Материаловедение

2

Вопрос № 1.

Материалы применяемые в доменном производстве и их подготовка к плавке. Выплавка чугуна. Физико-химическая сущность процесса. Продукты доменной плавки.

1. Применяемые материалы в доменном производстве.

1.1.Топливо

В металлургическом производстве топливо сжигают в плавильных и нагревательных печах и устройствах. Все виды используемого топлива представляют собой вещества органического происхождения. В их состав входят углерод, водород, кислород, азот и сера, а также минеральные примеси, образующие золу топлива, и вла-га. Наибольшее применение имеют кокс, мазут и при-родный газ.

1.2. Огнеупорные материалы (огнеупоры)

При сооружении печей и других тепловых устройств применяют огнеупоры, представляющие собой материа-лы, способные противостоять действию высоких темпе-ратур, а также физическим и физико-химическим про-цессам, протекающим в указанных тепловых агрегатах.

Огнеупорные материалы применяют в виде кирпича, различных фасонных изделий и порошков.

По химическому составу огнеупорные материалы раз-деляются на кислые, полукислые, основные и нейтраль-ные. К кислым огнеупорам относится динасовый кирпич ?93% SiO₂ и ?1,5% А1₂О₃, кварцитовый и кварцевый песок. Температура плавления динасового кирпича 1730--1830° С. Его применяют для кладки сталеплавиль-ных печей, когда требуется кислая футеровка. Порошки используют, при ремонте плавильных печей и для наварки подов.

К основным огнеупорам относятся магнезитовые кирпичи и порошки, содержащие: 91--94% MgO; 1,5--2,8% SiO₂; 2--3% Fe₂О₅; 1,0--2,0% СаО;

0,5--1,8% А1₂О₃, а также доломитовые огнеупоры. Температура плавления
магнезитового кирпича 2000--2200° С.

К нейтральным огнеупорам относится хромистый кир-пич, различные шамотные и углеродистые изделия. Наи-более дешевый и распространенный шамотный кирпич содержит 50--60% SiO₂, от 30 до 40% А1₂О₃ и 1,5-- 3% Fe₂O₃. Его огнеупорность достигает 1790° С.

2. Выплавка чугуна

Чугун получают в доменных печах из руд путем вос-становления железа и насыщения его углеродом и дру-гими элементами. Основная масса чугуна (более 80%) используется для выплавки стали. Основными исходны-ми материалами для производства чугуна в доменной печи являются красные, магнитные, бурые и шпатовые железняки, марганцевые руды, топливо и флюс.

Устройство современной доменной печи:

Доменная печь представляет собой вертикальную плавильную печь шахтного типа. Свое название домен-ные печи получили от ранее применявшихся в России (VIII--IX век) шахтных печей, которые назывались домницами.

Современная доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом с полезным объемом печи 3000--5000 м³ и производительностью более 5000 т чугуна в сутки. Полезная высота таких печей достигает 30 м и более. Доменная печь снаружи заключена в стальной кожух, а внутри футерована огнеупорным (шамотным) кирпичом. Внутреннее очертание печи на-зывается ее профилем. При этом следует различать колошник, шахту, распар, заплечики и горн.

Колошник оборудован литыми стальными сегмента-ми, защищающими огнеупорную футеровку от разру-шения при ударах загружаемой в печь шихты.

В верхней части печи имеется загрузочное устройство, состоящее из приемной воронки, малого конуса, рас-пределительного устройства и большого конуса с воронкой. Сырые материалы (шихта) подаются на ко-лошник по наклонному мосту двумя скипами. Из ски-па материалы сначала попадают па малый конус, кото-рый для обеспечения более равномерной загрузки шихты в большой конус поворачивается вокруг оси штанги. Малый и большой конусы опускаются не одновременно, чтобы предотвратить выброс доменных газов из печи в атмосферу. В большой конус через малый конус засыпа-ют несколько скипов шихтовых материалов, образую-щих так называемую колошу. В процессе опускания большого конуса колоша падает в печь. Рудную часть шихты и кокс загружают раздельно, поэтому в печи об-разуется два слоя -- кокса и рудной части.

В нижней части печи находятся фурменные устройства, через которые вдувают в печь нагретый воздух или воздух, обогащенный кислородом, а также иногда газо-образное, жидкое или пылевидное топливо для экономии
кокса. Чугун и шлак непрерывно стекают вниз и перио-дически выпускаются через чугунную летку и шлаковую летку.

Процесс доменной плавки непрерывный, а загрузка шихтовых материалов и выпуск чугуна и шлака произ-водятся периодически по установленному режиму. Исходные материалы поступают в доменную печь сверху, а в нижнюю часть печи через фурмы подаются нагретый воздух или воздух, обогащенный кислородом, а также газообразное топливо. Образующиеся при сгорании топ-лива газы поднимаются навстречу опускающимся ших-товым материалам, нагревают их, восстанавливают и плавят. Таким образом, печь работает по принципу про-тивотока, что, естественно, позволяет более полно исполь-зовать тепло.

3. Физико-химическая сущность процесса

При нормальной работе доменной печи во всех ее зонах устанавливается определенная температура и в них происходят различные физико-химические процессы: горение топлива, удаление влаги, разложение известня-ка, восстановление железа и других элементов, плавление и науглероживание железа, образование чугуна и шлака.

Опустившись до уровня фурм, кокс сгорает в струе подогретого до 1100 - 1300° С воздуха или воздуха, обо-гащенного кислородом (до 30--35%), подаваемого в печь через фурмы под давлением 150--200 кН/м² (1,5-- 2 ат). Процесс горения топлива идет с большим выделе-нием тепла.

4. Продукты доменной плавки

Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и доменный газ.

Чугун выплавляют в зависимости от назначения трех сортов: передельный, литейный и специальный (ферро-сплавы). Передельный чугун идет на переработку в сталь, производство его составляет более 80%.

Литейный чугун предназначается для получения все-возможных фасонных отливок. Его выплавляется около 16% от всего производства чугуна. Он содержит повы-шенное количество кремния, улучшающего литейные свойства чугуна.

Доменные ферросплавы применяют при производстве стали (как присадки и для раскисления) в сталепла-вильных печах и при производстве чугуна в вагранках. Их выплавляют примерно 4% от всего производства чу-гуна. Ферросплавы отличаются от передельных и литей-ных чугунов повышенным содержанием марганца и кремния. К ним относятся ферромарганец доменный, содержащий ?70--75% Mn и 2% Si, зеркальный чугун (с зеркальным блеском в изломе), содержащий 10-- 25% Mn и до 2% Si, ферросилиций доменный, содержа-щий ?9--13% Si и 3% Mn.

Образующиеся при плавке чугуна доменные шлаки обычно подвергают грануляции водой для получения мелкозернистой массы. Обработанные указанным спосо-бом шлаки используют для изготовления цемента, кир-пичей, шлакоблоков и других строительных материалов.

Доменный газ после очистки от пыли используют как газообразное топливо в воздухонагревателях для отопле-ния различных печей, нагрева ковшей и пр.

Доменная печь работает непрерывно 5--6 лет и более с момента пуска до очередного капитального ремонта.

Остановка печи производится главным образом по при-чине выгорания огнеупорной кладки. Для контроля тол-щины кладки используют радиоактивный изотоп кобаль-та ⁶⁰Со. При постройке или ремонте доменной печи в наиболее уязвимые части кладки заделывают указан-ный изотоп кобальта. В процессе эксплуатации печи периодически к местам, где замурован ⁶⁰Со, подносят счетчик Гейгера, с помощью которого можно обнаружить Y-излучение. Когда кладка выгорит до определенной толщины, ⁶⁰Со расплавится в чугуне и уйдет вместе с ним из печи; в этом случае излучения не будет. Регистрируе-мое при этом ослабление или полное исчезновение Y-излучения позволяет установить срок остановки печи на капитальный ремонт.

Вопрос № 2.

Получение поковок в машиностроении. Их виды.

Технологический процесс горячей объемной штамповки

Технологический процесс изготовления поковки включает следующие операции: отрезка проката на мерные заготовки, нагрев, штамповка, обрезка облоя и пробивка пленок, правка, термическая обработка, очистка поковок от окалины, калибровка, контроль готовых поковок.

Перед штамповкой заготовки должны быть нагреты равномерно по всему объему до заданной температуры. При нагреве должны быть минимальными окалинообразование (окисление) и обезуглероживание поверхности заготовки. Используются электроконтактные установки, в которых заготовка, зажатая медными контактами, нагревается при пропускании по ней тока; индукционные установки, в которых заготовка нагревается вихревыми токами; газовые печи, с безокислительным нагревом заготовок в защитной атмосфере.

Штамповку осуществляют в открытых и закрытых штампах. В открытых штампах получают поковки удлиненной и осесимметричной формы. В закрытых штампах - преимущественно осесимметричные поковки, в том числе из малопластичных материалов. Поковки простой формы штампуют в штампах с одной полостью. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине, с изогнутой осью и т.п. штампуют в многоручьевых штампах.

После штамповки в открытых штампах производят обрезание облоя и пробивку пленок в специальных штампах, устанавливаемых на кривошипных прессах.

Правку штампованных поковок выполняют для устранения искривления осей и искажения поперечных сечений, возникающих при затрудненном извлечении поковок из штампа, после обрезания облоя, после термической обработки. Крупные поковки и поковки из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей правят в горячем состоянии либо в чистовом ручье штампа сразу после обрезания облоя, либо на обрезном прессе (обрезной штамп совмещается с правочным штампом), либо на отдельной машине. Мелкие поковки правят на винтовых прессах в холодном состоянии после термической обработки.

Термическую обработку применяют для получения требуемых механических свойств поковок и облегчения их обработки резанием. Отжиг снимает в поковках из высокоуглеродистых и легированных сталей остаточные напряжения, измельчает зерно, снижает твердость, повышает пластичность и вязкость. Нормализацию применяют для устранения крупнозернистой структуры в поковках из сталей с содержанием углерода до 0,4%.

Очистку поковок от окалины производят для облегчения контроля поверхности поковок, уменьшения износа металлорежущего инструмента и правильной установки заготовки на металлорежущих станках. На дробеструйных установках окалину с поковок, перемещающихся по ленте конвейера, сбивают потоком быстро летящей дроби диаметром 1…2 мм. В галтовочных барабанах окалина удаляется благодаря ударам поковок друг о друга и о металлические звездочки, закладываемые во вращающийся барабан.

Калибровка поковок повышает точность размеров всей поковки или отдельных ее участков. В результате этого последующая механическая обработка устраняется полностью или ограничивается только шлифованием. Различают плоскостную и объемную калибровку. Плоскостная калибровка служит для получения точных вертикальных размеров на одном или нескольких участках поковки. Объемной калибровкой повышают точность размеров поковки в разных направлениях и улучшают качество ее поверхности. Калибруют в штампах с ручьями, соответствующими конфигурации поковки.

Чертеж поковки

Чертеж поковки является основным документом при разработке технологического процесса и проектировании штампа. Его выполняют на основе чертежа детали по ГОСТ 7505 - Поковки стальные штампованные.

Сначала необходимо выбрать поверхность разъема, т.е. поверхность, по которой соприкасаются между собой верхняя и нижняя половины штампа. Обычно эта поверхность является плоскостью или сочетанием плоскостей. Она необходима для установки исходной заготовки и удаления из штампа готовой поковки. Поверхность разъема устанавливают в плоскости двух наибольших габаритных размеров, при этом полости штампа имеют наименьшую глубину.

При штамповке в открытых штампах плоскость разъема должна обеспечивать контроль сдвига верхней и нижней частей штампа после обрезки облоя. Для этого она должна пересекать вертикальную поверхность поковки. Желательно плоскость разъема располагать так, чтобы естественные уклоны облегчали удаление поковки из штампа даже без выталкивателей и без существенного упрощения формы детали.

В некоторых случаях положение плоскости разъема определяется макроструктурой металла. Например, при штамповке шестерен плоскость разъема должна быть перпендикулярна к оси детали. В этом случае макроструктура получается одинаковой у всех зубьев шестерни и обеспечивает их высокую прочность.

При выборе плоскости разъема необходимо учитывать использование поверхностей поковки в качестве баз при механической обработке. Базы должны быть цилиндрическими, без штамповочных уклонов. При этом припуск на механическую обработку должен быть одинаков в направлении обработки.

При штамповке в закрытых штампах плоскость разъема выбирают по торцевой наибольшей поверхности детали.

Припуски на механическую обработку регламентируются ГОСТ 7505 с учетом точности поковки, которая определяется видом оборудования и технологией ГОШ (открытая или закрытая) и назначаются в основном на сопрягаемые поверхности.

Допуски учитывают возможные отклонения от номинальных размеров вследствие недоштамповки по высоте, сдвига частей штампов, их износа и т.п.

К кузнечным напускам относятся штамповочные уклоны, внутренние радиусы закруглений, перемычки отверстий.

Штамповочные уклоны назначаются сверх припуска, они повышают отход металла при механической обработке и утяжеляют поковку. Для наружных поверхностей, вследствие температурной усадки, уклоны меньше, чем для внутренних поверхностей.

Все пересекающиеся поверхности сопрягаются по радиусам. Это необходимо для лучшего заполнения полости штампа и предохранения его от преждевременного износа и поломок. Радиусы скругления зависят от глубины полости штампа. Внутренние радиусы скругления в 3…4 раза больше, чем наружные. Наружные радиусы обычно составляют 1…60.

При штамповке в штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить сквозное отверстие в поковке, поэтому наносят только наметку отверстия с перемычкой-пленкой, удаляемой впоследствии в специальных штампах. Толщина перемычки устанавливается в зависимости от диаметра отверстия, но не должна быть менее 4 мм. Отверстия диаметром менее 30 мм не штампуются.

Виды поковок.

Поковки прессовые (масса до 3,0 тонн), основные виды поковок приведены в таблице 1:

Свободная ковка на прессе

Таблица 1.

Поковки молотовые (масса от 0,2кг. до 2 тонн), основные виды поковок приведены в таблице 2:

Свободная ковка на молотах

Таблица 2.

Штамповки (масса до 30кг.), изготовляемые методом горячей объемной штамповки, основные виды приведены в таблице 3:

Горячая объемная штамповка.

Таблица 3.

Перечень основного производственного оборудования применяемого при изготовлении поковок.

Кузнечно-прессовое оборудование:

Гидравлический ковочный пресс.

Молота ковочные.

Молота штамповочные.

Винтовые дугостаторные пресса.

Пресса кривошипные.

Пресс фрикционный.

Заготовительное оборудование:

Пресс-ножницы.

Автоматы отрезные круглопильные.

Полуавтомат лентопильный.

Автомат отрезной абразивный.

Термические печи

Газовые печи для проведения предварительной термической обработки.

Вопрос № 3.

Инструмент и оборудование для листовой штамповки.

Листовая штамповка

1. Сущность процесса листовой штамповки

Листовая штамповка может быть отнесена к числу наиболее прогрессивных высокопроизводительных спо-собов изготовления деталей сложной формы с тонкими стенками. Детали, изготовляемые штамповкой, отлича-ются, достаточной точностью (класс точности 3--4), однотипностью, хорошей взаимозаменяемостью. Их обычно не требуется обрабатывать на металлорежущих станках. Штампованные детали из листового металла изготовляют за одну или несколько последовательно выполняемых операций.

2. Основные операции листовой штамповки

Операции листовой штамповки подразделяют на раз-делительные (разъединительные), формоизменяющие, прессовочные, комбинированные и штампо-сборочные. К разделительным операциям относятся отрезка, выруб-ка-вырезка, разрезка, обрезка, надрезка, пробивка, про-сечка и зачистка. К формоизменяющим операциям, свя-занным с превращением плоской заготовки в пространст-венную деталь заданной формы без изменения толщины листового материала, относятся вытяжка, формовка, гибка и закатка края, отбортовка, правка, рельефная штамповка, обжим и раздача. К этим же операциям от-носится вытяжка с уменьшением (утонением) толщины материала стенок. К прессовочным операциям, изменяю-щим толщину исходной листовой заготовки, относятся холодное выдавливание, чеканка, клеймение (маркировка) и кернение (разметка). Комбинированная листовая штамповка заключается в совмещении двух и более технологически различных отдельных операций штамповок в одну, например вырубка и вытяжка, отрезка и гибка и другие комбинации.

Штампо-сборочные операции применяются для сое-динения нескольких деталей в одно изделие (узел); при этом используются процессы запрессовки, клепки, гибки, закатки, холодной пластической сварки давлением и др.

Резка листового материала на мерные заготовки про-изводится в заготовительных отделениях штамповочных цехов. Резку производят на ножницах или на прессах при помощи отрезных штампов. Ножницы в основном применяются трех типов: с параллельными ножами; с наклонными ножами -- гильотинные и дисковые.

Ножи у всех ножниц изготовляют из стали марок: Х12М, 5ХВ2С, 6ХС, У8А и др. с последующей закалкой. Твердость ножей составляет HRC 54--60.

При резке (вырубке) листового материала в штампах роль верхнего ножа выполняет пуансон, а нижнего, неподвижного -- матрица. При этом пуансон имеет мень-шие размеры, чем отверстие в матрице. При помощи штампов можно производить следующие основные про-цессы резки: отрезку, вырубку-вырезку, пробивку, надрезку, разрезку (отделение штамповок друг от друга), обрезку, зачистку. Некоторые из операций могут быть объединены в одном штампе.

3. Штампы

Для штамповки листовых деталей получили примене-ние два типа штампов: 1) упрощенные -- для вырубных (пробивных), гибочных, вытяжных и формовочных опе-раций и 2) универсальные.

Упрощенные штампы имеют минимальное число прос-тых вспомогательных деталей (направляющих, съемни-ков, фиксаторов и т. д.), а рабочие их части (матрицы я пуансоны) изготовляют из дешевых и доступных мате-риалов. На упрощенных штампах можно вырубать дета-ли из стали толщиной до 2,5 мм, а из цветных металлов-- толщиной до 6' мм. На упрощенных штампах, предназна-ченных для операций вытяжки, формовки и отбортовки, изготовляют крупногабаритные детали сложной конфи-гурации из материалов толщиной до 1,5 мм (облицовоч-ные детали автомобилей и автобусов и т. п.).

Значительное распространение получили для изготовления различных изделий упрощенные штампы из пласт-масс.

Универсальные штампы представляют собой универ-сальные блоки, в которых закрепляются сменные рабо-чие части: матрицы и пуансоны, переставные упоры, на-правляющие линейки и т. д.

Универсальные штампы позволяют изготавливать детали с точностью 7--5-го класса и выше. Применение поэлементной штамповке в универсальных штампах, расположенных в линию, позволяет применить групповой метод изготовления деталей из листовых материалов.

4. Оборудование для листовой штамповки

Наибольшее распространение для холодной листовой штамповки получили кривошипные и эксцентриковые прессы. Эти прессы разделяются на одностоечные, с расположением кривошипно-шатунного механизма по одну сторону от опор, и двухстоечные, у которых указанный механизм находится между опорами. Двухстоечные бывают открытого и закрытого типа.

По технологическому признаку прессы подразделяются на два типа: общего и специального назначения. К прессам общего назначения относятся универсальны кривошипные прессы простого действия, а к прессам второго типа -- вытяжные прессы двойного и тройного действия, многопозиционные прессы, пресс-автоматы, чеканочные и др. Прессы общего назначения предназначаются для выполнения самых разнообразных, но в основном простых работ, а прессы специального назначения для более сложных вытяжных и других работ. По числу шатунов прессы подразделяются на одно-, двух- и четырех шатунные.

Одностоечные и двухстоечные открытого типа кривошипные прессы изготовляют с номинальным усилием 200 тс и более. Двухстоечные кривошипные прессы крытого типа, предназначенные для штамповки больших листовых изделий, производят с номинальным усилием до 3000 тс. Прессы этого типа имеют закрытый привод, обычно расположенный в верхней части, а ползун передвигается в массивных направляющих стойках. Стойки имеют проемы, предназначены для подачи листовой заготовки и удаления отходов. Прессы двойного действия наиболее часто применяют при изготовлении изделий с глубокой вытяжкой. Они имеют два ползуна: наружный, приводящий в действие прижим, и внутренний, перёдвигающий пуансон, который входит в матрицу и выдавливает изделие.

Прессы тройного действия обычно применяют для вытяжки сложных крупногабаритных деталей с наличием полостей, образующихся в результате обратной вытяжки. Эти прессы имеют три ползуна: два верхних, име-ющих такое же назначение, как и у прессов двойного действия, и нижний, передвигающийся внутри стола пресса в направлении, противоположном движению верх-них ползунов. В последние годы для штамповки стали применяют гидравлические прессы простого и двойного действия с усилием 100--2000 тс. Детали из толстой лис-товой стали обычно штампуют в горячем состоянии на мощных гидравлических прессах с давлением до 7000 тс. В последнее время создаются целые линии, осна-щенные гидравлическими листоштамповочными прес-сами.

Список используемых источников

1. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Г. П. Фетисова. - М.: Высшая школа, 2002.-638 с.

2. Елизаров Ю.Д., Шепелев А.Ф. Материаловедение для экономистов. -Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. -576 с.

3. Братухин А.Г., Современные авиационные материалы. Технологические и функциональные особенности.- М.: Авиатехинформ XXI века, 2001.- 405 с.

4. Арзамасов Б.Н. Крашенинников А.И. и др. Научные основы материалове-дения. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1994.-366 с.

5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Г. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990.-527С.

6. Технология металлов и других конструкционных материалов. Под ред. Н. Ф. Казакова. - М.: «Металлургия» 1975. - 688 с.

7. Тюрин В. А., Поспелов И. А., Лазоркин В. А. Ковка на радиально-обжимных машинах. - М.: Машиностроение, 1990. - 256с.