поэтому нужно добиваться
такого состояния рабочих тел, при котором превалировали бы переходы с возникновением новых фотонов. Этого состояния добиваются искусственно воздействием
различных источников энергии - световой, тлеющего разряда, и др., с помощью которых производят т.н. «накачку» рабочих тел.
В твердотельных лазерах (рабочее тело рубин, стекло с неодимом и др.) накачка
производится специальными источниками, направленными на рабочее тело 1 отражателем 4. Активный элемент помещают между 2 зеркалами-отражателями - резонаторами 2, один из которых полупрозрачный для вывода излучения из лазера. Излучение фокусируется специальной оптической системой 5 и в виде луча
направляется на свариваемое изделие.
Большим достоинством способа лазерной сварки является возможность ведения
процесса как в вакууме, так и в защитных газах, что позволяет получить
высококачественные сварные соединения не только на углеродистых и низколегированных сталях, но и на легированных сталях, цветных металлах и специальных
сплавах.
Преимущества: узкий ниточный «кинжальный» шов, малая зона разогрева,
отсутствие коробления, большая скорость сварки - до 500 м/ч.
Газовая (газокислородная) сварка. При газовой сварке кромки металла, подлежащие сварке, нагреваются до расплавления теплом экзотермической реакции, протекающей в пламени газовой горелки между горючим газом (как правило, ацетиленом) и кислородом (рис.) Ацетилен (С2Н2) получают из карбида кальция при взаимодействии его с водой: СаС2 + 2Н2О = С2Н2+ Са(ОН)2+Q.
Ацетилен сжигается в смеси с
кислородом посредством специальной горелки.
Процесс можно разделить на
три стадии:
1 стадия: подготовка горючего
к сгоранию (распад углеводорода)
С2Н2  2СО+ Н2+Q.
2 стадия: образование СО и Н2
(окисление углерода за счет
кислорода из баллона) С2Н2 + О2
 2СО + Н2 и за счет
атмосферного кислорода 2СО +
Н2 +2/3 О2 = 2СO2 + Н2O.
3 стадия: окончательное окисление оксида углерода и водорода за счет
атмосферного кислорода 2СО + Н2 +2/3 О2 = 2СO2 + Н2O.
Газовая сварка применяется как при изготовлении изделий из тонколистовой
стали, так и при сварке чугуна (при ремонтных работах) и некоторых цветных
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
77
металлов и сплавов на их основе.
Термитная сварка осуществляется за счет тепловой энергии, выделяемой при
обменной реакции компонентов термита - смеси оксислов железа (~80%) и
измельченного алюминия (~20%)
3Fe3O4 + 8Аl = 4AI2O3 + 9Fe+ Q1
Fe2O3 + 2Аl = AI2O3 + 2Fe + Q2
где Q1~ 3341 кДж/кг, Q2~ 3553 КДж/кг. Термит загружается в специальные тигли,
сообщающийся с формой, облегающей свариваемые стыки (рельсов, приводов,
гребных валов судов), и поджигается за счет магниевого или электрического запала.
В результате горения перегретый металл затекает в стык, а образовавшийся шлак
выпускают в специальный сосуд -приставку.
Сварка давлением
Холодная сварка пластичных металлов. Как указывалось выше, для
получения в сварном соединении энергетических связей, как и в свариваемом
материале необходимо пограничные слои узлов кристаллической решетки одной
свариваемой детали приблизить к пограничным слоям решетки другой детали на
расстояния, при которых между ними возникает единое энергетическое поле.
Даже на очищенных поверхностях металла всегда имеются оксиды, толщина слоя
которых больше необходимого для сварки расстояния, и надо разрушить эти пленки.
Это можно сделать, локализуя пластическую деформацию таким образом, чтобы
выдавить из зоны контакта эти пленки. Практически такое локальное пластическое
деформирование может быть осуществлено при соединении этим способом
пластичных металлов: свинца, алюминия, меди. В практике используют две
разновидности холодной сварки: точечную и стыковую.
Схема точечной холодной сварки
представлена
на
рис.
Листы
металла с тщательно зачищенными
поверхностями
мест
сварки
помещают между пуансонами 2 с
рабочей частью - выступами 3 (рис.
а). Действием пресса, сжимающего
пуансоны усилием Р, выступы 3
вдавливаются в металл на всю их
высоту, пока опорные поверхности 4
не
сдавят
металл.
Этим
обеспечивается
необходимая
пластическая
деформация
и
образуется сварная точка.
В местах вдавливания остаточная толщина должна составлять лишь часть суммарной толщины листов (рис., б). Для получения качественного сварного соединения необходимо, чтобы остаточная толщина имела определенную величину: для
алюминия, например, она должна составлять 30-40%, для меди — около 14 %.
На рис. б стрелками показано направление течения металла при вдавливании
выступов пуансонов.
На рис. приведена схема процесса стыковой
холодной сварки. Подлежащие сварке стержни 1
зажимают в «губках» машины 2. При осадке в
результате сдавливания правый и левый зажимы
сближают до соприкосновения и острый край
зажима, как нож, срезает излишний выдавленный
металл. В процессе осадки сближающиеся
зажимы затрудняют течение металла и позволяют
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
78
увеличить давление осадки. Деформируемый и текущий металл стержней заполняет
насечку 3, играющую роль уплотнителя и мешающую проскальзыванию металла в
губках. Величина удельного давления для осуществления пластической
деформации должна быть достаточно большой: для алюминия, например, 500—700
МПа, для меди еще больше.
Холодной сваркой можно получать соединения па разнородных металлах. Широко
практикуется, например, облицовка алюминиевых шин в местах контакта в распределительных устройствах электростанций листовой медью для улучшения качества
соединений.
Электрическая контактная сварка. По форме выполняемых соединении
различают три основных вида контактной сварки: стыковую, точечную и шовную или
роликовую (рис). При стыковой сварке (а) через стык соединяемых деталей
пропускают электрический
ток. После разогрева зоны
сварки
производится
осадка.
При точечной сварке
(б) соединяемые детали
собирают внахлестку и зажимают
между
двумя
медными охлаждаемыми
водой
электродами,
подводящими ток к месту сварки и имеющими вид усеченного конуса. Ток проходит
от одного электрода к другому через толщу соединяемых металлов и контакт между
ними и производит местный нагрев их (вплоть до температуры расплавления).
Давлением Р, приложенным к электродам, производят осадку. Полученное сварное
соединение имеет форму пятна диаметром в несколько миллиметров. Это пятно
называют точкой.
При шовной сварке электроды, подводящие ток к изделию и осуществляющие
осадку, имеют форму роликов, катящихся по изделию, в связи с чем эту
разновидность контактной сварки называют также роликовой (в). При шовной сварке
листы соединяются непрерывным плотным швом.
Ультразвуковая сварка. Способ основан на использовании механических
ультразвуковых
колебаний,
вводимых в металл, и имеет
две разновидности: точечную
и
шовную
(рис.) сварку.
Свариваются этими способами
металлы
малых
толщин
(обычно от нескольких микрон
до 1,5 мм), а также некоторые
пластмассы.
Ультразвуковые колебания,
т. е. механические зазвуковых
частот
(около
20
кГц),
создаются преобразователем
1,
сердечник
которого
изменяет свои размеры при
намагничивании и размагничивании (т. е. обладает так называемым
магнитострикционным
эффектом).
Обмотка
сердечника
питается
от
высокочастотного генератора. Эти колебания через волновод 2 и 3 передаются на
электрод 6. Свариваемые детали 4 зажаты между опорой 5 и электродом 6. Поэтому
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
79
все колебания передаются в свариваемые детали.
Продольные механические колебания очищают поверхность металла, вследствие
трения разогревают поверхностные слои под наконечником (электродом) и в зоне
соприкосновения деталей. В результате происходит очистка поверхности металлов,
их сближение на расстояния при которых начинает действовать единое энергетическое поле и, как следствие возникает сварка (сращивание границ). Усилие,
сдавливающее детали, в разных случаях составляет 100—2000 Н, амплитуда
колебаний детали составляет 10—20 мкм; время сварки одной точки 0,5—3 с. Свариваемая толщина верхнего листа не более 2 мм (как правило, до 1,5 мм); нижний
лист может иметь большую толщину. Хорошо свариваются медь, титан, многие
сплавы, пластмассы. Плохо свариваются стали.
Кузнечно-горновая сварка — один из наиболее старых способов сварки. При использовании этого способа нагретые до температуры 1100—1300°С детали из стали
складывают внахлестку, вразруб или врасщеп (рис. ) и подвергают сдавливанию путем проковки, прокатки, прессования, волочения и т. д.
Так как поверхности свариваемых
деталей,
даже
тщательно
зачищенные, в процессе нагрева
обычно значительно окисляются, слои
оксидов делает сварку невозможной.
Для
очистки
сопрягаемых
поверхностей от оксидов применяют
флюсы, которые разжижают окалину
тем самым создают возможность
прямого
контакта
металлических
поверхностей при сжатии. В качестве
флюсов чаще всею применяют буру,
борною кислоту пли их смеси. В настоящее время область применения весьма мала.
Разновидностью кузнечно-горновой сварки является газопрессовая сварка. Заключается в том, что изделие для нагрева не помещается в печь, а место сварки нагревается специальными газосварочными горелками ацителено-кислородным пламенем. Используются многопламенные горелки, охватывающие всю периферию стыка.
Устройство для газопрессовой сварки стыков трубопроводов представляет собой
сложный агрегат, самостоятельно перемещающийся вдоль трубопровода. Все необходимое оборудование размещается на гусеничном тракторе повышенной проходимости. Для выполнения грузоподъемных операций трактор снабжен боковой стрелой. В периоды остановок двигатель трактора приводит в действие все необходимые механизмы: подъемный кран, масляный насос, питающий механизм зажатия и
осадки (сжатия труб после нагрева стыка до необходимой температуры кромок). На
прицепе к трактору помещены мощный ацетиленовый генератор и батарея кислородных баллонов
Диффузионная сварка в вакууме. Способ основан на использовании процесса
диффузии Соединяемые детали помещают в сварочную камеру, заполненную
инертным газом или с поддержанием постоянного вакуума и сдавливают удельным
давлением 0,5—2,0 кгс/см. Вакуум поддерживается непрерывной рабочей вакуумных
насосов, откачивающих газы, поступающие в камеру через неплотности, а также
адсорбированные поверхностями аппаратуры и непрерывно выделяемые нагреваемым металлом Температура нагрева соединяемых деталей должна составить
(0,55—0,60) Тпл; для стали, например, около 800°С
Процесс сваривания (очистки поверхностей и диффузии) идет довольно медленно
- для завершения процесса сварки требуется 5—20 мин, а иногда и более, однако
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
80
способ отличается большой универсальностью: возможна сварка многих сочетаний разнородных металлов, а также металлов с металлокерамическими сплавами,
металлов с керамикой, с графитом и т. д.
Сварка трением основана на использовании для нагрева соединяемых деталей
превращения механической энергии трения в тепловую.
Способ
применяется
для
соединения
стрежневых
деталей,
труб
небольшого
диаметра и других подобных
изделии. Сварка выполняется
на специальных машинах, в
зажимах которых закрепляют
свариваемые детали. Одна из
деталей остается неподвижной,
а
другая
приводится
во
вращение
и
торцом
с
определенным
усилием
прижимается к торцу неподвижной детали (рис а) Частота вращения детали составляет 500-1500 об/мин.
Вследствие трения торцы быстро разогреваются и через относительно короткое
время происходит их оплавление, автоматически выключается фрикционная муфта,
прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей.
Способ весьма экономичен и обладает высоким кпд. Затраты электроэнергии в
7—10 раз меньше, чем при контактной стыковой сварке.
Способ позволяет сваривать не только однородные, но и разнородные металлы
(например, алюминий с медью; алюминий со сталью, медь со сталью и пр.). Особенно эффективна сварка заготовок металлорежущего инструмента: сверл, метчиков,
резцов и другого инструмента из углеродистой и быстрорежущей стали.
Сварка взрывом. На поверхность привариваемой (метаемой) детали
равномерным слоем распределяется взрывчатое вещество, (тол, гексаген и т. п.);
масса взрывчатого вещества составляет 10—20% от массы метаемой детали; на
нижнем крае метаемой детали располагают детонатор. Неподвижная деталь для
увеличения массы укладывается на опорный фундамент. Метаемая (ударяющая)
деталь располагается под углом 3—10° к поверхности плиты. Скорость движения
ударяющей детали к моменту соударения достигает нескольких сотен метров в
секунду. При таких скоростях в зоне соударения металл соединяемых деталей течет
подобно жидкости и образует монолитное соединение. Процесс длится тысячные
доли секунды.
Граница между соединяемыми деталями на макрошлифах имеет характерный вид
волнистой линии. Таким способом могут быть соединены разнородные металлы,
например, к плите из углеродистой стали может быть присоединен лист
коррозионностойкой стали, никеля, титана, меди, алюминия и др.
Полученную взрывом заготовку затем прокатывают в листовой биметалл.
Сварка взрывом может применяться и при изготовлении других изделий. Например,
могут свариваться стыки труб или ввариваться медные стержни в пазы роторов
специальных быстроходных электродвигателей, работающих с частотой вращения
десятки тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вращения любой другой
способ закрепления обмотки не может обеспечить необходимую прочность.
Индукционная высокочастотная сварка. При этом способе кромки изделия,
подлежащие сварке, нагреваются до необходимой температуры пропусканием токов
высокой частоты и сдавливаются. Использование токов высокой частоты
обеспечивает концентрацию нагрева у поверхности свариваемых кромок,
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
81
Схема сварки труб с индукционным подводом тока
приведена на рис. Ток высокочастотного генератора
подводится к индуктору 2, который индуцирует ток в заготовке трубы 1. Для уменьшения шунтирования
сварочного тока внутрь заготовки вводится ферритный
сердечник
3,
вследствие
чего
сопротивление
шунтирующих путей для токов высокой частоты
становится очень большим и практически весь ток
проходит через свариваемый стык. Нагрев до
сварочной температуры, кромки обжимаются роликами
4, которые одновременно являются и ведущими.
Такие
трубосварочные
станы
весьма
производительны: трубы диаметром 12—60 мм
свариваются со скоростью до 50 м/мин. Питание током осуществляется от высокочастотных ламповых генераторов. Изготавливаются трубы и больших диаметров,
например 325 и 426 мм с толщиной стыка 7—8 мм, со скоростью до 30—40 м/мин.
ПАЙКА МЕТАЛЛОВ
Пайкой металлов называют процесс соединения материалов в твердом состоянии припоями, которые при температуре пайки находятся в расплавленном состоянии, смачивают паяемые поверхности, заполняют зазор между ними и в результате кристаллизации образуют паяный шов. Образование соединения без плавления основного металла дает возможность распая соединения. По
прочности паяные соединения уступают сварным. Прочность сцепления припоя с
соединяемыми поверхностями определяется прочностными характеристиками припоя.
Образование паяного соединения происходит в результате возникновения химических связей в контакте «основной металл-припой». При этом могут иметь место
четыре разновидности спаев:
1) бездиффузионный, т. е. такой, при котором температура пайки определяется
температурой смачивания паяемых поверхностей припоем; 2) растворнодиффузионный спай, который образуется, когда паяемый металл и припой обладают взаимной диффузией 3) контактно-реакционный спай, образующийся в результате контактного плавления соединяемых металлов при температурах ниже
температур плавления паяемых металлов и припоя за счет образования жидкой фазы в виде раствора или эвтектики; 4) диспергированный спай, т. е. такой, который
образуется, если паяемый металл и припой не образуют химических соединений и
не дают растворов. В этом случае дисперсные частицы равномерно распределены в
расплаве припоя по границам зерен паяемого металла.
Таким образом, в любом случае необходимо нагревать паяемый материал и припой до температур плавления припоя, либо до таких температур, при которых происходит расплавление припоя в результате взаимодействия его с паяемым материалом. Как правило, температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления паяемого металла.
Пайке поддаются все углеродистые и легированные стали, твердые сплавы, чугун, медь, никель, алюминий и другие металлы и сплавы.
Способы пайки в зависимости от используемых источников нагрева приведены на
схеме рис.
К наиболее широко используемым способам нагрева для пайки относятся: нагрев
в печах электросопротивления, газопламенных печах, нагретым блоком (паяльником
периодического нагрева, электрическим паяльником), в соляных ваннах (с
расплавленными солями определенного состава), в расплаве припоя (погружением).
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
82
Достаточно часто применяются также
нагрев в индукционных печах, токами
высокой и промышленной частоты, в
контактных (сварочных) машинах, в
электролитических ваннах, газовыми
горелками, паяльными лампами.
Пайка в печах производится
нагревом подготовленных деталей,
т.е. собранных с наложенным на
место спая припоем. В печах для предохранения деталей от окисления и оказания
флюсующего действия создают специальную газовую атмосферу.
Индукционная пайка состоит в том, что подготовленные детали, подлежащие
пайке, вводят в магнитное поле индуктора, питаемого током высокой, повышенной
или промышленной частоты. Энергия, необходимая для нагрева деталей и припоя
до температуры пайки, выделяется за счет индуктируемого тока.
Пайка сопротивлением осуществляется за счет тепловой энергии, выделяемой
при прохождении тока через паяемые детали (в машинах для контактной сварки и
других устройствах).
Пайка погружением производится нагревом паяемых деталей и припоя в ваннах
с расплавом солей. Нагрев в соляных ваннах может быть непосредственным или
косвенным: в последнем случае паяемые детали помещаются в герметичный
контейнер со специальной газовой средой или вакуумированный. При пайке нагревом в расплавленных припоях осуществляется полное или частичное погружение
подготовленных к пайке деталей.
Радиационный нагрев паяемых деталей осуществляется мощными кварцевыми
лампами, расфокусированным электронным лучом или мощным лазером.
При пайке горелками используют газосварочные горелки, плазменные горелки
косвенного действия, электрическую дугу косвенного действия, горящую между
угольными электродами, а также паяльные лампы. Применяется также пайка паяльником (нагретым блоком).
Припои, используемые для пайки, могут быть подразделены на две группы:
твердые (с температурой плавления 500-1300°С) и мягкие (с температурой плавления до 450°С, большей частью до 280-300°С). Наибольшее распространение получили мягкие припои оловянно-свинцовые, маркируемые буквами ПОС и цифрой,
характеризующей массовую долю, %, олова в нем, например ПОС-40 содержит олово в количестве 40%, остальное свинец. Интервал температур плавления этого
припоя 235-183°С.
Существуют припои и более легкоплавкие, например сплав с температурой
плавления 74 °С, а также припои на основе галлия с еще более низкой температурой
плавления. Такие припои называют чаще еще металлическими клеями, так как пайка
производится наложением свежеприготовленной пасты, состоящей из медного или
никелевого порошка, замешанного на жидком галлии. Через определенное время
паста твердеет (в связи с образованием интерметаллидов) и прочно соединяет
паяемые детали; температура распая таких соединений достаточно высокая.
Однако прочность мягких припоев низка и, как правило, не превышает 40—60
МПа, тогда как твердые припои обеспечиваюг прочность 250—500 МПа.
Наиболее легкоплавкие твердые припои для пайки алюминия имеют температуру
плавления 525оС (так называемый припой Лоцманова, в состав которого входят
алюминий, медь, кремний): твердые припои для пайки черных металлов, меди и др.
имеют температуру плавления в пределах 765-1300°С и представляют собой сплавы
медноцинковые, меднооловяннокремниевые, серебряные (серебро—медь— цинк) и
др.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
83
Поступление припоя в зазоры, смачиваемость кромок паяемых деталей и диффузия зависят как от физических свойств припоя, так и от чистоты кромок. В связи с
этим следует производить тщательную очистку кромок, как предварительную (механическим способом или травлением), так и в процессе пайки восстановлением или
ошлаковыванием оксидов.
С этой целью при пайке применяются флюсы - смеси легкоплавких солей или оксидов, имеющих температуру плавления ниже температуры плавления припоя, а
иногда и газы, восстанавливающие оксиды, например, водород, боросодержащие
пары и др. В зависимости от физико-химических свойств паяемых металлов и припоев компонентами флюсов служат различные соли, кислоты, оксиды, а также вещества органического происхождения.
Применяемые в настоящее время флюсы можно подразделить на четыре группы:
1) флюсы на основе соединений бора; 2) на основе фторидов; 3) на основе хлоридов; 4) флюсы на основе органических соединений (канифоли, стеарина и др.).
Флюсы 1-ой группы используют при пайке черных и многих цветных металлов, 2-ой
группы - при пайке таких металлов и сплавов, для которых боридные флюсы недостаточно активны; флюсы 3-ей группы находят применение главным образом при
пайке алюминия и его сплавов, а также сплавов на основе магния; водные растворы
хлористого цинка («травленая» соляная кислота) обладают высокой химической активностью и используют при низкотемпературной пайке сталей, никеля, меди и ее
сплавов. Флюсы 4-ой группы применяют для низкотемпературной пайки меди и
сплавов на ее основе и, как исключение, для низкоуглеродистых сталей.
Иногда применяют так называемые самофлюсующие припои, которые содержат
компоненты, активно реагирующие, с оксидной пленкой паяемого металла и припоя.
Такие припои подразделяются на четыре группы.
1 Содержащие щелочные металлы, чаще литий, иногда другие, вводимые в
состав серебряных припоев.
2 Содержащие бор, вводимый обычно в жаропрочные припои, а также бор вместе
с литием — в припои для пайки в газовой атмосфере.
3 Содержащие фосфор, который обычно вводят в медные и в медносеребряные
припои, применяемые для пайки меди и ее сплавов.
4 Содержащие несколько флюсующих элементов: обычно бор, кремнии и
фосфор, которые вводят в припои на основе никеля, меди и серебра.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
84
ТЕХНОЛОГИЯ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И
ПОЛОЖЕНИЯ
Надежность и долговечность машины в значительной степени зависят от
качества сборки – процесса, доля которого в общей трудоемкости изготовления
машины, достигает от 20 до 50 %.
Сборку подразделяют на узловую и общую. Объектом узловой сборки
являются сборочные элементы машины, объекты общей сборки – сама машина.
Детали поступают на сборку после их окончательного технического контроля.
Следовательно, при изготовлении деталей должны быть выполнены все требования
рабочих чертежей и технических условий.
Процесс сборки состоит из двух основных частей: подготовки деталей к сборке
и собственно сборочных операций. К подготовительным работам относятся:
различные слесарно-пригоночные работы (опиливание, шабрение и др.),
выполняемые при необходимости;
- окраска отдельных деталей;
- очистка и промывка деталей;
- смазывание сопрягаемых деталей, если это необходимо по техническим
условиям.
Перед сборкой некоторые детали комплектуют по размерным группам и по
массе (например поршни Д.В.С.)
К собственно сборочным работам относится процесс соединения сопрягаемых
деталей и узлов (подузлов) с обеспечением правильного их взаимного положения и
определенной посадки.
Различают следующие виды соединений:
- неподвижные разъемные;
- неподвижные неразъемные;
- подвижные разъемные;
- подвижные неразъемные.
К неподвижным разъемным соединениям относят те, которые можно
разобрать без повреждения соединяемых и скрепляющих их деталей (резьбовые,
шпоночные, некоторые шлицевые, конические, а также соединения с переходными
посадками);
К неподвижным неразъемным – такие, разъединение которых связано с
повреждением или полным разрушением деталей. Такие соединения получают
посадкой с гарантированным натягом, развальцовкой и отбортовкой, сваркой,
пайкой, клейкой, склеиванием;
К подвижным разъемным соединениям относят соединения с подвижной
посадкой, а к подвижным неразъемным – подшипники качения, втулочно-роликовые
клепанные цепи и т.п.
К сборочным процессам относится также балансировка собранных узлов.
ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ТОЧНОСТЬ СБОРКИ
При
выполнении сборочных работ возможны ошибки во взаимном
расположении деталей и узлов, их повышенные деформации, несоблюдение в
сопряжениях необходимых зазоров или натягов.
Погрешности сборки вызываются рядом причин:
- отклонением размеров формы и расположения поверхностей сопрягаемых
деталей;
- несоблюдением требований к качеству поверхностей деталей;
- неточной установкой и фиксацией элементов машины в процессе ее сборки;
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
85
- низким качеством пригонки и регулирования сопрягаемых деталей;
- несоблюдением режима сборочной операции: например, при затяжке
винтовых соединений или при склеивании;
- геометрическими неточностями сборочного оборудования и технологической
оснастки;
- неправильной настройкой сборочного оборудования.
Многие вопросы, связанные с достижением требуемой точности сборки,
решаются с использованием анализа размерных цепей собираемого изделия.
Погрешность размера замыкающего звена размерной цепи равна сумме
погрешностей размеров составляющих звеньев данной цепи:
m 1
  
1 ,
i 1
(1)
где ωi – погрешность размера i-го звена цепи; m-число звеньев размерной
цепи, включая замыкающее звено.
Допуск на замыкающее звено размерной цепи равно:
m 1
δ   δi
i 1
(2)
где δi – допуск i-го звена цепи.
Достичь необходимой точности сборки – значит получить размер
замыкающего звена разъемной цепи, не выходящей за пределы допускаемых
отклонений.
Точность сборки может быть обеспечена:
- методами полной взаимозаменяемости;
- неполной (частичной) взаимозаменяемости;
- групповой взаимозаменяемости;
- регулирования и пригонки.
Сборка методом полной взаимозаменяемости может бытии осуществлена,
если допуск замыкающего звена цепи рассчитывают по предельным значениям
допуска на размеры составляющих звеньев, т.е. по формуле 2. Сборка этим
методом имеет следующие преимущества: простота, т.к. процесс сборки сводится
лишь к соединению сопрягаемых деталей и узлов без пригонки (подгонки);
возможность сборки по принципу потока, так как отсутствие пригоночных работ
упрощает организацию поточной линии; возможность более широкой кооперации
заводов по изготовлению деталей и узлов в машинах, находящихся в эксплуатации.
Метод полной взаимозаменяемости целесообразен в серийном и массовом
производствах при коротких размерных цепях (например, в сопряжении вал-втулка)
и отсутствии жестких допусков на размер замыкающего звена. Для многозвенных
размерных цепей такой метод экономически не выгоден, так как приводит к
необходимости назначения весьма жестких допусков на размеры составляющих
звеньев.
Сборка методом неполной (частичной) взаимозаменяемости заключается в
том, что допуски на размеры деталей, составляющие размерную цепь,
преднамеренно расширяют для удешевления производства. В основе метода лежит
положение теории вероятностей, согласно которому крайние значения погрешностей
составляющих звеньев размерной цепи встречаются значительно реже, чем
некоторые средние значения.
Затем при выбранном коэффициенте риска и выбранном законе рассеяния
размеров определяют величину допуска:
Замыкающего звена:
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
 m 1
2

а
  K i i  

 i 1

(3)
δi-расширенный допуск на i-е составляющее звено.
При коэффициенте риска a = 3 риск брака
= 0,27 %
a=2
= 4,5 %
a=1
= 32 %
Обычно выбирают a = 3
К – коэффициент, характеризующий закон рассеяния размеров
составляющего звена;
К = 1/9 – закон рассеяния размеров, близком к закону Гаусса;
К = 1/6 – закон рассеяния размеров, близком к закону Симпсона;
К = 1/3 – при законе равной вероятности.
86
i-го
Расширение допусков на обработку сопрягаемых деталей приводит к
экономии средств и труда.
Сборка методом неполной взаимозаменяемости целесообразна в серийном и
массовом производстве для многозвенных цепей.
Сборка методом групповой взаимозаменяемости заключается в том, что
детали изготовляют с расширенными полями допусков, а перед сборкой
сопрягаемые детали сортируют на размерные группы для обеспечения допуска
посадки, предусмотренного конструктором.
При сборке соединяют между собой детали одной размерной группы, причем
точность деталей каждой группы соответствует конструктивным допускам.
В серийном производстве детали сортируют на размерные группы с помощью
калибров, а в массовом производстве – с помощью сортировочных автоматов.
Сборку деталей каждой группы ведут по методу полной взаимозаменяе-мости.
Метод групповой взаимозаменяемости используют для достижения наиболее
высокой точности сборки малозвенных размерных цепей в шарикоподшипниковой
промышленности; при сборке ряда узлов: блока цилиндров с поршнями и
толкателями; шатуна с поршневыми пальцами и др.
Сборка этим методом требует четкой организации сортировки деталей, их
хранения и доставки на сборочные места, а также осложняет ремонт машин в связи
с возрастанием номенклатуры запасных частей пропорционально числу размерных
групп.
Сборка методом регулирования заключается в том, что необходимая точность
размера замыкающего звена достигается путем изменения размера заранее
выбранного компенсирующего звена. В качестве компенсирующего звена
используются прокладки, кольца, регулировочные винты, втулки с резьбой, клинья,
эксцентрики (при регулировке тормозных колодок) и др.
Сборка методом регулирования имеет преимущества: универсальность
(метод применим независимо от числа звеньев в цепи, от допуска на замыкающее
звено и масштаба выпуска детали); простота сборки при высокой ее точности;
отсутствие пригоночных работ; возможность регулирования соединения в процессе
эксплуатации машины.
Сборка методом пригонки заключается в достижении заданной точности
сопряжения путем снятия с одной из сопрягаемых деталей необходимого слоя
материала опиловкой, шабрением, притиркой, точением, шлифованием или другим
любым способом.
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
87
Основы проектирования технологических процессов сборки.
При проектировании технологических процессов сборки исходными данными
служат сборочные чертежи изделия, спецификация входящих в узлы деталей,
технические требования приемки изделия и узлов, размер производственного
задания и срок его выполнения, условия выполнения сборочных работ. В результате
изучения сборочных и рабочих чертежей, служебного назначения изделия,
размерного анализа сборочных единиц намечают, с учетом программы выпуска
изделия, основные этапы проектирования сборочного процесса.
Следует иметь в виду, что вопрос о методе обеспечения заданной точности
замыкающих звеньев сборочных единиц решает конструктор при разработке
сборочных чертежей.
Степень углубленности проектирования технологического процесса зависит от
масштаба выпуска изделий: в единичном и мелкосерийном производствах
разрабатывают упрощенный вариант без детализации содержания операций. При
массовом производстве изделий технологический процесс разрабатывают детально
с проектированием операционной технологии.
В общем случае проектирование технологического процесса сборки включает:
- расчет такта сборки и выбор организационных форм сборочного процесса;
- составление технологических схем сборки узлов и изделия в целом;
- проектирование технологических операций;
- определение состава контрольных операций и испытаний;
- обоснование эффективности сборочного процесса;
- оформление технологической документации;
- проектирование специальной технологической оснастки; в том числе
подъемно-транспортных средств;
- разработку технологической планировки участков сборочного цеха.
Расчет такта сборки. Такт сборки определяют как частное от деления
расчетного (располагаемого) фонда времени (за смену, месяца или другой период
времени) на программу выпуска изделий за тот же период. В зависимости от такта
сборки определяют ее организационную форму.
Организационные формы сборки. Выбор организационной формы сборки
определяется заданной программой выпуска изделий: при единичном производстве
обычно применяют непоточную (стационарную) сборку, при серийном и массовом –
поточную.
Непоточная (стационарная) сборка характеризуется выполнением сборочных
операций на постоянном рабочем месте, к которому подаются детали и узлы
(подузлы) собираемой машины. При такой форме организации требуется высокая
квалификация сборщиков, а цикл сборки отличается большой продолжительностью.
Поточная сборка бывает двух видов: подвижная (на подвижных стендах) и
неподвижная (на неподвижных стендах).
Поточная
подвижная
сборка
осуществляется
путем
перемещения
собираемого объекта на непрерывно движущемся конвейере; на конвейере с
периодическим перемещением; путем последовательной передачи собираемых
объектов по операциям с помощью механических устройств; с передачей объектов
сборки вручную – по роликовому конвейеру на тележках, по лотку. Подвижная
поточная сборка применяется в серийном, крупносерийном и массовом
производствах.
Поточная неподвижная сборка характерна для серийного и мелкосерийного
производств при значительной длительности отдельных операций, особенно в
процессе сборки изделий большой массы. В этом случае каждый рабочий (или
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
88
бригада рабочих) выполняет определенную операцию, переходя от одного
сборочного стенда к другому.
При поточной сборке процесс должен быть расчленен на операции таким
образом, чтобы операционное время каждой операции было близко или кратно такту
сборки. Это необходимо для достижения синхронизации операций, т.е. для
приведения операционного времени в соответствие с тактом сборки. Если,
например, операционное время на одной из операций превышает такт сборки в 2
раза, то работа на данной операции организуется соответственно на двух
параллельных рабочих местах.
Поточная сборка с применением транспортирующего устройства – конвейера
может осуществляться при его непрерывном или периодическом движении.
Скорость конвейера, м/мин, при непрерывном движении:
V=ℓ/τ
где ℓ - расстояние между сборочными рабочими местами, м;
τ – такт сборки, мин/шт.
Число сборочных мест (станций) определяется числом сборочных и
контрольных операций, а также числом резервных мест, предусмотренных проектом.
Производительность одного сборочного места
Nc = TR/tшт,
где Nc – число изделий (узлов), собираемых за расчетный фонд времени,
шт/смену или шт/ч;
Т – расчетный фонд времени, мин;
R – число рабочих на сборочном месте;
tшт – штучное время выполнения данной операции, мин;
Длительность поточной сборки, мин:
Тn= nмτ
где nм – число рабочих мест (станций) на линии сборки; τ – такт сборки.
Коэффициент загрузки сборочного места:
ηм =tшт/τR
Общий коэффициент загрузки сборочной поточной линии:
ηл 
1 nм

nм i 1 м
При поточной сборке в результате дифференциации процесса достигается
лучшая специализация рабочих, повышается производительность труда вследствие
механизации сборочных операций, сокращается длительность процесса, снижается
себестоимость сборочных работ.
При организации поточной подвижной сборки требуется четкая и слаженная
работа всех смежных и обслуживающих поточную линию участков (снабжение
заготовками, инструментом, техническое обслуживание оборудования и т.д.)
Составление технологических схем сборки.
Для определения последовательности сборки изделия и его узлов
разрабатывают технологические схемы сборки. Сборочные единицы изделия в
зависимости от их конструкции могут состоять либо из отдельных деталей, либо из
узлов и подузлов и деталей. Различают подузлы первой, второй и более высоких
ступеней. Подузел первой ступени входит непосредственно в состав узла; подузел
второй ступени входит в состав первой и т.д. Подузел последней ступени состоит
только из отдельных деталей.
Технологические схемы составляют отдельно для общей сборки изделия и
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
89
для сборки каждого из его узлов (подузлов).
Технологические схемы строят по следующему правилу. В левой части схемы
указывают базовый элемент (базовую деталь или базовый узел, подузел), а в
правой части схемы – изделие (узел, подузел) в сборе. Эти две части соединяют
горизонтальной линией. Выше этой линии прямоугольниками обозначены все детали
в порядке последовательности сборки. В нижней части прямоугольников указаны
узлы, входящие непосредственно в изделие; на схемах узловой сборки обозначают
подузлы первого порядка (1СБ6); на схеме сборки подузла первого порядка –
подузлы второго порядка (например, 2СБ7) и т.д.
Технологические схемы сборки узла сопровождают надписями, если таковые
не очевидны из самой сборки, например «Запрессовать», «Сварить» и т.д.
Составление технологических схем сборки значительно упрощается при наличии
образца изделия.
Технологические схемы сборки одного и того же изделия могут быть
разработаны в нескольких вариантах с различной последовательностью.
Составление технологических схем целесообразно при проектировании
сборочных процессов для любого типа производства. Технологические схемы
значительно упрощают разработку сборочных процессов и облегчают оценку
конструкции изделия с точки зрения ее технологичности.
Технологические схемы разработки сборки машин строят по тому же
принципу. Различие заключается лишь в том, что построение схемы начинают с
изделия, узла или подузла.
Проектирование сборочных операций
Сборочные операции проектируют на основе технологических схем сборки.
При разработке содержания сборочных операций следует учитывать, что каждая
операция должна иметь технологическую закономерность, причем при точном
методе трудоемкость операции должна быть равна или несколько меньше такта
сборки, либо кратна ему.
Проектируя сборочную операцию, уточняют содержание технологических
переходов и определяют схему базирования и закрепления базового элемента
(детали, узла), выбирают технологическое оборудование, приспособления, рабочий
и измерительный инструмент, устанавливают режимы работы, норму времени и
разряд работы.
При проектировании сборочных операций выполняют необходимые
технологические расчеты, позволяющие обосновать выбор оборудования,
технологической оснастки и режимов работы. В технологические расчеты входят:
- определение силы запрессовки для соединения с натягом;
- установление режима нагрева или охлаждения при сборке деталей с
тепловым воздействием;
- расчет необходимой силы клепки и д.р.
Оценку разработанных вариантов технологических процессов производят,
используя абсолютные и относительные показатели.
Абсолютные показатели – себестоимость отдельных операций и процесса
сборки в целом и трудоемкость сборки узлов и изделия.
Относительные показатели - коэффициент загрузки каждого сборочного
места, коэффициент загрузки сборочной линии, коэффициент трудоемкости
сборочного процесса ηтр (отношение трудоемкости сборки к трудоемкости
изготовления деталей, входящих в сборочный элемент):
ηтр = Тсб/Тобр
Коэффициент ηтр для единичного мелкосерийного производства составляет
примерно 0,5; для серийного производства 0,3 ÷ 0,4; для массового – 0,25 ÷ 0,3. Чем
Конспект лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов»
90
меньше коэффициент ηтр, тем выше уровень механизации сборочных работ. С
учетом того, что предприятие получает в порядке кооперации ряд деталей с других
предприятий, более объективным будет не коэффициент ηтр, а коэф. себестоимости
сборочного процесса ηсеб, который равен отношению себестоимости сборки к
себестоимости изготовления изделия:
ηсеб = Ссб/Сизд
Технологическими мероприятиями, повышающими технико-экономические
показатели процесса сборки, являются механизация и автоматизация операций и
достижение синхронизации операций путем увязки операционного времени с тактом
сборки.
Параллельно с разработкой технологического процесса сборки проектируют
необходимое технологическое оборудование и оснастку: стенды, приспособления,
специальный рабочий инструмент и специальные измерительные средства,
подъемно-транспортное оборудование и д.р. Заканчивается проектирование
сборочного процесса разработкой плана расположения на участке сборки
технологического оборудования.
Технологическая документация сборочных процессов включает сборочные
чертежи и технологические схемы узловой и общей сборки. В сборочной
маршрутной карте приводится перечень сборочных операций с указанием данных об
оборудовании и оснастке, норме времени, разряда работы и расчетных норм
времени по техническим переходам.