Разделы I - Основы металлургического производства, II - Технология литейного производства, III - Технология об

1. Опишите технологию получения алюминия. Способы его рафинирования. Марки выплавляемого алюминия, их свойства и области применения.
2. Изложите схему устройства и принцип работы сталеплавильной электродуговой печи и процесс выплавки стали в ней. Укажите области применения стали, получаемой в электродуговых печах.
3. Изложите сущность пластической деформации металлов и влияние на нее химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации.
4. Опишите технологию газокислородной резки металлов, происходящие при этом физико-химические процессы, применяемое оборудование. Перечислите другие термические способы резки металла.
Контрольное задание №2
1. Изложите физическую сущность процесса резания металла лезвийным инструментом. Покажите на эскизе распределение напряжений в зоне резания. Объясните образование различных видов стружки. 41
2. Выберите способ обработки криволинейного отверстия диаметром 12 мм в закаленной стали. Объясните физическую сущность выбранного способа размерной обработки; представьте схему установки и принцип ее работы.
3. Приведите классификацию и основные свойства пластических масс, применяемых для изготовления деталей в машиностроении. Какие составляющие входят в состав пластмасс, их назначение? В чем состоит экономическая эффективность применения пластмассовых изделий взамен металлических?
4. Изложите принципы формование изделий из порошков способом холодного и горячего прессования. Что общего в этих способах и чем они отличаются? Применяемое оборудование и инструмент. Области применения изделий из композиционных порошковых материалов.
Контрольное задание №1
1. Опишите технологию получения алюминия. Способы его рафинирования. Марки выплавляемого алюминия, их свойства и области применения.
Алюминий — второй (после железа) металл современной техники. Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение в технике, является его небольшая плотность, равная 2,7 г/см3, т. е. алюминий почти в три раза легче железа. Вторым очень важным свойством алюминия является его относительно высокая электропроводность, которая составляет 57% электропроводности меди. Температура плавления алюминия 660° С, температура кипения около 2500° С [3]. Кроме того, из свойств алюминия следует отметить его хорошую теплопроводность и теплоемкость. Алюминий химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты [4]. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая, в отличие от окиси железа, не пропускает кислород в толщу металла. Следовательно, алюминий, несмотря на быстрое окисление при нормальных условиях коррозионностоек. Его кристаллическая решетка куб с центрированными гранями. Никаких аллотропических превращений у алюминия не обнаружено [5].
Алюминий и его сплавы широко применяются в машиностроении для изготовления различных транспортных аппаратов. В технике очень важно, чтобы собственный вес транспортной машины был минимален, что дает возможность при той же мощности мотора повысить грузоподъемность аппарата. Использование алюминия в авиации всем хорошо известно. За границей алюминий широко применяется для изготовления многих деталей железнодорожных вагонов, автомобилей и подъемных кранов различных конструкций.
Вторая область его применения — электротехника. Это обусловлено тем, что алюминий менее дефицитен и встречается в природе более широко, чем медь; электропроводность алюминия меньше меди, хотя провод из алюминия такой же электропроводности, как аналогичный медный провод, получается толще, но зато легче. Это важно для проводки во всех летательных и транспортных аппаратах, а также для проводов воздушных линий электропередач, где, применяя алюминиевые провода, можно реже ставить опоры [5].
Алюминиевая промышленность является сложным производством. Для получения алюминия недостаточно иметь только алюминиевую руду; требуется еще другой вид сырья — плавиковый шпат для получения криолита и других фтористых солей, необходимых в производстве алюминия. Нужны также чистые углеродистые материалы для получения анодной массы и других электродных изделий, без которых невозможно электролитическое производство алюминия. Нельзя его осуществить и без электрической энергии [1, 2].
Таким образом, современное производство алюминия складывается из четырех часто самостоятельных предприятий: производства глинозема, получения криолита, электродного производства и электролитического получения алюминия.
Алюминий — наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%); в чистом виде он не встречается, зато минералов, содержащих алюминий, очень много. Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы. Бокситы представляют собой сложную горную породу, которая содержит алюминий в виде гидроокисей. Кроме того, в бокситах всегда присутствуют окиси и гидроокиси железа, содержится кремнезем в виде кварца, каолинита, а также карбонат кальция, окись титана и др. Внешний вид и химический состав бокситов очень непостоянен. Качество бокситов определяется количеством и формой окиси алюминия (хорошие бокситы содержат ее 50—60%) и содержанием кремнезема, вредной примеси, затрудняющей получение алюминия.
Вторая руда, которая используется для производства алюминия в нашей стране, — нефелин. Химическая формула этого минерала:
(1.1)
Нефелины сопутствуют горной породе, которая называется апатит. Апатито-нефелиновых пород очень много на Кольском полуострове. Они давно разрабатываются для получения фосфорных удобрений и их отходом являются нефелины. Поскольку в нашей стране уделяется особое внимание комплексному использованию сырья, в настоящее время организовано производство глинозема из нефелинов на нескольких заводах. Алуниты, которые также относят к алюминиевым рудам, широко встречаются на Кавказе и в других южных районах. Их химическая формула:
(1.2)
Из алунитов алюминия получают пока немного, но в ближайшее время это производство будет расширяться.
К рудам алюминия относятся также каолины, или глины. Химическая формула каолина:
(1.3)
Лучшие сорта глин содержат до 39% окиси алюминия. Однако глины пока не используются для получения алюминия.
Для производства алюминия сначала нужно получить чистую окись алюминия. В настоящее время известны патенты на несколько сотен способов получения чистой окиси алюминия. Современная алюминиевая промышленность использует несколько способов, которые можно разбить на три группы [5].
Электротермические способы. Суть этих способов заключается в восстановлении алюминиевой руды в электропечи; примеси, имеющиеся в руде, восстанавливают до элементарного состояния и, переводя их в металл (кремнистый чугун), оставляют в шлаке невосстановленной только окись алюминия, но в шлаке остаются некоторые частично невосстановленные примеси. Эти способы применяются для получения глинозема, идущего на изготовление шлифовальных кругов и других абразивных изделий, но для производства высококачественного алюминия такой глинозем не пригоден.
Кислотные способы. Сущность этих способов сводится к тому, что алюминиевая руда подвергается обработке какой-либо минеральной кислотой, например соляной или серной. В процессе такой обработки кислота взаимодействует с окисью алюминия и получается соответствующая растворимая соль (например, хлористый алюминий). Основные примеси с кислотами не реагируют (кремнезем, окись кальция и целый ряд других). Однако ряд примесей взаимодействует со многими кислотами (например, окислы железа), что создает большие дополнительные трудности, так как полностью отделить соли железа от солей алюминия в растворе очень трудно. Эти способы применяются мало, однако на них существует много патентов и за границей и у нас. А поскольку руду можно обрабатывать кислотой только в кислотоупорной аппаратуре, это очень удорожает и осложняет производство глинозема.
Щелочные способы. Эти способы в большинстве стран применяют и для получения чистой окиси алюминия. Суть щелочных способов заключается в том, что алюминиевая руда подвергается воздействию какой-либо щелочи (едким натром, кальцинированной содой и др.). В результате взаимодействия окиси алюминия, имеющейся в руде, с едким натром при определенных условиях образуются так называемые алюминаты натрия. Алюминаты щелочных металлов хорошо растворяются в воде.
Основная масса имеющихся в алюминиевой руде примесей со щелочами не взаимодействует и поэтому остается в нерастворенном состоянии, а алюминий переходит в раствор. Но есть примеси, которые могут взаимодействовать со щелочами. Важнейшая из них — кремнезем. Однако щелочные способы экономичнее кислотных, потому что все операции можно проводить в обычной стальной и чугунной аппаратуре. Поэтому щелочные способы сейчас применяются широко.
Электролитическое получение алюминия. Металлический алюминий получают электролизом расплавленных солей, т. е. пропуская постоянный электрический ток через расплавленный криолит, в котором растворен глинозем. Сущность этого процесса можно понять, рассмотрев схему электролизера (рис.1.1).
Рис. 1.1 - Упрощенная схема электролизной ванны для получения алюминия
Электролизер состоит из основного корпуса 1, футерованного внутри угольными блоками, в подовую часть которого с помощью шин 2 и 3 подведен отрицательный полюс источника тока. Над корпусом подвешен угольный анод 4, к которому с помощью шин 5 и 6 подведен положительный ток. Если в электролизер залить расплав, состоящий их криолита и глинозема, опустить в этот расплав анод и пропускать через расплав постоянный ток большой силы и необходимого напряжения, то через определенное время на дне электролизера можно обнаружить расплавленный алюминий а, под слоем б — расплавленного электролита, состоящего из криолита Na3AlFe, в котором при температуре, близкой к 1000° С, обычно растворено от 1 до 10% глинозема. Электролит поддерживается в расплав­ленном состоянии только за счет тепла, выделяющегося при прохождении через него электрического тока, поэтому часть электролита всегда настывает на холодных стенках и образует твердую застывшую кирку в, на которую сверху всегда насыпают порошкообразную окись алюминия г. Алюминий извлекают из электролизера, пробивая корку электролита и опуская на дно футерованную огнеупором стальную трубку, через которую алюминий откачивают в вакуумный ковш.
По ГОСТ 11069—74 первичный алюминий делится на три группы: алюминий особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты.
В электролизных ваннах получают алюминий тех­нической чистоты. Для получения алюминия более высоких марок требуется его дополнительное рафинирование, для чего используются электролитические методы:
- алюминий особой чистоты А999 (99,999% Al);
- алюминий высокой чистоты А99 (99,99% Al);
- алюминий технической чистоты А85 (99,85% Al), А8 (99,80% Al), А7 (99,70% Al), А7Е (99,70% Al), А6 (99,60% Al), А5 (99,50% Al), А5Е (99,50% Al), А0 (99,00% Al).
Механические свойства алюминия сравнительно невысоки. Сопротивление на разрыв находится в пределах от 90 до 180 МПа (от 9 до 18 кгс/мм2) НВ20—40; он имеет высокую пластичность, что дает возможность прокатывать его в очень тонкие листы. Необходимо отметить, однако, трудность обработки чистого алюминия резанием, а также относительно высокую линейную усадку — 1,8%.
Для устранения этих отрицательных свойств алюминия (малой механической прочности, большой усадки и трудности обработки резанием) в алюминий вводят различные добавки. Так, возникло большое количество различных сплавов алюминия, в которых устранены полностью или частично эти недостатки. В настоящее время в технике известно несколько сот различных алюминиевых сплавов.
2. Изложите схему устройства и принцип работы сталеплавильной электродуговой печи и процесс выплавки стали в ней. Укажите области применения стали, получаемой в электродуговых печах.
Дуговая сталеплавильная печь, благодаря своим преимуществам предназначена, в основном, для производства легированных высококачественных сталей - коррозионностойких, инструментальных, конструкционных, электротехнических, жаропрочных и др., а также различных сплавов.
Дуговая сталеплавильная печь состоит из металлического корпуса в виде кожуха, как правило, цилиндрической формы со сферическим днищем (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 - Трёхфазная электродуговая печь: - под; 2 - реечный механизм для поворота печи; 3 - твёрдая шихта; 4 - кусок кокса; 5 - электроды; 6 - электродержатели с механизмом для подъёма и опускания: 7 - свод; 8 - загрузочное окно; 9 - расплавленный шлак; 10 - расплавленный металл
Изнутри кожух футерован высокоогнеупорными материалами. Плавильное пространство печи сверху перекрывается съемным сводом, огнеупорная кладка которого выполнена в специальном сводовом кольце. В стенах печи имеются одно или два рабочих окна и одно выпускное отверстие с желобом для слива металла и шлака в ковш. Рабочие окна служат для загрузки шлакообразующих, руды, ферросплавов и для ряда технологических операций - спуска шлака, взятия проб металла и шлака.
Дуговая печь опирается на два опорных сегмента - люльки, с помощью которых печь может наклоняться в сторону рабочего окна или выпускного отверстия. Наклон печи осуществляется при помощи механизма наклона с электрическим или гидравлическим приводом. Для загрузки шихты в печь свод обычно поднимают к полупорталу и вместе с электродами отворачивают в сторону сливного желоба. Шихта в плавильное пространство опускается с помощью специальной корзины с открывающимся дном. В эти корзины (бадьи) вся шихта укладывается в определенном порядке на шихтовом участке цеха. К моменту завалки загруженная корзина подается к печи с помощью мостового крана, и после отвода от печи свода корзина опускается в плавильное пространство. Замок, закрывающий днище корзины, выдергивается, и корзина с помощью крана выводится из печи. При этом, благодаря раскрытию дна корзины, вся содержащаяся в ней шихта остается на подине печи.
Электрический ток в плавильное пространство подводится при помощи трех симметрично расположенных электродов, которые опускаются через свод. Для этого в своде имеются отверстия, снабженные водоохлаждаемыми металлическими коробками - экономайзерами. Каждый электрод зажимается электрододержателем, скрепленным при помощи рукава, выполненного в виде толстостенной трубы или сварной балки, с подвижной стойкой. Для подвода тока к электродам используются охлаждаемые гибкие кабели и водоохлаждаемые медные трубы.
Дуговые печи строят различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами мощностью до 125000 кВА. Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000 °С. Дуговые печи работают на переменном токе.
Применяют графитированные электроды, изготавливаемые из малозольных углеродных материалов, нефтяного пекового и сланцевого кокса и связующих - каменноугольного пека и смолы. Электроды прессуют и затем обжигают в газовых (1300 °С), а затем в электрических печах при более высоких температурах (2500-3000°С). После этого их механически обрабатывают для придания формы цилиндра. Работающий на печи электрод получают соединением нескольких стандартных секций с помощью ниппеля. По мере износа нижней части электрода проводится «перепуск» его в объем печи с одновременным наращиванием следующей секции, если это необходимо. Наращивание осуществляется на специальном стенде или на печи, вручную. В последнее время, с целью уменьшения расхода электродов верхняя несущая часть изготавливается из меди или нержавеющей стали и охлаждается водой (водоохлаждаемые электроды). Это позволяет снизить расход электродов в 2-3 раза.
Шихта при плавке с полным окислением состоит, главным образом, из стального лома и чугуна, а также шлакообразующих (известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой).
Плавка включает следующие основные периоды - заправка печи, загрузка шихты, плавление, окислительный период, восстановительный период, выпуск.
Заправка печи выполняется для поддержания футеровки плавильного пространства в рабочем состоянии. Для этого после выпуска очередной плавки на поврежденные места подины и откосов - места перехода подины печи в стены - с помощью заправочной машины забрасывают сухой магнезитовый порошок, а в случае больших повреждений - порошок с добавками пека или смолы.
Завалка шихты начинается сразу после окончания заправки. Завалку шихты осуществляют сверху с помощью загрузочной корзины (бадьи).
Плавление. После окончания завалки свод с электродами устанавливают на печь, электроды опускают и включают ток. Под действием высокой температуры электрической дуги шихта плавится сначала под электродами, жидкий металл стекает вниз и накапливается в центральной части подины. Постепенно происходит полное расплавление шихты. Для ускорения плавления куски переплавившейся шихты с откосов печи сталкивают в зону электрических дуг. Характерной особенностью первого периода плавления является проплавление «колодцев» в шихте, в которые опускают электроды (или одного «колодца» в сверхмощных печах). В период плавления происходит образование шлака как за счет присадок извести, так и за счет окисления элементов, входящих в состав шихты. За время плавления полностью окисляется кремний, 50-60 % марганца, частично окисляются углерод и железо, окисляется фосфор.
Окислительный период плавки предназначен для уменьшения содержания в металле фосфора до 0,01- 0,015 %, уменьшения содержания в металле водорода и азота, нагрева металла до требуемой температуры (на 120-130°С выше температуры плавления). Для окисления примесей используют твердые окислители (железная руда, агломерат), а также газообразный кислород. Присадки руды или продувка кислородом вызывают интенсивное окисление углерода, и выделяющиеся при этом пузырьки СО создают активное кипение ванны. Это способствует быстрому нагреву металла, удалению газов - водорода и азота, а также неметаллических включений. Окислительный период заканчивается, когда содержание углерода становится несколько ниже заданного предела, содержание фосфора ниже 0,01 %. В конце окислительного периода полностью удаляют из печи шлак.
Восстановительный период плавки имеет целью раскисление металла, удаление серы, доведение химического состава стали до заданного, регулирование температуры. Все эти задачи решаются параллельно в течение всего восстановительного периода. После полного удаления окислительного шлака в печь присаживают шлакообразующие смеси вместе с раскислителями, т. е. наводится новый шлак (карбидный или белый). В качестве раскислителей обычно используют ферромарганец, ферросилиций, алюминий. В печь присаживают также легирующие добавки для введения в металл необходимых легирующих элементов.
После этого металл выпускают из печи в установленный под желобом сталеразливочный ковш, для чего печь наклоняют в сторону сталевыпускного отверстия. При необходимости в ковше можно проводить дополнительное раскисление и легирование стали. Так осуществляется двушлаковый процесс выплавки.
Плавка на шихте из легированных отходов основана на переплаве без окисления. Прежде всего, в таком процессе нет необходимости окислять углерод и фосфор, и железную руду в ванну не вводят. В связи с этим в шихте содержание фосфора не должно быть выше допустимого предела по этому элементу в готовой стали. Учитывая, что в процессе переплава в металле растворяется часть углерода электродов, начальное содержание углерода в ванне должно быть ниже, чем в готовой стали примерно на 0,1 %

. Для дегазирующего барботирования ванны в качестве шлакообразующего компонента используют не известь, а известняк, разложение которого сопровождается выделением пузырей диоксида углерода. Шихта составляется только из отходов легированных сталей. При составлении шихты стремятся использовать максимальное количество отходов данной марки стали или близких к ней других марок. Такое рациональное использование отходов дает большую экономию легирующих элементов, электроэнергии и повышает производительность электропечей. На плавках методом переплава отсутствует окислительный период. При правильном расчете шихты после расплавления сразу начинается восстановительный период, металл раскисляют, добавляют некоторые легирующие и выпускают. Плавка методом переплава легированных отходов значительно короче по сравнению с обычной плавкой.
Электродуговые печи с кислой футеровкой обычно используются при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их составляет от 0,5 до 6,0-10 т. Кислая футеровка более термостойкая и позволяет эксплуатировать печь с учетом условий прерывной работы многих литейных цехов машиностроительных заводов. Основным недостатком печей с кислой футеровкой является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Отсюда, очень высокие требования к качеству применяемой шихты по содержанию этих примесей.
Процесс плавления шихты проводят так же как в основных печах. Для снижения угара легирующих элементов, а также железа, в ванну вводят шлак от предыдущей плавки, а также кварцевый песок и известь. К концу периода плавления в кислом железистом шлаке содержится 40 % FеО, 45 % SiO2.
В окислительном периоде при кислом процессе, в отличие от основного, отсутствует окисление фосфора. При высокой степени окисленности шлака удаление кислорода из ванны и ее кипение могут проходить без присадок железной руды. Однако для ускорения процесса обезуглероживания используют такжеВведение

твердых окислителей или продувку ванны кислородом. К концу окислительного периода содержание диоксида кремния в шлаке повышается до 60 %, значительная часть его поступает из футеровки подины. В условиях насыщения шлака диоксидом кремния возможно восстановление кремния углеродом, марганцем и железом еще до наступления восстановительного периода. Восстановительный период в печи с кислой футеровкой часто сводится к процессу раскисления металла, так как удаление серы из металла в присутствии кислого шлака невозможно. Раскисление углеродистой стали проводят введением в ванну ферросилиция, а при выпуске металла в ковш проводят дополнительное раскисление ферромарганцем или алюминием.
3. Изложите сущность пластической деформации металлов и влияние на нее химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации.
При обработке металлов давлением под действием внешних сил в заготовке возникают напряжения (рис. 3.1). Если эти напряжения невелики, то происходит упругая, или обратимая, деформация. При такой деформации атомы металла смещаются с положений устойчивого равновесия на очень малые расстояния, не превышающие межатомные (рис. 3.1, б). После снятия нагрузки атомы под действием межатомного воздействия возвращаются в исходные положения устойчивого равновесия (рис. 3.1, а). Форма тела при этом полностью восстанавливается. При упругой деформации никаких остаточных изменений в металле не происходит. Величина упругих деформаций очень мала и составляет тысячные доли процента.

Рисунок 3.1 – Перемещение атомов при деформации скольжением: а – устойчивое равновесие; б – упругая деформация; в – увеличение смещения атомов; г – пластическая деформация
С увеличением внешней нагрузки в теле напряжения растут, что ведет к увеличению смещения атомов с положения устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные (рис. 3.1, в). После снятия нагрузки атомы занимают новые места устойчивого равновесия и поэтому форма тела не восстанавливается (рис. 3.1, г). Такое необратимое изменение формы тела называется пластической деформацией. Способность металла подвергаться пластической деформации называется пластичностью.
Количественно пластичность характеризуется величиной максимальной остаточной деформации, которую можно сообщить металлу до его разрушения. Пластичность зависит от условий деформирования (температуры металла, скорости, степени деформации и др.).
Пластическая деформация поликристаллического металла складывается из деформации внутрикристаллитной и деформации межкристаллитной. Рассмотрим внутрикристаллитную деформацию. Пластическая деформация в отдельно взятом зерне происходит в основном за счет скольжения одних тонких атомных слоев кристаллита (зерна) относительно других (рис. 3.1, в, г). Смещения происходят по особым кристаллографическим плоскостям, которые наиболее плотно упакованы атомами. Эти плоскости называют плоскостями скольжения. Например, для металлов с гранецентрированной кристаллической решеткой такой плоскостью является плоскость октаэдра. Скольжение атомных слоев происходит в первую очередь по тем плоскостям скольжения, направление которых составляет 45' по отношению к направлению действия усилия сжатия Р (рис. 3.1, а), так как по этим направлениям действуют максимальные касательные напряжения т. В процессе деформирования зерна поворачиваются, перемещаются скольжением относительно друг друга - происходит межкристаллитная деформация. При разворотах у все большего числа зерен плоскости скольжения получают направление под углом 45' к действию силы Р и в них также интенсивно развивается пластическая деформация. Таким образом, заготовка в целом подвергается пластической деформации.
Для одновременного сдвига одной части кристаллита относительно другой требуются напряжения, в сотни и тысячи раз превышающие напряжения, достаточные для этого на практике. Связано это с тем, что в реальных металлах имеются места ослабленных межатомных связей и большое количество вредных примесей. Поэтому скольжение в зернах происходит не одновременно по всей плоскости скольжения, а последовательно, путем перемещения отдельных групп атомов относительно других, на что требуются значительно меньшие сдвиговые напряжения. Ослабление связей между атомами обусловлено наличием несовершенств в строении реальных кристаллитов, например, отсутствие или избыток в узлах решетки дополнительных атомов. Такие несовершенства называют дислокациями.
В процессе холодной пластической деформации в металле возникают дополнительные дислокации, образуются осколки кристаллитов, которые, затрудняя дальнейшую деформацию, вызывают увеличение прочности и твердости металла, уменьшение пластичности и изменение его физических и химических свойств. Так, электросопротивление и химическая активность увеличиваются, магнитная проницаемость и теплопроводность уменьшаются. Совокупность изменений механических, физических и химических свойств металла в результате пластической деформации называется наклепом или упрочнением.
Структура холоднодеформированного металла характеризуется анизотропией (неравенством) механических свойств в различных направлениях.
В процессе пластической деформации одновременно с образованием строчечной структуры и текстуры деформации металл приобретает также волокнистое строение. Волокнистое строение наблюдается в виде тонких полос, представляющих собой вытянутые в направлении наибольшего течения металла неметаллические включения или зоны металла, содержащие повышенное количество примесей (рис. 3.1, б, в). Если строчечная структура может быть обнаружена только под микроскопом, то волокнистое строение наблюдается невооруженным глазом. Однородный металл, в котором отсутствуют примеси, после деформации не будет иметь волокнистого строения.
При вполне определенной для каждого металла максимальной величине пластической деформации в них возникают микропоры и микротрещины. При дальнейшем деформировании трещины развиваются, растут и приводят к разрушению металла. Таким образом, для каждого металла существует предельно допустимая величина пластической деформации, которая характеризует пластические свойства металла.
Пластические свойства зависят от условий деформирования: температуры обрабатываемого металла, схемы нагружения (сжатия, растяжения), степени и скорости деформации и др.
В производственных условиях большинство металлов и сплавов обрабатывают давлением в предварительно нагретом состоянии, поскольку с увеличением температуры пластичность металла увеличивается, а сопротивление деформированию снижается. В зависимости от температуры обработки деформация может быть холодной, неполной горячей и горячей. При неполной горячей деформации происходит частичное восстановление искаженной кристаллической структуры и уменьшение остаточных напряжений в металле. Объясняется это некоторым повышением активности атомов, поскольку рассматриваемая деформация осуществляется при повышенной температуре, примерно при Т = (0,25...0,3)Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления металла. Следует отметить, что при неполной горячей деформации металл, хотя и в меньшей степени, чем при холодной, но все же несколько упрочняется и приобретает строчечную и волокнистую структуру.
Горячая пластическая деформация характеризуется тем, что в деформируемом металле протекает процесс рекристаллизации. Рекристаллизация - это явление возникновения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. На рис. 3.2, а представлена фотография микроструктуры холоднодеформированного металла и его структуры после рекристаллизации (рис. 3.2, б). Рекристаллизация полностью ликвидирует строчечную структуру, и упрочнение металла не наблюдается. Температура, при которой происходит процесс рекристаллизации, называется температурой рекристаллизации. Установлено, что для чистых металлов температура рекристаллизации Трек ≥ 0,4Тпл.
Рисунок 3.2 – Микроструктура деформированного металла до (а) и после (б) рекристаллизации
В отличие от неполной горячей, при горячей пластической деформации строчечная структура ликвидируется, а волокнистое строение металла сохраняется, так как вытянутые в момент деформирования неметаллические включения рекристаллизации не подвергаются.
На рис. 3.3 представлены графики влияния степени холодной деформации на характеристики низкоуглеродистой стали. Из графиков видно, что уже при деформации 20% наблюдается снижение пластичности в 2,5 - 3 раза, увеличение твердости и прочности в 1,5 раза. Следовательно, в холодном состоянии из этой стали нельзя получить поковки сложной формы, так как металл при деформировании будет разрушаться по причине низкой пластичности.
Для увеличения пластичности обрабатываемые металлы нагревают. Температура оказывает наибольшее влияние на пластичность и сопротивление деформированию.
Рисунок 3.3 – Влияние холодной деформации на пластичность (δ), сопротивление деформированию (σ) и твердость (НВ) для низкоуглеродистой стали
Рисунок 3.4 – Влияние температуры на пластичность (δ) и сопротивление деформированию (σ) и твердость (НВ) для стали (0,4 %С)
При повышении температуры деформирования с 0 до 300'С сопротивление обработке несколько увеличивается (рис. 3.4), а затем резко уменьшается с 760 до 10 МПа при температуре 1200 0С, т. е. уменьшается почти в 76 раз. Наоборот, пластичность этой стали при повышении температуры от 0 до 300 0С сначала уменьшается, затем до температуры около 800 0С резко увеличивается, потом незначительно падает, а при дальнейшем увеличении температуры снова увеличивается. Явление снижения пластичности при 300 0С называется, синеломкостью, а при температуре 800 0С - красноломкостью. Синеломкость объясняют выпадением мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения, которые увеличивают сопротивление деформированию и уменьшают пластичность. Красноломкость появляется из-за образования в металле многофазной системы, обладающей пониженной пластичностью.
При деформировании практически можно считать, что с увеличением степени и скорости деформации пластичность уменьшается, а сопротивление деформированию растет. Степень и скорость деформации одновременно оказывают на металл как упрочняющее, так и разупрочняющее действие. Так, увеличение степени деформации, с одной стороны, увеличивает наклеп металла, но с другой стороны, уменьшая температуру рекристаллизации, интенсифицирует процесс рекристаллизации и ведет к разупрочнению металла. По этой причине при горячей пластической деформации увеличение степени деформации до 20 - 30% влечет за собой увеличение сопротивления деформированию до 25 - 30%. Дальнейшее увеличение степени деформации практически не оказывает влияния на сопротивление деформированию, но даже несколько его снижает.
Увеличение скорости деформации уменьшает время протекания процесса рекристаллизации и, следовательно, увеличивает упрочнение. С другой стороны, увеличение скорости деформации увеличивает количество теплоты, выделяющегося в металле в момент деформирования, которая не успевает рассеяться в окружающую среду и вызывает дополнительный нагрев металла. Увеличение температуры сопровождается снижением сопротивления металла деформированию.
При обработке давлением в холодном состоянии в интервале небольших скоростей деформации увеличение последней ведет к увеличению сопротивления деформированию. В области больших скоростей с увеличением скорости деформации (для низкоуглеродистой стали) уменьшается и сопротивление деформированию. При деформировании этой стали при низкой температуре (200 0С, кривая 1 - рис. 3.5) с увеличением скорости в сопротивление деформированию уменьшается, так как металл несколько нагревается. При дальнейшем увеличении скорости деформации (более ε· = 1 1/с) сопротивление увеличивается. По-другому ведет себя металл при температуре 400 0С (кривая 3). С увеличением скорости деформации ε· до 1 1/с сопротивление деформированию растет, а при скоростях выше ε· = 50 1/с - падает. При обработке давлением металла при более высоких температурах (600 – 1200 0С, кривые 2, 4, 5) теплота, выделившаяся в металле, не вызывает существенного увеличения его температуры и поэтому увеличение скорости деформации ведет к увеличению сопротивления деформированию.
Рисунок 3.5 – Влияние скорости деформации (ε·) на сопротивление деформированию (σ)
Примеси, как правило, снижают пластичность сплавов. Растворимые в металле примеси оказывают меньшее влияние, нерастворимые - большее. Особо опасными с точки зрения снижения пластичности являются примеси, выпадающие в сплаве по границам зерен и образующие хрупкую сетку. В сталях наиболее вредными являются примеси серы и фосфора. Сера, образуя легкоплавкие соединения, снижает пластичность при повышенных температурах и приводит к явлению красноломкости. Фосфор, наоборот, искажая кристаллическую структуру железа, приводит к хрупкости при низких температурах, т. е. к синеломкости. В качественных сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,020 - 0,015%.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют стали с повышенным содержанием никеля, вольфрама, хрома, титана и др. Эти легирующие добавки, однако, увеличивают сопротивление деформированию сталей, затрудняя их обработку давлением.
4. Опишите технологию газокислородной резки металлов, происходящие при этом физико-химические процессы, применяемое оборудование. Перечислите другие термические способы резки металла.
Сегодня осуществить резку металла можно шестью основными способами, которые условно объединены в три группы:
высокоточные способы резки металла;
механические;
термические.
В зависимости от свойств разрезаемого металла могут применяться такие способы резки:
- лазерная резка;
- плазменная;
- газокислородная;
- ленточнопильная;
- гидроабразивная;
- гильотина.
Наиболее точными из них на сегодняшний день признаны лазерная и гидроабразивная резки. К термическим способам резки относят газокислородную и плазменную. Механические способы – это ленточнопильная резка и гильотина.
Газокислородная резка делится на разделительную поверхностную и резку кислородным копьем. Разделительная резка применяется при раскрое листовой стали, резке профильного материала, вырезке различных деталей, отрезке прибылей литых деталей, разделке поковок, подгонке при монтаже сварных конструкций и пр.
Газокислородная резка основана на сгорании металла в струе технически чистого кислорода и удалении этой струей из реза образующихся шлаков.
Основные условия резки следующие:
1.Температура воспламенения металла должна быть ниже температуры его плавления.
2. Температура плавления окислов металла должна быть ниже температуры плавления самого металла.
3. Теплота, образующаяся при сгорании металла, должна быть достаточной для ведения непрерывного процесса резки.
4. Образующиеся окислы должны быть жидкотекучими.
5. Теплопроводность металла должна быть возможно низкой.
6. Содержание углерода в долях должно быть не более 0,7%.
Этим условиям отвечают малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,7%. Температура их плавления равна 1535ºС, а температура воспламенения 1300º. У стали, содержащей 1,2% С, температуры плавления и воспламенения равны, поэтому резка ее производится при условии предварительного подогрева до 650—700°С.
Обычным способом не режутся следующие металлы: чугун, высоколегированные стали, медь, магний, алюминий и их сплавы.
Процесс разделительной резки начинается с нагревания разрезаемой детали в начальной точке реза подогревательным пламенем 4 (рис. 4.1, а), выходящим из подогревательного мундштука 3, до температуры воспламенения металла. Затем пускается режущий кислород через канал режущего мундштука 2. Струя режущего кислорода 5 вступает в контакт с нагретым металлом 1 и зажигает его. При горении выделяется значительное количество тепла, которое подогревает нижележащие слои, и горение распространяется на всю толщину, прожигая отверстие. Если перемещать резак с соответствующей скоростью, то металл будет разрезаться. Образующиеся шлаки 7 выдуваются кислородной струей из полости реза 6.

Рисунок 4.1 - Газокислородная резка: а — схема процесса; б — универсальный резак.
Ручная газокислородная разделительная резка выполняется при помощи резака. На рис. 4.1, б показана схема универсального инжекторного резака. Этот резак служит для резки стали толщиной от 5 до 300 мм и работает при давлении ацетилена в пределах 0,01 — 1,5 аmu и давлении кислорода 3 — 14 аmu.
Резак состоит из рукоятки 7 с двумя ниппелями для шлангов 5 и 6, корпуса 8, к которому при помощи накидной гайки 11 при соединен наконечник 13 со смесительной камерой 12 и инжектором 10. В передней части наконечника имеется головка резака 1, в которую впаяна также трубка режущего кислорода 2. Для подачи газов в головку резака имеются вентили 3, 4 и 9.
При резке не обязательно применять ацетилен, его можно заменить более дешевыми газами: коксовым, метаном, водородом, светильным, нефтяным, а также жидкими горючими — керосином и бензином.
Режим кислородной резки характеризуется мощностью подогревательного пламени, давлением и расходом режущего кислорода и скоростью резки, от которых зависит качество и ширина реза. Длительность нагрева в начальной точке реза подогревающим пламенем определяется толщиной металла, его составом, мощностью пламени, родом горючего и пр.
Скорость резки определяется по приближенной формуле
V = 40000/50 + δ ּ мм/мин,
где δ — толщина разрезаемого металла в мм.
Резку начинают с кромки листа. Сначала зажигают подогревательное пламя и затем, когда металл нагреется до белого каления, пускают режущий кислород