Обработка металлов давлением

Общие сведения

Обработка металлов давлением (ОМД) основана на использовании пластических свойств материалов. Эти свойства позволяют изменять форму и размеры заготовки под действием внешних сил (давления) и сохранять полученные форму и размеры после прекращения действия сил.

Различают следующие основные способы обработки металлов давлением: прокатка, прессование, профилирование, волочение, ковка, штамповка.

Для увеличения пластичности металл нагревают до температуры, при которой наиболее полно проявляются его пластические свойства. Варьируя температуру обрабатываемого материала, можно до минимума снизить остаточные (внутренние) напряжения в поковке и получить в ней желаемую структуру после обработки давлением. В зависимости от степени нагрева различают холодную и горячую обработку. Холодная ОМД выполняется при температуре ниже температуры рекристаллизации. Это приводит к повышению прочностных характеристик изделия и изменению его механических и физико-химических свойств. Горячая ОМД выполняется при температуре выше температуры рекристаллизации, химические и физические свойства поверхности металла при этом не изменяются, но металл уплотняется, завариваются внутренние пустоты, зерна измельчаются.

Известно, что с повышением температуры пластичность чистых металлов и большинства сплавов непрерывно увеличивается, а сопротивление деформации уменьшается (при горячей ОМД сопротивление деформированию примерно в 10-15 раз меньше, чем при холодной). Таким образом, при всех прочих равных условиях потребная мощность оборудования при горячей ОМД может быть снижена примерно во столько же раз. В этом и состоит основное преимущество горячей обработки перед холодной.

Для каждого металла и сплава существует температурный интервал горячей ОМД. Верхний предел этого интервала называют температурой начала горячей обработки давлением, а нижний предел - температурой ее окончания. Температурный интервал, как правило, выбирают по таблицам специальных справочников; режим нагрева и охлаждения заготовки в процессе обработки должны быть согласованы и приведены в соответствие с диаграммой состояния обрабатываемого сплава. Желательно, чтобы в этом температурном интервале металл или сплав нагреваемой заготовки находился в однофазном состоянии.

Исключением из этого правила являются доэвтекто-идные и заэвтектоидные стали (рис. 5.1). Первые при температуре двухфазного состояния между линиями GS и PS обладают достаточной пластичностью; каких-либо помех при их обработке не возникает. Необходимой пластичностью обладают и заэвтектоидные стали, в которых между линиями ES и SK фиксируется двухфазная структура из аустенита и вторичного цементита. Цементит после вторичной кристаллизации располагается в виде сетки по границам зерен и снижает пластичность стали. Однако после разрушения сетки цементита обработкой давлением пластические свойства стали восстанавливаются.

Температурный интервал обработки давлением углеродистой стали

Рис. 5.1. Температурный интервал обработки давлением углеродистой стали

На представленной на рисунке 5.1 диаграмме железо-углерод видно, что с увеличением содержания углерода, т. е. с изменением химического состава стали, температурный интервал обработки уменьшается. Особенно резко снижается температура начала обработки. При нагреве заготовки выше температуры начала обработки начинается интенсивный рост аустенитного зерна (рис. 5.2) и снижается пластичность. Это явление, называемое перегревом, затрудняет обработку давлением и снижает качество поковки. Однако крупнозернистая структура может быть устранена, а пониженная пластичность восстановлена последующей термообработкой. Дальнейшее повышение температуры заготовки сопровождается расплавлением легкоплавких межкристаллических прослоек с последующим их окислением. Происходит пережог. Между зернами исчезает металлическая связь, теряется пластичность и прочность металла заготовки; при обработке давлением заготовка растрескивается или рассыпается. Пережженный металл не восстанавливается, поэтому пережженные поковки направляют на переплавку.

a б в

Рис. 5.2. Микроструктура стали:

a - нагретой нормально; б - перегретой; в - пережженной

Для нагрева заготовок применяют горны, нагревательные печи и электронагреватели.

Горны используют для нагрева мелких заготовок при ковке. Металл в них нагревается при непосредственном контакте с топливом. От нагревательных печей горны отличаются небольшими размерами, отапливаются газом, каменным углем и коксом.

В зависимости от источника энергии нагревательные печи бывают пламенные, получившие наибольшее распространение, и электрические. В пламенных печах теплота образуется при сгорании жидкого топлива (мазута) или газообразного. Электрические печи, в которых используются нагреватели сопротивления, применяют преимущественно для нагрева цветных металлов. По принципу действия различают печи камерные и методические. Камерные печи бывают переносными (для нагрева заготовок диаметром до 150 мм) и стационарными.

Схема камерной печи представлена на рисунке 5.3. Заготовку 2 укладывают на под 1 печи. Рабочее пространство печи (нагревательная камера), выложенное огнеупорным кирпичом, нагревается при сжигании топлива с помощью форсунок 3. Продукты сгорания отводят через дымоход 5 и используют для подогрева поступающего воздуха, что повышает КПД печи. Загрузка и выгрузка заготовок производится через окно 4.

Пламенная камерная печь

Рис. 5.3. Пламенная камерная печь

Печи для нагрева крупных заготовок оборудуют различными устройствами, облегчающими загрузку и выгрузку. Используют печи карусельные, конвейерные, с выдвижным подом. Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, применяемые для нагрева крупных слитков при прокатке и ковке. Заготовки располагают в таких печах вертикально и загружают сверху краном.

Методические печи предназначены для нагрева крупных заготовок под прокатку и в крупносерийном производстве. Печи характеризуются большой протяженностью (8...22 м) и наличием трех зон с различной температурой (рис. 5.4). Заготовки 1, перемещаясь по поду 2 с помощью толкателя 5, проходят зону предварительного подогрева I (600...800 °C), максимального нагрева II (1350 °C), где расположены форсунки 4, и зону выдержки III (1200...1300 °C), в которой выравнивается температура по сечению заготовки. Горячие газы движутся навстречу перемещающимся заготовкам, которые выдаются из печи через окно 3.

Пламенная методическая печь

Рис. 5.4. Пламенная методическая печь

В электронагревательных устройствах для нагрева заготовок перед обработкой давлением применяют индукционный нагрев токами высокой частоты, а также контактный нагрев. Индукционный нагрев во избежание образования окалины часто производят в атмосфере нейтральных газов. Основные его преимущества - высокая скорость нагрева, отсутствие окалины, возможность автоматизации; главный недостаток - индуктор рассчитан на нагрев деталей определенного сечения, поэтому индукционный нагрев применяют в крупносерийном производстве.

Для нагревания стальных заготовок диаметром до 75 мм применяют электроконшакшный нагрев. Сущность его состоит в том, что концы заготовок зажимают между медными контактами, к которым подводят ток большой силы. Непрерывный нагрев можно осуществлять, пропуская, например, пруток между двумя парами вращающихся роликов. Этот метод рационально использовать для нагрева заготовок большой длины и постоянного сечения.

Скорость нагревания заготовки зависит от ее физических свойств, массы, химического состава и от используемого нагревательного устройства. Так, например, мелкие заготовки загружают в печь с температурой рабочего пространства на 100...150 °C выше конечной температуры нагрева металла и нагревают с неограниченной скоростью. Слитки и крупные заготовки во избежание появления внутренних напряжений и трещин нагревают равномерно по всему объему, не допуская при этом перегрева или пережога металла. Время нагрева крупных слитков и заготовок в пламенных печах может быть ориентировочно определено по формуле академика Н.Н. Доброхотова.

т - akD4D t где т - время нагрева, ч;

D - диаметр или наименьшая сторона поперечного сечения заготовки, м;

а - коэффициент, учитывающий способ укладки заготовок на поду печи;

k - коэффициент, равный для углеродистой и низколегированной стали 12,5, для высоколегированной - 25.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >