Производство и обработка стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. СТАЛЬ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ, ИХ СУЩНОСТЬ

Сталью называется деформируемый сплав железа с углеродом и другими элементами. В состав стали, как правило, входят углерод, марганец, кремний, сера, фосфор. При получении стали со специальными свойствами в металл вводят легирующие добавки: хром, никель, молибден, вольфрам, медь, ниобий, ванадий и др., а также в увеличенных количествах марганец и кремний.

Получение железа в чистом виде является трудоемким и дорогим процессом. Механические свойства, в частности прочность, у стали значительно выше, чем у чистого железа. Железо в чистом виде - материал дорогой и его используют только для специальных целей. Обычно в технике и в быту применяют сталь.

Основной примесью, входящей в состав стали, является углерод. Он в значительной мере определяет свойства стали и по его содержанию железоуглеродистые сплавы делят на сталь и чугун.

При содержании углерода ниже 1,7-2% сплав железа с углеродом называют сталью, выше - чугуном (от 1,7% до 2,8-3% С - сталистые чугуны, выше 3% - обычные чугуны). Сталь обладает высокой пластичностью при высоких температурах, способна при нагреве коваться, прокатываться. Чугун этими свойствами не обладает. Имея температуру плавления, значительно меньшую, чем сталь, чугун обладает хорошими литейными качествами и широко применяется в литейном производстве. В настоящее время выплавляют стали, содержащие углерода, как правило, не более 1,2%, и чугуны с 3,5-4,5% С.

Литейное производство состоит из отдельных производственных единиц, называемых цехами, службами и хозяйствами. Цехи завода разделяются на основные, вспомогательные и побочные.

Основные цехи (литейные цеха) работают непосредственно над созданием промышленной продукции.

Производственные службы и хозяйства подразделяются на складские, энергетические, транспортные, санитарно-технические и общезаводские.

Органы управления предприятием осуществляют организацию производственного процесса и его контроль, обеспечивают разработку технической документации и технологической оснастки, бухгалтерский учет, сбыт готовой продукции и др.

Производство-система включает следующие подсистемы связи металлургического и машиностроительного производств: добычу руды - получение кокса - обогащение руды - производство чугуна в доменной печи - производство стали - разливку стали - прокатку - механообработку - производство литых заготовок, т.е. имеет место прямая материальная связь металлургии с машиностроением.

Действительно, после добычи руды и коксующегося угля их направляют на подготовку и переработку, которая для кокса сводится к нагреву в коксовых батареях, а для руды - к ее измельчению, обогащению (например, агломерацией) и окускованию. Подготовленные таким образом исходные материалы поступают в доменную печь, где и происходят восстановление железа из оксидов и его насыщение углеродом и другими примесями. В случае выплавки предельного чугуна последний направляется в сталеплавильные печи, в которых из него получают сталь. Сталь разливается в слитки, из которых после прокатки получают заготовки для обработки резанием на станках или готовый продукт (рельсы, балки, лист, трубы), поступающий в промышленность (национальную экономику, ранее именуемую народным хозяйством). Литейный чугун в виде чушек переплавляется в плавильных агрегатах литейных цехов машиностроительных заводов. Из этого чугуна получают литые заготовки, большая часть из которых проходит механическую обработку на станках, в виде готовых деталей подается на сборку и используется в народном хозяйстве.

В свою очередь машиностроительное производство и промышленность национальной экономики поставляют отходы металлообработки (стружку) и лом черных металлов (вторчермет) заводам по производству стали, завершая кругооборот металла.

В данной технологической подсистеме человек осуществляет роль контролера в технологических процессах, проводит анализ влияния факторов на качество выпускаемой продукции, разрабатывает технологические процессы производства и др.

Процессы производства стали представляют собой сложные комплексы физико-химических превращений, происходящих при высоких температурах. Участие в процессах принимают одновременно многие компоненты, находящиеся в различных агрегатных состояниях: в твердом (футеровка плавильных агрегатов, добавочные материалы и т.д.), жидком (металл, шлак) и газообразном (атмосфера печи, продуваемый через металл воздух или кислород и т.п.).

Непрерывно повышаются требования к качеству металла, к уровню технико-экономических показателей того или иного процесса. Для выполнения этих требований необходимо непрерывно углублять знания в области теории металлургических процессов. Попытки использовать достижения физической химии для понимания и усовершенствования металлургических процессов были сделаны в 20-30-х годах ХХ в. Пионерами применения законов физической химии в металлургии в СССР были В.Е. Грум-Гржимайло, В.А. Байков, М.М.Карнаухов. Сейчас невозможны не только развитие и усовершенствование сталеплавильных процессов, но и получение качественной стали без использования для этой цели основных положений физической химии. При изучении металлургии стали, следует иметь в виду также тесную связь металлургии стали с химией, физикой, теплотехникой, металлографией и другими науками.

Очень часто основные характеристики процесса (коэффициенты, параметры и т.п.), используемые при решении практических задач, получают экспериментально в лабораторных условиях. Однако результаты, полученные в лабораторных условиях (маленькие ванны, маленькие слитки и т.п.), не всегда совпадают с результатами, полученными в заводских условиях. Кроме того, в заводских условиях могут одновременно действовать очень много факторов, которые не всегда легко учесть в лабораторных условиях.

Для получения возможно более достоверной информации о процессе желательно сочетание, по крайней мере, трех методов: расчетного (на основании известных закономерностей и данных); экспериментального (в лабораторных условиях); опытного (в заводских условиях).

Время выправления стали в металлургическом производстве зависит от качества конечного изделия и варьируется в пределах от 8 до 20 часов.

Производство стали. Сталь - это сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%.

Наиболее распространенные печи, применяемые для производства стали: мартеновские, конверторные, электродуговые, индукционные.

Мартеновская печь построена в середине ХIХ в. и с тех пор ее конструкция не претерпела принципиальных изменений. Она отапливается газом или мазутом. Температура факела достигает 1800є С. Современные мартеновские печи имеют емкость свыше 500 т при глубине ванны более 1м.

Кислородно-конвертерный способ выплавки стали считается более прогрессивным, так как он создает высокий перегрев расплава, а продолжительность цикла не превышает одного часа. Конвертерное производство характеризуется высокой производительностью, не требует топлива, так как разогрев идет за счет экзотермических реакций горения Si, Mn и С, позволяет перерабатывать лом и получать легированные стали, но оно привязано к доменному цеху, не гарантирует стабильного от плавки к плавке состава стали и отличается от других способов выплавки стали высокими потерями металла на угар.

Электродуговые печи обеспечивают низкий угар легирующих элементов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широкое применение для выплавки сталей специального назначения, таких как инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и т.д.

На машиностроительных заводах широкое применение для выплавки стали находят и тигельные индукционные печи. Разогрев и плавление шихты осуществляется за счет токов Фуко, возникающих в ней при подаче на индуктор тока высокой частоты от лампового или машинного генератора. Образующийся на поверхности расплавленного металла шлак имеет низкую температуру и высокую вязкость, что затрудняет проведение металлургических операций. Поэтому печи этого типа применяются для расплавления твердой шихты, а не для переработки чугуна в сталь.

После завершения плавки жидкую сталь выливают в ковши и подают на разливку в изложницы или на установки непрерывной разливки стали (УНРС). Для разливки чаще всего используются стопорные ковши, сварной массивный кожух которых выкладывается огнеупорным шамотным кирпичом. Специальный стопор, представляющий собой штангу с нанизанными на нее цилиндрами из шамота, закрывает отверстие в днище ковша.

Подготовка производства состоит из следующих этапов:

1) анализ исходных данных;

2) разработка технологического процесса плавки;

3) разработка технологических процессов литья в различные формы;

4) проектирование специальных инструментов, приспособлений и технологического оборудования;

5) изготовление специальных инструментов, приспособлений и оборудования;

6) внедрение технологического процесса.

По распространенной в настоящее время схеме металлургического производства получение стали осуществляется в две стадии:

1) восстановление в доменных печах железа и руды;

2) окисление в сталеплавильных агрегатах углерода, кремния, марганца, фосфора, удаление серы, т.е. получение из чугуна стали нужного состава.

Естественно поэтому, что идея создания процесса получения железа непосредственно из руды, но более совершенным по сравнению с сыродутным способом, привлекала и привлекает внимание металлургов.

В настоящее время имеется ряд технологический решений процесса прямого получения железа из руд, которые прошли достаточно широкое промышленное опробование. Получаемый этими способами продукт называют по-разному: продуктом прямого восстановления, металлизованным продуктом, губчатым железом и др., а процесс получения этого продукта - процессом прямого восстановления, или процессом металлизации. Под степенью металлизации понимается обычно процент восстановления железа, содержащегося в сырье.

Весьма заманчивой является возможность использования для процесса прямого восстановления атомной энергии ( например, получение водорода с помощью дешевой энергии из воды, подогрев ее до температур около 1000єС и восстановление им распыленной железной руды или получение непосредственного из каких-либо распространенного углеводорода нагретого восстановительного газа и использование его затем для прямого восстановления железа). Сегодня получение температур нагрева до 950 - 1000єС уже является реальностью.

В настоящее время лишь около 2% выплавляемой в мире стали производится с использованием материалов, полученных на установках прямого восстановления.

Современный период развития металлургической технологии характеризуется постепенным выносом операций, обеспечивающих получение металлов высокого качества, непосредственно из плавильного агрегата во вспомогательный агрегат или в специально оборудованный ковш. Роль самих плавильных агрегатов все больше сводится к получению жидкого полупродукта определенного состава и температуры. Существовавшие до последнего времени заметные отличия в технологии получения качественной стали в крупных конвертерах, мартеновских или электродуговых печах постепенно нивелируются, особенно если окисление примесей в этих агрегатах осуществляется с помощью продувки ванны кислородом.

В различных промышленно развитых странах на отдельных заводах ежегодно создаются новые варианты конструкций агрегатов для обработки жидкой стали с целью повышения ее качества, появляются новые процессы и разновидности уже существующих процессов.

2. СУЩНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОВКИ. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ, ИНСТРУМЕНТЫ, И ОБОРУДОВАНИЕ. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Ковка металла представляет собой довольно сложный технологический процесс. Сама сущность процесса ковки металлов заключается в том, что металлическая заготовка деформируется и приобретает необходимую форму под воздействием ручных инструментов или пресса (гидравлического или пневматического молота). При этом улучшается прочность металла, его механические свойства и структура заготовки. В любом случае - и при ручной, и при автоматизированной ковке - совершаются возвратно-поступательные движения ударного инструмента, это может быть или ручной молот, или боек пресса. Все технологические операции, равно, как и сам процесс ковки, разделяются на несколько видов и этапов. Ковка металлов бывает ручная или автоматическая.

Последовательный технологический процесс ковки представляет собой работу молотом (кувалдой) на наковальне и состоит из нескольких последовательных операций (в данной статье операции ковки описаны вкратце, разделопераций ковки тут, или смотрите подробности отдельных операций по ссылкам в статье):

1. Осадка заготовки. Применяется для того, чтобы увеличить площадь сечения заготовки для продолжения следующих операций над заготовкой. При осадке слитка или прокатной заготовки исходное сечение уменьшается и приобретает требуемый вид для вытяжки заготовки.

2. Вытяжка применяется для того, чтобы увеличить общую длину слитка, уменьшенную в результате осадки. Удары наносятся вдоль оси заготовки, но чрезмерное удлинение заготовки может привести к неправильному изгибу слитка, что впоследствии придется исправлять. Как разновидность процесса вытяжки можно рассматривать раздачу заготовки и ее расплющивание. Расплющиванием добиваются увеличения общей площади заготовки. Раздача служит для увеличения диаметров пустотелых заготовок. Возможно совмещение этих двух процессов для более эффективного результата в получении требуемой формы заготовки.

3. Прошивка - операция, при помощи которой в заготовке делаются углубления или отверстия.

4. Закручивание слитка (заготовки). При закручивании осуществляется поворот одной части заготовки относительно другой.

5. Рубка заготовки разделяет заготовку на несколько частей. Если заготовка слишком большая, то ее рубят на несколько частей требуемого размера. Также рубкой приводят изделие к окончательной форме, удаляя лишний металл. Как разновидность рубки применяется вырубка металла из заготовки.

6. Гибка заготовки. В процессе гибки полностью меняется направление оси слитка или прокатной заготовки.

7. Сварка заготовок. Соединение в одно целое нескольких заготовок, в основном из стали низкоуглеродистого состава.

Автоматическая ковка металла представляет собой те же технологические операции, но с применением прессов и кузнечных молотов (пневматических или гидравлических). На прессе(молоте) также можно производить ковку заготовок любого размера, предпочтительнее больших слитков и заготовок, которые не поддаются ручной ковке. Боек молота может иметь вес от 0,5 кг до 500 кг. В процессе горячей ковки необходимо соблюдать температурный интервал нагрева и подогрева заготовок, сам нагрев осуществляется в горне. Свободная ковка металла подразумевает воздействие на металл во всех направлениях как ручным способом (кувалда), так и при помощи пресса. Проводят технологический процесс свободной ковки для того, чтобы получить единичную заготовку определенной формы, или несколько заготовок, изготовление которых большими партиями не требуется. При свободной ковке предпочтительнее применять ручную ковку, так как она дает большую свободу действия при придании заготовке требуемой формы.

На данный момент ковка металла - один из самых экономичных способов изготовления заготовок из металла для последующей их обработки и придания им законченного вида. Свободная ковка используется чаще при изготовлении единичных заготовок, а в серийном производстве экономически выгоднее применять ковку штампами, или автоматическую ковку.

3. ТЕХНОЛОГИЯ И РЕЖИМ ГАЗОВОЙ СВАРКИ: ПОДГОТОВКА ДЕТАЛЕЙ К СВАРКЕ, НАКОНЕЧНИКА И ПРИСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА. УКАЖИТЕ ПРИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ СВАРКЕ

Способ газовой сварки был разработан в конце прошлого столетия, когда начиналось промышленное производство кислорода, водорода и ацетилена. В тот период газовая сварка являлась основным способом сварки металлов и обеспечивала получение наиболее прочных сварных соединений. В дальнейшем с созданием и внедрением высококачественных электродов для дуговой сварки, автоматической и полуавтоматической дуговой сварки под флюсом и в среде защитных газов (аргона, гелия и углекислого газа и др.), газовая сварка была постепенно вытеснена из многих производств этими способами электрической сварки. Тем не менее, и до настоящего времени газовая сварка металлов наряду с другими способами сварки широко применяется в народном хозяйстве.

Сущность процесса газовой сварки заключается в том, что свариваемый и присадочный металлы расплавляются за счет тепла пламени горелки, получающегося при сгорании какого-либо горючего газа в смеси с кислородом. Наиболее распространенным газом является ацетилен. В процессе сварки металл соприкасается с газом пламени, а вне пламени - с окружающей средой, обычно с воздухом. В результате металл подвергается изменениям, характер которых зависит от свойств металла, способа и режима сварки. Наибольшим изменениям подвергается металл, расплавляющийся в процессе сварки. При этом изменяется содержание примесей и легирующих добавок в металле. Одновременно может происходить обогащение его кислородом, в некоторых случаях и водородом, азотом, углеродом. Одним из наиболее распространенных процессов, происходящих при взаимодействии пламени с металлом, является окисление.

При сварке сталей в металле сварочной ванны образуется закись железа FeO, которая реагирует с кремнием и марганцем внутри сварочной ванны; вредные примеси выводятся в шлак, либо удаляются в виде газов. В процессе газовой сварки, кроме расплавления металла сварочной ванны, происходит нагрев и основного свариваемого метала до достаточно высоких температур, приближающихся к температуре плавления на границе раздела со сварочной ванной. Поэтому при сварке одновременно происходит ряд сложных процессов, связанных с расплавлением металла, его взаимодействие с газами и шлаками, последующей кристаллизацией, а также с нагревом и охлаждением металла в твердом состоянии как в пределах шва, так и в основном металле и в зоне термического влияния. Расплавленный металл сварочной ванны представляет сплав основного и присадочного металлов. В результате взаимодействия газов пламени и флюс он изменяет собой состав. По мере удаления пламени горелки металл кристаллизуется в остывающей части ванны. Закристаллизовавшийся металл сварочной ванны образует металл шва. Шов имеет структуру литого металла с вытянутыми укрупненными кристаллами, направленными к центру шва.

Для выполнения сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало достаточной тепловой мощностью. Мощность пламени горелки определяется количеством ацетилена, проходящего за один час через горелку, и регулируется наконечниками горелки. Мощность пламени выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и его свойств. Количество ацетилена в час, необходимое на 1 мм толщины свариваемого металла, устанавливается практикой. Например, при сварке низкоуглеродистой стали на 1 мм толщины свариваемого металла требуется 100--130 дм3 ацетилена в час. Чтобы узнать требуемую мощность пламени, надо умножить удельную мощность на толщину свариваемого металла в миллиметрах.

Для сварки различных металлов требуется определенный вид пламени -- нормальное, окислительное, науглероживающее. Газосварщик регулирует и устанавливает вид сварочного пламени на глаз. При ручной сварке сварщик держит в правой руке сварочную горелку, а в левой -- присадочную проволоку. Пламя горелки сварщик направляет на свариваемый металл так, чтобы свариваемые кромки находились в восстановительной зоне на расстоянии 2--6 мм от конца ядра. Конец присадочной проволоки должен находиться в восстановительной зоне или в сварочной ванне.

Сварочное пламя образуется при сгорании горючего газа или паров горючей жидкости в кислороде. Пламя нагревает и расплавляет основной и присадочный металл в месте сварки. Наибольшее применение при газовой сварке нашло кислородно-ацетиленовое пламя, так как оно имеет высокую температуру (3150° С) и обеспечивает концентрированный нагрев. Однако в связи с дефицитностью ацетилена в настоящее время получили широкое распространение (особенно при резке металлов) газы-заменители ацетилена -- пропан-бутан, метан, природный и городской газы, водород.

Рисунок 1 Распределение температуры по оси нормального газового пламени

От состава горючей смеси, т. е. от соотношения кислорода и горючего газа, зависит внешний вид, температура и влияние сварочного пламени на расплавленный металл. Изменяя состав горючей смеси, сварщик тем самым изменяет основные параметры сварочного пламени.

Для получения нормального пламени отношение кислорода к горючему газу должно быть для ацетилена 1,1--1,2, природного газа 1,5--1,6, пропана -- 3,5. Все горючие газы, содержащие углеводороды, образуют сварочное пламя, которое имеет три ярко различимые зоны: ядро, восстановительную зону и факел. Водородное пламя ярко различимых зон не имеет, что затрудняет его регулировку по внешнему виду.

При зажигании газовой струи, вытекающей из сопла, пламя перемещается по направлению движения струи газовой смеси. Скорость истечения для каждого газа подбирается такой, чтобы пламя не проникало внутрь сопла горелки и не отрывалось от него. Газ в струе должен прогреваться до температуры воспламенения, ацетилен воспламеняется при температуре 450--500° С, а газы-заменители -- 550--650° С. Поэтому ядро пламени при сгорании газов-заменителей длиннее, чем при сгорании ацетилена.

В зависимости от соотношения между кислородом и ацетиленом получают три основных вида сварочного пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее. Нормальное пламя теоретически получают тогда, когда в горелку на один объем кислорода поступает один объем ацетилена. Практически кислорода в горелку подают несколько больше -- от 1,1 до 1,3 от объема ацетилена. Нормальное пламя характеризуется отсутствием свободного кислорода и углерода в его восстановительной зоне. Кислорода в горелку подается немного больше из-за небольшой его загрязненности и расхода на сгорание водорода. В нормальном пламени ярко выражены все три зоны.

Ядро имеет резко очерченную форму (близкую к форме цилиндра), плавно закругляющуюся в конце, с ярко светящейся оболочкой. Оболочка состоит из раскаленных частиц углерода, которые сгорают в наружном слое оболочки. Размеры ядра зависят от состава горючей смеси, ее расхода и скорости истечения. Диаметр канала мундштука горелки определяет диаметр ядра пламени, а скорость истечения газовой смеси -- его длину.

Площадь поперечного сечения канала мундштука горелки прямо пропорциональна толщине свариваемого металла. Сварочное пламя не должно быть слишком «мягким» или «жестким». Мягкое пламя склонно к обратным ударам и хлопкам, жесткое -- способно выдувать расплавленный металл из сварочной ванны. При увеличении давления кислорода скорость истечения горючей смеси увеличивается и ядро сварочного пламени удлиняется, при уменьшении скорости истечения -- ядро укорачивается. С увеличением номера мундштука размеры ядра увеличиваются. Температура ядра достигает 1000° С.

Восстановительная (средняя) зона располагается за ядром и по своему более темному цвету заметно отличается от него. Длина ее зависит от номера мундштука и достигает 20 мм. Зона состоит из продуктов неполного сгорания ацетилена -- окиси углерода и водорода. Она называется восстановительной, так как окись углерода и водорода раскисляют расплавленный металл, отнимая кислород от его окислов Если в процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны находится в средней зоне, то сварочный шов получается без пор, газовых и шлаковых включении. Этой зоной пламени и производится сварка Восстановительная зона имеет наиболее высокую температуру (3150°С) в точке, отстоящей на 3--6 мм от конца ядра Схема нормальною ацетилено-кислородного пламени и график распределения температур по его длине, а также состав пламени по зонам.

Зона полного сгорания (факел) располагается за восстановительной зоной. Она состоит из углекислого газа, паров воды и азота, которые образуются в пламени при сгорании окиси углерода и водорода восстановительной зоны за счет кислорода окружающего воздуха. Температура этой зоны значительно ниже, чем температура восстановительной, и колеблется от 1200 до 2500°С

Окислительное пламя получается при избытке кислорода, при подаче в горелку на один объем ацетилена более 1,3 объема кислорода. При этом ядро приобретает конусообразную форму, значительно сокращается по длине, становится с менее резкими очертаниями и приобретает более бледную окраску. Сокращается по длине также восстановительная зона и факел. Все пламя приобретает синевато-фиолетовую окраску. Пламя горит с шумом, уровень которого зависит от давления кислорода Температура окислительного пламени выше нормального, однако сваривать стали таким пламенем нельзя из-за наличия в пламени избытка кислорода Избыток кислорода приводит к окислению металла шва, шов получается пористым и хрупким. Окислительное пламя можно применять при сварке латуни и пайке твердыми припоями. Науглероживающее пламя получается при избытке ацетилена, когда в горелку на один объем ацетилена подается 0,95 и менее объема кислорода. Ядро такого пламени теряет резкость своего очертания, на конце его появляется зеленый венчик, по которому судят об избытке ацетилена. Восстановительная зона значительно светлее и почти сливается с ядром, а факел приобретает желтоватую окраску. При большом избытке ацетилена пламя начинает коптить, так как в нем ощущается недостаток кислорода, необходимого для полного сгорания ацетилена. Находящийся в пламени избыточный углерод легко поглощается расплавленным металлом и ухудшает качество металла шва. Температура науглероживающего пламени ниже, чем нормального и окислительного. Уменьшая подачу ацетилена в горелку до полного исчезновения зеленого венчика на конце ядра, ацетиленовое пламя превращается в нормальное. Слегка науглероживающее пламя применяют для сварки чугуна и при наплавке твердыми сплавами. Характер сварочного пламени сварщик определяет на глаз по форме и окраске пламени. При регулировании пламени необходимо обращать внимание на правильность подбора расхода горючего газа и кислорода.

Вытекающая из мундштука горючая смесь оказывает механическое воздействие на расплавленный металл сварочной ванны и формирует валик шва. Жидкий металл отжимается к краям ванны. Характер формообразования металла зависит от угла наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла.

Качество наплавленного металла и прочность сварного шва зависят от состава пламени, поэтому во время сварки сварщик должен следить за его характером, регулировать ею состав в течение всего процесса сварки. Характер пламени подбирают в зависимости от свариваемого металла и его свойств. Для сварки сталей требуется нормальное пламя, для сварки чугуна, наплавки твердых сплавов -- науглероживающее, для сварки латуни -- окислительное пламя.

Способы сварки

Левым способом газовой сварки (рис. 3, б) называется такой способ, при котором сварка производится справа налево, сварочное пламя направляется на еще несваренные кромки металла, а присадочная проволока перемещается впереди пламени. Левый способ наиболее распространен и применяется при сварке тонких и легкоплавких металлов. При левом способе сварки кромки основного металла получают предварительный подогрев, что обеспечивает хорошее перемешивание сварочной ванны. При этом способе сварщик хорошо видит свариваемый шов, поэтому внешний вид шва лучше, чем при правом способе.

Рисунок 3 Способы перемещения горелки (способы газовой сварки)

Правым способом сварки (рис. 3, а) называется такой способ, когда сварка производится слева направо, сварочное пламя направляется на сваренный участок шва, а присадочная проволока перемещается вслед за горелкой. Мундштуком горелки при правом способе выполняют незначительные поперечные колебания. Так как при правом способе пламя направлено на сваренный шов, то обеспечивается лучшая защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха и замедленное охлаждение металла шва в процессе кристаллизации. Качество шва при правом способе выше, чем при левом. Тепло пламени рассеивается меньше, чем при левом способе. Поэтому при правом способе сварки угол разделки шва делается не 90°, а 60--70°, что уменьшает количество наплавляемого металла и коробление изделия.

Правый способ экономичнее левого, производительность сварки при правом способе на 20--25% выше, а расход газов на 15--20 меньше, чем при левом. Правый способ целесообразно применять при сварке деталей толщиной более 5 мм и при сварке металлов с большой теплопроводностью. При сварке металла толщиной до 3 мм более производительным является левый способ. Мощность сварочной горелки для стали при правом способе выбирается из расчета 120--150 дмэ/ч ацетилена, а при левом -- 100--130 дм3/ч ацетилена на 1 мм толщины свариваемого металла.

Диаметр присадочной проволоки выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки. При левом способе сварки диаметр присадочной проволоки d=s/2-f 1 мм, а при правом d=s/2 мм, где s -- толщина свариваемого металла, м.

Подготовка кромок и сборка под сварку

Перед газовой сваркой кромки свариваемого металла и прилегающие к ним участки должны быть очищены от ржавчины, окалины, краски и других загрязнений. Очищают свариваемые кромки металлической щеткой и пламенем сварочной горелки с последующей зачисткой металлической щеткой. Перед сваркой детали соединяют друг с другом сваркой в отдельных местах короткими швами с тем, чтобы в процессе сварки зазор между ними оставался бы постоянным. Эти соединения называются прихватками. Размеры прихваток и расстояние между ними выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и длины шва.

При сварке тонкого металла и коротких швах длина прихваток не должна превышать 5 мм, а расстояние между ними --50--100 мм. При сварке толстолистовой стали и швов значительной длины длина прихваток может составлять 20--30 мм при расстоянии между ними 300-- 500 мм. Прихватки выполняют на тех же режимах, что и сварку. Во время сварки особое внимание необходимо обращать на тщательное проваривание участка прихватки во избежание не провара в этих местах.

Стыковые швы можно сваривать и без прихваток, в этом случае для сохранения постоянного зазора в процессе сварки листы укладывают так, чтобы они образовывали между собой небольшой угол. По мере сварки листы стягиваются за счет поперечной усадки шва и,таким образом, величина зазора остается постоянной но всей длине шва. От правильной и тщательной подготовки и сборки деталей под сварку во многом зависит качество, внешний вид сварочного соединения, его надежность и прочность. При сварке длинных швов применяется ступенчатая и обратноступенчатая сварка. При данных способах сварки весь шов разбивается на участки, которые сваривают в определенном порядке. Схема наложения швов показана на. При наложении каждого последующего участка предыдущий участок перекрывают на 10--20 мм в зависимости от толщины свариваемого металла. В зависимости от положения в пространстве сварные швы подразделяются на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные. Нижние швы сваривать наиболее легко, так как расплавленный присадочный металл под действием силы тяжести стекает в кратер и не вытекает из сварочной ванны. Кроме того, наблюдение за сваркой нижнего шва наиболее удобно. Нижние швы свариваются как левым, так и правым способами в зависимости от толщины свариваемого металла.

Вертикальные швы сваривают при малых толщинах сверху вниз -- правым способом и левым способом -- снизу вверх. При сварке металла толщиной от 2 до 20 мм вертикальные швы целесообразно выполнять способом двойного валика. В этом случае скоса кромок не делают и свариваемые детали устанавливают с зазором, равным половине толщины свариваемого металла. Процесс ведется снизу вверх.

При толщинах более 6 мм сварка выполняется двумя сварщиками. При этом способе в нижней части стыка проплавляется сквозное отверстие, Пламя, располагаясь в этом отверстии и постепенно поднимаясь снизу вверх, оплавляет верхнюю часть отверстия. Шов формируется на всю толщину, а усиление получается с обеих сторон стыка. Затем перемещают пламя выше, оплавляя верхнюю кромку отверстия и накладывая следующий слой металла на нижнюю сторону отверстия и так до полного выполнения шва. Горизонтальные швы, при сварке которых металл стремится стечь на нижнюю кромку, сваривают правым способом, держа конец проволоки сверху, а мундштук горелки снизу ванны. Сварочная ванна располагается под некоторым углом к оси шва, что облегчает формирование шва и удерживание жидкого металла от стенания. Наибольшие трудности возникают при сварке потолочных швов При сварке этих швов кромки нагревают до начала оплавления и в этот момент в сварочную ванну вводят присадочую проволоку, конец которой быстро оплавляется. Металл сварочной ванны удерживается от стекания вниз давлением газов пламени. Сварку лучше вести правым способом и выполнять в несколько слоев с минимальной толщиной каждого слоя.

Режимы и техника газовой сварки

При необходимости использования флюса он наносится на свариваемые кромки или вносится в сварочную ванну оплавляемым концом присадочного прутка (налипающим на него при погружении во флюс). Флюсы могут использоваться и в газообразном виде при подаче их в зону сварки с горючим газом.

Ввод тепла в изделие при газовой сварке происходит по большей площади пятна нагрева. Источник тепла менее сконцентрирован, чем при других способах сварки плавлением. В результате обширной площади разогрева основного металла околошовная зона (зона термического влияния) имеет большие размеры, что приводит к образованию повышенных деформаций сварных соединений (коробление).

При газовой сварке на металл сварочной ванны активно воздействует газовая фаза всего пламени и особенно сварочной зоны, содержащей, в основном, СО + Н₂ и частично пары воды, а также СО₂, Н₂, О₂ и N₂ и некоторое количество свободного углерода. Состав газовой фазы определяется соотношением кислорода и горючего газа в газовой смеси, температурой пламени и различен в ее различных зонах. От этого зависят металлургические взаимодействия газовой фазы с металлом сварочной ванны. Основные реакции при сварке - это окисление и восстановление. Направление реакции зависит от концентрации кислорода в газовой фазе (окислительное и науглероживающее пламя), температуры взаимодействия и свойств оксида. При сварке сталей основное взаимодействие газовой фазы происходит с железом, т.е. образование его оксидов или восстановление. Элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (Al, Si, Mn, Cr и т.д.) могут интенсивно окисляться тогда, когда реакций окисления железа не проходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находясь в виде легирующих добавок, причем чем их содержание выше, тем окисление интенсивнее. Окисление таких элементов, как Al, Ti, Mg, Si и некоторых других вообще исключить не удается и для уменьшения их угара следует помимо регулирования состава газовой смеси использовать флюсы.

Ввиду относительно невысокого защитного и восстановительного действия пламени раскисление металла в сварочной ванне при сварке сталей достигается введением в нее марганца, кремния и других раскислителей через присадочную проволоку. Их действие основано на образовании жидкотекучих шлаков, способствующих самофлюсованию сварочной ванны. Образующиеся на поверхности сварочной ванны шлаки защищают расплавленный металл от кислорода, водорода и азота, газовой среды пламени и подсасываемого воздуха. Содержащийся в пламени водород может растворяться в расплавленном металле сварочной ванны. При кристаллизации металла часть не успевшего выделиться водорода может образовать поры. Азот, попадающий в расплавленный металл из воздуха образует в нем нитриды. Структурные превращения в металле шва и околошовной зоне при газовой сварке имеют такой же характер, как и при других способах сварки плавлением. Однако вследствие медленного нагрева и охлаждения металл шва имеет более крупнокристаллическую структуру с равновесными неправильной формы зернами. В нем при сварке сталей с содержанием 0,15... 0,3 углерода при быстром охлаждении может образовываться видманштеттовая структура. Чем выше скорость охлаждения металла, тем мельче в нем зерно и тем выше механические свойства металла шва. Поэтому сварку следует производить с максимально возможной скоростью.

Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, как и при дуговой сварке. Однако ее ширина значительно больше (до 30 мм при сварке стали больших толщин) и зависит от режима газовой сварки.

В процессе сварки происходит расплавление основного и присадочного металлов. Регулирование степени их расплавления определяется мощностью горелки, толщиной металла и его теплофизическими свойствами. Газовой сваркой выполняют сварные соединения различного типа. Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или, что лучше, с отбортовкой кромок без присадочного металла.

Металл толщиной 2... 5 мм с присадочным металлом сваривают встык без разделки кромок с зазором между кромками. При сварке металла свыше 5 мм используется V- или Х-образная разделка кромок. Тавровые и нахлесточные соединения допустимы только для металла толщиной до 3 мм. При большой толщине неравномерный разогрев приводит к существенным деформациям, остаточным напряжениям и возможности образования трещин.

Свариваемые кромки зачищают от загрязнений на 30... 50 мм механическими способами или газовым пламенем. Перед сваркой детали сварного соединения закрепляются в сборочно-сварочном приспособлении или собираются с помощью коротких швов прихваток. Направление движения горелки и наклон ее к поверхности металла оказывает большое влияние на эффективность нагрева металла, производительность сварки и качество шва. Различают два способа сварки: правый и левый. Внешний вид шва лучше при левом способе сварки, так как сварщик видит процесс образования шва. При толщине металла до 3 мм более производительным является левый способ сварки ввиду предварительного подогрева кромок. Однако при большой толщине металла при сварке с разделкой кромок угол скоса кромок при правом способе сварки на 10... 150 меньше, чем при левом. Угол наклона мундштука также может быть на 10... 150 меньше. В результате повышается производительность сварки. Тепловое воздействие пламени на металл зависит от угла наклона оси пламени к поверхности металла (рис. 4).

Рисунок 4 Применяемые углы наклона горелки в зависимости от толщины металла

В процессе сварки горелке сообщаются колебательные движения и конец мундштука описывает зигзагообразный путь. Горелку сварщик держит в правой руке. При использовании присадочного металла присадочный пруток держится в левой руке. Присадочный пруток располагается под углом 45° к поверхности металла. Оплавляемому концу присадочного прутка сообщают зигзагообразные колебания в направлении, противоположном движению мундштука (рисунок 5). Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. При сварке вертикальных швов "на подъем" процесс удобнее вести левым способом, горизонтальных и потолочных -правым способом.

а) при сварке стали толщиной более 3 мм в нижнем положении; б) при сварке угловых валиковых швов; 1 - движение проволоки; 2 - движение горелки; 3 - места задержек движения

Рисунок 5 Движения горелки и проволоки

сталь сварка ковка фреза

4. ОСНОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

В течение работ по сварке изделие подвергается действию критических высоких температур. Причинами образования напряжения и деформаций являются:

· нагрев материала на участке, где выполняется сварка, происходит неравномерно;

· литейная усадка;

· при остывании после нагрева в материале происходят структурные изменения в кристаллических решетках, что вызывает деформацию кристаллических зерен и далее всего изделия.

Вернуться к оглавлению

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ФРЕЗ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ И КОНСТРУКЦИИ. ПОНЯТИЕ О СКОРОСТНОМ ФРЕЗИРОВАНИИ

Из всего выпуска режущего инструмента, изготовляемого инструментальными заводами страны, свыше 30% приходится на фрезы. В настоящее время инструментальными заводами изготавливается свыше 75 типов нормализованных фрез, что составляет более 1300 типоразмеров, не считая фрез, изготавливаемых по спецзаказам.

Фрезы классифицируются по следующим признакам:

По технологическому признаку различают фрезы для обработки следующих поверхностей:

1) плоскостей;

2) пазов и шлиц;

3) фасонных поверхностей;

4) зубчатых колес и резьб;

5) тел вращения;

6) для разрезки материала.

По конструктивному признаку различают следующие типы:

1) по направлению зуба: а) с прямыми, б) с наклонными, в) с винтовыми и г) с разнонаправленными зубьями.

2) по конструкции зуба; а) с остроконечными, б) с затылованными зубьями

3. По внутреннему устройству: а) цельные, б) со вставными зубьями, в) сборные (разборные) головки.

4. По способу крепления: а) фрезы с отверстием (насадные); б) концевые (хвостовые) с цилиндрическим или коническим хвостовиком.

В табл. приведена классификация фрез по технологическому назначению.



Скоростное фрезерование, в основе которого лежит применение фрез, оснащенных твердым сплавом (в большинстве случаев с механическим креплением резцов), характеризуется относительно высокими скоростями движения частей станка и режущего инструмента, а также отделением от обрабатываемого изделия большого количества горячей отлетающей стружки. Скоростное фрезерование является наилучшим способом сокращения основного времени. Следует стремиться к тому, чтобы наибольшее количество фрезерных операций было переведено на скоростные режимы.

Скоростное фрезерование, разработка специальных конструкций фрез для снятия припусков при большой глубине резания, шабрящих фрез для чистовой обработки, повышение мощности, скоростных характеристик и жесткости фрезерных станков - все это вместе взятое решило вопрос в пользу преимущественного применения фрезерования по сравнению со строганием и при обработке крупных деталей.

Скоростное фрезерование этой детали выполняли на горизонтально-фрезерном станке 6Н83Г при следующем режиме: v 144 м / мин, s 0 05 мм / зуб, t 5 мм. Время на обработку было сокращено до 1 7 мин.

Скоростное фрезерование сопровождается обильным выбрасыванием раскаленной стружки, представляющей серьезную опасность для фрезеровщика. При скоростном фрезеровании стали стружка не завивается в такой плотный виток, как при обычном фрезеровании. Вследствие этого одинаковое весовое количество снятого металла при скоростном фрезеровании составляет значительно больший объем, чем при обычном фрезеровании.

Скоростное фрезерование Производится твердосплавным инструментом с отрицательным передним углом на жестких станках, имеющих достаточную мощность и достаточное ч исло оборотов шпинделя.

Скоростное фрезерование дает хорошую точность и чистоту.

Скоростное фрезерование обеспечивает высокую степень чистоты поверхности.

Скоростное фрезерование производится торцевыми, пазовыми, цилиндрическими и фасонными дисковыми фрезами, но чаще всего торцевыми фрезами со вставными зубьями или фрезерными головками.

Скоростное фрезерование, сверление и шлифование обеспечивают увеличение производительности на 25 - 30 % с соответствующим снижением удельного расхода электрической энергии. На каждую тонну снимаемой стальной стружки экономится 52 кет-ч электроэнергии по сравнению с обычным методом резания. Значительное увеличение производительности станка достигается при сочетании элементов силовой и скоростной обработки металлов. К сокращению машинного времени и уменьшению энергозатрат приводит применение многоместных приспособлений для обработки одновременно нескольких изделий одним или несколькими инструментами, а также совмещение нескольких операций одном станке. [

Скоростное фрезерование, в основе которого лежит применение фрез, оснащенных твердым сплавом ( в большинстве случаев с механическим креплением резцов), характеризуется относительно высокими скоростями движения частей станка и режущего инструмента, а также отделением от обрабатываемого изделия большого количества горячей отлетающей стружки.

6. ЛЕГИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

(ГОСТ 5950-73). Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам).

В сравнении с углеродистыми легированные инструментальные стали имеют следующие преимущества: хорошую прокаливаемость; большую пластичность в отожженном состоянии, значительную прочность в закаленном состоянии (см. гл. V), более высокие режущие свойства.

Низколегированные инструментальные стали содержат д о 2,5% легирующих элементов, имеют высокую твердость (HRC 62-69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость (200-260°С). В отличие от углеродистых сталей их используют для изготовления инструмента более сложной формы.

В низколегированных сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент - хром. Сталь X легирована только хромом. Повышенное содержание хрома значительно увеличивает ее прокаливаемость. Сталь X прокаливается в масле полностью в сечении до 25 мм, а сталь У10 - только в сечении до 5 мм. Применяют сталь X для изготовления токарных, строгальных и долбежных резцов. Сталь 9ХС кроме хрома легирована кремнием. По сравнению со сталью X она имеет большую прокаливаемость - до 35 мм; повышенную теплостойкость - до 250-260°С (сталь X до 200-210°С) и лучшие режущие свойства. Из стали 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки.

Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем; имеет прокаливаемость на глубину до 45 мм. Сталь ХВГ используют для производства крупных и длинных протяжек, длинных метчиков, длинных разверток и т. п.

Сталь ХВСГ - сложнолегированная сталь и по сравнению со сталями 9ХС и ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она прокаливается полностью в сечении до 80 мм. Она меньше чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9ХС. Сталь ХВСГ применяют для изготовления круглых плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

Высоколегированные инструментальные стали содержат вольфрам, хром и ванадий в большом количестве (до 18% основного легирующего элемента); имеют высокую теплостойкость (600-640°С). Их используют для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных сталей и других труднообрабатываемых материалов. Такие стали называют инструментальными быстрорежущими (ГОСТ 19265-73). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывает содержание вольфрама. Содержание хрома (4%) и ванадия (2%) в марках быстрорежущих сталей не указывают. В некоторые быстрорежущие стали дополнительно вводят молибден, кобальт и большое количество ванадия. Марки таких сталей содержат соответственно буквы М, К, Ф и цифры, указывающие их количество. Наиболее распространены Р18, Р9. Р10К5Ф5 и другие быстрорежущие стали.

Для изготовления измерительных инструментов применяют X, ХВГ и другие стали, химический состав которых приведен в ГОСТ 5950-73. Для измерительного инструмента (особенно высоких классов точности) большое значение имеет постепенное изменение размеров закаленного инструмента в течение длительного времени, что связано с уменьшением и перераспределением внутренних напряжений. Поэтому при термической обработке измерительного инструмента большое внимание уделяется стабилизации напряженного состояния. Это достигается соответствующим режимом низкого отпуска - при температуре 120-130°С в течение 15-20 ч и обработкой при температурах ниже нуля (до -60°С).

Штампы холодного деформирования небольших размеров (сечением 25-30 мм), простой формы, работающие в легких условиях, изготовляют из углеродистых сталей У10, У11, У12. Штампы сечением 75-100 мм более сложной формы и для более тяжелых условий работы изготовляют из сталей повышенной прокаливаемости X, ХВГ.