Поняття про процеси обробки металів тиском
§ 1. Обробка тиском як технологічний процес
Обробкою тиском називається технологічний процес одержання фасонних деталей і заготівель методом пластичного деформування в холодному й гарячому стані.
Обробці тиском піддається 90% виплавлюваної сталі, 55% кольорових металів і їхніх сплавів, різні види пластмас і ін. неметалічних матеріалів.
Обробка тиском є високоефективним і прогресивним технологічним процесом. Ковані й штамповані деталі становлять 60―85% від ваги автомобілів, літаків, тракторів і ін. машин.
При обробці тиском одержують не тільки певну форму й розміри, але й досягають необхідні величини показників механічних і фізико-механічних властивостей металу деталей машин.
§ 2. Пластична деформація при обробці
металів тиском
Пластична деформація - складний фізико-хімічний процес, у результаті якого поряд зі зміною форми й будови вихідного металу змінюються його фізико-хімічні властивості.
Як відомо, метали й сплави мають кристалічну будову, що характеризується тим, що атоми в кристалах розташовуються в місцях стійкої рівноваги в строго певному для кожного металу порядку.
У промислових умовах затвердіння металу починається одночасно в багатьох центрах кристалізації й тому метал виходить полікристалічним.
При холодній пластичній деформації під дією зовнішніх сил у кристалі виникають напруги. Поки ці напруги не перевищили певної для даного металу величини, названої межею пружності, відбувається пружна деформація. При пружній деформації атоми відхиляються від місць стійкої рівноваги на відстані, не перевищуючі міжатомні. Після зняття навантаження під дією міжатомних сил атоми повертаються в колишні місця стійкої рівноваги, при цьому змін у будові й властивостях металу не відбувається.
Зі збільшенням зовнішнього навантаження збільшуються й відхилення атомів. При певних для даного металу напругах (границі текучості) атоми зміщаються в нові місця стійкої рівноваги на відстані, значно перевищуючі міжатомні. Після зняття навантаження форма кристала не відновлюється, він одержує пластичну деформацію.
Пластична деформація супроводжується перекручуванням кристалічної структури, утворенням осколків і залишкових деформацій.
Ці явища, утрудняючи процес подальшої деформації, викликають зміни механічних і фізико-хімічних властивостей вихідного металу: міцність, твердість, електроопір й хімічна активність збільшується, а пластичність, ударна в'язкість і магнітна проникність зменшується.
Сукупність змін механічних і фізико-хімічних властивостей у результаті холодної пластичної деформації називається наклепом (зміцненням).
У більшості сплавів завжди присутні неметалічні домішки (окисли, карбіди), які розташовуються між зернами у вигляді плівок або окремих кульок. При обробці тиском ці включення роздрібнюються й витягаються, надаючи металу волокнистої будови, що при макроаналізі виявляється оком.
Величина пластичної деформації металів обмежена їхніми пластичними властивостями.
Більшість металів обробляються тиском у нагрітому стані. Пояснюється це тим, що з підвищенням температури пластичність збільшується, опір деформації зменшується.
Якщо пластична деформація робить зміцнюючий вплив на метал, то підвищення температури викликає його знеміцнення. При незначному нагріванні, що збільшує рухливість атомів, у холоднодеформованому металі зменшуються залишкові напруги й до деякої міри усувається перекручування кристалічної ґратки. При цьому форма й розміри деформованих зерен не змінюються, волокниста структура металу повністю зберігається. У результаті розглянутих явищ, названих поверненням , міцностні властивості металу зменшуються , а пластичні – збільшуються.
Повернення в чистих металів відбувається при температурах
де Тпл ― абсолютна температура плавлення металу
Сплави ж мають температуру повернення більш високу, чим чисті метали.
Чим вище температура нагрівання, тим рухоміші атоми й тим активніше протікає повернення. При температурі вище температури повернення в деформованому металі відбувається рекристалізація, тобто процес зародження й росту нових рівновісних зерен з неспотвореною кристалічною структурою замість деформованих. У результаті рекристалізації залишкові напруги знімаються, відновлюються його вихідні властивості й, таким чином, повністю знімається зміцнення, отримане металом у процесі його деформування.
Для чистих металів температура рекристалізації:
ТРЕК= 0,4Тпл
Рекристалізація не усуває волокнисту будову, тому що вона не відбувається в неметалічних домішках.
Таким чином, обробка металів тиском при підвищених температурах супроводжується одночасною дією як зміцнюючих, так і знеміцнюючих процесів. Залежно від того, які із цих процесів переважають, обробка тиском підрозділяється на холодну, неповну гарячу й гарячу деформацію.
Холодная деформація характеризується інтенсивним зміцненням і відсутністю повернення й рекристалізації. Міцність різко збільшується, а пластичність зменшується.
При неповній гарячій деформації – рекристалізація відсутня, а повернення відбувається.
При гарячій обробці тиском – зміцнення, отримане металом у процесі пластичної деформації, повністю знімається рекристалізацією, а метал одержує рівноважну мікроструктуру, причому волокниста будова зберігається.
§ 3. Нагрівання металів перед обробкою
тиском
Метали, оброблювані тиском, повинні мати пластичність. Чим вище пластичність і нижче міцність, тим більшою ковкістю володіє метал.
Найкраща пластичність сталі досягається нагріванням, тому що вона безупинно збільшується в інтервалі температур від 300º до 1200º залежно від вмісту в сталі вуглецю. Сталі з меншим вмістом вуглецю обробляються тиском при більш високих температурах, а сталі з підвищеним змістом вуглецю - при трохи знижених температурах.
Всі домішки, що входять у сталь, ведуть до зниження температури. Температурний інтервал для легованих сталей характерний деяким звуженням з невеликим зниженням граничних температур обробки. Мідь обробляється в зоні температур 900―700º, латунь 760―600º, бронза 900―750º.
Алюмінієві сплави при 470―380º, магнієві 430―350º.
Термічний режим нагрівання сталі перед обробкою тиском повинен забезпечити: одержання необхідної температури заготівлі при рівномірному нагріванні її по перетину й довжині, збереження цілісності заготовки, мінімальне зневуглецювання поверхневого шару й мінімальний відхід металу в окалину (вигар). Час нагрівання металу до заданої температури залежить від температури робочого простору печі, форми перетину й розмірів заготівлі, фізичних властивостей металу й способу укладання заготівель на поду печі.
§ 4. Нагрівальні пристрої
Для нагрівання злитків і великих заготівель найчастіше застосовують полум'яні печі, а для нагрівання середніх і дрібних заготівель поряд з полум'яними печами застосовують електричні нагрівальні пристрої.
За технологічною ознакою розрізняють печі для нагрівання вихідного матеріалу під прокатку, кування й штампування, пресування (видавлювання).
За конструктивними ознаками нагрівальні пристрої можна розділити на печі періодичної дії (камерні печі) і безперервної дії (методичні й напівметодичні).
У камерних печах метал у процесі нагрівання залишається нерухомим, температура в будь-якій крапці печі приблизно однакова, завантаження й видача металу виробляється періодично.
У печах безперервної дії метал пересувається по поду печі або разом з подом (конвеєрні печі) від місця завантаження в піч до місця вивантаження з печі за допомогою спеціальних механізмів-штовхачів. Температурний режим по довжині печі методично (поступово) змінюється від мінімальної температури до заданої; завантаження й видача металу здійснюється без порушення теплового режиму печі.
У прокатних і трубопрокатних цехах для нагрівання злитків застосовують нагрівальні колодязі, а для нагрівання заготівель – двох- трьох- і багатокамерні методичні полум'яні або рідше електричні нагрівальні печі безперервної дії.
У ковальських цехах нагрівання злитків під кування роблять у камерних печах зі стаціонарним або висувним подом. Застосовують також камерні механізовані печі з безперервним завантаженням, а також напівметодичної й методичні полум'яні печі й печі з електронагрівом.
У пресових цехах злитки або заготівлі нагрівають у методичній або камерній полум'яній печах і в печах з електронагрівом.
§ 5. Основні способи обробки
металів тиском
- Прокатка ― один з важливих способів обробки тиском, яким обробляється більше 75% виплавлюваної сталі. Прокатка здійснюється захватом заготівлі й деформації її між обертовими в різні сторони валками прокатного стана. При цьому товщина заготівлі зменшується, а довжина й ширина збільшується. Валки мають гладку поверхню для прокатки аркушів і вирізані струмки для одержання різних профілів.
- Волочіння ― процес, при якому заготівля простягається на волочильному стані через отвір інструмента, названого волокою. При цьому поперечний переріз заготівлі зменшується, а довжина її збільшується.
- Пресування ― являє собою видавлювання заготівлі, поміщений у спеціальний контейнер, через отвір. Залежно від форми й розмірів отвору одержують різноманітні вироби.
- Кування металу полягає в обробці заготівлі між верхнім і нижнім бойками молота із застосуванням різноманітного ковальського інструмента. Вільним куванням одержують кування різних розмірів простої і складної форми на молотах або пресах.
- Штампування – процес деформації металу в штампах, форма й розміри внутрішньої порожнини яких визначають форму й розміри одержуваного кування. Розрізняють об'ємне й листове штампування.
Вихідними матеріалами для обробки металів тиском служать злитки й заготівлі різних розмірів і маси. Для виробництва прокату на металургійних заводах найчастіше застосовують сталеві злитки масою 5―8 тон. Злитки кольорових металів і сплавів звичайно мають масу від 50―1000 кг.