Понятие о процессах обработки металлов давлением

РАЗДЕЛ IV

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Глава I

Понятие о процессах обработки металлов давлением

§ 1. Обработка давлением как технологический процесс

Обработкой давлением называется технологический процесс получения фасонных деталей и заготовок методом пластического деформирования в холодном и горячем состоянии.

Обработке давлением подвергается 90% выплавляемой стали, 55% цветных металлов и их сплавов, различные виды пластмасс и др. неметаллических материалов.

Обработка давлением является высокоэффективным и прогрессивным технологическим процессом. Кованные и штампованные детали составляют 60―85% от веса автомобилей, самолетов, тракторов и др. машин.

При обработке давлением получают не только определенную форму и размеры, но и достигают требуемых величин показателей механических и физико-механических свойств металла деталей машин.

§ 2. Пластическая деформация при обработке

металлов давлением

Пластическая деформация – сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла изменяются его физико-химические свойства.

Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся тем, что атомы в кристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго определенном для каждого металла порядке.

В промышленных условиях затвердевание металла начинается одновременно во многих центрах кристаллизации и поэтому металл получается поликристаллическим.

При холодной пластической деформации под действием внешних сил в кристалле возникают напряжения. Пока эти напряжения не превысили определенной для данного металла величины, называемой пределом упругости, происходит упругая деформация. При упругой деформации атомы отклоняются от мест устойчивого равновесия на расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки под действием межатомных сил атомы возвращаются в прежние места устойчивого равновесия, при этом изменений в строении и свойствах металла не происходит.

С увеличением внешней нагрузки увеличиваются и отклонения атомов. При определенных для данного металла напряжениях (пределе текучести) атомы смещаются в новые места устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные. После снятия нагрузки форма кристалла не восстанавливается, он получает пластическую деформацию.

Пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической структуры, образованием осколков и остаточных деформаций.

Эти явления, затрудняя процесс дальнейшей деформации, вызывают изменения механических и физико-химических свойств исходного металла: прочность, твердость, электросопротивление и химическая активность увеличивается, а пластичность, ударная вязкость и магнитная проницаемость уменьшается.

Совокупность изменений механических и физико-химических свойств в результате холодной пластической деформации называется наклепом (упрочнением).

В большинстве сплавов всегда присутствуют неметаллические примеси (окислы, карбиды), которые располагаются между зернами в виде пленок или отдельных шариков. При обработке давлением эти включения раздробляются и вытягиваются, придавая металлу волокнистое строение, которое при макроанализе обнаруживается глазом.

Величина пластической деформации металлов ограничена их пластическими свойствами.

Большинство металлов обрабатываются давлением в нагретом состоянии. Объясняется это тем, что с повышением температуры пластичность увеличивается, сопротивление деформации уменьшается.

Если пластическая деформация оказывает упрочняющее влияние на металл, то повышение температуры вызывает его разупрочнение. При незначительном нагреве, увеличивающем подвижность атомов, в холоднодеформированном металле уменьшаются остаточные напряжения и в некоторой степени устраняется искажение кристаллической решетки. При этом форма и размеры деформированных зерен не изменяются, волокнистая структура металла полностью сохраняется. В результате рассмотренных явлений, называемых возвратом, прочностные свойства металла уменьшаются, а пластичные – увеличиваются.

Возврат у чистых металлов происходит при температурах

где ― абсолютная температура плавления металла

Сплавы же имеют температуру возврата более высокую, чем чистые металлы.

Чем выше температура нагрева, тем подвижнее атомы и тем активнее протекает возврат. При температуре выше температуры возврата в деформированном металле происходит рекристаллизация, т. е. процесс зарождения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. В результате рекристаллизации остаточные напряжения снимаются, восстанавливаются его исходные свойства и, таким образом, полностью снимается упрочнение, полученное металлом в процессе его деформирования.

Для чистых металлов температура рекристаллизации:

Рекристаллизация не устраняет волокнистое строение, т. к. она не происходит в неметаллических примесях.

Таким образом, обработка металлов давлением при повышенных температурах сопровождается одновременным действием как упрочняющих, так и разупрочняющих процессов. В зависимости от того, какие из этих процессов преобладают, обработка давлением подразделяется на холодную, неполную горячую и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется интенсивным упрочнением и отсутствием возврата и рекристаллизации. Прочность резко увеличивается, а пластичность уменьшается.

При неполной горячей деформации – рекристаллизация отсутствует, а возврат происходит.

При горячей обработке давлением – упрочнение, полученное металлом в процессе пластической деформации, полностью снимается рекристаллизацией, а металл получает равновесную микроструктуру, причем волокнистое строение сохраняется.

§ 3. Нагрев металлов перед обработкой

давлением

Металлы, обрабатываемые давлением, должны обладать пластичностью. Чем выше пластичность и ниже прочность, тем большей ковкостью обладает металл.

Наилучшая пластичность стали достигается нагревом, т. к. она непрерывно увеличивается в интервале температур от 300º до 1200º в зависимости от содержания в стали углерода. Стали с меньшим содержанием углерода обрабатываются давлением при более высоких температурах, а стали с повышенным содержанием углерода – при несколько пониженных температурах.

Все примеси, входящие в сталь, ведут к понижению температуры. Температурный интервал для легированных сталей характерен некоторым сужением с небольшим понижением предельных температур обработки. Медь обрабатывается в зоне температур 900―700º, латунь 760―600º, бронза 900―750º.

Алюминиевые сплавы при 470―380º, магниевые 430―350º.

Термический режим нагрева стали перед обработкой давлением должен обеспечить: получение требуемой температуры заготовки при равномерном нагреве ее по сечению и длине, сохранение целостности заготовки, минимальное обезуглероживание поверхностного слоя и минимальный отход металла в окалину (угар). Время нагрева металла до заданной температуры зависит от температуры рабочего пространства печи, формы сечения и размеров заготовки, физических свойств металла и способа укладки заготовок на поду печи.

§ 4. Нагревательные устройства

Для нагрева слитков и крупных заготовок чаще всего применяют пламенные печи, а для нагрева средних и мелких заготовок наряду с пламенными печами применяют электрические нагревательные устройства.

По технологическому признаку различают печи для нагрева исходного материала под прокатку, ковку и штамповку, прессование (выдавливание).

По конструктивным признакам нагревательные устройства можно разделить на печи периодического действия (камерные печи) и непрерывного действия (методические и полуметодические).

В камерных печах металл в процессе нагрева остается неподвижным, температура в любой точке печи примерно одинакова, загрузка и выдача металла производится периодически.

В печах непрерывного действия металл передвигается по поду печи или вместе с подом (конвейерные печи) от места загрузки в печь до места выгрузки из печи с помощью специальных механизмов-толкателей. Температурный режим по длине печи методически (постепенно) изменяется от минимальной температуры до заданной; загрузка и выдача металла осуществляется без нарушения теплового режима печи.

В прокатных и трубопрокатных цехах для нагрева слитков применяют нагревательные колодцы, а для нагрева заготовок – двух-трех- и многокамерные методические пламенные или реже электрические нагревательные печи непрерывного действия.

В кузнечных цехах нагрев слитков под ковку производят в камерных печах со стационарным или выдвижным подом. Применяют также камерные механизированные печи с непрерывной загрузкой, а также полуметодические и методические пламенные печи и печи с электронагревом.

В прессовых цехах слитки или заготовки нагревают в методических или камерных пламенных печах и в печах с электронагревом.

§ 5. Основные способы обработки

металлов давлением

Являются:

1. Прокатка ― один из важных способов обработки давлением, которым обрабатывается более 75% выплавляемой стали. Прокатка осуществляется захватом заготовки и деформации ее между вращающимися в разные стороны валками прокатного стана. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличивается. Валки имеют гладкую поверхность для прокатки листов и вырезанные ручьи для получения различных профилей.

2. Волочение ― процесс, при котором заготовка протягивается на волочильном стане через отверстие инструмента, называемого волокой. При этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается.

3. Прессование ― представляет собой выдавливание заготовки, помещенный в специальный контейнер, через отверстие. В зависимости от формы и размеров отверстия получают разнообразные изделия.

4. Ковка металла заключается в обработке заготовки между верхним и нижним бойками молота с применением разнообразного кузнечного инструмента. Свободной ковкой получают поковки различных размеров простой и сложной формы на молотах или прессах.

5. Штамповка – процесс деформации металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и размеры получаемой поковки. Различают объемную и листовую штамповку.

Исходными материалами для обработки металлов давлением служат слитки и заготовки различных размеров и массы. Для производства проката на металлургических заводах чаще всего применяют стальные слитки массой 5―8 тонн. Слитки цветных металлов и сплавов обычно имеют массу от 50―1000 кг.