Лекция№ 19.
Физическиеосновы обработки металлов давлением
1) Пластическаядеформация — сложный физико-химический процесс, врезультате которого наряду с изменением формы и строения исходного металлаизменяются его механические и физико-химические свойства. Рассмотрелафизическую сущность процесса пластической деформации.
Как известно, металлы исплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся тем, что атомы вкристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго определенномдля каждого металла порядке.
При особых условияхохлаждения металл затвердевает в виде большого кристалла правильной формы,называемого монокристаллом. Строение монокристалла определяется соответствующейкристаллической решеткой.
Рассмотрим холоднуюпластическую деформацию монокристалла. Под действием внешних сил в монокристаллевозникают напряжения. Пока эти напряжения не превысили вполне определенной дляданного металла величины (называемой пределом упругости), происходит упругаядеформация. При упругой деформации атомы отклоняются с мест устойчивогоравновесия на расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки поддействием межатомных сил атомы возвращаются в прежние места устойчивогоравновесия, форма тела восстанавливается, при этом изменений в строении исвойствах металла не происходит. Упругая деформация сопровождаетсянезначительным обратимым изменением объема тела, которое, например, для медипри напряжениях сжатия 100 кг/млti2 (980 Мн/м2) составляет 1,3%.
C увеличением внешнейнагрузки увеличиваются и отклонения атомов. При определенных для данного металланапряжениях (пределе текучести) атомы смещаются в новые места устойчивогоравновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные. После снятиянагрузки форма монокристалла не восстанавливается, он получает пластическуюдеформацию.
Необратимые смещенияатомов в монокристалле происходят в основном в виде скольжения и в меньшейстепени, в виде двойникования.
Скольжение представляетсобой смещение атомов в тонких слоях монокристалла. Смещения происходят поособым кристаллографическим плоскостям, причем расстояние между плоскостямискольжения составляет 100 200А. При определенных условиях следы скольженияможно наблюдать в виде полос на поверхности деформируемого металла.
Двойникование, котороев основном происходит при ударных нагрузках, состоит в стройном смещении группыатомов относительно особой плоскости — плоскости двойникования.
Смещенная частьмонокристалла будет являться зеркальным отображением (двойником)недеформированной его части.
Пластическая деформациямонокристалла сопровождается искажениeм кристаллической структуры, образованиемосколков и возникновeниeм остаточных напряжений в кристалле.
Эти явления, затрудняяпроцесс дальнейшей деформации, вызывают изменения механических ифизико-химических свойств исходного металла: прочность, твердость,электросопротивление и химическая активность увеличиваются, при oдноврeменномуменьшении пластичности, ударной вязкости, магнитной проницаемости и т. д.
Совокупность изменениймеханических и физико-химических свойств в результате холодной пластическойдеформации называют упрочнением (или наклепом).
Необходимо иметь ввиду, что при пластической деформации никакого изменения плотности металлапрактически не происходит, его объем остается постоянным.
Как указывалось выше,применяемые в промышленности металлы и сплавы имеют поликристаллическоестроение.
При обработке давлениемтаких металлов происходит пластичecкая деформация отдельных зерен путемскольжения и двойникования (аналогично монокристаллу) и смещение ихотносительно друг друга. Деформация сопровождается раздроблением зерен и ихудлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате этого,последний приобретает строчечную мелкозернистую структуру, отчетливонаблюдаемую под микроскопом (рис. 1, а).
Одновременно в зернах,так же как и при холодной деформации монокристалла, искажается кристаллическаяструктура, oбpазуются кристаллитныe осколки и возникают остаточные напряжения.Рассмотренные явления вызывают упрочнение поликристаллического металла.
B большинстве сплавоввсегда присутствуют нeметалличeские примеси (окислы, карбиды и т. д.), которыерасполагаются между зернами в виде пленок или отдельных шариков. При обработкедавлением эти включения раздробляются и вытягиваются, придавая металлуволокнистое строение, котоpoе при соответствующей обработке поверхностинаблюдается невооруженным глазом.
Величина пластическойдеформации металлов ограничена их пластическими свойствами. При некоторой,вполне определенной для каждого металла, величине деформации в нем образуютсямикротрещины, которые при дальнейшем деформировании интенсивно развиваются ивызывают его разрушение.
2) Нагрев металла.Металлы, обрабатываемые давлением, должны обладать пластичностью, которая определяетсямеханическими свойствами: относительным удлинением, поперечным сужением,ударной вязкостью и др. Ориентировочные данные пластичности металла можнополучить испытанием на растяжение. Если предел прочности при растяжении сувеличением температуры падает, а относительное удлинение и сужениеувеличиваются, то сопротивление деформированию уменьшается, металл становитсяковким. Чем выше пластичность и ниже прочность, тем большей ковкостью обладаетметалл.
Наилучшая пластичностьстали достигается нагревом, так как она непрерывно увеличивается в интервалетемператур примерно от 300 до 1200°С в зависимости от содержания в сталиуглерода.
При нагреве стали вышетемпературы начала горячей обработки давлением наступает перегрев, которыйпроявляется в резком росте аустенитных зерен и понижении пластичности.Последняя в процессе обработки может нарушить целостность заготовки. Перегревуглеродистых сталей исправляют термической обработкой (отжигом). Однакоисправление некоторых сталей (например, хромоникелевой) сопряжено с большимитрудностями, поэтому его следует избегать.
При нагреве стали дотемператур, близких к температурам начала плавления, наступает пережог,характеризующийся появлением хрупкой пленки между зернами вследствие окисленияих границ. Пережженный металл теряет пластичность, становится хрупким ипредставляет собой неисправимый брак. Следует заметить, что на перегрев и напережог влияют и температура, и времянахождения металла в зоне высокихтемператур. Следовательно, горячая обработка давлением должна осуществлятьсяниже температуры пережога и даже ниже зоны перегрева, т. е. в интервалетемператур, при которых металл имеет наивысшую пластичность и наименьшуюсопротивляемость деформированию.
Горячая обработкаметаллов давлением в зоне установленных температур снижает сопротивлениедеформированию примерно в 10-15 раз по сравнению с обычным холодным состоянием.Таким образом, при обработке давлением необходимо соблюдать определенныйтемпературный интервал, зависящий от вида и химического состава сплава. Дляуглеродистой стали область горячей обработки давлением приведена на рис. 9. Поэтой диаграмме устанавливают интервал температур обработки давлением той илииной марки углеродистой стали. Из диаграммы видно, что стали с меньшимсодержанием углерода обрабатываются давлением при более высоких температурах, астали с повышенным содержанием углерода при несколько пониженных температурах.Все примеси, входящие в сталь, ведут к понижению температур обработкидавлением.
Температурный интервалобработки давлением легированных сталей характерен некоторым сужением снебольшим понижением предельных температур обработки.
Медь обрабатывается взоне температур 900-700°C, латунь в зоне 760-600°C, бронза — в зоне 900-750°С.
Алюминиевые сплавыобрабатываются при температурах 470-380°C, а магниевые стали — в зоне 430-350°Cили в зоне 400-300°C в зависимости от состава марки.
Термический режимнагрева стали перед обработкой давлением должен обеспечить: получение требуемойтемпературы заготовки при равномерном прогреве ее по сечению и длине,сохранение целостности заготовки, минимальное обезуглероживание поверхностногослоя и минимальный отход металла в окалину (угар).
Время нагрева металладо заданной температуры зависит от температуры рабочего пространства печи,формы сечения и размеров заготовки, физических свойств металла и способаукладки заготовок на поду печи. Круглые заготовки нагреваются быстрее, чемквадратные и прямоугольные, а заготовки, уложенные в разрядку (с интервалом),нагреваются быстрее, чем заготовки, уложенные вплотную.
Чем выше температурарабочего пространства печи, тем меньше времени затрачивается на нагревзаготовки. Разница между температурой рабочего пространства печи и требуемойтемпературой нагрева заготовки носит название температурного напора. Величинаего при обычном нагреве составляет 100-150° С.
При скоростном нагреветемпературный напор составляет 200-300°C, т. е. значительно выше величинытемпературного напора при обычном нагреве, а, следовательно, и температурарабочего пространства печи при скоростном нагреве будет выше температурырабочего пространства печи по сравнению с обычным нагревом. При скоростномнагреве заготовки во избежание перегрева транспортируются через печь в течениеточно установленного времени, а температура печи регулируется автоматически.
Скоростной нагревстальных заготовок в пламенных печах протекает в 3-4 раза быстрей по сравнениюс обычным нагревом. Такому нагреву подвергают заготовки из конструкционнойуглеродистой стали диаметром или стороной квадрата до 100 мм. Он допускаетнагрев около 1 см толщины заготовки в минуту. Скоростной нагрев стали снижаетугар металла до 1% вместо 3%, который имеет место при обычном нагреве,уменьшает обезуглероживание поверхностного слоя и повышает производительностьпечи.
При нагреве происходитнеравномерное расширение металлов. Поверхностные слои, нагретые до болеевысоких температур, расширяются больше, чем внутренние слои. Расширениеповерхностных слоев притормаживается соседними внутренними слоями, которые приэтом будут растягиваться вследствие расширения наружных. В результате этогонаружные слои металла при нагреве будут испытывать напряжение сжатия, авнутренние растяжения.
Напряжения, возникающиев металле вследствие неравномерного прогрева, называются температурными илитермическими напряжениями. Эти напряжения тем больше, чем больше разностьтемператур по сечению заготовки. Термические напряжения могут возрастинастолько, что будет нарушена целостность металла (образуются трещины).Вероятность разрушения металла будет большая у высоколегированных илегированных сталей, а также при нагреве крупных заготовок. Поэтому металлнеобходимо нагревать с определенной допустимой для него скоростью нагрева.
Для ориентировочногоопределения времени, потребного для нагревания стальных заготовок толщинойболее 150 мм или слитков до температуры начала обработки давлением обычнымспособом в пламенных печах, может служить формула Н.Н. Доброхотова. В.Ф.Копытова:
Т = к*K*D
пластическийдеформация металл нагрев
где Т — время нагрева,ч;
к — коэффициент,зависящий от расположения заготовок на поду печи;
К — коэффициент, равныйдля конструкционной углеродистой и низколегированной сталей — 10, а длявысокоуглеродистой и высоколегированной сталей — 20;D — диаметр или толщиназаготовки, м.
Коэффициент, а беретсяиз таблиц. Для круглой одиночной заготовки, нагреваемой в печи, к = 1, а принагреве круглых заготовок, уложенных на поду печи в ряд вплотную друг к другу,к = 2; для одиночных квадратных и прямоугольных заготовок, уложенных наподставках, к = 1, а уложенных вплотную непосредственно на поду печи к = 4.Если заготовки расположены на поду печи на некотором расстоянии одна от другой,то коэффициент? будет тем меньше, чем больше расстояние между заготовками.
При нагреве крупныхзаготовок, для уменьшения возникающих термических напряжений, температура печипри их загрузке должна быть значительно ниже конечной температуры нагрева,особенно при нагреве особо крупных слитков из легированной стали.
При нагреве цветныхметаллов продолжительность нагрева заготовок зависит не только от коэффициентовтеплопроводности, но и от количества тепла, воспринимаемого наружнойповерхностью, т.е. от качества поверхности, характеризующего степень еечерноты.
На качество продукциипри горячей обработке давлением влияет не только температурный режим нагрева иобработки давлением, но и режим охлаждения и температура окончания обработки.Быстрое охлаждение продукции способствует увеличению термических напряжений, аследовательно, образованию наружных трещин, особенно у металлов с небольшойтеплопроводностью. Поэтому для каждого рода материала установлен свой режимохлаждения. В случае окончания обработки давлением при температуре, превышающейуказанную ранее температуру конца обработки, и медленном охлаждении полученнаяпродукция (поковки) из заэвтектоидной стали, будет иметь грубую цементитнуюсетку, а из легированной стали карбидную сетку. Детали, имеющие в структуре этуили иную из упомянутых сеток, становятся хрупкими, а термическая обработкаслабо устраняет этот дефект.
3)Нагревательныеустройства. Нагрев заготовок перед обработкой давлением осуществляетсяв пламенных и электрических печах и электронагревательных устройствах.Пламенные печи являются наиболее распространенными. В них нагревают как мелкиезаготовки, так и крупные слитки весом до 300 т. Пламенные печи работают натвердом (в том числе и пылевидном), жидком и газообразном топливе. Наиболеесовершенными в отношении регулирования и получения минимальных потерь отфизической и химической неполноты горения являются печи, работающие нагазообразном топливе, и электрические печи.
Сжигание жидкого топливаосуществляется при помощи форсунок, которые обеспечивают хорошее смешиваниетоплива с воздухом и его распыление. Для сжигания газообразного топливаприменяют газовые горелки, которые как и форсунки обеспечивают хорошеесмешивание топлива с воздухом перед сжиганием. Сжигание пылевидного топливапроизводят с помощью горелок, имеющих специальные устройства, в которыхугольная пыль посредством шнека и воздуха подается к горелке, а последняяобеспечивает хорошее смешивание воздуха с пылью путем завихрения пылевоздушногопотока. Применение твердого топлива не желательно, так как сильно загрязняетсяпечное отделение и к тому же невозможно регулировать температуру печи. Печи,работающие на твердом топливе, громоздки, поскольку для сжигания топливанеобходима специальная топка. При сжигании топлива в пылевидном состояниинеобходимы значительные затраты энергии и средств на размол топлива.
Нагревательныепламенные печи по конструкции и характеру распределения температур в рабочемпространстве печи делятся на камерные, в которых температура по всему рабочемупространству одинакова, и методические, у которых температура в рабочемпространстве повышается от загрузочного окна к окну выдачи нагретых заготовок.
Высокая температура врабочей камере печи (1400-1500° С) достигается применением высококалорийноготоплива и подогретого воздуха в рекуператорах. Горелки или форсунки в этихпечах располагаются как над нагреваемыми заготовками, так и под ними.
При нагреве крупныхзаготовок в камерных печах для облегчения их загрузки и выгрузки применяютразличные загрузочные механизирующие устройства, машины или печи с выдвижнымподом и со съемным сводом.
Для уменьшения отходана окалину применяют печи с использованием нейтральных или защитных атмосфер,составляющие которых не вступают в реакцию с нагреваемым металлом.
Разновидностью камерныхпечей являются нагревательные колодцы, которые находят применение в прокатныхцехах для нагрева слитков, часто поступающих из сталелитейных цехов в горячемсостоянии. Колодцами эти печи называют потому, что слитки в них загружаютсверху и устанавливают вертикально, а сами печи чаще выкладываются в земле.Использование тепла горячих (неостывших) слитков обеспечивает экономию топлива
В камерные печиобычного нагрева заготовки загружают через определенные промежутки времени(периодически) партиями. При очередной загрузке температура в рабочей камерепечи понижается тем резче, чем крупнее и легированные стальные заготовки, затемтемпература постепенно повышается и достигает заданной.
Для нагрева концовштанг и прутков (при работе на горизонтально-ковочных машинах) применяютщелевые печи, загрузочным окнам которых придают вид щели.
Муфельные печи имеютгерметически закрывающийся ящик, называемый муфелем, который загружаютметаллом; нагревание его осуществляется без доступа воздуха и газов. Такойспособ нагрева применяют как для стали, так и для специальных сплавов в целяхисключения образования окалины.
Безокислительный нагревстальных и других заготовок, кроме муфельных печей и печей с использованием нейтральныхили защитных атмосфер, производят в специальных печах барабанного типа. Вбарабан печи заливают расплавленное стекло слоем толщиной 100 мм. Изпримыкающей подогревательной камеры в барабан печи подаются заготовки,подогретые до 600°C, где они покрываются слоем стекла, которое предохраняетзаготовки от дальнейшего окисления, а если заготовка уже была окислена, тоокалина растворяется в расплавленном стекле. Нагретые таким способом заготовкина поверхности имеют тонкий слой стекла, который удаляют механическим способом.Нагрев в стекле протекает без риска пережога металла.
Методические печи имеютвытянутую форму. Длина этих печей в шесть и более раз превышает ширину.Температура в таких печах понижается в направлении движения пламени кзагрузочному окну. В методических печах производится непрерывная выдачанагретых заготовок, методичный (постепенный) нагрев и лучшее использованиетепла, образовавшегося при сгорании топлива, газов. Чем печь длиннее, темполнее теплоиспользование. При выходе из методической печи отходящие газы имеютболее низкую температуру, чем в камерных печах, поэтому эти печи экономичнеекамерных.
Рабочее пространствометодических печей разделено на две различные по величине части: большую, такназываемую подогревательную камеру, и меньшую — со стороны топочных устройств,называемую нагревательной камерой. Заготовки поступают вначале вподогревательную камеру и продвигаются по поду печи, постепенно нагреваясь,затем попадают в нагревательную камеру, где нагреваются до требуемой температуры.Выдача заготовок производится через окна на торце или в боковых стенкахнагревательной камеры.
Продвижение заготовокпо поду печи осуществляется чаще всего с помощью механического толкателя.
Переходной конструкциейот камерной печи к методической является полуметодическая печь. Длина этой печиболее ширины в 4-5 раз. В ней, как и в методической печи, нагревают заготовки,форма которых удобна для продвижения через печь. Эти печи обслуживают прокатноеи штамповочное оборудование высокой производительности. Такие печи иногдаобеспечиваются механизмом подачи заготовок от печи к обрабатываемой машине. Вэтом случае заготовка по мере продвижения по поду печи достигает отверстия,проваливается в него, попадая на заслонку, которая под тяжестью заготовки илипосредством пневматического цилиндра открывается, и заготовка падает натранспортер, подающий заготовки, например, к штамповочной машине.
Для нагрева заготовокприменяют печи с вращающимся подом (карусельные). Печь кольцевого типапредставляет собой как бы свернутую в кольцо узкую длинную методическуюконвейерную печь. Эти печи позволяют в широких пределах регулировать желаемыйрежим нагрева металла путем изменения скорости вращения пода, расположениягорелок и подачи топлива. Нагрев металла в этих печах протекает быстрее иравномернее, так как заготовки на поду печи укладываются на некоторомрасстоянии одна от другой. Угар металла при нагреве в этих печах меньше, чем впечах с толкателем заготовок по поду, поскольку в последних заготовкиукладываются вплотную друг к другу и требуется большее время нагрева и, крометого, при продвижении заготовок в печи сбивается окалина и происходит повторноеее образование.
Более совершеннымисчитаются печи, использующие тепло отходящих газов, так называемые, регенеративныеи рекуперативные печи.
Регенеративные печи спомощью регенераторов используют тепло отходящих газов для подогрева воздуха игаза (в газовых печах), поступающих в печь.
В рекуперативных печахосуществляют подогрев только воздуха, поступающего в печь для горения. Потокиотходящих газов и нагреваемого воздуха в рекуператорах непрерывны иосуществляются каждый по своему каналу, причем движение воздуха идет навстречудвижению печных газов. Газы нагревают стенки рекуператора с одной стороны, авоздух отнимает тепло с другой.
Применениерекуператоров и регенераторов повышает к. п. д. всех печей. В методическихрегенеративных печах к. п. д. может быть доведен примерно до 40%, а в простыхкамерных печах он обычно не превышает 12%.
Электрические печисопротивления применяют чаще всего для нагрева цветных металлов и сплавов, режедля нагрева стали, так как температурный интервал штамповки, например алюминия,находится в пределах 475-400°C, т. е. в пределах температур, постоянствокоторых в пламенных печах поддерживать значительно труднее, чем постоянствотемператур штамповки стали. В качестве электронагревателей в электропечахслужат металлические нагреватели в виде ленты или проволоки, изготовленные изхромоалюминиевых или хромоникелевых сплавов, которые ввиду небольшой ихстойкости применяют для температур ниже 1200° С. Для высоких температур (1300°С) применяют стержни (силитовые и глоборовые), изготовленные из карбидакремния. Нагревательные элементы чаще всего размещаются на боковых стенкахпечи.
В электрических печахможно поддерживать и изменять температуру с большой точностью. Рабочеепространство этих печей свободно от продуктов горения, угар металла получаетсяминимальный. Электрические печи улучшают условия работы обслуживающегоперсонала.
Индукционный нагревтоками повышенной частоты (500-8000 гц) применим для заготовок диаметром от 15до 150 мм. Нагрев заготовок диаметром 150 мм и выше производится токамипромышленной частоты (50 гц). Индукционный нагрев обеспечивает высокую скоростьнагрева металла по сравнению с нагревом в пламенных печах; снижает потери наокалину с 3-4% до 0,5%; устраняет обезуглероживание поверхностного слоя;создает удобство автоматизации подачи и выдачи заготовок; позволяет повыситьтемпературу начала обработки давлением без появления перегрева и кореннымобразом улучшает санитарно-гигиенические условия труда обслуживающих рабочих.Расход электроэнергии при индукционном нагреве составляет 0,5 кВт. ч. на 1 кгнагретой стали. Индукционный нагрев применяют для заготовок из стали, латуни,никеля и других металлов и сплавов.
Расход электроэнергиипри контактном нагреве составляет 0,3-0,4 кВт. ч на 1 кг нагретой стали.Капитальные затраты на эту установку значительно ниже стоимости индукционногоэлектронагревательного устройства. Недостатком контактного нагрева являетсянеполный прогрев концов заготовки (мест контакта), вследствие чего резкоповышается расход на штампы; с учетом последнего, контактный нагрев являетсядорогим.
Контактный нагреввыгодно и удобно применять для нагревания средней части длинных тонкихзаготовок под штамповку, гибку и высадку.