Получение чугунов повышенного качества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Опишите явление полиморфизма в приложении к олову

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать б, а при более высокой - в, затем г и т. д..

При полиморфном превращении кристаллы (зерна) новой полиморфной формы растут в результате неупорядоченных, взаимно связанных переходов атомов через границу фаз. Отрываясь от решетки исходной фазы (например, в), атомы по одиночке или группами присоединяются к решетке новой фазы (б), и, как следствие этого, граница зерна б-модификации передвигается в сторону зерна в-модификации, «поедая» исходную фазу. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерен исходных кристаллитов. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Олово полиморфно. Ниже температуры 13,2°С устойчива б-модификация (серое олово) с кубической кристаллической решеткой типа алмаза; выше 13,2°С устойчива в-Sn (белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой. При переходе в-модификации в б значительно (на 25%) увеличивается удельный объем металла.



2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения для сплава, содержащего 3,8% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчи­вается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических - аустенит + ледебурит, эвтектических - ледебурит и заэвтектических - цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные - перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,8% С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре - перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

а) б)

Рисунок 1: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,8% углерода

Какая температура разделяет районы холодной и горячей пластической деформации и почему? Рассмотрите на примере железа.

В зависимости от отношения температуры деформации к температуре рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.

Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения для получения полностью рекристаллизованной структуры.

Рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. А. А. Бочвар показал, что между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления металлов имеется простое соотношение: рекристаллизация начинается при температуре, составляющей одинаковую для всех металлов долю от температуры плавления по абсолютной шкале. Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых металлов составляет примерно 0,4 Тпл (правило А.А. Бочвара), для чистых металлов снижается до (0,1...0,2)Тпл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5...0,6)Тпл.

Температура начала рекристаллизации железа:

(1539 + 273)·0,4 - 273 = 452 °С.

При пластической деформации выше этой температуры деформация называется горячей, при пластической деформации ниже этой температуры - холодной.

4. Требуется произвести поверхностное упрочнение изделий из стали 15. Назначьте вид обработки, опишите технологию, происходящие в стали превращения, структуру и свойства поверхности и сердцевины изделия.

Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности) сталь 15 подвергают цементации, закалке и последующему низкому отпуску. Цементация повышает не только поверхностную твердость, но, как правило, и прочность детали. Цементацией стали называется процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий углеродом при нагревании в науглероживающей среде. Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом доэвтектоидной, эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита.

Термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920 - 950єС. Структура слоя при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата перлит + цементит. Структура сердцевины при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения - феррит + перлит.

Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 600єС, а затем нагревают под закалку до температуры 800 - 820єС. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя. Температура AC3 для данной стали составляет 850єС. Закалку для стали 15 производят в воде.

Охлаждение в воде заготовок обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки - мартенсит, структура сердцевины зависит от размеров детали. Для небольших изделий получаем сквозную прокаливаемость. Структура мартенсит по всему сечению. С увеличением размеров изделия от поверхности к сердцевине получаем мартенсит троостит сорбит перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре 180 - 200єС. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя - отпущенный мартенсит. С увеличением размеров изделия от поверхности к сердцевине получаем отпущенный мартенсит троостит сорбит перлит + феррит.

Твердость поверхности готового изделия 56 - 61 HRC.

Механические свойства в сердцевине готового изделия уТ = 370 МПа; уВ = 550 МПа; д >18%; ш > 45%.

5. Используя диаграмму состояния железо-цементит, определите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 40. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите изменение структуры и свойств стали в процессе каждого вида обработки.

Критические точки Ас1 и Ас3 для стали 40:

Ас1 = 730°С; Ас3 = 790°С.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50°С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Температура полного отжига стали 40 составляет 820-850°С. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. При фазовой перекристаллизации измельчается зерно и устраняется видманштеттова структура и строчечность, вызванная ликвацией, и другие неблагоприятные структуры стали. Структура после полного отжига: перлит и феррит.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки Ас1). При этом происходит частичная перекристаллизация перлитной составляющей. Неполному отжигу подвергают доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием в том случае, если предварительная горячая обработка не привела к образованию крупного зерна. Температура неполного отжига стали 40 составляет 740-760°С. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. Структура после полного отжига: перлит и феррит.

Нормализацией называется доэвтектоидной стали нагрев до температуры выше Аc3 на 40-50°С с последующим охлаждением на воздухе. При нормализации происходит перекристаллизация стали, устраняющая крупнозернистую структуру, полученную при литье или ковке. В результате охлаждения на воздухе распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при более низких температурах, а, следовательно, повышается дисперсность смеси. Доэвтектоидные стали подвергают нормализации вместо отжига. В результате твердость немного возрастает, но улучшается качество поверхности при резании. Температура нормализации для стали 40 составляет 830-860°С. Структура после полного отжига: перлит и феррит.

железный руда чугун деформация

3. Опишите способы обогащения железных руд и окусковывания концентратов, применяемые в доменном производстве. С какой целью выполняют подготовку руд к доменной плавке?

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества. Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

Промывка - отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы.

Гравитация (отсадка) - отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются.

Магнитная сепарация - измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40…50 %), известняка (15…20 %), возврата мелкого агломерата (20…30 %), коксовой мелочи (4…6 %), влаги (6…9 %), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300…1500 0С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный агломерат.

При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200…1350 0С.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке.

4. С приведением схемы опишите устройство и работу вагранки. Как получают высокопрочные и ковкие чугуны?

Ковкий чугун. Название «ковкий» условное, практически чугуны не, куются. Ковкие чугуны получаются из отливок белого чугуна путем длительного отжига (томления) при высоких температурах. В результате длительного воздействия температуры цементит распадается, образуя структуру, состоящую из феррита (белый фон) и углерода отжига (темный фон).

Для получения перлитного чугуна отливки из белого чугуна подвергают обезуглероживающему отжигу в окислительной среде. Этот чугун имеет серебристый излом. Макроструктура его резко изменяется по сечению: у поверхности отливки ферритная структура, ближе к центру перлито-ферритная или перлитная структура с углеродом отжига.

Ковкий чугун получают в камерных и туннельных печах непрерывного действия. Для отжига в этих печах отливки из белого чугуна загружают в специальные горшки из жароупорной стали и засыпают кварцевым песком. В печах с защитной атмосферой отливки укладывают непосредственно в поддоны.

В настоящее время отжиг отливок на ковкий чугун производят по ступенчатому циклу. Продолжительность отжига обычно составляет около 60 час, для ковких чугунов, модифицированных церием или висмутом, -32 часа.

Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в медленном нагреве отливок до 900- 950°С и выдержке при этой температуре, когда первичный цементит распадается на графит и феррит. Вторая стадия состоит из выдержки отливок при температуре 740-760°С и распада цементита, входящего в перлит, на феррит и углерод отжига. Структура полностью отожженного ковкого чугуна будет содержать зерна феррита и графита.

Перлитный ковкий чугун получают после неполного отжига (первая стадия графитизации). Для повышения вязкости в перлитный чугун иногда добавляют марганец и подвергают его неполному отжигу при температуре 650-750°С. При этом структура чугуна получается с зернистым перлитом.

Из ковкого чугуна изготовляют картер заднего моста, чашки дифференциала, тормозные колодки, ступицы колес для грузовых автомобилей, муфты, втулки, храповики, полевые диски для тракторов и т. д.

Высокопрочный чугун. В литейном производстве широко применяют модифицирование чугуна магнием, церием, висмутом для получения в нем графита не в виде пластинок, как в сером чугуне, а в форме глобулей (сфер). Модифицирование магнием, а затем ферросилицием позволяет получить структуру, состоящую из перлита, феррита и шаровидного графита. Магниевый чугун обладает прочностью литой стали и высокими литейными свойствами. Из магниевого чугуна изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и износу, часто высокопрочный чугун называют чугуном с шаровидным графитом.

Вагранка -- это простейшая шахтная печь для переплавки чугуна. Она является самым распространенным для этой цели типом и по своему устройству очень напоминает маленькую доменную печь. Некоторые части ее носят те же названия, что и соответствующие части домны.

На чугунную плиту установлен кожух диаметром D2, склепанный или сваренный из железа и выложенный огнеупорным кирпичом, образующий внутренний диаметр шахты вагранки D. Плита лежит на чугунных колонках. В плите имеется отверстие с дверкой на петлях. На днище сверху набивают под или лещадь. Несколько выше пода в кадке делают один, два или три ряда фурм. Через эти фурмы и подается воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает в фурмы из коллекторного кольца высотой h2, опоясывающего всю вагранку, а в кольцо он нагревается по трубе вентилятором. К нижней стенки кольца крепятся чугунные коробки главного ряда фурм со стеклом для наблюдения за фурмой во время плавки.

Часть вагранки между подом и фурмами называется горном, а выше фурм -- шахтой. Верхняя часть шахты называется колошником. В колошнике имеется загрузочное окно. Над колошником устраивается труба для отвода газов. Над подом в нижней части вагранки имеется рабочее окно, закрываемое дверцей. На уровне пода в кадке вагранки устраивается горловина для выпуска расплавленного чугуна в копильник диаметром D0.

Выпуск чугуна производиться через отверстие в нижней части копильника, называемое леткой. Шлак из копильника выпускают через отверстие шлаковой летки, расположенной на высоте h3 под подом. Расплавленный металл скопляется в горне и выпускается через летку по желобу. Для управления искр вверху вагранки устанавливают искроуловитель.

В вагранку через загрузочное окно с колошниковой площадки периодически загружают шихту из чугуна, кокса и флюса. Расход кокса составляет 10-15% от веса переплавляемой металлической шихты.

Реконструкция вагранок с применением дутья, обогащенного кислородом, с подогревом подаваемого в вагранку воздуха, с переводом подаваемого в вагранку воздуха, с переводом на газообразное топливо повышает производительность литейных цехов.

От сгорания кокса в горне вагранки накапливается очень трудноплавкая зола, шлаки становятся очень густыми и уносят с собой капли металла. Густые шлаки того, затягивают фурмы, нарушая нормальный ход плавки, и способствуют переходу в чугун серы. Для разжижения шлака в вагранку добавляют флюсы, чаще всего в виде известняка.

Необходимо сказать о кислых шлаках доменной плавки. Кислые шлаки легкоплавки, но при плавке в вагранке на коксе они недопустимы, так как содержат много кремнезема (SiO2) и не могут удерживать в себе серу в той мере, в какой ее удерживают основные шлаки, богатые известью. Известковый камень с успехом заменяют в вагранке основным мартеновским шлаком, богатым известью (вторичным шлаком -- бедным фосфором).

Производительность вагранок в зависимости от их размеров колеблется широких пределах -- от 0,25 до 25 т в час.

При крупных отливах расплавленный чугун выпускают в большие специальные ковши, а из низ в формы. Выдержка в ковше способствует вплавлению посторонних включений и выделению газов.

Получение отливок с отбеленной поверхностью и с менее твердой внутренней частью достигается быстрым охлаждением поверхности отливки. Отбеленная твердая поверхность имеет структуру белого чугуна (с избытком цементита). При быстром охлаждении графит не успевает выделиться, и углерод остается химически связанным, т.е. в виде цементита. Для отливок с отбеленной поверхностью чугун должен содержать меньше кремния (0,7-0,8%) и марганца (0,5-0,8%). В тех частях формы, где поверхность отливки должна быть отбелена, следует применять металлические стенки (холодильники).

Получение чугунов повышенного качества

Для ответственных отливок применяют чугуны повышенного качества с улучшенной структурой. Повышенные механические свойства, хорошее сопротивление истиранию, однородность свойств во всех частях отливки обеспечили широкое распространение перлитных чугунов. Повышенными механическими качествами обладает чугун с пониженным содержанием углерода. Для этой цели в вагранку вводят стальные обрезки (до 50% от веса шихты).

Для высококачественных отливок модифицированного чугуна требуется высокая температура металла на желобе (до 1400-1450 oC) Тогда модифицированный чугун получается введением в струю чугуна измельченного модификатора, например в виде силикокальция или высокопрочного ферросилиция, в количестве 0,2-0,5% от веса чугуна. Такое количество модификатора, незначительно изменяя химический состав чугуна, резко улучшает его физические свойства. Вследствие раскисления и графитизации чугун получает во всех сечениях отливки равномерную величину зерна с перлитно- графитным строением.

При выплавке модифицированного чугуна рекомендуют применять вагранку с тремя рядами фурм, обеспечивающими повышенную температуру жидкого чугуна, снижение расхода кокса и увеличение производительности. Количество вводимого модификатора зависит от состава чугуна и должно быть тем больше, чем меньше в чугуне углерода и кремния. Присадку модификатора в ковш следует производить не больше, чем за 5-10 мин. До заливки во избежание понижения механических качеств чугуна.

Серый чугун путем обработки жидкого металла магнием имеет предел прочности при изгибе до 120кг/мм2, при растяжении -- до 80 кг/мм2 и удлинение -- 16 %.

Марки чугуна, модифицированного магнием, СПЧП45 и СПЧП 55 имеют перлитною структуру. Чугун СПЧП45 имеет предел прочности 45 кг/мм2, а СПЧП55 -- 55 кг/мм2. Удлинение соответственно 1,5-5%. В настоящее время начали получать модифицированный магнием чугун с пределом прочности на растяжение до 100 кг/мм2 и удлинением 7-8% и выше.

Ковкий чугун представляет собой чугунное литье с ферритной или перлитной основой с включениями углерода отжига округлой формы в отличие от пластинчатого графита серого чугуна. Для получения ковкого чугуна отливки из белого чугуна подвергаются отжигу.

При отжиге отливок из белого чугуна при температуре выше критической, а именно при 900-950 0C, карбид железа Fe3С разлагается на железо и углерод отжига. Твердость отливок понижается, обрабатываемость улучшается а механические свойства возрастают. Отливки отжигают в ящиках, заполненных песком или железной рудой. В первом случае получают черносердечный, а во втором -- белосердечный ковкий металл.

Отливки из ковкого чугуна ковать нельзя. Название «ковкий» чугун условно и указывается лишь на некоторую пластичность. Отличительной чертой таких отливок являются их механические свойства, занимающие среднее место между сталью и серым чугуном.

Отливки из ковкого чугуна применяются для мелких деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, соединительных частей трубопроводов: уголков, муфт, тройников и других деталей.

5.С приведением схем опишите этапы прокатки бесшовных труб. Какими преимуществами обладают бесшовные трубы по сравнению со сварными? При изготовлении бесшовных труб первой основной операцией является прошивка слитка или заготовки в гильзу (стакан), т.е. получение толстостенной трубы. Изготовление пустотелой гильзы является очень ответственной операцией, от которой зависят качество готовых изделий и производительность прокатных установок

Прошивку заготовки выполняют на станах, которые по своей конструкции делятся на

валковые с косо расположенными валками;

дисковые и с грибовидными валками.

Широкое распространение имеет способ получения гильзы на вертикальном или горизонтальном прошивном прессах. Следующую прокатку гильзы в трубу необходимого диаметра и толщины стенки можно выполнять в горячем состоянии на:

автоматическом стане;

стане пилигримовой прокатки;

непрерывном стане;

раскаточных станах продольно-винтовой прокатки;

рельсовом стане и проч.

Нагрев металла в трубопрокатных цехах делают в печах:

кольцевых с вращающимся подом,

проходных туннельных

проходных секционных,

электрических индукционных и др..

Наибольшее распространение получили кольцевые печи, которые имеют форму замкнутого пустотелого кольца, разделенного на подогревательные, нагревательную, сварочную и томительную зоны. Подина печи вращается с частотой до 1/30 мин-1. Загрузка и выгрузка заготовок производится через соответствующие окна специальной машиной с захватывающим хоботом.

Прокаткой на автоматических станах получают бесшовные трубы диаметром 57...426 мм и толщиной стенки 3...30 мм. Этот способ является наиболее распространенным, что объясняется высокой маневренностью и универсальностью в отношении сортамента изделий и достаточно высокой производительностью. На рис. 4.9 представлена схема расположения оборудования такого стана для изготовления изделий диаметром 140...426 мм. Как исходный продукт используют заготовку круглого сечения, которую получают на крупносортовых или трубозаготовочных станах.

Диаметр заготовки привычно мало отличается от диаметра готовой трубы. Перед прокаткой металл нагревают в печах с вращающимся кольцевым подом. Нагретая заготовка после центровки переднего конца пневматическим центрирователем для уменьшения в процессе прошивки разной толщины гильзы и улучшения захвата металла валками поступает в прошивной стан. При прошивке заготовка получает 2...3,5-кратную вытяжку. Максимальное значение вытяжки не превышает 4,5...4,8. Последующую обработку гильзы выполняют на автоматическом стане, представляющем собой нереверсивную клеть дуо, в валках которой является последовательно расположены круглые калибры.

Рисунок. 4.9. Схема размещения оборудования автоматической трубопрокатного стана с двумя прошивными клетями: 1 - нагревательные печи с вращающимся подом; 2 - загрузочные машины, 3 - разгрузочные машины, 4 - пневматический центрирователь, 5 - первая прошивная клеть, 6 - вторая прошивная клеть; 7 - подогревательные печь перед чистовой клетью; 8 - чистовая клеть, 9 - раскаточные клети, 10 - калибровочные клети; 11 - холодильник; 12 - мостовые подъемные краны; 13 - правильные машины; 14 - клети для калибровки в холодном состоянии, 15 - инспекторские стеллажи.

Перед подачей металла в валки в калибр устанавливают оправку, закрепленную на длинном стержне таким образом, что зазор между оправкой и калибром соответствует толщине стенки трубы, которая прокатывается. Деформирование металла в данном случае происходит между валками и оправкой, при этом наряду с уменьшением толщины стенки наблюдается некоторое уменьшение наружного диаметра изделия (рис. 4.10). Учитывая то, что прокатка на круглой оправке за один проход не обеспечивает равномерной деформации стенки изделия по его периметру, приходится давать два, а иногда и три прохода с поворотом трубы после каждого прохода на 90°. Вытяжка за один проход не превышает 1,4...1,6, а общая вытяжка может составлять 1,5...2,1

.

Рисунок. 4.10. Схема прокатки трубы в калибре автоматического стана:

1 - гильза, 2 - оправка; 3 - стержень 4 - изделие, 5 - верхний валок

При прокатке на автоматическом стане условия работы оправки очень тяжелые. Это связано с влиянием высоких температуры и давления прокатки, а также наличием трения скольжения между оправкой и внутренней поверхностью трубы. Поэтому оправку после каждого прохода снимают и охлаждают в воде. Для уменьшения коэффициента трения между изделием и оправкой внутрь трубы забрасывают смесь поваренной соли с графитом. Однако все эти меры не предотвращают полностью повышенный износ инструмента и возможности налипания на него металла. Поэтому форма оправки и применяемый материал требуют тщательного изучения.

Учитывая то, что клеть автоматического стана нереверсивная, то после первого прохода трубу необходимо возвращать на переднюю сторону клети. Это осуществляется автоматически с помощью роликов обратной подачи, расположенных с задней стороны клети которые вращаются в противоположном направлении по сравнению с вращением прокатных валков. По окончании прохода металла между валками для возвращения изделия на переднюю сторону клети верхний рабочий валок автоматически поднимается клиновым механизмом, увеличивая просвет в калибре, достаточный для свободного прохождения трубы назад. Одновременно с этим вручную или специальным приспособлением оправки снимается со стержня. Затем нижний ролик обратной подачи прижимает изделие к верхнему ролику и силой трения оно передается на переднюю сторону клети.

После этого устанавливают новую оправку, верхний валок опускается в рабочее положение и изделие после кантовки на 90° подается в валки для последующей прокатки. Все это повторяется до получения необходимых размеров трубы.

По окончании прокатки для улучшения внешней и внутренней поверхностей, устранение неровностей, уменьшения овальности и разнотолщинности изделие передают на обработку в одну из двух обкаточных машин, аналогичных по своему строению прошивным двух-или трехвалковым клетям. Обкатку выполняют на чугунной оправке, диаметр которой на 1...6 мм больше внутреннего диаметра трубы после прокатки на автоматическом стане. При этом наблюдается незначительное уменьшение толщины стенки и некоторое увеличение диаметра изделия (на 3...5%), труба приобретает правильную круглую форму с уменьшенной разницей толщины стенки.

Предоставление окончательных размеров изделию по диаметру производится на калибровочном стане, состоящий из 5...7 клетей дуо, расположенных непрерывно. Клети калибровочного состояния устанавливают на общей раме таким образом, что оси валков попеременно в разные стороны образуют с горизонтом угол 45°, а угол между осями валков соседних клетей составляет 90°. Таким образом, труба при прокатке деформируется в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При этом овальные калибры в клетях калибровочного стана меняются с постепенным уменьшением отношения осей до 1, к чистовому калибру. При прокатке в калибровочном стане можно наблюдать некоторое уменьшение диаметра изделия и незначительное увеличение толщины стенки.

После прокатки на калибровочном стане трубы передаются на правильный стан для выполнения отделочных операций. В тех случаях, когда необходимо получить изделие диаметром менее 57 мм, но не ниже 17 мм, осуществляется дополнительная горячая прокатка при температуре металла 950...1000° С в так называемом редукционном стане, который состоит из 9...26 последовательно установленных непрерывных клетей. Оси валков этих клетей расположены перпендикулярно друг другу и под углом 45° к горизонту. При редуцировании прокат ведется без оправки, вследствие чего наблюдается уменьшение диаметра на 10...60%.

Производительность установок с автоматическим станом составляет 100...300 тыс. т. в год. Прокаткой на пилигримовых станах получают бесшовные трубы диаметрами 48...665 мм при толщинах стенки 2,25...50 мм. Этот способ нашел широкое развитие, причем кроме круглых, на пилигримовых станах можно получать квадратные, шестигранные, ступенчатые и другие изделия.

Как исходный продукт для пилигримовой клети используют толстостенную трубу-стакан, которую получают прошивкой круглого слитка или заготовки в клети с косо расположенными валками. Этот способ прошивки в большинстве случаев заменяется прошивкой в горизонтальном или вертикальном прессе, что в значительной степени устраняет недостаток труб через внутренние течения и трещины, которые часто имеют место при прошивке на станах косой прокатки. После пресса стакан с донцем дополнительно подогревается и поступает на раскатке и прошивке донца на обкаточные машини, что уменьшает разностеночность стакана и позволяет использовать более тяжелые слитки, а следовательно, иметь повышенную производительность агрегатов.

В стакан, толщина стенки которого составляет около 25% диаметра изделия, вводят дорн, на котором делают раскатки трубы между двумя валками, установленными в пилигримовой клети, с калибром переменного профиля. На рис. 4.11 показан валок пилигримового стана, который имеет ручей переменной ширины и высоты по окружности, делится на две части:

холостую, где диаметр калибра больше диаметра гильзы, которая прокатывается,

рабочую, состоящую из рабочей и полирующей участков.

Две струйки образуют круглый калибр с переменными размерами глубины и ширины по окружности валка. Прокатные валки вращаются в направлении, обратном направлению прокатки. Учитывая, что при вращении валков размеры калибра непрерывно меняются, то в некоторый момент можно подать металл в валки для деформирования определенного участка полосы.



Рисунок. 4.11. Валок пилигримового стана

Поэтому процесс работы на пилигримовой клети заключается в периодической подаче на определенную длину гильзы вместе с дорном (на 20...30 мм) в зазор между валками в момент совпадения холостой части ручья обоих валков. При дальнейшем вращении валков осуществляется процесс прокатки и стакан перемещается в направлении, который совпадает с направлением вращения валков (рис. 4.12), т.е. обратном ходу трубы.

Рисунок. 4.12. Схема процесса пилигримовой прокатки:

1 - пилигримовые валки, 2 - дорн, 3 - подающий механизм

При этом захватывающий участок валков обжимает стакан на дорн по диаметру и толщине стенки, а полирующий обеспечивает выравнивание диаметра и толщины стенки бесшовной трубы. Вытяжка при такой прокатке достигает 10...14 - кратного значения. При следующем повороте валков создается возможность новой подачи стакана в область деформации, которая выполняется специальным дательным аппаратом с одновременным вращением стакана на 90°. Дательный механизм привычно работает от сжатого воздуха давлением до 1 МПа, а поворот заготовки выполняется дрелью. При пилигримовой прокатке заготовка с дорном совершает возвратно-поступательное движение, а прокатаный участок трубы сходит с дорна. При прокатке в пилигримовой клети всегда остается недокатанным задний участок гильзы, который называется пилигримовой головкой. По окончании прокатки дорн извлекают из изделия для охлаждения, а в дательный механизм вставляют новый дорн.

Прокаткой на пилигримовом стане получают достаточно качественные и дешевые трубы. Однако при повышенных требованиях к точности диаметра и толщины стенки применяют горячую обработку на обкаточном, а затем и редукционном станах, как правило, непрерывном, который обеспечивает уменьшение диаметра трубы. Производительность установок с пилигримовой клетью определяется сортаментом и составляет 80...250 тыс. т. в год.

Прокаткой на непрерывном стане получают бесшовные трубы диаметром 16...140 мм и толщиной стенки 2,3...15 мм из углеродистых и легированных сталей. Исходным продуктом являются заготовки круглого сечения, которые прошиваются на стане с косо расположенными валками, или квадратного сечения, что прошиваются на прессе. Следующую прокатку гильзы выполняют на длинной оправке в непрерывном стане, который состоит из 7...9 рабочих клетей дуо. Оси валков расположены под углами 90° друг к другу и 45° к горизонтальной плоскости. Каждая клеть имеет индивидуальный привод с регулируемой частотой вращения. Типичным непрерывным станом является агрегат 30-102.

Гильза на работающем непрерывном стане прокатывается с коэффициентом вытяжки 5...7,5 при скорости прокатки до 6 м/с. Это обеспечивает производительность непрерывных станов в пределах 300...500 тыс. т. в год.

После прокатки на непрерывном стане труба вместе с оправкой поступает в оправковытаскиватель. Последующая обработка изделия производится на калибровочном или редукционном станах.

Прокаткой на станах с трехвалковыми клетями получают трубы - диаметром 34...200 мм и толщиной стенки 10...50 мм и выше. Исходным продуктом в данном случае является заготовки круглого сечения, которые после нагрева прошивают в гильзу. Последующая обработка гильзы осуществляется на оправке в трехвалковых клети, которая характеризуется тем, что валки в станине располагаются соответственно вершинам равностороннего треугольника (рис. 4.13).

Оси валков расположены под углом 7...10° к оси прокатки, и каждый валок устанавливается с перекосом относительно плоскости симметрии проема станины, что вызывает появление угла скрещивания осей валков (угла подачи), который обычно принимается равным 4,5...7,5°. Этот угол обеспечивает появление осевой составляющей сил прокатки и, следовательно, возможность поступательного движения трубы в направлении прокатки.

Рисунок. 4.13. Трехвалковая раскаточная клеть:

1 - нижняя часть станины, 2 - рабочие валки; 3 - вводная проводка; 4 - подушки, 5 - верхняя часть станины; 6 - нажимные винты; 7 - выводной проводка.

Производство бесшовных труб с использованием трехвалковыой клети производится с вытяжкой 3...4. Кроме этого, в данном случае в 2...2,5 раза повышается точность толщины стенки изделия по сравнению с прокаткой на автоматическом или пилигримовом стане. По этой причине станы с трехвалковыми клетями очень целесообразно использовать для производства труб, которые впоследствии подвергают механической обработке, так как при этом уменьшаются потери металла в стружку.

Важным достоинством трехвалковых агрегатов является его высокая маневренность, возможность быстрой перестройки на прокатку труб другого диаметра. Для перехода на другой профиль нужно лишь изменить расстояние между валками и заменить оправки, которые обеспечивают получение необходимого внутреннего диаметра изделия и толщины стенки. Производительность подобных установок составляет 140...180 тыс. т. в год.

Кроме описанных способов получения бесшовных труб горячей прокаткой существуют и такие, как, например, изготовление изделий на рельсовых станах, когда прошитую на прессе гильзу с донцем проталкивают на оправке через ряд роликовых обойм, которые имеют круглые калибры постепенно уменьшая диаметр. Таким способом изготавливают изделия диаметром 57...219 мм при толщине стенки 2,2...1,5 мм и выше. Трехроликовые обоймы, которые образуют круглый калибр тремя валками-роликами, применяют при производстве труб диаметром до 112 мм; четырехроликовые обоймы, которые образуют калибр четырьмя валками-роликами, - при производстве труб большего диаметра.



Рисунок. 4.14. Схема прокатки трубы на стане ХЛТ:

1 - оправка; 2 - калибр, 3 - валик, 4 - стержень, 5 - заготовка, 6 - труба

Широкое распространение получило производство бесшовных труб прессованием из цветных металлов, углеродистых конструкционных и легированных сталей, нержавеющих сталей, титана, молибдена ниобия, хрома, никеля и их сплавов и других металлов, что трудно деформируются.

6. Охарактеризуйте способы дуговой сварки в защитных газах. Опишите металлургические особенности процесса сварки при использовании углекислого газа, как защитного

Дуговая сварка в защитных газах имеет высокую производительность, легко поддается автоматизации и позволяет выполнять соединение металлов без применения электродных покрытий и флюсов. Этот способ сварки нашел широкое применение при изготовлении конструкций из сталей, цветных металлов и их сплавов. Классификация способов дуговой сварки в защитных газах приведена на рисунке.

Классификация видов дуговой сварки в защитных газах

Дуговая сварка в защитных газах может быть выполнена плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродами.

Для защиты зоны сварки используют инертные газы гелий и аргон, а иногда активные газы -- азот, водород и углекислый газ. Применяют также смеси отдельных газов в различных пропорциях. Такая газовая защита оттесняет от зоны сварки окружающий воздух. При сварке в монтажных условиях или в условиях, когда возможно сдувание газовой защиты, используют дополнительные защитные устройства. Эффективность газовой защиты зоны сварки зависит от типа свариваемого соединения и скорости сварки. На защиту влияет также размер сопла, расход защитного газа и расстояние от сопла до изделия (оно должно быть 5-- 40 мм).

Преимущества сварки в защитных газах следующие:

нет необходимости применять флюсы или покрытия, следовательно, не требуется очищать швы от шлака;

высокая производительность и степень концентрации тепла источника позволяют значительно сократить зону структурных превращений;

незначительное взаимодействие металла шва с кислородом и азотом воздуха;

простота наблюдения за процессом сварки;

возможность механизации и автоматизации процессов.

Иногда применяют двойную защиту сварочной дуги (комбинированную). Надежность защиты зоны сварочной дуги зависит от теплофизических свойств и расхода газа, а также от конструктивных особенностей горелки и режима сварки. Подаваемые в зону сварочной дуги защитные газы влияют на устойчивость дугового разряда, расплавление электродного металла и характер его переноса. Размер капель электродного металла уменьшается с увеличением сварочного тока, а увеличение глубины проплавления с увеличением сварочного тока связано с более интенсивным вытеснением жидкого металла из-под электрода вследствие давления сварочной дуги.

При сварке плавящимся электродом дуга горит между изделием и расплавляемой сварочной проволокой, подаваемой в зону сварки. По сварке неплавящимся электродом (вольфрамовые прутки) сварочная дуга может быть прямого или косвенного действия. Разновидностью сварочной дуги косвенного действия может быть дуга, горящая между вольфрамом, и беспрерывно подаваемой в зону дуги сварочной проволокой.

Защитное свойство струи инертного газа зависит от чистоты газа, параметров струи и режима сварки. Одним из наглядных способов оценки защитных свойств является определение диаметра зоны катодного распыления при возбуждении дуги переменного тока между вольфрамовым электродом и свариваемым металлом. В период, когда катодом является свариваемый металл, происходит вырывание частиц металла с поверхности сварочной ванны и соседних зон относительно холодного металла.

Степень катодного распыления зависит главным образом от массы положительных ионов, которые в процессе сварки бомбардируют катод. Например, в среде аргона наблюдается более интенсивное катодное распыление, чем в среде гелия. По убывающей склонности к катодному распылению металлы располагают в следующем порядке: Мg, Аl, Si, Zn, W, Fe, Ni, Рt, Сu, Вi, Sn, Sb, Рb, Аg, Cd.

Сварочную дугу в защитных газах можно классифицировать по следующим основным признакам:

применяемому для защиты зоны сварки газу -- активному или нейтральному;

способу защиты зоны сварки -- одиночным газом, смесью газов или комбинированным;

применяемому для сварки электроду -- плавящемуся или неплавящемуся;

применяемому току -- постоянному или переменному.

7. Опишите режущий инструмент и технологическую оснастку сверлильных станков, приведите и охарактеризуйте схемы обработки на этих станках

Для обработки деталей на сверлильных станках применяют сверла, зенкеры, развертки, метчики и комбинированные инструменты.

Сверла по конструкции подразделяют на спиральные, центровые и специальные. Наибольшее распространение получили спиральные сверла. Спиральное сверло (рис. 81, а) имеет рабочую часть 1Ъ шейку 12, хвостовик 1Я и лапку 14. Хвостовик служит для закрепления сверла на станке, лапка предохраняет хвостовик при выбивании сверла из шпинделя станка. Рабочая часть имеет режущую 1Ъ и направляющую 1в части с винтовыми канавками. Кроме двух главных режущих кромок 1(рис. 81, б) на рабочей части сверла различают поперечную 2 и вспомогательную 3 режущие кромки. Основную работу по резанию выполняют главные режущие кромки, образованные пересечением передних 4 и задних 5 поверхностей. Вдоль винтовых канавок расположены две узкие ленточки 6, обеспечивающие направление сверла при резании.

Рис. 81. Части, элементы и геометрия спирального сверла

Условия работы сверла определяют его геометрические параметры. Передний угол у измеряют в главной секущей плоскости, которую проводят перпендикулярно к главной режущей кромке. Задний угол а измеряют в плоскости, проходящей через точку режущей кромки параллельно оси сверла. В различных точках главной режущей кромки главные передние и задние углы различны. У наружной поверхности сверла у имеет наибольшую величину, a а - наименьшую; ближе к оси - наоборот. Угол при вершине сверла ср измеряют между главными режущими кромками. Угол наклона поперечной режущей кромки измеряют между проекциями главной и поперечной режущих кромок на плоскость, перпендикулярную оси сверла. Наклон винтовой канавки характеризуют углом со, измеряемым по наружному диаметру. Рекомендуемые геометрические параметры сверла приведены в справочной литературе.

Зенкеры используют для обработки отверстий, предварительно полученных литьем, ковкой или сверлением, и различают по назначению и по конструкции. По виду обрабатываемых поверхностей зенкеры делят на цилиндрические (рис. 82, а, б), конические (рис. 82, в) и торцовые (рис. 82, г). Их делают цельными с коническими хвостовиком, насадными, а также с припаянными пластинками инструментального материала. Цельный спиральный зенкер отличается от сверла большим числом режущих кромок и отсутствием поперечной режущей кромки. Обработка зенкером обеспечивает более высокую производительность и точность по сравнению с производительностью и точностью обработки сверлом, однако при помощи зенкера невозможно сделать отверстия в сплошном материале.



Рис. 82. Инструменты для обработки отверстий на сверлильных станках

Развертки - многолезвийный инструмент для окончательной обработки отверстий. По форме обрабатываемого отверстия развертки бывают цилиндрические (рис. 82, д, е) и конические, по конструкции - цельные (рис. 82, е) и со вставными зубьями (рис. 82, д), цельные с хвостовиком и насадные. Развертки срезают слои материала сравнительно небольшой глубины и обеспечивают высокую точность отверстий.

В крупносерийном и массовом производствах для повышения производительности применяют комбинированный инструмент (рис. 82, ж).

Метчики (рис. 82, з) предназначены для нарезания внутренней резьбы и представляют собой винт, на котором прорезаны прямые или винтовые канавки, в результате чего образуются режущие кромки. Метчик закрепляют в специальном патроне.

Режущие инструменты закрепляют в шпинделе станка с помощью различных приспособлений. Если размеры конического хвостовика инструмента и конического отверстия шпинделя станка совпадают, то инструмент устанавливают непосредственно в шпиндель (рис. 83, а). Силы трения удерживают его от выпадания и обеспечивают передачу необходимого для сверления крутящего момента. При меньших размерах конического хвостовика инструмента применяют конические переходные втулки (рис. 83, б). Инструменты небольших диаметров с цилиндрическим хвостовиком закрепляют в различных по конструкции патронах. В цанговом патроне (рис. 83, в) цанга 1 закрепляет инструмент, сжимаясь под действием втулки 2 при ее навинчивании на корпус патрона 3.

Рис. 83. Способы закрепления инструмента на сверлильных станках

К режиму резания при сверлении относят скорость резания v, подачу s и глубину резания t.

Скорость резания

где D -диаметр, мм; п - частота вращения инструмента, об/мин.

Глубина резания при сверлении t = 0,5D, а при рассверливании, зенкеровании и развертывании отверстия в заготовке (диаметром d) t = 0,5 (D - d).

Перед обработкой заготовку на сверлильных станках устанавливают с помощью универсальных и специальных приспособлений. Специальные приспособления применяют в крупносерийном и массовом производствах для быстрой и точной установки заготовки относительно инструмента. Каждое такое приспособление, как правило, может быть использовано только для одной заготовки. Универсальные приспособления применяют в индивидуальном и мелкосерийном производствах. К ним относятся, например, машинные тиски, поворотные столы, прижимные планки, призмы и др.

На сверлильных станках производят сверление,, зенкерование, развертывание, зенкование, цекование, нарезание резьбы и обработку сложных комбинированных поверхностей (рис. 84). Сверлением (рис. 84, а) получают сквозные и глухие цилиндрические отверстия. Рассверливание (рис. 84, б) спиральным сверлом производят для увеличения диаметра отверстия. Диаметр отверстия под рассверливание выбирают так, чтобы поперечная режущая кромка в работе не участвовала. Зенкерование (рис. 84, в) также применяют для увеличения диаметра отверстия заготовки. В отличие от рассверливания зенкерование обеспечивает большую производительность и точность обработки.

Развертыванием (рис. 84, г) получают высокую точность и малую шероховатость обработанной поверхности. Развертывают цилиндрические и конические отверстия. Для развертывания конических отверстий цилиндрические отверстия в заготовке сначала обрабатывают коническим ступенчатым зенкером (рис. 84, .«), а затем конической разверткой (рис. 84, н) со стружкоразде-лительными канавками и окончательно - конической разверткой (рис. 84, о) с гладкими режущими кромками. Зенкованием обрабатывают цилиндрические (рис. 84,) и конические (рис. 84, е) углубления под головки болтов и винтов.



Рис. 84. Схемы обработки поверхностей на сверлильных станках

Обработку ведут зенкерами специальной конструкции, называемыми зенковками. Некоторые зенковки (рис. 84, д) имеют направляющую часть, которая обеспечивает соосность углубления и основного отверстия. Цекованием (рис. 84, ж, з) обрабатывают торцовые плоскости, которые являются опорными поверхностями головок болтов, винтов и гаек. Перпендикулярность торца основному отверстию достигается наличием направляющей части у цельной нековки (рис. 84,ж) и у пластинчатого резца (рис. 84, з). Нарезание резьбы (рис. 84, к) производят метчиком. Комбинированным инструментом получают сложные поверхности (рис. 84, и, л). Рассмотренные схемы обработки применяют и на станках с ЧПУ.