Технология конструкционных материалов

На современных металлургических заводах применяется ковка, штамповка, прокатка, волочение и прессование (рис. 1)[10].Рис. 1. Основные способы обработки металлов давлением:а – прокатка; б – прессование; в – волочение; г – ковка; д – листовая штамповка; е – объемная штамповкаПрокатка относится к одному из наиболее распространенных видов обработки металлов давлением.Методом горячейпродольной прокатки выпускают крупный сорт и толстый лист,методом холодной прокатки - тонкий лист, ленту, мелкий профиль точных размеров. Горячая прокатка является более производительной и экономически выгодной.Холодная прокатка обеспечивает значительно более высокуюточность и часто является чистовым этапом производства листов,труб и профилей. Тонкий лист (1,5 мм)горячей прокаткойпроизводить затруднительно из-за того, что происходит быстрое охлаждение металла.Прокаткой получают чаще всего длинномерные изделия и листы [8].Применяются три основных вида прокатки (рис. 2) [10]. Рис. 2. Основные виды прокатки:а - продольная; 6 - поперечная; в –поперечно-винтовая;1 - валки; 2 - заготовка;3 - оправкаПри продольнойпрокатке (рис. 2, а) заготовка 2 деформируется междудвумя валками 1, которые вращаются в разные стороны, и перемещаетсяперпендикулярно к осям валков. Она по сравнению с другими видами прокатки получила наибольшее применение [10]. При поперечной прокатке (рис. 2, б) валки 1 при вращении одном направлении придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.При поперечно-винтовой прокатке (рис. 2, в) валки 1 располагаются под утлом и сообщают заготовке 2 вращательное и поступательное движенияпри деформировании.Прокатка осуществляется на прокатных станах. По назначению различают [10]:- обжимные (блюминги для производства производство сортовой заготовки); - слябинги (для производства листовой заготовки);- заготовочные;-мелкосортные, среднесортные и крупносортные;- проволочные;- рельсобалочные и универсальныебалочные;- толстолистовые,тонколистовые,листовые;- широкополосные, ленточные, трубопрокатные;- бандаже- и колесопрокатные;- специального назначения.Под прессованиемпонимается процесс выдавливанияметалла через отверстиезаданной формы в матрице. Прессы бываютгидравлическими и механическими. Передача энергии деформирующиморганам в гидравлических прессах осуществляется давлением жидкости. В механических прессахкривошипные или кулачковые механизмы преобразуют вращательное движение электроприводав возвратно-поступательное перемещение деформирующего органа [8, 10].Прессование чаще всего применяется для обработки цветных металлови реже стали. Прессованию подвергаются слитки и деформированныйметалл. Различают прямое и обратное прессование. При прямом прессовании металл выдавливается в направлении движения пуансона, при обратном -металл движется навстречу движению пуансона (рис. 3) [10]. Качество поверхности при прямом прессовании выше, чем при обратном, но при обратном прессовании меньше усилие прессования.Рис. 3. Прямое и обратное прессование прутков (а) и труб (б):1 - штемпель; 2 - контейнер; 3 - трубная оправка; 4 - матрица;5 -прессуемый металлПрессованиtприменяется для производства очень широкого сортамента сплошных и полых профилей, труб и панелей, в том числе и оребренных [8].Волочение применяется для уменьшенияпоперечного сечения проволок, прутков и труб протягиванием черезволоку (рис. 4). Поперечное сечениеотверстия в волоке меньше поперечного сечения протягиваемогоизделия.Металл при волочении в большинстве случаев не нагревают, процесс осуществляется при комнатной температуре, а теплота деформации, которая образуется в процессе, отводится эмульсией или обдувом воздухом.Свободная ковка позволяет изменять форму и размеры заготовки. Свободная машинная ковка выполняется на молотах и прессах. Схемы свободной ковки приведены на рис. 5.Ковке подвергают чаще литой металл. Деформированная заготовкаприменяется при перековке на мелкие размеры.Методом свободной ковки получают крупные поковки (250 т), в основном простого сечения, среди них круг, квадрат, многогранник и прямоугольник [8, 10].Рис. 4. Основные схемы волочения:а - круглого сплошного профиля: б– фасонного сплошного профиля; в– круглойтрубы без оправки; г, д - круглой трубы на короткой и длинной оправках с уменьшением по диаметруи утончением стенки;1 – волока; 2 - протягиваемое изделие; 3 –оправка; 4 - стержень короткой оправки; 5 – упор стержняРис. 5. Схемы свободной ковки и основных типов молотов:а - осадка; 6, в - высадка; r - протяжка; д - разгонка е - прошивкаПод штамповкойпонимается изготовление изделий давлениемс помощью специального инструмента, получившего название штампов. Рабочая полость определяется конфигурацию конечнойштамповки. По размерам, точности,допускам и припускам штамповки значительно лучше деталей, полученных свободной ковкой. Различаютобъемнуюштамповку (рис. 6) и листовую (рис. 7) [10].Рис. 6. Типы штампов при объемной штамповке:а - открытый; б - закрытый; в - штамп для выдавливания;1–верхний (подвижный) штамп. по схеме в и б - пуансон; 2 - стенка ручья; 3 - облой; 4 - штамповка 5 –нижний (неподвижный) штамп; 6 - выталкивательРис. 7. Схемы листовой штамповки:а - вырубка; б - гибка; в- вытяжка; r - формовка; 1 -заготовка и изделие; 2 - пуансон; 3 - штамп (матрица)Объемная штамповка заключается в принудительном заполнении металлом полости штампа и придании ему формы полости. Она подразделяется на горячую и холодную штамповку. При горячей объемной штамповке заготовка, нагретая до требуемой температуры, помещается в полость одной из половин штампа [8, 10].Под листовой штамповкой понимается штамповка заготовок из листового или фасонного проката без обусловленногозначительного перераспределения металла в поперечном сеченииисходной заготовки. Она в основном осуществляется в холодном состоянии.187. Диффузионная сваркаДиффузионную сварку материалов в вакууме в 1953 году предложил доктор технических наук Н.Ф. Казаков.Под ней понимается способ получения неразъемного соединения, которое образовывается вследствие возникновения связей на атомарном уровне, появившихся при сближении контактных поверхностей в результате действия локальной пластической деформации при повышенной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых материалов[5].Таким образом, способ основан на применении процесса диффузии. Соединяемые между собой детали помещаются в сварочную камеру, которая заполнена инертным газом, или в вакуумированную, в которой поддерживается постоянный вакуум 133,3 (10-2-10-3) Па.Затем они сдавливаются удельным давлением (0,5-2,0) 10-3 Па. Вакуум создается и поддерживается постоянной работой вакуумных насосов, которые откачивают газы, поступающие вкамеру через неnлотности и адсорбированные поверхностямиаппаратуры и непрерывно выделяемые нагреваемым металлом. Температура нагрева соединяемых деталей должна равняться (0,55-0,60) Тпл[10].Процесс диффузионной сварки идетдовольно медленно, на него требуется5-20 мин.Но приэтом сварка отличается большой универсальностью. С помощью диффузионной сварки возможна сварка многих разнородных металлов, металлов с металлокерамическими сплавами, металлов с керамикой, с графитом и т. д.[5, 10].Данный типспособотличается от других способов сварки давлением тем, что для его осуществления необходимы относительно высокие температуры нагрева и сравнительно низкие удельные давления при изотермической выдержке, составляющей от нескольких минут до нескольких часов.В процессе сварки осуществляется [5]:- взаимодействие нагретого метала с газами окружающей среды;- очистка от оксидов свариваемых поверхностей;- развитие локальной пластической деформации и диффузионных процессов.Газы в процессе используются для того, чтобы уменьшить скорость окисления свариваемых деталей и создать условия очистки контактных поверхностей от оксидов.Применяются расплавы солей и восстановители, чаще всего - вакуум или инертные газы [7]. С помощью диффузионной сварки соединяются металлы, плохо свариваемые плавлением, а конструкции работают в условиях значительных нагрузоки повышенных температур. Технологические возможности позволяют широко использовать ее в электронной и приборостроительной промышленности при производствекатодных и металлокерамических узлов, полупроводниковых приборов, вакуум-плотных соединений из разнородных материалов, штампов и т.п. С ее помощью изготавливаются крупногабаритные заготовки деталей, имеющие сложную форму, получение которых механической обработкой, обработкой давлением и литьем является невозможным или неэкономичным. Особенно эффективнаона в опытном и мелкосерийном производстве[5, 7, 10].Свариваетсябольшинство конструкционных материалов на металлической основе, керамику,ферриты, графит, стекло, кварц, сапфир, полупроводниковые материалы в однородном и разнородных сочетаниях. С ее помощью свариваются металлокерамические, пористые и композиционные материалы, при этом не происходит нарушения их текстуры и ухудшения свойств. В случае использования барьерных покрытий и проставокона позволяет сваривать разнородные металлы и сплавы, которые склонны к образованию хрупких фаз, тугоплавкие металлы при температурах ниже порога рекристаллизации.При ее использовании можно избежать охрупчивания металла. Материалы, у которых резко отличаются значения коэффициентов термического расширения, можно сваривать за счет применения промежуточных проставок[7].Она применима для всех типов соединений: встык, внахлестку, соединять пересекающиеся стержневые элементы между собой и с плоскими или криволинейными поверхностями.Ею свариваются заготовки любых сечений. В случае применении локального вакуума и местного нагрева соединяются заготовки неограниченной длины, пленки и фольга толщиной в несколько микрометров, достаточно массивные детали; а такжезаготовки разной толщины.Достоинством этого вида сварки является то, что после ее завершенияне требуется механическая обработка сварного шва.Изделия имеют высокую размерную точность, остаточные деформации составляют 0,1-6 %.Швы обладают высокими показателями механической прочности и пластичности на уровне основного материала[5].Перспективно с помощью метода совмещения диффузионной сварки и формообразования в режиме сверхпластичности производство многослойных пустотелых конструкций типа панелей из титановых или алюминиевых сплавов с наполнителем сложной формы.Диффузионная сварка является единственным известным способом, который обеспечивает получение монолитного соединения. Для ее осуществленияне требуются флюсы, электроды, припои, присадочная проволока.Недостаткисостоятв [5]:- значительной продолжительность процесса и сложности оборудования;- низкой универсальности процесса; - сложности с загрузкой заготовок и выгрузкой готовых изделий при организации непрерывного процесса изготовления сварных изделий;- необходимости контролятемпературы заготовки в зоне шва. Высокие требования, предъявляемые к качеству контактных поверхностей,приводят к удорожанию процесс.К процессу сваркипредъявляются требования, состоящие в том, что поверхности деталейнеобходимо очистить и обеспечить их непосредственный контакт. Материалы нагреваются до температуры, которая способствует процессу диффузии. Необходимо обеспечить защитуот окисления и загрязнения контактных поверхностей.Схема установки для диффузионной сварки приведена на рис. 1 в [5].Рис. 1. Схема установки для диффузионной сваркиСвариваемые детали 2 помещаются в вакуумную камеру 1, в которой разряжение создается вакуумной системой 3. Нагрев осуществляется индуктором 4 высокочастотного генератора 5. Сжимающее усилие на свариваемые детали создается гидравлической системой 6.Температура, давление и время выдержки влияют на качество соединения материалов[7].Диффузионные процессыявляются термически активируемыми. В связи с этим повышение температуры сварки приводит к их развитию. Температура нагрева устанавливается по возможности более высокой для того, чтобы уменьшить сжимающее давление и продолжительность процесса. Как правило,температураравняется (0,5...0,8) Тпл, и несколько выше - для жаропрочных сплавов. Если свариваются разнородные металлы, то расчет процесса сварки ведется по температуре плавления материала, который является наиболее легкоплавким[7].Скорости нагрева и охлаждения зависят от источника тепла и в большинстве случаев они не регламентируются. Давление равно(0,8-0,9) предела текучести, взятого при температуре сварки. Оно может изменяться в пределах 1-50 МПа. Значения могут быть в несколько раз выше для сварки тугоплавких и твердых материалов.На практике применяют две схемы диффузионной сварки: с промежуточными прокладками и без них. Если свариваются разнородные металлы, топрименяются прокладки, материалами которыхявляются никель, медь и алюминий. Прокладки могут быть расплавляющимися и нерасплавляюшимися. Толщина – 2-7 мкм[7].Для осуществления диффузионной сварки разработано около 70 типов установок. Они подразделяются по назначению (универсальные и специализированные), степени вакуумирования(низковакуумные, средне вакуумные, высоко вакуумные), способу нагрева (радиационный, индукционный, нагрев в тлеющем разряде, пропусканием тока по детали, пучком электронов), системе сжатия (механические, электромеханические, пневмогидравлические,пневматические, с постоянным грузом).Наиболее широко применяются сварочные диффузионные вакуумные установки.Для нагрева заготовок наибольшее распространение получили индукционный, радиационный и контактный способы.Источник питания - трансформаторы и генераторы высокой частоты.ЗаключениеВ процессе работы над рефератом были рассмотрены следующие вопросы:- понятие о наноматериалах;- термическая и химико-термическая обработка. Основные положения;- производство титана;- сущность обработки металлов давлением;- диффузионная сварка.Были изучены материалы о наноматериалах, их видах, характеристиках и технологиях. Было установлено, что нанотехнологииявляются детищем современной фундаментальнойнауки и наноматериалов большое будущее.В настоящее время для создания современной техники очень важно знать характеристики металлов и неметаллов, способы и методы их обработки, а также оборудование, применяемое для обработки. В связи с этим были изучены такие вопросы, как термическая и химико-термическая обработка, производство титана, обработка металлов давлением и диффузионная сварка.Список использованной литературыЗвонарев С.В. Функциональные и конструкционные наноматериалы : учебно-методическое пособие. - Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. - 132 с.Кирчанов В.С. Наноматериалы и нанотехнологии : учебное пособие. – Пермь : Изд-во Перм. нац. иссл. политех. ун-та, 2016. - 193 с.Козловский А.Э. Термическая обработка углеродистых сталей : учебное пособие / А.Э. Козловский, М.Ю. Колобов. – Иваново : Иван. гос. хим.-технол. Ун, 2017. – 144 с.Кузнецов В.В., Рубцов Э.Р., Шкуряков Н.П. Материаловедение. Цветные металлы и сплавы на их основе. Неметаллические материалы : учебное пособие. - СПб. : Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. - 80 с.Люшинский А.В. Диффузионная сварка разнородных материалов. – М. : Издательский центр «Академия», 2006. – 208 с.Материаловедение. Теория и технология термической обработки : учебное пособие [Электронный ресурс] / Г.Н. Гаврилов, Е.Н. Каблов, В.Т. Ерофеев [и др.] ; под ред. акад. РАН Е.Н. Каблова и проф. Г.Н. Гаврилова. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2019. – 11,6 Мб.Новиковский Е. А. Ручная электродуговая и газовая сварка металлов: учебное пособие / Е.А. Новиковский. – Барнаул: Типография АлтГТУ, 2013 – 106 с.Орлов Г.А. Технологические процессы обработки металлов давлением : учебное пособие / Г.А. Орлов ; науч. ред. В. П. Швейкин. - Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2013. - 198 с.Смирнов В.И. Физические основы нанотехнологий и наноматериалы : учебное пособие. – Ульяновск :УлГТУ, 2017. – 240 с.Солнцев Ю.П., Ермаков Б.С., Пирайнен В.Ю. Технология конструкционных материалов : учебник для вузов . -изд. 5-е, стереотип.- СПб. : ХИМИЗДАТ, 2017. - 504 с.Цветные металлы и сплавы : учебное пособие / Т.В. Мальцева, Н.Н. Озерец, А.В. Левина, Е.А. Ишина. - Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. - 176 с.