Основы металловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Опишите процесс закалки углеродистых сталей

Закалка - термическая обработка - заключается в нагреве стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закладкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Выбор температуры закалки.

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А_г и A_s.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо--углерод ( рис.1). Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30--50 °С выше Ас₃, а для заэвтектоидной стали -- на 30--50 °С выше Ас₁.

При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ac₁ но ниже Ас₃ в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита (рис. 2, а ), который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной.

Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки лежит в интервале между Ас₁ и Ас₃ и теоретически является неполной (рис. 2, б ).

Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях. Например, включения избыточного цементита повышают износоустойчивость стали. Нагрев же выше Ас₃ опасен и не нужен, так как он не повышает твердости, наоборот твердость даже несколько падает вследствие растворения избыточного цементита и увеличения остаточного аустенита , при таком нагреве растет зерно аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь споверхности и т. д. Таким образом, оптимальной является закалка доэвтектоидной али от температуры на 30--50 °С выше Ас₃, а для заэвтектоидной стали на 30--50° выше Ас₁.

Повышение температуры закалки выше этих температур и вызванный этим рост зерна аустенита обнаруживаются в первую очередь в получении более грубой и крупноигольчатой структуры мартенсита, или грубого крупнокристаллического излома. Следствием такого строения является низкая вязкость .

Рисунок 2. Микроструктура закаленной стали:

а -- доэвтектоидная сталь, неполная закалка -- нагрев выше Ac₁, но ниже Ас₃, мартенсит--феррит; б -- заэвтектоидная сталь, правильная закалка -- нагрев аыше Ас_г. ниже Ас₃, мартенсит + цементит, X 500.

2. Опишите технологию изготовления крупных стальных отливок в сухих песчаных литейных формах

Формовочные и стержневые смеси и их приготовление

Из формовочных смесей изготовляют формы, а из стержневых смесей -- стержни. Смеси приготовляют из песка, глины, связующих материалов и др. Формовочные материалы (песок и глина) должны иметь определенные свойства, поэтому их добывают из заранее исследованных карьеров.

Формовочные и стержневые смеси должны иметь хорошую пластичность, текучесть, газопроницаемость, достаточно высокую прочность и противопригарность.

Пластичность. Это свойство обеспечивает получение в форме отчетливого отпечатка модели. Пластичность смеси улучшается с повышением в ней (до определенного предела) связующих материалов и воды, а также песка с мелким зерном.

Текучесть. Способность смеси под действием внешних сил заполнять полость в стержневом ящике или обтекать модель называется текучестью. Чем больше текучесть, тем более равномерно уплотняется смесь около модели. Она зависит от природы и количества связующих материалов, а также от размера и формы зерен песка.

Газопроницаемость. Способность формы и стержня пропускать газы вследствие своей пористости называется газопроницаемостью. Из формовочных и стержневых смесей во время заливки формы сплавом выделяется большое количество газов. Если газопроницаемость смеси недостаточна, газы могут попасть в заливаемый в форму сплав, что вызовет образование брака по газовым раковинам. Газопроницаемость смеси увеличивается с применением песка с однородными размерами зерен и с уменьшением в ней содержания глины. Газопроницаемость определяют прибором, на котором через стандартный образец из формовочной смеси продувают 2000 см³ воздуха и устанавливают время его прохождения и давление снизу образца. Газопроницаемость смеси составляет 30--150 единиц. Чем крупнее форма., тем больше должна быть газопроницаемость.

Прочность. Способность формы и смеси выдерживать внешние нагрузки без разрушения называется прочностью. Этим свойством форма должна обладать, чтобы не деформироваться и не разрушаться при изготовлении, транспортировке и воздействии на нее жидкого металла. Прочность формы и формовочной смеси возрастает, если в формовочной смеси увеличивается (до определенного предела) содержание глины, связующих материалов, песка с мелкими угловатыми зернами и воды. Для повышения прочности формовочной и стержневой смесей в них добавляют связующие материалы, жидкое стекло, синтетические смолы и др. Прочность образцов испытывают на сжатие. Для форм применяют формовочные смеси с прочностью в сыром состоянии 2,9-15,7 МН/м², а стержней 49-196 МН/м².

Противопригарность -- способность смесей и формы не спекаться и не сплавляться с расплавленным металлом. Формовочные смеси иногда пригорают к отливке и образуют на ее поверхности сплошную корку из смеси окислов металла и песка, которая затрудняет механическую обработку отливки.

В формовочную смесь добавляют противопригарные добавки: каменный уголь для чугунных отливок, мазут для бронзы. Для этой же цели формы и стержни покрывают краской и припылами.

В состав краски обычно входят огнеупорная глина, графит, молотый кварцевый песок, а также связующие. В качестве припыла применяют порошковый графит, молотый древесный уголь и др.

Формовочные смеси приготовляют по определенному рецепту.

Основными материалами для изготовления формовочных смесей являются оборотная смесь и свежие добавки (песок, глина, вода и др.).

Формовочные смеси по способу применения подразделяют на облицовочные, наполнительные и единые. Часто лицевой слой формы, непосредственно соприкасающийся с жидким металлом, выполняют из тщательно приготовленной смеси с большой прочностью и огнеупорностью. Такая смесь называется облицовочной. Остальную часть формы делают из более дешевой оборотной смеси. Такая смесь называется еще наполнительной. При массовом производстве форм обычно изготовляют однородную смесь с повышенной прочностью и огнеупорностью, которую называют единой.

На заводах применяют быстротвердеющие формовочные смеси с добавками цемента или жидкого стекла. Форму из смеси с жидким стеклом высушивают пропусканием через формовочную смесь углекислого газа. Форма становится прочной и достаточно газопроницаемой.

Нашли применение самотвердеющие смеси. В этом случае в смесь, кроме жидкого стекла, добавляют материалы, ускоряющие процесс твердения, например феррохромистый шлак. Смесь затвердевает на воздухе в течение 30 мин и становится прочной и газопроницаемой.

В нашей стране разработаны текучие самотвердеющие смеси, применение которых исключает операцию уплотнения смеси. При этом опоки и стержневые ящики заливают текучей формовочной смесью. Эти смеси состоят из песка с добавками жидкого стекла и других материалов, обеспечивающих их текучесть.

Для стальных отливок формовочные и стержневые смеси должны обладать большой противопригарностью, поэтому в них вместо обычной глины добавляют более огнеупорную глину. Для изготовления крупных отливок формовочную смесь приготовляют из хромистого железняка и др.

При выборе формовочных смесей для магниевых отливок необходимо учитывать взаимодействие магния с влагой смеси, при котором может образоваться водород, вызывающий взрыв. Добавка в формовочную смесь серы и борной кислоты исключает такое взаимодействие. При сушке форм и стержней и при нагреве форм во время заливки сплава борная кислота на поверхности форм и стержней образует с песком глазурь, которая изолирует сплав от соприкосновения с формовочной смесью, при этом сера сгорает, образуя защитный слой сернистого газа, предохраняющий сплав от окисления.

Составы формовочных смесей для других сплавов отличаются только различными добавками, предохраняющими их от пригара к отливке.

Стержневые смеси состоят из кварцевого песка и связующих материалов.

Стержни во время заливки формы сплавом находятся в более тяжелых условиях, чем форма. В большинстве случаев стержни со всех сторон (за исключением знака) окружены расплавленным сплавом. Поэтому они должны обладать большой газопроницаемостью, прочностью, противопригарностью и легко выбиваться из затвердевшей отливки.

Для обеспечения этих свойств в стержневую смесь к кварцевому песку добавляют связующие материалы и другие добавки.

В качестве связующих материалов применяют синтетические смолы, естественные смолы (пек, сланцевую смолу, канифоль и др.), поливиниловый спирт, декстрин (продукты переработки крахмала), сульфитно-спиртовую барду (отходы спиртового производства) и др.

Применяют также стержневые смеси, затвердевающие в горячих стержневых ящиках. В таких смесях в качестве связующего материала применяют быстротвердеющие органические и органоминеральные связующие материалы, которые затвердевают с помощью катализаторов.

Смеси, затвердевающие в стержневых ящиках в холодном состоянии, изготовляют из песка с добавками синтетических смол и катализатора. Они затвердевают в стержневом ящике за 5--10 с.

Стержни, затвердевающие в стержневом ящике, имеют большую точность и не нуждаются в дополнительном просушивании в сушилах.

Формовочные и стержневые смеси на заводах приготовляют па полуавтоматических и автоматических установках. На них автоматизированы следующие операции приготовления смеси: просушка, дробление и просеивание формовочных материалов; отделение металлических примесей от старой (бывшей в производстве) смеси; подача в смесители составляющих материалов по рецепту лаборатории, перемешивание их, разрыхление и подача в бункера, расположенные над формовочными машинами.

Изготовление литейной формы

Форму изготовляют в следующей последовательности: устанавливают на модельную плиту 4 (рис. 3, г) опоку 3 и на нее наполнительную 1 рамку 2, высота которой соответствует степени уплотнения формовочной смеси в форме. Из бункера засыпают формовочную смесь в опоку и рамку, уплотняют ее, затем модель извлекают из формовочной смеси. В результате образуется литейная форма.

Формовочную смесь в форме уплотняют различными способами: вручную с помощью трамбовки и машинами (прессованием, встряхиванием, сбрасыванием комков смеси с большой скоростью пескометом или пескострелыюй машиной). Кроме того, форму изготовляют заливкой текучей формовочной смеси в опоку с последующим ее затвердеванием.

Формовочную смесь прессованием уплотняют различными способами в зависимости от размера и сложности модели: нижним прессованием моделью (рис. 3, а); верхним прессованием колодкой 1 (рис. 3, б); диафрагменным прессованием; вдавливанием резины под действием сжатого воздуха (рис. 3, в); дифференциальным прессованием (вдавливанием большого числа колодок в смесь с различным усилием, рис. 3, д) и т. д.

Выбор способа прессования зависит от конфигурации модели и требований к равномерности уплотнения смеси вблизи модели. Чаще прессование при меняют для уплотнения смеси в невысоких опоках, так как при формовке высоких опок трудно обеспечить равномерное уплотнение.

Встряхиванием чаще уплотняют смеси в высоких формах. При этом способе уплотнения легче изготовить формы с высокими ребрами и впадинами, так как при встряхивании хорошо перемещаются частицы смеси.

Сущность уплотнения смеси состоит в следующем (рис. 4). Формовочный стол 4 поднимается сжатым воздухом. На него устанавливают модельную плиту 3 и опоку 2 с рамкой 1\ засыпают формовочную смесь в опоку 2; отключают воздух, и стол падает вниз, ударяясь о станину 5 станка. Верхний слой смеси оказывает давление на нижние слои, вследствие чего формовочная смесь больше уплотняется около модели. Эта операция повторяется автоматически несколько раз. Верхняя часть формы уплотняется недостаточно, поэтому часто применяют дополнительное ее уплотнение прессованием.

Пескометом уплотняют смеси в средних и крупных формах, так как этот способ обеспечивает одновременную засыпку опоки смесью и ее уплотнение. Процесс уплотнения смеси с помощью пескомета заключается в следующем. Формовочная смесь поступает по транспортеру 5 (рис. 5) в головку пескомета 6, где подхватывается лопастью 3, закрепленной на вращающемся диске 4.

Лопасть образует комок 2 и с силой выбрасывает его в опоку 9 через отверстие 1 в головке пескомета. Смесь около модели 8 по сечению опоки уплотняется равномерно.

Головка пескомета с помощью рукава 7 передвигается в зоне опоки 9.

Большим пескометом управляет рабочий, сидящий на сидении 10 около головки пескомета. Формовочная смесь на транспортер поступает из бункера или смесеприготовительного отделения.

Пескодувные формовочные машины, применяемые для небольших форм, обеспечивают высокую производительность и равномерное уплотнение. В камеру 1 (рис. 6) засыпается из бункера 2 порция смеси, после чего камера закрывается заслонкой 3 и подается сжатый воздух. Смесь 4 "выстреливается" в опоку 5, установленную на модельной плите 6. Применяют также химически твердеющие формы 1.



Извлечение модели из формы. При ручном извлечении модель предварительно расталкивают, затем с помощью ввернутого в нее болта вынимают из формы. При машинной формовке модель извлекают из формы при ее вибрации. Этот способ обеспечивает большую точность формы. По способу удаления модели из формы различают следующие конструкции машин. Машины со штифтовым подъемом опоки (рис. 7, а).

При этом модельная плита 4 с моделью 7 остается на месте, а опоку 2 поднимают штифты 3. В машинах с опускающимися плитами (рис. 7, б) опока 2 остается на месте, а модельная плита 4 с моделью 1 опускается вниз. Так модели удаляют на машинах для формовки верхних опок. Для удаления модели из нижней полуформы чаще применяют машины с поворотной плитой (рис. 7, в). После уплотнения формы ее скрепляют с модельной плитой и поворачивают на 180°. Затем освобождают опоку, опускают ее вниз или поднимают модель вверх.

Аналогична конструкция машин с перекидным столом. При извлечении модели этими способами формовочная смесь не осыпается и форма не засоряется. При формовке по моделям сложной конфигурации, имеющим ребра, применяют протяжные модельные плиты. Такие плиты удаляют поочередно, вначале модель ребер 1 (рис. 7, б). При извлечении модели ребер через плиту формовочная смесь не осыпается, так как модель протягивается через отверстие в плите 4, а опока 2 остается на месте.

Чаще форму изготовляют на двух формовочных машинах: на одной -- нижнюю половину, на другой -- верхнюю. В нижнюю полуформу устанавливают стержни, затем накрывают ее верхней, после чего форму можно заливать.

Литниковая система. Литниковой системой называется система каналов для подведения в форму расплавленного металла. Назначение литниковой системы состоит также в том, чтобы улавливать шлак, попадающий вместе с металлом в литниковую чашу, и питать отливку 5 в процессе затвердевания (рис. 8 ). Литниковая система обычно состоит из литниковой чаши 4, стояка 3, шлакоулавливателя 2, питателя 1, в отдельных случаях коллектора 7 и выпора 6.

Для задержания шлака и других неметаллических материалов, попадающих с расплавленным металлом, в литниковую систему устанавливают сетку из стекловолокна.

В зависимости от конфигурации и толщины стенок и заливаемого сплава питатели подводятся к отливке сверху, снизу или сбоку (рис. 8, а--в).

Изготовление форм

Формы изготовляют различными способами: формовкой в двух и трех опоках, по шаблону, в литейных кессонах, в стержнях, в опоках, безопочпой и машинной формовками.

Рисунок 9. Формовка шкива:

а-- в двух опоках; б -- в трех опоках; в -- отливка с литниковой системой

Выбор способа формовки зависит от размера формы, от серийности производства, сложности модели, от конструкции и расположения литниковой системы, расположения прибыли и др.

Рассмотрим основные способы изготовления форм.

Изготовление форм в двух и трех опоках (рис. 9). Формовка в двух опоках происходит в следующей последовательности: с помощью модели формуется нижняя полуформа, затем устанавливают модель втулки, стояка и вьпора и формуют верхнюю полуформу . Поднимают верхнюю полуформу и удаляют из нее модели стояка и выпора, а из нижней полуформы -- модель отливки. Полуформы готовят к сборке, устанавливают стержень для образования центрального отверстия и стержень для образования наружного углубления отливки. Верхнюю полуформу ставят на нижнюю и заливают чугуном.

В единичном производстве, чтобы не изготовлять стержень 2 (рис. 9, а) и стержневой ящик для него, применяют формовку в трех опоках 9--11 (рис. 9, б). В этом случае в модели втулку 4 и фланец 8 выполняют отъемными. Средняя опока 10 образует наружное углубление в отливке. После изготовления формы поднимают верхнюю опоку 9, затем удаляют модель, снимают среднюю опоку 10, удаляют отъемный фланец-модель 8, ставят стержень и собирают форму.

Изготовление форм по шаблону. Такой способ применяют в единичном производстве крупных отливок с правильной геометрической формой, поверхность которых можно оформить вращением шаблона вокруг оси, и в случае, когда изготовление модели не экономично.

Изготовление литейных форм в кессонах. Для изготовления крупных форм трудно или невозможно применять формовочные машины. Поэтому для применения формовочных машин отливку выполняют составной. Впоследствии составные части сваривают или скрепляют другими методами. При экономической нецелесообразности такого метода применяют формовку в кессонах (бетонированных ямах). Например, при изготовлении отливки для станины поперечно-строгального станка длиной 18 м.

Последовательность изготовления формы следующая (рис. 10). Бетонируют яму 2, чтобы не просочилась в форму грунтовая вода, которая может привести к выплеску жидкого металла в период заливки форму. На дно бетонированной ямы укладывают двухтавровые балки 1. К балкам прикрепляют стальные полуоси 5, возвышающиеся над верхней опокой. Для более тяжелых отливок на балки укладывают плиты, на которых из обычного кирпича выкладывают форму (кирпич от модели должен быть на расстоянии 45--50 мм). С наружной стороны кирпичной кладки насыпают слой шлака для увеличения его газопроницаемости, к которому подводят газоотводящие трубы.

После простановки модели (модель часто изготовляют из отдельных частей) засыпают и уплотняют формовочную смесь с помощью пескомета. Затем формуют верхнюю полуформу 3, краном вынимают модель, отделывают форму и устанавливают стержни 4 для образования внутренней поверхности отливки. После этого устанавливают верхнюю полуформу, зекрепляют болтом полуоси, что предохраняет от подъема верхние полуформы в период заливки формы металлом. Несколькими ковшами через литники заливают более 100 т чугуна. После затвердевания и охлаждения отливки форму разрушают и вынимают отливку.

Изготовление форм в стержнях. Этим способом получают тонкостенную отливку сложной конфигурации или с большим числом ребер. С помощью стержней (рис.11) собирают форму для образования наружной и внутренней частей отливки. В данном случае форма собрана из семи стержней.



Рисунок 11 Изготовление форм в стержнях.

Изготовление форм в опоках на машинах. Для удаления пыли модельную плиту 1 (рис. 12, а) обдувают воздухом, затем опрыскивают керосином или нефтью, чтобы к модели не прилипала формовочная смесь. После этого на плиту устанавливают нижнюю опоку 2. Опоку из бункера наполняют формовочной смесью, уплотняют смесь в форме. Излишек смеси после уплотнения срезают линейкой, на полуформу устанавливают щиток 7 (рис. 12, б). Полуформу вместе с щитком поворачивают на 180° и, подняв модельную плиту или опустив опоку, вынимают модель. Готовая полуформа показана на рис. 12, б.

Верхнюю полуформу формуют с помощью модельной плиты 5 (рис. 12, в). На модельную плиту устанавливают верхнюю опоку 4 и модель стояка 3. Затем повторяют все операции формовки. Модели удаляют из формы, после чего подъемником снимают полуформу с машины. Готовая нолуформа показана на рис. 12, г.

В нижнюю полуформу ставят стержень 6 (рис. 12, д). Форму обдувают сжатым воздухом для удаления из нее пыли и накрывают верхней полуформой (рис. 12, е). Обе половины формы закрепляют скобами 8 или на форму устанавливают груз, чтобы опока не поднималась в период заливки ее металлом. Форму устанавливают на конвейер и подают к месту заливки.

Безопочная формовка. Такую формовку на полуавтоматических машинах широко применяют для изготовления небольших отливок (300 форм в час). Формовочную смесь приготовляют исходя из обеспечения высокой прочности и газопроницаемости форм.

Формовочную смесь засыпают в бункер, из которого она высыпается сжатым воздухом в рабочий резервуар. С одной стороны резервуара находится подвижная модель пая плита, передвигаемая штоком поршня цилиндра; с другой его стороны -- поворотная модельная плита; боковые стенки плиты ограничены стенками кассеты. Формовочная смесь уплотняется при передвижении модельной плиты . После уплотнения формы рамка вместе с поворотной плитой отодвигается, и модель извлекается из полуформы. Модельная плита поднимается вверх. Затем уплотненная полуформа передвигается штоком, в результате чего образуется безопочная стопка. Шток вместе с подвижной плитой возвращается в исходное положение и извлекается из полуформы. После этого все операции повторяются. Формы заливают жидким металлом, после затвердевания которого форма разрушается и отливка удаляется.

Рисунок 12. Изготовление форм в стержнях.

3. Опишите технологию изготовления деталей, получаемых холодной объемной штамповкой

Обычно под холодной штамповкой понимают штамповку без предварительного нагрева заготовки, при комнатной температуре.

Для металлов и сплавов, применяемых при штамповке, такой процесс деформирования соответствует условиям холодной деформации.

Холодную штамповку можно подразделить на объемную штамповку (сортового металла) и листовую штамповку (листового металла). Такое подразделение целесообразно потому, что характер деформирования, применяемые операции и конструкции штампов для объемной и листовой штамповки довольно значительно различаются между собой. Основными разновидностями холодной объемной штамповки являются холодное выдавливание, холодная высадка и холодная объемная формовка.

Схема деформирования холодного выдавливания сходна со схемой прессования. Как и при прессовании, при холодном выдавливании заготовку помещают в полость, из которой металл может выдавливаться в отверстия, имеющиеся в рабочем инструменте.

В отличие от прессования заготовкой при выдавливании является обычно не слиток, а заготовка, отрезанная от прутка (реже из листового металла). Кроме того, если прессованием в основном получают профильный материал постоянного сечения по длине, то выдавливанием -- детали или полуфабрикат, требующий для окончательного формирования детали дополнительных операций резания или обработки давлением. Выдавливание обычно выполняют на кривошипных или гидравлических прессах в штампах, в которых рабочими инструментами являются пуансон и матрица. Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание.

При прямом выдавливании (рис. 13, а) металл вытекает в отверстие, расположенное в донной части матрицы 2, в направлении, совпадающем с направлением движения пуансона 1 относительно матрицы. Так можно получать детали типа стержней с утолщениями (болты, тарельчатые клапаны и т. п.). При этом зазор между пуансоном и цилиндрической частью матрицы, в которой размещается исходная заготовка, берется небольшой, с тем чтобы металл не вытекал в этот зазор, образуя торцовый заусенец, требующий для удаления дополнительных операций.

Если на торце пуансона (рис. 13, б) имеется стержень, перекрывающий отверстие матрицы до начала выдавливания, то металл выдавливается в кольцевую щель между стержнем и отверстием матрицы В этом случае прямым выдавливанием можно получать детали типа трубки с фланцем, а если исходная заготовка имела форму толстостенной чашечки, -- то и детали в виде полого стакана с фланцем.

При обратном выдавливании направление течения металла противоположно направлению движения пуансона относительно матрицы. Наиболее часто встречающейся схемой обратного выдавливания является схема, при которой металл может вытекать в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей (рис. 13, в). По такой схеме изготовляют полые детали с дном типа туб (корпуса тюбиков), экранов радиоламп и т. п.

Реже применяют схему обратного выдавливания, при которой металл выдавливается в отверстие в пуансоне, для получения деталей типа стержня с фланцем (рис. 13, г).

При боковом выдавливании металл вытекает в отверстие в боковой части матрицы в направлении, не совпадающем с направлением движения пуансона. Таким способом можно получить детали типа тройников, крестовин и т. п. В этом случае, чтобы обеспечить удаление заготовки после штамповки, матрицу выполняют состоящей из двух половинок с плоскостью разъема, совпадающей с плоскостью, в которой расположены осевые линии заготовки и получаемого отростка.

Комбинированное выдавливание характеризуется одновременным течением металла по нескольким направлениям и может быть осуществлено по нескольким из рассмотренных ранее схемам холодного выдавливания. На рис. 13, е дана схема комбинированного выдавливания, совмещающая схемы, показанные на рис. 13, а, в, по которой обратным выдавливанием изготовляют полую, чашеобразную часть детали, а прямым -- стержень, отходящий от ее донной части.

Основной положительной особенностью холодного выдавливания является возможность получения без разрушения заготовки весьма больших степеней деформации.

Для весьма мягких, пластичных металлов к > 100 (алюминиевые трубы со стенкой толщиной 0,1--0,2 мм при диаметре трубы 20--40 мм). Возможность получения столь больших степеней деформации обеспечивается тем, что пластическое деформирование при холодном выдавливании происходит в условиях всестороннего неравномерного сжатия, при котором скользящие относительно друг друга атомные слои дополнительно прижимаются один к другому, что затрудняет образование и развитие трещин. Однако то же всестороннее сжатие приводит и к отрицательным явлениям. Чем больше степень деформации, тем больше усилие деформирования, и удельные усилия, действующие на пуансон и матрицу, могут достичь значений, в несколько раз превышающих предел текучести деформируемого металла. При этом удельные усилия могут достичь величин, превышающих значения, допустимые для инструмента по условиям его прочности или стойкости.

Усилие деформирования определяют как произведение удельного усилия на площадь поперечного сечения пуансона.

Высокие удельные усилия выдавливания обычно являются тем фактором, который ограничивает допустимые степени деформации и сдерживает широкое применение этого процесса в производстве.



Рисунок 13. Схема выдавливания.

Удельные усилия выдавливания обычно изменяются в ходе деформирования и зависят от высоты подвергающейся деформированию части заготовки. При выдавливании пластическая деформация обычно охватывает не весь объем заготовки, а лишь часть его. До тех пор, пока высота очага деформации меньше, чем высота деформируемой заготовки, удельные усилия по ходу пуансона обычно изменяются незначительно. Однако, когда высота деформируемой части заготовки становится меньше высоты естественного очага деформации, удельные усилия начинают интенсивно возрастать. Это обстоятельство, в свою очередь, ограничивает допустимую (по условиям достаточной стойкости инструмента) толщину фланца или донышка штампуемой детали.

Повысить стойкость пуансонов можно, устранив резкие переходы сечений, повысив качество поверхности (все это уменьшает концентраторы напряжений), а также совершенствуя термическую обработку и, в частности, применяя термомеханическую обработку.

Для повышения стойкости, кроме указанных мероприятий, положительные результаты получают от выполнения матриц в виде центральной вставки с полостью, посаженной с натягом в обойму (бандажированные матрицы).

Однако по-прежнему актуальными являются мероприятия по уменьшению удельных усилий для выдавливания. С этой целью необходимо подбирать конфигурацию рабочих частей матриц, по возможности устраняющую образование застойных зон под торцом пуансона (рис. 13, в) или у рабочей поверхности матрицы (рис. 13, б). Также важно по возможности уменьшать силы трения, которые в обычных условиях выдавливания препятствуют вытеканию металла и увеличивают усилие деформирования. С этой целью для каждого типа металла (сплава) подбирают оптимальные смазки, хорошо противостоящие высоким удельным усилиям и дающие малый коэффициент трения. В частности, для холодного выдавливания стали рекомендуется предварительное фосфатирование (контактное осаждение солей фосфорной кислоты) с последующим омыливанием или нанесением тонкого слоя дисульфита молибдена на поверхность заготовки.

Для снижения удельных усилий выдавливания проводятся работы по созданию условий изменения направления сил трения, с тем чтобы они способствовали вытеканию металла из очага деформации. При обратном выдавливании этого можно достичь применением составной матрицы, состоящей из опорного стержня и подвижной обоймы, перемещающейся в направлении течения металла (обратно направлению движения пуансона) со скоростью, примерно равной скорости движения образующихся стенок относительно пуансона.

Холодная высадка

Холодную высадку выполняют на специальных холодновыса-дочных автоматах. Штампуют от прутка или проволоки. Пруток подается до упора, поперечным движением ножа отрезается заготовка нужной длины и последовательно переносится с помощью специального механизма в позиции штамповки, на которых из заготовки получают деталь.



На холодповысадочпых автоматах штампуют заготовки диаметром 0,5--40 мм из черных и цветных металлов, а также детали с местными утолщениями сплошные и с отверстиями (заклепки, болты, винты, гвозди, шарики, ролики, гайки, звездочки, накидные гайки и т. п.). На рис. 14 даны примеры деталей, получаемых на холодновысадочных автоматах, с указанием последовательности переходов. Название этих автоматов связано с тем, что основной выполняемой на них операцией является высадка (уменьшение длины части заготовки с получением местного увеличения поперечных размеров). Однако при штамповке на холодновысадочных автоматах все шире используют другие операции штамповки сортового металла, в частности операцию холодного выдавливания. Это расширяет номенклатуру деталей, изготовляемых на холодно высадочных автоматах.

Штамповкой на холодно-высадочных автоматах обепечивается достаточно высокая точность размеров и хорошее качество поверхности, вследствие чего некоторые детали не требуют последующей обработки резанием. Так, в частности, изготовляют метизые изделия (винты, болты, шпильки), причем и резьбу получаютна автоматах обработкой давлением: накаткой.

Штамповка на холодновысадочных автоматах высокопроизводительна: 20--400 деталей в минуту (большая производительность для деталей меньших размеров). Штамповка па холодновысадочных автоматах характеризуется высоким коэффициентом использования металла (малыми отходами). Средний коэффициент использования металла 95% (только 5% металла идет в отход).

Холодная формовка

Холодная формовка (холодная штамповка в открытых штампах) заключается в придании заготовке формы детали путем заполнения полости штампа металлом заготовки. Объем образующегося заусенца возрастает с увеличением различия в конфигурациях заготовки и полостей штампа. После штамповки в открытом штампе заусенец обрезают в специальном обрезном штампе.

Холодная формовка требует значительных удельных усилий вследствие высокого сопротивления металла деформированию в условиях холодной деформации и упрочнения металла в процессе деформирования. Упрочнение способствует также уменьшению пластичности. При холодной формовке оформление детали обычно расчленяют на переходы, последовательно изменяющие форму заготовки.

Для уменьшения вредного влияния упрочнения между отдельными переходами заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Отжиг снижает удельные усилия при штамповке на последующих переходах и повышает пластичность металла, что уменьшает опасность разрушения заготовки в процессе деформирования и увеличивает допустимую степень деформации.

Обычно каждый последующий переход осуществляют в специальном штампе, хотя в отдельных случаях несколько переходов выполняют в одном штампе. В последнем случае между переходами обрезают заусенец, что уменьшает усилия деформирования и повышает точность размеров штампованных деталей. Холодную формовку обычно осуществляют в открытых штампах, так как в этом случае удельные усилия меньше, чем при штамповке в закрытых штампах (возможность вытекания металла в заусенец облегчает деформирование). В закрытых штампах в условиях холодной деформации штампуют реже и главным образом детали из цветных металлов.

Холодной формовкой можно изготовлять пространственные детали сложных форм (сплошные и с отверстиями). Холодная формовка обеспечивает также получение деталей со сравнительно высокими точностью размеров и качеством поверхности. Это уменьшает объем обработки резанием или даже исключает ее. Так как в открытых штампах штампуют обычно однократным деформированием (за один ход ползуна пресса), то холодная формовка (даже при использовании нескольких переходов со своими штампами) характеризуется большей производительностью труда по сравнению с обработкой резанием. Однако, учитывая, что изготовление штампов трудоемко и дороже изготовления инструмента, используемого при обработке резанием, холодную формовку следует применять лишь при достаточно большой серийности производства.

Силы трения при холодной формовке обычно затрудняют деформирование, увеличивают удельные усилия деформирования. Поэтому холодную формовку обычно ведут со смазкой.

Рекомендации по конструированию деталей применительно к изготовлению их холодной формовкой сходны с рекомендациями, приведенными для ранее рассмотренной объемной штамповки. Отметим, что допустимые углы наклона и радиусы скруглений обычно меньше, чем углы наклона и радиусы скруглений при горячей штамповке.

Контрольная робота

1. Опишите способ получения неразъемных соединений ручной электродуговой сваркой

сталь закалка деталь штамповка сварка

Источником теплоты при дуговой сварке является электрическая дуга, которая горит между двумя электродами, при этом часто один электрод представляет собой свариваемую заготовку.

Ручная дуговая сварка

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. Для удержания электрода и подвода к нему тока сварщик использует электрододержатель (рис. 1, а). Сварщик защищает лицо от светового и ультрафиолетового излучений дуги предохранительным щитком или маской с темным стеклом (рис. 1, б, в), а тело и руки -- брезентовой спецодеждой и рукавицами. Рабочее место сварщика -- специальная сварочная кабина (рис. 1, г).

Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом показана на рис. 2. Дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает, и образуется сварной шов 3. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твердую шлаковую корку 2.



В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлургических процессов: испарение или окисление (выгорание) некоторых легирующих элементов, например углерода, марганца, кремля, хрома и др., и насыщение расплавленного металла кислородом, азотом и водородом из окружающего воздуха. В результате изменяется состав сварного шва по сравнению с электродным и основным металлом, а также понижаются его механические свойства, особенно вследствие насыщения шва кислородом. Для обеспечения заданных состава и свойств шва в покрытие вводят легирующие элементы и элементы-раскислители.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленного основного металла и протекает за счет роста столбчатых кристаллитов к центру шва. При этом кристаллиты, как правило изгибаются и вытягиваются в направлении сварки. Легкоплавкие составляющие сплава, вредные примеси и неметаллические включения при кристаллизации шва располагаются по границам между кристаллитами. Это является причиной неоднородности химического состава шва, что снижает его механические свойства и в отдельных случаях приводит к образованию горячих трещин.

Рост кристаллитов в шве происходит с достаточно большой скоростью, приближающейся в центре шва к скорости сварки. При высоких скоростях сварки в швах некоторых сплавов возможно образование газовых пор, так как выделившиеся газы не успевают выйти из сварочной ванны в атмосферу. Поры в швах нарушают герметичность сварных соединений и снижают их механические свойства.

Электроды для ручной сварки. Эти электроды представляют собой проволочные стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень электрода изготовляют из специальной сварочной проволоки повышенного качества. ГОСТ 2246--70 на стальную сварочную проволоку предусматривает 56 марок проволоки диаметром 0,3--12 мм. Все марки сварочной проволоки в зависимости от состава разделяют на три группы: углеродистую (Св-08; Св-10ГС и др.), легированную (Св-18ХМА; Св-10Х5М и др.) и высоколегированную (Св-06Х19Н10М5Т; Св-07Х25Н13 и др.). В марках проволоки "Св" обозначает слово "сварочная".

Сварочную проволоку используют для изготовления стержней покрытых электродов, а также при автоматической дуговой сварке под флюсом, сварке плавящимся электродом в среде защитных газов и как присадочный материал при сварке неплавящимся электродом и газовой сварке.

Электроды классифицируют по следующим признакам: типу покрытия, химическому составу жидкого шлака, назначению.

По типу покрытия электроды подразделяют на электроды со стабилизирующим; защитным или легирующим покрытиями (качественными). Стабилизирующее покрытие состоит из мела (СаСО,). Входящий в него кальций облегчает ионизацию дуги и способствует устойчивому ее горению. В состав качественного покрытия электродов входят стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие.

Стабилизирующие составляющие увеличивают степень ионизации дугового промежутка и повышают стабильность горения дуги. В качестве стабилизирующих веществ применяют соединения калия, натрия, кальция, бария (силикаты натрия и калия, поташ, мел, мрамор). Газообразующие составляющие образуют при нагреве защитные газы вокруг дуги. К газообразующим относятся органические вещества и карбонаты (крахмал, оксицеллюлоза, мрамор, магнезит). Шлакообразующие составляющие при расплавлении образуют жидкий шлак на поверхности сварочной ванны. Шлак служит для защиты расплавленного металла от воздействия воздуха, а также является средой, через которую осуществляется раскисление и легирование наплавленного металла. Для получения шлака в покрытия вводят марганцевую руду, полевой шпат, плавиковый шпат, мрамор, рутил и др. Раскисляющие составляющие предназначены для восстановления окислов, находящихся в сварочной ванне. В качестве раскислителей в ряде случаев применяют ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций и др. Из жидкого шлака раскислители переходят в расплавленный металл, восстанавливают окислы и в виде нерастворимых окислов самого раскислителя снова возвращаются в шлак.

Легирующие составляющие служат для получения наплавленного металла требуемых химического состава и механических свойств.

Легирующими составляющими в покрытии являются феррохром, ферромолибден, ферротитан и др.

В качестве связующего в основном применяют жидкое натриевое стекло (силикат натрия Na2O (SiO2) m). Жидкое стекло связывает порошкообразные составляющие покрытия в обмазочную массу, а после просушивания и прокалки придает покрытию электродов необходимую прочность.

По химическому составу жидких шлаков электродные покрытия можно подразделить на кислые и основные. В шлаках кислых покрытий преобладает окись кремния SiO2. Кислые шлаки обладают хорошими раскисляющими свойствами, но через них нельзя в широких пределах легировать наплавленный металл в связи с интенсивным выгоранием легирующих примесей. В состав кислых покрытий входят марганцевая руда, полевой шпат, рутил (природный минерал, состоящий в основном из двуокиси титана) и т. п. Электроды с кислыми покрытиями ФУДНокислым, рутиловым и органическим) применяют для сварки Углеродистых и низколегированных сталей. В шлаках основных покрытий преобладает окись кальция (СаО). Основные шлаки обеспечивают достаточно хорошее раскисление и позволяют вводить в металл шва значительные количества легирующих элементов. В состав основных покрытий входят мрамор, плавиковый шпат (CaF2) и ферросплавы. Электроды с основным покрытием (фтористокальциевым) используют для сварки легированных и высоколегированных сталей.

По назначению стальные электроды в соответствии с ГОСТ 9466--75 подразделяют на следующие четыре класса: для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей; для сварки теплоустойчивых сталей; для сварки высоколегированных сталей; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.

Согласно ГОСТ 9467--75 электроды для сварки конструкционных сталей (СтЗ, 45, ЗОХГСА и др.) подразделяют на типы Э34, Э42, ..., Э145 в зависимости от механических свойств наплавленного металла. Цифры в обозначении типа электрода означают прочность наплавленного металла в кгс/мм2. Электроды для сварки теплоустойчивых сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМФ и др.) подразделяют на типы Э-ХМ, Э-ХМФБ и др. в зависимости .от химического состава наплавленного металла. Буквы М, X, Ф и Б означают легирование соответственно молибденом, хромом, ванадием и ниобием, повышающими теплоустойчивость сварного шва.

Электроды для сварки высоколегированных сталей (0Х18Н9Т, Х25Н20С2, Х17 и др.) согласно ГОСТ 10052--75 классифицируют по структуре и составу металла сварного шва. Так, например, электроды ЭА-ЗМ6, ЭА-2Б и др. являются электродами аустенит-ного типа (А -- аустенитный) с добавками молибдена, ниобия и других элементов.

Обозначение наплавочных электродов согласно ГОСТ 10051--75 соответствует химическому составу наплавки и ее твердости по Роквеллу. Буква У означает содержание углерода в десятых долях процента. Например, ЭН-У30Х28С4Н4-50 -- электроды наплавочные (ЭН), дающие наплавку, содержащую 3% С и другие легирующие элементы в соответствии с маркой, и обладающие твердостью HRC 50. Такие электроды применяют для наплавки на поверхность деталей, испытывающих при работе сильный абразивный износ при нормальной и повышенной температурах (до 500° С; скребки скреперов, лопасти смесительных машин и т. д.).

Помимо типа электрода, важной характеристикой является его марка, которая определяет состав покрытия (УОНИ-13/45, ЦЛ-18, ЦЛ-11, ЦЛ-10 и т. д.). Марка электрода характеризует также его технологические свойства: род и полярность тока, возможность сварки в различных пространственных положениях и др.

Ручную дуговую сварку довольно широко применяют в производстве металлоконструкций для самых различных металлов и сплавов малых и средних толщин (2--30 мм). Ручная сварка Удобна при выполнении коротких и криволинейных швов в любых пространственных положениях (нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном), а также при наложении швов в труднодоступных местах. Она все еще остается незаменимой при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, обладает более низкой производительностью по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом. Производительность процесса сварки в основном определяется силой сварочного тока. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованной величины приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию покрытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла сварочной ванны. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.

2. Опишите технологию получения изделий из листовых пластмасс методом штамповки

Для получения многих крупногабаритных деталей наиболее целесообразным является переработка листовых термопластических материалов. Технологический процесс получения деталей основан на использовании свойств термопластов, нагретых до высокоэластического состояния. Основными технологическими способами являются пневматическая формовка, вакуумная формовка и штамповка.

Штамповка.

Штампуют главным образом детали незамкнутой пространственной формы (козырьки, обтекатели, стекла кабин и т. д.). Термопластичный листовой материал, разогретый до определенной температуры, формуют с помощью пуансона и матрицы (штамповка). При штамповке изменяются форма и размеры листовых заготовок за счет перемещения и перераспределения объема материала.



Штампуют на обычных гидравлических или механических прессах. Пуансоны и матрицы изготовляют из дерева и других неметаллических материалов при производстве небольшого числа деталей и из металлов -- при массовом производстве.В зависимости от материала, из которого изготовляют пуансоны, различают два основных вида штамповки: жестким и эластичным пуансонами.

Штамповка жестким пуансоном и матрицей показана на рис. 3, а. Зазор между пуансоном 1 и матрицей 3 равен толщине штампуемого материала 2 с допуском ±10%; необходимое взаимное расположение пуансона и матрицы обеспечивается направляющими. При штамповке оптических материалов (органического стекла) пуансон и матрицу оклеивают мягким материалом (замшей или байкой). В пуансоне матрице делают отверстия для выхода воздуха.

Штамповкой эластичным пуансоном получают детали из листовых термопластов, имеющих небольшие углубления и четкий рисунок. Предварительно разогретую заготовку 6 помещают на форму 7 (рис. 3, б). Плоский резиновый пуансон 5, вмонтированный в обойму 4, опускают на заготовку и к нему прилагают давление. Штампуют на гидравлических или винтовых прессах.

При штамповке, как и при других видах формообразования материалов в высокоэластичном состоянии, качество получаемых Деталей зависит от точного соблюдения технологического процесса.

Литература

1. Жадан В. Т., Гринберг Б. Г., Никонов В. Я. Технология металлов и других конструкционных материалов. М., 1977.

2. Технология конструкционных материалов; Учебник для вузов / Под ред. А. М. Дальского. М.,1977

3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. В. Материаловедение Учебник для вузов, 1980

4. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металургия, 1986.

Размещено на Allbest.ru