Механическая обработка металлов
РЕФЕРАТ
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Широкое применение в промышленности
получили различные механические методы разделения металлов, в первую очередь
резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. В производстве
используются разнообразные станки общего и специального назначения для раскроя
листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. Однако
при многих достоинствах этого процесса существуют значительные недостатки,
связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного
инструмента, трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному
криволинейному контуру. С этими задачами прекрасно справляется лазерная резка металлов.
Отжиг - это термообработка ,которая
устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности и
неравновесности , которые были внесены в металл при предшествующих операциях (
мех. обработка , обработка давлением , литье , сварка ). В зависимости от
исходного состояния стали отжиг может включать процессы гомогенизации ,
рекристаллизации и снятия остаточных напряжений.
Именно об этих способах обработки металлов
и пойдет речь в данном реферате.
Гомогенизационный отжиг.
Основной целью гомогенизационного
отжига являются - устранение последствий дендритной или внутрикристаллитной
ликвации , которая может привести к :
1.Снижению пластичности, за счет выделения неравновесных
хрупких фаз.
2.Уменьшению коррозионной стойкости и развитии
электрохимической коррозии
внутри сплава.
3.Анизотропии мех. свойств.
4.Снижению температуры солидуса.
5.Уменьшению температуры плавления , из-за которого
происходит оплавление дендритов при дальнейшей обработке.
6.Отсутствию стабильности свойств.
Физико - химической основой
гомогенизационного отжига является диффузия в твердом состоянии , по этому
отжиг желательно проводить при более высоких температурах , чтобы диффузионные
процессы , необходимые для выравнивания состава стали , проходили более полно.
Температура нагрева под отжиг
колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .
Выдержка будет определяться природой
ликвирующих элементов . Так как гомогенизация интенсивно протекает в начальный
период отжига ( по мере выравнивания состава сплава градиент концентрации dC/dX
уменьшается ), то большие времена выдержки не применяются. Однако для некоторых
металлов это время составляет десятки или сотни часов. Для уменьшения времени
отжига нужно
1. Увеличить температуру
2. Изменить dC/dX , а для этого
нужно изменить условия кристаллизации.
Гомогенизирующий отжиг может вызвать
ряд негативных побочных явлений:
1. Рост зерна аустенита,следовательно
ухудшение мех. свойств .
2. Вторичная пористость и
неоднородность .
3. Коагуляция избыточных фаз.
Поэтому гомогенизирующий отжиг
является предварительной обработкой , после которой поводят полный отжиг,или
обработку давлением , или отпуск при 670-680 градусах ,или нормализацию.
Для устранения неоднородностей ,
вызванных холодной пластической деформацией применяют дорекристаллизационный
и рекристаллизационный отжиг
При холодной деформации происходит:
1.Изменение формы и размеров
кристаллов
2.Накопление в металле большого
количества избыточной энергии ,что в конечном итоге приводит к росту напряжений
1 и 2 родов.
Из-за этого : уменьшаются
пластические характеристики, появляется анизотропия механических свойств,
увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость.
Все это можно попытаться устранить
отжигом.
Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим
и упрочняющим.
Смягчающий отжиг используют для повышения пластичности при
частичном сохранении деформационного упрочнения. Чаще всего его применяют в
качестве окончательной операции , придающей изделию требуемое сочетание
прочности и пластичности. Кроме того , можно уменьшить остаточные напряжения , стабилизировать
свойства и повысить стойкость к коррозии. Для выбора режима дорекристаллизационного
смягчающего отжига необходимо знать температуру начала рекристаллизации, при
данной степени деформации.
Дорекристаллизационный
упрочняющий отжиг применяют для повышения упругих свойств пружин и
мембран.Оптимальную температуру подбирают опытным путем.
Рекристаллизационный отжиг используют
в промышленности как предварительную операцию перед холодной обработкой
давлением,для придания материалу наибольшей пластичности;как промежуточный
процесс между операциями холодногодеформирования,для снятия наклепа; и как
окончательную термообработку,для придания материалу необходимых свойств.
При выборе режима отжига нужно
избегать получения очень крупного зерна и разнозернистости.Скорость нагрева
чаще всего не имеет значения.
Отжиг, уменьшающий напряжения.
При обработке давлением, литье, сварке,
термообработке в изделиях могут возникать внутренние напряжения. В большинстве
случаев,они полностью или частично сохраняются в металле после окончания
технологического процесса. Поэтому основная цель отжига - полная или частичная
релаксация остаточных напряжений.
Причинами возникновения остаточных
напряжений являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение
удельного объема в различных точках тела, из-за наличия градиента температур по
сечению тела.
Напряжения при отжиге уменьшаются
двумя путями : вследствии пластической деформации в условиях когда эти
напряжения превысят предел текучести и в результате ползучести при напряжениях
меньше предела текучести.
Температуру подбирают обычно несколько
ниже критической точки Ас1 .
Скорости нагрева и особенно
охлаждения при отжиге должны быть небольшими,чтобы не возникли новые внутренние
термические напряжения.
Использование отжига лимитируется
теми нежелательными структурными и фазовыми изменениями , которые могут
произойти при нагреве. Поэтому приходится либо мириться с недостаточно полным
снятием остаточных напряжений при низких температурах ,либо идти на компромис,
достигая более полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и
других свойств.
Отжиг II рода.
Отжиг второго рода - это
термообработка , которая заключается в нагреве стали до температур выше точек
Ас3 или Ас1 ,выдержке и последующем охлаждении. В
результате мы получаем почти равновесное структурное состояние стали; в доэвтектоидных
сталях - феррит + перлит , в эвтектоидных - перлит и в заэвтектоидных - перлит
+ вторичный цементит.
После отжига получаем : мелкое зерно,
частично или полностью устраненные строчечность, видманштеттову структуру и
другие неблагоприятные структуры .
Сталь получается снизкой прочностью и
твердостью при достаточном уровне пластичности.
В промышленности отжиг II рода часто
используется в качестве подготовительной и окончательной обработки.
Разновидности отжига II рода
различаются способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита , а так же
положением температур нагрева относительно критических точек .
Полный отжиг.
Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры ,
возникших при предыдущей обработке ( лить , горячей деформации или сварке ) ,
смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений , для
придания стали определенных характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для
приближения системя к равновесию.
|
Полный отжиг
заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше
температуры Ас3 (чрезмерное повышение температуры выше этой точки
приведет к росту зерна аустенита , что вызовет ухудшение свойств стали),
выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме
металла и последующем медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей такой
отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после
такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита , ухудшающая
механические свойства . Для доэвтектоидных сталей время нагрева и
продолжительность обработки зависят типа печи ,способа укладки , типа
отжигаемого материала (лист,прокат , ...).Наиболее распространенная скорость
нагрева составляет ~ 100 C / ч ,а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа
на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловленно необходимостью избежать
образования слишком дисперсной ферритно-цементитной структуры и следовательно
более высокой твердости. Скоростьохлаждения зависит от устойчивости
переохлажденного аустенита, а следовательно , от состава стали. Ее регулируют
проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или
частично выключенным обогревом.
При полном отжиге происходит полная
фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки Ас3 образуется
аустенит, характеризующийся мелким зерном , который при охлаждении дает
мелкозернистую структуру , обеспечивающую высокую вязкость , пластичность и
получение высоких свойств после окончательной обработки.
Структура доэвтектоидной стали после
полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
Существует отжиг противоположный по
целям обычному отжигу .Это отжиг на крупное зерно с нагревом до
950-1100 С , который применяют для улучшения обработки резанием мягких
низкоуглеродистых сталей .
Неплный отжиг .
Неполный отжиг доэвтектоидной стали
проводят при нагреве до температур выше Ас1 , но ниже Ас3 .
При таких температурах происходит частичная перекристаллизация стали , а
именно лишь переход перлита в аустенит . избыточный феррит частично
превращается в аустенит и значительная часть его не подвергается
перерекристаллизации . Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки стали
связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита . Для
доэвтектоидной стали неполный отжиг применяется лишь тогда , когда отсутствует
перегрев , ферритная полосчатость, и требуется только снижение твердости и
смягчения перед обработкой резанием .
ЛАЗЕРНАЯ
РЕЗКА МЕТАЛЛА
В промышленности
получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на
электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях.
Ацителено-кислородная резка, плазменная резка проникающая дугой и другие
физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности
по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и
чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей
механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс
разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но одновременно
с этим характеризуются малой производительностью.
Сфокусированное
лазерное излучение , обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет
разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических
свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического
влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на
обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в
процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствии этого
лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе
легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой
плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность
процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и
сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять
лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с
высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности
лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по
сравнению с традиционными методами обработки.
Лазерная резка относится
к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных
еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким
диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт),
обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного
газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное
излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза,
а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. При использовании
кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется
оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в
результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество
теплоты.
Для резки металлов
применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO2 - лазеров, работающих как в непрерывном, так и в
импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной
резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить
традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из
применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для
резки еще достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее
снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки (в дальнейшем просто
лазерной резки) становится эффективным только при условии обоснованного и
разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов
трудоемко или вообще невозможно.
Список литературы.
1. Новиков И.И. Теория термичесеой обработки металлов .М.:
Металлургия,1986.
2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка
металлов.
М.: Металлургия , 1993
3. Лившиц Металлография. М.: Металлургия ,1994.