Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Методы обработки металлов

Здесь мы поговорим о том, как из разнообразных металлов получают твердые тела самой различной формы. Технология определяет геометрию основных частей изделия, величину допустимых отклонений от норм и от производительности труда. Технология создает предпосылки для сохранения, уменьшения или увеличения прочности материалов. По таким критериям можно классифицировать многочисленные способы производства.

Чугунные и стальные отливки возникают при первичной обработке

Когда материал, находящийся в бесформенном состоянии, обретает, наконец, форму? У металлических материалов под бесформенным состоянием обычно понимают расплавы и порошки. Первые используются в литейном производстве, вторые в порошковой металлургии.

Переработка металлических материалов имеет одно очень важное преимущество. Предварительное производство формованных частей- кратчайший путь от сырья к готовому изделию. За один рабочий цикл достигается почти окончательная форма заготовок, независимо от того, весят они граммы или тонны.

Из жидкого расплава можно отлить заготовку любой формы. Литейный способ позволяет изготовлять изделия из материалов, не поддающихся обработке в твердом состоянии. Прямой путь от сырья к заготовке выгоден и с энергетической точки зрения.

Благодаря интенсивному усовершенствованию способов литья все больше производится заготовок с улучшенными эксплуатационными характеристиками, например с тонкими стенками, с небольшими отклонениями от размеров, с лучшим качеством поверхности.

Если заготовка должна быть отлита, то исходный материал сначала расплавляется в металлургических печах. Плавильные печи и формовочные устройства устанавливаются как правило в разных местах. Литейные ковши доставляют расплав к формам.

Полость литьевой формы должна весьма точно повторять форму приготовляемой отливки, хотя иногда при специальных технологиях, может быть больше или меньше ее. Различают формовочные устройства одно- и многократного использования (табл. 7). Первые можно назвать потерянными формами, так как в них может быть изготовлено только одно изделие. Формы второго типа, так называемые постоянные, чаще всего изготавливают из чугуна или стали и реже из неметаллических материалов. Формы однократного использования делают из керамических материалов с помощью моделей. На  30 показано, как возникает такая форма. Заполнение форм расплавом осуществляется под действием сил тяжести, повышенного давления или центробежных сил. При охлаждении до комнатной температуры металл кристаллизуется, и готовая отливка вынимается из формы.

В порошковой металлургии металлический порошок засыпается в агломерационную машину, спрессовывается там, а затем либо в самой агломерационной машине, либо в специальных печах спекается путем обжига. В зависимости от давления прессования агломерат может иметь самую различную порозность. Благодаря спеканию уменьшается как внутренняя, так и внешняя поверхность материала. В связи с уменьшением внутреннего пространства находящиеся в соприкосновении частички порошка связываются между собой, причем по меньшей мере один из участвующих в процессе компонентов в ходе его остается в твердом состоянии. Связи между частицами в твердом спрессованном материале возникают в основном за счет диффузии.

Плавление таких тугоплавких металлов, как молибден и вольфрам, связано с очень большими затратами энергии, и именно здесь нельзя недооценивать роль порошковой металлургии. Такую же технологию используют в производстве пористых изделий, например металлических фильтров. Еще одна из возможностей применения порошковой металлургии открывается, когда детали должны быть изготовлены из компонентов, не сплавляющихся друг с другом. В качестве примера можно привести так называемые псевдосплавы железа со свинцом.

В большинстве случаев после прессования под давлением порядка 400 МПа и спекания при температуре, составляющей от 60 до 80% температуры плавления материалов, агломераты готовы к непосредственному использованию. Прочность их может быть еще более повышена путем дополнительной термообработки.

Прокатка, штамповка и прессование самые известные   способы   вторичного   формования

Формование относится с безотходным способам придания формы. Пластичное изменение материала происходит за счет остаточных деформаций. Путем механического воздействия на формовочных машинах из стального блока получают полуфабрикат, например лист или профиль, либо же готовую деталь того же объема.

Большинство металлов обладает достаточной способностью к изменению формы. Лучше всего формуются материалы с кубической гранецентрированной решеткой-свинец, серебро, золото, алюминий. У них такие плоскости и направления скольжения, по которым легче всего протекает атомарный процесс формоизменения. Способность к формоизменению у всех металлов улучшается с ростом температуры.

При пластичном изменении формы атомы внутри кристалла сдвигаются в плоскости скольжения друг относительно друга. Механизм этого скольжения можно себе представить, посмотрев  124.

Как будто все атомы одной поверхности одновременно меняют своих соседей! Однако на такой процесс понадобилось бы затратить энергию, компенсирующую межатомные силы притяжения. В действительности этот атомарный процесс протекает за счет дислокаций внутри кристаллических образований (см. также гл. «Высокочистые кристаллические материалы в природе и технике»). При перемещении такой дислокации атомы меняются местами не одновременно, а постепенно, друг за другом. Все используемые в технике металлические материалы, за редким исключением, имеют дислокации-это обусловлено способом их получения и переработки. Пластичное формоизменение как раз и связано с наличием и перемещением дислокаций в кристалле. Оно было бы невозможно без таких отклонений от идеальной структуры решетки, то есть без реальной кристаллической структуры металлических материалов.

Широкое распространение методов формования в технике объясняется их преимуществами. Экономится материал и повышается экономичность процесса. Параллельно увеличиваются производительность труда и рентабельность, а свойства

материала улучшаются (растет прочность, ликвидируются трещины, раковины, структура гомогенна). Этими способами можно производить широкий ассортимент деталей самой разнообразной формы, причем достижима высокая точность в размерах и форме готовых изделий или полуфабрикатов.

Лучше всего процесс формования рассмотреть на примере плоской прокатки; ею мы и займемся. В станине прокатного стана ( 31) вращаются с одинаковой окружной скоростью два гладких цилиндрических валка. Подаваемый материал, например стальной блок, силами трения захватывается и втягивается в зазор между валками. Если он пройдет через зазор, то под действием механической силы его толщина уменьшится, а длина и ширина соответственно увеличатся. После многократного повторения этой операции стальной блок превращается в тонкий  лист.

Современные методы в технике формования-штамповка и гидравлическое прессование. При штамповке в материал, находящийся в матрице машины, вводят штамп. Материал вытекает из отверстия, либо в направлении движения штампа, либо в обратном. В зависимости от этого различают три основных вида штамповки ( 32): прямоточная-материал течет в направлении движения штампа; противоточная - материал и штамп движутся в противоположных направлениях; смешанная материал течет перпендикулярно направлению движения штампа.

Штамповке чаще всего подвергают материалы из цинка, меди и алюминия, а также малоуглеродистые стали. При этом получают монолитные или полые изделия самой разнообразной формы.

Гидравлическое прессование напоминает штамповку. Цилиндрический или прямоугольный, полый или просверленный металлический слиток загружают в прессующее устройство и затем продавливают поршнем через матрицу ( 33). При этом получается полый или монолитный профильный стержень с одинаковым поперечным сечением. В отличие от штамповки, при которой изготавливаются детали самой разнообразной формы, методом гидравлического прессования из многочисленных сплавов, не содержащих железа, и из сталей производят полуфабрикаты в виде круглых и фасонных стержней, полуоткрытых профилей, простых и профильных труб и т.п.

Разделение на части

Разделение-это изготовление предметов путем изменения формы твердого тела, причем при отделении частей предмета друг от друга не образуется стружка или другие отходы. Хотя способы разделения на части, такие как разрезание, ломка, разрыв, по технологии относятся к другой группе процессов, имеет смысл рассматривать их вместе с процессами формоизменения, так как применяемые при этом устройства довольно близки.

К способам разделения металлических материалов относятся, например, разрезание длинным ножом или гильотинными ножницами, разрезание коротким ножом или вырубными ножницами. Эти методы применяются для разрезания листов и плоских предметов. Для разделения длинномерных предметов и обрезания кромки металлических полос используются круглые ножи, например дисковые ножницы, используемые также для вырезания круглых изделий   из   жести   и   кусков   стержней.

Под резанием понимают группу процессов обработки заготовок, при которых образуются отходы в виде металлической стружки (заготовки получают литьем или формованием).

Режущие инструменты должны иметь необходимую геометрию. Материал, из которого они изготавливаются, должен быть тверже, чем обрабатываемый ( 34). Кроме того, от него требуются высокая прочность на изгиб как при комнатной температуре, так и при температурах порядка сотен градусов. Это необходимо для сохранения функциональной способности резцов при строгании. В качестве материалов для резцов используют нелегированные и легированные инструментальные стали, высоколегированные, быстрорежущие стали, твердые сплавы (особенно металлокерами-ческие), режущую керамику (твердые керамические материалы на основе глинозема) и алмазы. При поступательном движении резца относительно заготовки от нее отделяются частицы вещества, расположенные выше режущей кромки резца. Процессы резания осуществляются с помощью различных инструментов на металлообрабатывающих станках

Точение на токарном станке, например, характеризуется тем, что обрабатываемая заготовка вращается, а резец закреплен и имеет возможность перемещаться вперед вдоль оси заготовки. Этим способом можно изготавливать любые детали, симметричные относительно оси вращения. Резцы можно изготовить самой разнообразной формы-некоторые приведены на  35.

Есть способы обработки металлов, при которых частицы вещества отделяются от заготовки немеханическим путем. Благодаря им удалось расширить технологические возможности обработки металлов.

В качестве примера приведем электроэрозионный способ обработки электропроводных материалов. Вещество удаляется в процессе электрического разряда между двумя электродами (инструментом и заготовкой), находящимися в рабочей среде (диэлектрик). Периодически протекающий [ станке) процесс разряда получают путем искрения стальном  или электрической дуги.

При электрохимической обработке металлов используется принцип гальванической ячейки или электролиза. Заготовка служит анодом, а инструмент подключен как катод. Специально подобранный электролит приводит к анодному растворению металлического материала ( 36).

Электроэрозионный метод нашел широкое применение в токарном деле, при сверлении, фрезеровании, удалении заусенцев. Он незаменим в применении к материалам, которые ввиду своей твердости практически не поддаются традиционным методам обработки. Но есть у него и недостаток - большие затраты электроэнергии.

Соединение частей

Под соединением понимают скрепление между собой двух или более частей или заготовок. Очень часто необходимо связать воедино две металлические конструкции. По механизму соединения (которое может быть как разъемным, так и неразъемным) различают следующие способы: соединение формованием, силой или другим веществом.

В первом случае отдельные части соединяются друг с другом за счет их формоизменения. Сюда, например, относятся фальцевые соединения водосточных желобов и труб, а также заклепочные. В качестве примеров соединения с помощью силы можно назвать резьбовые и соединения методом запрессовки. Соединения с помощью другого вещества возникают тогда, когда несколько отдельных частей неразъемно соединяются на основе сил адгезии или когезии. К ним относят сварку, пайку и склеивание.

Металлические материалы можно соединить путем сварки с применением тепла или давления. Чаще всего применяют сварку плавлением. На  37 показан ее принцип на примере электросварки. Сначала соединяемые части стыкуют вблизи будущего шва. Затем края заготовок в месте соприкосновения расплавляются в электрической дуге и сплавляются с материалом электрода, образуя расплавленный шнур, который застывая превращается в сварной шов. Во время сварки расплавленный электрод движется вдоль места соединения.

Причинами выделения тепла при электросварке служат поток электронов и ионизирующее действие электрической дуги. При газовой сварке основной и дополнительный материал (сварочная проволока) расплавляются в пламени, образующемся при сгорании ацетилена в потоке кислорода. Существует способ сварки, при котором электрическая дуга возникает между электродом и заготовками под насыпанным сверху порошком.

Основное требование к сварке состоит в том, чтобы свойства сварного шва были не хуже свойств соединяемых материалов, а сам процесс сварки не оказывал неблагоприятного влияния на свойства материала. Современные способы сварки удовлетворяют этим требованиям, и почти все металлические материалы можно сваривать. Наиболее известна, конечно, сварка сталей.

Под действием тепла и давления или только давления также можно соединить отдельные части из металлических материалов. Подобный способ соединения носит название пресс-сварки. Под действием высокого давления поверхности решеток кристаллов в материалах сближаются на расстояние действия межатомных сил— возникает металлическая связь.

Пайкой называют способ соединения металлических материалов с помощью расплавленного вещества-припоя, температура плавления которого ниже, чем у спаиваемых материалов. Материалы при этом скрепляются припоем, однако не расплавляются, как при сварке. В области температур выше 450 °С говорят о твердом припое, ниже этой температуры - о мягком. В то время как при сварке расплавленный металл электрода или сварной проволоки по своей природе близок к свариваемым материалам и соединяются, как правило, сходные материалы, то при пайке могут быть связаны между собой как одинаковые, так и различные металлы, причем в качестве припоя может быть использовано чуждое им по природе вещество.

Мягкими припоями служат сплавы олова со свинцом с содержанием олова от 2 до 90% и с добавками серебра, меди и сурьмы. Чаще всего используемые твердые припои - это медь, ее сплав с цинком (латунь), сплавы из серебра, меди, цинка, а также кадмия.

Спаянные соединения возникают за счет действия капиллярных сил на границах раздела между припоем и материалами. Благодаря этому становится возможным вопреки действию сил тяжести заполнение припоем зазора между поверхностями соединения.

В то время как склеивание дерева, бумаги, кожи издавна известно, для металлических материалов этот способ стал применяться сравнительно недавно, после открытия подходящих клеев. Многие части металлических конструкций можно прочно соединить друг с другом клеем, который затем отверждается либо путем химической реакции, либо за счет образования макромолекул, либо путем физических процессов. Прочность соединений обусловливают силы адгезии и когезии. В качестве клеев служат фенольные, эпоксидные и полиэфирные смолы, применяемые как при комнатных (холодное отверждение), так и при высоких температурах (горячее отверждение).

Эффективна ли защита от коррозии?

Всем известно, что изделия из железа ржавеют. Кроме того, с их поверхности из-за воздействия механических сил и других явлений уносится часть материала. Коррозия и износ встречаются в основном в поверхностных слоях конструкций и деталей. Поэтому возникает задача по возможности надежней защитить от этих воздействий поверхности металлических изделий. Основным средством при этом является нанесение защитных покрытий (см. также гл. «Коррозия материалов»).

Термическая, химическая и механическая модификации свойств веществ

Для улучшения или достижения определенных эксплуатационных свойств металлических материалов прибегают к их термообработке в твердом агрегатном состоянии.

В основе технологии термообработки лежит нагрев материала до необходимой температуры, выдержка его при этой температуре и, наконец, охлаждение. В зависимости от выбора условий нагрева, максимальной температуры, времени выдержки и условий охлаждения внутри металлического материала протекают фазовые и структурные изменения, которые и обусловливают изменение свойств вещества. Различают термические, термохимические и термомеханические способы обработки

При термохимических и термомеханических методах тепловые процессы тесно переплетаются либо с химическими реакциями, либо с пластичным формоизменением.

Термообработке в промышленности подвергаются металлические материалы, как содержащие железо, так и не содержащие. Мы остановимся в дальнейшем только на важнейших способах термообработки стали.

Диаграмма равновесия железо-углерод ( 28) представляет собой теоретическую базу для объяснения фазовых и структурных изменений, происходящих в стали и чугуне.

Цель нормализации получение тонкозернистой и равномерной структуры, которая появляется после перекристаллизации металлических материалов. Сталь для этого нагревают до определенной температуры, лежащей в области существования смешанных у-кристаллов, то есть аустенита, некоторое время выдерживают при этой температуре и, наконец, охлаждают, как правило, на открытом воздухе. Благодаря этому процессу удается устранить неравномерности структуры, возникающие на стадиях литья и формования. Кроме того, улучшаются механические свойства, особенно ковкость.

При отжиге стали стремятся достичь состояния наименьшей твердости. С этой целью сталь нагревают до температуры чуть выше или чуть ниже температуры а-у-перехода. После выдержки при этой температуре ее медленно, чаще всего в печах, охлаждают до комнатной температуры. Благодаря этому пластинчатый перлит переходит в зернистый, прочность и твердость уменьшаются и сталь лучше поддается обработке резанием.

Специальный вид отжига используется для уменьшения возникших при литье и формовании собственных внутренних напряжений в материале. Во избежание структурных изменений температура прокаливания лежит ниже температуры перехода а-фазы в у-фазу. В этом случае нагрев и охлаждение ведут с очень малой скоростью.

Чтобы снять напряжения, необходимо осуществить перемещение дислокаций, которые собираются на удобных для них поверхностях.

Путем рекристаллизационного отжига ликвидируют определенные изменения свойств, вызванные обработкой, особенно холодным формованием. Для этого заготовку нагревают выше так называемой температуры рекристаллизации. Процесс образования и роста новых кристаллов, проводимый после предшествующего формоизменения, заканчивается у сталей через 3 часа при температурах выше  600 °С.

Большое значение в технике имеет закалка стали. Сначала заготовку нагревают до температуры, соответствующей на диаграмме равновесия области существования аустенита (у-фаза), и после определенной выдержки очень быстро охлаждают (в воде или в масле) до комнатной температуры. Если выдержана так называемая критическая скорость охлаждения, то в стали образуется желаемая структура-мартенсит. Аустенит превращается в мартенсит без участия диффузионных процессов за счет внутренней перестройки кристаллов. Стали с мартенситной структурой обладают очень высокой твердостью, а следовательно, и высокой износостойкостью, но они довольно хрупкие. Предел достижимых значений твердости зависит от содержания углерода. Если углерода меньше 0,25%, такие стали в промышленности из технических соображений почти не отверждают. Глубина закалки достигаемая при определенных условиях охлаждения и одинаковых размерах поперечного сечения заготовок зависит прежде всего от содержания в стали добавок. С повышением содержания специальных добавок растет отвержденное сечение заготовки.

Если при отверждении нагревается не весь объем, а только некоторая поверхностная область материала, то говорят о поверхностном отверждении. Заготовки из малоуглеродистых сталей могут быть отверждены в поверхностных слоях, если эти слои предварительно достаточно высоко науглеродить в твердом состоянии. После такого науглероживания поверхностный слой легко отверждается. Такая технология известна как цементация стали.

Так как после отверждения сталь хотя и очень тверда, но и весьма хрупка, ее, несмотря на высокую износостойкость, еще нельзя использовать для изготовления конструкций, подвергающихся большим нагрузкам. С помощью так называемого отпуска удается понизить хрупкость стали и одновременно достичь высоких значений пластичности и вязкости. Чтобы отпустить сталь, заготовку нагревают, но не выше температуры а-у-перехода. В зависимости от сочетания температуры отпуска и химического состава стали механические свойства ее могут варьироваться в широких пределах.

Путем комбинированного термического и химического воздействия можно изменить химический состав поверхностных слоев стали и тем самым улучшить ее свойства. Упоминавшаяся выше цементация стали, как раз относится к термохимическим способам обработки.

Азотирование, то есть введение азота в поверхностные слои стальных изделий, осуществляется в газовой аммиачной среде. Аммиак диссоциирует при 500-560 °С, образуя очень активные атомы азота, которые и диффундируют через поверхность материала. Азотирование можно производить и в солевых ваннах, хотя в этом случае из-за использования цианистых солей происходит частичное науглероживание. Эта технология, суть которой в одновременном введении в поверхностный слой стальной заготовки и углерода, и азота, называется поэтому цианированием.

При термомеханической обработке стремятся улучшить механические свойства путем комбинации пластичного формоизменения (формования) с термохимической обработкой. Пластичное формование при температуре выше или ниже температуры рекристаллизации, проведенное до, после или во время термообработки открывает широкие перспективы для направленного изменения свойств металлических материалов.