МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

И.А. Хворова

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Часть 1

 

 

Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета

 

 

Издательство

Томского политехнического университета

УДК 620.22.(075.8)

ББК 30.36.я73

Х324

 

Хворова И.А.

Х324 Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие в 2-х ч. Часть 1 / И.А. Хворова; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 74 с.

 

В первой части пособия рассматриваются основы металлургического и литейного производства, обработки металлов давлением и резанием, получения сварных соединений.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» направления 140500 «Энергомашиностроение».

УДК 620.22.(075.8)

ББК 30.36.я73

 

Рецензенты

Доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник ИФПМ СО РАН
Е.Е. Дерюгин

Доктор физико-математических наук,

профессор кафедры физики ТГАСУ
Ю.П. Шаркеев

 

 

© ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», 2011

© Хворова И.А., 2011

© Обложка. Издательство Томского
политехнического университета, 2011

Лекция 1

Что изучает дисциплина «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» Материаловедение изучает различные конструкционные материалы, их состав,… Технология – это совокупность операций по изготовлению изделия или детали. Проще можно сказать: из чего, каким…

Раздел I Основы металлургического производства

 

 

В земной коре металлы находятся в виде руд (горных пород с высоким содержанием соединений ценного металла). Только благородные металлы (золото, серебро, платина) встречаются в виде самородков. Для их извлечения из сопутствующих пород применяют физические методы, основанные на разной плотности. Активные металлы (железо, алюминий, титан, олово, цинк и др.) в природе встречаются только в виде соединений, из которых их извлекают различными химическими способами:

1) восстановлением неметаллами (железо восстанавливается углеродом, вольфрам – водородом);

2) восстановлением металлами (титан восстанавливают более активным магнием или бериллием);

3) электролизом растворов и расплавов (так получают алюминий и магний).

Природные руды зачастую бедные, поэтому перед выплавкой их обогащают. В цикле любого металлургического производства происходит постепенное повышение концентрации нужного металла:

Итак, задача металлургического производства – восстановление металлов из оксидов и других соединений.

Наиболее значимыми в технике являются черные металлы: чугун и сталь. Их получением занимается черная металлургия.

Цветная металлургия получает медь, алюминий, титан, другие цветные металлы и сплавы на их основе. Руды цветных металлов беднее железных: в медной руде содержится от 1 до 5 % меди, в молибденовых – сотые доли процента Mo. Для их обогащения применяется больше операций; плавка идет в несколько этапов.

 

Структура металлургического производства

Предприятия черной металлургии базируются на месторождениях руд и коксующихся углей, а также энергетических комплексах (см. рис.1). Сырьем для черной металлургии являются железная руда, кокс, флюсы. Продукция черной металлургии: стальные и чугунные отливки (литые заготовки), стальной прокат (рельсы, балки, листы,…

Получение чугуна

Домна – вертикальная плавильная печь шахтного типа, работает по принципу противотока: шихта загружается сверху, проплавляется и опускается, а… Домна вмещает до 7 тыс. т шихты (5 железнодорожных составов). Это печь… Кокс сгорает с выделением большого количества тепла: температура в заплечиках достигает 2000 °C. Продукты сгорания –…

Лекция 2

 

Получение стали

Исходные материалы для получения стали – передельный чугун и скрап (металлолом).

Состав чугуна: 4 % C, 1 % Mn, 1 % Si, 0,3 % P, ≤ 0,1 % S.

Состав стали 40: 0,4 % C, 0,5 % Mn, 0,3 % Si, ≤ 0,05 % P, ≤ 0,03 % S.

Следовательно, чтобы получить сталь, содержание всех примесей в чугуне надо уменьшить примерно в 10 раз. Для этого примеси окисляют и переводят в шлак.

Выплавку стали производят в сталеплавильных печах различной конструкции, ёмкости и производительности.

 

Агрегаты для выплавки стали

Для ускорения плавки через свод печи пропущены фурмы для вдувания кислорода. Производительность печи оценивают величиной съема металла с 1 м2 пода. Этот… Доля мартеновской стали составляет около 50 % от всей выплавляемой в мире стали. В последние десятилетия эта доля…

Этапы выплавки стали

1) плавление шихты и нагрев ванны; в этот период окисляются железо и примеси, и удаляется фосфор; 2) «кипение» ванны: лишний углерод удаляется в виде пузырьков CO, и кажется,… 3) раскисление – восстановление железа из оксида FeO с помощью более активных элементов (марганца, кремния,…

Разливка стали

Наиболее экономичным является способ непрерывной разливки стали (рис. 5). Металл из ковша выпускается в промежуточное разливочное устройство, а… Установки непрерывной разливки стали (УНРС) бывают радиального,…  

Повышение качества стали

Способы повышения качества стали: 1) Обработка синтетическим шлаком в ковше. Расплавленный шлак специального… 2) Вакуумная дегазация в ковше (или при переливании в изложницу, в другой ковш, в промежуточном разливочном…

Внедоменное получение железа из руды

1) Запасы коксующихся углей истощаются. 2) Два вспомогательных производства – получение агломерата и кокса – по… 3) Необходимы перевозки сырья на все большие расстояния, к мощным металлургическим комплексам, вокруг которых запасы…

Лекция 3

 

Раздел II Обработка металлов давлением

 

 

Обработка металлов давлением (ОМД) – это процессы получения заготовок и деталей машин из металлов методами пластического деформирования.

До 90 % металлических изделий в процессе изготовления подвергаются обработке давлением. Уровень использования обработки давлением в машиностроении определяет уровень этой отрасли в целом.

Продукция кузнечно-прессового производства включает как самые тяжелые и сложные изделия – роторы турбогенераторов, гребные винты морских судов, корпуса реакторов АЭС – так и мелкие товары повседневного спроса: гвозди, крепеж, аэрозольные баллончики, заклепки и пуговицы.

Все это объясняется преимуществами ОМД перед другими видами обработки:

1) при обработке давлением расход металла минимален;

2) производительность высокая (особенно важно в массовом производстве – автомобилей, сельхозтехники, товаров народного потребления);

3) достаточно высокая точность размеров и качество поверхности;

4) обработка давлением улучшает структуру и повышает механические характеристики металла.

Ответственные детали – например, колеса и оси железнодорожных вагонов, детали турбин самолетов – обязательно подвергаются обработке давлением.

Уже за 8 т. лет до н.э. применялась ковка из самородных металлов. Примером мастерства древних кузнецов является железный столб в столице Индии – Дели. Эта цилиндрическая кованая колонна диаметром около 42 см на протяжении многих веков не подвергается коррозии.

 

Физические основы ОМД

Под действием нагрузки в металле возникают напряжения. Напряжением в механике называют отношение силы P к площади сечения F, на которое она… Растущее напряжение вызывает в металле вначале упругую деформацию, затем пластическую и, наконец, разрушение.

Законы пластической деформации

  2) Закон наименьшего сопротивления: Каждая точка деформируемого тела…     Бочкообразная форма поковки объясняется действием сил трения

Холодная и горячая пластическая деформация

Существует определённая температура, своя для каждого металла и сплава, называемая температурой рекристаллизации Тр. Она тоже имеется в… Тр = 0,4∙Тпл – для металлов, Тр = (0,6÷0,7)∙Тпл – для сплавов.

Температурный режим ОМД

Температура начала деформации должна быть на 100-200º ниже температуры плавления. При нарушении этого правила (завышении температуры) возможен… Температура окончания деформации должна на 50-100º превышать температуру… Температурные интервалы ОМД:

Устройства для нагрева заготовок

2) Камерная пламенная печь (рис. 7) имеет одинаковую температуру во всем рабочем пространстве. Источник тепла – факел, получаемый при сгорании… 3) Методическая пламенная печь (рис. 8) состоит из нескольких зон с постепенно…

Классификация видов обработки металлов давлением

ОМД

 

Получение машиностроительных Получение заготовок и деталей

профилей

 

прокатка прессование волочение ковка горячая холодная

объемная листовая

штамповка штамповка

Машиностроительный профиль – это длинномерное изделие с определенной формой поперечного сечения. Длина профиля значительно больше поперечных размеров. Примеры профилей: рельсы, балки, прутки, трубы, проволока.

 

Прокатное производство

 

Прокатка – способ получения изделий при пластическом деформировании нагретой заготовки между вращающимися валками. При этом силы трения между валками и заготовкой втягивают ее в межвалковый зазор, а нормальные силы, перпендикулярные к поверхности валков, производят работу деформации.

 

Схемы прокатки

1) Продольная прокатка: заготовка движется поступательно, перпендикулярно осям валков, валки вращаются в разные стороны (рис. 10, а).

2) Поперечная прокатка: оси валков и заготовки параллельны, валки вращаются в одну сторону, а заготовка – в противоположную (рис. 10, б).

3) Поперечно-винтовая прокатка: валки вращаются в одну сторону, заготовка одновременно вращается в противоположном направлении и движется поступательно между валками (рис. 10, в).

а б в

 

Рис. 10. Схемы прокатки: а – продольная; б – поперечная;

в – поперечно-винтовая

Деформация и силы при прокатке

На рис. 11 показано сечение ABCD очага деформации плоскостью чертежа. По мере вращения валков очаг деформации перемещается по прокатываемому… Дуга AB, по которой валок соприкасается с металлом заготовки, называется дугой… На заготовку действует сила трения T, направленная по касательной к окружности валка, – она втягивает заготовку в…

Инструмент для прокатки

В зависимости от формы рабочей части валки могут быть гладкими (рис. 13, а), ступенчатыми и ручьевыми (рис. 13, б). Гладкие валки служат для… Изображенный на рис. 13, в, калибр называется открытым, так как линия разъема…

Оборудование для прокатки

    Рис. 14. Одноклетьевой прокатный стан: 1 – станина; 2 – валки; 3 – нажимное устройство; 4 – подшипники; 5 – шпиндели;…  

Продукция прокатного производства

1. Сортовой прокат – простые и фасонные профили (рис. 16). Рис. 16. Профили сортового проката – простые (а–е) и фасонные (ж–л):

Лекция 4

 

Прессование

Исходной заготовкой для прессования является слиток или горячекатаный пруток. Для получения качественной поверхности после прессования заготовки… Нагрев ведется в индукционных установках или в печах-ваннах в расплавах солей.…     Рис. 17. Прессование прямое (а) и обратное (б):

Деформация при прессовании

При прессовании реализуется схема всестороннего неравномерного сжатия, при этом нет растягивающих напряжений. Поэтому прессовать можно даже стали и сплавы с низкой пластичностью, например, инструментальные. Даже такие хрупкие материалы как мрамор и чугун поддаются прессованию. Таким образом, прессованием можно обрабатывать материалы, которые из-за низкой пластичности другими методами деформировать невозможно.

Коэффициент вытяжки µ при прессовании может достигать 30-50.

Инструмент для прессования

Инструмент – это контейнер, пуансон, матрица, игла (для получения полых профилей). Профиль получаемого изделия определяется формой отверстия матрицы; отверстия в профиле – иглой. Условия работы инструмента очень тяжелые: большие контактные давления, истирание, нагрев до 800-1200 °С. Его изготавливают из высококачественных инструментальных сталей и жаропрочных сплавов.

Для уменьшения трения применяют твердые смазки: графит, порошки никеля и меди, дисульфид молибдена.

Оборудование для прессования

Это гидравлические прессы, с горизонтальным или вертикальным расположением пуансона.

Продукция прессования

Прессованием получают простые профили (круг, квадрат) из сплавов с низкой пластичностью и профили очень сложных форм, которые нельзя получить другими видами ОМД (рис. 18).

Рис. 18. Прессованные про
фили

Преимущества прессования

Точность прессованных профилей выше, чем прокатанных. Как уже говорилось, можно получать профили самых сложных форм. Процесс универсален с точки зрения перехода с размера на размер и с одного типа профиля на другой. Смена инструмента не требует больших затрат времени.

Возможность достижения очень высоких степеней деформации делает этот процесс высокопроизводительным. Скорости прессования достигают 5 м/c и более. Изделие получается за один ход инструмента.

Недостатки прессования

Большой отход металла в пресс-остаток(10-20 %), так как весь металл не может быть выдавлен из контейнера; неравномерность деформации в контейнере; высокая стоимость и большой износ инструмента; необходимость мощного оборудования.

 

Волочение

 

Волочение – изготовление профилей путем протягивания заготовки через постепенно сужающееся отверстие в инструменте – волоке.

Исходной заготовкой для волочения является пруток, толстая проволока или труба. Заготовка не нагревается, т. е. волочение – это холодная пластическая деформация.

Конец заготовки заостряется, его пропускают сквозь волоку, захватывают зажимным устройством и протягивают (рис. 19).

 

Деформация при волочении

При волочении на заготовку действуют растягивающие напряжения. Металл должен деформироваться только в сужающемся канале волоки; за пределами инструмента деформация недопустима. Обжатие за один проход небольшое: вытяжка µ = 1,1÷1,5. Для получения нужного профиля проволока протягивается через несколько отверстий уменьшающегося диаметра.

Так как осуществляется холодная деформация, то металл наклепывается – упрочняется. Поэтому между протягиваниями через соседние волоки выполняется отжиг (нагрев выше температуры рекристаллизации) в трубчатых печах. Наклеп снимается, и металл заготовки снова становится пластичным, способным к дальнейшей деформации.

Инструмент для волочения

Инструмент – это волока, или фильера, представляющая собой кольцо с профилированным отверстием. Изготавливают волоки из твердых сплавов, керамики, технических алмазов (для очень тонкой проволоки, диаметром менее 0,2 мм). Трение между инструментом и заготовкой уменьшают с помощью твердых смазок. Для получения полых профилей применяют оправки.

Рабочее отверстие волоки имеет по длине четыре характерные зоны (рис. 20): I – входная, или смазочная, II – деформирующая, или рабочая, с углом α = 8÷24º, III – калибрующая, IV – выходной конус.

Допуск на размер проволоки в среднем составляет 0,02 мм.

Оборудование для волочения

Барабанные станы (рис. 21) применяют для волочения проволоки, прутков и труб малого диаметра, которые можно сматывать в бунты. Барабанные станы многократного волочения могут включать до 20 барабанов; между… Цепные волочильные станы (рис. 22) предназначены для изделий большого сечения (прутков и труб). Длина получаемого…

Продукция, получаемая волочением

Волочением получают проволоку диаметром от 0,002 до 5 мм, а также прутки, фасонные профили (различные направляющие, шпонки, шлицевые валики) и трубы (рис. 23).

 

Рис. 23. Профили, получаемые волочением

 

Преимущества волочения

Это высокая точность размеров (допуски не более сотых долей мм), малая шероховатость поверхности, возможность получать тонкостенные профили, высокая производительность, малое количество отходов. Процесс универсален (просто и быстро можно заменить инструмент), поэтому широко распространен.

Важно также, что можно изменять свойства получаемых изделий за счет наклепа и термообработки.

Недостатки волочения

Неизбежность наклепа и необходимость отжигов усложняет процесс. Обжатие за один проход невелико.

 

Ковка

 

Ковкой называют получение изделий путем последовательного деформирования нагретой заготовки ударами универсального инструмента – бойков. Получаемую заготовку или готовое изделие называют поковкой.

Исходной заготовкой служат слитки или блюмы, сортовой прокат простого сечения. Нагревают заготовки обычно в печах камерного типа.

Деформация при ковке

Деформация в процессе ковки идет по схеме свободного пластического течения между поверхностями инструмента. Деформирование может выполняться последовательно на отдельных участках заготовки, поэтому её размеры могут значительно превышать площадь бойков.

Величину деформации выражает уковка:

где F_max и F_min – начальная и конечная площадь поперечного сечения заготовки, причем берется отношение большей площади к меньшей, поэтому уковка всегда больше 1. Чем больше значение уковки, тем лучше прокован металл. Некоторые из операций ковки показаны на рис. 25.

Рис. 25. Операции ковки:

а – протяжка; б – прошивка (получение отверстия); в – рубка (разделение на части)

Инструмент для ковки

Инструмент является универсальным (применимым для самых разных по форме поковок): бойки плоские или вырезные и набор подкладного инструмента (оправок, прожимок, прошивней и т. д.).

Оборудование для ковки

Применяются машины динамического, или ударного, действия – молоты и машины статического действия – гидравлические прессы.

Молоты подразделяются на пневматические, с массой падающих частей до 1 т, и паровоздушные, с массой падающих частей до 8 т. Молоты передают заготовке энергию удара за доли секунды. Рабочим телом в молотах является сжатый воздух или пар.

Гидравлические прессы с усилием до 100 МН предназначены для обработки самых тяжелых заготовок. Они зажимают заготовку между бойками в течение десятков секунд. Рабочим телом в них является жидкость (водная эмульсия, минеральное масло).

Применение ковки

Ковка чаще всего применяется в единичном и мелкосерийном производстве, особенно для получения тяжелых поковок. Из слитков весом до 300 т можно получить изделия только ковкой. Это валы гидрогенераторов, турбинные диски, коленчатые валы судовых двигателей, валки прокатных станов.

Преимущества ковки

Это, прежде всего, универсальность процесса, позволяющая получить самые разнообразные изделия. Для ковки не требуется сложного инструмента. В ходе ковки улучшается структура металла: волокна в поковке расположены благоприятно для того, чтобы выдерживать нагрузку при эксплуатации, литая структура измельчается.

Недостатки ковки

Это, конечно, низкая производительность процесса и необходимость значительных припусков на механическую обработку. Поковки получаются с низкой точностью размеров и большой шероховатостью поверхности.

Горячая объемная штамповка

Горячая объёмная штамповка – процесс получения изделий пластическим деформированием нагретой заготовки с помощью специального инструмента – штампа.… Исходной заготовкой для штамповки является раскроенный прокат простого… Применяется штамповка в открытых и закрытых штампах. У открытого штампа (см. рис. 26, а) по всему периметру ручья есть…

Деформация при штамповке

Деформация осуществляется одновременно по всей поверхности заготовки, нельзя деформировать только ее часть. Поэтому величина уковки редко превышает 2-3.

Инструмент для штамповки

Инструмент специальный – штамп. Для каждой поковки разрабатывается чертеж, и изготавливается свой штамп. Обязательно предусматриваются припуски на механическую обработку и на усадку при охлаждении. Для свободного извлечения поковки из штампа назначаются уклоны (3-10º). Поверхности сопрягаются по радиусам.

В штампе с одним разъемом нельзя получить сквозное отверстие, оно только намечается. После штамповки надо в специальных штампах обрезать облой и пробивать пленки.

Штамп крепится к ползуну штамповочного молота или пресса с помощью выступа, называемого «ласточкин хвост», и клиньев.

Оборудование для штамповки

    2) Кривошипные штамповочные прессы (КШП) имеют более высокую производительность, чем молоты. Штамповка ведется за один…

Применение штамповки

В крупносерийном производстве поковок.

Преимущества штамповки

По сравнению с ковкой, штамповка обеспечивает большую производительность и более высокую точность (припуски в 2-3 раза меньше).

Недостатки штамповки

Высокая стоимость инструмента и необходимость большой мощности оборудования. Штамповка не позволяет деформировать очень тяжелые заготовки (весом десятки и сотни тонн).

 

Существует и холодная объемная штамповка. Это процессы холодного выдавливания (подобно прессованию) для получения баллонов и тюбиков из пластичных металлов, холодной высадки (изготовление гвоздей, болтов, заклепок) и чеканки (чеканят монеты, медали, значки).

 

Холодная листовая штамповка

Холодная листовая штамповка – это получение плоских и пространственных изделий из заготовки в виде листа, полосы, ленты. Исходная заготовка обычно имеет толщину не более 10 мм. Операции листовой штамповки делятся на разделительные (заготовка разрушается) и формообразующие (разрушение…

Деформация при холодной листовой штамповке

Холодная деформация приводит к упрочнению металла, поэтому иногда приходится делать отжиги. Холодная листовая штамповка применима только к пластичным металлам и сплавам: низкоуглеродистым сталям, сплавам алюминия, меди, титана.

Инструмент и оборудование для холодной листовой штамповки

Инструмент специальный для каждой операции и размера изделия. Это матрицы и пуансоны соответствующей формы.

Используются кривошипные прессы и гидравлические прессы (для толстых листов). Разработаны методы высокоскоростной листовой штамповки с использованием энергии взрыва или электрического разряда.

 

Применение холодной листовой штамповки

Для получения изделий малой массы, но большой прочности и жёсткости. Широко используется в авиастроении, в производстве автомобилей и тракторов.

Характеристика способов обработки металлов давлением дана в табл. 1.

Таблица 1

Способы ОМД

Лекция 5

 

Раздел III Литейное производство

 

 

Задача литейного производства – получение заготовок и деталей машин путем заливки расплавленного металла в литейную форму, полость которой имеет очертания заготовки. После затвердевания металл сохраняет форму полости. Получаемые заготовки называются отливками.

Отливки могут иметь самую различную массу и размеры. Самые тяжелые отливки весят до 300 т; максимальная длина – 20 м, толщина стенок до 500 мм.

Существует множество способов литья, различаемых по материалу формы, операциям для её изготовления, вариантам заливки жидкого металла в форму и другим признакам.

Схема техпроцесса получения отливок

 

Плавильная печь Литейная оснастка

 

Заливка Выбивка

Расплав Литейная форма Отливка

 

Обрубка

Зачистка

Формовочные материалы Очистка

Термообработка

С П О С О Б Л И Т Ь Я

Готовая отливка

 

Литейные свойства сплавов

Есть сплавы, из которых изделия получают методами пластического деформирования (обработкой давлением), а есть литейные, из которых выгоднее отливать… Литейные сплавы должны обладать следующими свойствами: хорошей… 1. Жидкотекучесть – способность сплава в жидком состоянии течь по каналам формы, заполнять все ее полости и точно…

Формовочные материалы

 

Это кварцевые формовочные пески и литейные формовочные глины. Из них, добавляя влагу и некоторые другие вещества, получают формовочные смеси.

Требования к формовочным смесям:

1) Огнеупорность. Смесь не должна размягчаться и расплавляться при контакте с расплавленным металлом.

2) Прочность. Смесь не должна разрушаться при извлечении модели, транспортировке формы и заливке.

3) Пластичность – способность точно воспроизводить контуры модели при формовке.

4) Газопроницаемость – способность пропускать образующиеся в ходе заливки газы к поверхности формы.

5) Податливость. Смесь не должна мешать усадке отливки.

6) Долговечность. Смесь должна сохранять свои свойства при многократном использовании.

Виды формовочных смесей

Стержневые смеси должны иметь более высокие свойства, чем формовочные, так как они работают в более трудных условиях, окружённые со всех сторон… В современном литейном производстве для изготовления стержней и форм широко… Примеры таких смесей:

Литейная оснастка

Литейная форма – это приспособление, имеющее рабочую полость, при заливке в которую расплавленный металл образует отливку. Рассмотрим части литейной формы и оснастку, необходимую для её изготовления.… Опока – рамка для удержания формовочной смеси, чаще всего металлическая. Модель – приспособление, имеющее очертания и…

Ручная формовка

 

Формовка – это изготовление литейных форм. Ручная формовка в парных опоках по разъёмной модели описана в методических указаниях к лабораторной работе «Технология изготовления разовой литейной формы в двух опоках». Изучить самостоятельно!

 

Лекция 6

 

Машинная формовка

Для повышения производительности и улучшения условий труда в серийном производстве отливок применяется машинная формовка. Механизируют следующие… – установку опок на модельную плиту, – заполнение опок формовочной смесью,

Изготовление стержней

Стержневые ящики заполняются смесью на пескодувных или песко-стрельных машинах. Для уплотнения смеси используется сжатый воздух. Пескодувная машина постепенно надувает смесь в стержневой ящик, пескострельная – выстреливает порцию смеси. Затем стержни отделывают, сушат, красят.

Стержни чаще, чем формы, делают из специальных смесей: отверждаемых в нагреваемой оснастке, ЖСС, ХТС, жидкостекольных (рис. 38).

Сборка форм, заливка, выбивка и обработка отливок

Перед заливкой металл перегревают выше температуры плавления: стали – на 100º, чугуны – на 200º, цветные сплавы – на 150º. Это… Металл из печи выпускают в разливочный ковш или в автоматическое устройство… Заполненные металлом песчаные формы охлаждаются от нескольких часов до нескольких недель (многотонные отливки). Для…

Специальные виды литья

Литьё в песчаные формы не всегда даёт нужную точность размеров и чистоту поверхности. Поэтому разработано большое количество других способов литья.…   Литьё в оболочковые формы (см. рис. 41)

Литьё по газифицируемым моделям

Этот способ описан в методических указаниях к лабораторной работе «Специальные виды литья». Изучить самостоятельно!

 

Литьё в кокиль

Этот способ описан в методических указаниях к лабораторной работе «Специальные виды литья». Изучить самостоятельно!

Литьё под давлением

Машины для литья под давлением имеют сложную конструкцию. Можно подразделить их на три группы: 1) Машины с холодной горизонтальной камерой прессования (рис. 43) Порция металла заливается в камеру прессования 1, затем расплав заполняет пресс-форму 3 под давлением плунжера 2.…

Центробежное литьё

За счёт центробежных сил расплав оттесняется к стенкам формы, и получается отливка с отверстием без применения стержней. На машинах с вертикальной осью вращения (рис. 45, а) можно получать отливки… На машинах с горизонтальной осью вращения (рис. 45, б) получают литые трубы, длиной до 12 м. Для чугунных труб это…

Дефекты отливок

1) Усадочные раковины и поры. 2) Трещины, горячие и холодные. 3) Коробление.

Лекция 7

 

Раздел IV Сварочное производство

 

 

Сварка – процесс получения неразъёмного соединения в результате возникновения межатомных связей между соединяемыми деталями.

Создание этих связей между атомами на поверхности соединяемых деталей требует затрат энергии, которую можно внести в зону сварки двумя путями: нагревом или пластической деформацией. Поэтому различают две группы методов сварки: сварку плавлением и сварку давлением.

При сварке плавлением атомные связи между соединяемыми деталями возникают в результате оплавления их кромок, примыкающих друг к другу, с получением общей ванны жидкого металла. При охлаждении эта ванна затвердевает и соединяет детали в единое целое.

При сварке давлением детали в зоне соединения подвергают совместной пластической деформации сжатием. При этом поверхности очищаются от загрязняющих плёнок, микрорельеф сглаживается, и возникают межатомные связи. Детали можно нагревать перед сваркой, но пластичные металлы (алюминий, медь) свариваются и без нагрева.

Возможны и комбинированные процессы, когда металл заготовок расплавляют и обжимают зону сварки.

Различают более 70 разных видов сварки: нагревать можно электрической дугой, газокислородным пламенем, лазером, прямым пропусканием тока и др. Можно по-разному защищать зону сварки от кислорода воздуха, деформировать разными способами и т. д.

Сварка применяется во всех областях техники. Сваривают не только металлы, но и стекло, пластмассу, керамику, разнородные материалы. Сварку выполняют в космосе и под водой. Основные области применения сварки: строительство, трубопроводный транспорт, машиностроение (особенно судостроение и авиастроение).

Электродуговая сварка

 

Это наиболее широко применяемый сегодня способ.

В 1893 г. на Всемирной выставке в США русский учёный Славянов продемонстрировал получение сваркой с помощью электрической дуги 12-тигранной призмы. Все грани её были пластинками из разных металлов и сплавов, от никеля до чугуна. Тогда это казалось чудом. Сегодня же работа сварщика в маске, с электродом в руке – это самая привычная картина на любой стройке, при ремонте различных коммуникаций.

Сварочная дуга

Обычно используют дугу прямого действия, которая горит между электродом и изделием (рис. 47). Нагрев идёт за счёт бомбардировки поверхности металла… Чаще применяют плавящиеся металлические электроды, которые формируют сварной…  

Ручная дуговая сварка

а) Источником питания дуги переменным током является сварочный трансформатор, постоянным – сварочные выпрямители и генераторы. Современные… Внешняя вольт-амперная характеристика источника питания – это зависимость… Для ручной дуговой сварки используют источники только с крутопадающими характеристиками. Почему это так важно? Длина…

Автоматическая дуговая сварка самозащитной порошковой проволокой

Самозащитная порошковая проволока – лента толщиной 0,1 мм, свёрнутая в трубку и заполненная смесью порошков, по составу таких же, как покрытие электрода, но без связки. Такой проволокой можно вести автоматическую и полуавтоматическую сварку.

Преимущества: сварочная ванна и шов видны, в отличие от АДСФ. Проволока расходуется меньше, чем электроды, а глубина проплавления при этом больше.

 

Лекция 8

Автоматическая дуговая сварка в защитном газе

Схема сварки в углекислом газе приведена на рис. 56. Здесь 1 – кассета с проволокой, 2 – механизм подачи, 3 – проволока, 4 – токоподводящий… Углекислый газ в 1,5 раза тяжелее воздуха. Он хорошо защищает место сварки,… Сварка в атмосфере аргона (в 1,4 раза тяжелее воздуха) выполняется по такой же схеме, но вместо сварочной проволоки…

Газовая сварка

На рис. 57 показана схема газовой сварки. Основной 1 и присадочный 2 материал расплавляют высокотемпературным газовым пламенем 4. Горючий газ… Строение кислородно-ацетиленового пламени (рис. 58): 1 – ядро, 2 – сварочная… Другие горючие газы дают пламя с меньшей температурой. Обычно соотношение между кислородом и ацетиленом составляет

Электроконтактная сварка

Рассмотренные выше способы сварки осуществляются за счет плавления. Но только оплавления свариваемых кромок иногда бывает недостаточно для получения… Электроконтактная сварка осуществляется за счёт нагрева места соединения при… Количество теплоты, выделяемой при протекании тока по проводнику, определяется законом Джоуля-Ленца:

Стыковая сварка

Есть два варианта стыковой сварки: 1) Сварка сопротивлением. Заготовки сдавливаются, затем включается ток,… Применение: детали малого сечения (до диаметра 20 мм).

Точечная сварка

    Схема сварки показана на рис. 61, а: 1 – электроды, 2 – заготовки, 3 – сварная точка, 4 – трансформатор. Циклограмма… Рис. 61. Схема точечной электроконтактной сварки (а) и циклограмма процесса… Применение: для изготовления штампосварных конструкций из металла толщиной 0,5-6 мм. Можно сваривать конструкционные…

Шовная (роликовая) сварка

Собранные внахлёстку листы зажимают между медными роликами-электродами и включают ток. Ролики вращаются, поэтому сварные точки перекрываются, образуя герметичный шов.

На схеме (рис. 62) 1 – электроды (медные ролики), 2 – заготовки, 3 – сварная точка, 4 – трансформатор.

Применение: для изготовления различных сосудов и труб, для воды и других жидкостей и газов. Толщина листов – 0,3-3 мм. Высокопроизводительный способ: скорость сварки составляет до 10 м/мин.

 

 

Процессы электроконтактной сварки подробно описаны в методических указаниях к лабораторной работе «Оборудование и технология ручной дуговой и контактной сварки». Изучить самостоятельно!

 

Cварка трением

В этом способе тоже применяется и нагрев, и давление. Заготовки разогреваются при трении друг о друга, а затем производится осевое сжатие, и заготовки соединяются. На схеме сварки (рис. 63) показаны: 1 – неподвижная заготовка, 2 – вращающаяся заготовка, 3 – зажимное устройство, 4 – грат.

Преимущества: высокое качество соединения. Можно сваривать разнородные металлы. Расход электроэнергии меньше, чем при стыковой контактной сварке (в 5-10 раз).

Применение: для получения заготовок свёрл, метчиков и другого режущего инструмента, для сварки валов, пуансонов, поршней со штоками, осей, труб.

Холодная сварка

Свариваемые поверхности сближаются до образования межатомных связей за счёт значительной пластической деформации. Жировые и оксидные плёнки удаляют… Схема холодной сварки представлена на рис. 64, а. При сжатии заготовок 3… Холодной сваркой можно получать точечные, стыковые и шовные соединения.

Дефекты и контроль качества сварных соединений

К внешним дефектам, обнаруживаемым при осмотре, относятся нарушения геометрии шва: неравномерное сечение шва, несоответствие размеров шва заданным.… Внутренние дефекты можно обнаружить только специальными методами…  

Методы контроля качества сварки

1) Внешний осмотр и измерения швов.

2) Металлографический анализ (позволяет определить провар и наличие внутренних дефектов, но это разрушающий метод контроля).

3) Химический анализ (позволяет установить, соответствует ли наплавленный металл сертификату электрода).

4) Механическими испытаниями определяется твердость и прочность сварного соединения.

5) Просвечивание рентгеновскими или гамма-лучами – неразрушающий метод, все внутренние дефекты видны на плёнке.

6) Ультразвуковой метод позволяет обнаружить дефект по отклонению луча на экране осциллографа; возможно получение изображения дефекта.

7) Магнитные методы фиксируют дефекты за счёт рассеяния магнитного потока.

8) Сварные швы сосудов испытывают на плотность с помощью керосина или сжатого воздуха.

Особенности сварки жаропрочных сталей

Хорошо свариваются низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,3 %) и низколегированные стали. Жаропрочные стали представляют при сварке некоторые технологические трудности. Необходимо применять подогрев заготовок до 200-300 °C и термообработку для снятия сварочных напряжений после сварки. Иначе напряжения из-за разницы температур шва и основного металла могут привести к короблению и трещинам.

Применяют только электроды с основными фтористокальциевыми покрытиями.

 

Пайка

 

Пайкой называют соединение металлов и сплавов в твёрдом состоянии с помощью припоя – сплава с температурой плавления ниже, чем у соединяемых металлов.

Припой должен смачивать и растворять металл соединяемых деталей или образовывать с ним химические соединения. Важнейшую роль в процессе пайки играют капиллярные явления: они обеспечивают проникновение жидкого припоя в зазор между соединяемыми деталями (рис. 66).

Для растворения и удаления оксидов с поверхности деталей, а также для улучшения смачиваемости металла припоем применяют флюсы. Это канифоль, соляная кислота, хлористый цинк, бура, борная кислота, нашатырный спирт.

Припои делятся на мягкие, с низкой температурой плавления – оловянно-свинцовые (марки ПОС) и твёрдые, с высокой температурой плавления – сплавы меди с цинком, никелем, серебром.

Преимущества пайки по сравнению со сваркой: пайка экономичнее, она не изменяет химический состав и механические свойства металла, паяные конструкции деформируются меньше, чем сварные.

Недостатки: прочность паяного соединения меньше прочности основного металла. Поверхности для пайки должны быть хорошо подготовлены: зачищены, обезжирены. Зазор между соединяемыми деталями должен быть минимальным: сотые доли мм.

 

Лекция 9

Раздел V Обработка металлов резанием

 

 

Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, заданной точности размеров и качества поверхности детали.

На долю обработки резанием приходится в разных отраслях машиностроения от 80 до 95 % всех обрабатываемых деталей. Важнейшие преимущества обработки резанием перед другими способами: мобильность (перенастройка оборудования на обработку новых изделий не требует значительных затрат и времени), возможность получения деталей с любой точностью, из любых металлов и сплавов.

Чтобы срезать с заготовки слой металла, режущему инструменту и заготовке придают относительные движения. Для этого инструмент и заготовку закрепляют в рабочих органах станков – в шпинделе, на столе, в револьверной головке. Эти узлы станков обеспечивают необходимые перемещения инструмента и заготовки.

Основные понятия

Движения в металлорежущих станках

Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла, называют движениями резания. К ним относят главное движение резания Dr и движение… Движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для… К вспомогательным движениям относят закрепление заготовки и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов станка,…

Классификация видов обработки резанием

Виды обработки резанием подразделяются на лезвийные и абразивные. Во всех лезвийных методах используется инструмент с одним или несколькими режущими лезвиями, геометрия которых определяет точность размеров и качество получаемой поверхности. Это точение, сверление, строгание, фрезерование, протягивание. К абразивным методам относятся шлифование, полирование, притирка, хонингование и другие виды обработки, в которых инструментом являются частицы очень твердого вещества – абразива, соединенные связкой или разрозненные. Абразивные методы чаще используются для чистовой, окончательной обработки.

Кроме обработки резанием, поверхности заготовки могут быть сформированы различными электрофизическими и электрохимическими методами, а также за счёт чистовой обработки пластическим деформированием.

Техпроцессы получения деталей из заготовок

Обработка резанием Электрофизические и Обработка пластическим

Электрохимические деформированием

Методы

Существуют также комбинированные способы, включающие, например, обработку резанием и электрофизические процессы.

Схемы обработки резанием

Любой процесс резания можно изобразить схематично: показать заготовку, её установку и закрепление на станке, закрепление и положение инструмента, а также движения резания (рис. 67). Обработанную поверхность выделяют цветом или толщиной линии. Обозначение подач: S_пр – продольная подача, S_п – поперечная, S_в – вертикальная, S_кр – круговая и т. д.

Рис. 67. Схемы обработки резанием: 1 – обрабатываемая поверхность,

2 – поверхность резания, 3 – обработанная поверхность

 

Режим резания и геометрия инструмента описаны в методических указаниях к лабораторной работе «Обработка металлов резанием». Изучить самостоятельно!

Физические явления в процессе резания

1) Деформирование срезаемого слоя и виды стружки В срезаемом слое металла возникают вначале упругие, а затем пластические… Виды стружки:

Тепловые явления в процессе резания

Уравнение теплового баланса процесса резания: Q1 + Q2 + Q3 = Qстр + Qинстр + Qзаг + Qизл. Теплообразование вредно, так как инструмент теряет режущие свойства, изменяется его геометрия, из-за чего возникают…

Трение, износ и стойкость инструмента

На передней поверхности резца возникает лунка шириной b, а на главной задней поверхности – ленточка шириной h. Главное значение имеет износ по… Принятый критерий износа – наибольшее допустимое значение ширины ленточки h. … Для быстрорежущей стали h = 1,5-2 мм,

Обработка заготовок на сверлильных станках

Сверление – получение отверстий в сплошном материале, а также обработка отверстий для увеличения их размеров, повышения точности и уменьшения… Главным движением резания является вращательное движение инструмента вокруг… Условия работы инструмента при сверлении более сложные, чем при точении, фрезеровании, строгании: затруднён отвод…

Обработка заготовок на шлифовальных станках

Шлифование – обработка заготовок резанием при помощи шлифовального круга, инструмента, имеющего форму тела вращения и состоящего из абразивных зёрен… При вращении круга зёрна своими острыми кромками снимают тоненькие стружки,… Скорость резания при шлифовании определяется по формуле

Отделочная обработка резанием

 

Отделочная обработка повышает точность размеров, уменьшает шероховатость поверхностей, придает им особый вид, повышает надёжность работы машин. Доля отделочных методов в обработке резанием непрерывно растет.

Отделка чистовыми резцами и шлифовальными кругами

Тонкое шлифование выполняют с очень малой глубиной, с обильной подачей СОЖ, мягкими высокопористыми мелкозернистыми кругами. Полирование не только уменьшает шероховатость, но и придает зеркальный блеск,… Хонингование дает не только точность и малую шероховатость, но и создает микропрофиль поверхности – сетку для…

Чистовая обработка пластическим деформированием

Обработка поверхностей без снятия стружки, в частности, пластическим деформированием, тоже позволяет получить нужную точность и малую шероховатость.… Объём заготовки не меняется. Под действием деформирующего инструмента…     Рис. 75. Обработка пластическим деформированием:

Электрофизическая и электрохимическая обработка

 

Эти методы используют электрическую, химическую, звуковую, лучевую энергию. Они дополняют ОМР, но иногда могут и заменять.

 

Преимущества:

1) нет силовых нагрузок, что повышает точность обработки;

2) поверхность детали не упрочняется;

3) легко автоматизировать процессы;

4) можно одновременно обрабатывать все нужные поверхности;

5) процессы обработки идут непрерывно.

Электроискровая обработка

Электроискровая обработка (рис. 76) основана на эрозии (разрушении) электродов при пропускании между ними импульсов электрического тока. Когда напряжение между электродами достигает пробойного, происходит искровой разряд, оплавляется и испаряется элементарный объём металла на аноде, и образуется лунка. Вырванные частички металла застывают в виде гранул микронной величины в диэлектрической жидкости. Расстояние между электродами поддерживается автоматически (0,01-0,05 мм).

Рис. 76. Электроискровая обработка:

1 – инструмент (катод); 2 – ванна; 3 – заготовка (анод);

4 – диэлектрическая жидкость (керосин); 5 – изолятор

 

Так можно получать отверстия и полости, вырезать заготовки сложной формы.

Применяется для труднообрабатываемых металлов и сплавов – инструментальных, жаропрочных.

Электрохимическая обработка

Такая обработка применяется для полирования и доводки поверхностей. В результате избирательного растворения микронеровности сглаживаются, и… Можно одновременно обрабатывать партию заготовок по всей их поверхности. Этим методом готовят поверхности деталей под…

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Учебное пособие

 

Издано в авторской редакции

 

Научный редактор кандидат технических наук,
доцент Ю.П. Егоров

Дизайн обложки

 

Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии

С качеством предоставленного оригинал-макета

Подписано к печати . .2011. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 4,3. Уч.-изд. л. 3,9. Заказ . Тираж 100 экз.
	Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru