/
Текст
ТЕХНОЛОГИЯ
МЕТАЛЛОВ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Под редакцией Б. В. КНОРОЗОВА
МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1978
УДК 621.7/9
Б. В. КНОРОЗОВ, Л. Ф. УСОВА, А. В. ТРЕТЬЯКОВ,
И. А. АРУТЮНОВА, С. П. ШАБАШОВ, В. К. ЕФРЕМОВ
УДК 621.7/9
Технология металлов. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Тре-
тьяков А. В., Арутюнова И. А., Шабашов С. П., Еф-
ремов В. К. М., «Металлургия», 1978. 904 с.
В книге на современном уровне с использованием отечественно-
го и зарубежного опыта рассмотрены основы металлургии чугуна,
стали, цветных металлов, представлены основные сведения о литей-
ном производстве, обработке металлов давлением, сварке и пайке,
обработке металлов резанием. Изложены основы металловедения.
Рассмотрена технология производства из неметаллических материа-
лов.
Во 2-е издание внесены изменения и дополнения, отражающие
последние достижения науки и техники, а также современные тех-
нологические процессы.
Книга предназначена для широкого круга инженерно-техничес-
ких работников, а также может быть полезна студентам машино-
строительных, текстильных, автодорожных, пищевых и других неме-
таллургических вузов.
Ил. 447. Табл. 47. Список лит.: 67 назв.
© Издательство «Металлургия», 1978
_ 31001—155
040(01)—78 10—78
Книга имеет и другие книготорговые индексы: 31010, 31204, 31206, 31207, 31100,
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие . . ................................ 12
Раздел I
ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ ЧЕРНЫХ И
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
(Б. В. Кнорозов)
Глава I. Общие сведения.................................. 13
Развитие отечественной металлургии....................... 15
Металлургические процессы............................... 16
Металлургическое топливо.................................. 18
Огнеупорные материалы................. ...... . . 20
Глава 2. Производство чугуна.............................. 21
Руды, флюсы и топливо.................................... 22
Подготовка руды к плавке................................. 24
Устройство доменной печи.............................. . 29
Доменный процесс.......................................... 31
Продукты доменной плавки.................................. 37
Технико-экономические показатели производства чугуна . . .38
Глава 3. Производство стали..............................
Современные способы производства стали................... 40
Кислородно-конверторный процесс........................... 41
Другие конверторные способы............................... 49
Производство стали в мартеновских печах.................... 51
Мартеновский основной скрап-процесс........................ 54
Мартеновский основной скрап-рудный процесс 57
Применение кислорода...................................... 58
Двухванные печи............................................ 59
Кислый мартеновский скрап-процесс . . .................... 60
Технико-экономическая опенка кислородно-конверторного н
мартеновского способов ................................... 61
Производство стали в электрических дуговых печах .... 63
Выплавка стали в индукционных печах........................ 68
Технико-экономическая оценка выплавки стали в электриче-
ских печах................................................ 70
Разливка стали ...................................... . 70
Непрерывные сталеплавильные процессы....................... 77
Внедоменные способы получения железа (стали)............... 78
Получение стали и сплавов особо высокого качества .... 80
Глава 4. Производство цветных металлов 84
Производство меди................................... . 84
Производство никеля........................................ 91
Производство алюминия .................................... 95
Производство магния........................................ 101
Производство титана . . . . ............................... 104
Основы технологии получения феррованадия................... Ю8
Список литературы 109
1*
3
Стр.
Раздел II
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
(Д. Ф. Усова)
Глава 1. Строение и кристаллизация металлов .... 111
Строение металлических атомов............................. Ш
Кристаллическое строение металлов ...................... 112
Полиморфные и магнитные превращения в металлах .... 117
Строение реальных металлов...............................120
Кристаллизация металлов . ........................ 130
Строение металлического слитка.......................... 135
Структурные и физические методы исследования металлов . 137
Глава 2. Диаграммы состояния сплавов................. 142
Строение металлических сплавов...........................142
Понятие о диаграммах состояния.......................... 147
Диаграмма состояния сплавов с практическим отсутствием
растворимости компонентов в твердом состоянии ..... 150
Диаграмма состояния сплавов с неограниченной раствори-
мостью компонентов в твердом состоянии.................. 154
Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии......................... 156
Диаграмма состояния сплавов с образованием химических сое-
динений ................................................ 158
Диаграмма состояния сплавов, испытывающих превращения в
твердом состоянии....................................... 160
Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состоя-
ния (закон Курнакова)................................ . 163
Понятие О диаграммах состояния тройных систем ..... 165
Глава 3. Физические основы пластичности и прочности
металлов ............................................... 166
Физическая природа деформации металлов............ 167
Характеристики прочности и пластичности ................ 172
Теоретическая и техническая прочность............. 176
Твердость......................................... 178
Пластичное (вязкое) и хрупкое состояние металлов .... 181
Усталость металлов................................ 188
Остаточные напряжения............................. 191
Глава 4. Наклеп, возврат и рекристаллизация . ; . . . 194
Особенности пластической деформации технических металлов 194
Наклеп............................................ 196
Возврат........................................... 197
Рекристаллизация.................................. 199
Сверхпластичность ...................................... 203
Глава 5. Железоуглеродистые сплавы................205
Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом .... 205
Диаграмма состояния железо — цементит.............207
Диаграмма состояния железо — графит ......... 215
4
Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа . .
Фазы в легированных сталях...............................
Глава 6. Основы теории термической обработки стали .
Основные виды термической обработки стали..............
Превращения в стали при нагреве........................
Превращения в стали при охлаждении ....................
Мартенситное превращение...............................
Превращения в закаленной стали при нагреве.............
Глава 7. Технология термической обработки стали . . .
Отжиг......................................... . . .
Нормализация...........................................
Закалка стали .........................................
Поверхностная закалка .................................
Отпуск.................................................
Обработка холодом................................. . .
Глава 8. Химико-термическая обработка..................
Цементация.............................................
Азотирование . . ..................................
Цианирование (нитроцементация).........................
Диффузионная металлизация................................
Методы механического упрочнения поверхности............
Термомеханическая обработка............................
Глава 9. Конструкционные материалы.....................
Классификация и маркировка сталей.................. ,
Дефекты легированных сталей............................
Цементуемые стали......................................
Улучшаемые стали . ....................................
Высокопрочные стали....................................
Пружиино-рессорные стали...............................
Шарикоподшипниковые стали..............................
Износостойкие стали ....................'..............
Строительные стали................................. .
Автоматные стали.......................................
Чугуны ................................................
Серые литейные чугуны..................................
Высокопрочные чугуны...................................
Ковкие чугуны..........................................
Глава 10. Инструментальные стали и сплавы..............
Стали для режущих инструментов.........................
Быстрорежущие стали . .................................
Инструментальные твердые сплавы........................
Стали для измерительных инструментов...................
Штамповые стали........................................
Стр.
217
218
222
223
225
230
238
244
248
249
252
253
259
262
265
266
267
271
273
274
276
277
279
282
290
291
2)3
295
298
2)9
390
301
302
303
305
3)6
308
311
311
315
318
319
320
Глава 11. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали
и сплавы ................................................322
Основы теории коррозии................................. 322
Хромистые нержавеющие стали .............................326
Хромоникелевые нержавеющие стали.........................329
Коррозионностойкие -сплавы и чугуны......................334
5
Стр.
Глава 12. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы . 337
Жаростойкие стали и сплавы........................., 338
Жаропрочность.........................................339
Жаропрочные стали. Классификация.................... 343
Жаропрочные сплавы на основе никеля и тугоплавких метал-
лов ..................................................346
Глава 13. Стали и сплавы с особыми физическими
свойствами........................................... 349
Магнитные стали и сплавы ........................... 350
Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами < , , 355
Глава 14. Цветные металлы и сплавы....................356
Медь и ее сплавы......................................357
Алюминий и его сплавы.................................363
Магний и его сплавы . ................................373
Титан и его сплавы....................................374
Антифрикционные сплавы................................377
Глава 15. Металлы и сплавы для работы при низких
температурах..........................................379
Влияние низких температур на механические свойства метал-
лов и сплавов .....................................
Металлические материалы дли работы при низких темпера-
турах ................................................381
Список литературы.....................................385
Раздел III
ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
(Б. В. Кнорозов)
Глава 1. Общие сведения............................. 386
Основные способы получения отливок.................. 387
Развитие отечественного литейного производства........388
Глава 2. Формовочные смеси........................... 389
Свойства формовочных смесей...........................389
Песок и глина..................................... 391
Песчано-глинистые смеси...............................393
Стержневые смеси..................................... 396
Специальные формовочные смеси ....................... 397
Припылы и краски.................................... 403
Приготовление смесей . .............. 404
Глава 3. Технология получения отливок..........406
Основные сведения об особенностях конструкции и техноло-
гичности отливок......................................406
Литейная технологическая оснастка.....................408
Литниковые системы...........................; . . . 411
Прибыли.................................. 413
Ручная формовка..................................... 415
6
Стр.
Машинная формовка , . . . . . 417
Технология машинной формовки 421
Особенности технологии изготовления стержней..............428
Сборка и заливка форм.....................................431
Охлаждение, выбивка и очистка отливок.................... 432
Комплексная механизация и автоматизация...................433
Дефекты отливок......................................... 435
Глава 4. Литейные сплавы................................. 437
Литейные свойства сплавов.................................438
Производство отливок из чугунов...........................439
Производство отливок из стали.............................445
Производство отливок из медных сплавов....................447
Производство отливок из алюминиевых сплавов...............452
Производство отливок из магниевых сплавов.................454
Глава 5. Специальные способы литья....................... 456
Литье в оболочковые формы..............................• 456
Литье по выплавляемым моделям ............................462
Литье в металлические формы ............................ 466
Литье под давлением ......................................469
Центробежное литье . . ...................................473
Другие способы литья , ...................................475
Список литературы.........................................477
Раздел IV
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
(А. В. Третьяков)
Глава 1. Общие сведения................................. 478
Классификация методов обработки металлов давлением . . 478
Назначение и классификация механического оборудования . 483
Основные положения обработки металлов давлением .... 488
Краткие сведения из теории пластической деформации металлов 495
Нагрев металла............................................500
Глава 2. Основы прокатного производства................. 503
Сортамент прокатной продукции и калибровка валков . . 503
Станы горячей прокатки .............................. . 515
Станы холодной прокатки ................................. 526
Вспомогательное оборудование прокатных цехов ..... 535
Состав и структура прокатных цехов...................... 543
Глава 3. Производство труб и специальных профилей . , 545
Сортамент и способы производства труб...................545
Трубопрокатные станы.................................... 547
Прокатка специальных профилей.............................556
Прокатка колес и бандажей .............................- 562
Глава 4. Ковка, штамповка, прессование и волочение . . 564
Сущность и сопоставление процессов...................... 564
Технология ковки и штамповки ........................ « 566
7
Стр.
Технологический процесс прессования . .................576
Оборудование кузнечного производства...................579
Технология волочения . . .............................586
Волочильное оборудование ............................. 588
Список литературы..................................... 593
Раздел V
СВАРКА И ПАЙКА
(И. А. Арутюнова)
Глава 1. Общие сведения о сварке.......................594
Глава 2. Способы сварки плавлением.................... 598
Дуговая сварка....................................... 598
Электрошлаковая сварка . . . . ...................... 625
Сварка электронным лучом в вакууме.................... 628
Обработка и сварка материалов плазменной струей .... 630
Лазер — инструмент для сварки и обработки материалов . . 632
Газовая сварка........................................635
Газовая резка . . .....................................641
Глава 3. Способы сварки давлением.....................644
Электроконтактная сварка ............................. 644
Холодная сварка . .................,...................653
Термокомпрессионная сварка.............................654
Сварка ультразвуком....................................655
Диффузионная сварка в вакууме..........................657
Сварка взрывом.........................................659
Сварка треиием . . .' .............. 660
Газопрессовая сварка...................................661
Нанесение износостойких и жаропрочных покрытий наплав-
кой ...................................................662
Глава 4. Особенности технологии сварки стали, чугуна и
цветных металлов.......................................666
Свариваемость металлов и сплавов ..................... 666
Способы уменьшения и устранения сварочных деформаций . 669
Сварка углеродистых и специальных сталей...............671
Сварка цветных металлов и сплавов......................677
Глава 5. Пайка ........................................681
Глава 6. Контроль сварных соединений...................687
Список литературы . ...................................692
Раздел VI
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
(С. П. Шабашов)
Глава 1. Общие сведения о процессе резания металлов . 693
Основные понятия и определения....................... 693-
Физические основы процесса резания .......... 699
8
Стр.
Выбор режима резания .....................................716
Выбор материала инструмента.............................. 717
Выбор геометрии режущей части инструмента.................720
Точность изготовления деталей машин и качество обработан-
ной поверхности...........................................721
Глава 2. Общие сведения о металлорежущих стайках . . 726
Классификация металлорежущих станков......................726
Приводы станков.......................................... 727
Кинематическая схема и передачи станков...................727
Глава 3. Обработка заготовок на станках токарной группы 732
Токарно-винторезные станки . ............................ 732
Токарно-револьверные станки . ............................737
Токарно-карусельные станки................................740
Многорезцовые токарные полуавтоматические станки . . . 741
Токарные одношпиндельные автоматы........................ 743
Глава 4. Обработка заготовок иа сверлильных и расточ-
ных станках ........................................... 745
Виды работ, режущие инструменты *.........................745
Вертикально-сверлильный станок модели 2А150 ............. 749
Радиально-сверлильный станок модели 2А53 ................ 750
Горизонтально-расточный станок модели 262Г................751
Наладка станков...........................................752
Глава 5. Обработка заготовок иа фрезерных станках . . 753
Движение резания и режим обработки........................753
Режущий инструмент...................................... 755
Фрезерные станки . . ............................756
Виды фрезерных работ......................................760
Фрезерование с использованием делительных головок . . . 761
Глава 6. Зубонарезание................................... 763
Методы профилирования зубьев зубчатых колес.............. 763
Зубофрезерные станки......................................764
Зубодолбежиые станки................................. . 766
Глава 7. Обработка заготовок на строгальных станках 769
Особенности процесса резания .............................769
Строгальные станки . . .............................. 770
Глава 8. Протягивание........................... 772
Особенности процесса протягивания.........................773
Протяжные станки........................................775
Глава 9. Шлифование..................................... 776
Особенности процесса резания при шлифовании.........776
Виды шлифования, режим резания........................... 779
Алмазное шлифование..................................... 782
Шлифовальные станки.................................. • 784
Глава 10. Отделочная обработка поверхностей заготовок 786
Тонкое точение . ......................................
9
Стр.
Тонкое шлифование........................................788
Хонингование ........................................... 788
Суперфиниширование .................................... 790
Притирка.................................................792
Ленточное шлифование н полирование...................... 793
Отделочная обработка, поверхностей заготовок пластическим
деформированием..........................................794
Глава 11. Физико-химические и электрофизические спосо-
бы обработки . ......................................... 798
Электроискровая обработка . . . . ...................... 798
Анодно-мехаиическая обработка............................800
Электроконтактная обработка ............................ 802
Ультразвуковая обработка ............................... 802
Электрохимическая обработка..............................804
Лучевые методы обработки................................ 806
Глава 12. Станки с числовым программным управлением 808
Список литературы 811
Раздел VII
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
(В. К Ефремов)
Глава 1. Пластические массы .......................... . 812
Структура высокополимеров...............................812
Кристаллическое и аморфное строение полимеров...........813
Старение полимеров......................................816
Пластические массы..........................................817
Слоистые пластмассы.....................................819
Термореактпвные пластмассы — пресспорошки и прессмате-
риалы...................................................824
Термопласты' литьевые, пленочные и листовые ...... 826
Газонаполненные пластмассы................................ 829
Глава 2. Технология производства изделий из пластмасс 830
Переработка пластмасс в вязко-текучем состоянии .... 830
Переработка пластмасс в высокоэластичном состоянии . . . 837
Технология изготовления изделий из стеклопластиков . . . 841
Обработка пластмасс в твердом состоянии.................844
Сварка и склеивание пластмасс...........................851
Технологические основы конструирования деталей из пластмасс 857
Глава 3. Технология производства резиновых технических
изделий............................................. . 861
Классификации и состав- резиновых материалов ...............861
Технология приготовления резиновых смесей...................863
Технологические методы формообразования деталей из резины 864
10
Стр.
Глава 4. Производство деталей из металлических порошков 866
Методы получения металлических порошков ................. 867
Методы производства металлокерамических изделий .... 869
Отделочные операции................................874
Металлокерамические материалы . ........................ 875
Технологические требования предъявляемые к деталям, изго-
товляемым методами порошковой металлургии..........876
Описок литературы.........................................877
Приложение............................................ 878
Предметный указатель . ................................. 899
ПРЕДИСЛОВИЕ
В Основных направлениях развития народного хо-
зяйства СССР на 1976—1980 годы, принятых XXV съез-
дом КПСС, поставлена задача ускорить темпы научно-
технического прогресса для повышения эффективности
производства и улучшения качества продукции.
Для успешного решения многих практических вопро-
сов, связанных с научно-техническим прогрессом в раз-
личных областях техники, необходимы сведения о совре-
менных прогрессивных способах производства и обра-
ботки металлов, новых материалах, их свойствах и ра-
циональных областях применения.
Данная книга написана с целью ознакомления широ-
кого круга научных и инженерно-технических работни-
ков с основами современной технологии металлов и
неметаллических материалов.
В соответствии с назначением она состоит из следую-
щих разделов: I — Основы металлургии черных и цвет-
ных металлов; II—Металловедение; III — Основы ли-
тейного производства; IV — Обработка металлов давле-
нием; V — Сварка и пайка; VI — Обработка металлов
резанием; VII — Технология производства изделий из
неметаллических материалов и металлических порошков.
По сравнению с первым изданием (1974 г.) все раз-
делы книги существенно переработаны и дополнены
новыми данными, отражающими достижения научно-
технического прогресса за последние годы.
К ним относятся, например, сведения о производстве
стали в двухванных печах, применении специальных
формовочных смесей в литейном производстве и др.
С целью более полного ознакомления читателя с
типовыми марками, составом, основными свойствами и
назначением машиностроительных материалов в книге
приведены справочные таблицы (приложение). По со-
держанию, расположению и объему книга соответствует
программам сокращенных курсов технологии металлов и
материаловедения механических специальностей многих
вузов и может быть использована студентами в качестве
учебного пособия.
Книга написана коллективом авторов. Разделы I и
III написал Б. В. Кнорозов, II — Л. Ф. Усова, IV —
А. В. Третьяков, V — И. А. Арутюнова, VI — С. П. Ша-
башов, VII —В. К. Ефремов.
12
Раздел I
ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИИ ЧЕРНЫХ
И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Металлургия — наука о промышленных способах по-
лучения металлов и металлических сплавов — одна из
древнейших отраслей знания.
История материальной культуры человечества нераз-
рывно связана с использованием металлов. Переход от
каменных орудий труда (каменный век) к орудиям ме-
таллическим явился величайшим достижением челове-
чества, вызвавшим бурный рост производительных сил.
Около 7—6 тысяч лет до н. э. человек впервые начал исполь-
зовать самородные металлы: золото, серебро, медь. В V — IV ты-
сячелетиях до н. э. началась выплавка из руд меди, олова, свинца.
Наступил медный век — медные орудия труда и оружие посте-
пенно вытесняли каменные изделия. Примерно в III тысячелетии до
н. э. появление и применение бронзы — сплава меди с оловом, зна-
чительно более прочного н твердого, чем другие известные в то вре-
мя металлы, ознаменовало начало бронзового века — дальнейшего
важного этапа в развитии материальной культуры. Железо сначала,
вероятно, метеоритное, а затем н восстанавливаемое из руды, было
известно очень давно. Все более широкое, применение железа, а за-
тем стали — его сплавов с углеродом в конце II тысячелетия до
и. э. открывает железный век — по определению Ф. Энгельса —
«.... героическую эпоху — эпоху железного меча, а вместе с тем же-
лезного плуга и топора».
Ф. Энгельс указывал, что железо «... важнейший вид сырья, сы-
гравший революционную роль в истории»1. В. И. Ленин называл же-
лезо одним из фундаментов цивилизации.
До н. э. были известны золото, серебро, медь, железо, олово,
свниец, ртуть; к XVIII в. были открыты цинк, висмут, сурьма, пла-
тина, мышьяк; в настоящее время известно около 80 металлов. Прак-
тическое использование многих металлов началось значительно поз-
же их открытия как химических элементов. Например, только в;
1948 г. было получено несколько тонн титана, открытого как эле-
мент в 1791 г.
Все металлы и сплавы условно принято подразделять
на черные (железные) и цветные (нежелезные).
‘Маркс К., Энгельс Ф. Собр. соч., .1961, т. 21, с. 161.
13
Черные металлы и сплавы. К ним относят железо и
его сплавы с углеродом: сталь (практически до 1,5% С),
чугун (2,5—4,5% С), а также ферросплавы; наиболее
важное значение имеет сталь.
Сталь — обобщенное название очень большой группы
железоуглеродистых сплавов — основа современной тех-
ники. Ее производство примерно в двадцать раз превы-
шает общее производство всех остальных металлов и
сплавов.
Чугун был известен еще до н. э. Серый чугун является
наиболее распространенным литейным сплавом. Переде-
льный чугун с XIII—XIV вв. служит основным исход-
ным материалом для выплавки стали.
Техническое железо—железо с минимальным содер-
жанием углерода и других примесей —производят в
небольших количествах для нужд электротехники
и др.
К этой группе относят также ферросплавы, например
ферросилиций (до 2,5% С, 9—13% Si, основа железо)
и др., применяемые при выплавке стали.
Цветные металлы и сплавы. В настоящее время ис-
пользуют около 65 цветных металлов и очень много
цветных сплавов. К ним относятся медь, алюминий,
титан, никель, олово, цинк и т. д.; алюминиевые, тита-
новые, медные и многие другие сплавы. Хром, никель и
многие другие элементы используют для получения наи-
более качественных конструкционных легированных,
нержавеющих, жаропрочных сталей. Алюминиевые и ти-
тановые сплавы — основные конструкционные материа-
лы в авиации и некоторых других областях техники.
Медь — основной проводниковый материал в электро-
и радиотехнике; медные сплавы — латуни и бронзы—
широко применяют в машиностроении. Все более широ-
кое применение находят тугоплавкие и редкие металлы:
молибден, тантал, бериллий и др.
Примерный уровень мирового производства некото-
рых металлов (т/год) следующий:
Сталь . . . ,
Чугун . . . .
Алюминий,
медь . . . .
Цинк, свинец .
Никель, олово
(600—700)10®
(500—550)10®
(6—10)10®
(4—5)10®
(200—600)10®
Молибден, воль-
фрам, титан, ва-
надий, ниобий . .
Серебро, золото .
Тантал, цирконий
Платина, рений .
Иридий, родий ,
(10—70)103
(1,0—10)103
(0,1—1,0)103
10—100
ДО 1,0
14
По-видимому, нет ни одной машины или прибора,
в которых не применялись бы цветные металлы в чистом
виде или в виде различных сплавов (включая и легиро-
ванные стали) и неметаллических соединений.
Подчеркивая значение металлов, следует отметить,
что современная техника не мыслима без использования
неметаллических материалов, прежде всего пластиче-
ских масс. Несмотря на быстро развивающееся произ-
водство пластмасс, ведущая роль принадлежит метал-
лам и их сплавам. Пластмассы и другие неметалличе-
ские материалы заменяют примерно только 5—6% ме-
талла.
РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
По производству стали и чугуна, а также ферроспла-
вов, железной руды, агломерата, кокса СССР занимает
первое место в мире. Рост отечественного производства
стали показан на рис. 1.
Зарождение русской металлургии относится к древнейшим вре-
менам. В XVIII в. Россия по выплавке стали н чугуна занимала пер-
вое место в мире. В XIX в. по производству металла Россия начина-
ег все больше отставать от развитых капиталистических стран.
В 1913 г. по выплавке стали (4,2 млн. т) Россия занимала пятое
место в мире, далеко отставая от США (31 млн. т), Англии
(10 млн. т). Цветная металлургия удовлетворяла потребность по
меди на 85%, по цинку на 6%, по свинцу на 3%; не было произ-
водства алюминия, никеля, олова и других металлов. Технический
уровень в металлургии был очень низким.
В годы предвоенных пятилеток была проведена коренная рекон-
струкция крупных старых заводов, построены новые современные
металлургические заводы, в том числе такие гиганты, как Магнито-
горский и Кузнецкий металлургические комбинаты.
В 1940 г. было выплавлено более 18 миллионов тонн стали
(третье место в мире); особое внимание было обращено на дальней-
шее увеличение выпуска качественных сталей. Возникло отечествен-
ное производство алюминия, никеля, магния и других цветных ме-
таллов.
В послевоенный период отечественная металлургия развивалась
невиданными темпами. Были восстановлены иа новой технической
базе заводы Юга, значительно расширены Магнитогорский комби-
нат и другие заводы, построены Череповецкий (1955 г.), Караган-
динский (1961 г.) и ряд других заводов.
В 1975 г. было выплавлено 141 млн. т стали — зна-
чительно больше, чем в США, Японии, ФРГ и других
странах. По техническому уровню наша металлургия
занимает ведущее место в мире. Директивами
XXV съезда КПСС намечено довести в 1980 г. выплавку
15
1913 1920 1928 1932 193719901995 1950 1955 I960 1965 1970 19751980г
Рис. I. Производство стали в нашей стране
(план)
стали до 160—170 млн. т. Для этого предусмотрена мо-
дернизация действующих и строительство новых круп-
нейших доменных печей объемом 5000 м3, кислородных
конверторов до 400 т. Дальнейшее развитие получат
прогрессивные высокоэффективные способы производст-
ва и улучшения качества металла — выплавка стали
в крупных электродуговых печах, электрошлаковый пе-
реплав, внепечное вакуумирование и др.
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Руды. В настоящее время известно около 80 метал-
лов (т. е. примерно 80% всех элементов), общая масса
которых в земной коре составляет около 25%. Пример-
ное содержание (%) некоторых элементов в ней сле-
дующее:
Кислород ...........
Кремний.............
Алюминий ......
Железо..............
Кальций ......
47
28
8
5
3,6
Хром
Медь
Никель .
Цинк
Олово .
2-10—а
140—а
8-10-3
5-Ю-з
440-»
16
Продолжение
Натрий...............2,6 Молибден.............3-10—4
Калий................2,6 Вольфрам..............Ы0—4
Магний...............2,1 Серебро..............1-10—5
Титан................ I Золото................5-10— *
Почти все металлы из-за их большой химической
активности находятся в природе в виде химических со-
единений — окисных (кислородных), сернистых, угле-
кислых, кремнистых и др., входящих в состав различных
горных (минеральных) пород. Исключение составляют
химически стойкие самородные золото, платина, серебро,
реже — медь.
Рудой называется природное минеральное сырье
(горные породы), содержащее металл, извлечь который
можно экономически выгодным промышленным спосо-
бом. Некоторые руды, особенно цветных металлов,
являются комплексными (полиметаллическими), т.е.
содержат не один, а несколько ценных металлов. Кроме
соединений металла, в руде всегда имеется пустая
порода — другие природные химические соединения,
не содержащие данного металла.
Качество руды определяется прежде всего ее богат-
ством, т. е. содержанием извлекаемого металла. Другими
критериями при оценке качества руды являются хими-
ческая природа и свойства пустой породы, восстанавли-
ваемость металла из руды и т. п. Очень важное значение
имеет присутствие в ней вредных примесей, например
серы и фосфора в железной руде. К наиболее богатым
относятся железные руды, содержащие в среднем 40—
50% железа. Руды цветных металлов, как правило,
более бедные и редко содержат выше 2% металла.
Использование все более бедных руд приводит к необхо-
димости совершенствовать способы их обогащения пе-
ред плавкой.
Металлургические процессы. Задачей металлургии
является получение металлов и металлических сплавов
из руд или из других исходных материалов. Для этого
применяют следующие основные способы.
Пирометаллургический основан на том, что
тепло, необходимое для выплавки металла или сплава,
обеспечивается сжиганием топлива. К пирометаллургии
относятся доменный процесс выплавки чугуна из желез-
ной руды, мартеновский способ передела чугуна в сталь,
2—481
17
выплавка меди из медных руд и многие другие металлур-
гические процессы.
Электрометаллургический заключается
в выплавке металлов и сплавов в дуговых, индукцион-
ных и других электрических печах. Кроме того, некото-
рые металлы получают путем электролиза из расплавов
их химических соединений (например, получение алюми-
ния из глинозема А12О3) или же из водных растворов
солей (например, рафинирование, т. е. получение чистой
меди из раствора сернокислой меди CuSO4).
Гидрометаллургический основан на выще-
лачивании металлов из руд при помощи растворителей
и последующем выделении металла из раствора. Этот
способ находит применение, например, при извлечении
меди из медных руд.
Химико-металлургический заключается
в получении металла при помощи химических и метал-
лургических процессов. Типичным примером может
служить производство титана по схеме: титановая ру-
да->получение четыреххлористого титана (TiCl4)-*
восстановление титана магнием.
Кроме этих основных способов, металлы и сплавы
получают также методом порошковой металлургии,
электроннолучевой, плазменной плавкой и другими спо-
собами.
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО
Основными горючими компонентами топлива являют-
ся углерод и водород нередко в виде углеводородов
и других соединений. К негорючей части относятся азот,
влага, зола. В топливе часто находится сера — вредная
примесь, которая может переходить в металл, ухудшая
его качество.
Важнейшей характеристикой топлива является его
теплотворность — количество тепла, выделяющееся при
полном сгорании единицы топлива. Кроме того, при
оценке качества топлива учитывают температуру его
воспламенения, зольность и другие характеристики.
Основными видами металлургического топлива явля-
ются кокс, мазут, а также газы — природный (естествен-
ный) , доменный (колошниковый) и коксовый.
Кокс — главное топливо при выплавке чугуна в до-
менных печах и в вагранках — печах для расплавления
18
чугуна в литейных цехах. Его используют также при
агломерации, в цветной металлургии и т. д.
Кокс представляет собой твердую пористую спекшую-
ся массу, получающуюся из коксующихся каменных уг-
лей после удаления из них летучих веществ в специаль-
ных печах путем пиролиза, т. е. разложения при прока-
ливании измельченного угля без доступа воздуха при
950—1100° С в течение 15—18 ч.
Металлургический кокс в среднем содержит 85—
90% углерода, 0,5—2% серы, до 0,2% фосфора, около
1% летучих, 10—13% золы, до 5% влаги. Его теплотвор-
ная способность равна 6500—7500 ккал/кг.
Кокс — дорогое и дефицитное топливо. Его получа-
ют только из некоторых сортов коксующихся углей (кок-
совых, жирных и др.), запасы которых составляют при-
мерно 10% всех запасов угля. В СССР разработаны
способы получения металлургического кокса из смесей,
содержащих значительное количество некоксующихся
углей.
Побочными продуктами коксования являются ценные
химические вещества: бензол, фенолы, нафталин, ка-
менноугольная смола и др., а также коксовый газ (см.
ниже).
Мазут широко применяется для отопления стале-
плавильных мартеновских печей, нагревательных печей
в прокатных и других цехах. Он представляет собой
жидкий остаток при переработке нефти — после возгон-
ки из нее бензина, керосина и других легких фракций.
Достоинства мазута — высокая теплотворная способ-
ность: 9500—10500 ккал/кг, отсутствие золы при сжига-
нии, простота регулирования горения.
Природный газ — высококалорийное дешевое
топливо. В последние годы он находит в металлургии
все возрастающее применение. Он состоит в основном
из метана СН4 (92—98%); его теплотворная способность
не менее 8000 ккал/м3. Начавшееся сравнительно недав-
но применение природного газа позволило значительно
интенсифицировать процессы плавки в доменных и мар-
теновских печах, значительно повысить их производи-
тельность, уменьшить расход дорогостоящего кокса в
производстве чугуна.
Коксовый газ содержит 46—63% водорода, 21—
27% метана, 2—7% окиси углерода, 4—18% азота и
имеет теплотворную способность 3600—4500 ккал/м3.
2*
19
Он используется как топливо в коксовых и других печах,
а также как сырье в химической промышленности.
Доменный (колошниковый) газ — побочный про-
дукт при выплавке чугуна в доменных печах. Его ис-
пользуют на металлургических заводах в качестве топ-
лива в чистом виде или в смеси с коксовым газом.
ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Одной из основных характеристик огнеупорных мате-
риалов является их огнеупорность — способность выдер-
живать высокие температуры, не расплавляясь. В ме-
таллургии различают огнеупорные материалы (1580—
1750°С), высокоогнеупорные (1750—2000°С) и особо
огнеупорные (выше 2000°С). В зависимости от условий
работы они должны также сохранять прочность при на-
греве, быть химически стойкими при воздействии рас-
плавленного металла, шлака, раскаленных печных газов,
обладать определенной теплопроводностью. Огнеупор-
ные материалы применяют в виде кирпичей для кладки
стенок, свода печей, в виде порошков для наварки (изго-
товления) откосов, подины печей, а также в виде фасон-
ных огнеупорных изделий—футеровочных трубок, стака-
нов и т. п.
По химическому составу огнеупорные материалы раз-
деляют на три основные группы: кислые, основные и
нейтральные *.
Кислые огнеупорные материалы — динасовый кир-
пич, кварцевый порошок и другие материалы с высоким
содержанием SiO2. Динасовый кирпич содержит 93—
95% SiO2 и имеет высокую огнеупорность — до 1700° С.
Его применяют для кладки кислых печей. Кварцевый по-
рошок и кварцевый песок (95—97% SiO2) применяют
для футеровки подины печей и т. п.
Основные огнеупорные материалы — магнезито-
вые, доломитовые и др. с высоким содержанием MgO,
СаО.
Магнезитовый кирпич содержит 90—95% MgO, его
огнеупорность 2000—2400° С. Магнезитовый порошок
используют для футеровки подины, откосов мартенов-
ских и других печей, изготовления тиглей для индукцион-
ных печей и т. п.
1 Различают также полукислые и полуосновные материалы.
20
Доломит — горная порода MgCO3*CaCO3. После об-
жига (MgCO3-CaCO3=MgO4~CaO+2CO2) обожженный
доломитовый порошок, содержащий 35—40%MgO и 52—
58%СаО, применяют для тех же целей, что и магнези-
товый порошок. Огнеупорность доломита 1800—1980° С.
Хромомагнезитовый кирпич содержит 65—70%MgO
и 20% Сг2О3 и имеет огнеупорность не ниже 2000° С.
В отличие от магнезита он обладает высокой термостой-
костью, т. е. выдерживает резкие смены температур без
образования трещин, и широко применяется для изго-
товления сводов мартеновских печей и т. п.
Нейтральные огнеупорные материалы — шамот,
углеродистые и другие материалы.
Шамот — наиболее распространенный огнеупорный
материал в металлургии. Он содержит 50—60% SiO2 и
30—45% А12О3 и имеет относительно невысокую огне-
упорность (1580—1750°С), но является наиболее деше-
вым огнеупорным материалом. Шамотные кирпичи при-
меняют для кладки доменных печей, футеровки стале-
разливочных ковшей и т. д.
Хромистый кирпич, изготавливаемый из хромитов,
обожженного магнезита и глины — более качественный
нейтральный огнеупорный материал. Его огнеупор-
ность составляет 1800—2000° С.
Углеродистые огнеупорные материалы, основой кото-
рых является измельченный графит, кокс, антрацит, об-
ладают очень высокой огнеупорностью — более 2000° С.
Их применяют в виде блоков для кладки горна домен-
ных печей, футеровки электролизных ванн при производ-
стве алюминия и т. д.
Глава 2
ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА
Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий бо-
лее 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присут-
ствуют кремний (до 4%), марганец (до 2 %), а также фос-
фор и сера *. Чугун является основным исходным мате-
риалом для получения стали, на что расходуется
* В легированных чугунах дополнительно содержатся хром, ни-
кель и другие элементы. Более точный состав чугуна см. также
разд. II, гл. 5, 9.
21
примерно 80—85% всего чугуна. Вместе с тем чугун —
наиболее распространенный литейный сплав (см. в раз-
деле III, гл. 3).
РУДЫ, ФЛЮСЫ и топливо
Железные руды — основной исходный материал для
выплавки чугуна. Рудный минерал (рудное вещество)
чаще всего представляет собой окислы железа, хорошо
восстанавливающиеся в условиях доменной плавки.
Пустая порода обычно состоит из кварца и песчаников
с примесью глин, т. е. является кислой (избыток SiO2).
Железные руды в отличие от медных и многих дру-
гих относительно богаты. Наиболее богатые руды содер-
жат 60% железа и больше, наиболее бедные 30—40%.
В железных рудах всегда присутствуют вредные при-
меси — сера и фосфор. По типу рудного минерала руды
бывают следующих основных видов.
Красный железняк. Рудный минерал — гема-
тит, безводная окись железа Ре20з (70% Fe). Руда
обычно содержит 50—60% Fe. Это наиболее распро-
страненный вид руды во всем мире.
Магнитный железняк. Рудный минерал — маг-
нетит, магнитная окись железа FegCh (72,4%Fe), в руде
55—60% Fe.
Бурый железняк. Рудный минерал — водные
окислы железа «Ре2Оз-тН2О (52—66% Fe), В руде
обычно содержится 30—50% Fe.
Шпатовый железняк. Рудный минерал — сиде-
рит, карбонат железа FeCO3 (48,3% Fe), в руде обычно
30—40 Fe.
Железистые кварциты. Рудный минерал —
магнетит или гематит. Эти руды содержат 35—40% Fe
с кремнистой пустой породой.
Титаномагнетиты. Комплексная руда, содержа-
щая 15—20% Fe, рудными минералами которой являют-
ся магнетит и ильменит FeO-TiO2. Ильменит используют
в производстве титана.
Марганцевая руда входит в состав шихты доменных
печей при выплавке некоторых марок чугуна, а также
ферромарганца (до 82% Мп). В ней марганец находит-
ся в виде пиролюзита МлО2 и других соединений. Со-
держание марганца в руде обычно, составляет 25—50%.
Доменные флюсы необходимы для удаления из до-
менной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы
82
топлива. Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплав-
кий сплав — доменный шлак; в расплавленном состоя-
нии он удаляется из печи через шлаковую летку. Кроме
того, флюс должен обеспечить получение шлака с необ-
ходимым химическим составом и физическими свойст-
вами, что в значительной мере определяет состав
чугуна.
Флюсы выбирают в зависимости от пустой породы
руды. В отечественных железных рудах пустая порода,
как правило, содержит избыток SiOg. Поэтому в качест-
ве флюса используют сильноосновные материалы, глав-
ным образом известняк СаСОз. Типичный металлурги-
ческий известняк после обжига содержит 50—55%
СаО. Избыток извести в доменном шлаке способствует
также удалению из чугуна серы. На отечественных заво-
дах флюсы вводят в доменную печь главным образом в
виде офлюсованного агломерата и офлюсованных ока-
тышей.
Топливо в доменных печах служит не только источ-
ником тепла, но реагентом, обеспечивающим восстанов-
ление железа из руды и образование чугуна (путем на-
углероживания железа).
Основные требования к доменному топливу — высо-
кая теплотворность, малое содержание золы, чистота по
содержанию вредных примесей. Топливо должно иметь
высокую механическую прочность, так как его дробле-
ние и образование мелочи препятствуют нормальному
движению печных газов, а также высокую пористость
для обеспечения интенсивного горения. Топливо должно
быть недефицитным и иметь невысокую стоимость.
Кокс является главным видом топлива в доменных
печах и в среднем содержит 10—13% золы, 0,5—2% се-
ры. Он достаточно прочен, что позволяет строить круп-
ные доменные печи объемом до 5000 м3. В СССР на вы-
плавку 1 т чугуна расходуется около 550 кг кокса. При
этом стоимость кокса составляет 45—55% себестоимос-
ти чугуна.
На заводах СССР впервые в мировой практике внед-
рена технология доменной плавки с применением при-
родного газа. Вдувание 60—100 м3 природного газа на
1 т выплавляемого чугуна снижает расход кокса на 10—
15%, повышает восстановительную способность домен-
ных газов, обеспечивает более высокую производитель-
ность доменной печи. Наиболее эффективным оказалось
23
применение природного газа в сочетании с высокотем-
пературным дутьем, обогащенным кислородом. В настоя-
щее время проводят работы по использованию в домен-
ных печах угольной пыли и мазута,
ПОДГОТОВКА РУДЫ к ПЛАВКЕ
В настоящее время для выплавки чугуна используют
лишь около 5% сырой железной руды; 95% всей руды
до плавки подвергают предварительной подготовке.
Подготовка железной руды является одним из эффек-
тивных направлений в совершенствовании доменного
производства и дает возможность использовать более
бедные руды. Подготовка руд включает дробление, сор-
тировку и другие операции.
Дробление обеспечивает нужную степень измельче-
ния руды. Для плавки в доменной печи размер кусков
руды должен составлять 10—80 мм, для агломерации—
менее 5—10 мм, для магнитного обогащения—доОДмм.
Сортировку руды по классам крупности при разме-
рах кусочков более 1—3 мм проводят на механических
грохотах. Для более тонко измельченных материалов ис-
пользуют гидравлическую классификацию. Разделяе-
мый материал подают вместе с водой в специальные
устройства, где крупные зерна быстрее оседают, отде-
ляясь от более мелких. В устройствах типа гидроциклон
разделение частиц по крупности происходит под дейст-
вием центробежной силы.
Усреднение материалов по химическому составу и
свойствам необходимо для обеспечения ровного хода до-
менной печи. Одним из основных методов усреднения
руды является ее послойная укладка в штабеля боль-
шой емкости.
Обогащение руды приобретает все большее значение.
В настоящее время до плавки обогащают около 80%
всей руды. Это связано с использованием все более бед-
ных руд, а также руд с тонковкрапленными в пустой
породе рудными зернами. Так, например, в результате
обогащения бедных криворожских железистых кварци-
тов с 20—45% Fe получают концентраты с 60—65% Fe.
Основным способом обогащения железной руды в на-
шей стране является магнитный. Сущность сухой маг-
нитной сепарации состоит в том, что тонкоизмельченную
руду помещают в магнитное поле, где магнитные части-
24
цы руды отделяются от пустой породы. При мокрой се-
парации руда при воздействии на нее магнитного поля
одновременно промывается водой. Этот способ более
гигиеничен, чем предыдущий, при котором выделяется
много пыли. Магнитное обогащение можно непосредст-
венно использовать только для так называемых сильно-
магнитных магнетитовых и титаномагнетитовых руд.
Для других руд — средне- и слабомагнитных — перед
обогащением производят магнетизирующий обжиг.
Средн других методов обогащения наиболее распро-
странен гравитационный: отсадка и разделение в тяже-
лых суспензиях (взвесях), в которых рудный минерал
тонет, а частицы пустой породы всплывают.
Для удаления рыхлой песчаной и глинистой пустой
породы применяют также наиболее простой и дешевый
способ — промывку водой.
Окускование. Пылеватая и мелкая руда, тонкоиз-
мельченные концентраты (после обогащения) уносятся
из доменной печи потоком газов. Это нарушает ее ход
и приводит к значительному снижению производитель-
ности. Перед доменной плавкой такое железорудное
сырье необходимо подвергать окускованию — агломера-
ции или окатыванию.
Агломерацию — процесс окускования мелкой руды,
концентратов и т. п. спеканием — наиболее часто прово-
дят на машинах ленточного типа. Они представляют со-
бой конвейер, состоящий из большого количества спе-
кательных тележек, двигающихся по направляющим
рельсам (рис. 2).
«Днищем» этих тележек служит колосниковая решет-
ка. На нее загружается тонкий слой мелкого агломерата
(постель), чтобы агломерируемая шихта не сыпалась
книзу. Затем загружается тщательно перемешанная, ув-
лажненная (7—9%) и окомкованная1 шихта. Ее основ-
ные железосодержащие компоненты следующие: мел-
кая и пылеватая железная руда (крупность менее 10 мм),
железорудный концентрат, возврат агломерата (менее
10 мм), колошниковая пыль (см. с. 38), иногда окалина,
мелкая металлическая стружка и т. д. Топливом (4—6%
от массы шихты) служат коксик— мелкий кокс (менее
3 мм) и антрацитовый штыб (пыль).
* При окомковаиии из пылеватого, увлажненного материала об-
разуются комочки (до б мм), что повышает газопроницаемость
шихты.
25
Сущность агломерации поясняет схема, приведенная
на рис. 3. После зажигания газовыми горелками начи-
нается горение топлива, причем зона горения постепенно
перемещается вниз. Воздух просасывается через слой
шихты (200—350 мм) с помощью вакуумных устройств
Рис. 2. Схема агломерационной машины:
1 — барабанный питатель для загрузки шихты; 2 — направляющие рельсы;
3 — зажигательный горн; 4 — спекательные тележки; 5 — вакуум-камеры (экс-
гаустеры)
(эксгаустеров). В зоне горения при 1300—1500°С про-
исходит спекание шихты в пористый продукт — агломе-
рат. При нагревании образуются, а затем расплавляют-
Воздух
К эксгаустеру
Рис. 3. Схема процесса спекания:
I — колосниковая решетка; 2 — постель;
3 — слой агломерируемой шихты; 4 —
зона горения и спекания; 5 — слой аг-
ломерата
ся относительно легко-
плавкие соединения. Об-
разующиеся жидкие фа-
зы обтекают, смачивают
и связывают твердые час-
тицы шихты. При после-
дующем охлаждении
жидкость затвердевает,
обеспечивая образование
прочных кусков агломе-
рата. При агломерации
происходит восстановле-
ние окислов железа и,
что особенно важно, из
руды на 85—95% удаля-
ется сера. Куски агломе-
рата размером более 10 мм
направляются в домен-
ный цех. Более мелкий
агломерат возвращается
на переработку (возврат).
26
В нашей металлургии применяют только офлюсован-
ный агломерат. Для его получения в шихту вводят мел-
коизмельченный флюс — известняк. Применение офлю-
сованного агломерата улучшает условия образования
шлака в доменной печи, ускоряет процесс плавки, умень-
шает затраты топлива, приводит к значительному повы-
Рис. 4. Схема производства окатышей:
/ — бункер с шихтой; 2—шихтовый транспортер; 3—смесительный барабан?
4 — бункер Для бентонита; 5—гранулятор; 6 — машина для обжига; 7 — вен-
тилятор для удаления газов в дымовую трубу; 8 — грохот для сортировки
окатышей по степени крупности; I — зона сушки 200—400° С; П — зона обжига
1300—1400° С; III—зона охлаждения
шению производительности доменной печи (на 25—
30%) и снижению расхода кокса (до 20%).
Окатывание (производство окатышей). Тонкоизмель-
ченные концентраты обладают пониженной газопрони-
цаемостью. Их спекание на агломерационных машинах
оказалось малопроизводительным и экономически невы-
годным. Эффективным способом окусковывания таких
концентратов является окатывание.
Схема производства окатышей представлена на
рис. 4. Шихта состоит из тонкоизмельченного концент-
рата (меньше 0,5 мм), известняка (флюс) и возврата
(отбракованных окатышей). Для лучшего окатывания
шихту увлажняют (8—10%) и в ее состав добавляют
27
небольшое количество связующего — бентонитовой гли-
ны и др.
Сырые окатыши диаметром 20—30 мм получают во
вращающихся барабанах, конусных или тарельчатых
грануляторах (рис. 5). Далее окатыши подвергают суш-
Рис. 5. Схема образования окатышей в тарельчатом грануляторе:
/ — вращающаяся чаша, 6—10 об/мин; 2 —скребки; 3 — меха-
низм изменения угла наклона чаши
ке (200—400°С), а затем обжигу при 1300—1400°С, в
результате чего они приобретают высокую прочность.
При нагреве до 1000—1050° С Fe3O4 окисляется до
FegOs; при более высокой температуре происходит ре-
кристаллизация: из мелких зерен Fe2O3 образуются
крупные зерна и мостики между ними, что приводит к
упрочнению окатышей. В офлюсованных окатышах уп-
рочнение происходит также из-за образования жидкой
фазы.
28
После охлаждения окатыши сортируют на грохоте;
фракция <10 мм возвращается на переработку (воз-
врат).
Применение окатышей — новое, прогрессивное,
быстроразвивающееся направление в подготовке домен-
ной шихты.
В последнее время уделяется большое внимание со-
вершенствованию производства окатышей, в частности
их металлизации, т. е. частичному восстановлению в них
окислов железа (с использованием низкосортного, де-
шевого топлива).
УСТРОЙСТВО ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Доменная печь (рис. 6) — вертикальная печь шахтно-
го типа. Ее высота (до 35 м) примерно в 2,5—3 раза
больше диаметра.
Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов — в ос-
новном из шамота. Нижнюю часть гориа и его основание (лещадь)
выполняют из особо огнеупорных материалов — углеродистых (гра-
фитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной
кладки в ней устанавливают (примерно иа % высоты печи) метал-
лические холодильники, по которым циркулирует вода. Для умень-
шения расхода воды (для крупных печей до 70000 м3 в сутки) при-
меняют испарительное охлаждение, основанное на том, что погло-
щаемое тепло используется для парообразования.
Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до
40 мм. Для уменьшения нагрузки иа нижнюю часть печи ее верхнюю
часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на ко-
лонны.
С увеличением полезного объема (рабочего простран-
ства) доменных печей повышается их экономичность.
Современные крупные доменные печи имеют объем
2000—3000 м3.
На Криворожском заводе с 1974 г. работает печь
объемом 5000 м3.
Воздух для горения топлива вдувается через 14—36
фурм в верхнюю часть горна печи.
В современную доменную печь для выплавки 1 т чу-
гуна вдувается около 3000 м3 воздуха; его расход на
крупных печах достигает 6000—7000 м3/мин, что обес-
печивается быстроходными турбовоздуходувными ма-
шинами (3500—4500 об/мин). Воздух нагревается в спе-
циальных воздухонагревателях. Каждую доменную
печь обслуживают три-четыре автоматически переклю-
чающихся воздухонагревателя.
29
Рис. 6. Разрез (а} и профиль рабочего пространства доменной печи (б):
Ч — чугунная летка; 2 — горн; 3 — заплечики; 4 — распар; 5 — шахта; 6— ко-
лошник; 7 — засыпной аппарат; 8 — горизонт образования чугуна; 9 — гори-
зонт образования шлака; 10 — зона горения кокса; 11 — слой шлака; 12 •—*
шлаковая летка; 13 — расплавленный чугун
Применение высокотемпературного дутья привело к
значительной интенсификации плавки. За последние го-
ды температура воздушного дутья была повышена до
1200—1300° С.
Значительный эффект дало повышение давления под
колошником примерно до 2,5 атм, приводящее к умень-
шению скорости газа, улучшению теплообмена и интен-
сификации физико-химических процессов. Крупнейшим
усовершенствованием явилось обогащение дутья кисло-
родом (до 30%). Наибольший эффект дало комплекс-
ное использование этих мер при применении природного
газа. Производительность печей повысилась примерно
на 50%, а расход кокса снизился на 25—30%.
Доменная печь работает непрерывно в течение 5—
10 лет. Для этого по мере необходимости в нее загружа-
ют отдельными порциями (колошами) шихтовые мате-
риалы, периодически выпускают чугун и шлак, непре-
рывно удаляют доменные газы.
Для выплавки 1 т передельного (мартеновского) чу-
гуна в среднем расходуется около 1,8 т офлюсованного
агломерата, 550 кг кокса. Таким образом, печь объемом
3000 м3 в сутки потребляет примерно 8500 т шихтовых
материалов и выплавляет около 5000—5500 т чугуна.
В современных доменных печах все процессы по под-
готовке и загрузке шихтовых материалов полностью ме-
ханизированы.
К вспомогательным устройствам, обеспечивающим работу печи,
относятся: шихтовые дворы, оборудованные погрузочно-разгрузоч-
ными устройствами; бункерные эстакады с вагон-весами для автома-
тического взвешивания шихтовых материалов, подъемные меха-
низмы, доставляющие самоопрокидывающиеся тележки-скипы с ших-
той к загрузочному аппарату доменной печи. Для нормальной работы
печи необходимы также воздухонагреватели и другие устройства
для осуществления горячего дутья, литейный двор, ковши — чугуно-
возы и шлаковозы, разливочные машины и т. д.
ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС
Доменная печь работает по принципу противотока.
Шихтовые материалы — агломерат, кокс и др. — загру-
жают сверху при помощи засыпного (загрузочного) ап-
парата. Навстречу опускающимся материалам снизу
вверх движется поток горячих газов, образующихся при
сгорании топлива (кокса), а также природного газа.
В доменной печи протекают следующие основные
процессы,
31
Горение топлива. В районе воздушных фурм (верх-
няя часть горна), взаимодействуя с кислородом воздуш-
ного дутья, кокс сгорает по реакции С+О2=СО2+
+Q кал*.
В результате этой реакции выделяется большое ко-
личество тепла и в фокусе горения развивается темпе-
ратура 1800—2000° С. Образующийся углекислый газ
СО2 взаимодействует с углеродом кокса, восстанавли-
ваясь до окиси углерода: СО2+Скокса=2СО—Q.
Окись углерода СО в доменной печи является глав-
ным восстановителем железа из его окислов.
Природный газ в основном состоит из метана СН4.
В окислительной зоне фурм сначала происходит его пол-
ное сгорание по реакции CH44-2O2=CO24-2H2O+Q-
Эти продукты сгорания не являются конечными. СО2
восстанавливается углеродом до СО. Пары воды также
взаимодействуют с углеродом раскаленного кокса:
Н2О+С=Н2+СО—Q.
По этой же реакции происходит и разложение влаги
воздушного дутья.
Таким образом, при использовании природного газа
доменный газ дополнительно обогащается СО и Н2, что
увеличивает его восстановительную способность.
Восстановление железа. Этот процесс происходит по-
следовательно от высших окислов к низшим и далее
к чистому металлу (принцип А. А. Байкова): Ре2Оз—
Fe3O4—FeO—Fe **.
Главными восстановителями железа в доменной печи
являются окись углерода и твердый углерод кокса. Не-
которое количество железа восстанавливается водо-
родом.
Восстановление окисью углерода назы-
вается косвенным (непрямым) восстановлением и про-
исходит по реакциям
3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 + Q; Fe3O4 + СО =
= 3FeO + СО2 —- Q; FeO + СО = Fe + СО2 + Q.
Восстановление Ре20з начинается при сравнительно
низких температурах (400—500° С) в верхней части
* Здесь и дальше тепловые эффекты реакций условно обознача-
ются буквой Q; нх значение в калориях не приводится.
*'* Восстановление в две стадии Fe2O3—>РезО4—•Fe происходит
при температурах ниже 570° С и в доменной печи не получает раз-
вития.
32
шахты печи. По мере опускания рудных материалов по-
вышаются температура и содержание СО в доменных
газах; при этом создаются условия для окончательного
восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в
нижней части шахты печи при температурах около 900—
950° С.
Одновременно в шахте печи происходит также косвен-
ное восстановление окислов железа водородом по реак-
циям, аналогичным реакциям восстановления окисью
углерода (например, 3Fe2O3-|-H2=2Fe3O4+H2O и т.д.).
Значение косвенного восстановления очень велико.
В зависимости от условий работы печи окисью углерода
СО и водородом восстанавливается 60—80% всего же-
леза. Остальная часть железа восстанавливается твер-
дым углеродом.
Восстановление твердым углеродом на-
зывается прямым восстановлением. Оно происходит при
температурах выше 950—1000° С (зона распара печи)
по реакции FeO+C==Fe-|-CO—Q.
Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный ре-
зультат процесса прямого восстановления, который протекает в две
стадии:
FeO + CO = Fe + CO2 + Q
СО2 + Скокса = 2СО2 — Q
FeO + Скокса = Fe-f-CO2 —Q
Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только
углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является
окись углерода СО. Непосредственное восстановление окислов желе-
за при контакте с углеродом кокса практически не происходит.
В прямом восстановлении могут также участвовать водород и са-
жистый углерод, образующийся по реакции 2СО-*СО2+Ссажа.
Значение прямого восстановления обосновал акад. М. А. Пав-
лов, доказавший ошибочность ранее общепризнанной теории фран-
цузского металлурга Грюнера. По Грюнеру, восстановление железа
должно происходить только косвенно (так называемый идеальный
ход). М. А. Павлов установил, что наиболее экономичная работа
печи (с наименьшим расходом кокса) может быть обеспечена, когда
происходит как косвенное, так и прямое восстановление железа. Оп-
тимальное соотношение между прямым н косвенным восстановлени-
ем зависит от температуры воздушного дутья, количества исполь-
зуемого природного газа и других факторов.
Науглероживание железа. Восстановление железа на-
чинается при 400—500° С и заканчивается при 1300—
1400°С (в распаре печи). При этих температурах желе-
зо (fiui=1539°C) находится в твердом состоянии в виде
пористой губчатой массы,
3-481
33
Уже в шахте доменной печи при температурах выше
400—500° С наряду с восстановлением железа происхо-
дит и его науглероживание за счет окиси углерода СО по
реакции 3Fe+2CO=Fe3C+CO2+Q*.
Карбид железа Fe3C хорошо растворяется в твердом
железе и постепенно образуется сплав железа с углеро-
дом. С увеличением содержания углерода температура
плавления сплава значительно понижается и достигает
минимального значения 1147° С при 4,3%. В зонах печи
с высокими температурами — обычно в нижней части
шахты — начинается плавление сплава. Жидкий сплав—
чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и
дополнительно интенсивно науглероживается. В нем
также растворяются восстановленный марганец, крем-
ний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна
устанавливается в горне. При этом большое значение
имеют состав, свойства и количество шлака.
Восстановление других элементов. В доменную печь
с шихтовыми материалами попадают марганец, крем-
ний, сера и другие элементы в виде различных химичес-
ких соединений. Эти элементы частично или полностью
восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая
или ухудшая его свойства.
Постоянными полезными примесями чугуна являют-
ся марганец и кремний, вредными — сера и фосфор.
Марганец — постоянная примесь железных руд. При
выплавке чугунов с повышенным содержанием марган-
ца в доменную печь загружается марганцовая руда.
Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси
марганца МпО окисью углерода, аналогично окислам
железа: MnO2->Mn2O3->Aln3O4->MnO. Закись марганца
восстанавливается твердым углеродом по реакции Мп-}-
4-СО—Q **.
Эта реакция протекает при температурах выше 1100° С с погло-
щением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется уве-
личивать расход кокса и температуру дутья. Например, при выплав-
ке зеркального чугуна с 10—25% Мп расход кокса увеличивается в
2—2,5 раза. Значительная часть МпО находится в виде силикатов, из
которых может быть выделена известью, например, по реакции
MnO-SiO2+2CaO= (CaO)2SiO2+MnO.
Таким образом, дополнительным условием для увеличения сте-
пени восстановления марганца является достаточное количество из-
вести СаО в шлаке, т. е. его повышенная основность.
* Конечная (итоговая) реакция процесса науглероживания,
протекающего в две стадии.
* * Итоговая реакция; процесс идет в две стадии.
34
Кремний находится в пустой породе руды и в золе
кокса в виде свободного кремнезема SiO2 или в виде си-
ликатов (SiO2-2CaO и др.).
Восстановление кремния происходит из кремнезема
SiO2 по реакции SiO2+2C=Si-|-2CO—Q*.
Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах
не ниже 1450° С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным со-
держанием кремния необходимо значительно увеличивать расход
кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кисло-
родом. Для увеличения количества свободного кремнезема SiO2 в
шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести СаО, т. е.
понижать его основность.
Другие полезные примеси — никель, ванадий, титан
и т. д. — попадают в доменную печь в виде примесей
железной руды. При доменной плавке никель восстанав-
ливается и переходит в чугун полностью, хром — на
85—95%, ванадий — на 70—80% и т.д.
Фосфор — вредная примесь железных руд находится
в них главным образом в виде Р2О5-ЗСаО. Восстановле-
ние фосфора происходит окисью углерода СО, водоро-
дом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесен-
ный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун
практически полностью.
Сора — особенно вредная примесь в чугуне (а также
в стали). Основное количество серы вносит кокс,
часть — железная руда, агломерат, окатыши. В домен-
ной печи 10—20% серы удаляется в виде соединений
(SO2, H2S и др.). Остальная часть серы переходит в чу-
гун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Суль-
фид железа FeS хорошо растворяется в чугуне.
В условиях доменной плавки основным способом де-
сульфурации, т. е. удаления серы из металла, является
образование сульфида кальция CaS по реакции FeS+;
+CaO=FeO-|-CaS+Q.
Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и нахо-
дится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция проте-
кает при прохождении капель чугуна через слой шлака.
Из этой реакции следует, что одним из основных
условий удаления серы из металла является достаточное
количество извести СаО в шлаке. Удалению серы спо-
собствует высокая температура в горне; с нагревом
* Итоговая реакция. Восстановление кремния происходит в две
стадии: SiO2 “SiO •Si. По-вндимому, кремний восстанавливается
из Si02 и карбидом железв Fe3C.
35
уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию
сульфидов и способствует восстановлению FeO.
Часть серы удаляется с помощью магнезии MgO
(всегда содержащейся в шлаке), а также марганца по
реакциям FeS+MgO=FeO+MgS и. FeS+Mn=Fe4-
4-MnS.
Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид мар-
ганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение
получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его
в ковшах-чугуновозах и в миксере часть серы может переходить из
металла в шлак в виде сульфида марганца MnS, так как раствори-
мость этого соединения в металле при понижении температуры
уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержа-
нии в чугуне более 2% Мп.
Одним из опробованных в промышленных масштабах способов
внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпуск-
ном желобе или в чугуновозе содой №2СОз (1% от массы чугуна).
Сера удаляется по реакции FeS+Na2COs=FeO-t-Na2S-t-CO2. Обра-
зующийся при этом сернистый натрий Na2S переходит в шлак.
В настоящее время проводят исследовательские работы по изыска-
нию других недефицитных и дешевых реагентов.
Шлакообразование начинается примерно в распаре
печи. Первичный шлак образуется в результате сплав-
ления CaO, SiC>2, AI2O3 и других окислов, находящихся
в составе флюса и пустой породы руды (агломерата,
окатышей). При определенных соотношениях по массе
эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие
смеси — сплавы с /Пл =1150-? 1200° С. Стекая вниз и на-
капливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой
состав. В результате взаимодействия с расплавленным
чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке вос-
станавливаются окислы железа и марганца, в нем
растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический
состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при
выплавке передельных, литейных и других чугунов
всегда подбирают шлак соответствующего состава. Ти-
повой состав шлака: 40—50% СаО; 38—40% SiO»;
7—10% AI2O3.
Одна из важнейших характеристик шлака — его
основность, т. е. отношение содержания основных окис-
лов к содержанию кислотных окислов. В заводской
практике основность нередко определяется упрощенно,
как Ош= % (СаО)/% (SiO2).
При выплавке разных чугунов и ферросплавов ее зна»
чение колеблется в пределах 0,9—1,4.
36
Как уже отмечалось, с увеличением основности шлака
улучшаются удаление серы и восстановление марганца;
для восстановления кремния основность должна быть
уменьшена. В сложных физико-химических процессах
взаимодействия шлака с чугуном, коксом и т. п. большое
значение имеет не только состав шлака, но и его коли-
чество, вязкость и другие свойства, а также температу-
ра в горне печи.
ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Расплавленный чугун выпускают через одну-две чу-
гунные летки по 10—18 раз в сутки. В ковшах-чугуново-
зах емкостью 80—100 т его по железнодорожным путям
подают либо в сталеплавильный цех для передела
в сталь, либо на разливочную машину. В первом случае
чугун сливают в миксеры (копильники) емкостью до
2000 т, отапливаемые газом. При выдержке в миксере
выравниваются химический состав и температура чугуна,
происходит дополнительное удаление серы.
Разливочная машина представляет собой конвейер
с укрепленными на нем формами (мульдами); в них по-
лучают небольшие слитки — чугунные чушки (до 55 кг),
которые направляют на другие заводы.
Чугуны и ферросплавы. В доменных печах выплав-
ляют передельные и литейные чугуны, а также некото-
рые ферросплавы.
Передельные чугуны по ГОСТ 805—69 выплавляют
трех видов: 1—коксовый Ml, М2, М3; Б1, Б2; 2 — фос-
фористый МФ1, МФ2, МФЗ; 3 — высококачественный
ПВК1, ПВК2, ПВКЗ.
По содержанию вредных примесей — фосфора и се-
ры— чугуны делятся на классы А, Б и т. д. по фосфору
и на категории I, II и т. д. по сере.
Наиболее распространенные чугуны Ml, М2, М3 со-
держат 3,8—4,4% С, 0,5—1,4% Si, 0,5—1,5% Мп, 0,15—
0,3% Р, 0,02—0,06% S. Чугуны этих марок применяют
для выплавки стали мартеновским и кислородно-конвер-
торным способами. Чугуны марок Б1, Б2, содержащие
фосфора ^0,06% (класс А) и серы ^0,04% (категория
III), используют для передела на сталь и бессемеров-
ским способом. Фосфористые чугуны МФ1, МФ2 и МФЗ
содержат 1—2% фосфора, их переделывают в сталь
в мартеновских качающихся печах. Высококачественные
чугуны ПВК1, ПВК2, ПВКЗ имеют минимальное содер-
37
жание вредных примесей (например, класс А^0,02% Р,
категория 1^0,015% S) и используются для выплавки
качественных сталей в электродуговых и других печах.
Литейные чугуны ЛКО — ЛК5 применяют для полу*
чения литых деталей. В этих чугунах содержится до
3,75% Si (ЛКО), 0,5—1,3% Мп (группы I, II, III), 0,02—
0,07% S (категории I, II, III). Обычные литейные чугу-
ны содержат 0,1—0,3% Р, для художественного литья
применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2% Р.
Доменные ферросплавы: зеркальные чугуны 341,
342, 343 содержат 10—25% Мп, ферромарганец Мнб,
Мн7 70—75% Мп, доменный ферросилиций Си 10, Си 15
9—13% Si (иногда больше) и до 3% Мп. Эти сплавы
применяют при выплавке сталей для раскисления и ле-
гирования.
В доменных печах из руд некоторых месторождений
выплавляют также природнолегированные чугуны, со-
держащие хром, ванадий, никель и т. п.
Доменный шлак — побочный продукт плавки — по мере его на-
копления выпускают в расплавленном состоянии через шлаковые
летки в ковши-шлаковозы емкостью около 30 т, транспортируемые
по железнодорожным путям. Еще сравнительно недавно шлакн на-
правляли в отвал. В настоящее время шлак все шире используют
для получения строительных материалов .
Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: при
выливании жидкого шлака в воду он превращается в мелкозерни-
стый материал. Гранулированный шлак используют для производ-
ства цемента, шлаковых строительных кирпичей и блоков и т. п. Йз
доменного шлака получают также щебень, литые изделия и т. д.
Доменный или колошниковый газ выделяется в больших коли-
чествах и непрерывно удаляется через газоотводы в колошнике из
доменной печи.
При сгорании 1 т кокса образуется около 5000 м3 газа. Таким
образом, в крупных печах объемом 3000—3200 м3 в сутки выделяет-
ся примерно 15—17 млн. м3 газа. Он содержит значительное коли-
чество горючих составляющих (26—32% СО, до 4% Н2), его тепло-
творная способность около 850—950 кал/м3. После очистки от пыли
(частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют как топ-
ливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и
паровых котлов. В смеси с более высококалорийными коксовым или
природным газами его применяют также для отопления мартенов-
ских и нагревательных печей. Колошниковая пыль содержит 45—
50% Fe и ее используют при агломерации.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА
Основными показателями работы доменной печи
являются ее производительность и расход кокса на 1 т
чугуна..
38
Коэффициент использования полезного объема печи
(к. и. п. о. в м3/т) определяется как отношение полезного
объема печи V (в м3) к ее среднесуточной производи-
тельности Р в тоннах выплавляемого передельного1 чу-
гуна: к. и. п. о.= V/P.
Чем меньше к. и. п. о., тем выше производительность
печи. В нашей стране для большинства печей к. и. п. о.
равен 0,5—0,7, по отдельным печам 0,4—0,45.
Удельный расход кокса в отечественной металлургии
в среднем около 550 кг на 1 т передельного чугуна, на
передовых заводах ниже 450 кг. Это важный экономи-
ческий показатель, так как стоимость кокса составляет
45—55% стоимости чугуна.
Основными направлениями в совершенствовании до-
менного производства являются строительство экономи-
чески более выгодных крупных печей объемом до
5000 м3, улучшение подготовки сырых материалов
к плавке (обогащение, применение офлюсованного агло-
мерата и окатышей), интенсификация доменного про-
цесса путем обогащения дутья кислородом, применение
природного газа и т. д. Все большее значение имеет со-
вершенствование систем комплексной механизации и
автоматического управления доменным процессом.
Глава 3
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Стали — железоуглеродистые сплавы, содержащие
практически до 1,5% углерода1 2. Кроме углерода, сталь
всегда содержит в небольших количествах постоянные
примеси: марганец (до 0,8%), кремний (до 0,4%), фос-
фор (до 0,07%), серу (до 0,06%), что связано с особен-
ностями технологии ее выплавки. В технике широко
применяют также легированные стали, в состав которых
для улучшения качества дополнительно вводят хром,
никель и другие элементы. Существует свыше 1500 ма-
рок углеродистых и легированных сталей — конструк-
ционных, инструментальных, нержавеющих и т. д.
1 При выплавке других чугунов используют переводные коэф-
фициенты: передельный чугун 1, литейный 1,15—1,4 и т. д.
2 Теоретически до 2,14% углерода (см. разд. II, гл. 5, 9).
39
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
Для массового производства стали в современной
металлургии основными исходными материалами явля-
ются передельный чугун и стальной скрап (лом). По
химическому составу сталь отличается от передельного
чугуна меньшим содержанием углерода, марганца, крем-
ния и других элементов. Поэтому выплавка стали — пе-
редел чугуна (или же чугуна и скрапа) в сталь — сво-
дится к проведению окислительной плавки для удаления
избытка углерода, марганца и других примесей. При
выплавке легированных сталей в их состав вводят соот-
ветствующие элементы.
Первыми способами получения стали из чугуна были кричиый
способ (XII—XIII вв.) и затем пудлинговый способ (конец XVIII в.).
Продуктом плавки были крицы — небольшие куски — комья сварив-
шихся между собой зерен металла. Получение плотного металла —
сварочного железа — происходило при последующей ковке или про-
катке. Во второй половине XIX в. появились и получили наибольшее
развитие высокопроизводительные способы: бессемеровский (1856 г.)
и томасовский процессы (1878 г.). Их недостатками являются невы-
сокое качество стали и ограниченность сырьевой базы, так как мож-
но было использовать лишь некоторые чугуны (с определенным со-
держанием Si, S, Р). Поэтому примерно с начала нынешнего столетия
основную массу стали выплавляли мартеновским способом (по-
явился в 1864 г.) — менее производительным, ио позволяющим вы-
плавлять более качественную сталь. Кроме того, для выплавки мар-
теновской стали используется наиболее распространенный чугун
(непригодный для бессемеровского и томасовского передела) и ог-
ромное количество вторичного металла — стального скрапа.
В 50-х годах XX в. появился новый, прогрессивный способ вы-
плавки стали — кислородно-конверторный процесс. Благодаря значи-
тельным технико-экономическим преимуществам этот способ быстро
получил очень широкое применение, вытесняя мартеновский способ
в массовом производстве стали.
В настоящее время в мировом производстве около
40% стали выплавляют кислородно-конверторным спо-
собом и около 40% мартеновским способом; при этом за
последнее время доля кислородно-конверторной стали
непрерывно возрастает, а доля мартеновской стали со-
кращается.
Выплавка качественных сталей в электрических ду-
говых и индукционных печах началась в конце XIX —
начале XX вв. Электросталь стоит дороже, но
превосходит по качеству кислородно-конверторную
и мартеновскую сталь; ее производство — около 20% от
всей массы стали — непрерывно возрастает. В связи
с возрастающими требованиями к качеству стали все
40
большее применение получает внепечное вакуумирова-
ние, рафинирование синтетическими шлаками в ковше и
другие новые прогрессивные технологические способы.
Сталь особо высокого качества выплавляют в ваку-
умных электрических печах, а также путем электро-
шлакового, плазменного переплава и других новейших
методов.
Внедоменные способы производства железа (ста-
ли)— одно из перспективных направлений в металлур-
гии. Для передела в сталь используют около 80% всего
чугуна. Двухстадийная технология современного стале-
плавильного производства: руда->чугун—деталь явля-
ется технически несовершенной. С давних времен извест-
на принципиально иная технология — получение стали
из заранее восстановленного железа. Например, еще
в VII—X вв. высококачественную булатную сталь для
холодного оружия получали плавкой железа с углерод-
содержащими добавками в небольших тиглях. Из много-
численных разработанных и опробованных способов
восстановления железа из руды некоторые нашли, хотя
и ограниченное, промышленное применение. Перспек-
тивной является металлизация рудных окатышей для
использования в производстве стали. Ведутся большие
работы по разработке сталеплавильных агрегатов не-
прерывного действия.
КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТОРНЫЙ ПРОЦЕСС
Сущность кислородно-конверторного процесса за-
ключается в том, что налитый в плавильный агрегат
(конвертор) расплавленный чугун продувают струей
кислорода сверху. Углерод, крем-
ний и другие примеси окисляются и
тем самым чугун переделывается в
сталь.
Первые опыты по разработке
этого способа осуществил в 1933—
1934 гг. А. И. Мозговой. В промыш-
Рис. 7. Схема кислородного
конвертора:
1 — глуходонный конвертор;
2 — фурма для вдувания
кислорода; 3 — летка для
слива стали
41
ленности кислородно-конверторный передел впервые на-
чали применять в 1952—1953 гг. на заводах Австрии в
Линце и Донавице. Благодаря технико-экономическим
преимуществам этот способ получил очень быстрое и ши-
рокое распространение и является основным направле-
Рис. 8. Технологические операции кислород но-конверторной плавки:
/ — загрузка стального скрапа; 2 — заливка расплавленного чугуна;
3 — продувка кислородом; 4— загрузка извести и желёз ной руды
с началом продувки и по ходу плавки; 5—выпуск металла;
6 — выпуск шлака
нием развития в массовом производстве стали. Доля кис-
лородно-конверторной стали составляла в 1960 г. около
4%, в 1965 г. — около 25%, в настоящее время — около
40% мировой выплавки стали.
Устройство кислородного конвертора1 показано на
рис. 7. Его грушевидный корпус (кожух) сварен из лис-
товой стали толщиной до НО мм; внутри он футерован
основными огнеупорными материалами общей толщиной
до 1000 мм.
Наружный слой футеровки (примыкающий к корпусу) из маг-
незитового или хромомагнезитового кирпича не требует замены не-
сколько лет. Внутренний — рабочий слой — толщиной 400—750 мм
наиболее часто делают из смолодоломитового кирпича; его стойкость
до ремонта составляет 400—800 плавок. Между внутренним и на-
ружным слоями обычно делают набивку из магнезите- или доломи-
1 Применяются также конверторы с отъемным днищем и шлем-
ной частью (горловиной) и с несколько иной конфигурацией кор-
пуса.
42
тосмоляной массы. Наиболее быстро изнашивается сталевыпускное
отверстие. Его изготавливают набивкой из особо огнеупорной маг-
незитовой массы, и ремонтируют через 40—60 плавок.
Конвертор устанавливают на опорных станинах при
помощи цапф, и он может поворачиваться вокруг их оси,
что необходимо для заливки чугуна и других техноло-
гических операций (рис. 8).
Емкость современных конверторов от 70 до 400 т.
Крупный конвертор (300 т) имеет размеры рабочего
пространства: высоту 9 м, диаметр 7 м, диаметр горло-
вины 3,5 м.
Кислородное дутье поступает из водоохлаждаемой
фурмы, которую вводят в конвертор через горловину.
Расстояние от сопла фурмы до поверхности металла со-
ставляет 0,7—3 м.
Механизм подъема и опускания фурмы сблокирован с механиз-
мом вращения конвертора; пока не удалена фурма, конвертор нель-
зя повернуть. Надежное охлаждение фурм, работающих в высокотем-
пературной зоне (до 2400° С), обеспечивается подачей воды под дав-
лением 6—10 ат с расходом до 4000 л/мин. В небольших конверторах
применяют односопловые фурмы, в крупных конверторах — трех-
или четырехсопловые фурмы; у таких фурм сопла Лаваля располо-
жены под углом 6—15° к оси фурмы. Применение многосопловых
фурм обеспечило более «мягкую» продувку, уменьшение выбросов
металла, интенсивную подачу кислорода и сокращение длительности
плавки.
Режим кислородного дутья (давление, расход и т. п.)
оказывает очень большое влияние на производительность
конвертора и качество ста-
ли. Кислород подают под
давлением 9—14 ат, что
обеспечивает достаточную
кинетическую энергию
струи и ее требуемое углуб-
ление в металл, для полного
«усвоения» кислорода и ин-
тенсивной циркуляции —
перемешивания металла и
шлака (рис. 9). Расход кис-
лорода от 1,8 до 4 м3 в мин
на 1 т металла. Чистота
кислорода не менее 99,5%;
при ее снижении в готовой
стали увеличивается содер-
жание примеси — азота,
Рис. 9. Схема движения металла
при продувке кислородом:
/ — сопло; 2 — струя кислорода;
3 — отраженная струя; 4 — дви-
жение металла
43
Регулируя глубину проникновения кислородной струи, можно
управлять ходом плавки. Опуская фурму, повышая давление и рас-
ход, увеличивают глубину проникновения струи и количество кисло-
рода, усваиваемого металлом, ускоряя окисление С, Si и т. д. При
уменьшении глубины проникновения струп (подъем фурмы) больше
кислорода усваивает шлак, ускоряются процессы, происходящие в
шлаке.
Шихтовые материалы для конверторной плавки —
передельный чугун и стальной скрап (до 25—30% от
массы чугуна), шлакообразующие, раскислители. Бла-
годаря основной футеровке конвертора при плавке ис-
пользуют основной флюс — известь для ошлакования и
удаления из металла серы и фосфора. Это дает возмож-
ность перерабатывать чугуны марок Ml, М2, М3, состав
которых по S и Р изменяется в широких пределах (см.
стр. 37). Стальной скрап (лом)—в основном отходы
металлургических и машиностроительных заводов:
обрезь при прокатке, стружка и т.п.; около 30% скрапа
по массе составляет амортизационный лом — изношен-
ные детали машин, предметы быта и т. д.
Основное шлакообразующее — известь (5—8% от
массы плавки); для разжижения шлака применяют
боксит (до 50% А120з, до 20% SiO2) или плавиковый
шпат (CaF2). Для быстрого образования активного шла-
ка в начале продувки загружают железную руду (до
2%).
После выпуска плавки осматривают футеровку кон-
вертора и закрывают сталевыпускное отверстие огне-
упорной массой. Затем загружают стальной скрап зава-
лочными машинами лоткового типа (см. рис. 8) и зали-
вают расплавленный чугун, доставляемый в ковшах из
миксера. Конвертор ставят в вертикальное положение,
в его горловину вводят фурму и включают кислородное
дутье. С началом продувки загружают примерно 2/3 всей
массы шлакообразующих: извести, боксита (плавикового
шпата) и железной руды; оставшуюся их часть вводят
отдельными порциями через несколько минут, без оста-
новки продувки, с помощью автоматизированной систе-
мы загрузки.
Окисление углерода и других элементов при продувке
происходит за счет кислорода, растворенного в металле
и шлаке при продувке, газообразного кислорода, обра-
зующейся закиси железа FeO. Главную роль в окисле-
нии играет растворенный в металле кислород, взаимо-
действующий с компонентами по реакциям:
44
[С] + [О] = СО + Q*; [Si ] + 2 [О] = SiO2 + Q;
[Мп] + [О] = МпО + Q ит. Ri
Газообразный кислород при контакте струи с метал-
лом непосредственно окисляет небольшое количество
углерода по реакции С+1/2О2 = СО и других элементов;
в наибольшей мере окисляется железо **: [Fe] +1/2 О2 =
= FeO+Q.
Образующаяся в большом количестве закись железа
FeO растворяется в металле, обогащая его кислородом
[FeO]—>FcЖ + [О]. Часть закиси железа растворяется
в шлаке, окисляя примеси по реакциям [Si] 4-2 (FeO) =
= (SiO2)+2Fe; [С] + (FeO) =Fe+CO и т. д. Изменение
химического состава и температуры металла по ходу
плавки показано на рис. 10.
Кремний в первые 4—6 мин после начала продувки
окисляется почти полностью ввиду высокого сродства
с кислородом при невысокой температуре металла.1 По
этой же причине к 8—10-й мин окисляется до 70% мар-
ганца. В дальнейшем, при повышении температуры,
марганец частично восстанавливается, но снова окисля-
ется к концу продувки.
Углерод в начале
продувки окисляется с
небольшой скоростью
вследствие невысокой
температуры и расхо-
да кислорода на окис-
ление кремния и мар-
ганца. По мере выго-
рания этих элементов
и с повышением темпе-
ратуры окисление уг-
лерода ускоряется, до-
Рис. 10. Изменение состава
и температуры металла при
кисло род ио-коивертор ной
плавке
* Принятое обозначение: [С], [Si] и т. д. — компонент раство-
рсн в металле; (FeO), (СаО) и т. д. — в шлаке.
** Так как концентрация (число атомов) железа намного боль-
ше, чем других элементов.
1 По закону Ле-Шателье реакции экзотермические (+Q) полу-
чают развитие при невысокой, эндотермические (—Q) — при высокой
температуре.
46
стигая максимума в середине продувки. К концу продув-
ки углерод окисляется менее интенсивно ввиду уменьше-
ния его содержания.
Процесс обезуглероживания имеет очень важное
значение прежде всего потому, что определяет продол-
жительность продувки.
Кроме того, выделяющиеся пузырьки СО обеспечи-
вают удаление из металла азота; интенсивно перемеши-
вая металл и шлак, они способствуют также удалению
фосфора и серы.
Фосфор интенсивно удаляется из металла в началь-
ный период продувки, когда температура еще не высока
и уже сформирован активный высокоосновный желе-
зистый шлак:
2 [Р] + 5 [FeO] + 4 (СаО) = (СаО)4 Р2ОБ + 5Fe + Q.
Для дефосфорации создаются хорошие условия:
жидкоподвижный шлак с высокой основностью и боль-
шим содержанием FeO (загрузка извести, руды, бокси-
та в начале плавки); металл интенсивно перемешивается
со шлаком.
При использовании чугунов с содержанием фосфора
<0,15% плавку ведут с одним шлаком, при содержании
фосфора ^0,15% первый фосфористый шлак сливают
примерно в средине продувки и наводят новый шлак.
Сера удаляется значительно хуже, чем фосфор — до
40% от ее содержания в чугуне. До 90% всей удаляемой
серы ошлаковывается известью по реакции [FeS] +
+ (CaO) = (CaS) + (FeO).
Невысокая степень десульфурации объясняется зна-
чительным содержанием FeO в шлаке, что препятствует
протеканию этой реакции. Лишь незначительная часть
серы удаляется в виде SO2 в результате прямого окисле-
ния дутья.
Продолжительность продувки в зависимости от ем-
кости конвертора составляет 15—25 мин. Затем из кон-
вертора удаляют фурму и поворачивают его в горизон-
тальное положение (см. рис. 8).
Момент окончания продувки определяют по времени,
количеству израсходованного кислорода и по виду пла-
мени из горловины.
Через горловину конвертора отбирают контрольные
пробы металла и шлака для экспресс-анализа (на С, S,
Р, иногда и на другие элементы) . Готовая сталь должна
46
иметь температуру 1580—1650° С, последнюю измеряют
термопарой погружения. Во время этих контрольных из-
мерений обычно открывают сталевыпускное отверстие.
Если плавку необходимо исправить, проводят корректи-
рующие операции. При излишке С, Мп или недостаточ-
ной температуре делают кратковременную додувку; при
излишне высокой температуре загружают стальной
скрап и т.п. Готовую сталь выпускают в сталеразливоч-
ный ковш, куда сливают и небольшое количество шлака;
слой шлака (200—300 мм) предохраняет металл в ковше
от быстрого охлаждения. При выпуске стали производят
ее раскисление.
Раскисление стали — завершающая операция при
всех способах ее выплавки. Выплавка стали из чугуна
и скрапа является окислительным процессом. Поэтому
в конце плавки сталь содержит растворенный кислород,
ухудшающий прочность и в особенности пластичность
стали; металл становится хрупким при горячей прокат-
ке (красноломкость), при пониженных температурах
(хладноломкость). Поэтому завершающей операцией
является восстановление железа из его закиси FeO.
Для уменьшения содержания кислорода до допусти-
мых норм производят раскисление стали: глубинное
(осаждающее); диффузионное; обработкой в вакууме;
обработкой синтетическими шлаками.
Для кислородно-конверторной стали применяют глу-
бинное раскисление — наиболее распространенный, про-
стой и дешевый способ. Другие способы будут рассмотре-
ны в соответствующих главах.
Глубинное (или осаждающее) раскисление состоит
в том, что в металл вводят раскислители — элементы,
имеющие большее сродство к кислороду, чем у железа.
Образующиеся продукты раскисления имеют меньшую
плотность, чем сталь, и всплывают в шлак («осаждение»
в слой шлака).
Наиболее часто сталь раскисляют марганцем (ферро-
марганцем), кремнием (ферросилицием) и алюминием
по реакциям
[Мп] + [О] - (МпО) + Q; ISiJ + 2 [О] = (SiOa) + Q;
2 ГАП + ЗЮ] = (AlaO3) +Q.
Марганец — наиболее слабый раскислитель: в стали
остается часть растворенного кислорода, FeO, МпО.
47
Кремний — более сильный раскислитель; тугоплавкие
частицы SiCh (^ил= 1710°С) нерастворимы в стали,
образующиеся силикаты «SiO2-mFeO-AMnO легко
укрупняются и всплывают в шлак. Алюминий имеет вы-
сокое сродство к кислороду. Мелкодисперсные частицы
А120з с малой плотностью (2,2—2,6 г/см3) в твердом
состоянии (/пл=2050°С) всплывают в шлак. По степени
раскисления различают кипящую, спокойную и полу-
спокойную стали.
Кипящая сталь — наименее раскисленная — может
быть получена при раскислении только одним ферро-
марганцем. В такой стали реакция [С]4-[О]=СО не
прекращается и металл продолжает «кипеть» из-за вы-
деляющихся пузырей СО. Эти газовые пузыри остаются
в большом количестве в теле слитка и устраняются при
последующей горячей прокатке. Такая сталь наиболее
дешевая. При ее производстве получается наибольший
выход годного металла.
Спокойная сталь — наиболее раскисленная — полу-
чается при последовательном раскислении металла фер-
ромарганцем, ферросилицием и алюминием. После
введения раскислителей выделение пузырей СО прекра-
щается и металл «успокаивается». Эта сталь наиболее
качественная, но и наиболее дорогая. В верхней части
слитка образуется усадочная раковина, что значительно
уменьшает выход годного металла.
Полуспокойная сталь получается при раскислении
ферромарганцем и уменьшенным количеством ферроси-
лиция (иногда и алюминия). По качеству и по стоимости
она является промежуточной между спокойной и кипя-
щей сталью.
Кислородно-конверторным способом выплавляют
спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Во избе-
жание большого угара раскислители вводят не в конвер-
тор, а на струю металла при выпуске плавки, после на-
полнения ковша примерно на 1/4—1/3 объема. Готовую
сталь разливают в изложницы для получения стальных
слитков или на установках непрерывной разливки стали
(см. разливка стали).
При выплавке легированных сталей неокисляющиеся
элементы, например никель и молибден, можно вводить
во время плавки. Легко окисляющиеся элементы— хром,
кремний и др. — нельзя вводить во время продувки кис-
лородом ввиду их большого угара.
48
При легировании в конверторе после продувки или
в ковше при выпуске плавки возможны охлаждение
металла загрузкой ферросплавов и неравномерное рас-
пределение легирующих элементов в стали.
Поэтому в конверторах выплавляют некоторые низ-'
колегированные стали; при выпуске плавки в ковш
одновременно заливают соответствующие ферросплавы,
предварительно расплавленные в электропечи. Приме-
няют также легирование в ковше специальными брике-
тами, в состав которых входят ферросплав, порошок
алюминия и другие компоненты.
ДРУГИЕ КОНВЕРТОРНЫЕ СПОСОБЫ
Бессемеровский процесс был разработан Бессемером (Англия) в
1856 г. Сущность способа состоит в том, что сталь получают, окис-
ляя примеси расплавленного чугуна, налитого в конвертор, путем
продувки воздухом снизу, через фурмы, расположенные в днище.
Окисление углерода, кремния и марганца идет по тем же реакциям,
что и при кислородном дутье. Емкость бессемеровских конверторов
10—35 т, время продувки 12—15 мин.
Бессемеровский конвертор имеет кислую футеровку (из динасо-
вого кирпича). В него нельзя загружать известь, а следовательно,
удалять из металла серу и фосфор в виде CaS и (СаО)4-Р2О5. По-
этому для передела в сталь можно использовать только чистый по
сере и фосфору чугун марок Б1, Б2, содержащий 0,9—1,4% крем-
ния, играющего важную роль в тепловом балансе процесса.
В результате продувки воздухом бессемеровская сталь имеет по-
вышенное содержание азота, вызывающего охрупчивание металла.
Общая загрязненность бессемеровской стали примерно в 2,5 раза
больше, чем кислородно-конверторной и мартеновской стали.
В СССР производство бессемеровской стали почти полностью
прекращено.
Томасовский процесс, предложенный в 1878 г. Томасом (Анг-
лия), также основан на продувке чугуна воздухом снизу. Конвертор
имеет основную футеровку (из доломита), в него при плавке загру-
жается известь для ошлакования фосфора и серы. Этот способ пред-
назначен только для передела высокофосфористых чугунов, содер-
жащих 1,5—2% Р, так как фосфор является главным «топливным»
элементом процесса. Для удаления фосфора создаются благоприят-
ные условия; шлак содержит до 25% (СаО)4РгОд и используется
как минеральное удобрение. Сера удаляется в виде CaS лишь ча-
стично.
Конверторы имеют емкость от 12 до 70 т, общая длительность
плавки 25—40 мин.
Главные недостатки те же, что и у бессемеровского процесса —
необходимость использования чугунов строго определенного состава
и невысокое качество получаемой стали, примерно такое же, как бес-
семеровской стали.
В СССР томасовского передела нет. Чугуны марок МФ1, МФ2,
МФЗ выплавляют в небольшом количестве и переделывают в сталь в
4—481
49
мартеновских качающихся печах. Томасовский способ еще широко
применяется во Франции и в ФРГ, имеющих крупные залежи фосфо-
ристых железных руд и большое производство томасовского чугуна.
За последние 10—15 лет для переработки высокофосфористых
чугунов за границей разработаны новые варианты томасовского про-
цесса: продувка воздухом, обогащенным кислородом; смесью пара и
кислорода; смесью углекислого газа и кислорода. Эти способы поз-
воляют выплавлять сталь с уменьшенным содержанием азота, одна-
ко все они имеют существенные технико-экономические недостатки.
Для переработки высокофосфористых чугунов более
выгодными оказались специально разработанные кисло-
родно-конверторные процессы.
Процесс ОЛП1 ведут в конверторах, аналогичных
обычным кислородным. Известь для ошлакования фос-
фора вводят в виде порошка с кислородной струей через
фурму. Применение порошкообразной извести обеспечи-
вает интенсивное удаление фосфора с самого начала
продувки, более успешно удаляется и сера — до 70% от
содержания в металле.
Процесс ЛД—АС1 2 отличается тем, что примерно 1/3
извести загружают в кусках до начала продувки.
Процесс Калдо3 осуществляется в конверторе, кото-
рый во время продувки вращается (до 40 об/мин) во-
круг продольной оси, расположенной под углом 17—20°
к горизонту. Кислородная фурма вводится через горло-
вину под углом 18—26° к горизонту. При вращении
конвертора шлак и металл перемешиваются, что обеспе-
чивает хорошее удаление фосфора и серы. Кислород
подается под низким давлением (4 ат) и под углом
к поверхности ванны; он не весь усваивается металлом
и шлаком и обеспечивает догорание до 90% СО в по-
лости конвертора с выделением большого количества
тепла. Поэтому в шихте можно увеличить количество
скрапа до 40—50% и железной руды до 15%.
Основные недостатки: сложность механического
устройства конвертора, меньшая производительность,
пониженная стойкость футеровки.
1 ОЛП — по начальным буквам: Oxydene — кислород, Lance —
фурма, Poudre — порошок (франц).
2 ЛД — АС. ЛД — распространенное за границей название кис-
лородно-конверторного процесса; А — начальная буква наименова-
ния фирмы Арбед, С — центра металлургических исследований Бель-
гии и Люксембурга.
3 Процесс Калдо разработан Каллингом и впервые осуществлен
на заводе в г. Домнарвете (Швеция).
£0
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ
Мартеновский процесс был разработан в 1865 г.
французскими металлургами отцом Э. Мартеном и сы-
ном П. Мартеном.
Мартеновская печь (рис. 11) по устройству и прин-
ципу работы является пламенной регенеративной печью.
В ее плавильном пространстве сжигается газообразное
Рис. II. Схема мартеновской печи:
/, 2 — газовые и воздушные регенераторы; 3, 4 —газовые и воздушные каналы
в головке печи; 5 — рабочее пространство печи; 6 — подина печи; 7 — свод пе-
чи; 8 — завалочные окна
топливо или мазут. Высокая температура для получения
стали в расплавленном состоянии обеспечивается реге-
нерацией тепла печных газов.
Рабочее плавильное пространство печи ограничено
снизу ванной, образованной подиной и откосами; свер-
ху— сводом; с боков — передней и задней стенками;
с торцов — головками. В передней стенке расположены
окна, через которые в печь загружают исходную шихту
и дополнительные материалы (по ходу плавки), а также
берут пробы металла и шлака, удаляют шлак при де-
фосфорации. Окна закрыты заслонками со смотровыми
отверстиями. Готовую плавку выпускают через отвер-
стие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне
подины. Отверстие плотно забивают малоспекающимися
4*
51
огнеупорными материалами, которые для выпуска плав-
ки выбивают.
Рабочее пространство выполнено из огнеупорных кир-
пичей. Прочность кладки обеспечивается стальной арма-
турой (стойками, продольными и поперечными связями).
В наиболее нагреваемых частях печи установлены систе-
мы водяного циркуляционного или испарительного
охлаждения.
Для переработки высокофосфористых чугунов на
заводе «Азовсталь» применяют качающиеся печи, в ко-
торых рабочее пространство заключено в прочный
стальной кожух, опирающийся на катки. Для слива
шлака, образующегося в большом количестве, печь на-
клоняют.
Головки печи соединены каналами со шлаковиками
и далее с регенераторами. По этим каналам в плавиль-
ное пространство подаются нагретый горючий газ и
воздух из регенераторов, а также отводятся печные га-
зы. Шлаковики (на рис. 11 не показаны) представляют
собой камеры для отделения твердых частиц и капелек
шлака, увлекаемых из плавильного пространства отхо-
дящими газами.
Регенераторы выполнены в виде камер, заполненных
насадкой из огнеупорного кирпича. Они предназначены
для нагрева воздуха и газообразного топлива.
Принцип регенерации тепла заключается в том, что
насадка одной пары регенераторов некоторое время
нагревается до 1250—1300е С отходящими из печи газа-
ми. Затем при помощи клапанов направление движения
газов меняется автоматически. Через один из нагретых
регенераторов в рабочее пространство печи подается
воздух, через другой — газ. Проходя через насадку, они
нагреваются до 1100—1200° С. В это время другая пара
регенераторов нагревается, аккумулируя тепло отходя-
щих газов. После охлаждения насадки регенераторов до
установленной температуры снова происходит автома-
тическое переключение клапанов.
В качестве топлива для мартеновских печей на оте-
чественных заводах используют смесь доменного, коксо-
вого и природного газов, мазут или природный газ.
Смешанный газ применяют на заводах, имеющих
доменное и коксохимическое производство. Это топливо
имеет сравнительно невысокую теплотворную способ-
ность,- до 3500 ккал/м3. Мартеновская печь работает
62
в этом случае с нагревом газа н воздуха в регенерат
торах.
Основная масса стали выплавляется в печах, рабо-
тающих на мазуте (Q=9500-=-10 500 ккал/кг) или на
природном газе (Q = 80004-8500 ккал/м3). Такие печи
имеют с каждой стороны только по одному регенератору
для нагрева воздуха, что значительно упрощает кон-
струкцию и эксплуатацию печей.
Природный газ не содержит серы, сгорает без золы,
легко транспортируется, дешевле мазута. В настоящее
время почти все крупные мартеновские печи отаплива-
ют природным газом с добавками мазута для подсвечи-
вания факела пламени. Форсунки для подачи мазута и
горелки для природного газа обычно устанавливают
в головках печи; в некоторых печах газо-кислородные
горелки расположены в своде.
Емкость (масса плавки) мартеновских печей колеб-
лется в очень широких пределах. Для выплавки неболь-
ших количеств стали применяют печи емкостью 30—
80 т. На больших металлургических заводах наиболее
распространены 250—500-т печи с размерами ванны до
20x6 м и площадью пода до 115 м2.
С укрупнением печей увеличивается их экономичес-
кая эффективность. На некоторых отечественных заво-
дах работают печи емкостью до 900 т и более.
Продолжительность плавки в малых и средних печах
составляет 3—6 ч, в наиболее крупных — до 12 ч. Марте-
новские печи работают непрерывно, до остановки на
капитальный ремонт через 400—600 плавок (компания
печи).
К вспомогательным устройствам, обеспечивающим работу мар-
теновской печи, относятся: погрузочно-разгрузочные краны на ших-
товых дворах, где хранятся скрап, чугун в чушках и другие мате-
риалы; завалочные машины для загрузки шихты в печь; заправочные
машины для ремонта футеровки н т. п. Для разливки стали исполь-
зуют мостовые краны, ковши, изложницы, а также разливочные уста-
новки к другие устройства. Для утилизации тепла печных газов, вы-
ходящих из регенераторов, устанавливают экономайзеры и котлы
для получения горячей воды или пара. Регулирование подачи в печь
воздуха, топлива, переключение клапанов регенераторов происходят
автоматически. Для контроля состава металла и шлака широко при-
меняют методы экспресс-анализа.
Основными материалами для выплавки стали явля-
ются передельный чугун марок Ml, М2, М3 и стальной
скрап. Чугун используют в виде чушек массой 45—55 кг
или в жидком состоянии (из миксера).
53
Стальной скрап — отходы при прокатке (до 10—12%
от массы слитка), при ковке и штамповке (грат, обсечки
и др), стружка — при обработке на металлорежущих
станках. В качестве скрапа широко используют также
пришедшие в негодность различные стальные изделия,
детали и т. п. Стружку и мелкий скрап до загрузки в мар-,
теновскую печь прессуют, превращая в пакеты.
При выплавке стали используют известняк СаСО3
(флюс), железную руду и другие добавки. Для раскис-
ления и легирования применяют ферромарганец и
другие сплавы.
Мартеновские печи и соответственно процессы плавки
в них могут быть основными или кислыми.
В основной печи подину и стенки выкладывают из
основного магнезитового кирпича, свод — из хромомаг-
незитового кирпича, на подину наваривают слой магне-
зитового или доломитового порошка. При основной
плавке в печь загружают в качестве флюса известняк
для образования основного шлака с большим содержа-
нием извести. Это дает возможность удалить из металла
вредные примеси — серу и фосфор.
В кислой печи подину и стенки делают из динасового
кирпича, на подину дополнительно наваривают слой
кварцевого песка. При плавке образуется кислый шлак
с большим содержанием SiO2. В такой печи нельзя уда-
лять серу и фосфор при плавке. Кислый мартеновский
процесс применяют редко.
Мартеновскую сталь выплавляют главным образом
основным процессом. Его важнейшими разновидностями
по шихтовым материалам являются скрап-процесс и
скрап-рудный процесс.
МАРТЕНОВСКИЙ ОСНОВНОЙ СКРАП-ПРОЦЕСС
Основной скрап-процесс применяют обычно в печах
емкостью до 100 т для выплавки более качественной ста-
ли на машиностроительных и небольших металлургичес-
ких заводах, где нет производства чугуна. Шихта состоит
из стального скрапа (55—75%) и чугуна в чушках (45—
25%). Флюсом при плавке служит известняк СаСОз
(5—6% от массы металла). Для ускорения окисления
примесей используют железную руду, для раскисления
и легирования — ферросплавы и некоторые другие ма«
териалы.
64
Заправка печи проводится перед каждой очередной
плавкой. Она заключается в ремонте (заделке) участков
подины и других повреждений, образовавшихся при
предыдущей плавке. В эти места с помощью заправочной
машины (иногда вручную) насыпают магнезитовый или
доломитовый порошок.
Завалку (загрузку) шихтовых материалов осуществ-
ляют через загрузочные окна печи напольными или под-
весными завалочными машинами (кранами). Шихта
загружается в печь в металлических ящиках — мульдах;
для высыпания шихты в печи их переворачивают. Сна-
чала загружают мелкий скрап, известняк и руду, а затем
после их прогрева остальной скрап и чугун. Такой поря-
док загрузки обеспечивает интенсивный прогрев и уско-
ряет плавление шихтовых материалов.
В перид плавления очень важное значение имеет про-
цесс шлакообразования. Химический состав, свойства,
количество и температура шлака определяют ход плав-
ки. При плавлении чугуна и скрапа входящие в их состав
кремний и марганец окисляются почти полностью избы-
точным кислородом печных газов, а также закисью
железа, образующейся в результате его окисления и за-
грузки железной руды. Из окислов SiO2, МпО, FeO, СаО
(флюс) и др. образуется основной железистый шлак,
содержащий до 45% СаО и до 15% FeO. Слой шлака
покрывает поверхность расплавленного металла и его
непосредственное окисление кислородом печных газов
прекращается. В дальнейшем взаимодействие атмосфе-
ры печи с металлом происходит через шлак. На поверх-
ности шлака кислород печных газов окисляет FeO до
Fe2O3: 2(FeO) + l/2O2= (Fe2O3). На границе шлак —ме-
талл протекает реакция (Fe2O3) +Fe=3(FeO).
Образующаяся закись железа по закону распределе-
ния частично переходит в шлак и частично в металл,
обеспечивая дальнейшее окисление углерода, кремния,
марганца и других элементов. Переход кислорода в ме-
талл осуществляется по реакциям
(FeO) Fe + [О] или (FeO) -> [FeO].
Для дефосфорации стали по реакции 2[Р]+5(FeO) +
+4 (СаО) = (CaO)4'P2O5 + 5Fe в периоде плавления
создаются благоприятные условия [высокая основность
шлака (СаО), невысокая температура, достаточное ко-
личество закиси железа FeO, которое обеспечивают до-
55
волнительной присадкой железной руды]. Во избежание
обратного перехода фосфора из шлака в металл боль-
шую часть шлака скачивают, т. е. удаляют. Для этого,
уменьшая подачу топлива, шлак несколько охлаждают,
что повышает его вязкость. Выделяющиеся из металла
газы вспенивают шлак и он выливается через шлаковое
отверстие в задней стенке или через порог одного из за-
грузочных окон. Для наведения, т. е. образования нового
шлака, в печь дополнительно загружают известь с до-
бавками шамотного боя (или боксита) для повышения
жидкоподвижности шлака.
В период кипения (или доводки) тепловой режим
печи форсируют. В печь периодически небольшими пор-
циями загружают “железную руду или продувают ванну
кислородом через фурмы в своде. Это создает благопри-
ятные условия для окисления углерода растворенным
в металле кислородом по реакции [С] + [О]=СО. Пу-
зырьки окиси углерода СО, выделяющиеся в очень боль-
шом количестве на подине печи, вызывают энергичное
перемешивание — кипение металла.
Кипение во многом определяет качество стали. Со-
держание углерода перед началом периода кипения
должно быть на 0,4—0,6% больше, чем в готовой стали.
При кипении из металла удаляются растворенные в нем
вредные газы N2 и Н2. Они проникают в пузырьки СО
и вместе с ними удаляются из металла. Энергичное пе-
ремешивание металла пузырьками СО способствует
укрупнению и всплыванию взвешенных неметаллических
включений, а также приводит к выравниванию состава
и равномерному прогреву металла по глубине ванны.
Рафинирование металла наиболее хорошо обеспечи-
вается во второй половине периода — при так называе-
мом чистом кипении, когда загрузку руды (продувку
кислородом) прекращают и металл продолжает кипеть
за счет имеющегося в ванне растворенного кислорода.
При этом скорость выгорания углерода постепенно
уменьшается, что облегчает доводку, т. е. выплавку ста-
ли с заданным содержанием углерода.
Удаление серы из металла в шлак в виде CaS по
реакции FeS+CaO=FeO4-CaS наиболее хорошо про-
исходит в конце периода кипения. Этому способствует
высокая основность шлака (45—50% СаО), уменьшение
количества закиси железа в шлаке, нагрев металла до
высокой температуры. Так как и к концу плавки в
66
шлаке еще содержится значительное количество FeO,
сера удаляется лишь частично — до 50% от ее содер-
жания в шихте.
Раскисление стали начинается еще при «чистом ки-
пении» по мере расходования кислорода. Окончатель-
ное раскисление производят глубинным (осаждающим)
способом, как и кислородно-конверторной стали.
Ферромарганец и доменный ферросилиций загружа-
ют в печь, богатый ферросилиций (45% Si) и алюми-
ний при выпуске плавки — в желоб или ковш. Основ-
ным скрап-процессом, как правило, выплавляют спо-
койную сталь.
Кроме углеродистых сталей, основным скрап-про-
цессом выплавляют многие легированные стали. При
выплавке сталей, содержащих никель и молибден, . не
окисляющиеся при плавке, обычно используют в каче-
стве скрапа отходы никель- и молибденсодержащнх
сталей. Недостающее количество этих элементов вводят
в виде никеля и ферромолибдена в период кипения.
Легкоокисляющиеся элементы (хром, ванадий и др.)
вводят в сталь, после раскисления в виде ферросплавов.
Плавку считают готовой, когда сталь (и шлак) име-
ет заданный состав и температуру, обеспечивающую ее
разливку. После взятия контрольных проб разделыва-
ют выпускное отверстие печи и выпускают плавку по
желобу в сталеразливочный ковш для последующей
разливки. Шлак выпускают из печи после металла в
шлаковый ковш.
МАРТЕНОВСКИЙ ОСНОВНОЙ СКРАП-РУДНЫЙ ПРОЦЕСС
Этим способом на металлургических заводах, где
существует производство чугуна, в крупных мартенов-
ских печах выплавляют основную массу мартеновской
стали. Металлическая часть шихты состоит из пере-
дельного расплавленного чугуна (60—75%) и умень-
шенного количества стального скрапа (40—25%).
В связи с увеличением количества чугуна, а следова-
тельно, и содержания С, Р, S при выплавке используют
до 15% железной руды и повышенное количество из-
вестняка — флюса.
Общее количество шлака при скрап-рудном процес-
се больше, чем при скрап-процессе. Особенно много
шлака образуется при переделе высокофосфористого
S7
чугуна марок МФ1, МФ2, МФЗ; удаление такого
шлака облегчается при использовании качающихся
печей.
Для ускорения плавки в печь сначала загружают
руду, известняк, затем скрап, хорошо их прогревают и
заливают расплавленный чугун. По окончании заливки
чугуна ванну продувают кислородом через водоохлаж-
даемые фурмы, опускаемые в отверстия в своде печи.
Процессы при выплавке стали (шлакообразование, ки-
пение и т, п.) протекают так же, как при скрап-про-
цессе.
Скрап-рудным процессом выплавляют только угле-
родистые стали, менее качественные, чем выплавлен-
ные скрап-процессом. Это объясняется тем, что чугун,
известняк и железная руда, используемые в больших
количествах, вносят в металл больше вредных приме-
сей — серы и фосфора, неметаллических загрязнений и
газов. Вместе с тем скрап-рудный процесс более эко-
номичен. В результате восстановления железа из руды
выход готового металла достигает 102—103% от массы
исходного чугуна и скрапа.
ПРИМЕНЕНИЕ КИСЛОРОДА
В целях интенсификации мартеновского процесса
очень широко используют кислород для обогащения
воздушного дутья и продувки металла по ходу плавки.
При обогащении воздушного дутья кислород (до 25%)
вводится в факел пламени через фурмы в головках пе-
чи с расходом до 50 м3 на 1 т стали.
Это приводит к повышению температуры в плавиль-
ном пространстве и увеличению тепловой мощности пе-
чи. Продолжительность плавления шихты значительно
сокращается. В период кипения кислород непосредст-
венно вдувают в жидкий металл через фурмы, располо-
женные в своде печи.
Расход кислорода при умеренной продувке около
0,12, при повышенной около 0,25 м3/т стали в 1 мин.
Продувка приводит к существенному ускорению выго-
рания примесей и сокращению периода кипения. Каче-
ство стали при этом улучшается, так как при окисле-
нии металла железной рудой в ванну вносятся
вредные примеси, газы, неметаллические включе-
ния.
58
Наибольший эффект получается при комбинирова-
нии обоих способов: производительность печи увеличи-
вается на 20—25%, расход топлива снижается на 10—
15%.
ДВУХВАННЫЕ ПЕЧИ
В обычной мартеновской печи полезная доля тепла,
расходуемого на нагрев металла и шлака, составляет
20—25%>* от всего количества тепла в рабочем про-
странстве. Одним из важных направлений в совершен-
ствовании мартеновского процесса явилось создание
двухванных печей, впервые построенных на Магнито-
горском и Череповецком металлургических комбинатах
в 1965 г.
Схема устройства и принцип работы таких печей
(«тандемов») показаны на рис. 12. Когда в правой ван-
не идет нагрев и плавление шихты, т. е. процессы,
требующие наибольшей затраты тепла, в левой ванне
идет продувка стали кислородом. Выделяющаяся при
этом окись углерода СО направляется в правую ванну
и догорает над шихтой, что способствует ее быстрому
нагреву и значительному увеличению доли полезного
тепла (см. рис. 12, а, б). После выпуска готовой стали
из левой ванны в нее загружают твердую шихту, а в
правую ванну заливают чугун и начинают продувку
кислородом. С помощью шиберов меняют направле-
ние газов, направляя их на нагрев шихты в левой ван-
не (см. рис. 12,6).
Основное преимущество двухванных печей состоит
в том, что их производительность в два и больше раза
Рис. 12. Схема и принцип работы двухванной печи:
1 — продувочные фурмы; 2 — дожигающие фурмы; 3 — горелка
* Примерно 50—55% тепла, уносимого из рабочего пространства
печными газами, используется в регенераторах и котлах-утилизато-
рах. Через кладку печи с охлаждающей водой потери тепла около
20—25%.
69
выше, чем обычных мартеновских печей. Так, произво-
дительность мартеновских печей емкостью 400 т в зави-
симости от режима продувки составляет от 0,2 до
0,6 млн. т/год, а двухванных печей (2X200 т) —от 0,8
до 1,2 млн. т/год.
Другие достоинства: простота конструкции, сниже-
ние затрат топлива в 4—6 раз. В двухванных печах,
переделанных из обычных мартеновских печей, в 1976 г.
выплавлено около 12 млн. т стали.
КИСЛЫЙ МАРТЕНОВСКИЙ СКРАП-ПРОЦЕСС
Этим способом выплавляют в небольших печах
сталь более высокого качества, чем основная мартенов-
ская сталь. В кислых печах нельзя использовать из-
весть, а следовательно, и удалять из металла серу и
фосфор. Поэтому в качестве шихты используют особо
чистый по сере и фосфору высококачественный чугун и
стальной скрап.
Широко применяют дуплекс-процесс: сначала прово-
дят плавку в основной печи на обычной шихте, удаляя
серу и фосфор, а затем металл переливают в кислую
печь, где завершают плавку. Это снижает производи-
тельность печей и увеличивает стоимость металла.
В результате добавок кварцевого песка и других шла-
ксобразующих, а также растворения кислой высоко-
кремнеземистой футеровки кислый шлак к концу плав-
ки содержит до 55—60% SiO2. При повышении темпера-
туры из такого шлака, а также из футеровки
восстанавливается кремний, что обеспечивает саморас-
кисленпе металла по ходу плавки. При кремневосста-
новительном процессе готовая сталь содержит до 0,4%
Si и дополнительное раскисление ферросплавами не
проводят.
При активном процессе восстанавливается меньшее
количество кремния и сталь раскисляют при неболь-
шом расходе раскислителей. Поэтому кислая сталь чи-
ще, чем основная сталь, по оксидным включениям, а
также содержит меньше газов, которые вносят ферро-
сплавы. Кроме того, высококремнистый вязкий шлак
хорошо предохраняет металл от проникновения азота
и водорода.
У основной стали после прокатки неметаллические
включения (сульфиды и оксиды) вытянуты в направле-
во
иии волокон металла в виде пластинок и цепочек. По-
этому пластичность стали в поперечном направлении
(по отношению к волокнам) значительно ниже, чем в
продольном направлении.
У кислой стали влияние неметаллических включе-
ний менее заметно и ее механические свойства в про-
дольном и поперечном направлениях примерно одина-
ковы.
Чистота по сере и фосфору, по неметаллическим ок-
сидным включениям, хорошая раскисленность и дега-
зация определяют' высокое качество кислой стали. Ее
применяют для особо ответственных изделий — шари-
ковых подшипников, роторов крупных турбин и т. п.
Вместе с этим кислые печи имеют низкую производи-
тельность, стоимость кислой стали значительно выше,
чем основной. Производство кислой стали небольшое и
его постепенно сокращают в связи с развитием других
способов выплавки высококачественных сталей.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА
КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТОРНОГО
И МАРТЕНОВСКОГО СПОСОБОВ
Кислородно-конверторным и мартеновским способа-
ми в настоящее время выплавляют (около) 80% всей
стали в мире (примерно по 40% каждым способом).
Сравнительная оценка эффективности этих способов
по некоторым показателям дана в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что кислородно-конверторный
процесс является наиболее высокопроизводительным
ТАБЛИЦА 1
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТОРНОГО
И МАРТЕНОВСКОГО СПОСОБОВ
Способ выплавки Произво- дительность» т/ч Коэффициент полезного использова- ния тепла, % Использова- ние в шихте стального скрапа, %
Кислородно-конверторный . 400—500 30 20—25
Мартеновский скрап-руд- ный процесс в обычных пе- чах До 70 50 40-50
То же, в двухванных печах 200—300 70 40—45*
* Без дополнительной затраты топлива.
61
способом выплавки стали. Его другие достоинства: про-
стота устройства конвертора, отсутствие топлива, мень-
шие затраты на строительство сталеплавильных цехов.
В мартеновских печах в нашей стране выплавляют
около 60% всей стали преимущественно скрап-рудным
процессом. Доля мартеновской стали в последние годы
сокращается за счет развития кислородно-конверторно-
го и электросталеплавильного производства.
С середины 60-х годов строительство новых марте-
новских печей, сложных и дорогостоящих агрегатов,
было прекращено.
Одним из основных показателей мартеновских печей
является съем стали в тоннах за сутки с 1 м2 площади
пода печи. По этому показателю отечественная метал-
лургия находится на одном из первых мест в мире
(в среднем около 10 т/м2 в сутки). Высокая интенси-
фикация мартеновского производства достигается пу-
тем использования печей большой емкости, хорошей
подготовки шихтовых материалов и механизации их за-
грузки, автоматизации управления ходом плавки, при-
менения кислорода и природного газа.
Новым перспективным направлением является при-
менение двухванных печей. Кроме высокой производи-
тельности, их достоинствами являются, простота
конструкции (нет регенераторов), снижение затрат топ-
лива в 4—6 раз, высокий коэффициент полезного теп-
лоиспользования.
В этих печах, как и в обычных мартеновских, мож-
но использовать в шихте значительное количество
стального скрапа. При кислородно-конверторном пере-
деле количество стального скрапа не превышает 20—
25%. В ближайшие годы количество двухванных печей
в нашей стране значительно увеличено.
По качеству выплавпяемой стали рассматриваемые
способы примерно равноценны.
Одним из важных показателей качества стали явля-
ется их химическая чистота, оцениваемая по содержа-
нию вредных примесей S, Р, О2, N2, Н2 и др. Для оцен-
ки загрязненности стали А. П. Гуляев предложил
характеристику «атомная ррт» (ат. ppm)1, показыва-
ющую, сколько атомов загрязняющих примесей прихо-
дится на I млн. атомов железа. По этой оценке
* Начальные буквы слов part per million (англ.).
62
загрязненность приближенно составляет: для бессеме-
ровской стали 5000, мартеновской 2000, кислородно-
конверторной 1900, электростали 1500 ат. ppm.
Для выплавки более качественных, но и более до-
рогих углеродистых, а также легированных сталей
применяют мартеновский основной скрап-процесс (в
небольших печах емкостью 50—80 т). Еще более каче-
ственной, но более дорогой является кислая мартенов-
ская сталь, выплавляемая в небольшом количестве.
Томасовского передела в нашей стране нет; еще суще-
ствует один бессемеровский цех, выплавляющий около
0,3% от всей стали.
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГОВЫХ ПЕЧАХ
Электросталеплавильный процесс, появившийся в
конце XIX—начале XX в., более совершенный способ
выплавки, чем кислородно-конверторный и мартенов-
ский способы. В электродуговой печи легко регулиро-
вать тепловой процесс, изменяя параметры тока; мож-
но создавать окислительную, восстановительную, нейт-
ральную атмосферу или вакуум, легче легировать
сталь легкоокисляющимися элементами. Электросталь
содержит минимальное количество серы и фосфора,
неметаллических включений, хорошо раскислена и по
качеству превосходит кислородно-конверторную и мар-
теновскую сталь. В дуговых печах выплавляют наибо-
лее качественные конструкционные, высоколегирован-
ные, нержавеющие, жаропрочные и другие стали.
Принципиальная схема устройства дуговой стале-
плавильной печи показана на рис. 13. Корпус печи име-
ет форму цилиндра со сферическим или плоским дни-
щем. Снаружи он заключен в прочный стальной кожух,
внутри футерован огнеупорными материалами: основ-
ными (хромомагнезит и др.) или кислыми (динас и
др.). Съемный свод имеет отверстия для электродов.
В стенке корпуса расположено рабочее окно для слива
шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб, закрытое
при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через
выпускное отверстие со сливным желобом. Печь опи-
рается на секторы и имеет привод для наклона в сто-
рону рабочего окна или желоба. Нагрев и расплавле-
ние металла осуществляются тремя электрическими
63
дугами, образующимися между каждым электродом и
проплавляемой шихтой (ванной).
Трехфазный ток подводится к электродам от пони-
жающего трансформатора при помощи гибких кабелей
и медных шин. Рабочее напряжение составляет в ма-
лых печах 100—200 В, в больших 400—600 В; сила
тока до десятков тысяч ампер. Угольные или графити-
зированные электроды в процес-
се плавки постепенно сгорают;
длина дуги регулируется автома-
тически. Обгоревшие электроды
наращивают, свинчивая с новы-
ми электродами. Быстрое опус-
кание и подъем электродов осу-
ществляют подъемными механиз-
мами. Печи емкостью более 25 т
имеют устройство, индуктирую-
щее в металле токи для его пере-
Рис. 13. Принципиальная
схема дуговой электропечи:
/ — корпус печи; 2 — съем-
ный свод; 3 — электроды;
4 — электрод ©держатели; 5—
рабочее окно; 6 — заслонка
окна; 7 — желоб для выпус-
ка плавки; 8 — слой шлака;
9 — металл; 10 — сектор для
наклона печи
мешивания с целью выравнива-
ния состава, температуры.
В СССР емкость дуговых пе-
чей составляет от 0,5 до 200 т.
В настоящее время строят печи
емкостью 300—400. т, экономиче-
ски более выгодные.
Электросталь выплавляют
главным образом в основных пе-
чах. Большая часть стали выплавляется методом полно-
го окисления (из «свежей» шихты); вторая разновид-
ность — плавка без окисления — по существу сводится к
переплаву отходов.
Плавка методом окисления имеет много общего с
основным мартеновским скрап-процессом. Основную
массу шихты (до 90% и более) составляет стальной
скрап. Передельный чугун (до 10%) добавляют в та-
ком количестве, чтобы после расплавления углерода
было больше на 0,4—0,6%, чем в готовой стали, что
необходимо для обеспечения нормального кипения.
В качестве флюса применяют известь. При плавке ис-
пользуют также железную руду, ферросплавы и другие
материалы. Все используемые материалы должны быть
чистыми по сере и фосфору, так как удаление этих
примесей увеличивает время плавки и расход электро-
энергии.
«4
В старые печи небольшой емкости шихту загружа-
ют через рабочее окно при помощи завалочных машин
и других устройств. В современные более крупные печи
(со съемным сводом) шихта загружается сверху из
бадьи с откидным дном. Для этого свод поднимают и
отводят в сторону; в некоторых печах выдвигают кор-
пус печи.
После загрузки печи электроды опускают к поверх-
ности шихты, подкладывают под них куски кокса (для
более легкого зажигания дуг) и включают ток. При
постепенном опускании электроды проплавляют в ших-
те «колодцы», а на подине печи накапливаются жидкие
металл и шлак. На некотором расстоянии от поверхно-
сти жидкой ванны электроды останавливают и затем по
мере повышения уровня металла начинают поднимать;
постоянство длины электрических дуг поддерживается
автоматически. Нерасплавившиеся шихтовые материа-
лы перемещают ближе к электродам. Для ускорения
плавления и экономии электроэнергии иногда применя-
ют газо-кислородные горелки, вводимые через свод или
стенку печи.
При плавлении кремний, марганец и другие элемен-
ты окисляются и образуется шлак (как и при марте-
новском процессе). В дальнейшем различают два пе-
риода плавки: окислительный и восстановительный.
Окислительный период характеризуется наличием
окислительного шлака, содержащего до 15—20% FeO и
до 50% СаО. Одна из основных задач периода — воз-
можно более полное удаление фосфора путем перевода
его в шлак в виде Р2О5 (СаО)4. Дефосфорацию начи-
нают сразу же после расплавления шихты, сливая пер-
вичный шлак путем наклона печи в сторону рабочего
окна. Затем наводят новый известковый шлак и перио-
дическими добавками руды и извести при непрерывном
сливе шлака обеспечивают очень хорошее удаление
фосфора (до 0,01—0,015%).
Второй важнейший процесс окислительного перио-
да — окисление углерода, вызывающее кипение ванны.
Его скорость при достаточно прогретом металле регу-
лируется добавками железной руды. Очень часто для
интенсификации окислительного периода применяют
продувку кислородом.
Применение кислорода позволяет значительно ин-
тенсифицировать процессы плавления, ускорить окисле-
Б—48»
65
ние углерода и других примесеи, сократить продолжи-
тельность окислительного периода. При этом улучшает-
ся и качество стали, так как при окислении железной
рудой в металл вносятся загрязнения, вредные примеси
и газы. При использовании кислорода общая продол-
жительность плавки сокращается на 30—40%, расход
электроэнергии — на 10—15%.
Как и в мартеновском процессе, кипение обеспечи-
вает очистку металла от взвешенных неметаллических
включений, удаление из него растворенных газов, вы-
равнивание состава и температуры. При этом наиболее
важное значение имеет чистое кипение после прекра-
щения добавок руды. На кипение постепенно расходу-
ется углерод. По достижении заданного содержания
углерода1 окислительный период заканчивают, окисли-
тельный шлак полностью удаляют и переходят к вос-
становительному периоду.
Задачами восстановительного периода являются;
раскисление металла, удаление серы, доведение соста-
ва металла до заданного.
Раскисление электростали в отличие от мартенов-
ской и конверторной стали производят комбинирован-
ным — глубинным (осаждающим) и диффузионным
способами. Для глубинного раскисления в печь загру-
жают некоторое количество ферромарганца, ферроси-
лиция, алюминия или других раскислителей и шлако-
образующие: известь, плавиковый шпат, шамотный бой.
Затем металл раскисляют диффузионным способом.
Его сущность состоит в том, что раскисляют непо-
средственно не металл, а шлак, восстанавливая в нем
закись железа FeO.- В соответствии с законом распре-
деления уменьшение содержания FeO в шлаке вызыва-
ет ее интенсивный диффузионный переход из металла
в шлак, чем и обеспечивается раскисление металла.
Этот метод обеспечивает практически полное рас-
кисление стали. Реакции протекают в шлаке и на гра-
нице шлак — металл. При этом металл не загрязняется
неметаллическими включениями. На шлак порциями
загружают раскислительную смесь, состоящую из моло-
того кокса, ферросилиция, извести и др. Раскисление
шлака идет по реакциям (FeO) +C=Fe+CO. Этот спо-
1 Несколько меньше, чем в готовой стали, так как в дальнейшем
происходит некоторое науглероживание.
66
соб называют раскислением под белым шлаком1. Про-*
должительность раскисления 0,5—1 ч. За это время за
счет углерода шлака может происходить незначитель-
ное науглероживание металла на 0,03—0,04% С.
Высокоуглеродистые стали иногда раскисляют над
карбидным шлаком. Для этого в смеси увеличивают
количество кокса, а печь тщательно герметизируют.
В зонах действия электрических дуг происходит реак-
ция (СаО)+ЗС= (СаС2)+СО. Карбид кальция СаС2
очень активный раскислитель, восстанавливающий FeO
по реакции 3(FeO) + (CaC2)==3Fe+(CaO)+2CO. Кар-
бидный шлак науглероживает сталь (до 0,1% С/ч) и
неприменим для раскисления низкоуглеродистых
сталей.
Удаление серы в виде CaS обеспечивается значи-
тельно лучше, чем в мартеновских печах — до 0,01% S
в готовой стали; это объясняется высокой основностью
шлака, его хорошей раскисленностью, нагревом метал-
ла и шлака до высокой температуры. Кроме ошлакова-
ния известью, при наличии карбида кальция сера уда-
ляется по реакции 3(FeS) + (CaC2)-|-2(CaO) =
=3(CaS)+3Fe+2CO.
Легирование проводят аналогично легированию мар-
теновской стали. Никель, вольфрам и другие элементы,
не окисляющиеся при плавке, вводят с шихтой или в
процессе ее плавления; легкоокисляющийся хром и ва-
надий (в виде феррохрома и феррованадия) — после
раскисления; титан (ферротитан) — перед самым выпу-
ском плавки. Готовую сталь выпускают в сталеразли-
вочный ковш.
Основная плавка без окисления примесей также на-
ходит довольно широкое применение. При производстве
и последующей обработке высококачественных легиро-
ванных сталей отходы производства обычно составля-
ют 30—50% (бракованные слитки, обрезь при прокат-
ке, стружка и т. п.). Плавку без окисления по сущест-
ву проводят методом переплава отходов соответствую-
щих или близких по составу сталей. Окислительный
период отсутствует; иногда производят непродолжи-
тельную продувку кислородом для удаления излишков
углерода, а также N2, Н2 (при кипении).
1 При охлаждении шлак рассыпается в белый порошок.
Б*
67
Пйи составлении шихты и после расплавления ме-
талл доводят присадкой ферросплавов до нужного со.-
Ствва. Во времй плавки удаляются фосфор и сера, в
конце плавки сталь раскисляют.
Этот способ дает возможность наиболее рацирналь-
но использовать отходы легиройанных сталей, что зна-
чительно уменьшает расход ферросплавов.
Кислый процесс в электродуговых печах имеет те
же особенности, что и кислый мартеновский процесс.
Для выплавки используют чистые по сере и фосфору
Шихтовые материалы, нередко применяй метод пере-
плава отходов собственного производства. В качестве
флюса используют шлак предыдущих плавок, песок и
Другие материалы. Окислительный период сокращают
присадками небольших порций чистой по сере и фосфо-
ру железной руды или продувкой кислородом. При
этом выгорает лишь 0,1—0,3% С. Особенностью кисло-
го процесса является возможность «самораскисления»
стали кремнием.
Окончательное раскисление обеспечивается присад-
ками на шлак порошкообразного ферросилиция, кокса
или древесного угля и других материалов.
Кислая футеровка обладает значительно большей
стойкостью и дешевле основной. Кислые печи применя-
ют главным образом в литейных цехах. Нагрев метал-
ла в электропечи до высокой температуры повышает
его жидкотекучесть, что имеет важное значение в ли-
тейном производстве.
ВЫПЛАВКА СТАЛИ В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ
В индукционных сталеплавильных печах выплавля-
ют наиболее качественные нержавеющие, жаропрочные
и другие стали и сплавы. Емкость печей обычно колеб-
лется от десятков килограммов до 30 т металла. Схема
индукционной бессердечниковой печи для выплавки
стали приведена на рис. 14.
Плавку металлов проводят в тигле, изготовленном
из основных или кислых огнеупорных материалов. Во-
круг тигля располагается спиральный многовитковый
индуктор, изготовленный из медной трубки, в которой
циркулирует охлаждающая вода.
По характеру тока, питающего индуктор, различают
высокочастотные печи (10—1000 кГц) печи, работаю-
68
щие на повышенной частоте (500—10 000 Гц) и про-
мышленной частоте (50—60 Гц).
При пропускании тока через индуктор в металле,
находящемся в тигле, индуктируются мощные вихре-
вые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла.
Шихтовые материалы загружают сверху. Для выпуска
плавки печь наклоняют в сторону сливного желоба.
Рис. 14. Схема индукционной
печи для выплавки стали:
t — тигель из огнеупорных ма-
териалов; 2 — водоохлаждаемый
индуктор; 3 — желоб для вы-
пуска плавки; 4 — сталеразли-
вочный ковш; 5 — металл; 6 —
вихревые токи
Плавку проводят методом переплава, используя от-
ходы соответствующих легированных сталей или чис-
тый по сере и фосфору углеродистый скрап и ферро-
сплавы. В конце периода плавления на металл загру-
жают флюс, необходимый для образования шлакового
покрова. В кислых печах в качестве флюса используют
бой стекла и другие материалы, богатые SiOz. В основ-
ных печах применяют известь и плавиковый шпат.
Шлаковый покров защищает металл от окисления и
насыщения газами атмосферы, уменьшает потери теп-
ла. При основном шлаке из металла частично удаляют-
ся сера и фосфор. Под действием электромагнитного
поля индуктора при плавке происходит интенсивная
циркуляция жидкого металла, что способствует ускоре-
нию химических реакций, получению однородного по
химическому составу металла, быстрому всплыванию
неметаллических включений, выравниванию темпера-
туры. В конце основной плавки проводят раскисление
смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросили-
ция, алюминия и др. В кислых печах происходит «само-
раскисление» металла восстановленным кремнием; для
окончательного раскисления применяют ферросплавы и
алюминий.
69
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПЕНКА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ
Выплавка в дуговых электрических печах — главный
способ производства высококачественных конструкци-
онных, нержавеющих и других сталей и сплавов. Более
высокое по сравнению с мартеновской и конверторной
качество электростали объясняется ее более высокой
чистотой по сере и фосфору и неметаллическим вклю-
чениям, хорошей раскисляемостью.
Вместе с этим электросталь стоит дороже, чем мар-
теновская и конверторная сталь.
Продолжительность плавки в крупной 100-т печи
составляет 6—7 ч, расход электроэнергии на 1 т стали
около 600 кВт-ч, электродов до 10 кг. Применение кис-
лорода повышает производительность на 15—25% и
снижает расход электроэнергии на 10—15%.
В нашей стране доля электростали составляет око-
ло 10% всей выплавки, ее производство быстро увели-
чивается. В настоящее время строятся крупные печи—
до 400 т, экономически более выгодные.
Преимуществами индукционных печей по сравнению
с дуговыми является возможность выплавки сталей с
очень низким содержанием углерода (так как нет науг-
лероживания от электродов), очень малый угар легко-
окисляющихся элементов; сталь характеризуется пони-
женным содержанием азота и высокой чистотой по
неметаллическим включениям. Индукционные печи
имеют высокую производительность и высокий электри-
ческий к. п. д. Расход электроэнергии 600—700 кВт-ч
на 1 т стали.
Недостатками индукционных печей являются их ма-
лая емкость по сравнению с дуговыми печами, высокая
стоимость электрооборудования, низкая стойкость ос-
новных тиглей (10—100 плавок). Шлак, нагреваемый
только за счет тепла металлической ванны, имеет низ-
кую температуру и, как следствие, малую химическую
активность,'что затрудняет удаление вредных примесей.
Для плавки можно использовать только чистые шихто-
вые материалы, почти не требующие рафинировки.
РАЗЛИВКА СТАЛИ
Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, ко-,
торый мостовым краном переносят к месту разливки
металла.
70
Сталеразливочйый ковш (рис. 10) рмеет стальной
сварной кожух с цапфами для захвата крюками мосто-
вого крана. Внутри он футерован шамотным кирпичом.
В днище ковша вставлен стакан из магнезита или ша-
мота с отверстием для разливки стали, по изложницам.
Отверстие стакана закрывается пробкой из огнеупор-
ных материалов; она навинчивается на стальной стер*
Рис. 15. Сталеразливочный
ковш:
1 — стопор; 2 — стйкйн с от-
верстием для выпуски стали;
<3 —рычажный стопорный меха-
низм
Рис. 16. Схема разливки сверху:
1 — изложница; 2 — поддои; 3
сталеразливочный ковш; 4 — утеп-
ленная прибыльная надставка;
5 — воронка
жень стопора, футерованного шамотными трубками.
Стопор поднимается и опускается при помощи рычаж-
ного механизма вручную или при помощи привода с
дистанционным управлением.
Ковши обычно вмещают всю плавку стали и имеют
емкость до 400 т (диаметр — около 5,5 м, высота —
около 6 м).
Большие по массе плавки выпускают в два-три ков-
ша. Сталь в ковшах выдерживают некоторое время для
выравнивания химического состава, дегазации и всплы-
вания неметаллических включений.
Изложницы представляют собой чугунные (реже
стальные) толстостенные формы для получения сталь-
ных слитков. Поперечное сечение изложницы выбирают
в зависимости от последующей обработки давлением
получаемого слитка. Для сортовой прокатки удобнее
слитки квадратного сечения, для листовой прокатки —
71
слитки прямоугольного сечения; для ковки. получают
слитки многогранного или круглого сечения. Наиболее
часто масса слитков составляет от 1—1,5 до 10—12 т.
Максимальная их масса достигает 300 т.
Высота изложниц в три-пять раз больше толщины.
По высоте изложницы несколько уширяются кверху
или книзу (3—5°), что облегчает извлечение слитков.
Для разливки спокойной стали на изложницы сверху
устанавливают утепленные прибыльные надставки, фу-
терованные внутри огнеупорной массой. При затверде-
вании стали ее объем уменьшается примерно на 6%,
что приводит к образованию усадочной раковины (пу-
стоты) в теле слитка. В утепленной надставке сталь
более продолжительно сохраняется в жидком состоянии
и питает металлом тело слитка при усадке, уменьшая
тем самым глубину распространения усадочной рако-
вины. Для этой же цели иногда нагревают металл
в прибыли при помощи электричества, применяют спе-
циальные тепловыделяющиеся смеси и т. д. При раз-
ливке кипящей стали утепленные прибыли не применя-
ют. Йыделяющиеся в металле пузырьки СО компенси-
руют усадку, образования усадочной раковины не
происходит, слиток даже «растет» вверх. Для предот-
вращения этого после заливки и некоторой выдержки
изложницы закрывают сверху тяжелыми чугунными
крышками. С образованием корки твердого металла
кипение прекращается.
Существуют два способа разливки стали в изложни-
цы: разливка сверху и разливка сифоном (снизу).
При разливке сверху (рис. 16) каждую изложницу
заполняют отдельно, для чего устанавливают отверстие
стакана ковша по центру изложницы (прибыльной над-
ставки) .
При разливке сифоном (рис. 17) сталь из ковша по-
ступает в центровой литник (стояк), футерованный ша-
мотными трубками, протекает по каналам, составлен-
ным из пустотелых шамотных кирпичей, и снизу посту-
пает в изложницы, установленные на чугунном поддоне.
При этом одновременно отливается до нескольких де-
сятков слитков.
Оба способа разливки получили широкое примене-
ние. Преимущества разливки сверху — более простое
разливочное оборудование, меньшая стоимость, отсут-
ствие потерь металла на литники. Ее недостатки: боль-
72
шая длительность, менее качественная новерхность
слитков — наличие плен окислов от брызг металла, за-
твердевающих на стенках изложницы. Для уменьшения
разбрызгивания струи применяют промежуточные во-
ронки или ковши (см. рис. 16).
Рис. 17. Схема разливки сифоном:
а — спокойной стали; б — кипящей стали; / — центровой литник
(центровая); 2 —шамотная футеровка; 3—изложница; 4 — утеплен-
ная прибыльная надставка; 5 — поддон; 6 ~ литниковые каналы
При разливке сифоном производительность значи-
тельно выше, поверхность слитка более чистая. Ее не-
достатки: сложность сборки поддонов и центровых литни-
ков, потери металла на литники, возможность загрязне-
ния стали неметаллическими включениями при ее про-
текании по центровому литнику и литниковым каналам.
Выбор способа разливки зависит от массы слитка, мар-
ки стали и других условий.
Непрерывная разливка стали — сравнительно новый,
прогрессивный способ. Принципиальная схема уставо-
73
вок непрерывной разливки стали (УНРС) приведена на
рис. 18.
Наиболее распространены установки непрерывной
разливки стали вертикального типа (см. рис. 18,а).
Сталь из ковша поступает в промежуточное устройство
и далее в водоохлаждаемый кристаллизатор из медных
Рис. 18. Схемы установок непрерывной разливки стали:
слева — вертикальной; справа — радиальной; / — сталеразливочный
ковш; 2 — промежуточный ковш; 3 — водоохлаждаемый кристаллиза~
тор; 4 — зона вторичного охлаждения; 5 — слиток; 6 — тянущие валки;
7 — ацетилено-кислородный резак
пластин (скрепленных стальными пластинами или кар-
касом).
В начале разливки «дном» кристаллизатора служит
затравка — стальная штанга со сменной головкой, име-
ющей паз в виде «ласточкиного хвоста».
Вследствие интенсивного охлаждения жидкий ме-
талл у стенок кристаллизатора движется вниз, постепен-
но вытягивая затвердевающий слиток из кристаллиза-
тора. После прохождения тяговых роликов затравку
отделяют.
Окончательное затвердевание жидкой стали в серд-
цевине слитка происходит в результате вторичного ох-
лаждения водой из брызгал. По мере вытягивания слит-
74
ка в кристаллизатор заливается жидкая сталь в таком
количестве, чтобы происходило образование непрерыв-
ного слитка. В нижней части установки непрерывный
слиток разрезается на заготовки мерной длины.
Существенным недостатком вертикальных установок
является их большая высота—до 45 м; в ряде случаев
установки частично размещаются ниже уровня пола
цеха в глубоких колодцах. Поэтому в последние годы
все более широкое применение получают установки ра-
диального типа (см. рис. 18,6), имеющие дугообразный
кристаллизатор; выходящий из него слиток затем вы-
прямляется тянущеправильными валками. Такие уста-
новки имеют небольшую высоту, их стоимость значи-
тельно меньше. Недостаток состоит в трудности извле-
чения изогнутого слитка при аварии.
УНРС бывают одноручьевые и многоручьевые — до
восьми ручьев. Скорость вытягивания слитков зависит
от сечения слитков и составляет от 0,5 до 10 м/мин. Про-
изводительность одноручьевой установки 100—150 т/ч.
Слитки квадратного (до 300X300 мм) или прямоуголь-
ного сечения (до 500X2000 мм) направляют на про-
катку.
Непрерывная разливка имеет ряд существенных тех-
нико-экономических преимуществ. Исключена необходи-
мость иметь большое количество изложниц1, поддонов
и другого оборудования. Металл имеет плотную, мелко-
зернистую структуру, лучшее качество поверхности
слитков. Полученные слитки не нужно прокатывать на
крупных обжимных станах (блюминги, слябинги).
Применение непрерывной разливки стали быстро
увеличивается. Перспективной является организация
единого технологического процесса: непрерывная раз-
ливка — прокатка стали.
Вакуумная обработка стали в ковше, предложенная
А. С. Самариным и Л. М. Новиковым, нашла широкое
применение в нашей стране и за рубежом.
Существует несколько способов вакуумной обра-
ботки.
Принципиальные схемы некоторых из них показаны
на рис. 19. Ковш для переливания стали устанавлива-
ют в вакуумную камеру с разрежением 2—5 мм рт. ст.
При понижении давления растворимость в металле
1 Изложницы выдерживают 60—100 разливок.
75
кислорода, водорода и других газов резко снижается.
Бурио выделяющиеся газы увлекают с собой и неме-
таллические включения. После вакуумной обработки
содержание в металле газов и неметаллических вклю-
чедир уменьшается в несколько раз. Для крупных слит-
ков применяется вакуумирование струи металла при
заполнении изложницы; этот
Рис. 19. Способы вакуумной дега-
зации стали:
а — при разливке в изложницу;
б —• прн переливе в ковш
способ еще более совер-
шенный, так как устра-
няется вторичное окисле-
ние при разливке дегази-
рованного металла из
ковша по изложницам.
Вакуумная обработ-
ка — простой и дешевый
способ улучшения каче-
ства мартеновской и кон-
верторной стали.
Разливку стали в
инертной атмосфере, на-
пример аргоне, применя-
ют для защиты металла
от окисления, что особен-
но важно для ряда легированных сталей. На изложницу
устанавливают специальное устройство, обеспечивающее
герметизацию стыка между ковшом и изложницей. В это
устройство подают аргон под небольшим избыточным
давлением. Он вытесняет из изложницы воздух и предо-
храняет металл от окисления. Содержание кислорода в
стали при этом уменьшается примерно в 1,5 раза.
Обработка стали в ковше синтетическим шлаком,
предложенная А. С. Точинским, — простой и дешевый
способ значительного улучшения качества металла.
В ковш заливают выплавленный в электрической печи
специальный синтетический шлак, содержащий до 55%
СаО, 40% AI2O3 и другие компоненты при минималь-
ном содержании FeO. Затем в ковш выпускают металл
из сталеплавильной печи. В образующейся металло-
шлаковой эмульсии благодаря огромной поверхности
контакта реакции рафинирования металла протекают
с очень большой скоростью.
Содержание серы уменьшается в два-три раза, зна-
чительно повышается чистота стали по неметалличе-
ским включениям; одновременно повышается произво-
дительность мартеновских печей, так как часть опера-
76
ций выполняют в ковше. Этот способ находит все более
широкое применение для рафинирования кислородно-
конверторной и мартеновской стали, а также электро-
стали, выплавленной в крупных дуговых печах с боль-
шой глубиной ванны, где процессы рафинирования за-
труднены.
НЕПРЕРЫВНЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В последние годы в СССР и других странах идет на-
стойчивая работа по созданию сталеплавильных агре-
гатов непрерывного действия (САНД). По сравнению
с другими сталеплавильными печами САНД имеют ряд
Рис. 20. Принципиальная схема сталеплавильного агре-
гата непрерывного действия (САНД):
1 — печь или вагранка для плавки чугуна и скрапа; 2—
миксер; 3 — дозатор; 4 — агрегат для удаления серы;
5—агрегат для удаления кремния, марганца, фосфора;
6 — агрегат для обезуглероживания; 7 — вакуум-аппарат;
8 — агрегат для легирования; 9— ковш для стали
технико-экономических преимуществ: увеличение произ-
водительности, уменьшение технологических отходов,
улучшение качества металла и т. д. Технологические
процессы в САНД могут быть много- и одностадийные.
В многостадийных процессах отдельные технологиче-
ские операции: десульфурацию, обезуглероживание и
др. выполняют в последовательно расположенных час-
тях агрегата.
Принципиальная схема одного из вариантов много-
стадийного отечественного САНД показана на рис. 20.
В печи (или вагранке) 1 плавят чугун и стальной скрап.
Расплав непрерывно (или порциями) сливается в мик-
сер 2, когда из одного миксера с помощью дозатора 3
порция расплава поступает в агрегат 4, второй миксер
наполняют. В агрегате 4 удаляют серу, например, обра-
боткой пылевидной известью в струе азота; в агрегате
5 происходит удаление кремния, марганца и фосфора
путем продувки кислородом (или воздухом) с добавка-
ми пылевидной извести и руды. В агрегате 6 чугун
77
(~3°/о С) обезуглероживают продувкой кислородом;
полученная сталь перетекает в вакуум-аппарат 7, где
происходит ее раскисление и дегазация, а далее в агре-
гат 8, где в металл вводят легирующие элементы в
расплавленном или гранулированном виде. Готовая
сталь собирается и некоторое время отстаивается в
ковше 9.
Примером одностадийной САНД может быть про-
цесс «струйного рафинирования», разработанный в
Англии. Вокруг свободнопадающей струи чугуна созда-
ют кольцевую струю кислорода с добавками тонкоиз-
мельченной извести. Металл «разбивается» на мелкие
капельки (1—2 мм). Благодаря огромной поверхности
контакта выгорание углерода и другие реакции проис-
ходят с очень большой скоростью (например, обезугле-
роживание— около 3% С/с). Капельки металла допол-
нительно рафинируются, проходя через слой вспенен-
ного шлака. Из нижней части агрегата металл непре-
рывно выпускают в сталеразливочный ковш или
в УНРС; шлак непрерывно удаляется в шла-
ковню.
В настоящее время САНД различной конструкции
осваиваются и отрабатываются в заводских усло-
виях.
ВНЕДОМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА (СТАЛИ)
Около 80% всего чугуна используют для передела
в сталь. Поэтому задача разработки промышленных спо-
собов получения железа (стали) непосредственно из
руды, минуя доменную плавку, является актуальной.
Из опробованных более 70 таких способов некоторые
нашли промышленное применение.
Способ восстановления, в кипящем слое состоит в
том, что мелкозернистую руду (или концентрат) поме-
щают на решетку, через которую подают водород (или
другой восстановительный газ) под давлением около
15 ат. В образующемся «кипящем слое»1 обеспечивается
хороший контакт газа-восстановителя с частицами окис-
лов железа. В промышленных установках на 1 т вос-
становленного железного порошка расход водорода со-
ставляет 600—650 м3.
1 См. стр. 87.
78
Получение губчатого железа в капсулах (тиглях)
применяется в нескольких странах. В СССР применяют
карбидокремниевые капсулы диаметром около 500 мм
и высотой 1500 мм. Шихта загружается концентричес-
кими слоями. Внутренняя часть капсулы заполнена вос-
становителем — измельченным твердым топливом и из-
вестняком (10—15%) для удаления серы. Второй
слой — восстанавливаемая мелкоизмельченная руда
(или концентрат, окалина), затем еще один концентри-
ческий слой — восстановителя и известняка. Установ-
ленные на вагонетки капсулы медленно перемещаются
в туннельной печи (длина до 140 м), где происходит их
нагрев, выдержка при 1200° С и охлаждение (до 100 ч).
Восстановленное губчатое железо получают в виде
толстостенных труб; их чистят, дробят и измельчают,
получая железный порошок с 97—99% Fe и 0,1—
0,2% С.
Губчатое железо получают также в шахтных печах,
работающих по принципу противотока. Сверху загру-
жается железная руда, навстречу которой снизу дви-
жется поток нагретого до 1000° С восстановительного,
обычно природного конверсированного газа, подаваемо-
го через фурмы в нижней части печи. Губчатое железо
выгружается снизу. Производительность печей до 1000 т
в сутки со степенью металлизации железа около 90%.
Нашли промышленное применение способы получе-
ния губчатого железа с восстановлением природным
или другими газами в ретортах, в конвейерных печах
и др.
Одним из перспективных и прогрессивных направле-
ний является металлизация рудно-угольно-флюсовых
окатышей в обжиговых установках, шахтных, трубча-
тых и других печах. Окатыши при степени металлизации
85—95% используют для выплавки стали, при 20—
80% —для выплавки чугуна.
До настоящего времени по внедоменной технологии
получают лишь небольшое количество железа. По пла-
ну 1975—1980 гг. будет построен крупный комбинат
бездоменной металлургии, работающий по схеме: ру-
да->богатый концентр ат—^производство металлизован-
ных окатышей (90—95% Ре)->электросталеплавильное
производство->сталь.
79
ПОЛУЧЕНИЕ СТАЛИ И СПЛАВОВ
ОСОБО ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
Качество сталей и сплавов в значительной мере оп-
ределяется их чистотой, т. е. содержанием вредных при-
месей, неметаллических включений, растворенных газов.
Даже наиболее качественная сталь, выплавляемая в от-
крытых электрических дуговых и индукционных печах,
Рис. 21. Схемы электрошл а ново-
го переплава (а} и возбуждения
электрошлакового процесса (б):
1 — водоохлаждаемый поддон;
2 — водоохлаждаемый кристал-
лизатор (изложница); 3 — пере-
плавляемый (расходуемый)
электрод; 4 — слой шлака; 5 —-
ванна расплавленного металла;
6 — затвердевший слиток; 7 —
флюс для возбуждения процес-
са; 8— рабочий флюс; 9 — за-
травка
по своей чистоте уже не всегда может полностью удов-
летворять непрерывно возрастающим требованиям. Для
получения сталей и сплавов особо высокого качества
и наиболее ответственного назначения применяют плав-
ку в вакуумных дуговых и индукционных печах, а также
электрошлаковый и другие методы переплава.
Электрошлаковый переплав (ЭШП) разработан в
Институте электросварки им. Е. О. Патона. Принципи-
альная схема установки приведена на рис. 21,а.
Переплавляемый (рафинируемый) металл подается
в установку в виде расходуемого электрода и плавится
в слое шлака, нагретого до 2000° С. Проходя через слой
шлака мелкие капли металла рафинируются. Под слоем
шлака накапливается жидкий металл, постепенно за-
полняя весь кристаллизатор-изложницу. Затвердевший
слиток опускают вместе с поддоном и устанавливают
новый поддон для последующей плавки. Для переплава
используют переменный ток с рабочим напряжением
45—60 В; величина тока около 20 А на 1 мм диаметра
электрода.
Переплавляемые электроды представляют собой ко-
ваные или катаные прутки (штанги) круглого или квад-
80
ратного сечения из рафинируемой стали, обычно вы-
плавленной в электродуговых печах.
До начала процесса на поддон (для его защиты от
прогорания) устанавливают затравку—диск из углеро-
дистой стали (см. рис. 21,6). Кольцевой зазор между
затравкой и стенками изложницы уплотняют асбесто-
вым шнуром. Затем на затравку насыпают флюс для
возбуждения, опускают электрод и насыпают рабочий
флюс. После начала процесса электрод по мере его
плавления (со скоростью 300—800 кг/ч) поднимают
вверх с помощью автоматического механизма по-
дачи.
Флюс для возбуждения, состоящий из смеси алюми-
ниево-магниевого порошка с калиевой селитрой (KNO3)
и добавок, обладает высокой электропроводностью в
твердом состоянии. Рабочий флюс представляет собой
смесь CaF2, AI2O3, СаО и т. д. При его расплавлении об-
разуется шлак, являющийся электрическим сопротивле-
нием. В шлаке генерируется тепло, обеспечивающее
расплавление металла, и протекают процессы рафини-
ровки, детально еще не изученные. Наиболее вероятно,
что удаление неметаллических включений происходит в
результате их абсорбции шлаком при прохождении че-
рез него мелких капель металла. Часть включений уда-
ляется в результате их всплывания в металлической
ванне. Считают, что сера удаляется в результате ее
электрохимического окисления в виде SO2. В шлаке, на-
гретом до высокой температуры, могут образовываться
и летучие соединения серы, например SF6.
Получению высококачественного бездефектного ме-
талла во многом способствуют такЖе чрезвычайно бла-
гоприятные условия кристаллизации. В водоохлаждае-
мом кристаллизаторе происходит довольно быстрая кри-
сталлизация металла, направленная в основном снизу
вверх. При этом металл затвердевает по всему сечению
слитка, что сопровождается непрерывным пополнением
ванны каплями металла, поступающими из слоя шлака.
Это приводит к получению плотного слитка с однород-
ным строением, без усадочной пористости, зональной
ликвидации и других дефектов структуры, присущих
обычным слиткам. Электрошлаковый переплав являет-
ся значительно более простым способом по сравнению
с другими способами получения высококачественных
сталей.
6—481
81
Рис. 22. Схема электродуго-
вой вакуумной печи:
1 — водоохлаждаемый кри-
сталлизатор (изложница);
2 — переплавляемый (расхо-
дуемый) электрод; 3 — пат-
рубок к вакуумному насосу;
4— вакуумная камера; 5—
водоохлаждаемый шток; 6 —
ванна жидкого металла;
7 — слиток
Плавка в вакуумной дуговой печи (рис. 22) — по су-
ществу переплав стали требуемого состава, выплавлен-
ной в открытой дуговой или другой печи. Переплавляе-
мый электрод в виде катаной или литой штанги закреп-
ляют на водоохлаждаемом штоке и вводят в водоохлаж-
даемый кристаллизатор — изложницу. В начале про-
цесса дуга горит между электро-
дом (катод) и затравкой — ди-
ском из той же стали, а затем
между электродом и расплавлен-
ным металлом. Длина дуги регу-
лируется автоматически. Плавку
проводят в вакууме около
10-1 мм рт. ст.
При переплаве металл хоро-
шо очищается от газов и неметал-
лических включений, а в резуль-
тате направленной кристаллиза-
ции в водоохлаждаемом кристал-
лизаторе (снизу — вверх) слиток
не имеет усадочной раковины и
других дефектов. Этим способом
можно получать крупные слитки
(до 50 т) с высокой однородно-
стью по химическому составу и
структуре. Расход электроэнер-
гии на переплав относительно не-
большой — 300—450 кВт-ч/т.
Плавка в вакуумных индук-
ционных печах дает возможность
выплавлять сталь и сплавы с не-
значительным содержанием га-
зов и неметаллических включе-
ний строго заданного состава.
Принцип работы таких печей та-
кой же, что и при открытой ин-
дукционной плавке. Различие состоит в том, что печное
пространство герметизируется и в нем создается вакуум
примерно до 10~3 мм рт. ст., значение которого уже объ-
яснено раньше. Разливку металла также производят в
вакууме, иногда в атмосфере защитного газа. Этот спо-
соб не получил широкого распространения. Индукцион-
ные вакуумные печи сложны по устройству, стоимость
переплава высокая,
82
Электроннолучевой переплав (ЭЛП). Плавление ме-
талла происходит под действием потока электронов, из-
лучаемых высоковольтной катодной пушкой. На облу-
чаемой поверхности их кинетическая энергия переходит
в тепловую. В плавильном пространстве создается глу-
бокий вакуум. На рис. 23 приведена одна из схем элек-
троннолучевой печи,
разработанной в Ин-
ституте электросварки
им. Е. О. Патона. Печь
ВытягиВсШ
- слитка
Рис. 24. Схема плазменной дуговой
печи:
1 — плазматрон; 2 — плазменная дуга;
3 — плавильная камера; 4 — механизм
подачи дробленой шихты; 5 — водо-
охлаждаемый кристаллизатор; 6 — сли-
ток
Рис. 23. Схема электронно-
лучевой печи:
1 — механизм подачи пере-
плавляемого электрода; 2 —
переплавляемый электрод; 3,
4, 5, 6 — вакуумные насосы;
7 — механизм вытягивания
слитка; 8 — водоохлаждае-
мый кристаллизатор; 9 — ка-
мера печи; 10 — слиток; 11,
12 — электронные пушки и
системы фокусирования пуч-
ка электронов
снабжена шестьюдесятью электронными пушками. Излу-
чаемые электроны направляются на проплавляемый ме-
талл (расходуемый электрод) с помощью электромагни-
тов. Образующийся слиток вытягивается из кристалли-
затора. Глубокий вакуум и выгодные условия затверде-
вания в водоохлаждаемом кристаллизаторе обеспечива-
ют получение особо чистого металла.
Электроннолучевую плавку применяют для выплавки
сталей особо высокой чистоты, а также вольфрамовых,
молибденовых и других сплавов.
6*
83
Плазменно-дуговой переплав (ПДП)—также один
из новейших способов получения сталей и сплавов очень
высокой чистоты.
Схема одного из вариантов плазменной дуговой печи
для плавки сыпучей шихты приведена на рис. 24. Источ-
йиком тепла является плазменная дуга, образующаяся
между расплавляемым металлом и катодом плазматро-
на; ее температура может достигать 10000—15000 К.
jB качестве рабочего газа для образования плазмы при-
меняют аргон или гелий (расход 1—10 л/мин). Металл
плавится в верхней части медного водоохлаждаемого
кристаллизатора, а образующийся слиток вытягивается
вниз. При плавке используют сыпучую шихту — дроб-
леную стружку либо прутки переплавляемого металла.
Достоинствами являются высокая температура, вы-
сокий коэффициент теплопередачи к расплавляемому
металлу, возможность изменения скорости плавления в
широких пределах, простота обслуживания установки.
Глава 4
ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ
Медь — один из важнейших металлов. По электро-
проводности она несколько уступает лишь серебру и
является главным проводниковым материалом в элект-
ро- и радиотехнике, потребляющих 40—50% всей меди.
Почти во всех областях машиностроения используются
медные сплавы — латуни и бронзы. Медь как легирую-
щий элемент входит в состав многих алюминиевых и
других сплавов (см. разд. II, гл. 14).
Мировое производство меди в капиталистических
странах около 6—7 млн. т, в том числе вторичной меди
около 2 млн. т. В СССР выплавка меди за каждое пя-
тилетие увеличивается на 30—40%.
Медные руды. Медь встречается в природе главным
образом в виде сернистых соединений CuS, Cu2S в со-
ставе сульфидных руд, реже в виде окисных соединений
Си2О, углекислых соединений CuCO3, Си(ОН)2 и само-
родной металлической меди.
Наибольшее промышленное значение в СССР имеют
сульфидные руды, из которых получают около 80%
84
всей меди. Самыми распространенными сульфидными
рудами являются медный колчедан, медный блеск и др.
Все медные руды являются бедными и обычно содер-
жат 1—2%, иногда меньше 1% меди. Пустая порода,
как правило, состоит из песчаников, глины, известняка,
сульфидов железа и т. п. Многие руды являются ком-
плексными — полиметаллическими и содержат, кроме
бедная руда
_____1______
Обогащение —-------------------
Концентрат Хвосты
f ________
Обжиг ----------------------1
Обожженный Газы на производства
Медь
серной кис поты
Шлак
Отходы
Переработка
для извлечения Cu,Au,Ay иЗрк
Рис. 25. Упрощенная схема пирометаллургического производства меди
Пцльпа
___1 Пузырьки
воздуха
Сулырид Кварц
Рис, 26, Схема флотации:
а — принципиальная схема механической флотационной машины (вариант);
б — схема всплывания частиц; / — мешалка с лопастями; 2 — перегородка;
3 — слой минерализованной пены; 4 — отверстие для удаления хвостов (пустой
породы); / — зона перемешивания и аэрации
85
меди, никель, цинк, свинец и другие ценные элементы в
виде окислов и соединений.
Примерно 90% первичной меди получают пироме-
таллургическим способом; около 10%—гидрометаллур-
гическим способом.
Гидрометаллургический способ состоит в извлечении
меди путем ее выщелачивания (например, слабыми рас-
творами серной кислоты) и последующего выделения
металлической меди из раствора. Этот способ, применя-
емый для переработки бедных окисленных руд, не по-
лучил широкого распространения в нашей промышлен-
ности.
Пирометаллургический способ состоит в получении
меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает
обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт —
штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафиниро-
вание, т. е. очистку от примесей (рис. 25).
Обогащение медных руд. Бедные медные руды под-
вергают обогащению для получения концентрата, содер-
жащего 10—35% меди. При обогащении комплексных
руд возможно извлечение из них и других ценных эле-
ментов.
Наиболее широко для обогащения медных руд при-
меняется метод флотации. Флотация основана на раз-
личном смачивании водой металлсодержащих частиц
и частиц пустой породы (рис. 26).
В ванну флотационной машины подают пульпу —
суспензию из воды, тонкоизмельченной руды (0,05—
0,5 мм) и специальных реагентов, образующих на
поверхности металлсодержащих частиц пленки, не сма-
чиваемые водой. В результате энергичного перемеши-
вания и аэрации вокруг этих частиц возникают пузырь-
ки воздуха. Они всплывают, извлекая с собой металл-
содержащие частицы, и образуют на поверхности ванны
слой пены. Частицы пустой породы, смачиваемые водой,
не всплывают и оседают на дно ванны.
Из пены фильтруют частицы руды, сушат их и полу-
чают рудный концентрат, содержащий 10—35% меди.
При переработке комплексных руд применяют селектив-
ную флотацию, последовательно выделяя металлсодер-
жащие частицы различных металлов. Для этого подби-
рают соответствующие флотационные реагенты.
Обжиг. Рудные концентраты, достаточно богатые
медью, плавят на штейн «сырыми» — без предваритель-
86
ного обжига, что снижает потери меди (в шлаке при
плавке, унос — с пылью при обжиге); основной недоста-
ток: при плавке сырых концентратов не утилизируется
сернистый газ SO2, загрязняющий атмосферу. При об-
жиге более бедных концентратов удаляется избыток се-
ры в виде SO2, который используется для производства
серной кислоты. При плавке
тый медью штейн, произво-
дительность плавильных пе-
чей увеличивается в 1,5—2
раза.
Обжиг производят в вер-
тикальных многоподовых
цилиндрических печах (диа-
метр 6,5—7,5 м, высота 9—
11 м), в которых измельчен-
ные материалы постепенно
перемещаются механически-
получают достаточно бога-
Рис. 27. Схема обжига в кипящем
слое:
1 — транспортер; 2 — бункер; 3 —
дозатор; 4 — камера печи; 5 — газо-
распределительная подина; 6 — воз-
душная коробка; 7 — пылеулови-
тель
ми гребками с верхнего пер-
вого пода на второй — ниже
расположенный, затем на
третий и т. д. Необходимая
температура (850 С) обес-
печивается в результате го-
рения серы (CuS, Cu2S
и др.). Образующийся сернистый газ SO2 направляется
для производства серной кислоты.
Производительность печей невысокая — до 300 т ших-
ты в сутки, безвозвратный унос меди с пылью около
0,5%.
Новым, прогрессивным способом является обжиг в
кипящем слое (рис. 27). Сущность этого способа состо-
ит в том, что мелкоизмельченные частицы сульфидов1
окисляются при 600—700° С кислородом воздуха, посту-
пающего через отверстия в подине печи. Под давлением
воздуха частицы обжигаемого материала находятся во
взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение
и образуя «кипящий» («псевдоожиженный») слой.
Обожженный материал «переливается» через порог пе-
чи. Отходящие сернистые газы очищают от пыли и на-
правляют в сернокислотное производство. При таком
обжиге резко повышается интенсивность окисления; про-
1 Иногда мелкие окатыши.
87
изводительность в несколько раз больше, чем в много-
подовых печах.
Плавка на штейн. Плавку на штейн концентрата
наиболее часто проводят в пламенных печах, работаю-
щих на пылевидном, жидком или газообразном топливе.
Такие печи имеют длину до 40 м, ширину до Юм, пло-
щадь подины до 250 м2 й вмещают 100 т и более пере-
плавляемых материалов. В рабочем пространстве печей
развивается температура 1500—1600° С.
При плавке на подине печи постепенно скапливается
расплавленный штейн — сплав, состоящий в основном
из сульфида меди Cu2S и сульфида железа FeS, Он
обычно содержит 20—60% Си, 10—60% Fe и 20—25% S.
В расплавленном состоянии (/пл=9504-1050° С) штейн
поступает на переработку в черновую медь.
Плавку концентратов производят также в электропечах, в шахт-
ных печах и другими способами. Технически совершенная плавка в
электропечах (ток проходит между электродами в слое шлака) на-
шла ограниченное применение из-за большого расхода электроэнергии.
Медные кусковые руды с повышенным содержанием меди и серы
часто подвергают медносерной плавке в вертикальных шахтных пе-
чах с воздушным дутьем. Шихта состоит из руды (или брикетов),
кокса и других материалов. Выплавляемый бедный штейн с 8—15%
Си обогащают повторной плавкой до 25—40% Си, удаляя избыток
железа. Эта плавка экономически выгодна, так как из печных газов
улавливают до 90% элементарной серы руды.
Черновую медь вы-
Рис. 28. Конвертор для продувки штей-
на:
1 — приспособление для загрузки флю-
са во время плавки; 2 — горловина кон-
вертора; 3 — воздухопровод для подачи
дутья; 4 — воздушные фурмы
плавляют путем продув-
ки расплавленного штей-
на воздухом в горизон-
тальных цилиндрических
конверторах (рис. 28) с
основной футеровкой
(магнезит) с массой
плавки до 100 т. Конвер-
тор установлен на опор-
ных роликах и может по-
ворачиваться в требуемое
положение. Воздушное
дутье подается через 40—
50 фурм, расположенных
вдоль конвертора.
Через горловину кон-
вертора заливают рас-
плавленный штейн. При
этом конвертор поворачи-
88
вают .так, чтобы не были залиты воздушные фурмы. На
поверхность штейна через горловину или специальное
пневматическое устройство загружают песок — флюс для
ошлакования окислов железа, образующихся при про-
дувке. Затем включают воздушное дутье и поворачивают
конвертор в рабочее положение, когда фурмы находятся
ниже уровня расплава. Плотность штейна (5 г/см3) зна-
чительно меньше удельного веса меди (8,9 г/см3). Поэто-
му в процессе плавки штейн доливают несколько раз,
пока не будет использована вся емкость конвертора,
рассчитанная на выплавляемую медь. Продувка возду-
хом продолжается до 30 ч. Процесс выплавки черновой
меди из штейна делится на два периода.
В первом периоде происходит окисление FeS кис-
лородом воздушного дутья по реакции
2FeS + ЗО2 = 2FeO 4- 2SO2 + Q.
Образующаяся закись железа FeO ошлаковывается
кремнеземом SiO2 флюса:
2FeO + SiO2 = SiO2-2FeO + Q.
По мере необходимости образующийся железистый
шлак сливают через горловину (поворачивая конвер-
тор), доливают новые порции штейна, загружают флюс
и продолжают продувку. К концу первого периода же-
лезо удаляется почти полностью. Штейн состоит в ос-
новном из Cu2S и содержит до 80% меди.
Шлак содержит до 3% Си и его используют при плав-
ке на штейн.
Во втором периоде создаются благоприятные усло-
вия для протекания реакций
2Cu2S ЗО2 — 2Си2О 4- 2SO2 4- Q; Cu2S 4~ 2Cu2O —
= 6Cu4-SO2 —Q,
приводящих к восстановлению меди.
В результате плавки в конверторе получается черно-
вая медь. Она содержит 1,5—2% примесей (железа, ни-
келя, свинца и др.) и не может быть использована для
технических надобностей. Плавку меди выпускают из
конвертора через горловину, разливают на разливочных
машинах в слитки (штыки) или плиты и направляют на
рафинирование.
Рафинирование меди — ее очистку от примесей —
проводят огневым и электролитическим способом.
89
Огневое рафинирование ведут в пламенных печах
емкостью до 400 т. Его сущность состоит в том, что
цинк, олово и другие примеси легче окисляются, чем са-
ма медь, и могут быть удалены из нее в виде окислов.
Процесс рафинирования состоит из двух периодов —
окислительного и восстановительного.
В окислительном периоде примеси частично
окисляются уже при расплавлении меди. После полного
расплавления для ускорения окисления медь продувают
воздухом, подавая его через погруженные в жидкий ме-
талл стальные трубки. Окислы некоторых примесей
(SbOa, PbO, ZnO и др.) легко возгоняются и удаляются
с печными газами. Другая часть примесей образует окис-
лы, переходящие в шлак (FeO, А12О3, SiO2). Золото и
серебро не окисляются и остаются растворенными
в меди.
В этот период плавки происходит также и окисление
меди по реакции 4Cu+O2=2Cu2O.
Задачей восстановительного периода являет-
ся раскисление меди, т. е. восстановление Си2О, а так-
же дегазация металла. Для его проведения окислитель-
ный шлак полностью удаляют. На поверхность ванны
насыпают слой древесного угля, что предохраняет ме-
талл от окисления. Затем проводят так называемое драз-
нение меди. В расплавленный металл погружают сначала
сырые, а затем сухие жерди (шесты). В результате су-
хой перегонки древесины выделяются пары воды и га-
зообразные углеводороды, они энергично перемешивают
металл, способствуя удалению растворенных в нем газов
(дразнение на плотность).
Газообразные углеводороды раскисляют медь, на-
пример, по реакции 4Cu2O+CH4=8Cu+CO2-j-2H2O
(дразнение на ковкость). Рафинированная медь содер-
жит 0,3—0,6% Sb и других вредных примесей, иногда
до 0,1% (Au-j-Ag).
Готовую медь выпускают из печи и разливают в
слитки для прокатки или в анодные пластины для после-
дующего электролитического рафинирования. Чистота
меди после огневого рафинирования составляет 99,5—
99,7%.
Электролитическое рафинирование обеспечивает по-
лучение наиболее чистой, высококачественной меди.
Электролиз проводят в ваннах из железобетона и дере-
ва, внутри футерованных листовым свинцом или вини-
90
пластом. Электролитом служит раствор сернокислой ме-
ди (CuSO-j) и серной кислоты, нагретый до 60—65° С.
Анодами являются пластины размером 1X1 м толщиной
40—50 мм, отлитые из рафинируемой меди. В качестве
катодов используют тонкие листы (0,5—0,7 мм), изго-
товленные из электролитической меди.
Аноды и катоды располагают в ванне попеременно;
в одной ванне помещают до 50 анодов. Электролиз ве-
дут при напряжении 2—3 В и плотности тока 100—
150 А/м2.
При пропускании постоянного тока аноды постепен-
но растворяются, медь переходит в раствор в виде ка-
тионов Си2+, На катодах происходит разрядка катионов
Cu2++2e->Cu и выделяется металлическая медь.
Анодные пластины растворяются за 20—30 суток.
Катоды наращивают в течение 10—15 суток до массы
70—140 кг, а затем извлекают из ванны и заменяют но-
выми.
При электролизе на катоде выделяется и растворяет-
ся в меди водород, вызывающий охрупчивание металла.
В дальнейшем катодную медь переплавляют в плавиль-
ных печах и разливают в слитки для получения листов,
проволоки и т. п. При этом удаляется водород. Расход
электроэнергии на 1 т катодной меди составляет 200—
400 кВт-ч. Электролитическая медь имеет чистоту
99,95%- Часть примесей оседает на дне ванны в виде
шлама, из которого извлекают золото, серебро и некото-
рые другие металлы.
ПРОИЗВОДСТВО НИКЕЛЯ
Промышленное производство никеля, возникшее бо-
лее 100 лет назад, за последнее время быстро увеличива-
ется. В капиталистических странах получено никеля в
1965 г. около 300 тыс. т, в 1970 г. 470 тыс. т, в настоящее
время примерно 800 тыс. т. Никель—один из важнейших
легирующих элементов в сталях. Он входит (вместе с
другими легирующими элементами) в состав наиболее
качественных конструкционных сталей, большинства ма-
рок нержавеющих, жаропрочных сталей. В технике ши-
роко применяют сплавы на никелевой основе: магнитные,
высокого омического сопротивления и др. (см. разд.
II. гл. 14). Для производства легированных сталей и ни-
келевых сплавов расходуется около 80% никеля. Никель
«1
применяют также для антикоррозионных покрытий, как
катализатор и т. д.
Сырье для производства никеля — окисленные нике-
левые или сульфидные медно-никелевые руды. В окис-
ленных, рудах никель находится в виде силикатов nNiO>
-SiO2-/nMgO-SiO2-H2O; в этих рудах содержится 1—
7% никеля. В сульфидных рудах никель находится в ви-
Рис. 29. Схема производства никеля из окисленных руд
де NiS; в этих рудах 0,3—5,5% Ni, до 2,5% Си, часто со-
держится кобальт, а также платина, иридий и другие
элементы платиновой группы.
Технология производства никеля из окисленных руд
показана на схеме рис. 29. Окисленные руды, как прави-
ло,—рыхлые с большим содержанием глинистых ве-
ществ и влаги. Перед плавкой их измельчают, сушат и
затем окусковывают путем брикетирования на прессах
или агломерацией на ленточных машинах.
Штейн наиболее часто выплавляют в шахтных печах
прямоугольного сечения (ширина 1,5 м, длина 10—15 м,
92
высота 6 м) с воздушным дутьем через щелевидные фур-
мы. Шихта состоит и? агломерата или брикетов руды,
кокса, известняка СаСО3 и других материалов. Продук-
том плавки является штейн (или роштейн) — сплав
сульфидов никеля и железа (Ni3S2 и FeS),содержащий
12—30°/р Ni, 45—60% Fe, 17—23% S, небольшое коли-
чество йеди и кобальта.
Плавку на файнштейн производят путем продувки
расплавленного штейна воздухом в конверторах, по уст-
ройству аналогичных конверторам Для получения чер-
вовой меди, Плавка Делится на два периода. В первый
Период происходит окисление и удаление металлическо-
го железа. В конвертор заливают первую порцию рас-
плавленного Штейна, обычно 2—4 т (до 10 т), загружают
флюс — кварцевый песок (SiO2) для ошлакования желе-
за и ведут продувку 15—20 мин. Окисление и ошлакова-
ние железа происходит по следующей реакции:
2Fe+O2+SiO2=(FeO)2-SiO2+Q.
Образующийся шлак сливают, заливают новую пор-
цию штейна, загружают флюс и продолжают продувку;
эти операции повторяют несколько раз, постепенно уве-
личивая продолжительность продувки до 40—45 мин, по
мере накопления обедненного железом штейна и запол-
нения емкости конвертора.
Во второй период продувки интенсивно окисляется
сульфид железа по реакции 2FeS+3O2+SiO2= (FeO)2-
•SiO2+2SO2. Продукт плавки — файнштейн (или белый
никелевый штейн) — сплав сульфида никеля Ni3S2 и ни-
келя, который содержит 75—78% Ni (около 15% метал-
лического), 20—23% S, небольшое количество кобальта,
меди, железа.
Окислительный обжиг файнштейна производят для
удаления серы и получения закиси никеля NiO по реак-
ции 2Ni3S2+7O2=6NiO-|-4SO2.
До обжига файнштейн дробят и измельчают до
0,5 мм. Обжиг ведут сначала в многоподовых печах без
затраты топлива (за счет горения серы), а затем в труб-
чатых вращающихся печах, отапливаемых мазутом или
газом. В последнее время применяется прогрессивный
обжиг в кипящем слое.
Для восстановления никеля проводят плавку в дуго-
вых электрических печах (аналогичных сталеплавиль-
ным) емкостью 3,5—10 т. Восстановителем служит
древесный уголь или нефтяной кокс, чистые по сере. Вос-
93
становление протекает аналогично прямому восстановле-
нию железа в доменной печи по итоговой реакции NiO +
L+C=Ni+CO—Q.
В процессе плавки образуется и растворяется в жид-
ком никеле карбид Ni3C. Для снижения углерода до
0,1—0,3% в конце плавки производят доводку присад-
ками закиси
^отолит
никеля Ni3C + NiO=4Ni + CO. Для удале-
ния серы в печь загружают известняк.
Черновой никель содержит 99,2—-99,6%
(Ni+Co), 0,3—0,8% Fe, 0,04—0,4% Си.
Электролитическое рафинирование
никеля обычно проводят в бетонных ван-
нах, футерованных керамической плит-
кой. Аноды — литые пластины из чер-
нового никеля (масса 250—360 кг), ка-
тоды — тонкие листы из рафинирован-
Рис. 30. Схема ячейки электролизной ванны:
1 — анод; 2 — катод; 3 — диафрагма
ного чистого никеля. В ванне устанавливают 30—35 ка-
тодов и 31—36 анодов. Электролит — водный раствор
сульфата никеля NiSO.}. При электролизе на катоде мо-
жет выделяться не только никель, но также медь, ко-
бальт и железо. Чтобы избежать этого, катоды помеща-
ют в ванне в плоских коробках — диафрагмах со стен-
ками из брезента, хлорвиниловых и других тканей (рис.
30). Чистый электролит (католит) непрерывно заливает-
ся в диафрагму; электролит, содержащий примеси (ано-
лит), непрерывно удаляют и направляют на химическую
очистку от меди, железа и кобальта. Напряжение на ван-
не около 3 В, расход электроэнергии на 1 т никеля около
3000 кВт-ч. За 10—15 суток катод наращивают до тол-
щины 10—15 мм, вынимают из ванны и разрезают на
куски. Из анодного шлама извлекают платину и другие
ценные металлы.
Сульфидные медно-никелевые руды перерабатывают по техноло-
гии, аналогичной переработке медных руд. Бедные руды обогащают
методами флотации, обычно получая медно-никелевый концентрат;
реже — селективной флотацией — получают медный и никелевый
концентраты (содержащие медь). Перед плавкой концентрат под-
вергают обжигу, иногда агломерации или окатыванию. Плавку на
штейн концентратов проводят в отражательных пламенных печах
94
(как при производстве меди). Богатые руды в крупных кусках и
окускованный концентрат (агломерат, окатыши) плавят в электри-
ческих дуговых печах. Медно-нпкелевый штейн содержит 9—13% ни-
келя в виде Ni3S2, 5—10% меди (Cu2S), 48—56% железа (FeS),
0,3% кобальта. После продувки воздухом в конверторе получают
медно-никелевый файнштейн, содержащий 20—60% Ni, 25—50% Си,
10—20% S, а также железо, кобальт, металлы платиновой группы.
После медленного охлаждения для укрупнения кристаллов Cu2S н
распада Ni3S2 с выделением никеля файнштейн измельчают до
0,05 мм н подвергают флотации по способу И. Н. Масленицкого.
При этом получают два концентрата: никелевый с 65—68% Ni и 2—
4% Си и медный с 68—74% Си, 3.5—6% Ni.
Никелевый концентрат подвергают обжигу и другим операциям
(см. рис. 29). Для извлечения никеля из медно-никелевых файн-
штейнов можно применить карбонильный способ. Сплав измельчают
и обрабатывают окисью углерода СО при давлении 70—200 ат и
температуре около 200® С. В результате обработки образуются жид-
кие карбонилы Ni(CO)4, Fe(CO)5 и др. Ректификацией выделяют
карбонил никеля Ni(CO)4, который затем разлагают при 300° С с вы-
делением порошкообразного никеля.
ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ
По размерам производства (начато с конца XIX в.)
алюминий в настоящее время занимает первое место ере*
ди всех цветных металлов. Он имеет высокую электро-
и теплопроводность (уступая только серебру и меди) и
применяется как проводниковый материал и для дета-
лей теплотехнических устройств. Алюминиевые дефор-
мируемые сплавы (дуралюмины и др.)—важнейшие
конструкционные материалы в авиа- и других областях
техники; алюминиевые литейные сплавы (силумины и
др.) широко применяют в машиностроении. Вследствие
высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы
используют в химической и пищевой промышленности,
для бытовых изделий (см. разд. II, гл. 14).
Алюминий — наиболее распространенный металл в
природе, он входит в состав более 250 минералов. Наи-
более важные алюминиевые руды: бокситы, нефелины,
алуниты. Основная руда — бокситы, • горные породы
сложного состава, содержащие гидраты окиси алюминия
АЮ(ОН), А1(ОН)3 и др. Содержание глинозема А120з
(в пересчете из гидратов) составляет от 30 до 70%. Ка«
чество бокситов тем выше, чем меньше в них содержа-
ние обычной примеси — кремнезема SiO2(0,5—15%).
В меньшей мере при производстве алюминия исполь-
зуют нефелины (К, Na)2O-Al2O3-2SiO2 и алуниты
K2SO4-A12(SO4)3-4A1(OH)3.
95
Способы восстановления алюминия непосредственно
из бокситов и других руд еще не разработаны. Совре-
менное производство алюминия состоит из двух основ-
ных процессов: получения глинозема А120з из бокситов и
получения металлического алюминия путем электролиза
расплавленного глинозема.
Глинозем получают щелочными, электротермически-
ми и другими способами. Наиболее распространенным
является щелочной
способ (рис. 31), раз-
работанный в конце
XIX в. К. И. Байером.
Подготовка бокси-
та — дробление его
крупных кусков и за-
тем мокрый размол,
т. е. измельчение в ша-
ровых мельницах, куда
доливают оборотный
раствор с добавками
щелочи (NaOH).
Выщелачивание
(или варку) получен-
ной пульпы произво-
дят в автоклавах (гер-
метических стальных
сосудах цилиндриче-
ской формы, диамет-
ром 1,5—2,5 м, высо-
той 8—14 м). Процесс
Рис. 3!. Упрощенная схема производства
глинозема по способу Байера
идет при температуре
105—250° С, давлении
до 25—35 ат и кон-
центрации щелочи
(NaOH) 250—300 г/л. Для нагрева и перемешивания
пульпы широко используют пар, подаваемый через соп-
ла в днище. При выщелачивании (1—3 ч) образуется
алюминат натрия:
А1О (ОН) + NaOH = NaAlO2 + Н2О; Al (ОН)3 +
4- NaOH = NaAlO2 + 2НгО.
Образующийся алюминат натрия хорошо растворя-
ется в воде и переходит в раствор. Окислы железа, тита-
96
на и другие примеси боксита, нерастворяющиеся в ще-
лочах, выпадают в осадок (красный шлам).
Кремнезем (SiO2) образует нерастворимое соедине-
ние— силикоалюминат натрия Na2O-Al2O3-2SiO2-
• 2Н2О и выпадает в осадок, что приводит к потерям
А12О3 и NaOH; поэтому способом Байера невыгодно пе-
рерабатывать бокситы с повышенным содержанием
кремнезема.
Разбавление, сгущение и фильтрацию производят
для получения из автоклавной пульпы чистого раствора
алюмината натрия. Пульпу разбавляют промывочной во-
дой для последующего более полного удаления твердых
частиц красного шлама и направляют в чаны-сгустители,
для отфильтровывания.
Отстоявшийся осветленный раствор (верхний слив)
дополнительно очищают фильтрацией; осадок после мно-
гократной тщательной промывки идет в отвал.
Выкручивание (или декомпозиция) — разложение
раствора алюмината натрия с выделением гидроокиси
алюминия А1(ОН)3, выпадающей в осадок по реакции
NaAlO2+2H2O=Al(OH)3+NaOH.
Операцию проводят в стальных емкостях (декомпос-
терах), перемешивая раствор мешалками или сжатым
воздухом и постепенно понижая температуру от 60—65
до 40—45° С. Продолжительность разложения 50—70 ч.
Для ускорения процесса в раствор добавляют некоторое
количество гидроокиси алюминия, играющей роль цент-
ров кристаллизации (затравки). Из раствора гидроокись
алюминия выделяют в чанах-сгустителях и разделяют
по степени крупности; более крупные частицы направля-
ют на последующую операцию — кальцинацию, более
мелкие используют как затравку. Щелочной раствор
регенерируют и возвращают в производство (для мок-
рого размола).
Кальцинацию, т. е. обезвоживание гидроокиси алю-
миния, производят ее прокаливанием при 1200° С в труб-
чатых вращающихся печах или в установках с кипящим
слоем: 2А1(ОН)з=А12Оз+ЗН2О.
Выход глинозема составляет около 85%, на 1 т гли-
нозема расходуется 2—2,5 т боксита. Потери связаны с
образованием силикоалюмината натрия при выщела-
чивании боксита. Поэтому щелочным способом перера-
батывают бокситы с небольшим содержанием кремне-
зема.
7—481
97
Для извлечения глинозема из бокситов с повышенным содержа-
нием кремния, а также алунитов применяют способы спекания. На-
пример, пульпа, полученная мокрым размолом (боксит, известняк,
раствор соды), распыляется форсункой в холодной стороне трубча-
той вращающейся печи; твердые частицы постепенно перемещаются
в горячую зону (1200—1300° С), где образуется спек. Спек измельча-
ют и выщелачивают водой. В раствор переходит алюминат натрия,
а также силикат натрия и другие вещества. Для обескремнивания
Рис. 32. Схема электролизера для получения алюминия:
/ — кожух; 2 — футеровка из шамота; 3 — футеровка из
углеродистых блоков; 4 — катодный стальной стержень;
5 — катодная шина; 6—стальные штыри, подводящие
ток к аноду; 7 —обечайка (кожух) анода; 8 — полужид-
кая анодная масса; 9 — зона коксования; 10 — твердый
анод; 11 — глинозем; 12 — расплавленный электролит;
13 — слой застывшего электролита (гарниссаж); /4—-рас-
плавленный алюминий
раствор обрабатывают известью и затем, продувая углекислый газ,
выделяют гидрат окиси алюминия.
Электротермический способ состоит в том, что в электропечи
плавят шихту, состоящую из боксита, известняка, кокса н др. Про-
дуктами плавки являются ферросилиций н шлак, содержащий алю-
минат кальция А12О3-СаО. Измельченный шлак обрабатывают рас-
твором соды, получая алюминат натрия.
Электролиз глинозема для получения металлического
алюминия производят в электролизерах — ваннах с раз-
личным устройством анодной части. Схема одной из со-
временных конструкций представлена на рис. 32.
Ванна, заключенная в стальной кожух, внутри футе-
рована углеродистыми блоками. В футеровку подины
вмонтированы катодные шины и, таким образом, сам
корпус ванны служит катодным устройством установки.
Анодное устройство состоит из вертикально установлен-
»8
ного самообжигаюгцегося угольного электрода, нижняя
часть которого погружена в электролит — расплав, со-
стоящий из глинозема" А1гО3 (8—10%) и криолита —
фторида алюминия и натрия Na3-A1F6.
Электролит нагревается до рабочей температуры
930—950° С теплом, выделяющимся при прохождении то-
ка между анодом и катодом. При электролизе анод по-
степенно сгорает и его перемещают вниз. При этом
стальные штыри, поддерживающие анод, выдвигаются
из его тела. Для непрерывного наращивания электрода
в его обечайку подается полужидкая анодная масса, со-
стоящая из молотого кокса (угля) и каменноугольной
смолы. По мере опускания вниз она спекается и коксу-
ется.
Условия электролиза: ток — постоянный, напряжение
4—4,5 В, диодная плотность тока 0,7—1,2 А/см2.
При электролизе в расплавленном электролите про-
исходит диссоциация молекул криолита и глинозема:
Na3AlF6->-3Na++AlF^3, А12О3->-А13++А1О^-.
На катоде разряжаются только катионы алюминия:
А13+ + Зе->А1 и, таким образом, для получения металли-
ческого алюминия практически расходуется только гли-
нозем. По мере обеднения электролита глиноземом его
периодически догружают в ванну. Признаком обедне-
ния электролита служит так называемый анодный эф-
фект, выражающийся в увеличении напряжения с 4—4,5
до 25—30 В. Отрицательно заряженные анионы А1О3-
направляются к аноду; в результате анодного процесса
2А1О3~—6е-^-А12О3+ Р/2О2 выделяется газообразный
кислород, вызывающий постепенное сгорание угольных
анодов.
Расплавленный алюминий постепенно скапливается
на дне ванны и периодически удаляется при помощи си-
фонов и вакуумных ковшей.
Для получения 1 т алюминия расходуется около 2 т
глинозема, до 0,6 т угольных анодов, около 0,1 т крио-
лита и 16 500—18 500 кВт-ч электроэнергии.
Полученный электролизом первичный алюминий со-
держит примеси (железо, кремний, частицы глинозема
и т. и.), ухудшающие его свойства, и поэтому подверга-
ется рафинированию.
Рафинирование хлором заключается в продувке рас-
плавленного алюминия при 700—750° С газообразным
7*
99
хлором в течение 10—15 мин. Образующийся при этом
хлористый алюминий А1С1з находится в парообразном
состоянии. Выделяясь из металла, он обеспечивает его
очистку от растворенных газов и примесей. Этому способ-
ствует также отстаивание расплавленного алюминия в
ковше или в электрической печи при 690—750° С в те-
чение 30—45 мин. После рафинирования хлором и от-
стаивания получают алюминий чистотой до 99,85%.
Электролитическое рафинирование применяют для
получения алюминия более высокой чистоты.
Его осуществляют в электролитической ванне, поди-
на которой является анодом. Угольные катоды распола-
гаются в верхней части установки. Рафинируемый алю-
миний сплавляют с медью. После расплавления в ниж-
ней части ванны образуется слой жидкого сплава (анод)
с плотностью 3—3,5 г/см3. Поверх него находится слой
расплавленного электролита, состоящего из BaCU и дру-
гих солей, плотностью 2,7 г/см3.
При пропускании тока происходит анодное растворе-
ние алюминия и образование ионов Al34-, которые на-
правляются к катодам, где и происходит выделение чис-
того алюминия, образующего верхний слой плотностью
2,4 г/см3. Этим способом получают алюминий особой чис-
тоты, до 99,999%. На рафинирование 1 т алюминия рас-
ходуется 17 500—18 500 кВт-ч электроэнергии, что зна-
чительно повышает стоимость металла.
Новым являетоя способ рафинирования через суб-
соединения. При пропускании хлористого или фторис-
того алюминия над расплавленным алюминием при
температуре около 1000° С образуются газообразные не-
устойчивые субсоединения алюминия AICI3, A1F.
При охлаждении до 700—800° С они разлагаются с
выделением алюминия чистотой до 99,999%. Алюминий
такой же чистоты можно получать методом зонной
плавки.
Разливка алюминия в чушки (небольшие слитки)
массой 5—15 кг производится на различных машинах
с бесконечной цепью чугунных изложниц. Слитки для
прокатки и других видов обработки давлением получа-
ют способом полунепрерывной разливки.
Полунепрерывная разливка алюминия и алюми-
ниевых сплавов по своей сущности аналогична непре-
рывной разливке стали. Различие состоит в том, что
алюминиевые сплавы отливают в слитки без дополни-
ло
тельной резки, как это делается при получении непре-
рывного стального слитка. Этот прогрессивный способ
заменил менее совершенную разливку алюминиевых
сплавов в изложницы.
При разливке сплав поступает из миксера через
летку и распределительную коробку в водоохлаждае-
мые кристаллизаторы, стенки которых изготовлены из
высокотеплопроводных алюминиевых сплавов или ме-
ди. «Дном» кристаллизатора в начале разливки служит
поддон с затравкой из чистого алюминия.
Перед началом разливки зазоры между стенками
кристаллизатора и поддоном уплотняют асбестовым
шнуром. После заполнения кристаллизатора примерно
на 1/3—1/2 включают привод поддона; при его опус-
кании вниз со скоростью 25—100 мм/мин из кристалли-
затора вытягивается алюминиевый слиток, охлаждае-
мый водой из брызгал.
Форма поперечного сечения слитков определяется
их последующей обработкой давлением. Слитки, пред-
назначенные для ковки и прессования профилей, име-
ют круглое сечение. Для листовой прокатки получают
плоские слитки, например, сечением до 250X1000 мм,
длиной до 6 м и т. д. Для прессования труб отливают
полые слитки (круглого сечения). Для этого в кристал-
лизаторе устанавливают водоохлаждаемый стержень.
ПРОИЗВОДСТВО МАГНИЯ
Промышленное производство магния, открытого в
1828 г., началось около 60 лет назад. Магний применя-
ется в производстве титана, используется для получе-
ния высокопрочного чугуна, входит в состав многих
алюминиевых сплавов. Сплавы на магниевой основе ис-
пользуются как конструкционные материалы с высокой
удельной прочностью и жесткостью (устойчивостью).
В нашей стране производство магния началось в 1931 —
1935 гг.
Магний, занимающий среди металлов шестое место
по распространению, входит в состав очень многих ми-
нералов. В качестве сырья для получения магния ис-
пользуют карналлит, магнезит и доломит.
Карналлит — двойной хлорид магния и калия
MgCl2-KCl-6H2O. Природный карналлит с учетом пу-
стой породы содержит около 20% MgCl2.
101
Магнезит — карбонат магния MgCO3, после обжига
содержит 85—90% MgO. Примесями являются СаО,
SiO2 и др.
Доломит — двойной карбонат магния и кальция
MgCO3-CaCO3, после обжига в нем содержится 35—
40% MgO, 52—58% СаО, SiO2 и другие примеси. Ог-
ромное количество магния содержится в морской воде
в виде бишофита MgCl2-6H2O.
Магний получают двумя способами: электролитиче-
ским и термическим.
Электролитический способ — наиболее распростра-
ненный. Он состоит из двух основных процессов: полу-
чения хлористого магния MgCl2 из исходного сырья и
получения магния из MgCl2 путем электролиза.
Основным сырьем в нашей стране являются карнал-
лит и магнезит.
Переработка карналлита заключается в его обога-
щении и обезвоживании. Для обогащения карналлит
измельчают и выщелачивают горячей водой, выделяя
из раствора NaCl и другие примеси. При охлаждении
раствора из него выпадают кристаллы так называемого
искусственного карналлита MgCl2-КС1-6 Н2О, содер-
жащие до 32% MgCl2 и до 38% гидратной влаги. Обез-
воживание проводят в две стадии. Сначала карналлит
подвергают обжигу при 500—550° С в трубчатых вра-
щающихся печах, удаляя влагу до 5—7%. Для оконча-
тельного обезвоживания карналлит переплавляют в
электрических печах сопротивления при 750—800°С и
затем отстаивают в миксере для удаления MgO. Рас-
плавленный обезвоженный карналлит, содержащий
около 50% MgCl2, направляют на электролиз. Обезво-
живание карналлита может быть достигнуто и обжигом
в кипящем слое.
Магнезит обжигают при 800—900° С, получая окись
магния MgO; и затем подвергают хлорированию в при-
сутствии углерода при 800—900° С в электрических пе-
чах сопротивления для образования хлористого магния
по реакциям
MgO + С + С12 = MgC1.2 + СО; MgO + СО + С1.2 —
= MgCl2 + со2.'
Расплавленный хлористый магний в ковшах направ-
ляют на электролиз.
103
Электролиз MgCl2 для получения магния проводят
в диафрагменных электролизерах с шамотной футеров-
кой, в верхней части которых находятся диафрагмы-пе-
регородки, разделяющие анодное и катодное простран-
ства (рис. 33).
В качестве электролита применяют сложный рас-
плав солей, содержащий 3—15J/0 MgCl2, а также СаС12,
КС1 и др., что необходимо для понижения температу-
ры. Рабочее напряжение в ван-
не 5—7 В, анодная плотность то-
ка 0,4—0,6 А/см2, температура
электролита 700—750° С.
При электролизе магний вы-
деляется на поверхности катод-
ных пластин в виде мелких капе-
лек, затем они укрупняются и
всплывают. По мере накопления
над электролитом расплавлен-
ный магний периодически удаля-
ют при помощи сифона и вакуум-
ного ковша. Выделяющийся на
аноде газообразный хлор в виде
пузырьков выходит из электроли-
та в анодном пространстве и от-
сасывается через хлоропровод.
Процесс электролиза протекает
непрерывно, при этом в электро-
лите постепенно расходуется
MgCl2 и повышается концентра-
ция других хлоридов. Поэтому из
удаляют часть отработанного электролита и доливают
расплав хлористого магния или карналлита. На поди-
не ванны образуется шлам — осадок окиси магния и
других примесей, который регулярно удаляют из ван-
ны. На 1 т металлического магния расходуется около
4,5 т хлористого магния или 10 т карналлита и выде-
ляется 2,9 т хлора. Расход электроэнергии составляет
16 000—17000 кВт-ч.
Рафинирование магния. Полученный электролизом
магний, содержащий значительное количество примесей
(Fe, Na, К, MgCl2 и др.), подвергают рафинированию.
Наиболее широко применяют рафинирование переплав-
кой с флюсами, в состав которых входят MgCl2, КС1 и
другие компоненты,-
/ 2
Рис. 33. Схема ячейки элект*
ролизера для получения
магния:
/ — графитовый анод; 2 —
катоды — стальные власти*
ны; 3 — диафрагма — пере*
городка
ванны
103
После расплавления в тигельной печи сопротивле-
ния металл перегревают до 720—750° С и интенсивно
перемешивают с флюсом, растворяя в нем неметалли-
ческие примеси.
Дальнейшую рафинировку металла осуществляют
его отстаиванием во время медленного охлаждения до
670—690° С.
Более совершенным является рафинирование воз-
гонкой. В стальных ретортах при температуре 600° С и
остаточном давлении около 0,075 мм рт. ст. магний ис-
паряется (/Кип=516°С) и затем выделяется в зоне кон-
денсации. Этим способом получают магний чистотой
99,99%.
При разливке в изложницы для защиты от окисле-
ния поверхность расплавленного металла опыляют по-
рошком серы.
Термические способы получения магния. Электролитический спо-
соб получения магния является сложным и требует большого расхода
электроэнергии. Поэтому магний получают также термическими ме-
тодами путем восстановления кремнием, углеродом доломита или
магнезита. Более простым является силикотермический метод.
По одному из вариантов процесс проводят в стальных ретортах
в вакууме 0,075 мм рт. ст. при 1100—1200°С. В' качестве шихты
используют обожженный доломит, ферросилиций и плавиковый
шпат. Магний восстанавливается кремнием (ферросилицием) по
реакции 2MgO-CaO-pSi = 2Mg+SiO2(CaO)2. Пары магния на-
правляют в водоохлаждаемый конденсатор, где происходит выде-
ление крупных кристаллов магния.
ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА
Титан как элемент открыт в 1791 г. Его промышлен-
ное производство началось в 50-х годах XX века и по-
лучило быстрое развитие. Титановые сплавы имеют на-
иболее высокую удельную прочность среди всех метал-
лических материалов, а также высокую жаропрочность
и коррозионную стойкость и находят все более широ-
кое применение в авиационной технике, химическом
машиностроении и других областях техники. Титан ис-
пользуют для легирования сталей. Двуокись титана
TiOs используют для производства титановых белил и
эмалей; карбид титана TiC — для особо твердых инст-
рументальных сплавов.
Титан по распространению в природе занимает чет-
вертое место среди металлов и входит в состав более
чем 70 минералов. К основным промышленным титан-
104
содержащим минералам относятся рутил (более 90%
TiO2) и ильменит TiO2-FeO (60%ТЮ2). Ильменит вхо-
дит в состав титаномагнетитов — его смеси с магнит-
ным железняком; они содержат до 20% ТЮг- К пер-
спективным рудам относятся сфен CaO-SiO2-TiO2
(32—42% TiO2) и перовскит CaO-TiO (60%ТЮ2).
Производство титана является технически сложным
процессом. Двуокись титана ТЮ2 — химически прочное
соединение. Металлический титан (/Пл = 1725°С), обла-
дает большой активностью. Он бурно реагирует с азотом
при температуре 500—600° С и кислородом возду-
ха при 1200—1300° С, поглощает водород, взаимодейст-
вует с углеродом и т. д. Наиболее широкое распростра-
нение получил магниетермический способ, осуществля-
емый по следующей технологической схеме:
титановая руда->обогащение->плавка на титановый
шлак-^получение четыреххлористого титана Т1СЦ—►вос-
становление титана магнием.
Обогащение титановых руд. Титаномагнетиты и
другие бедные руды обогащают электромагнитным и
другими способами, получая концентрат, содержащий
до 50% ТЮ2 и около 35% Fe2O3 и FeO.
Плавку на титановый шлак проводят в электродуго-
вой печи. Шихтой служат прессованные брикеты, со-
стоящие из мелкоизмельченного концентрата, антрацита
или угля и связующего (сульфитный щелок). В ре-
зультате плавки получают богатый титановый шлак, со-
держащий до 80% Т1О2. Побочным продуктом является
чугун, содержащий до 0,5% Ti. Измельченный шлак
подвергают магнитной сепарации (для удаления желе-
зосодержащих частиц), смешивают с мелким нефтяным
коксом и связующим и спрессовывают в брикеты. После
обжига при 700—800° С брикеты направляют на хлори-
рование.
Получение четыреххлористого титана TiCh в гер-
метизированных электрических печах представлено иа
рис. 34. Нижнюю часть печи заполняют угольной (гра-
фитовой) насадкой, которая служит электрическим со-
противлением и нагревается при пропускании электри-
ческого тока. В реакционной зоне печи выше уровня
угольной насадки развивается температура 800—850° С.
При хлорировании образуется четыреххлористый титан
по реакции ТЮ2+2 С-|-2 С12=TiCl4-|-2 СО. Пары четы-
реххлористого титана находятся в паро-газовой смеси,
105
Рис. 34. Схема электропечи
для получения четыреххло-
ристого титана:
/ — корпус печи; 2 — шамот-
ная футеровка: 3— угольная
(графитная) набойка—элект-
росопротивление; 4 — токо-
подводящие графитовые
электроды; 5 — устройство
для загрузки брикетирован-
ной шихты; 6 — брикетиро-
ванная шихта; 7, 8 — пат-
рубки для подачи хлора;
9 — отверстие для удаления
парогазовой смеси
содержащей SiCl4 и другие хлориды; СО, С12 и другие
газы.
Ее очищают от твердых частиц и охлаждают в кон-
денсаторах, в результате чего получают жидкий четы-
реххлористый титан. Для более полной очистки от
твердых частиц конденсат отстаивают и фильтруют.
Четыреххлористый титан отделя-
ют от других хлоридов путем рек-
тификации конденсата, основан-
ной на различии температур ки-
пения различных хлоридов. Жид-
кий четыреххлористый титан на-
правляют на восстановление.
В настоящее время для полу-
чения четыреххлористого титана
начинают применять другие спо-
собы хлорирования: в хлорато-
рах непрерывного действия, в со-
левом расплаве; перспективным
является хлорирование в кипя-
щем слое.
Восстановление титана маг-
нием из TiCti проводят в герме-
тичных реакторах (ретортах) из
нержавеющей стали, установлен-
ных в электрических печах сопро-
тивления. После установки в печь
из реторты откачивают воздух и
заполняют ее очищенным арго-
ном; после нагрева до температу-
ры 700° С заливают расплавлен-
ный магний1 и начинают подачу
жидкого TiCl4. Титан восстанав-
ливается магнием по реакции
TiCl4-J-2Mg=Ti4-2MgCl2. Эта
реакция сопровождается выделе-
нием большого количества тепла
и в реакторе поддерживается не-
обходимая температура 800—900° С без дополнительно-
го нагрева за счет регулирования скорости подачи TiCl4.
Частицы восстановленного титана спекаются в пористую
массу (титановая губка), пропитанную магнием и хло-
1 Иногда магний загружают в чушках и затем расплавляют.
106
ристым магнием. Расплав хлористого магния периодиче-
ски удаляют через патрубок в дне реактора. В промыш-
ленных реакторах (емкостью до 2 т) получают титано-
вую губку, содержащую до 60% Ti, 30% Mg и 10%
MgCl2.
Рафинирование титановой губки производят мето-
дом вакуумной дистилляции. Крышку охладившейся ре-
торты снимают и вместо нее устанавливают водоохлаж-
даемый конденсатор; затем реторту снова устанавли-
вают в печь. Дистилляция проводится при 950 —1000° С
и вакууме около 10-3 мм рт. ст. Примеси титановой губ-
ки Mg и MgCl2 расплавляются, частично испаряются и
затем выделяются в конденсаторах. Получаемый обо-
ротный магний возвращается в производство, MgCl2
используют для производства магния.
Получение титановых слитков. Титановые слитки
получают переплавкой титановой губки в вакуумных
электрических дуговых печах. Расходуемый электрод
изготавливают прессованием из измельченной титано-
вой губки. Электрическая дуга горит между расходуе-
мым электродом и ванной расплавленного металла, по-
степенно заполняющего изложницу, затвердевающего и
образующего слиток.
Наличие вакуума предохраняет металл от окисле-
ния и способствует его очистке от поглощенных газов
и примесей.
Для получения слитков может быть использована
дробленая титановая губка, загружаемая в печь доза-
тором. В этом случае дуга горит между расплавленным
металлом и графитовым электродом, поднимаемым по
мере заполнения изложницы металлом.
Для обеспечения высокого качества слитков плавку
повторяют два раза. При второй плавке расходуемым
электродом служит слиток, полученный при первой
плавке.
Титановые сплавы выплавляют в электрических ду-
говых вакуумных печах, аналогичных применяемым для
переплавки титановой губки. В качестве шихтовых ма-
териалов используют титановую губку и легирующие
элементы в соответствии с заданным химическим соста-
вом сплава. Из шихты прессованием при 280—330° С
изготавливают переплавляемый (расходуемый) элек-
трод. Плавку ведут в вакууме или в атмосфере аргона.
Перед началом плавки на поддон в качестве затравки
107
насыпают слой стружки из сплава такого же состава.
Для более равномерного распределения легирующих
элементов в сплаве полученный слиток переплавляют
вторично.
Натриетермический способ получения титана отличается от
магниетермического тем, что титан из TiCl4 восстанавливают ме-
таллическим натрием. Этот процесс проводят при относительно не-
высокой температуре, и титан в меньшей степени загрязняется
примесями. Вместе с тем натриетермический способ технически
более сложен.
Кальциегидридный способ основан на том, что при взаимо-
действии двуокиси титана ТЮ2 с гидридом кальция СаН2 образу-
ется гидрид титана TiH2, из которого затем выделяется металли-
ческий титан. Недостаток этого способа состоит в том, что получа-
емый титан сильно загрязнен примесями.
Иодидный способ применяют для получения неболь-
ших количеств титана очень высокой чистоты, до
99,99%. Он основан на реакции Ti-J-212^TiI4, которая
при 100—200° С идет слева направо (образование Til4),
при 1300—1400° С — в обратном направлении (разло-
жение Til4).
Рафинируемую титановую губку помещают в ретор-
ту и нагревают до 100—200° С; внутрь реторты вводят
и разбивают ампулу с иодом, взаимодействующим с ти-
таном по реакции Ti-j-2I2->TiI4. Разложение Til4->-
->Ti-f-2 12 и выделение титана происходит на титановых
проволоках, натянутых в реторте, нагретых до 1300—
1400°С пропусканием тока.
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОВАНАДИЯ
Ванадий, открытый как элемент в 1831 начали
использовать примерно с начала XX в. для легирова-
ния конструкционных, быстрорежущих и других сталей.
Для легирования используют феррованадий — сплав
на железной основе с 35—45% ванадия. Феррованадий
имеет более низкую температуру плавления, чем вана-
дий (1735°С), стоимость легирования ниже, чем при
применении чистого ванадия.
Основной сырой материал — железные руды, содер-
жащие 0,3—0,5% V в виде трехокиси V2O3. Подготовка
руды к плавке состоит в ее обогащении; железо-вана-
диевый концентрат окусковывают (агломерация, окаты-
ши). Из агломерата выплавляют чугун, содержащий
0,4—0,6% V, и продувают его в конверторе; железоуг-
108
леродистый сплав перерабатывают в сталь. Ванадий
переходит в шлак в виде FeO-V2Os.
Конверторный шлак (7—10% V) с добавкой соды
Na2CO3 подвергают окислительному обжигу в трубча-
тых вращающихся печах для образования водораство-
римого ванадита натрия Na2O-V2Os. Спек выщелачива-
ют водой и затем раствором серной кислоты; раствор
фильтруют и выделяют осадок. Просушенный осадок
плавят в пламенной печи, получая техническую пяти-
окись ванадия (80—95% V2O5)-
Феррованадий выплавляют в электродуговой печи;
шихта состоит из пятиокиси ванадия (30%), извести
(50%), ферросилиция (75%), алюминия и других ма-
териалов. Выплавленный феррованадий содержит 35—
45% ванадия, шлак с 10—15% V2O5 используют как
шихтовой материал при плавке. Извлечение ванадия
из руды составляет 60—65%•
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Беляев А. И. Металлургия легких металлов. М., «Металлургия»,
1970. 368 с. с ил.
Общая металлургия. М., «Металлургия», 1973. 464 с. с ил. Авт.:
В. Г. Воскобойников, Ф. И. Еднерал, В. Л. Кудрин, А. М. Якушев.
Ефименко Г. Г., Гиммельбарст А. С., Левченко В. Е. Металлур-
гия чугуна. Киев, «Выща школа», 1970. 487 с. с ил.
Электронная плавка металлов. М., «Металлургия», 1972. 348 с.
с ил. Авт.: Г. Ф. Заборонок, Т. И. Заленцов, А. С. Ронжин и др.
Конвертерные процессы производства стали. М., «Металлургия»,
1970. 280 с. с ил. Авт.: В. И. Лапинский, С. Л. Левин, О. И. Легко-
ступ и др.
Полтавец В. В. Доменное производство. М., «Металлургия»,
1972. 488 с. с ил.
Севрюков Н. Н., Кузьмин Б. А., Челищев Е. В. Общая металлур-
гия. М„ «Металлургия», 1976. 567 с. с ил.
Раздел II
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Основу современной техники составляют металлы и
металлические сплавы. Правильный выбор металличе-
ских материалов для деталей машин, механизмов и
конструкций, создание новых, все более совершенных
сплавов, обеспечивающих снижение массы и габаритов
машин и приборов, повышение их эксплуатационной
надежности и долговечности, развитие ядерной, ракет-
ной, космической, а также других новейших областей
техники во многом зависят от знаний металловедения.
Металловедение является научной основой для разра-
ботки оптимальных технологических процессов — тер-
мической обработки, литья, прокатки, штамповки,свар-
ки и т. п.
Для создания современной науки о металлах огром-
ное значение имели труды русских ученых. Выдающий-
ся русский ученый П. П. Аносов (1799—1851 гг.), рас-
крывший давно утраченный секрет получения булатной
стали, впервые применил метод изучения строения ста-
ли под микроскопом, положив начало изучению зако-
номерной связи между структурой и свойствами спла-
вов. Теоретические основы современного металловеде-
ния были созданы в фундаментальных трудах осново-
положника научного металловедения Д. К. Чернова
(1839—1921 гг.), открывшего в 1868 г. фазовые прев-
ращения в стали. Огромный вклад в развитие науки о
металлах внесли Н. С. Курнаков, А. А. Байков,
Н. Т. Гудцов, А. А. Бочвар, Г. В. Курдюмов, С. С. Штейн-
берг и многие другие советские ученые.
Среди зарубежных ученых необходимо отметить
Ф. Осмонда, А. Портевена, Ле-Шателье (Франция),
Р. Аустена, Юм-Розери (Англия), Г. Гоу, Баррета
(США), П. Геренса, Таммана, Мартенса (Германия) и
других ученых.
но
Глава 1
СТРОЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ АТОМОВ
Из 92 элементов, встречающихся в природе, около
80 элементов являются металлами. Все металлы имеют
общие характерные свойства: пластичность, высокую
тепло- и электропроводность, специфический металли-
ческий блеск, повышают электросопротивление с повы-
шением температуры и т.п. Такими же свойствами об-
ладают металлические сплавы — сложные вещества, со-
стоящие из двух или большего числа элементов.
Свойства металлов, отличающие их от других ве-
ществ, обусловлены особенностями их внутриатомного
строения.
Согласно современной теории строения атомов,
каждый атом представляет сложную систему, которую
схематически можно представить состоящей из положи-
тельно заряженного ядра, вокруг которого на разном
расстоянии от него движутся отрицательно заряжен-
ные электроны. В отличие от неметаллов притягиваю-
щее действие ядра на внешние (валентные) электроны
в металлах в значительной степени скомпенсирован©
электронами внутренних оболочек. Поэтому валентные
электроны легко отрываются и свободно перемещаются
между образовавшимися положительно заряженными
ионами. Слабая связь отдельных электронов с осталь-
ной частью атома и является характерной особенно-
стью атомов металлических веществ, обусловливающей
их химические и физические свойства.
Любой металл можно представить состоящим из
большого числа атомов, в которых положительно заря-
женные ионы, имеющие колебательные движения около
некоторых центров, окружены коллективизированными
валентными электронами. Электроны легко смещаются
с наружной орбиты одного атома на орбиту другого
атома и своей подвижностью напоминают перемещение
частиц в газе, поэтому иногда применяют термин элек-
тронный газ. Общее число не связанных с определен-
ным атомом коллективизированных электронов в раз-
личных металлах неодинаково. Этим объясняется до-
вольно значительное различие в степени «металлично-
сти» отдельных металлов, в частности различная их
1.Ц
электропроводность. Наличием электронного газа объ-
ясняют и особый тип межатомной связи, присущей ме-
таллам.
Основными типами межатомной связи в веществах
являются ионная, ковалентная и металлическая.
Ионный тип связи (гетерополярная связь) возника-
ет при взаимодействии двух элементов, когда валент-
ные электроны одного переходят на электронную обо-
лочку другого. Вследствие этого равенство положитель-
ных и отрицательных зарядов в атомах нарушается,
образуются положительно и отрицательно заряженные
ионы, между которыми возникают силы электростати-
ческого взаимопритяжения (классический пример — мо-
лекула NaCl).
Ковалентный тип связи' (гомеополярная связь) оп-
ределяется взаимным перекрытием внешних электрон-
ных оболочек атомов.
При этом валентные электроны разных атомов, раз-
личающихся спинами, взаимодействуют подобно двум
электромагнитам. Между ними возникают силы элек-
тромагнитного взаимопритяжения, обусловливающие об-
разование молекул (например, Ог, Н2 и т. д.).
Металлический тип связи характеризуется тем, что
между решеткой из положительно заряженных ионов и
окружающими их свободными валентными электрона-
ми (электронным газом) возникает электростатическое
притяжение. При этом непосредственного соединения
атомов друг с другом не происходит, между ними от-
сутствуют направленные связи. Таким образом, связь
металлического типа в металлах и сплавах отличается
по своей природе от ионной и ковалентной.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Кристаллическое строение веществ характеризуется
закономерным размещением атомов в пространстве с
образованием кристаллической решетки. Кристалличе-
скую решетку вещества следует представлять как мыс-
ленно проведенные в пространстве в направлении трех
осей координат прямые линии, соединяющие ближай-
шие атомы и проходящие через их центры, около кото-
рых они совершают колебательные движения. Прове-
1 Термин «ковалентный» обозначает спаривание валентных элект-
ронов у соседних атомов.
112
денные указанным образом внутри кристаллического
тела линии образуют объемные фигуры правильной
геометрической формы. Эти фигуры являются кристал-
лической решеткой рассматриваемого тела. Для полу-
чения пространственного представления о кристалличе-
ских решетках изготавливают модели или наглядно
изображают на плоскости правильные геометрические
фигуры. Если кристаллическое тело является простым
веществом, например чистым металлом, то в любой ис-
следуемой части его объема кристаллическая решетка
получается идентичной.
Для изучения кристаллических решеток можно вос-
пользоваться системой координат. За начало координат
принимают точку, в которой расположен какой-либо
атом. Оси координат следует провести так, чтобы они
проходили через центры атомов в таких направлениях,
по которым атомы расположены друг к другу ближе
всего.
В системе координат, приведенной на рис. 35, поло-
жение центров атомов отмечено точками. Расстояние
между всеми ближайшими атомами по какому-либо од-
ному направлению выдерживается строго определен-
ным. Так, в направлении оси к все атомы удалены друг
от друга на расстояние а. Расстояние между атомами
в направлении оси у соответствует величине бив на-
правлении оси z величине с.
Расстояния а, b и с называют параметрами или пе-
риодами кристаллической решетки и выражают их в
О
ангстремах (А=10~8 см) или килоиксах кХ (1 кХ=
= 1,00202Х10~8 см). У металлов параметры кристаллп-
О
ческих решеток находятся в пределах 2—6 А. Чтобы
полностью охарактеризовать кристаллическую решетку
какой-либо системы, достаточно указать ее параметры,
а также три угла между осями: а, р, у.
Наименьшая часть объема кристаллической решет-
ки, которая определяет ее систему, называется элемен-
тарной кристаллической ячейкой. Любое кристалличе-
ское тело можно представить построенным из элемен-
тарных кристаллических ячеек в результате многократ-
ного повторения (трансляции) в направлениях осей ко-
ординат (рис. 35).
Кристаллические решетки разных веществ различа-
ются по форме и размерам элементарных ячеек. В за-
8—481 |13
висимости от наклона координатных осей и относитель-
ной длины параметров установлено семь кристалличе-
ских систем (сингоний).
Большинству металлов свойственно образование вы-
сокосимметричных решеток с плотной упаковкой ато-
мов, что можно также объяснить наличием в них кол-
лективизированных электронов (чем теснее атомы при-
Рис. 35. Система осей коор-
динат для изучения кристал-
лического строения и кри-
сталлическая решетка, по-
строенная повторением эле-
ментарных ячеек
мыкают друг к другу, тем легче перескок электронов от
одного атома к другому).
Существенной характеристикой кристаллической
структуры является также число атомов, приходящихся
на одну элементарную ячейку — базис решетки.
Элементарную кристаллическую решетку простой кубической
формы образуют восемь атомов, находящихся во всех вершинах
куба. Но каждый атом внутри тела принадлежит одновременно
восьми кристаллическим решеткам, следовательно, иа каждую крис-
таллическую решетку от данного атома «приходится» ’/8 часть.
Таким образом, на построение одной элементарной кубической
ячейки расходуется одни атом. На образование объемиоцентрн-
рованноч кубической (о. ц. к) решетки необходимо два атома, так
как атом, расположенный в центре куба, принадлежит полностью
одной ячейке. Гранецентрированную кубическую (г. ц. к) решетку об-
разуют четыре атома — один из атомов, расположенных в вершинах
куба, три из атомов, расположенных посередине граней куба (в ку-
бе шесть граней, а каждый атом, расположенный в центре грани,
принадлежит одновременно двум ячейкам). На элементарную ячей-
ку гексагональной плотноупаковаиной решетки приходятся шесть
атомов — три, лежащих внутри призмы, принадлежат только дайной
ячейке, два атома, лежащих в центре шестиугольников, входят в две
соседние ячейки (2-У2 = 1 атом) и два атома из 12, образующих вер-
шины призмы и принадлежащих шести соседним ячейкам (12-*/2=
=2 атома).
Кристаллические решетки принято характеризовать
также координационным числом., которое указывает на
114
число атомов, расположенных на ближайшем одинако-
вом расстоянии от любого атома в решетке (рис. 36).
Координационное число простой кубической решет-
ки равно 6(Кб), объемноцентрированной кубической
8(К8), гранецентрированной кубической и гексагональ-
ной плотноупакованной 12 (К12, Г12).
Рис. 36. Расположение атомов в эле-
ментарных ячейках:
а — объемноцентрированная кубическая
(Ст, Fe^, V, Tip,Na, Mo, W); 6 —rpa-
иецентрнрованная кубическая (Ni, Cu,
Al, Ag, Fe )«; в — гексагональная плот-
V
неупакованная (Mg, Zn, Be, Cd, Ti^)
Чем выше координационное число, тем больше плот-
ность упаковки атомов в элементарной ячейке.
Плотностью упаковки атомов в кристаллической ре-
шетке называют объем, занятый атомами, которые ус-
ловно рассматривают как достаточно жесткие шары
(см. рис. 36). Ее определяют как отношение объема, за-
нятого атомами, к объему ячейки. Плотность упаковки
в о. ц. к. решетке 0,68, в г. ц. к. и г. п. у. 0,74. Компакт-
ность расположения атомов не следует связывать с раз-
мерами наибольших межатомных промежутков в кри-
сталлической решетке. Например, общий объем меж-
атомных промежутков в о. ц. к. больше, чем в г. ц. к. ре-
шетке, но отдельные промежутки в г. ц. к. по размерам
превосходят самые крупные промежутки, встречающие-
ся в о. ц. к. Из схем (см. рис. 36) видно, что атомы
внутри твердого кристаллического тела свободно пере-
мещаться не могут.
Для того чтобы при такой плотной упаковке какой-
либо атом переместился из одного места в другое, не-
обходимо, чтобы некоторая часть окружающих его ато-
мов сместилась из своих нормальных положений.
8*
115
В свою очередь смещению последних препятствуют ок-
ружающие их атомы. Это подтверждает хорошо изве-
стное положение о малой скорости диффузии в твердых
телах.
Только при значительном повышении температу-
ры, когда амплитуда колебаний атомов сильно увели-
чивается, возможен срыв атома со своего места и пе-
реход на другое, освобожденное другим атомом.
Рис. 37. Обозначения кристаллографических плоскостей и различ-
ных кристаллографических направлений
Свойства каждого тела зависят от природы атомов,
из которых оно состоит, и от силы взаимодействия меж-
ду этими атомами, которая в значительной степени оп-
ределяется расстоянием между ними. В аморфных
телах с хаотическим расположением атомов в простран-
стве свойства в различных направлениях одинаковы, т. е.
аморфные тела изотропны. В кристаллических телах
атомы имеют правильное расположение в пространстве,
причем по различным направлениям расстояния между
атомами различны, что предопределяет существенные
различия в силах связи между ними и в конечном ре-
зультате различные свойства. Эта особенность кристал-
лов, т. е. зависимость свойств от направления, называ-
ется анизотропией.
Пб
Индексы кристаллических решеток. В кристаллографии принято
характеризовать плоскости и направления так называемыми индек-
сами Миллера. Индексация в удобной форме определяет различные
положения плоскостей и направлений в кристаллической решетке.
Используемая индексация основана на том, что все параллельные
плоскости в кристаллической решетке, построенные идентично, дол-
жны иметь одинаковые индексы.
Указывая ориентацию, индексы не должны определять положе-
ния в пространстве. Индексы, обозначаемые ft, k, I, представляют
собой целые рациональные числа, являющиеся величинами, обратны-
ми величинам отрезков, отсекаемых данной плоскостью иа осях коор-
динат. Чтобы индексы получались из наиболее простых целых чи-
сел, рассматриваемую плоскость (или направление) можно смещать
параллельно.
На рис. 37 показано обозначение различных плоскостей куба.
Заштрихованная плоскость 1 (рис. 37, а) отсекает на оси х отрезок,
равный единице, а на осях у и г — отрезки, равные бесконечности.
Обратными значениями этих чисел являются 1,0,0. Индексы плоско-
стей заключают в круглые скобки и знаков между цифрами не ста-
вят. Таким образом, рассмотренная плоскость имеет индекс (100).
Плоскости 2 и 3 (рис. 37, а) имеют индексы (010) и (001), иа
рис. 37,6— (111), 37, в—(ПО), 37,г—(112), на рис. 37, е —
(0001), (1100), (1010).
Отрицательное значение индекса обозначают знаком «минус»,
который ставят над индексом. Если имеется семейство симметрич-
ных граней, например грани куба или октаэдра, то такую совокуп-
ность плоскостей условно обозначают фигурными скобками, напри-
мер {100} —грани куба или {111} —грани октаэдра и т. п.
Индексами направления т, п, р являются координаты любой
точки на прямой, проходящей через начало координат параллельно
заданному направлению. Индексы направлений в кристаллических
решетках обозначают цифрами, заключенными в квадратные скобки.
Примеры обозначения направлений показаны на рис. 37, д. Парал-
лельные направления в кристаллической решетке имеют также оди-
наковые индексы. Совокупность симметрично эквивалентных направ-
лений, получаемую при всех возможных перестановках индексов и
изменениях знаков (например, [100], [010], [001], [100],
[016], [001]), обозначают <100>.
ПОЛИМОРФНЫЕ И МАГНИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
В МЕТАЛЛАХ
Некоторые элементы изменяют свое кристаллическое
строение, т. е. тип кристаллической решетки, в зависи-
мости от изменения внешних условий — температуры и
давления. Существование вещества в различных кри-
сталлических формах в зависимости от внешних усло-
вий обусловливается его стремлением к состоянию с
меньшим запасом свободной энергии. Это явление носит
название полиморфизма или аллотропии. Каждый вид
решетки представляет аллотропическое видоизменение
117
ТАБЛИЦА 2
АЛЛОТРОПИЧЕСКИЕ ФОРМЫ МЕТАЛЛОВ»
Металл (элемент) Аллотро- пическая форма Интервал температур устойчивого СОСТОЯНИЯ, °C Кристаллическая решетка
Fe а б V 911 1392—1539 911—1392 Кубическая объемноцентрироваи- ная То же Кубическая граиецеитрированная
Со а ₽ 450 450—1480 Гексагональная плотиоупаковаи- ная Кубическая граиецентрированиая
S11 а р <18 18—232 Решетка алмаза Тетрагональная объемноцентриро- ванная
Ti а ₽ 882 882—1660 Гексагональная плотиоупакован- ная Кубическая объемноцентрирован- ная
Мп а ₽ V 6 700 700—1079 1079—1143 1143—1244 Кубическая сложная многоатом- ная То же Тетрагональная гранецентриро- ванная Кубическая объемиоцеитрнрован- ная
Са а р 450 450—849 Кубическая гранецентрированная Гексагональная плотноупакован- ная
Zr а р 867 867—1860 Гексагональная плотноупакованная Кубическая объемноцентрирован- ная
и а р V 668 668—720 720—1132 Орторомбическая Тетрагональная Кубическая объемиоцентрнрован- ная
* Температурным полиморфизмом обладают около 30 металлов.
118
или модификацию. Каждая модификация имеет свою об-
ласть температур, при которых она устойчива (табл. 2).
При полиморфных превращениях металлов основное
значение имеет температура. Превращение одной алло-
тропической формы в другую происходит при постоян-
ной температуре, называемой температурой полиморф-
ного превращения, и сопровождается тепловым эффек-
том, подобно явлениям плавление — затвердевание или
испарение — конденсация. Это связано с необходи-
мостью затраты определенной энергии на перестройку
кристаллической решетки.
Несмотря на то что при аллотропических превраще-
ниях межатомные расстояния часто изменяются доволь-
но заметно, атомные объемы и соответственно полные
энергии различных модификаций, как правило, различа-
ются мало. Но бывают и исключения. Например переход
из р- в a-модификацию олова происходит с изменени-
ем типа связи от металлической к ковалентной и сопро-
вождается резким изменением объема. Белое металли-
ческое олово превращается в серый порошок, так как
коэффициент линейного расширения серого олова в четы-
ре раза больше, чем у белого. Это явление получило
название «оловянной чумы».
Разные аллотропические формы одного и того же
элемента принято обозначать буквами греческого алфа-
вита а, р, у и т. д., которые в виде индексов добавляют
к символу, обозначающему элемент. Аллотропическую
форму, устойчивую при самой низкой температуре, обо-
значают буквой а, существующую при более высокой тем-
пературе р, затем у и т. д.
Примером аллотропического превращения, обуслов-
ленного изменением давления, является изменение кри-
сталлического строения углерода, который может суще-
ствовать в виде графита и алмаза.
Полиморфизм имеет большое практическое значение.
Используя это явление, можно упрочнять или разупроч-
нять сплавы с помощью термической обработки.
Магнитные превращения. Некоторым металлам при-
суща способность сильно намагничиваться в магнитном
поле. После удаления магнитного поля они обладают
остаточным магнетизмом, что позволяет использовать
их для изготовления постоянных магнитов. Это явление
впервые было обнаружено на железе и в связи с этим
получило название ферромагнетизма. К ферромагнети-
119
кам относятся железо, кобальт, никель и некоторые ред-
коземельные элементы (гадолиний, диспрозий, эрбий).
При нагреве ферромагнитные свойства уменьшаются
постепенно; вначале слабо, а затем наблюдается очень
резкое уменьшение. Выше определенной температуры,
называемой точкой Кюри, они становятся парамагне-
тиками.
Магнитные превращения не связаны с изменением
кристаллической решетки или микроструктуры, они не
имеют температурного гистерезиса. Поэтому магнитные
превращения нельзя отождествлять с аллотропическими.
Установлено, что при магнитных превращениях происхо-
дят изменения в характере межэлектронного взаимодей-
ствия (см. с. 350),
СТРОЕНИЕ РЕАЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ
Из жидкого расплава .можно вырастить монокри-
сталл, т. е. кусок металла, представляющий собой один
кристалл. Размеры монокристаллов невелики, их обыч-
но используют в лабораториях для изучения свойств
того или иного вещества.
Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях,
состоят из большого количества кристаллов, различно
ориентированных в пространстве, т. е. они имеют поли-
кристаллическое строение. Эти кристаллы, обычно назы-
ваемые зернами, имеют неправильную форму. Каждое
зерно имеет свою ориентировку кристаллической решет-
ки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследст-
вие чего свойства реальных металлов усредняются и
явление анизотропии не наблюдается.
Изучение строения металлов с помощью рентгепост-
руктурного анализа и электронного микроскопа позво-
лило установить, что внутреннее кристаллическое строе-
ние зерна не является правильным. В кристаллических
решетках реальных металлов существуют различные
дефекты (несовершенства), которые нарушают связи
между атомами и оказывают влияние на свойства метал-
лов. Различают следующие структурные несовершенст-
ва: точечные, линейные и поверхностные, которые ха-
рактеризуются малыми размерами в трех, двух и одном
измерении соответственно.
120
Точечные дефекты
Одним из распространенных несовершенств кристал-
лической структуры является наличие в ней точечных
дефектов, таких как вакансии, дислоцированные атомы
и атомы примесей.
Вакансии — это отсутствие атомов (ион — атомов) в
Рис. 38. Точечные несовершенства:
с— вакансии; б — дислоцированный атом; в — атом при-
меси
логин я. и. Френкеля, которые образовались в силу раз-
личных причин (рис. 38,а).
На рис. 39 показано образование вакансий по меха-
низму Шоттки. В данном случае источником вакансии
является свободная поверхность кристалла, где нор-
мальные колебания атомов менее всего затруднены.
Источником вакансий могут быть и границы зерен, в
которых нарушено правильное расположение атомов.
Миграция вакансий происходит в результате последовательных
дискретных перескоков от одного узла кристаллической решетки к
другому соседнему. Если в металле отсутствует заметное силовое
поле, то процесс миграции вакансий к их стокам может быть полно-
стью беспорядочным.
Выходя на наружную поверхность
или поверхность внутреннего дефекта,
вакансия исчезает, но одновременно
где-то образуются новые дырки. Энер-
гия образования одной вакансии со-
ставляет порядка электронвольта. При
образовании вакансии изменение объе-
ма кристалла оказывается меньше
атомного объема примерно в два раза.
Это несоответствие возникает ввиду
Рис. 39. Образование вакан-
сии по механизму Шоттки
того, что окружающие вакансию атомы
смещаются из равновесных положений.
Кристаллическая решетка при этом
121
искажается. В результате такого смещения полная энергия кристал-
ла уменьшается.
Число вакансий и их концентрация зависят от темпе-
ратуры и обработки. При комнатной температуре одна
вакансия приходится на 1018—1019 атомов. Число вакан-
сий значительно увеличивается с повышением темпера-
туры, после закалки и т. д. Перемещаясь по кристаллу,
одиночные вакансии могут встречаться. В этом случае
они могут объединяться в пары, образуя дивакансии.
Поскольку при этом уменьшается их суммарная поверх-
ность, устойчивость такой спаренной вакансии возраста-
ет. Возможно также образование тривакансий и целых
цепочек.
Скопление многих вакансий может привести к обра-
зованию пор и пустот.
,Наличие вакансий в решетке сообщает атомам под-
вижность, т. е. позволяет им перемещаться в процессе
самодиффузии и диффузии и тем самым оказывает вли-
яние на такие процессы, как старение, выделение вто-
ричных фаз и т. п.
Дислоцированные атомы, т. е. атомы, вышедшие из
узла кристаллической решетки и занявшие место где-то
в междоузлии, также относятся к точечным дефектам
(рис.38, б). Концентрация дислоцированных атомов
невелика, так как для их образования требуется суще-
ственная затрата энергии (например, облучение металла
ядерными частицами). При этом на месте переместив-
шегося атома также образуется вакансия (механизм
Я. И. Френкеля).
Поскольку практически невозможно выплавить ме-
талл химически чистым, в любом объеме металла всегда
присутствует какое-то количество чужеродных атомов
примесей.
Примесные атомы занимают в кристаллической ре-
шетке либо места основных атомов, либо внедряются
внутрь ячейки. Так возникает еще одна разновидность
точечных дефектов (рис. 38,в).
Вокруг вакансий, дислоцированных атомов и атомов
примесей (последние всегда отличаются по размерам от
размеров основных атомов) нарушается правильность
кристаллического строения, а также уравновешенность
силовых полей атомов во всех направлениях. Но эти
изменения невелики, они составляют не больше несколь-
ких атомных диаметров.
.122
Точечные дефекты, мигрируя в кристалле, могут
взаимодействовать как друг с другом, так и с другими
дефектами. Так, например, встречаясь при своем дви-
жении, вакансия и межузельный атом могут аннигили-
ровать. Атомы примесей также могут взаимодействовать
с вакансиями, при этом образуются комплексы вакан-
сия— примесь. Имеет место взаимодействие точечных
дефектов и с дефектами линейными — дислокациями.
Линейные несовершенства
Линейные дефекты малы в двух измерениях, в
третьем они значительно большего размера, который
может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным
дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных
атомов и дислокации.
Дислокации являются особым видом несовершенств
в кристаллической решетке. По своей природе они резко
отличаются от других дефектов, в том числе и указан-
ных выше линейных несовершенств. В настоящее время
не только прочность, но и фазовые, и структурные пре-
вращения, а также целый ряд других явлений рассмат-
ривают с использованием теории дислокаций.
Впервые представления о дислокации были введены
в 1934 г. физиками Орованом, Поляни и Тейлором для
описания атомного механизма скольжения при пласти-
ческой деформации как попытка объяснить огромную
разницу между теоретической и практической прочно-
стью металлов. В настоящее время получены прямые
доказательства существования дислокаций (рис. 40).
Дислокации — это особая конфигурация в располо-
жении атомов. К основным видам дислокаций относят-
ся краевые и винтовые.
Представим себе кристалл, в котором верхняя часть
сдвинута относительно нижней на одно межатомное
расстояние (рис. 41), причем сдвиг охватил не всю пло-
скость скольженйя, а лишь часть ее — участок ABCD,
где АВ — граница этого участка. Одна вертикальная
атомная плоскость в верхней половине кристалла уже
не имеет продолжения в нижней половине (см. рис.
41,6). Такую лишнюю неполную атомную плоскость
называют экстраплоскостью. Экстраплоскость действу-
ет как клин (плоскость В), изгибая решетку вокруг сво-
его нижнего края. Над дислокацией атомы в кристалле
123
Рис. 40. Микрофотография следов дислокаций. Х45 000
Рис. 41. Краевая дислокация, возникающая в результате сдвига
уплотнены, а под ней раздвинуты. Атом на самой кром-
ке экстраплоскости А—А имеет меньше соседей, чем атом
внутри совершенной решетки. Область несовершенства
кристалла вокруг края экстраплоскости и называется
краевой (линейной) дислокацией. В одном измерении
протяженность дислокации такая же, как и длина края
экстраплоскости (линия АВ на рис. 41, а), т. е. имеет
макроскопический характер (дислокация может обры-
124
ваться только на границе кристалла — она является
границей зоны сдвига). В плоскости чертежа искажения
в кристаллической решетке распространяются на не-
большие расстояния — до десяти атомных диаметров.
Для большей наглядности следует мысленно пред-
ставить себе, что указанная область несовершенства на-
ходится как бы внутри трубы, осью которой является
край экстраплоскости.
Рис. 42. Схема винтовой дислокации
Рис. 43. Схема возникновения крае*
вых дислокаций при кристаллиза-
ции до срастания (а) и после сра-
стания (б) зерен:
D — расстояние между дислокация-
ми в стейке; 0 — угол разориенти-
ровки
Внутри трубы (в так называемом ядре дислокации)
строение кристалла сильно искажено, вне этой трубы
оно близко к идеальной решетке.
Если экстраплоскость находится в верхней части
кристалла, то дислокацию называют положительной и
обозначают центр этой дислокации знаком _1_; если
экстраплоскость находится в нижней части кристалла,
то ее называют отрицательной и обозначают знаком Т.
Дислокации одного и того же знака отталкиваются, а
противоположные по знаку притягиваются. Под воздей-
ствием напряжения краевая дислокация АВ (см. рис.
41, а) или А А (см. рис. 41,6) будет передвигаться по
плоскости С (рис. 41, б) справа налево, пока дислока-
ция не достигнет границы зерна (или блока).
Движение краевой дислокации — консервативное,
без переноса вещества.
125
Дислокации в кристалле могут взаимодействовать
как друг с другом, так и с другими дефектами. Если
противоположные по знаку дислокации движутся в од-
ной плоскости, то, сближаясь, они могут взаимно унич7
тожаться, аннигилировать (при этом в кристалле обра-
зуется полная плоскость).
Области растяжения и сжатия, связанные с краевой дислокаци-
ей, притягивают примесные атомы, так как этим атомам легче раз-
меститься в зонах с неправильной структурой. Притяжение атомов
примесей, вызванное разными причинами, приводит к «осаждению»
этих атомов в виде цепочки вдоль края экстраплоскости. Такая це-
почка инородных атомов называется «атмосферой Коттрелла» или
«облаком Коттрелла». Возникая на дислокациях, атмосфера Кот-
трелла вначале затрудняет, а затем и тормозит движение дислока-
ций. С повышением температуры атмосфера Коттрелла рассасыва-
ется. При понижении температуры концентрация примеси около
дислокации возрастает и по достижении предела растворимости
вблизи ядра дислокации могут даже образоваться дисперсные вы-
деления второй фазы.
Вдоль ядра дислокации фактически наблюдается ускоренная
диффузия примесных атомов. Этот эффект получил название «диф-
фузия по трубке».
В объеме кристаллов дислокации располагаются в виде сеток.
Наряду с сетками могут существовать как отдельные дислокации,
так и дислокационные сплетения (клубки), которые возникают при
сложном взаимодействии точечных дефектов и дислокаций.
Характеристикой дислокационной структуры являет-
ся плотность дислокаций — суммарная длина всех линий
дислокаций в единице объема p—~£l/v см-2. Здесь S/ —
суммарная длина всех линий дислокаций в кристалле,
см; v — объем кристалла, см3.
Плотность дислокаций можно определять и как число
дислокаций, пересекающих единицу площади (напри-
мер, металлографического шлифа). Плотность дислока-
ций зависит от состояния металла. В монокристаллах
рл;103—106 см-2, в отожженных поликристаллических
металлах рде10~7—10~8см~2, после холодной деформа-
ции плотность дислокаций увеличивается до 16“—
1012 см-2.
Второй тип дислокаций впервые был описан Бюргер-
сом и назван винтовой дислокацией.
Винтовые дислокации, так же как и краевые, могут
быть получены с помощью частичного - сдвига (на
рис. 42) по плоскости Q вокруг линии EF. При этом на по-
верхности образуется ступенька, проходящая не по всей
поверхности кристалла, а только от точки Е до края
кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает парал-
126
лельность атомных слоев, кристалл превращается как
бы в одну атомную плоскость, закрученную по винту
вокруг линии EF. Линия EF представляет границу, от-
деляющую ту часть плоскости скольжения, где сдвиг
уже прошел, от той части, где сдвиг еще не начинался,
т. е. является дислокацией. Вдоль линии EF область
несовершенства имеет макроскопический характер, а в
двух других направлениях ее размеры составляют не-
сколько периодов решетки.
Если винтовая дислокация образована вращением по
часовой стрелке, то ее называют правой, если вращение
против часовой стрелки — левой.
Движение винтовой дислокации тоже консерватив-
ное, но винтовая дислокация не связана с какой-либо
плоскостью скольжения, она может перемещаться по
любой плоскости, проходящей через линию дислокации.
Вакансии и межузельные атомы к винтовой дислокации
не стекают.
Возможно также образование частичных и смешан-
ных дислокаций. Образование дислокаций повышает
энергию кристалла.
Вектор Бюргерса — это мера искаженности кристаллической ре-
шетки, обусловленная присутствием в ней дислокации; он характе-
ризует сумму всех упругих смещений решетки, накопившихся в об-
ласти вокруг дислокации. Чтобы определить степень искаженности
решетки, сравнивают кристаллы — совершенный и содержащий дис-
локацию. Вокруг дислокации, за пределами ее ядра, т. е. в области,
где искажения практически отсутствуют, строят контур, перемещаясь
от узла к узлу (рис. 44, а). Затем строят такой же контур в идеаль-
ном кристалле. Обходя контур, мы попадаем не в узел А', а в узел
Е, т. е. контур окажется не замкнутым. Разрыв контура характери-
зует сумму всех упругих смещений решетки, накопившихся в области
вокруг дислокации Вектор ЕА', замыкающий разрыв контура, и на-
зывается вектором Бюргерса, его обозначают Ь. Построенный нами
контур называется контуром Бюргерса. Для полной дислокации век-
тор Бюргерса — это всегда один из векторов трансляций решетки.
Он одинаков для всех участков линии дислокации и сохраняется при
ее движении, т. е. является инвариантом дислокации. Вектор Бюргер-
са нормален к линии краевой дислокации и параллелен линии вин-
товой дислокации.
В настоящее время известны различные механизмы
образования дислокаций. Дислокации могут возникать
при росте зерен, при образовании субзерен (см. рис.
43). Экспериментально установлено, что границы зерен
и блоков имеют большую плотность дислокаций. При
кристаллизации из расплава энергетически более выгод-
но, когда зародыш растет с образованием винтовой дис-
127
• • о • • • о • •
i
f
♦
t
о
,1
1.
11.
о о
t
'Л г
)*<©/•
a
б
Рис. 44. Контур Бюргерса вокруг дислокации (о) и эк-
вивалентный контур в совершенном кристалле (6);
b — вектор Бюргерса
локации на его поверхности. Способствуют образованию
дислокаций и сегрегации примесей. В затвердевшем
металле дислокации могут возникать в результате
скопления вакансий. Термическая обработка и особен-
но пластическая деформация существенно изменяют
плотность дислокаций, что в свою очередь влияет на
многие свойства металлов.
Поверхностные дефекты
Эти дефекты имеют небольшую толщину при значи-
тельных размерах в двух измерениях.
Наиболее наглядным примером поверхностного несо-
вершенства являются границы зерен и блоков, а также
дефекты упаковки.
В поликристаллических материалах размер зерен
бывает от 1 до 1000 мкм, чаще всего — около 100 мкм.
Зерна разориентированы, повернуты относительно друг
друга до десятков градусов (рис. 45). Границы зерен —
это основной дефект в металлах, наиболее давно извест-
ный, наиболее сложный и до сих пор наименее исследо-
ванный'. На границах между зернами атомы не имеют
правильного расположения. Здесь существует переход-
ная область шириной в несколько атомных диаметров,
в которой решетка одного зерна переходит в решетку
другого зерна с иной ориентацией.
Строение переходного слоя (границы) способствует
скоплению в нем дислокаций, так как при переходе
через границу ни плоскость скольжения, ни вектор Бюр-
герса не сохраняются неизменными. Нарушение пра-
128
вильности расположения способствует тому, что на
границах зерен повышена концентрация тех примесей,
которые понижают поверхностную энергию.
Применение электронных микроскопов позволило
обнаружить, что и внутри зерен нарушается правильное
кристаллическое строение. Имеются участки, разориен-
тированные относительно друг друга на несколько гра-
дусов. Такие участ-
ки называют фраг-
ментами. Процесс
деления зерен на
фрагменты называ-
ется фрагментацией
или полигоннзаци-
Рис. 45. Схема поликристал-
лического строения металла
Рис. 46. Схема блочной (мозаичной) струк-
туры кристалла
ей. В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков
размером менее 10 мкм, разориентированных на незна-
чительные углы, менее 1°. Такая структура называется
блочной или мозаичной (рис. 46, 47).
Если угловая разориентировка решеток соседних зерен мала
(до 10°), то такие границы называют малоугловыми границами. Ма-
лоугловые границы состоят в основном из рядов дислокаций (см.
рис. 43), они не образуют дальнодействующего поля, но примеси
притягиваются. Все субзеренные (блочные) границы — малоугловые.
Если угол разорнентировки значителен, то образуются большеугло-
вые (высокоугловые) границы, имеющие более сложное строение.
Наличие границ зерен и блоков, а также их строение оказывают
очень существенное влияние на свойства металла в целом (механи-
ческие, электрические, магнитные, коррозионную стойкость и т. д.).
К поверхностным дефектам относится также дефект упаковки.
Дефект упаковки — это тонкое плоское образование, нарушающее
порядок упаковки атомных слоев. Например, когда в гранецентри-
рованпой кубической решетке образуется чередование слоев, харак»
9—481
129
Рис. 47. Тонкая структура малоуглеродистой стали:
а — зерна феррита (утолщенные границы) и фрагменты (тонкие линии гра-
ниц), Х250; б — блочная структура зерна феррита (границы фрагментов и
блоков мозаики), X16000
терное для гексагональной решетки: ДВСАВАВСДВС... или наоборот,
в гексагональной — кубическое: АВАВАВСАВ...
Дефекты упаковки создаются сдвигом, внедрением, удалением
одной плотноупакованной плоскости или ее части. Обычно края де-
фекта упаковки ограничены частичными дислокациями.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
При переходе аморфного тела из жидкого состояния
в твердое никаких качественных изменений в строении
не происходит, что подтверждает монотонный ход кри-
вой охлаждения (рис. 48, а). В твердом состоянии ато-
мы в аморфном теле расположены так же хаотично, как
и в жидком, но только более компактно и за счет этого
имеют более ограниченную свободу перемещения.
При нагреве всех кристаллических тел, в том числе
металлов, всегда наблюдается четкая граница перехо-
да из твердого состояния в жидкое. Такая же резкая
граница существует и при переходе из жидкого состоя-
ния в твердое (рис. 48, б).
На участке кривой 1—2 (см. рис. 48, б) внешний
подвод тепла сопровождается повышением температуры
130
металла, сохраняющего свою кристаллическую решет-
ку, атомы в которой увеличивают амплитуду колебания
за счет поглощения тепловой энергии. На участке 2—3
подвод тепла продолжается, но он не приводит к по-
вышению температуры, т. е. подводимая энергия целиком
расходуется на разрушение кристаллической решетки и
переход атомов в неупорядоченное состояние. Внешне
это проявляется в переходе твердого состояния в жид-
кое. В точке 3 разрушаются последние участки кристал-
лической решетки и продолжающийся подвод тепла вы-
зывает повышение температуры жидкого металла
(3-4).
При охлаждении происходит обратный процесс. На
участке 5—6 происходит кристаллизация, сопровождаю-
щаяся выделением тепла, которое называется скрытой
теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла про-
исходит не строго при температуре плавления, а при
некотором переохлажде-
нии Д/, величина которо-
го зависит от природы
самого металла, от степе-
ни его загрязненности
различными включения-
ми и от скорости охлаж-
дения. Чем меньше за-
грязнен металл включе-
ниями, тем больше сте-
пень переохлаждения при
кристаллизации.
Образование кристал-
лической решетки сопро-
Рис. 49. Изменение свободной энер-»
гии жидкого и твердого .металла в
зависимости от температуры
9:
131
вождается уменьшением запаса внутренней энергии
тела.
Согласно второму закону термодинамики, всякая си-
стема стремится к минимальному значению свободной
энергии F—U—TS, где F— свободная энергия; U —
внутренняя энергия системы; Т — абсолютная темпера-
тура; S — энтропия. Изменение величины свободной
энергии в зависимости от температуры для твердого и
жидкого состояний схематически показано на рис. 49.
При температуре Тая свободные энергии обоих состо-
яний равны. Такую температуру называют равновесной
или теоретической температурой кристаллизации.
Как было отмечено, ни плавление, ни кристаллиза-
ция не происходят точно при этой температуре. Напри-
мер, для начала кристаллизации необходимо переох-
лаждение до Т{.
Разность между теоретической и фактической тем-
пературами кристаллизации называется степенью пере-
охлаждения ДГ=Тпл — Т[.
Законы кристаллизации
Механизм кристаллизации металла состоит в том,
что при соответствующем понижении температуры внут-
ри тигля с жидким металлом начинают образовываться
мелкие кристаллики, называемые центрами кристалли-
зации или зародышами.
Для того чтобы вокруг возникающих центров кри-
сталлизации начался рост кристаллов из жидкого ме-
талла, необходимо, чтобы свободная энергия металла
уменьшилась. Если же в результате образования заро-
дыша свободная энергия металла увеличивается, то
зародыш растворяется. Минимальный размер способно-
го к росту зародыша называется критическим размером
зародыша, а такой зародыш — устойчивым.
Чем больше степень переохлаждения, понижающая
свободную энергию металла, тем меньше критический
размер зародыша.
Вокруг образовавшихся центров начинают расти
кристаллы (рис. 50). По мере роста кристаллов в ме-
талле, оставшемся еще в жидком состоянии, продолжа-
ют возникать новые центры кристаллизации. Каждый
из растущих новых кристаллов ориентирован в про-
странстве произвольно. Как видно из схемы, поверхности
.132
растущих кристаллов соприкасаются друг с другом и
их правильная внешняя форма нарушается, получается
произвольной.
Кристаллы с неправильной внешней формой называ-
ются зернами или кристаллитами. Твердые тела, в том
числе и металлы, состоящие из большого количества
зерен, называют поликристаллическими.
5с 6с 7с
Рис. 50. Схема роста кристаллов (по И. Л. Миркину)
Как установлено Д. К- Черновым, процесс кристал-
лизации состоит из двух элементарных процессов: за-
рождения центров кристаллизации и роста кристаллов
из этих центров. Гораздо позже Тамман, изучая процесс
кристаллизации, установил зависимость числа центров
кристаллизации (ч. ц.) и скорости роста кристаллов
(с. к.) от степени переохлаждения ДГ (рис. 51).
Как видно из рис. 51, каждый из этих параметров из-
меняется по закону кривых распределения, т. е. ч. ц.
и с. к., возрастая с увеличением степени переохлажде-
ния, имеют максимум.
Размер образовавшихся кристаллов зависит от со-
отношения с. к. и ч. ц. при температуре кристаллизации,
т. е. от степени переохлаждения.
При равновесной температуре ч. ц. и с. к. равны
нулю, процесса кристаллизации не происходит. Если
жидкость переохладить до температуры, соответствую-
щей точке а, то образуются крупные зерна (см. рис. 51).
При переохлаждении, соответствующем точке Ь, образу-
ется мелкое зерно, так как в этом случае скорость роста
133
кристаллов незначительная, а центров кристаллизации
много. Если очень сильно переохладить жидкость (точ-
ка с на рис. 51), то ч. ц. и с. к. становятся равными
нулю, жидкость не
ное тело.
Для металлов,
переохлаждению,
только восходящие
кристаллизуется. Образуется аморф-
Рис. 51. Зависимость скорости ро-
ста кристаллов (с. к.) и скорости
зарождения центров кристаллиза-
ции (ч. ц.) от степени переохлаж-
дения AZ
обладающих малой склонностью к
экспериментально обнаруживаются
ветви кривых ч. ц. и с. к.
Размер зерен, образую-
щихся в процессе кристал-
лизации, зависит не только
от числа самопроизвольно
зарождающихся центров
кристаллизации, но и от ко-
личества частичек нераство-
римых примесей, всегда
имеющихся в жидком ме-
талле, которые играют роль
готовых центров кристалли-
зации. Такими частичками
могут быть окислы (напри-
мер, А120з), нитриды, суль-
фиды и другие соединения,
кристаллизации в данном
быть только такие твердые
Известно, что центрами
металле или сплаве могут
частицы, которые имеют небольшую разницу в размерах
атомов с атомами основного металла, их кристалличе-
ская решетка должна быть близка по своему строе-
нию и параметрам решетке кристаллизующегося ме-
талла.
Чем больше таких частичек, тем мельче зерна за-
кристаллизовавшегося металла.
Стенки изложниц и других форм, в которых происхо-
дит кристаллизация жидкого металла, обычно имеют
неровности, шероховатости. Эти неровности также влия-
ют на процесс кристаллизации, увеличивая скорость
кристаллизации.
Иногда в жидкий металл специально добавляют не-
большое количество тех или иных веществ, чтобы полу-
чить нужное строение металла в отливках (см. с. 371).
Такие добавки называют модификаторами, а сам про-
цесс модифицированием. Оказывая существенное влия-
ние на процесс кристаллизации жидкого сплава, моди-
фикаторы тем самым влияют на свойства отливок.
134
По механизму воздействия на процесс кристаллиза-
ции модификаторы можно разделить на две группы:
1) модификаторы, являющиеся дополнительными цент-
рами кристаллизации. К этой группе относятся модифи-
каторы, удовлетворяющие ранее указанные требования
для тугоплавких мелких частичек — дополнительных
центров кристаллизации; 2) модификаторы — поверх-
ностно активные вещества. Эти модификаторы раство-
ряются в жидком металле.
Осаждаясь на поверхности растущих кристаллов,
они образуют очень тонкий слой, который препятствует
дальнейшему росту этих кристаллов; металл получает-
ся мелкозернистым.
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА
Впервые схема строения стального слитка была дана
Д. К. Черновым. Описывая процесс кристаллизации, он
привел схему роста первичных кристаллов (рис. 52).
Форма таких кристаллов напоминает форму дерева, и
поэтому они называются дендритами. Такая форма кри-
сталлов объясняется тем, что возникшие в жидком ме-
талле зародыши растут главным образом в направле-
нии с минимальным расстоянием между атомами. Так
образуются оси первого порядка (ось К). Одновремен-
но с главной осью под определенными углами к ней
начинают расти оси второго порядка (оси т), от кото-
рых уже растут оси третьего порядка (оси п) и т. д.
Последние порции жидкого металла заполняют межос-
ные пространства. Правильная форма дендритов иска-
жается в результате их соприкосновения в процессе
роста. Дендриты можно видеть иа поверхности литого
металла, они образуют характерный рельеф. Обычно
их размеры невелики (до 2—3 см). Но Д. К. Чернов
обнаружил в усадочной раковине 100-т слитка дендрит
размером в 39 см.
На рис. 53 приведена схема строения стального
слитка. При соприкосновении с холодной стенкой из-
ложницы образуется зона мелких равноосных кристал-
лов 1. Объем твердого металла меньше жидкого, по-
этому между стенкой изложницы и застывшим метал-
лом образуется воздушная прослойка, кроме того, и
сама стенка нагревается от соприкосновения с метал-
лом. В результате скорость охлаждения металла умень-
135
шается. Рост кристаллов приобретает направленный
характер — они растут от стенки изложницы к центру
по направлению отвода тепла. Так образуется зона
столбчатых кристаллов 2. Это явление как бы прора-
стания длинными кристаллами толщи слитка носит на-
звание транскристаллизации. Образующаяся зона еще
более замедляет отдачу тепла наружу, скорость охлаж-
дения все более и более уменьшается. Тогда образует-
Рис. ВЗ. Схема стального слитка
ся зона крупных неориен-
тированных кристал-
лов 3.
В жидком металле
всегда содержится какое-
то количество растворен-
ных газов, поэтому в объ-
еме слитка при его
охлаждении будут обра-
зовываться газовые пузы-
ры и раковины. Если
сталь недостаточно рас-
кислена (так называемая
кипящая сталь), то газо-
вые пузыри будут обра-
зовываться по всему объ-
136
ему слитка. Если же сталь хорошо раскислена (так на-
зываемая спокойная сталь), то ее отливают в изложницы
с утепленной прибыльной надставкой. В этом месте бу-
дут кристаллизоваться последние порции жидкого ме-
талла. Здесь будут собираться газы. При этом образует-
ся большая пустота (см. рис. 53,4), называемая усадоч-
ной раковиной. Около усадочной раковины металл будет
менее плотным, рыхлым. Поэтому после прокатки слит-
ков спокойной стали верхнюю (прибыльную) часть слит-
ка (около 15—20% от длины слитка) отрезают. При про-
катке форма первичных кристаллов литого металла из-
меняется. Дендриты деформируются, вытягиваются
вдоль направления течения металла, превращаются в так
называемые волокна. Места стыков кристаллов имеют
меньшую прочность, поэтому вдоль волокон деформиро-
ванная сталь обладает большей прочностью и вязко-
стью, чем поперек.
СТРУКТУРНЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ
Современные металлы и сплавы, различаясь по со-
ставу и строению, обладают разнообразными свойства-
ми. Используя какой-либо один метод, даже очень со-
вершенный, не представляется возможным получить
полную информацию о свойствах данного металла или
сплава. Поэтому в любой лаборатории обычно приме-
няют не один, а несколько методов анализа, которые
дополняют друг друга.
Определение химического состава
Как правило, изучение свойств металлов или метал-
лических сплавов начинается с определения химическо-
го состава.
Химический состав определяют главным образом
методами количественного анализа. В тех случаях, ког-
да не требуется очень большой точности, но необходи-
ма скорость определения состава, используют спект-
ральный анализ.
Более точные сведения о составе дает рентгеноспек-
тральный анализ. Одной из разновидностей установок
для рентгеноспектрального анализа являются так назы-
ваемые микроанализаторы различных конструкций, по-
зволяющие определять состав различных фаз, входящих
137
в состав сплава, а также состав различных участков
даже одного зерна, характеристики диффузионной под-
вижности атомов при химико-термической обработке, в
процессе старения и т. и.
Размеры микрообластей при подобных исследовани-
ях лежат в интервале от 100 до 0,01 мкм.
Структурные методы исследования
Метод макроструктурного анализа (макроанализ)
заключается в изучении строения металлов и сплавов
невооруженным глазом или, например, при небольших
увеличениях с помощью лупы.
Макроанализ осуществляют чаще всего после пред-
варительной подготовки исследуемой поверхности —
после шлифования и травления специальными реакти-
вами. Макроанализ позволяет наблюдать одновременно
большую поверхность образца или детали. При помощи
макроструктурного анализа можно установить вид изло-
ма (вязкий, хрупкий), величину, форму и расположение
зерен и дендритов литого металла, характер предшест-
вующей обработки металла и т. д. Кроме того, макро-
анализ дает возможность обнаружить газовые пузыри,
усадочные пустоты, трещины, ликвацию серы, фосфора
и т. д.
Ликвацией называется неоднородность химического
состава в сплавах. Различают три вида ликвации: зо-
нальную, по удельному весу, и дендритную (внутри-
кристаллическую).
- Зональная ликвация наблюдается в объеме
слитка (см. рис. 53). По мере кристаллизации металл
слитка будет все более обогащаться различными при-
месями, поэтому химический состав зон 1—3 будет раз-
личным.
Ликва.ция по плотности (удельному весу)
наблюдается при сплавлении металлов, сильно разли-
чающихся по плотности (удельному весу). Так, в спла-
вах системы свинец — сурьма верхняя часть слитка бу-
дет обогащена сурьмой, а нижняя — свинцом, тем са-
мым отличаясь от среднего состава сплава.
Дендритная ликвация наблюдается в объеме
одного зерна. Чем больше температурный интервал
между началом и концом кристаллизации, тем больше
будут отличаться по составу отдельные участки внутри
138
зерен. В дендритах (см. рис. 52) оси первого порядка обо-
гащены более тугоплавким компонентом и в них содер-
жание различных примесей бывает наиболее низким.
Кристаллизующиеся в конце междендритные прост-
ранства содержат наибольшее количество более легко-
плавких компонентов и различных примесей.
В большинстве случаев ликвация является нежела-
тельным явлением, так как в результате неоднородно-
сти химического состава сплава по сечению изделия по-
лучаются различия в свойствах.
Изучение макроструктуры нередко дополняется так-
же исследованием излома металла, что позволяет су-
дить о причинах разрушения (усталостный излом, зака-
лочные трещины и т. п.).
Методом микроструктурного анализа изучают по-
верхностное строение металлов и сплавов при помощи
оптических микроскопов при относительно больших уве-
личениях — обычно от 50 до 2000 раз. При таких увели-
чениях можно обнаружить элементы структуры разме-
ром до 0,2 мкм. Изучение микроструктуры проводят на
специально приготовленных образцах—микрошлифах.
Микрошлифы должны иметь зеркально блестящую по-
верхность, потому что структуру металлов и сплавов,
как тел непрозрачных, рассматривают в отраженном
свете Ч
Под микроскопом на микрошлифе после полирова-
ния можно увидеть микротрещины и неметаллические
включения (графит в чугунах, оксиды, сульфиды и т. д.)
Для выявления самой микроструктуры металла поверх-
ность шлифа травят, т. е. обрабатывают специальными
реактивами, состав которых зависит от состава метал-
ла. Выявление микроструктуры при травлении основано
на том, что различные фазы протравливаются неодина-
ково и, таким образом, окрашиваются по-разному. В ре-
зультате травления микрошлифов чистых металлов воз-
можно выявить форму и размеры отдельных зерен. Мик-
роанализ позволяет установить величину, форму и ори-
ентировку зерен, отдельные фазы и структурные состав-
ляющие, изменение внутреннего строения металлов и
сплавов в зависимости от условий их получения и обра-
ботки и т. д.
1 Устройство микроскопов приведено в руководствах к лабора-
торным работам по металловедению.
139
При необходимости рассмотрения деталей структуры
за пределами разрешающей способности оптических
металломикроскопов (4Х10-4 мм) применяют электрон-
ный микроскоп, в котором изображение формируется
при помощи потока быстро летящих электронов. Разли-
чают косвенные и прямые методы исследования структу-
ры. Косвенные методы основаны на специальной техни-
ке приготовления тонких слепков — пленок (реплик),
отображающих рельеф травленого шлифа. Исследуя по-
лученную реплику, можно наблюдать детали структу-
ры, минимальный размер которых равен 2—5 нм (20—
50 А).
Прямые методы позволяют исследовать тонкие ме-
таллические фольги толщиной до 300 нм (3000 А) на
просвет с помощью электронных микроскопов высокого
разрешения (микроскопы УЭМВ-100, УЭМВ-100А,
УЭМВ-ЮОВ).
Разрешающая способность таких микроскопов дос-
О
тигает 0,3—0,5 нм (3—5 А). Этот метод дает возмож-
ность наблюдать даже различные несовершенства крис-
таллического строения: дислокации, дефекты упаковки,
скопления вакансий и т. д.
При изучении механизма и кинетики разрушения
анализ излома с помощью фрактографии дает возмож-
ность определять характер разрушения (хрупкое, плас-
тичное, внутризеренное, межзеренное) и относительную
скорость процесса, а также изменение этих характерис-
тик по мере развития трещины, вследствие которой про-
изошло разделение тела.
При изучении излома можно выявить зоны, в кото-
рых наиболее неблагоприятно сочетались условия на-
гружения, что нельзя выявить другими методиками, а
также получить сведения о том, как протекал процесс
разрушения. Информация, которую можно получить,
применив макроанализ, оказывается очень ограничен-
ной. Поэтому в настоящее время для фрактографии ис-
пользуют различные приборы вплоть до электронных
микроскопов (растровые электронные микроскопы
РЭМН2, РЭМ200 и др.)
Для изучения атомнокристаллической структуры
твердых тел широко применяют рентгенографические
методы исследования, позволяющие устанавливать
140
связь между химическим составом вещества, его крис-
таллической структурой и свойствами.
С помощью рентгеноструктурного анализа возможно
определение степени совершенства кристаллов, типа
твердых растворов, величины микронапряжений. Кроме
того, он дает возможность детально изучить те струк-
турные изменения, которые происходят в сплавах при
термической обработке, пластической деформации, оп-
ределять концентрации дефектов упаковки, плотность
дислокаций и т. п. Разрешающая способность установок
О
очень велика и достигает 10-3 А.
Физические методы
Метод термического анализа (иначе физико-химиче-
ского) основан на явлении теплового эффекта. Фазо-
вые превращения в сплавах, например появление твер-
дой фазы в начале кристаллизации (или плавление при
нагревании), переход металла в твердом состоянии из
одной формы кристаллического строения в другую, рас-
творение или выделение избыточной фазы и т.д., сопро-
вождаются тепловым эффектом. В соответствии с этим
на кривых измерений, построенных в координатных осях
температура— время, при температурах фазовых пре-
вращений наблюдаются точки перегиба или температур-
ные остановки Температуры, соответствующие фазо-
вым превращениям, называются критическими точками.
Дилатометрический метод. При нагреве металлов и
сплавов происходит изменение объема и линейных раз-
меров тела — тепловое расширение. Если эти изменения
обусловлены только увеличением энергии колебаний
атомов за счет повышения температуры, то при возвра-
щении температуры к прежнему уровню восстанавлива-
ются и исходные размеры тела.
Если же в теле при нагреве (или охлаждении) про-
исходят фазовые превращения, то изменения размеров
могут быть необратимыми.
Изменения размеров тел, связанные с нагревом и
охлаждением, изучают на специальных приборах — ди-
латометрах.
Дилатометрический метод позволяет определять кри-
тические точки металлов и сплавов, изучать процессы
1 Перегибы на кривой нагрева или охлаждения наблюдаются в
том случае, если превращение происходит в интервале температур.
141
распада твердых растворов,.а также дает возможность
установить температурные интервалы существования
упрочняющих фаз и т. п. Достоинство этих приборов —
высокая чувствительность и независимость показаний
от скорости изменения температуры.
Высокую чувствительность электрических методов из-
мерения также широко используют при исследовании
фазовых превращений, дефектов тонкой структуры и
других явлений, происходящих в металлах и сплавах,
которые невозможно изучать другими методами иссле-
дования.
Электрическое сопротивление измеряют с помощью
различных мостовых схем, а также компенсационными
методами.
Различные способы магнитного анализа используют
при исследовании процессов, связанных с переходом из
парамагнитного состояния в ферромагнитное (или нао-
борот), причем возможна количественная оценка этих
процессов. Магнитный анализ широко применяют при
решении задач практического металловедения, напри-
мер таких, как исследование влияния на структуру ре-
жимов термической обработки (см. гл. VII), деформа-
ции, легирования и т. д. Возможно использование маг-
нитного анализа и для решения некоторых более слож-
ных задач физического металловедения.
Метод внутреннего трения основан на изучении не-
обратимых потерь энергии механических колебаний
внутри твердого тела.
Используя этот метод, можно рассчитать коэффици-
енты диффузии с высокой точностью, в том числе и при
низких температурах, где никакой другой метод непри-
меним; определять изменение концентрации твердых
растворов; распределение примесей; получить информа-
цию о фазовых и полиморфных превращениях и изме-
нениях дислокационной структуры.
Глава 2
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
Чистые металлы находят довольно ограниченное при-
менение. Их используют главным образом в электрора-
диотехнике (проводниковые, электровакуумные и дру-
142
гие материалы). Основными конструкционными мате-
риалами являются металлические сплавы. Сплавом на-
зывают вещество, полученное сплавлением двух или бо-
лее элементов (компонентов). Сплав, приготовленный
преимущественно из металлических элементов и обла-
дающий металлическими свойствами называется метал-
лическим сплавом.
Металлические сплавы можно также получать мето-
дами порошковой металлургии, диффузией и другими
методами. Преимущественное использование в технике
металлических сплавов объясняется тем, что они обла-
дают более ценными, чем чистые металлы, комплексами
механических, физических и технологических свойств.
К основным понятиям в теории сплавов относятся
система, компонент, фаза.
Система — группа тел, выделяемых для наблюдений
и изучения. В металловедении системами являются ме-
таллы и металлические сплавы. Чистый металл является
простой (однокомпонентной) системой. Сплавы состоят
из двух или большего числа компонентов и являются
сложными системами.
Компонентами называют вещества, образующие сис-
тему, взятые в наименьшем числе. В металлических спла-
вах компонентами могут быть элементы (металлы и не-
металлы) и химические соединения (не диссоциирующие
при нагревании).
Фазой называется однородная часть системы, отде-
ленная от другой части системы (фазы) поверхностью
раздела, при переходе через которую химический состав
или структура изменяются скачком. Например, при кри-
сталлизации чистого металла в системе имеются две фа-
зы: жидкая (расплавленный металл) и твердая (зерна
затвердевшего металла). В твердых сплавах фазами мо-
гут быть зерна чистого металла, зерна твердого раство-
ра и зерна химического соединения.
Почти все металлы в жидком состоянии растворяются
друг в друге в любых соотношениях. В результате раст-
ворения образуется однородный жидкий раствор с рав-
номерным распределение атомов одного металла среди
атомов другого металла. Благодаря указанному взаи-
модействию на практике с целью равномерного распре-
деления веществ в сплаве, как правило, прибегают к их
расплавлению. Только лишь очень немногие металлы,
главным образом сильно различающиеся размерами сво-
143
их атомов, не растворяются друг в друге в жидком со-
стоянии. Также немногие металлы растворяются в жид-
ком состоянии ограниченно.
При образовании сплавов в процессе их затвердева-
ния возможно различное взаимодействие компонентов.
Если в процессе кристаллизации сила взаимодействия
между однородными атомами окажется больше силы вза-
имодействия между разнородными атомами, то после
кристаллизации образуется механическая смесь, состоя-
щая из зерен чистых металлов. В этом случае в твердом
сплаве будут присутствовать зерна одного чистого метал-
ла и рядом с ними зерна другого чистого металла. Такая
форма взаимодействия возникает при большом различии
в свойствах входящих в сплав металлов.
Другой формой взаимодействия между веществами,
входящими в состав сплава, является образование твер-
дых растворов. В твердом растворе так же, как и в чи-
стых металлах, атомы в пространстве расположены за-
кономерно, образуя кристаллическую решетку. Этим они
и отличаются от жидких растворов. В твердом растворе
одно из входящих в состав сплава веществ сохраняет
присущую ему кристаллическую решетку, а второе
вещество, утратив свое кристаллическое строение, в виде
отдельных атомов распределяется в кристаллической ре-
шетке первого. Первое вещество является растворителем,
а второе — растворимым. В зависимости от характера
распределения атомов растворимого элемента различают
твердые растворы внедрения, замещения и вычитания.
Независимо от типа твердого раствора общим для них
яляется то, что они однофазны и существуют в интервале
концентраций. Для твердых растворов характерен метал-
лический тип связи.
В твердых растворах внедрения атомы растворимого
элемента распределяются в кристаллической решетке ме-
талла-растворителя, занимая места между его атомами
(рис. 54, а). Ранее было отмечено, что у металлов атомы
в кристаллической решетке располагаются близко друг к
другу и пустоты между ними имеют малые размеры. Раз-
меститься в таких пустотах могут только атомы с очень
малыми размерами.
Наименьшие размеры атомов имеют некоторые метал-
лоиды — водород, азот, углерод, бор, которые и образу-
ют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у
этих элементов размер атомов несколько превышает раз-
144
мер межатомных промежутков в кристаллической решет-
ке металлов, поэтому при образовании твердых раство-
ров внедрения решетка искажается и в ней возникают
напряжения. При этом концентрация твердого раствора
внедрения не может быть высокой: она редко превышает
1-2%.
В твердых растворах замещения атомы растворимого
элемента занимают места атомов основного металла
о
о • о
о •
ооо°ооо°о
о°3°о2э°о
о о о о
О О»о о Q
О О О ГОД
о о о о о
о О о о •
о • о о
•о°о°офо°
•о°о*о°о*
ООО о о
о о о о
о • О о •
6
атомы могут замещать атомы
а
о
о
о
о
о
о •
о
о
о
о
в
о •
• о
Рис. 54. Двухмерная модель ре-
шетки:
а — твердый раствор внедрения;
б—твердый раствор замещения;
в —твердый раствор вычитания.
Черный кружок — посторонний
атом
(рис. 54,6). Посторонние
растворителя в любых местах, поэтому такие растворы
называют неупорядоченными твердыми растворами. Раз-
меры атомов растворимого элемента всегда отличаются
от размеров атомов растворителя (они больше или мень-
ше), поэтому при образовании твердого раствора заме-
щения кристаллическая решетка металла-растворителя
немного искажается, не утрачивая при этом своего ос-
новного строения.
Твердые растворы замещения могут быть ограничен-
ными и неограниченными. Одно из условий неограничен-
ной растворимости — размерный фактор: чем больше раз-
личие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.
Неограниченная растворимость компонентов присуща
системам, в которых атомные радиусы элементов разли-
чаются не более чем на 8—15%. Кроме того, они должны
быть изоморфными (иметь близкие по типу и по парамет-
рам кристаллические решетки). В таблице Д. И. Менде-
леева такие элементы расположены близко, например
системы Fett—Сг, Си—Ni, Со—Ni, Ti—V и др.
С понижением температуры в твердых растворах за-
мещения может произойти процесс перераспределения
атомов, в результате которого атомы растворенного эле-
мента займут строго определенные места в решетке раст-
ворителя. Такие твердые растворы называют упорядо-
ченными твердыми растворами, а их структуру — сверх-
структурой. Температуру перехода неупорядоченного
состояния в упорядоченное называют «точкой Курна-
10—481
145
кова». Упорядоченные твердые растворы характеризу-
ются большей твердостью, меньшей пластичностью и
электросопротивлением. Их можно рассматривать как
промежуточные фазы между твердыми растворами и
химическими соединениями.
Твердые растворы вычитания (их иногда называют
растворами с дефектной решеткой) образуются на основе
некоторых химических соединений, когда к этому хими-
ческому соединению добавляется один из входящих в его
формулу элементов (растворимое). Атомы этого элемен-
та занимают нормальные положения в решетке соедине-
ния, а места, где должны были бы находиться атомы
второго компонента, оказываются незаполненными, пус-
тыми (рис. 54,в). Твердые растворы вычитания образу-
ются, например, при сплавлении химического соединения
Ni Al с алюминием, карбида титана TiC с титаном, при
окислении железа, когда соединение FeO растворяет кис-
лород, и т. п.
Образование любого типа твердых растворов сопро-
вождается изменением параметров решетки металла-
растворителя. Это является важным моментом, опреде-
ляющим изменение свойств твердого раствора.
Химические соединения чаще всего образуются между
элементами, расположенными далеко друг от друга в
таблице Д. И. Менделеева, т. е. существенно различаю-
щимися по своему строению и свойствам, если сила взаи-
модействия между разнородными атомами больше, чем
сила взаимодействия между атомами однородными.
Химические соединения имеют ряд особенностей, от-
личающих их от твердых растворов: а) соотношение чи-
сел атомов элементов, образующих соединение, строго
определенное, соответствующее стехиометрической про-
порции, выраженной формулой вида АпВт; б) они име-
ют свою кристаллическую решетку, отличную от реше-
ток элементов, образовавших это соединение, с правиль-
ным упорядоченным расположением атомов компонентов
в кристаллической решетке; в) свойства соединения за-
метно отличаются от свойств исходных элементов; г) как
и чистые металлы, они имеют постоянную температуру
плавления (диссоциации). Химические соединения, как
правило, обладают большой твердостью и очень хрупкие.
Кроме твердых растворов и химических соединений,
в металлических сплавах встречаются фазы, которые по
строению и свойствам не относятся ни к первым, ни ко
146
вторым; они являются промежуточными. Как и химичес-
кие соединения, они имеют свою, отличную от образую-
щих их компонентов, кристаллическую решетку, но в то
же время они могут существовать в интервале концент-
раций, как и твердые растворы.
Промежуточные фазы многочисленны и разнообраз-
ны. Эти соединения не подчиняются правилам нормаль-
ной валентности. Кратко рассмотрим наиболее распро-
страненные из них.
Интерметаллиды, — соединения между металлами. Например,
CuA12, MoFe2, NigTi и др.
Металлические соединения — для них характерен металлический
тип связи. К ним относятся фазы внедрения — соединения переход-
ных металлов с Н, С, В и N (гидриды, карбиды, бориды и нитриды).
Для фаз внедрения характерно отношение малого диаметра к боль-
шому в пределах 0,41—0,59. Фазы внедрения обладают высокой
твердостью и очень тугоплавки.
Электронные соединения (фазы Юм-Розери) характеризуются
определенным отношением числа валентных электронов к числу ато-
мов (электронной концентрацией). Электронные соединения образу-
ются при взаимодействии металлов I класса (Си, Ag, Au, Мп, Fe,
Со, Ni и некоторые другие) с металлами II класса (Zn, Al, Sn, Si,
Cd, Mg и др.). Экспериментально установлено три типа таких соеди-
нений:
1) P-фаза, электронная концентрация 3/г, решетка о. ц. к.—
CuBe, СизА1, CusSn и др.;
2) у-фаза, электронная концентрация 21/13, решетка сложная
кубическая — Cu5Zn8, Cu3Sn8, Ag5H8, Fe6Zn2i и др.;
3) е-фаза, электронная концентрация 7/4, решетка г. п. у. —
Cu3Sn, Ag5Al3, CuZn3, AuCd3 и др.
Электронные соединения могут образовывать с компоиеитами,
из которых они состоят, твердые растворы в широком интервале
концентраций.
ПОНЯТИЕ О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ
Диаграмма состояния — графическое изображение со-
стояния любого сплава изучаемой системы в зависимости
от его концентрации и температуры. Диаграмма состоя-
ния показывает равновесные, устойчивые состояния, т. е.
такие, которые при данных условиях обладают мини-
мальной свободной энергией. Теоретическое и практиче-
ское значения диаграмм состояния очень велики. Изуче-
ние любого сплава прежде всего начинается с построе-
ния и анализа диаграммы состояния соответствующей
системы, так как диаграмма состояния дает возможность
изучать фазы и структурные составляющие сплава.
10*
147
Пользуясь диаграммой состояния, можно установить
возможность проведения термической обработки и ее
режимы, температуры литья, горячей пластической де-
формации и т. д.
Теоретические основы для разработки диаграмм со-
стояния дал основоположник научного металловедения
Д. К. Чернов, открывший в шестидесятых годах прошло-
го столетия фазовые (структурные) превращения в же-
лезе и стали. Большой вклад в изучение диаграмм со-
стояния внес акад. Н. С. Курнаков со своими учениками.
Его школой было построено и изучено значительное ко-
личество диаграмм состояния двухкомпонентных и мно-
гокомпонентных систем.
В любой системе количество фаз, находящихся в рав-
новесии, зависит от внутренних и внешних условий. За-
кономерности всех изменений, происходящих в системе,
подчинены общему закону равновесия, который называ-
ется правилом фаз или законом Гиббса1.
Правило фаз выражает зависимость между числом
степеней свободы с (вариантностью), числом компонен-
тов k и числом фаз системы f, находящихся в равновесии.
В общем виде c=k—f-{-p. Здесь р — число перемен-
ных внешних факторов равновесия (температура и дав-
ление) .
Степенями свободы называют независимые термоди-
намические параметры, которым можно придавать про-
извольные (в некотором интервале) значения так, чтобы
не изменялись фазовые состояния (не исчезали старые
фазы и не появлялись новые).
Обычно все превращения в металлах и сплавах про-
исходят при постоянном атмосферном давлении. Тогда
правило фаз записывают так: c=k—
Уравнение правила фаз позволяет корректировать
правильность построения диаграмм состояния.
Построение диаграмм состояния осуществляют раз-
личными экспериментальными методами. Наиболее часто
пользуются методом термического анализа. Эксперимен-
тальная сущность этого метода заключается в следую-
щем. Отбирают несколько сплавов данной системы с
различным соотношением масс входящих в них компонен-
тов. Сплавы помещают в огнеупорные тигли и нагрева-
ют в печи. Затем после расплавления сплавов тигли со
1 Подробно рассмотрено в курсе физической химии.
148
Рис. 55. Кривые охлаждения сплавов и построение диаграммы состояния
сплавов системы РЬ—Sb
сплавами медленно охлаждают и фиксируют скорость ох-
лаждения с помощью термопары и секундомера. По по-
лученным данным строят термические кривые в коорди-
натах время — температура.
В результате измерений получают серию кривых ох-
лаждения, на которых при температурах фазовых прев-
ращений наблюдаются точки перегибов и температур-
ные остановки. Температуры, соответствующие фазовым
превращениям, называются критическими точками.
149
Точки, отвечающие началу кристаллизации, называ-
ют точками ликвидус (точки 1 на рис. 55, а). Точки, от-
вечающие концу кристаллизации, называются точками
солидус (точки 2' на рис. 55, а).
По полученным кривым охлаждения (критическим
точкам) для различных сплавов изучаемой системы стро-
ят диаграмму состояния в координатах: по оси абсцисс —
концентрация компонентов, по оси ординат — темпе-
ратура.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
С ПРАКТИЧЕСКИМ ОТСУТСТВИЕМ
РАСТВОРИМОСТИ КОМПОНЕНТОВ
В ТВЕРДОМ состоянии
Сплавы таких компонентов при переходе из жидкого
состояния в твердое образуют механическую смесь зерен
чистых металлов. К числу таких систем относятся Sn —
Zn, Pb — Sb и немногие другие.
Рассмотрим кривые охлаждения сплавов системы
РЬ — Sb,, имеющих различный химический состав1 (см.
рис. 55, а)
Кристаллизация чистого свинца (см. рис. 55, кривая
I) начинается в точке 1 и заканчивается в точке Г. Кри-
сталлизация протекает при ~постоянной температуре
327° С. Выше этой температуры свинец находится в жид-
ком состоянии, ниже (отрезок 1'—2) свинец находится
в твердом состоянии; происходит только его охлаждение.
На участке 1—Г в соответствии с правилом фаз k=\
(чистый свинец), f=2 (жидкий свинец и кристаллы
свинца). Следовательно, c=k—= l—2+1=0, т. е
изменения температуры не должно происходить.
Аналогично происходит и кристаллизация сурьмы
при температуре 630° С (кривая V)
Кривая охлаждения сплава III (13% Sb и 87%РЬ)
аналогична кривым охлаждения свинца и сурьмы. На
кривой охлаждения имеется также только одна темпера-
турная остановка 2—2', т. е. кристаллизация этого спла-
ва происходит при постоянной температуре 246° С. Осо-
бенность кристаллизации сплава заключается в том, что
происходит одновременная кристаллизация обоих ком-
понентов, т. е. одновременно появляются и растут кри-
сталлы свинца и сурьмы, и, таким образом, образуется
1 На этих кривых переохлаждение не учитывается.
150
мелкокристаллическая механическая смесь обоих компо-
нентов.
Механическая смесь двух (или более) разнородных
кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жид-
кости, называется эвтектикой (от греческого эв — тэо —•
легкоплавящаяся).
Температура кристаллизации или при нагреве темпе-
ратура плавления (Ткр^Т’пл) сплавов эвтектического со-
става наименьщая по сравнению с любым другим спла-
вом этой системы.
В точке 2' кристаллизация заканчивается и далее
(отрезок 2'—3) происходит только охлаждение затвер-
девшего сплава. Для этого случая по правилу фаз име-
ем К=2 (сурьма и свинец), f=3 (кристаллы свинца и
сурьмы и жидкий сплав), с=0. Так как с=0, то кри-
сталлизация сплава эвтектического состава должна про-
текать при постоянной температуре.
Кристаллизация сплава II (5% Sb и 95%РЬ) проис-
ходит иначе, чем сплавов I, V и III. На кривой охлажде-
ния этого сплава имеются две критические точки: точка
перегиба 1 (296° С) и температурная остановка 2—2'
(246°С). Выше точки 1 сплав находится в жидком со-
стоянии, в точке 1 начинается кристаллизация сплава —
появляются первые зародыши зерен свинца. Выделение
и рост зерен избыточного свинца продолжаются до точ-
ки 2. При этой температуре часть сплава, оставшаяся в
жидком состоянии, будет иметь эвтектический состав
(13% Sb и 87% РЬ) и кристаллизация будет происходить
при постоянной температуре, равной температуре кри-
сталлизации эвтектики (отрезок 2—2'). В точке 2' кри-
сталлизация заканчивается, отрезок 2'—3—охлаждение
затвердевшего сплава.
При кристаллизации сплава IV (40% Sb и 60% РЬ)
на кривой охлаждения также имеются две критические
точки: точка перегиба 1 (395°С), соответствующая на-
чалу кристаллизации сплава, и температурная остановка
2—2' (246° С). Сказанное о кристаллизации сплава II
относится и к сплаву IV, отличие лишь в том, что в точке
1 в процессе кристаллизации происходит образование
кристаллов сурьмы.
Характерная особенность кристаллизации сплавов II
и IV заключается в следующем: кристаллизация проис-
ходит в интервале температур от точки / до точки 2. Это
подтверждается и правилом фаз. На участке I—2 име-
151
ются две фазы: жидкость и кристаллы свинца (сплав II)
или жидкость и кристаллы сурьмы (сплав IV). Отсюда
с—2—2+1 = 1, т. е. температура будет переменной.
Полученные критические точки переносят на диаграм-
му, где координатами будут концентрация и температура.
Если затем соединить линией все точки начала кристал-
лизации (линия АСВ) и точки конца кристаллизации (ли-
ния DCF), то получим диаграмму состояния системы
РЬ — Sb (рис. 55, а). Линия АСВ, представляющая собой
геометрическое место точек ликвидус, называется лини-
ей ликвидус, выше этой линии все сплавы находятся в
жидком состоянии. Линия DCF — геометрическое место
точек солидус — называется линией солидус, ниже этой
линии все сплавы находятся в твердом состоянии.
На рис. 55, б приведена диаграмма состояний РЬ—Sb,
по с указанием фазового состава и структуры в различ-
ай
пых областях диаграммы. Сплавы, расположенные левее
точки С, т. е. содержащие меньше 13% Sb, называются
доэвтектическими. Структура одного из таких сплавов
показана на рис. 56, а (видны избыточные кристаллы
свинца, которые кристаллизовались между линией АС и
DC, а также видна эвтектика, состоящая из мелких кри-
сталлов свинца и сурьмы).
Сплав, отвечающий составу эвтектики (13% Sb), на-
зывается эвтектическим (рис. 56, б).
Сплавы, лежащие правее точки С (содержащие боль-
ше 13% Sb), называются заэвтектическими. Их структу-
ра — избыточные кристаллы сурьмы и эвтектика (рис.
56, в)
Пользуясь диаграммой состояния, можно легко опре-
делить температуру начала и конца плавления для лю-
бого сплава данной системы (а также структурные со-
ставляющие, которые имеет сплав в твердом состоянии).
Для этого на оси абсцисс находят точку, отвечающую
концентрации рассматриваемого сплава, и через нее про-
водят вертикальную линию (линию сплава). Точки пе-
ресечения с линиями солидус и ликвидус соответствуют
температурам начала и конца плавления.
Пользуясь диаграммой состояния, можно для любой
температуры определить не только число фаз, но и их со-
став и количественное соотношение, применив правило
отрезков.
Правило отрезков (правило рычага)
Это правило может быть использовано только для тех
областей диаграммы, в которых сплавы находятся в двух-
фазном состоянии. Предположим, следует определить со-
став фаз для сплава 1 при Л (см. рис. 55,6, точка, а).
Для этого через точку а, характеризующую состояние
данного сплава, надо провести горизонтальную линию
(коноду) до пересечения с линиями диаграммы состоя-
ния, ограничивающими данную двухфазную область
(см. рис. 55,6, линия bq). Точки пересечения b и q про-
ектируют на ось концентраций. Проекция точки b точка
Ь' покажет состав жидкой фазы, а точки q — точка q'—
твердой фазы (для данной системы это чистая сурьма).
С понижением температуры состав фаз будет изменять-
ся. За счет роста зерен сурьмы содержание ее в жидком
сплаве будет уменьшаться. При температуре t2 состав
153
жидкой среды определяется проекцией точки т на ось
концентраций, т. е. точкой т'.
При 246° С состав жидкой фазы определяется соот-
ветственно точкой С (13% Sb). Таким образом, незави-
симо от общего содержания компонентов в сплаве эвтек-
тика во всех сплавах данной системы будет иметь один
и тот же химический состав.
Второе положение правила отрезков позволяет опре-
делять количественное соотношение фаз при любой тем-
пературе. Для этого также проводят через точку а коно-
ду. Количество (масса) фаз обратно пропорционально
отрезкам проведенной коноды.
Если принять, что отрезок bq выражает количество
всего сплава, то количество выделившейся избыточной
сурьмы соответствует отрезку Ьа, жидкой фазы — отрез-
ку aq. Для определения относительного количества фаз
пользуются отношениями: QwlQc=aqlbq-,
= balbq\ Qw/Qsb =aq/ba, где Qw— количество жидкого
расплава; Qsb—количество кристаллов сурьмы; Qc —
количество всего сплава.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
С неограниченной растворимостью компонентов
В ТВЕРДОМ состоянии
В твердом состоянии в любых соотношениях могут
растворяться такие металлы, которые имеют одинаковую
кристаллическую решетку с мало различающимися па-
раметрами, например медь и никель, которые имеют
г.ц.к. решетку с параметром около 0,36 нм (3,5 А), или
a-железо и хром, имеющие о. ц. к. решетку с параметра-
ми около 0,29 нм (2,9 А) и др.
Кривые охлаждения системы Си — Ni всех сплавов
данной системы имеют вид, представленный на рис. 57.
Для чистых металлов кривые охлаждения имеют вид,
аналогичный кривым I и V, приведенным на рис. 55, а.
При температурах Л (рис. 57, точка 1, сплавы I и
II) находятся в состоянии однородного жидкого рас-
твора, в котором атомы меди равномерно перемеша-
ны с атомами никеля. При температуре жидкий рас-
твор становится насыщенным по отношению к а-фазе,
начинается кристаллизация сплава, что сопровождается
уменьшением скорости охлаждения. В интервале тем-
154
ператур tK—tK находятся насыщенные жидкий и твер-
дый растворы, состав которых изменяется по линии
ликвидус АСВ и солидус ADB соответственно.
При температуре tK кристаллизация заканчивается и
ниже этой температуры охлаждается ненасыщенный
твердый раствор а без каких-либо превращений.
Рис. 57. Диаграмма состояния сплавов меди с никелем:
<н. — температура начала кристаллизации; <к, 6 — температура конца кри-
сталлизации
Проведем анализ данной программы на примере ка-
кого-либо конкретного сплава, например содержащего
60% Ni (рис. 57).
В точке а сплав находится в жидком состоянии. При
/г начинается кристаллизация сплава, которая заканчи-
вается при t3. Применим правило отрезков. Точка Sb
спроектированная на ось концентраций, покажет состав
первых образовавшихся кристаллов твердого раствора
а. При дальнейшем охлаждении состав кристаллов бу-
дет изменяться от точки Si до точки S3, а состав жид-
кой фазы — от точки /1 до точки /3. Таким образом,
в процессе кристаллизации состав растущих кристаллов
будет изменяться в сторону уменьшения содержания
никеля.
Это можно записать более кратко:
^3
--” “Sj-S,-
Ниже температуры f3 происходит охлаждение твердого
раствора а.
155
Пользуясь вторым положением правила отрезков,
можно определить количественное соотношение фаз для
любой температуры.
Скорость приращения количества твердой фазы при
понижении температуры называется темпом кристалли-
зации.
Чем больше температурный интервал кристаллиза-
ции сплава, т. е. чем больше расстояние между линией
ликвидус и солидус, тем больше проявляется дендрит-
ная ликвация.
Обычно это явление нежелательно, но для подшип-
никовых сплавов оно находит практическое использова-
ние (см. с. 377).
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ КОМПОНЕНТОВ
В ТВЕРДОМ состоянии
Диаграмма состояния с эвтектикой. Эта диаграмма
представлена на рис. 58, а. Здесь компоненты обозначе-
ны А и В, фазы L, а, р, где a-твердый раствор атомов
компонента В в кристаллической решетке компонента
А, а p-твердый раствор атомов компонента А в крис-
таллической решетке компонента В. Линия ECF явля-
ется линией ликвидус, а линия EDCKF— линией соли-
дус. Линии DM и KN показывают предельную раство-
римость компонентов.
Пользуясь правилом фаз и правилом отрезков, мож-
но проследить за процессом кристаллизации любого
сплава. Кристаллизация сплавов I и III аналогична
кристаллизации сплавов в системе Си—Ni. Выше точки
1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начи-
нается и в точке 2 заканчивается кристаллизация спла-
ва. В процессе кристаллизации образуются кристаллы
твердого раствора а (или Р), а состав остающейся жид-
кой фазы изменяется по линии 1—С. Состав твердой
фазы изменяется по линии п—2. При дальнейшем по-
нижении температуры никаких фазовых превращений в
этом сплаве не происходит.
Кристаллизация сплава II протекает в интервале
температур от точки 1 (начало кристаллизации) до точ-
ки 2 (конец кристаллизации).
В этом температурном интервале образуются крис-
таллы твердого раствора р. С понижением температуры
156
Рис. 58. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной взаимной раствори-
мостью компонентов в твердом состоянии:
а — с эвтектикой; б — с перитектикой
состав кристаллов р изменяется по линии тК, а состав
жидкой фазы — по линии 1—С. По достижении темпе-
ратуры, соответствующей горизонтали DCK (точка 2),
наступает эвтектическая реакция — из жидкости соста-
ва точки С выделяются кристаллы твердых растворов:
a-состава точки D и p-состава точки К. Эвтектическую
реакцию можно записать так: Lc^od+Pk- Согласно
правилу фаз, c=k — f+l=2 — 3+1=0, т. е. реакция
эта нонвариантна.
157
Диаграмма состояния с перитектикой. Другая раз-
новидность диаграммы состояния с ограниченной рас-
творимостью компонентов в твердом состоянии показана
на рис. 58, б. Здесь также компоненты условно обозна-
чены А и В, фазы L, а, р. Линия С РЕ — линия ликвидус,
линия CFKE — солидус. Кристаллизация сплавов I и IV
происходит аналогично ранее разобранным (система
Си —Ni).
Иначе происходит кристаллизация сплавов, по соста-
ву расположенных между точками F и Р.
При кристаллизации сплава с концентрацией компо-
нентов, соответствующей точке К, из жидкости выпада-
ют и растут кристаллы a-твердого раствора. В точке К
произойдет перитектическое превращение. Кристаллы
a-твердого раствора взаимодействуют с жидкостью, об-
разуя новую фазу — твердый раствор р:
Др + с£р р^.
При этом С—2—3+1=0, т. е. реакция идет при посто-
янной температуре. В сплавах, расположенных левее
точки К, например в сплаве II, в точке 2 так же происхо-
дит перитектическое превращение Др+аг^аизб+Рк.
приводящее к образованию твердого раствора р, распо-
лагающегося по границам зерен а-фазы*.
В сплавах, расположенных правее точки К, напри-
мер в сплаве III, количество выделившейся a-фазы не-
велико и она вся будет израсходована на перитектичес-
кое превращение Др-фар^Рк+Дизб- При дальнейшем по-
нижении температуры от точки 2 до точки 3 будут об-
разовываться и расти зерна p-твердого раствора. Затвер-
девший сплав имеет структуру, состоящую из зерен твер-
дого раствора р.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ
С ОБРАЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
При сплавлении компонентов, имеющих большое раз-
личие в размерах атомов, кристаллическом строении и
свойствах, возможно образование химических соедине-
ний АпВт. Химическое соединение такого вида может
быть устойчивым и неустойчивым.
*Перитектос (греч.) — структура окружения. После окончания
кристаллизации структурой сплава будут зерна ct-фазы, окруженные
(3-фазой.
158
Рис. 60. Диаграмма состояния сплавов из компонентов, образующих неустой-
чивое химическое соединение
Диаграмма с устойчивым химическим соединением.
Если химическое соединение при нагреве до температу-
ры плавления не диссоциирует, оно является устойчи-
вым. Такое химическое соединение в диаграммах состо-
яния играет роль компонента. С элементами, образующи-
ми данную систему, устойчивое химическое соединение
может взаимодействовать различным образом: образо-
вывать как механические смеси (рис. 59,а), так и твер-
дые растворы на базе химического соединения (рис.
59, б, в).
Диаграмму состояния, приведенную на рис. 59, а,
можно рассматривать как сложную, состоящую из двух:
1) компонент А— химическое соединение АпВт я
2) компонент В — химическое соединение АпВт. В мес-
те соединения двух диаграмм получается точка перело-
ма или острая вершина. Наличие такой вершины на
159
линии ликвидус является характерным признаком, ука-
зывающим на образование устойчивого химического
соединения при такой концентрации сплава.
Образование химического соединения на диаграмме
изображается вертикальной линией, проходящей через
точку, соответствующую составу соединения (см. рис.
59, а).
Диаграмма с неустойчивым химическим соединением.
Неустойчивым химическим соединением называют такое
соединение АпВт, которое при нагреве диссоциирует на
составные элементы (рис. 60). На линии FKD при нагре-
ве (или охлаждении) происходит превращение, напоми-
нающее перитектическое:
Ld + крист. А АпВт.
При охлаждении сплава I в точке 1 начинается крис-
таллизация, образуются кристаллы компонента А. При
температуре, соответствующей линии FRD (точка 2),
жидкая фаза взаимодействует с кристаллами компонен-
та А, при этом образуется химическое соединение АпВт,
но жидкость остается в избытке. При дальнейшем ох-
лаждении (до точки 3) происходит кристаллизация сое-
динения АтВт. В точке 3 (линия MCN) остаток жид-
кости кристаллизуется, образуя эвтектику Lc+±
^АпВт+В.
ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ, ИСПЫТЫВАЮЩИХ
ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ
Кроме первичных превращений, т. е. превращений,
связанных с переходом из жидкого состояния в твердое,
в сплавах часто наблюдаются вторичные превращения,
происходящие в твердых сплавах при их нагреве или ох-
лаждении. Примером таких превращений являются: из-
менение растворимости компонентов, аллотропические
превращения, упорядочение твердых растворов. Эти пре-
вращения имеют весьма важное значение на практике,
так как обусловливают возможность термической обра-
ботки сплавов.
Переменная растворимость. Примеры диаграмм со-
стояния, когда в сплавах изменяется растворимость ком-
понентов с изменением температуры, приведены на
рис. 61.
160
Рис. 62. Диаграммы состояния с превращениями в твердом состоянии
Кристаллизация сплава I (рис. 61, а) до точки 2 про-
исходит аналогично кристаллизации сплава I (см. рис.
58, а). При дальнейшем охлаждении (ниже точки 3)
сплав попадает в двухфазную область. Поскольку сплав
находится левее точки F, в его структуре не может быть
эвтектики. Вторая фаза выделяется в результате умень-
шения растворимости атомов компонента В в кристалли-
ческой решетке компонента А, т. е. в результате умень-
шения концентрации атомов В в твердом растворе а:
при температуре (линия эвтектического превращения
11—481
161
FCK) твердый раствор а имеет концентрацию атомов В
аь при t2—а2, при ts—причем «Х1>й2>йз-
Таким образом, линия FM на диаграмме является
линией переменной растворимости. Кристаллы В (или
0 на рис. 59,6), выделившиеся из твердого а-раствора,
называются вторичными кристаллами и обозначаются
Вп, 0ц. Физические и химические свойства вторич-
ных кристаллов те же, что и первичных, различие в раз-
мерах и форме.
Если сплав охлаждается медленно и температура,
при которой начнется выделение вторичной фазы, вы-
сокая, то диффузия протекает с достаточной скоростью,
выделение вторичной фазы происходит в основном по
границам зерна в виде сетки и частично внутри него. При
низкой температуре превращения или ускоренном ох-
лаждении вторичные фазы выделяются в основном
внутри зерна в виде дисперсных включений.
Если один из компонентов испытывает аллотропичес-
кое превращение при изменении температуры, то это
отразится на линиях и точках диаграммы состояния. На
рис. 62 приведены примеры диаграмм состояния для раз-
личных взаимодействий компонентов. На рис. 62, а пока-
зано, что один из компонентов, образующих механиче-
скую смесь, испытывает аллотропическое превращение.
Согласно правилу фаз (фазы А1у А2 и В), с=2—34-1 =
=0, т. е. превращение происходит при постоянной тем-
пературе.
Если в системе с неограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии оба компонента испы-
тывают аллотропическое превращение и изоморфны обе
модификации, например в системе Ti—Zr, то на диа-
грамме имеются две области неограниченной раствори-
мости в твердом состоянии (рис. 62,6). В твердом рас-
творе превращение протекает в интервале температур
(две фазы а и 0, следовательно, с=1).
На. рис. 62, в приведена диаграмма состояния для
случая, когда компонент А испытывает аллотропическое
превращение, а кристаллы компонента В будут изоморф-
ны высокотемпературной модификации А.
Возможно и такое взаимодействие компонентов, ког-
да низкотемпературные модификации ограниченно раст-
воримы, а высокотемпературные растворимы неограни-
ченно друг в друге (рис. 62, г). В этом случае устанавли-
вается нонвариантное равновесие (линия KCN), так как,
162
согласно правилу фаз, ус^ак+рл-, т. е. с=0. Это пре-
вращение аналогично эвтектическому, но в нем не при-
нимает участия жидкая фаза: превращение испытывает
твердый раствор у. По аналогии такие превращения
называются эвтектоидными. В результате такого пре-
вращения образуется мелкодисперсная механическая
смесь, называемая эвтектоидом. Термодинамически
эвтектоидное превращение ничем не отличается от
эвтектического.
На рис. 62, д приведен другой пример превращения,
когда твердый раствор также полностью распадается.
Такое превращение можно записать в следующем виде:
Yc+Pf^ok-
Число степеней свободы с=0, следовательно, это
превращение будет совершаться при постоянной темпе-
ратуре. Также по аналогии такое превращение называет-
ся перитектоидным.
Упорядочение твердых растворов. Было отмечено
(см. с. 145), что в твердых растворах при охлаждении
возможно изменение расположения атомов — происхо-
дит упорядочение. На каждый атом растворяющегося
компонента приходится определенное число атомов
растворителя. При нагреве вследствие процесса само-
диффузии атомы хаотично перемещаются внутри кри-
сталла и его упорядоченность нарушается. На диаграм-
ме область упорядоченного твердого раствора отделяют
пунктирной линией, упорядоченный и неупорядоченный
твердые растворы отмечают одной и той же буквой (на-
пример, а и а', р и р') *.
СВЯЗЬ МЕЖДУ СВОЙСТВАМИ СПЛАВОВ
И ТИПОМ ДИАГРАММЫ состояния
(ЗАКОН КУРНАКОВА)
Химический состав и структура определяют свойства
металлического сплава. Структура в свою очередь за-
висит от характера взаимодействия компонентов, входя-
щих в состав сплава, что и отражают диаграммы состоя-
ния. Следовательно, между диаграммами состояния и
полученными свойствами сплавов существует опреде-
ленная зависимость. Эта зависимость впервые и наиболее
полно была изучена Н. С. Курниковым, который и пред-
* См. гл. 14, рис. 164.
11*
163
ставил ее в виде диаграмм состав — свойства. Некоторые
типичные диаграммы состав — свойства изображены
на рис. 63 под соответствующими диаграммами состоя-
ния. Из свойств, приведенных в диаграммах, рассмотре-
ны твердость (кривые 1) и электропроводность (кри-
вые 2).
Если компоненты сплава образуют механические
Рис. 63. Диаграмма состав — свойства сплавов при различном характере вза-
имодействия компонентов
линии (рис. 63,о). В таком случае невозможно создать
сплав, механические и электрические свойства которого
оказались бы выше свойств чистых компонентов.
При образовании компонентами непрерывных твер-
дых растворов свойства сплавов изменяются в соответ-
ствии с диаграммами, представленными на рис. 63,6.
Небольшое введение второго компонента в чистый ме-
талл значительно повышает твердость сплава (кри-
вая /), сильно снижает электропроводность (кривая 2).
Поэтому для изготовления проводников используют
наиболее чистые металлы, а для создания сплавов вы-
сокого электросопротивления — металлы с полной вза-
имной растворимостью. Кроме того, их вводят в сплав
примерно в равном количестве (например, медь и ни-
кель). При образовании компонентами ограниченных
твердых растворов диаграмма состав — свойства полу-
164
чается составленной из двух ранее рассмотренных диа-
грамм (рис. 63,в).
При образовании химических соединений свойства
изменяются скачком (рис. 63, г).
Диаграммы состав — свойства имеют большое прак-
тическое значение при создании новых сплавов с задан-
ными свойствами.
ПОНЯТИЕ О ДИАГРАММАХ СОСТОЯНИЯ
ТРОЙНЫХ СИСТЕМ
Как было показано, диаграммы состояния двойных сплавов
строят на плоскости: по оси абсцисс откладывают концентрацию
компонентов, по оси ординат — температуру. Для тройных сплавов
более распространенным является пространственное изображение.
В качестве основания диа-
граммы применяют равносторон-
ний треугольник, называемый
концентрационным. Температу-
ру откладывают по оси, перпен-
дикулярной плоскости концентра-
ционного треугольника. Вершины
треугольника отвечают концентра-
циям, соответствующим чистым
компонентам А, В к С изучаемой
системы (рис. 64). На сторонах
треугольника откладывают кон-
центрации соответствующих двух
компонентов: А—В, В—С, С—А.
Каждая точка внутри треуголь-
ника отвечает составу какого-ли-
бо определенного тройного спла-
ва. Состав сплавов определяется
исходя из известной теоремы:
Рис. 64. Концентрационный тре-
угольник
в равностороннем треугольнике сумма трех перпендикуляров,
опущенных из любой точки К, лежащей внутри треугольника, на его
стороны, равна высоте треугольника.
Высоту треугольника принимают за 100%, тогда перпендикуля-
ры Ка, Кс и КЬ будут характеризовать концентрации отдельных
компонентов тройного сплава (см. рис. 64). Количество каждого
компонента определяют величиной перпендикуляра, опущенного на
противолежащую сторону, т. е. количество компонента С определит-
ся величиной перпендикуляра Кс, компонента А—Ка, компонента
В—КЬ.
Чаще состав сплавов определяют не по величине перпендикуля-
ров, а по величине отрезков, отсекаемых на сторонах треугольника,
линиями, параллельными сторонам треугольника (линии dh, ke, qf),
т. е. по отрезкам Ad, Be и Cf. Отрезок Ad соответствует концентра-
ции компонента В, отрезок Be — компонента С, а отрезок С/ —ком-
понента А. Концентрацию определяют в направлении движения ча-
совой стрелки (на рис. 64, а указано стрелками), но можно опреде-
лять и в противоположном направлении.
165
Рис. 65. Диаграммы состояния сплавов трех компонентов с пол-
ной растворимостью в жидком н ограниченной растворимостью
в твердом состоянии:
о — с эвтектическим равновесием; б — с перитек-
тическим равновесием
Взаимодействие компонентов в тройных сплавах аналогично
двойным: возможно образование механических смесей, твердых рас-
творов и химических соединений; возможны эвтектические и пери-
тектические реакции, полиморфные превращения и т. п. Отличие со-
стоит в том, что в двойных системах превращения обозначаются ли-
ниями и точками, а в тройных — плоскостями и линиями. Например,
не линия ликвидус, а поверхность ликвидус (или поверхность соли-
дус), не линия эвтектики, а эвтектическая поверхность. Состав двой-
ной эвтектики определяется не точкой, а линией. И только тройная
эвтектика проектируется иа плоскости треугольника точкой. Все
сказанное можно проследить, изучив две типовые диаграммы состоя-
ния сплавов трех компонентов (рис. 65).
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАСТИЧНОСТИ
И ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ
Основными механическими свойствами являются
прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость.
Зная механические свойства, конструктор при проекти-
ровании обоснованно выбирает соответствующий мате-
риал, обеспечивающий надежность и долговечность ма-
шин и конструкций при их минимальной массе.
Для технолога очень важное значение имеет пластич-
ность, определяющая возможность изготовления изде-
166
лий различными способами обработки давлением, осно-
ванными на пластическом деформировании металла.
Материалы с повышенной пластичностью менее
чувствительны к концентраторам напряжений и другим
факторам охрупчивания. По показателям прочности,
пластичности и т. д. производят сравнительную оценку
различных металлов и сплавов, а также контроль их
качества при изготовлении изделий.
ФИЗИЧЕСКАЯ природа деформации металлов
Деформацией называется изменение формы и разме-
ров тела под действием напряжений. Напряжения и
вызываемые ими деформации могут возникать при дей-
ствии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т. д.,
а также в результате фазовых
(структурных) превращений,
усадки и других физико-хими-
ческих процессов, протекающих
в металле, связанных с измене-
нием объема.
Металл, находящийся в на-
пряженном состоянии, при лю-
бом виде нагружения всегда
испытывает напряжения нор-
мальные и касательные. На-
пример, под действием осевых
растягивающих сил Р (рис. 66)
в плоскости тп с сечением Fo
возникают нормальные напря-
жения растяжения S0—P/F0. В
Рис. 66. Схема нормальных Sn
н касательных т напряжений
других сечениях, распо-
ложенных под некоторым углом а, например в плоскости
mini с сечением F\, действует напряжение Si=P/Fr, так
как F(=Fo/cosa, то S[ = S0cosa. Разлагая это напряжение
на составляющие, получим, что в плоскости mini действу-
ют: а) нормальное (к плоскости) напряжение Sn =
=S0cos2a; б) касательное (в плоскости) напряжение
t=So cos a sin a=O,5So(sin 2a).
Максимальное значение нормального напряжения при
a=0°, т. е. Sn
max
=S0/2.
=S0; касательного при a—45° Ттах —
Деформация металла под действием напряжений мо-
жет быть упругой и пластической (остаточной). Нор-
167
Рис. 67. Схема упругой деформации и хрупкого разрушения под действием
нормальных напряжений:
а — ненапряженная решетка металла: б —упругая деформация; в. г —хруп»
кое разрушение в результате отрыва
Рис. 68. Схема упругой, пластической деформации и пластичною (вязкого)
разрушения под действием касательных Напряжений:
а — ненапряженная решетка; б — упругая деформация; в — упругая и пласти-
ческая деформация; а — пластическая деформация, остаточные напряжения
сняты; д, е — пластичное (вязкое) разрушение в результате среза
мальные напряжения могут вызвать только упругую де-
формацию. Пластическая деформация происходит толь-
ко под действием касательных напряжений, достаточных
по величине для необратимого перемещения атомов в
кристаллической решетке.
Упругой называется деформация полностью исчезаю-
щая после прекращения действия (снятия) вызвавших
ее напряжений. При упругом деформировании происхо-
дит незначительное по величине изменение расстояний
между атомами в кристаллической решетке металла
(рис., 67, а, б). С увеличением межатомных расстояний
168
значительно возрастают силы взаимного притяжения
атомов. При снятии напряжения под действием этих
сил атомы возвращаются в исходное положение. Искаже-
ние решетки (ее упругая деформация) исчезает, тело
полностью восстанавливает свою форму и размеры.
Если нормальные напряжения достигают величины сил
межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение
путем отрыва (рис. 67,в, г). Упругую деформацию вы-
зывают также и небольшие по величине касательные на-
пряжения (см. рис. 68,б).
Пластической или остаточной называется деформа-
ция, остающаяся после прекращения действия вызвав-
ших ее напряжений. При пластической деформации в
кристаллической решетке металла под действием ка-
сательных напряжений происходит необратимое переме-
щение атомов (рис. 68,г). При небольшой величине на-
пряжений (рис. 68,6) атомы смещаются незначительно
и после снятия напряжений возвращаются в исходное
положение. При увеличении касательного напряжения
наблюдается необратимое смещение атомов на пара-
метр решетки (рис. 68,в), т. е. происходит пластическая
деформация. После снятия напряжений в теле наблюда-
ется остаточное изменение формы и размеров, причем
сплошность тела не нарушается (рис. 68, г). В результа-
те развития пластической деформации может произойти
пластичное (вязкое) разрушение путем сдвига
(рис. 686, е).
Плоскости и направления сдвига. В кристаллической
решетке сдвиг (скольжение) происходит по плоскостям
и в направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов.
Эти плоскости (направления), называемые плоскостями
сдвига или скольжения, зависят от типа кристалличе-
ской решетки. У a-железа, вольфрама, молибдена и дру-
гих металлов с о. ц. к. решеткой имеются шесть плоско-
стей сдвига и в каждой из них по два направления сдви-
га, и так называемая система скольжения имеет 6-2=
= 12 элементов сдвига. Металлы с г. ц. к. решеткой
(Fey, Си, А1 и др.) имеют четыре плоскости с тремя на-
правлениями скольжения в каждой, т. е. 4-3=12 эле-
ментов сдвига. У цинка, магния и других металлов с
гексагональной плотноупакованной решеткой одна пло-
скость с тремя направлениями и три элемента сдвига,
(см. гл. 1, с. 117). Чем больше элементов сдвига в ре-
шетке, тем выше пластичность металла.
169
Наиболее легкий сдвиг по определенным плоскостям
и направлениям объясняется тем, что при этом величи-
на перемещения атомов из одного устойчивого равно-
весного положения в узле решетки в другое такое же по-
ложение будет минимальной, а следовательно, необходи-
мое касательное напряжение будет наименьшим.
Дислокационный механизм пластической деформа-
ции. Атомы в узлах решетки находятся в равновесном
Рис. 69. Схема смещения атомов
при перемещении краевой дислока-
ции на один параметр решетки
состоянии и обладают ми-
нимальной внутренней
энергией. При смещении
атомов из узлов их энергия
возрастает. Смещение ато-
мов на один параметр ре-
шетки (межатомное рас-
стояние) — это преодоление
«энергетического барьера».
Для этого необходимо соз-
дать напряжение. Дляодно-
временного перемещения
всех атомов в плоскости
сдвига (синхронный или
жесткий сдвиг), как по-
казывают теоретические расчеты, требуется очень боль-
шое касательное напряжение, тТеор-
В реальных металлах сдвиг (пластическое деформи-
рование) происходит при напряжениях меньше теорети-
ческих в сотни и тысячи раз. Например, для железа
ттеор~ 260 кгс/мм2, тРеальн~29 кгс/мм2, для меди
тРеальн меньше Ттеор примерно в 1500 раз и т. д. Расхож-
дение между теоретическим и реальным сопротивлени-
ем сдвигу, т. е. между теоретической и реальной проч-
ностью при пластическом деформировании, объясняется
с помощью дислокационного механизма пластического
деформирования.
По современным представлениям, пластическая де-
формация происходит под действием касательных на-
пряжений в результате последовательного перемещения
небольшого числа атомов в области дислокации или
иначе перемещения дислокаций. Как видно из схемы,
приведенной на рис. 69, для перемещения краевой дис-
локации справа налево из положения 1 в положение 2
требуется лишь незначительное перемещение атомов
(обозначенных черными кружками).
170
При дальнейшем движении дислокация пройдет всю
плоскость скольжения и выйдет на поверхность зерна
(блока). При этом верхняя часть зерна окажется сдви-
нутой' по отношению к нижней его части на один меж-
атомный период решетки (рис. 70). Так как в каждый
данный момент времени смещается лишь небольшая
группа атомов в области дислокации и на незначитель-
ные расстояния (меньше межатомных), то пластическая
Рис. 70. Схема сдвига на один параметр решетки верхней части зерна отно-
сительно его нижней части при движении дислокации через всю плоскость
счольжения
деформация совершается при небольшой величине ка-
сательных напряжений, что и соответствует эксперимен-
тальным данным.
Рассмотренный дислокационный механизм схемати-
чески представляет физическую сущность пластической
деформации, происходящей путем скольжения (сдвига)
в единичной кристаллографической плоскости монокри-
сталла (одного зерна).
В технических металлах, являющихся телами поли-
кристаллическими, пластическая деформация происхо-
дит более сложно. При пластической деформации про-
исходит существенное изменение
структуры, неодинаковое в отдели*
ных частях одного зерна и в различ*
ных зернах, возникают напряжения,
происходят упрочнение металла и
другие процессы.
Двойникование. Скольжение или
сдвиг по определенным кристалло-
графическим плоскостям является
основным, по не единственным ме-
Рис. 71. Схема образо-
вания двойников
171
ханизмом пластической деформации. При некоторых ус-
ловиях пластическое деформирование может также про-
исходить путем двойникования. Сущность двойникова-
ния заключается в том, что под действием касательных
напряжений одна часть зерна оказывается смещенной по
отношению к другой части, занимая симметричное поло-
жение и являясь как бы ее зеркальным отражением
(рис. 71). По современным представлениям, двойникова-
ние связано с движением дислокаций.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ
Прочность — способность тела (металла) сопротив-
ляться деформациям и разрушению. Большинство
технических характеристик прочности определяют в ре-
зультате статического испытания на растяжение. Обра-
зец, закрепленный в захватах разрывной машины, де-
формируется при статической, плавно возрастающей
нагрузке. При испытании, как правило, автоматически
записывается диаграмма растяжения, выражающая за-
висимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие
деформации с очень большой точностью определяются
тензометрами.
Чтобы исключить влияние размеров образцов, испы-
тания на растяжение проводят на стандартных образцах
с определенным соотношением между расчетной длиной
/о й площадью поперечного сечения Fo. Наиболее широ-
ко применяют образцы круглого сечения: длинные с
1о/^о=Ю или короткие с Zo/do=5 (где d0—исходный
диаметр образца).
На рис. 72, а приведена диаграмма растяжения мало-
углеродистой отожженной стали. При нагрузке, соот-
ветствующей начальной части диаграммы, материал
испытывает только упругую деформацию,- которая пол-
ностью исчезает после снятия нагрузки. До точки а эта
деформация пропорциональна нагрузке или действую-
щему напряжению o—P/F0, где Р— приложенная на-
грузка; Fq—начальная площадь поперечного сечения
образца.
Нагрузке в точке а, определяющей конец прямоли-
нейного участка диаграммы растяжения, соответствует
предел пропорциональности.
Теоретический предел пропорциональности — макси-
мальное напряжение, до которого сохраняется линейная
172
зависимость между напряжением (нагрузкой) и дефор-
мацией: Опц=Лщ/Ai-
Так как при определении положения точки а на ди-
аграмме могут быть погрешности, обычно пользуются
условным пределом пропорциональности, под которым
понимают напряжение, вызывающее определенную ве-
личину отклонения от линейной зависимости, например
Рис. 72. Диаграмма растяжения малоуглеродистой
стали (а) и схема определения условного предела те-
кучести о0 2 (6)
tga изменяется на 50% от своего первоначального зна-
чения.
Прямолинейную зависимость между напряжением и
деформацией можно выразить законом Гука: о—Ее,
где е= (Д///о) Ю0% — относительная деформация; А/ —
абсолютное удлинение, мм; /о—начальная длина образ-
ца, мм.
Коэффициент пропорциональности Е (графически
равный tg а), характеризующий упругие свойства мате-
риала, называется модулем нормальной упругости. При
заданной величине напряжения с увеличением модуля
уменьшается величина упругой деформации, т. е. воз-
растает жесткость (устойчивость) конструкции (изде-
лия). Поэтому модуль Е также называют модулем
жесткости. Величина модуля зависит от природы сплава
и изменяется незначительно при изменении его состава,
структуры, термической обработки. Например, для раз-
личных углеродистых и легированных сталей после лю-
бой обработки Е=21000 кгс/мм2.
Теоретический предел упругости — максимальное на-
пряжение, до которого образец, получает только упругую
деформацию: сгУп=ЕУп/Го.
173
Если действующее напряжение в детали (конструк-
ции) меньше оуп, то материал будет работать в области
упругих деформаций. Ввиду трудности определения оуп
практически пользуются условным пределом упругости,
под которым понимают напряжение, вызывающее оста-
точную деформацию 0,005—0,05% от начальной расчет-
ной длины образца. В обозначении условного предела
упругости указывают величину остаточной деформации,
например о0,оо5 и т. д.
Для большинства материалов теоретические пределы
упругости и пропорциональности близки по величине.
Для некоторых материалов, например меди, предел уп-
ругости больше предела пропорциональности.
Предел текучести — физический и условный — харак-
теризует сопротивление материала небольшим пластиче-
ским деформациям.
Физический предел текучести — напряжение, при ко-
тором происходит увеличение деформации при постоян-
ной нагрузке от—P-i/Fo.
На диаграмме растяжения пределу текучести соот-
ветствует горизонтальный участок с — d, когда наблю-
дается пластическая деформация (удлинение)—«тече-
ние» металла при постоянной нагрузке.
Большая часть технических металлов и сплавов не
имеет площадки текучести. Для них наиболее часто оп-
ределяют условный предел текучести — напряжение, вы-
зывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от
начальной расчетной длины образца (рис. 72,6): о0,2=
=Po,2/Fq'
При дальнейшем нагружении пластическая деформа-
ция все больше увеличивается, равномерно распределя-
ясь по всему объему образца. В точке В, где нагрузка до-
стигает максимального значения, в наиболее слабом
месте образца начинается образование «шейки»—суже-
ния поперечного сечения; деформация сосредоточивает-
ся на одном участке — из равномерной переходит в
местную. Напряжение в материале в этот момент испы-
тания называют пределом прочности.
Предел прочности (временное сопротивление разры-
ву) — напряжение, соответствующее максимальной на-
грузке, которую выдерживает образец до разрушения:
Ов=7?в/Ео.
По своей физической сущности ов характеризует
прочность как сопротивление значительной равномерной
174
пластической деформации. За точкой В (см. рис. 72, а)
в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, .в точ-
ке k при нагрузке Рк происходит разрушение образца.
Истинное сопротивление разрушению — максималь-
ное напряжение, которое выдерживает материал в мо-
мент, предшествующий разрушению образца SK—PK/FK,
где FK — конечная площадь поперечного сечения образца
в месте разрушения.
Несмотря на то что нагруз-
ка РК<РВ вследствие образо-
вания шейки FK<ZF0, и поэто-
му по величине Зк значитель-
но больше, чем ов.
Истинные напряжения.
Рассмотренные показатели
прочности: От, ав и др., за ис-
ключением являются ус-
ловными напряжениями, так
как при их определении соот-
ветствующие нагрузки относят
к начальной площади сечения
образца Fo, хотя последняя по-
степенно уменьшается по мере
деформации образца. Более
точное представление о напря-
Рис. ?3. Диаграмма истинных
(S) и условных (а) напряжений;
яр—поперечное сужение образца
жениях в образце дают диаграммы истинных напряже-
ний (рис. 73). Истинные напряжения Si=Pi/Fi опреде-
ляют по нагрузке Pi и площади поперечного сечения Ft
в данный момент испытания Ч Примерно до точки b
(рис. 73), т. е. точки В на рис. 72, а, различие между ис-
тинными и условными напряжениями не велико и 5ви
»<7в. Затем истинные напряжения увеличиваются, до-
стигая максимального значения Зк в момент, предшест-
вующий разрушению.
При испытании на растяжение, кроме характеристик
прочности, определяют также характеристики пластич-
ности.
Пластичность — способность тела (металла) к пла-
стической деформации, т. е. способность получать оста-
точное изменение формы и размеров без нарушения
сплошности. Это свойство используют при обработке
1 Диаграммы истинных напряжений строят и в других коорди-
натах, например S—б; S—Inlnllo и т. д.
175
металлов давлением. Характеристиками пластичности
являются относительное удлинение и относительное
сужение.
Относительное удлинение
ё = -к-4 юо = 100%,
/о
где 1о и 1К — начальная и конечная длина образца;
Д1ост — абсолютное удлинение образца, определяемое
измерением образца после разрыва или по диаграмме
растяжения (см. рис. 72, а).
Относительное удлинение является условной характеристикой
пластичности. Это объясняется тем, что абсолютное удлинение со-
стоит из двух составляющих: равномерного удлинения Д/р, пропор-
ционального длине образца, и местного, сосредоточенного удлинения
в шейке Д/ш, пропорционального площади поперечного сечения об-
разца. Отсюда следует, что доля местной деформации, а следователь-
но, и значения Д/ост и б у коротких образцов больше, чем у длин-
ных. При этом для различных материалов относительная величина
равномерной и местной деформаций колеблется в широких преде-
лах. Большинство пластичных материалов деформируется с образо-
ванием шейки. При этом равномерней деформация составляет 5—-
10% от местной деформации, у сплавов типа дуралюмин 18—20%,
у латуней 35—45% и т. д., но не больше 50%. Для хрупких материа-
лов или находящихся в хрупком состоянии шейка не образуется и
практически Д/ост=Д/р-
Относительное удлинение, определяемое на длинных образцах,
обозначается бю, на коротких 6s, причем всегда б5>бю.
Относительное сужение
100%,
Fo
где Fo—начальная площадь поперечного сечения образ-
ца; FK—конечная площадь поперечного сужения образ-
ца в шейке после разрыва.
У пластичных материалов относительное сужение
более точно характеризует их максимальную пластич-
ность— способность к местной деформации и нередко
служит технологической характеристикой при листовой
штамповке и т. д.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
Техническая (реальная) прочность металлов в 10—
1000 раз меньше, чем их теоретическая прочность, опре-
деляемая силами межатомного сцепления. Например,
176
для. железа теоретически вычисленное значение сопро-
тивления отрыву SOT=2100 кгс/мм2. Техническая проч-
ность железа: SOT=70 кгс/мм2, ов«30 кгс/мм2. Такое
большое различие объясняется тем, что теоретическая
прочность соответствует идеальной бездефектной кри-
сталлической решетке металла. В реальных металлах
всегда имеются дислокации и другие дефекты кристал-
лической решетки, включения,
микротрещины и т. п., понижаю-
щие прочность и инициирующие
разрушение (рис. 74).
Минимальную прочность име-
ют чистые, отожженные металлы
при плотности дислокаций около
107— 108см~2. С уменьшением ко-
личества дислокаций сопротивле-
ние деформированию, т. е. проч-
ность металла, возрастает и мо-
жет достигать теоретического
значения. Убедительные доказа-
тельства справедливости этого
положения были получены при
Теоретическая
прочность
Прочность
„усов”
Количество дислокаций
и других дефектов
исследовании металлических
усов — нитевидных кристаллов
толщиной 0,5—2 мкм и длиной
до 10 мм с практически безде-
фектной (бездислокационной)
кристаллической структурой. Усы
железа толщиной 1 мкм имеют
предел прочности ова;1350
кгс/мм2, т. е. почти теоретическую
Рис. 74. Зависимость прочно-
сти от количества дислока-
ций и других дефектов кри-
сталлической решетки (схе-
ма И. А. Одинга):
/ — чистые, отожженные ме-
таллы; 2 — сплавы, упроч-
ненные легированием, терми-
ческой обработкой, пласти-
ческой деформацией (на-
клеп) и т. п.
прочность. Ввиду малых размеров усы применяют огра-
ниченно. Увеличение размеров усов приводит к появле-
нию дислокаций и резкому снижению прочности.
Правее точки 1 (см. рис. 74) с увеличением количе-
ства дислокаций (дефектов) прочность металлов воз-
растает. Это используют при таких способах упрочне-
ния, как легирование, термическая обработка, холодная
пластическая деформация и т. д. Основными причинами
упрочнения являются увеличение количества (плотно-
сти) дислокаций, искажения кристаллической решетки,
возникновение напряжений, измельчение зерен металла
и т. д., т. е. все то, что затрудняет свободное перемещение
дислокаций.
12—481
177
Предельная плотность дислокаций для упрочнения
составляет примерно 1012 см-2. При большей плотности
.в металле образуются субмикроскопические трещины,
вызывающие разрушение.
ТВЕРДОСТЬ
Твердость материала — сопротивление проникнове-
нию в его поверхность стандартного тела — наконечника
(индентора), например шарика, конуса и т. п., не дефор-
мирующегося при испытании.
Твердость измеряют многими методами, например
вдавливанием наконечника, царапанием испытуемой по-
верхности алмазным острием под определенной нагруз-
кой и т. д. Общим для всех методов определения твердо-
сти является создание местных контактных напряжений
при воздействии стандартного наконечника на испытуе-
мую поверхность. Методы измерения твердости получили
широкое применение благодаря быстроте и простоте,
портативности оборудования, а также возможности про-
водить испытания на готовых деталях (изделиях) без
их разрушения. Испытание на твердость — основной
метод оценки качества термической обработки изделия.
Наибольшее распространение на практике получили
методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и метод микро-
твердости.
Твердость по Бринеллю определяют стати-
ческим вдавливанием в испытуемую поверхность под
нагрузкой Р стального закаленного шарика диаметром
D (рис. 75,а). Число твердости НВ определяют отноше-
нием нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка —
лунки (шарового сегмента) F диаметром d, т. е.
= А =---------g£_.. . .
F — —
Диаметр шарика £) = 10; 5; 2,5 мм выбирают в зависи-
мости от толщины изделия.
Для небольших изделий учитывают также размеры поверхности
для измерения, так как расстояние от центра отпечатка до края из-
делия должно составлять не менее 2,5 мм.
Нагрузку Р выбирают в зависимости от диаметра шарика и из-
меряемой твердости, которую приближенно оценивают с учетом при-
роды сплава и способа его обработки. Для термически обработан-
ной стали и чугуна Р=30 О2, для литой бронзы и латуни Р=10 D\
для алюминия и других очень мягких металлов Р-=2,5 D\
178
Продолжительность выдержки под нагрузкой для стали и чугу-
на составляет 10 с, для латуни и бронзы 30 с.
Так как значения D и Р заранее известны, то для определения
числа твердости необходимо лишь измерить диаметр отпечатка d
и найти соответствующую ему твердость по таблицам.
При испытании часто принимают .0=10 мм, Р—
=3000 кгс, т=10 с. Твердость обозначается НВ 250,
НВ 300 и т. д., где 250, 300— числа твердости*.
Рис. 75. Схема определения твердости по Бринеллю (а), по Роквеллу
(б), по Виккерсу (в)
Размерность числа твердости (кгс/мм), как правило,
не указывают. При других условиях испытания твердость
обозначают HBDfPIx, например ЯВ5/250/30—80. Это
значит, что твердость измерена шариком £)=5 мм при
нагрузке Р=250 кгс и продолжительности выдержки
т=30 с, полученное число твердости 80.
Между пределом прочности и числом твердости НВ
для различных металлов установлена следующая пример-
ная зависимость: для стали <тв а* 0,34—0,35 НВ-, для мед-
ных отожженных сплавов ов~0,55 НВ-, для алюминие-
вых сплавов Ов?» 0,354-0,36 НВ.
Метод Роквелла основан на статическом вдавлива-
нии в испытуемую поверхность наконечника под опре-
деленной нагрузкой (рис. 75,6). В качестве наконечни-
ков применяют для отожженной стали и других матери-
1 В этом обозначении: Н— начальная буква от слова Hardness —
твердость; В — от слова Brinell. В способе Роквелла: Н — твердость;
Я —от слова Rokwell-, В —от слова Ball (шар); С —от слова cone
(конус).
12*
179
алов с твердостью до НВ 230 стальной шарик 1,6 мм,
для более твердых материалов — алмазный конус. На-
гружение наконечников производится в два этапа. Пред-
варительное— нагрузкой jPo=1O кгс на глубину h0 мм
производят для плотного соприкосновения наконечника
с образцом. Общая рабочая нагрузка для стального ша-
рика Р=100 кгс, для алмазного конуса Р=150 кгс.
Значение твердости определяют по глубине остаточного
вдавливания наконечника h мм (находящегося под наг-
рузкой Ро) и выражают формулами: HRB=\30—(ft—
—fto/0,002) наконечник — шарик; HRC= 100— (ft—
—fto/0,002) наконечник — конус. Величина 0,002 мм —
цена деления шкалы индикатора-глубиномера — услов-
ная единица твердости. Число твердости указывает
стрелка индикатора-глубиномера. При применении ша-
рика измерения проводят по шкале В (красной), при
алмазном конусе — по шкале С (черной).
Твердость по Роквеллу обозначается: HRB30,
HRC60, т. е. твердость 30 по шкале В, 60—по шкале С
и т. д. Твердость очень твердых материалов измеряют
алмазным конусом при уменьшенной нагрузке Р—
= 60 кгс; условное обозначение HRA80, т. е. твердость 80
И т. д.
Между значениями HRA и HRC имеется следующая
зависимость: HRC=2HRA—104.
Преимуществом способа Роквелла является быстро-
та измерений. Применение алмазного конуса позволяет
измерять твердость закаленной стали и других очень
твердых материалов, тонких изделий или поверхностно-
го слоя толщиной до 0,4 мм (шкала Л) и до 0,7 мм
(шкалы В и С).
Недостаток измерения твердости по методу Роквелла
заключается в том, что необходима тщательная подго-
товка поверхности — шлифование. На приборе Роквелла,
где глубина отпечатка мала и ее измеряют с точностью
до 0,002 мм (цена деления — условная единица твер-
дости), могут оказывать влияние загрязненность, виб-
рация и другие условия производства.
Твердость по Виккерсу определяют путем статисти-
ческого вдавливания в испытуемую поверхность алмаз-
ной четырехгранной пирамиды с углом а=136° между
противоположными гранями (рис. 75,в). Число твердо-
сти определяют так же, как и в способе Бринелля, отно-
180
шением нагрузки Р к площади боковой .поверхности от-
печатка F:
а
2Psin——
HV = — =---------— = 1,8544—,
F d2 d2
где d— величина диагонали отпечатка; P=5-j-100 кгс.
При испытании измеряют обе диагонали отпечатка
d\ и d2 с точностью до 0,001 мм при помощи микроскопа,
который является составной частью прибора Виккерса.
Числа твердости определяют по среднеарифметической
величине (di+d2)/2 обеих диагоналей.
Преимущество метода Виккерса — возможность из-
мерения твердости мягких, а также особо твердых мате-
риалов. Этим методом можно измерять твердость очень
тонких изделий, а также твердость поверхностных сло-
ев, например при обезуглероживании, поверхностном
наклепе, цементации и т. д. Вследствие большого угла в
вершине наконечника — пирамиды даже при малой глу-
бине ее внедрения диагональ отпечатка имеет большую
величину, что определяет высокую точность и чувстви-
тельность этого метода.
Метод микротвердости предназначен для определе-
ния твердости отдельных структурных составляющих и
фаз сплавов (например, зерен феррита в стали), очень
тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).
По существу метод микротвердости не отличается от
метода Виккерса. Различие состоит лишь в том, что
наконечник — четырехгранная пирамида — имеет мень-
шие размеры и нагрузки при ее вдавливании составляют
от 5 до 500 гс.
ПЛАСТИЧНОЕ (ВЯЗКОЕ)
И ХРУПКОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛОВ
Вязкость — способность материала поглощать меха-
ническую энергию внешних сил за счет пластической
деформации. По физическому смыслу вязкость — энер-
гетическая характеристика и выражается в единицах
работы, например кгс-до. Поэтому вязкость нельзя отож-
дествлять с пластичностью: на диаграмме истинных на-
пряжений пластичность характеризуется абсциссой, а
вязкость — площадью диаграммы.
Основные типы разрушения. Деформирование ме-
талла при достаточно большом значении напряжений,
181
завершается его разрушением, т. е. разделением его на
части. Реальные тела почти всегда разрушаются по се-
чению не одновременно, а вследствие развития трещин.
В общем случае разрушение материала включает три
стадии: 1) зарождение трещины; 2) замедленное ее раз-
витие; 3) окончательное (лавинообразное) разрушение.
В более ранних работах Гриффитса и др. теория раз-
рушения была основана на предположении, что в ма-
териале всегда имеются
готовые трещины. Со-*
гласно современным
представлениям, образо-
вание трещин объясняют
с помощью теории дисло-
каций — их скоплением
перед препятствиями, на-
Разброс
бог
Хрупкое* | 1днзк^^бг
состояние^ ^состояние
Тн TgfHTg
t°C
б
Sot
Sr динам
Хрупкое j । । j ^вязкое
состояние I состояние
t,°c
стат, динам.
Рис. 76. Примеры дислокацион-
ных моделей зарождения суб-
микротрещимы:
а — при пересечении плоскостей
скольжения дислокаций; б—при
скоплении дислокаций у грани-
цы зерна (препятствия); % — ка-
сательные напряжения, вызыва-
ющие перемещения дислокаций;
а — максимальные нормальные
напряжения
Рис. 77. Влияние температуры и скоро-
сти нагружения на пластичное и хруп-
кое состояние:
а — влияние температуры (схема
А. И. Иоффе); б — влияние скорости
нагружения; S0T ~ сопротивление от-
рыву; «т и \динам —истинный пре-
дел текучести при статическом и дина-
мическом нагружении; и Тъ— ниж-
ний и верхний порог хрупкости (хлад-
ноломкости)
пример границами блоков и зерен, слиянием дислокаций
и т. п. Некоторые примеры дислокационных моделей за-
рождения субмикротрещин показаны на рис. 76.
Принято различать два основных типа разрушения:
1— хрупкое; 2— пластичное или вязкое.
Хрупкое разрушение происходит путем отрыва под
действием нормальных растягивающих напряжений,
когда они достигают значения сопротивления отрыву
(см. рис. 67). До разрушения материал испытывает
упругую деформацию, иногда небольшую пластическую
182-
деформацию. Характеристикой хрупкого разрушения яв-
ляется сопротивление разрыву SOT. Для хрупкого раз-
рушения характерным является кристаллический излом,
обычно по границам зерен; плоскость разрушения пер-
пендикулярна к нормальным растягивающим напряже-
ниям. Для случая абсолютно хрупкого разрушения кри-
тическое растягивающее напряжение можно определять
по формуле Гриффитса о= V 2Еу/лС, где Е — модуль
упругости; -у —энергия, затраченная на образование
единицы поверхности раздела; С — полудлина трещины.
В реальных металлах и сплавах обычно происходит не
абсолютно хрупкое разрушение, а разрушение микро-
пластическое. Когда материал находится в упругодефор-
мированном состоянии, у вершины трещины за счет
концентрации напряжений обычно происходит пластиче-
ская микродеформация. Тогда напряжение растяжения
а= У2Е(Р+у)1пС, где Р — энергия пластической де-
формации, отнесенная к единице поверхности трещины.
Пластичное (вязкое) разрушение происходит путем
среза под действием касательных напряжений, когда
они достигают значения сопротивления срезу тк (см.
рис. 68). Разрушение происходит после предваритель-
ной значительной пластической деформации с поглоще-
нием энергии внешнего нагружения за счет вязкости
металла. Для вязкого разрушения характерным явля-
ется волокнистый излом, что связано с пластическим де-
формированием металла; плоскость излома расположена
под углом.
Факторы, влияющие на пластичное
и хрупкое состояние
Вязкость металлов и сплавов определяется их хи-
мическим составом, термической обработкой и другими
внутренними факторами. Наряду с этим вязкость зави-
сит от условий, в которых находится металл при работе
в изделии. При определенных условиях — факторах один
и тот же металл будет находиться в пластичном (вяз-
ком) состоянии, при других — он перейдет в хрупкое
состояние. Такими основными факторами являются: тем-
пература; скорость нагружения; наличие концентрато-
ров нагружения; вид напряженного состояния; масштаб-
ный фактор,
183
Влияние температуры, как фактора охрупчивания,
поясняет схема А. Ф. Иоффе, приведенная на рис. 77, а.
Предел текучести ST существенно изменяется с темпера-
турой, тогда как на 5От температура практически не
влияет. При температурах выше Тв (верхний порог хруп-
кости или хладноломкости) ST<SOT при нагружении
сначала произойдет пластическое деформирование, а
затем разрушение. Следовательно, металл будет нахо-
диться в вязком состоянии. При температурах ниже Тн
(нижний порог хрупкости или хладноломкости) S0T<ST,
металл будет разрушаться без предварительной пласти-
ческой деформации, т. е. будет находиться в хрупком
состоянии. Переход из вязкого в хрупкое состояние
происходит в критическом интервале температур Тв—Ти.
Хладноломкостью называют склонность металла к
переходу в хрупкое состояние при понижении темпера-
туры.
Хладноломкими являются: железо, вольфрам, цинк
и многие другие металлы и сплавы, имеющие о. ц. к. и
г. п. у. решетки. Металлы и сплавы с г. ц. к. решеткой —
алюминий, медь, аустенитные стали1 и др.— не склонны
к хладноломкости; такие материалы можно использо-
вать как криогенные материалы.
Влияние скорости деформирования проявляется в
том, что при переходе от статического к динамическому
нагружению предел текучести увеличивается, т. е.
5т.дин>5т, тогда как сопротивление отрыву S0T от ско-
рости деформирования практически не зависит. Как
видно из рис. 11,6, с увеличением скорости деформиро-
вания интервал хрупкости сдвигается в область более
высоких температур. Металл, находившийся при стати-
ческом нагружении в вязком состоянии, при динамиче-
ском нагружении может перейти в хрупкое состояние.
Влияние концентраторов напряжений (надрезов)
как фактора охрупчивания очень значительно. При этом
следует иметь в виду, что концентраторами напряжений
могут быть отверстия, выточки, канавки, включения и
т. п. Особую опасность как очаги хрупких разрушений
представляют трещины. Влияние надрезов проявляется
прежде всего в том, что у вершины надреза создается
концентрация напряжений — пики напряжений, в не-
сколько раз превышающие среднее номинальное напря-
Раздел «Металловедение», гл. 15.
184
жение gh=jP/jF0, Чем острее и глубже надрез, тем боль-
ше значение коэффициента концентрации напряжения
К = Отах/он (рИС. 78).
У пластичных материалов у вершины надреза при
omax^ST начинается местная пластическая деформация;
при этом металл упрочняется, уменьшается острота над-
реза и концентрация напряжений, что может обеспечить
надежную работу из-
делия. У материалов,
не способных к мест-
ной пластической де-
формации, при о тах^5
>S0T у вершины над-
Рис. 78. Схема распределения нормальных
напряжений в образце с надрезом при ис-
пытании на растяжение. Напряжения;
°/ — осевые; Of — тангенциальные; о г —
радиальные
Рис. 79. Диаграмма ме-
ханического состояния
Я. Б. Фридмана (т/,
предел текучести и сопро-
тивление срезу, выраженные
в касательных напряжениях;
б>от — сопротивление отры-
ву);
/—область пластической де-
формации; II — область
упругой деформации; 1 —
сжатие; 2 — кручение; 3 —
растяжение
реза может образоваться трещина и при ее развитии
создается хрупкое разрушение. При оценке влия-
ния надреза следует также учитывать возможность
возникновения объемнонапряженного состояния. При
растяжении гладкого образца возникают осевые нап-
ряжения растяжения o—P/Fi и касательные напряже-
ния тшах=о/2. При растяжении того же образца с коль-
цевым надрезом наблюдается объемнонапряженное со-
стояние: осевые о/, тангенциальные <т{ и радиальные аг
напряжения. В этом случае ттах= (стах—omin)/2, т. е.
величина касательных напряжений понижается, что
уменьшает возможность пластической деформации.
185
При всестороннем равномерном растяжении, когда о«=
=ot=Gr, касательные напряжения т=0 и материал на-
ходится в абсолютно хрупком состоянии.
Влияние вида напряженного состояния наглядно по-
казывает диаграмма механического состояния
Я. Б. Фридмана, приведенная на рис. 79. Различные
способы нагружения характеризуются коэффициентом
мягкости а=Ттах/5тах, где Ттах — наибольшие касатель-
ные напряжения; Smax — наибольшие приведенные рас-
тягивающие напряжения. Для осевого сжатия а=2,
кручения 0,8, осевого растяжения 0,5 и т. д. Из диаграм-
мы видно, что для одного и того же материала, при
сжатии происходит вязкое разрушение путем среза с
предварительной пластической деформацией. При рас-
тяжении происходит хрупкое разрушение путем отрыва.
Эта диаграмма дает лишь качественное представление
о влиянии способа нагружения.
Влияние размеров изделия (масштабный фактор)
заключается в том, что с увеличением массы возрастает
вероятность наличия в объеме металла дефектов («сла-
бых мест»), инициирующих процесс разрушения.
Способы оценки вязкости
Ударная вязкость. Для оценки вязкости материалов
и установления их склонности к переходу из вязкого в
хрупкое состояние наиболее часто проводят ударные ис-
пытания надрезанных образцов на маятниковых копрах
(рис. 80). Для получения сопоставимых результатов ис-
пытания проводят на стандартных образцах нескольких
типов с надрезами определенной формы и размеров (на
рис. 80, а, тип I). Образец устанавливают на опорах коп-
ра надрезом в сторону, противоположную удару ножа
маятника, который поднимают на определенную высоту.
На разрушение образца затрачивается работа А =
=Р(Н—h), где Р — масса маятника, кг; Н, h — высота
подъема маятника до и после удара, м (рис. 80,6).
Характеристикой вязкости является ударно-надрез-
ная вязкость, называемая обычно просто ударной вяз-
костью an=A!F0 кгс*м/см2, где Fo—площадь попереч-
ного сечения образца в месте надреза.
Серийные испытания проводят для оценки склон-
ности металла к хладноломкости и определения крити-
ческих порогов хладноломкости (хрупкости). Для этого
186
испытывают серию образцов при различных температу-
рах и затем строят кривые ан—t°C (рис. 80,в), опреде-
ляя верхний Тв и нижний Ти пороги хладноломкости.
Ударная вязкость является характеристикой, чувстви-
тельной к структурному состоянию, содержанию вред-
ных примесей и т. п. Вместе с тем аи не позволяет до-
статочно надежно установить сопротивление металла
Рис. 80. Схема испытания на ударную вязкость:
а — стандартный образец с надрезом, тип I; б— схема маятни*
нового копра; в — зависимость вязкости от температуры; г—об-
разец с трещиной
хрупкому разрушению и является качественной харак-
теристикой вязкого разрушения. Изделия могут хрупко
разрушаться и при достаточно высоком значении аа.
Работа разрушения образца включает две составля-
ющие: ан=а3+«р, где а3 — работа, затрачиваемая на
деформацию образца до образования трещины (работа
зарождения трещины); ар — работа распространения
трещины (работа развития вязкой трещины). При на-
личии в реальных металлах трещин а3=0 и сопротивле-
ние разрушению будет характеризовать величина av.
Определение аР проводят различными способами, обычно по ре-
зультатам испытаний образцов с заранее созданными трещинами.
Наиболее распространен метод Фридмана — Дроздовского, при ко-
тором применяют образец с трещиной в вершине надреза (рис. 80, г),
определяя «т.у=Лт.у/Рн, где Дт,у— работа, затраченная на разру-
шение; FH — площадь поперечного сечения образца в месте трещины.
Так как при наличии трещины а3 = 0, величина ударной вязкости
187
вт. у «ар и достаточно точно характеризует работу развития тре-
щины.
По Ирвину, вязкость разрушения для плоскодеформированного
состояния характеризуют коэффициентом (критерием) интенсивности
напряжений: К1е=оУл/кр, где о — разрушающее напряжение;
1кр — полудлина трещины в момент перехода к лавинообразному
разрушению. Коэффициент Kic позволяет дать оценку способности
материала к торможению трещины и определить ее критическую ве-
личину. Его определение проводят по сложной методике на разрыв-
ных образцах с боковыми или центральными трещинами.1
Для определения склонности к хрупкому разрушению
также испытывают на растяжение гладкие образцы с
трещинами. Сравнительную оценку проводят по отно-
шению Од/ов, где о* —предел прочности образца с тре-
щиной. Чем меньше это отношение, тем больше склон-
ность материала к охрупчиванию.
Оценка вязкости по виду излома основана на том,
что для хрупкого разрушения характерным является
кристаллический, а для вязкого — волокнистый излом.
По предложению А. П. Гуляева для количественной
оценки могут быть взяты следующие нормы; вязкое со-
стояние, когда в изломе ^90% волокон, верхний порог
хладноломкости 7'90=7'в (рис. 80,в); хрупкое состоя-
ние—=С10% волокон в изломе, нижний порог хладно-
ломкости Ло=Ги.
УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ
Усталостью называется разрушение металлов под
действием повторных или знакопеременных нагрузок.
Усталостное разрушение происходит, например, у пру-
жин автоматики, деталей кулачковых и других меха-
низмов, работающих в режиме нагружение-разгружение,
растяжение-сжатие; при многократном повторении удар-
ных или плавно возрастающих нагрузок (напряжений);
у валов, передающих крутящий момент, материал кото-
рых испытывает изгиб с вращением, происходит много-
кратное изменение знака напряжений (растяжение —
сжатие) и т. д.
1 Второй
критерий — коэффициент
/Са1С
Е(1-р)
, где Е—мо-
дуль нормальной упругости; р — коэффициент Пуассона; Gic —вяз-
кость разрушения или интенсивность освобождения энергии при пе-
реходе к нестабильному росту трещины. Для плосконапряженного
состояния используют коэффициенты Кс и Ge, имеющие тот же
смысл, что и Kic и Си-
О1с —
188
Установлено, что большая часть поломок деталей ма-
шин вызвана усталостью материала. Усталостное раз-
рушение имеет ряд характерных признаков. Оно проис-
ходит как бы внезапно без заметных внешних признаков
пластической деформации. В усталостном изломе, как
правило, наблюдаются две характерные зоны. Первая
зона, имеющая гладкую поверхность, образуется в ре-
Рис. 81. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б) и
усталостный излом (в)
зультате возникновения и постепенного развития уста-
лостной трещины, вторая зона —зона окончательного
излома оставшейся части сечения изделия (рис. 81,в).
Характерно и то, что усталостное разрушение раз-
вивается в деталях, работающих при напряжениях мень-
ше предела текучести металла. Образование усталост-
ной трещины связано с реальным строением металлов —
наличием различно ориентированных зерен и блоков,
неметаллических включений, микропор, дислокаций и
других дефектов кристаллической решетки. В этих усло-
виях при расчетной средней величине напряжений, не
превышающей значения предела упругости, фактические
напряжения в металле распределяются неравномерно.
189
В отдельных перенапряженных зернах (блоках) про-
исходит пластическая деформация, сопровождающаяся
протеканием элементарных сдвигов, увеличением плот-
ности дислокаций, их скоплением у препятствий и т. п.,
что приводит к зарождению субмикроскопической тре-
щины.
Трещины являются сильными концентраторами на-
пряжений и из них образуются микротрещины, далее
соединяющиеся в общую усталостную микротрещину,
постепенно распространяющуюся на сечение. Разруше-
ние происходит в результате возрастания напряжения в
оставшейся зоне сечения.
Таким образом, усталость — процесс постепенного
накопления повреждения металла под действием повтор-
но-переменных напряжений, приводящий к образованию
трещин и разрушению. Свойство металла сопротивлять-
ся усталости называется выносливостью.
Предел выносливости (теоретический) — наибольшее
напряжение цикла, которое выдерживает материал без
разрушения при бесконечно большом числе циклов наг-
ружения. Обычно предел выносливости определяют на
базе заданного числа циклов нагружения N. Для стали
Лг=107, для цветных металлов W=108 циклов нагруже-
ния. Наиболее часто предел выносливости определяют
при испытании образца на изгиб с вращением со знако-
переменным симметричным циклом напряжений
(рис. 81,а).
Испытание проводят на серии образцов при различ-
ной нагрузке с определением разрушающего напряже-
ния цикла и соответствующего ему числа циклов нагру-
жения. По полученным данным строят кривую, на кото-
рой определяют пределы выносливости, на базе
заданного числа циклов нагружения (рис. 81,6). Пре-
дел выносливости, определяемый в стандартных усло-
виях, например для стали при N= 107, обозначают о-ь
При определении ограниченной усталостной прочно-
сти в обозначении указывают базу испытания, например
Предел выносливости может быть приближенно оп-
ределен по изменению температуры образца и другими
методами. Между пределом выносливости и характери-
стиками прочности и пластичности установлены эмпири-
ческие соотношения, например <т-1=0,25ов(1-М>35ф)
ИДР.>
190
Предел выносливости существенно зависит от каче-
ства обработки поверхности. Например, по сравнению с
полированной поверхностью o_i снижается при обработ-
ке грубым напильником на 20% и т. д. При коррозион-
ном воздействии о. ] может понижаться в несколько раз.
ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Остаточными (или собственными) называют напря-
жения, которые остаются в теле после прекращения при-
чин, их вызвавших, и уравновешивающиеся внутри тела,
без воздействия внешних сил. В зависимости от величи-
ны объемов тела, в пределах которых уравновешиваются
остаточные напряжения, по Н. Н. Давиденкову, разли-
чают: 1) напряжения I рода — это напряжения, уравно-
вешивающиеся в объеме всего тела; 2) напряжения II
рода — это напряжения, уравновешивающиеся в преде-
лах нескольких блоков зерна, одного или нескольких
зерен. Например, при пластическом деформировании
зерна а (см. рис. 84) соседние зерна испытывают упру-
гие деформации. Если нагрузку снять, то пластически,
т. е. необратимо, деформированное зерно будет препят-
ствовать упруго-деформированным зернам возвратиться
в исходное состояние. В группе зерен возникают остаточ-
ные напряжения; 3) напряжения III рода — уравнове-
шивающиеся в объеме нескольких элементарных ячеек
кристаллической решетки (типичным примером может
быть искажение кристаллической решетки, указанное на
рис. 38, б, в). Напряженное состояние решетки возника-
ет и локализуется в ультрамикроскопических объемах.
Напряжения II и III рода дезориентированы, их
можно определять рентгенографическим способом.
Напряжения I рода являются ориентированными и в
изделиях можно выделить объемы (зоны), где возник-
ли напряжения растяжения или сжатия. Их величину и
направление можно определить рентгенографически, а
также методом разрезки изделия, впервые предложен-
ным Н. В. Калакуцким. Разрезка изделия (или удаление
его части) нарушает равновесие напряженного состоя-
ния, что приводит к деформации, по величине которой
вычисляют значение и направленность напряжений.
Возникновение остаточных напряжений связано с
неоднородными деформациями в смежных объемах тела
(изделия). Причинами могут быть неоднородность ма-
191
не-
Рис. 82. Схема возникновения оста'
точных напряжений вследствие
однородности материала
териала, напряженное состояние, неравномерное . ох-
лаждение и т. п.
Наглядное представление о возникновении остаточных напряже-
ний I рода может дать схема, приведенная на рис. 82. В жесткой
системе стержень I изготовлен из материала с ОуП, стержни II —
из материала с ОуП, причем сТуП<(ТуП. При нагружении системы внеш-
ними силами Р, вызывающими напряжения S>Oyn, но 5<сТуП, в
материале стержня 1 возникнет
пластическая деформация, в ма-
териале стержней II — упругие
деформации. После разгружения
системы в результате остаточного
растяжения стержня I в стерж-
нях II упругая деформация не ис-
чезнет. В модели возникнет взаи-
моуравиовешенная система оста-
точных напряжений — сжатия в
стержне I и растяжения в стерж-
нях II. Причиной возникновения
остаточных напряжений явилась
неоднородность материала, в ре-
зультате чего произошла местная
(стержень /). В реальных металлах и
пластическая деформация
сплавах неоднородность связана с различиями в структуре и хими-
ческом составе (ликвация) в объеме изделия.
Типичным случаем является возникновение остаточ-
ных температурных (термических) напряжений при не-
равномерном охлаждении изделия по сечению, например
при закалке и т. п. (рис. 83,а). Поверхностный слой
цилиндрического сплошного образца охлаждается и
уменьшает свой объем быстрее, чем его внутренняя
часть, и сжимает последнюю («эффект обруча»), В ре-
зультате во внутренней части возникнут временные на-
пряжения сжатия, в поверхностном слое — напряжения
растяжения ор (рис. 83,6). При ор^от (при данной
температуре) в этом слое произойдет пластическая де-
формация—необратимое изменение размеров. Когда
периферийный слой уже охладился, центральная часть
еще охлаждается и стремится уменьшить свой объем.
Этом)? препятствует уже охладившийся периферийный
слой. В центральной части образца возникнут остаточ-
ные напряжения растяжения, в периферийном слое —
сжатия (рис. 83,в). Величина остаточных напряже-
ний тем больше, чем выше разность температур по
сечению и, следовательно, чем больше скорость ох-
лаждения.
192
Фазовые или структурные напряжения возникают в
результате неоднородности фазовых превращений по
сечению изделий и разного удельного объема различных
фаз (см. с. 223). Эти напряжения обычно накладывают-
ся на термические, образуя общую эпюру остаточных на-
пряжений. По указанным причинам остаточные напря-
жения всегда возникают при литье, сварке, закалке и т. п.
Рис. 83. Схема возникновения остаточных напряжений вследствие неравно-
мерного охлаждения по сечению образца:
а —кривые охлаждения (/ — в центре; 2—на поверхности); б, в —эпюры на-
пряжений временных и остаточных
6
В зависимости от причин возникновения, по
И. А. Одингу, различают технологические и конструкци-
онные остаточные напряжения. К технологическим на-
пряжениям относятся литейные (усадочные), сварочные,
закалочные и др.
Конструкционные напряжения могут возникать при
сборке, например в клепанной конструкции в результате
«натяга» для совмещения отдельных ее элементов при не
вполне совпадающих отверстиях.
Остаточные напряжения, как правило, являются
вредными. Они могут вызвать коробление при обработ-
ке заготовок на металлорежущих станках; образование
трещин в изделиях; способствовать хрупкому разруше-
нию. Остаточные напряжения, суммируясь с рабочими
напряжениями, могут вызвать потерю устойчивости или
разрушение конструкции.
В некоторых случаях остаточные напряжения игра-
ют положительную роль. Так, например, в результате
дробеструйной обработки в поверхностных слоях пру-
13—481
193
жин, торсионных валиков и других изделий создают
выгодные напряжения сжатия, уменьшающие величину
рабочих напряжений растяжения, что способствует уве-
личению долговечности деталей.
Глава 4
НАКЛЕП, ВОЗВРАТ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
ТЕХНИЧЕСКИХ МЕТАЛЛОВ
Пластическая деформация металлов и сплавов как
тел поликристаллических имеет некоторые особенности
по сравнению с пластической деформацией одного зерна
Рис. 84. Схема возможных
направлений плоскостей
сдвига в отдельных зернах
(пластическая деформация
начнется в зерне а)
Рис. 85. Схема пластической де-
формации зерна и изменения
микроструктуры металла
(монокристалла). В поликристаллическом металле зер-
на, а следовательно, и плоскости легкого скольжения
имеют различную ориентировку, в структуре всегда при-
сутствуют неметаллические включения, микропоры и
другие дефекты. Вследствие влияния соседних зерен
деформирование каждого зерна не может совершаться
свободно. Пластическая деформация начинается тогда,
когда действующие напряжения превысят предел упру-
гости. Сначала пластическая деформация может проис-
ходить лишь в отдельных зернах с благоприятной ори-
194
ентировкой, у которых плоскости легкого скольжения
совпадают с направлением максимальных касательных
напряжений. Для одноосного растяжения такие плоскости
расположены под углом 45° к направлению приложен-
ных сил (рис. 84).
В каждом зерне сдвиг происходит последовательно,
сначала по одной плоскости, затем по другой и т. д.
Смещение одних частей зерна по отношению к другим
его частям легко обнаруживается в микроструктуре в
виде так называемых линий сдвига или скольжения.
Наблюдаемые под микроскопом линии скольжения ши-
риной, составляющей примерно 1 мкм, представляют со-
бой смещение не по одной кристаллографической плоско-
сти, а общее смещение на 10~4—10-5 см пачки или бло-
ка— огромного количества параллельных плоскостей.
В пачке каждая плоскость смещена относительно дру-
гой на один параметр решетки. Кроме сдвига, происхо-
дит и поворот смещенных частей зерна в направлении
уменьшения угла между направлением плоскостей
скольжения и направлением растягивающих сил Р
(рис. 85). Этот поворот объясняется тем, что свободному
смещению частей зерна препятствуют соседние зерна.
При повороте плоскостей сдвиг облегчается.
В результате сдвигов и поворота плоскостей сколь-
жения зерно постепенно вытягивается в направлении
растягивающих сил. Внутри зерна происходит измельче-
ние блоков, увеличение углов их разориентировки, воз-
никают упругие искажения решетки и напряжения,
значительно увеличивается плотность дислокаций.
При дальнейшем увеличении нагрузки и возрастании
касательных напряжений пластическая деформация на-
чинается и в других, менее благоприятно ориентирован’
ных зернах. Сдвиги происходят по плоскостям, распо-
ложенным не под углом 45°. При дальнейшей пластиче-
ской деформации зерна еще более вытягиваются в на-
правлении течения металла и образуется характерная
волокнистая структура.
При больших степенях пластической деформации
оси зерен получают определенную ориентировку, кото-
рую называют текстурой деформации. В этом состоянии
металл имеет резко выраженную анизотропию свойств.
Например, в продольном направлении, т. е. вдоль вытя-
нутых зерен — волокон, металл прочнее, чем в попереч-
ном направлении.
195
13*
НАКЛЕП
Степень деформации
Рис. 86. Схема изменения свойств ме-
талла в зависимости от степени пла-
стической деформации:
1 •— твердость; 2 — прочность; 3 — пла-
стичность; 4 — вязкость
Наклепом называется изменение свойств металла в
результате холодной пластической деформации. Из
рис. 86 видно, что с увеличением степени пластической
деформации повышается прочность и твердость, т. е.
происходит упрочнение металла, его нагартовка1. Наря-
ду с этим понижается пла*
стичность и вязкость ме-
талла, т. е. происходит
его охрупчивание. Наибо-
лее высокопрочным мате-
риалом в современной
технике является нагарто-
ванная стальная проволо-
ка, получаемая в резуль-
тате холодного волочения
при степени деформации
80—90% и имеющая пре-
дел прочности 300—400
кгс/мм2. Такая прочность
не может быть достигнута
за счет легирования и
термической обработки.
В результате пластического деформирования суще-
ственно изменяются также физические и химические
свойства металла, например повышается электросопро-
тивление, растворимость в кислотах, уменьшается тепло-
проводность и т. д.
Упрочнение при наклепе объясняется прежде всего
тем, что с увеличением степени пластической деформа-
ции на несколько порядков возрастает число дислока-
ций. По теоретическим расчетам и экспериментальным
данным, в поликристаллическом отожженном металле
число дислокаций составляет 106—108 на 1 см-2, в
сильно деформированном металле — до 1011—1012 на
1 см-2. При увеличении числа дислокаций их свободное
перемещение затрудняется взаимным влиянием. Упроч-
нение вызывается также торможением дислокаций в свя-
зи с измельчением блоков и зерен, искажением решетки
металла, возникновением напряжений. Особо эффектив-
ными «барьерами» для дислокаций являются границы
‘ От слова Hart — твердость (немецк.).
196
зерен и блоков. Дислокации могут тормозиться дисперс-
ными частицами, выделяющимися из твердого раствора
при деформировании и т. д.
ВОЗВРАТ
Около 10—15% всей энергии, затраченной на пласти-
ческую деформацию, поглощается металлом и накапли-
вается в нем в виде повышенной потенциальной энергии
смещенных атомов, напряжений. Таким образом, дефор-
мированный металл находится в
неравновесном, неустойчивом со-
стоянии. Переход к более равно-
весному состоянию связан с
уменьшением искажений в кри-
сталлической решетке, снятием
напряжений, что определяется
возможностью перемещения ато-
мов. При низких температурах
Рис. 87. Схема процесса по-
лигонизации:
а — хаотическое размещение
дислокаций после деформа-
ции; б — стенки из дислока-
ций после полигонизации
подвижность атомов мала и со-
стояние наклепа может сохра-
няться неограниченно долго. С по-
вышением температуры диффу-
зия атомов увеличивается и в ме-
талле начинают развиваться про-
цессы, приводящие его к более равновесному состоянию.
Это явление возврата.
Первая стадия возврата — отдых — наблюдается при
невысоком нагреве. При отдыхе происходит уменьшение
количества вакансий, уменьшение плотности дислока-
ций, частичное снятие напряжений.
Вторая стадия возврата — полигонизацияделение
зерен на части — полигоны (субзерна) размером 10~е—
Ю-4 см. Полигонизация происходит в результате
скольжения и переползания дислокаций, вследствие че-
го дислокации одного знака образуют «стенки», разде-
ляющие зерна на полигоны. На рис. 87 схематически по-
казано образование полигонов, разделенных малоугло-
выми границами.
В полигонизованном состоянии кристалл обладает
меньшей энергией по сравнению с деформированным,
4 От слова polygon — многоугольник (ввел Р. Кан в 1949 г.).
197
поэтому образование полигонов является энергетически
выгодным процессом.
При пластической деформации (е~5—10%) клубковые дисло-
кации (р«1010см-2) образуют ячеистую субструктуру. При отжиге
сплавов с такой структурой полигонизация состоит не в формиро-
вании субзерен из хаотически расположенных линейных дислокации,
а в развитии ячеистой субзеренной структуры. Объемные стеики яче-
ек становятся более узкими, плоскими, тело ячеек еще больше очи-
щается от дислокаций и ячейки постепенно превращаются в хорошо
Рис. 88. Схема изменения структуры и свойств накле-
панного металла при возврате (отдыхе) и рекристалли-
зации
оформленные субзерна. В стейках ячеек происходит скопление ато-
мов примесей, что увеличивает их устойчивость. Такая структура
сохраняется и прн значительных нагревах, поэтому сплавы с такой
структурой практически не рекристаллизуются. Эти явления исполь-
зуют для повышения прочности сплавов, особенно в тех случаях,
когда упрочнение не достигается обычной термической обработкой.
Одна из разновидностей! такой упрочняющей обработки — много-
кратная механико-термическая обработка (ММТО).
Температура начала полигонизации не является
константой. Скорость полигонизации зависит от приро-
ды металла, степени предшествующей деформации, со-
держания примесей и т. п.
198
При возврате заметных изменений в микроструктуре
не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение.
При этом твердость и прочность несколько понижаются,
а пластичность возрастает (рис. 88).
РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
При нагреве до достаточно высоких температур под-
вижность атомов возрастает и происходит процесс ре-
кристаллизации.
Рекристаллизацией называется процесс образования
и роста новых зерен при нагреве наклепанного металла
до определенной температуры (рис. 88). Этот процесс
протекает в две стадии. Различают рекристаллизацию
первичную (обработки) и собирательную.
Рекристаллизация первичная (обработки) заключа-
ется в образовании зародышей и росте новых равновес-
ных зерен с неискаженной кристаллической решеткой.
Наиболее вероятно, что новые зерна возникают у границ
блоков и зерен, пакетов скольжения внутри зерен ит. д.,
где решетка металла была наиболее сильно искажена
при пластической деформации (наклепе). Количество
новых зерен постепенно увеличивается и, в конечном
счете, в структуре не остается старых деформированных
зерен.
Движущей силой первичной рекристаллизации явля-
ется энергия, аккумулированная в наклепанном металле.
Находящийся в неустойчивом состоянии деформирован-
ный металл стремится перейти в более устойчивое со-
стояние с наименьшим запасом свободной энергии. Это-
му состоянию соответствует процесс образования новых
зерен с неискаженной кристаллической решеткой.
В местах, где решетка наиболее искажена и, следо-
вательно, наименее устойчива, при нагреве происходит
перемещение атомов, восстановление решетки и возник-
новение зародышей новых равновесных зерен. Зароды-
шами новых зерен могут быть и объемы (блоки) с наи-
менее искаженной решеткой, куда переходят атомы из
соседних объемов с искаженной решеткой.
Собирательная рекристаллизация — вторая стадия
рекристаллизационного процесса — заключается в росте
образовавшихся новых зерен. Движущей силой соби-
рательной рекристаллизации является поверхностная
энергия зерен. Рост зерен объясняется тем, что при на-
199
личии большого количества мелких зерен их общая
поверхность очень велика, и поэтому металл обладает
большим запасом поверхностной энергии. При укрупне-
нии зерен общая протяженность их границ становится
Рис. 89. Изменение микроструктуры латуни при рекристаллизации:
а — волокнистая структура наклепанной латуни, Х200; б — нагрев до 350° С,
чачало первичной рекристаллизации; в — нагрев до 450° С, завершение пер-
вичной рекристаллизации; г — нагрев до 650° С, собирательная рекристалли-
зация
меньше, что соответствует переходу металла в более
равновесное состояние.
Особенность собирательной рекристаллизации за-
ключается в том, что рост происходит не в результате
слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное
зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, «пое-
дая» их вследствие перехода атомов через границы раз-
дела. Зерно на одном участке может расти за счет со-
200
седнего зерна, а на другом участке может поглощаться
другим, соседним с ним зерном. Процессы собиратель-
ной рекристаллизации могут совершаться и до полного
завершения первичной рекристаллизации.
Изменение микроструктуры при рекристаллизации
показано на рис. 89.
Температура начала (порога) рекристаллизации ме-
таллов и сплавов, по А. А. Бочвару, связана с темпера-
турой плавления зависимостью Трек=а7’пл, где Трек,
Тпл — абсолютные температуры начала рекристаллиза-
ции и плавления.
Для технически чистых металлов а=0,4.
Приведем температуру начала (порога) рекристал-
лизации Трек некоторых металлов:
Металл. . . . W Mo Fe
тпл, °C . . . 3400 2625 1535
Трек, °C. . . 1200 900 450
Си А1
1084 660
200 100
Zn РЬ
419 327
20 <20
Для металлов очень высокой чистоты 0=0,14-0,2, для
твердых растворов а=0,54-0,8.
Следует заметить, что зависимость А. А. Бочвара
позволяет установить приближенное значение температу-
ры начала рекристаллизации, которая не является фи-
зической константой металла, как, например, его тем-
пература плавления. Установлено, что Трек понижается
с увеличением степени предварительной пластической
деформации, зависит от размеров зерна до деформа-
ции и т. д.
Из хода кривых, приведенных на рис. 88, следует,
что с началом рекристаллизации происходит существен-
ное изменение свойств металла — противоположное из-
менению свойств при наклепе. Понижается прочность
металла, т. е. происходит его разупрочнение, а также
твердость, электросопротивление и другие свойства,
повышающиеся при наклепе. Увеличивается пластич-
ность, а также вязкость, теплопроводность и другие
свойства, понижающиеся при наклепе. На свойства ме-
талла большое влияние оказывает размер зерен, полу-
чившихся при рекристаллизации. В результате образо-
вания крупных зерен при нагреве до температуры Л на-
чинает понижаться прочность и особенно значительно
пластичность металла.
Основными факторами, определяющими величину
зерен металла при рекристаллизации, являются темпе-
201
Рис. 90. Схема влияния на величину рекристаллизованного зерна тем-
пературы (с), продолжительности нагрева (б) и степени предваритель-
ной пластической деформации (в):
Степень деформации
Рис. 91. Диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой
стали
ратура, продолжительность выдержки при нагреве и
степень предварительной пластической деформации
(рис. 90). Как показано на рис. 88, а также на рис. 90, а,
с повышением температуры при нагреве происходит ук-
рупнение зерен. Величина зерен также существенно
возрастает с увеличением времени выдержки при дан-
ной температуре (рис. 90, б).
Наиболее крупные зерна образуются после незначи-
тельной предварительной деформации, обычно порядка
3—15% (рис. 90,в). Такую степень деформации называ-
ют критической. Наглядное представление о зависимости
размеров зерна от температуры и степени пластической
деформации дают диаграммы рекристаллизации
202
(рис. 91).'Эти диаграммы используются для прибли-
женного выбора условий рекристаллизационного отжи-
га. Для более точного назначения режима отжига необ-
ходимо учитывать не только температуру и степень
пластической деформации, но также и время отжига,
скорость нагрева металла, содержание примесей, вид
обработки металла до рекристаллизации и другие фак-
торы, оказывающие влияние на величину зерна. Прак-
тически рекристаллизационный отжиг малоуглеродистых
сталей обычно проводят при 600—700° С, латуней и
бронз при 560—700° С, алюминиевых сплавов при 350—
450° С, титановых сплавов при 550—750° С.
Холодная и горячая обработка давлением. Физиче-
ской границей между холодной и горячей обработкой
давлением является Грек. Холодную обработку проводят
при температуре ниже TveK, и металл находится в состоя-
нии наклепа. Горячую обработку металлов проводят при
температурах, при которых процессы рекристаллизации
успевают произойти полностью. Более подробно эти
вопросы рассмотрены в разд. IV.
СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ
Сверхпластичность1 — способность металлов и спла-
вов равномерно удлиняться на сотни и тысячи процентов
(6=2500% и больше). Она обнаруживается у многих
металлов и сплавов при определенных условиях: 1) нали-
чии ультрамелкозернистой структуры с размерами зерна
А=1—2 мкм; 2) когда температура деформирования на-
ходится в пределах 0,4—0,8 Т^лК, т. е. как при обычной
горячей обработке давлением, 3) если скорость деформи-
рования находится в диапазоне е=10~4—10-1с-1. Для
сравнения можно указать, что при статических испытани-
ях на растяжение е=10-8—10-2с-1, при динамических
испытаниях и некоторых скоростных методах обработки
6=10-2—ю5с-1.
У технических металлов и сплавов при литье, обработке давле-
нием и т. п. величина зерна значительно больше, чем требуется для
проявления сверхпластичности. Необходимую ультрамелкозернистую
структуру можно создать специальной обработкой.
Например, для широко применяемой нержавеющей стали
12Х18Н10Т (0,12% С, 18% Ст, 10% Ni, 0,5% Ti) проводят холодную
пластическую деформацию со степенью обжатия около 50% и затем
1 Термин предложен А. А. Бочваром, обнаружившим в 1946 г.
необычайно большое удлинение сплава Zn-f-22% Al.
203
рекристаллизационный отжиг в строго контролируемых условиях:
нагрев до 820° С со скоростью 500° С/с, охлаждение в 10%-ном рас-
творе NaCl для фиксирования ранней стадии рекристаллизации. Та-
кая сталь с размером зерна Д=2 мкм при горячей обработке со ско-
ростью деформации e=5X10_2c-‘ обнаруживает сверхпластичность
(рис. 92,а). Обычная пластичность этой стали с размером зерна
Д=20 мкм после стандартной термической обработки в несколько
раз меньше. На рис. 92,6 показана сверхпластичность углеродистых
Рнс. 92. Сверхпластичность стали:
а — нержавеющая сталь 12XI8H10T; б—углеродистые стали С 0,18%
н 0,93% С при термоциклическом нагружении
сталей при специальной циклической термической обработке — мно-
гократном повторении циклов нагрев — охлаждение. Образцы при
постоянной нагрузке под напряжением 0=1,75 кгс/мм2 нагревали
несколько выше и охлаждали несколько ниже точки А3 — темпера-
туры фазового «^у-превращения в сталях (см. с. 214).
Малая пластичность технических сплавов усложняет обработку
давлением, иногда ее приходится проводить по схеме деформация —
промежуточный отжиг — деформация и т. д. С использованием
сверхпластичности технология упрощается, снижаются усилия де-
формирования и мощность оборудования, нагрузки на инструмент,
обеспечивается возможность обработки труднодеформируемых спла-
вов. После обработки благодаря ультрамелкому зерну сплавы име-
ют высокие механические свойства. По в технологии с использова-
нием сверхпластичности возникают технические затруднения, напри-
мер разработка специальных штампов и т. п.
Несмотря на многочисленные работы, физическая теория сверх-
пластичности полностью еще не разработана. При сверхпластичности
деформация происходит по сложному механизму, включающему дис-
локационную пластичность внутри зерен, зернограничное проскаль-
зывание и другие процессы.
204
Глава 5
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) явля-
ются наиболее распространенными металлическими ма-
териалами. Нет ни одной отрасли промышленности, где
бы ни использовали сплавы железа, поэтому их изучению
уделяют большое внимание.
КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА
С УГЛЕРОДОМ
Первое представление о диаграмме железо — углерод
дал Д. К. Чернов, который в 1868 г. указал на существо-
вание в стали критических точек и их зависимость от со-
держания в ней углерода, т. е. фактически впервые ука-
зал на полиморфизм железа.
Прежде чем рассматривать превращения, происходя-
щие с изменением температуры в сплавах этой системы,
рассмотрим свойства и строение компонентов и фаз.
Чистое железо — серебристо-светлый металл, атом-
ный номер 26, атомный вес 55,85. Технически чистое же-
лезо содержит 0,10—0,15% всех примесей. Наиболее
чистое железо, полученное в лабораторных условиях, со-
держало 99,9917% Fe. Свойства железа зависят от сте-
пени его чистоты. Для технически чистого железа темпе-
ратура плавления равна 1539°С (±5 град), плотность
7,85 г/см3. Железо обладает невысокой твердостью и
прочностью /7В~80, от, «25 кгс/мм2; оо,2~12 кгс/мм2 и
хорошей пластичностью: 6«50%; ф«80%.
При нагреве железо испытывает аллотропические
превращения. До 911° С железо имеет о. ц. к. решетку
(К8) с параметром при комнатной температуре
а=0,286 нм (2,86 А), его обозначают Fea. При 911°С
происходит превращение решетки о.ц.к. в г.ц.к. решет-
ку, и в температурном интервале 911—1392° С железо
обозначают Fev (г. ц. к., К12, с условным параметром,
полученным экстраполяцией до комнатных температур,
о
0=3,56 А). При 1392 С вновь происходит перестройка
решетки г.ц.к. в о.ц.к., которая сохраняется до темпе-
ратуры плавления. Эту модификацию обозначают Fea и
Fee . При 768° С на кривой нагрева железа появляется
перегиб, отвечающий изменению магнитных свойств же-
леза (точка Кюри для железа). До 768° С Fea ферромаг-
205
нитно, выше этой температуры — парамагнитно. Пока
не было установлено, что магнитные превращения не свя-
заны с аллотропией, немагнитное Fera обозначали как
модификацию Fep , существовавшую от 768 до 911° С.
Углерод в природе встречается в виде двух модифи-
каций: в форме алмаза, имеющего сложную кубическую
решетку, и в форме графита, имеющего простую гекса-
О О
тональную решетку с параметрами а =1,4 А и с=3,4 А.
Плотность графита 2,25 г/см3. В отличие от других мате-
риалов предел прочности графита увеличивается при
повышении температуры: при 20° С ов=2 кгс/мм1 2, при
2500° С предел прочности повышается до 4 кгс/мм2, что
выше прочности всех тугоплавких металлов при данной
температуре. При нагреве примерно до 3650° С начинает-
ся сублимация1 графита.
Рассмотрим фазы в системе Fe—Fe3C. Феррит — твер-
дый раствор внедрения углерода в Fea. Обозначается
Fea (С). Максимальная растворимость достигает 0,02% С
при 727° С. При комнатной температуре растворяется
меньше 0,006% С*. Твердость и механические свойства
феррита близки к свойствам технически чистого железа,
они зависят от количества элементов, присутствующих
в нем (многие металлы и неметаллы образуют с ферри-
том твердые растворы замещения).
Аустенит2 — твердый раствор внедрения углерода в
Fev. Его обозначают Fev (С). Углерод занимает пору в
центре г. ц. к. ячейки. При 1147° С аустенит содержит
2,14% С, а при 727° С — всего лишь 0,8% С. Аустенит —
парамагнитен, пластичен, имеет низкие значения предела
прочности и твердости (НВ~ 170-4-220). Элементы, раст-
воряющиеся в аустените, могут значительно изменять его
свойства, а также температурные границы его существо-
вания.
Цементит — карбид железа Fe3C, образующийся при
содержании углерода 6,67%. Цементит имеет сложную
орторомбическую решетку, в элементарной ячейке кото-
1 Сублимация (возгонка) — превращение в газообразное состоя-
ние твердых (кристаллических) веществ, минуя жидкое состояние.
* Поры в решетке Fe^ гораздо меньше размеров атома углеро-
О
да (диаметр атома углерода 1,54 А), так что углерод, по-видимому,
находится в дефектах решетки. Название фазы «феррит» связано с
ее ферромагнитными свойствами.
2 Фаза имеет такое название в честь английского ученого Р. Ау-
стена.
206
рой находятся 12 атомов железа и 4 атома углерода.
Температура плавления цементита около 1600° С. Цемен-
тит имеет очень высокую твердость (НВ ~800), хруп-
кий. До 217° С обладает слабыми ферромагнитными
свойствами.
Жидкая фаза — существует выше линии ликвидус.
Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную
жидкую фазу.
В дальнейшем будут приняты сокращенные обозна-
чения фаз: феррит — Ф, аустенит — А, цементит — Ц,
жидкая фаза — Ж.
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО — ЦЕМЕНТИТ
Железо, взаимодействуя с углеродом, образует ряд
химических соединений: Fe3C, Fe2C, FeC и др. Поскольку
устойчивое химическое соединение в диаграммах может
быть рассмотрено как компонент, обычно диаграмму же-
лезо — углерод изображают только до содержания
6,67% С, когда образуется химическое соединение кар-
бид железа Fe3C, так как практическое значение имеет
только эта часть диаграммы Fe—С (сплавы, содержащие
больше углерода, очень хрупкие). Соединение Fe3C на-
зывают цементитом, поэтому этот участок диаграммы
состояний железо — углерод называют диаграммой со-
стояний железо — цементит. Современный вид такой диа-
граммы приведен на рис. 93.
В табл. 3 приведены температура и концентрация
углерода для всех точек диаграммы. Линия ABCD
(рис. 93) является линией ликвидус, а линия AHJ Е CF —
солидус. По линии HJB при 1499° С происходит перитек-
ТОЧКИ ДИАГРАММЫ
ТАБЛИЦА 3
Обозна- чение точек Концентра- ция углерода, % t. °C | Обозна- чение точек Концентра- ция углерода, % t. °C
А 0 1539 F 6,67 1147
Н 0,1 1499 G 0 911
J 0,16 1499 Р 0,02 727
В 0,5 1499 S 0,8 727
N 0 1392 К 6,67 727
Е 2,14 1147 Q 0,006 25
С 4,3 1147 L 6,67 25
207
тическое превращение ^в+Фн^А/, в результате кото-
рого образуется аустенит. По линии ECF при 1147° С про-
исходит эвтектическое превращение Lc^Ae+Uf.
Образующаяся эвтектика носит название ледебурит1.
Ледебурит (Л) — эвтектика системы Fe—Fe3C — пред-
ставляет собой механическую смесь цементита и аусте-
нита и содержит 4,3% С.
Жидкость + феррит
и, 1500
Феррит------р
Феррит*
★аустенит ;
1300 -
1200
Жидкость
D'
F
Л27—
К
\ Аустенит*цементшп I Цементит(пердичный)+
У.8торичныйрпедед(у>ит\*ледедурит(аустенит*_ _
^аустенит*цементит). *цементит)
I
Е№ментт ^флит*ценетит(Вторшный1> Цементит(пердичный)-
9т1Ц1ичныа)*в№едурит(перлипц№1енп1г)у-леде}урит(перлит*цо1ен^т)
О 0,81 22,19 3 9 9,3 5 6 6,67 Г/Л
I----i____I____I____I___I_____। I । । ।
О 10 20 30 90 50 60 70 80 90 Ю0%7е$
Жидкость*
* аустенит
Е
1100 — Аустенит —у
1000 -
011 е
. 900
Аустенит*
* феррит —
Феррит_____
Феррит* 700
★цементит -—
(третичный) 600
'Жидкость*
* цементит
(пердичный)
I
I
Рнс. 93. Диаграмма состояний железо — цементит н железо—углерод (пунктир)
При 768° С по линии МО происходит магнитное пре-
вращение железа.
При 727° С по линии PSK происходит эвтектоидное
превращение: Ав^Фр+Пк. Образующийся эвтектоид
называется перлитом. Перлит (П) — это механическая
смесь (эвтектоид), состоящая из мелких, различной ве-
личины пластинок цементита в ферритной основе, содер-
жание углерода составляет 0,8%. Название перлит эвтек-
тоид получил за блеск, который наблюдается на полиро-
ванном и протравленном шлифе, напоминающий блеск
перламутра.
В честь немецкого ученого Ледебура.
208
При эвтектоидном превращении наблюдается восхо-
дящая диффузия. Ведущей фазой является цементит.
Пластинка цементита начинает расти либо от
границы зерна аустенита, либо центром кристал-
лизации оказывается неметаллическое включение.
Соседние области обедняются углеродом и там
образуется феррит. Повторяясь многократно, этот
процесс приводит к образованию зерна перлита, состоя-
щего из параллельных пластинок цементита и феррита.
Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже
механические свойства перлита.
Эвтектоидное превращение испытывает и аустенит,
входящий в состав ледебурита: при температурах ниже
727° С ледебурит состоит из механической смеси перлита
и цементита и иногда его называют ледебуритом превра-
щенным (Лп).
Рассмотрим подробнее превращения, протекающие
при охлаждении сплавов с различным содержанием
углерода.
В сплавах, содержащих до 0,1% С (до точки Н, см.
рис. 93), например сплав I на рис. 94, при охлаждении
вначале происходит кристаллизация Fe6(C) с последую-
щим превращением его в аустенит. В сплавах, содержа-
щих 0,1—0,5% С (до точки В, см. рис. 93), образование
аустенита происходит по линии HJB при 1499° С по пе-
ритектической реакции Ьв+Фн^Ал
Таким образом, все сплавы, содержащие до 2,14% С,
после окончания кристаллизации имеют структуру аусте-
нита. Поэтому часто пользуются более упрощенной диаг-
раммой Fe—Fe3C, где линия солидуса AHJE представле-
на в виде простой линии АЕ (рис. 94).
На рис. 94 изображена левая часть диаграммы Fe—
Fe3C.
Сплав I содержит меньше 0,02% С, т. е. расположен
левее точки Р. Он представляет собой технически чистое
железо.
Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и
заканчивается в точке 2. До точки 3 в сплаве I не происхо-
дит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаж-
дается.
В точке 3 начинается перестройка решетки аустенита
(г. ц. к.) в решетку феррита (о. ц. к.) с изменением со-
держания углерода в обоих твердых растворах: по мере
охлаждения состав аустенита изменяется по линии GOS,
14—481
209
а состав феррита — по линии GMP*. В точке 4 это пре-
вращение заканчивается и до точки 5 происходит охлаж-
дение образовавшегося феррита. Ниже точки 5 сплав
находится в области двухфазного состояния Ф-[-Ц.
Линия PQ — линия переменной растворимости (см.
рис. 61) углерода в решетке феррита. Этот избыточный
Рис. 94. Часть диаграммы состояний железо — углерод (до 2,14% С)
углерод образует с железом химическое соединение
РезС, т. е. цементит. Чтобы отметить особенности выде-
ления цементита в сталях, содержащих углерода менее
0,02%, его обозначают Нтп. т. е. цементит третичный (о
цементите вторичном будет сказано позже). При обыч-
ном охлаждении Цщ выделяется главным образом внут-
ри зерен в виде очень дисперсных включений, увеличивая
прочность феррита. Если охлаждение проводить медлен-
но, то Цщ будет выделяться по границам зерен феррита.
Структура технического железа представлена на
рис. 95, а.
Кривая охлаждения сплава II (см. рис. 94) типична
для всех сплавов, содержащих от 0,02 до 0,8% С, разни-
ца— только в температурах критических точек. Образо-
вание кристаллов аустенита начинается в точке 1 и за-
заканчивается в точке 2. При этом состав жидкой фазы
* Состав сплавов и количество фаз для сплавов системы Fe—
FeaC определяют и рассчитывают по правилу отрезков.
Рис. 95. Структура сталей с разным содержанием углерода, Х200:
а —0,05; 6 — 0,25; в — 0,40; г —0,70; 6 — 0,80; е — 1,2%
14*
2П
изменяется по линии ликвидус АС, а состав аустенита —
по линии солидус АЕ. В точке 3 начинается превращение
аустенита в феррит, которое протекает до точки 4.
Состав аустенита изменяется по линии GOS, состав фер-
рита — по линии GMP. В точке 4 при 727° С происходит
эвтектоидное превращение
Чем больше в стали углерода, т. е. чем ближе распо-
лагается сплав к точке S, тем большее время необходимо
для этого превращения (отрезок 4—4' на кривой охлаж-
дения будет больше) и в структуре сплава будет больше
перлита. После охлаждения структура таких сплавов
состоит из Ф-|-П (рис. 95,6—г).
Сплав III содержит 0,8% С, т. е. по составу отвечает
точке эвтектоидного превращения S. При его охлаждении
до 727° С аустенит не испытывает никаких превращений,
поэтому при температуре 727° С весь аустенит превра-
тится в перлит (рис. 95, д).
Сплав IV (см. рис. 94) содержит углерода больше
0,8%, но меньше 2,14%, т. е. он располагается между
'/очками S и Е. До точки 3 кристаллизация этого сплава
протекает так же, как и сплавов I и II. При температурах
от точки 3 до точки 4 изменяется содержание углерода в
аустените по линии ES. Точка Е соответствует макси-
мальной растворимости углерода в аустените, т. е. 2,14%,
а точка S — минимальной: 0,8% С. Избыточный углерод
по мере понижения температуры выделяется из решетки
аустенита и образует с железом так называемый вто-
ричный цементит, который обозначают Цц.
При 727° С (точка 4) происходит эвтектоидное пре-
вращение. Таким образом, после окончательного охлаж-
дения сплав будет иметь структуру П-f-LIji. По сравне-
нию с Uni выделение Цц происходит при более высоких
температурах, когда скорости диффузии велики. Поэтому
Цп образуется по границам зерен в виде сетки. Это хо-
рошо иллюстрируется микроструктурой, приведенной на
рис. 95, е.
Особенностью всех сплавов с содержанием углерода
от 2,14 до 6,67 % является наличие в их структуре леде-
бурита (рис. 96).
Кривая охлаждения сплава V типична для всех спла-
вов, содержащих углерода от 2,14 до 4,3% (т. е. распо-
ложенных от точки Е до точки С). Кристаллизация зерен
аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точ-
ке 2. С понижением температуры состав аустенита изме-
212
Рис. 96. Часть диаграммы железо — углерод (от 2,14 до 6,67% С)
няется по линии солидус от точки а до точки Е, а состав
жидкой фазы — от точки 1 до точки С. При 1147° С (точ-
ка 2) оставшаяся жидкость претерпевает эвтекти-
ческое превращение Жс^Ае+Цр. При температу-
рах между линиями ECF и PSK сплав имеет струк-
туру А+Л (А+Ц)+Цп. И в этих сплавах образуется
Цп, так как при охлаждении состав аустенита также
будет изменяться по линии ES.
При 727° С (линия PSK) происходит эвтектоидное
превращение Ае^Фр+Цк и ниже этой температуры
сплав будет иметь структуру П4~Л (П-|-Ц)+Цп
(рис. 97, а). Вторичный цементит сливается с цементи-
том Ледебурита.
При охлаждении сплава VI (4,3% С) при температу-
ре 1147° С (точка С) вся жидкость превращается в леде-
бурит, который с понижением температуры испытывает
превращения, аналогичные сплаву V. Структура этого
сплава приведена на рис. 97, б.
В сплавах, содержащих углерода от 4,3 до 6,67%
(сплав VII), в точке 1 начинается образование кристал-
лов цементита. Чтобы отметить характер выделения, та-
кой цементит называют первичным и обозначают Llj.
Поскольку при кристаллизации Цт выделяется из жидкой
фазы, его кристаллы обычно бывают крупными (грубые
выделения). В точке 2 происходит эвтектическое превра-
щение. Структура сплава между линиями ECF и PSK.
Цт+Л (А+Ц). При 727° С происходит эвтектоидное пре-
вращение аустенита. Окончательная структура сплава
(ниже 727°С) Ui+Л (П+Ц) (рис. 97,в). Химические
и физические свойства Цг, Цп, Цш одинаковы. Влияние
на механические свойства сплавов оказывает различие
в размерах, количестве и расположении этих выделений.
Температуры, при которых происходят фазовые и
структурные превращения в сплавах системы Fe—РезС,
т. е. критические точки, имеют условное обозначение.
Все критические точки обозначают буквой А (на-
чальная буква французского слова arret — остановка).
Первая критическая точка Д лежит на линии PSK
(727° С) и соответствует превращению П^ьА; А2 — ли-
ния МО (768°С), при этой температуре происходит
магнитное превращение феррита; А3 — линия GOS, по
этой линии происходит превращение Фч=ьД, температу-
ра которого зависит от содержания углерода в стали,
А4 — линия NJ — превращение Fe6^Fea; Аст — линия
214
SE, начало выделения Цп (иногда эту точку обознача-
ют и как А3). Поскольку превращения совершаются при
нагреве и охлаждении при различных температурах
(вследствие теплового гистерезиса), чтобы отличить
эти процессы, ввели дополнительные обозначения. При
нагреве добавляют букву с, т. е. Aclt Ас3, при охлажде-
нии— букву г, т. е. Ап, Аг-* (магнитное превращение
гистерезиса не имеет).
Все сплавы системы Fe—Fe3C по структурному приз-
наку делят на две большие группы: стали и чугуны.
Углеродистыми сталями называют сплавы железа с
углеродом (содержание углерода до 2,14%, точка £),
заканчивающие кристаллизацию образованием аусте-
нита. В структуре таких сплавов отсутствует эвтектика
(ледебурит), благодаря чему они обладают высокой
пластичностью, особенно в аустенитном состоянии (при
нагреве выше линии GSE).
По структуре углеродистые стали подразделяют на
доэвтектоидные эвтектоидную и заэвтектоидные. До-
эвтектоидные стали содержат до 0,8% С, их структура
состоит из Ф+П (см. рис. 95,6—г). Содержание углеро-
да в эвтектоидной стали 0,8%, структура такой ста-
ли состоит только из перлита (см. рис. 95,6). Стали,
содержащие углерода от 0,8 до 2,14%» называют заэв-
тектоидными сталями. Их структура — зерна перлита,
обрамленные сеткой Цп (см. рис. 95, е).
Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода
больше 2,14% (до 6,67%), заканчивающие кристалли-
зацию образованием эвтектики, называют чугунами.
Аналогично сталям чугуны подразделяют на доэвтек-
тические (2,14—4,3% С), эвтектический (4,3% С) и за-
эвтектические (4,3—6,67% С).
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО—ГРАФИТ
В результате превращений, происходящих при охлаж-
дении железоуглеродистых сплавов, углерод может не
только химически взаимодействовать с железом, но и вы-
деляться в элементарном состоянии — в форме графи-
та. Жидкий раствор, а также аустенит и феррит мо-
гут находиться в равновесии как с цементитом, так и
* Начальные буквы от французских слов chouffe — нагрев и
refroiclissement — охлаждение.
215
с графитом. По этой причине различают две диаграммы
состояния: железо — цементит и железо — графит. Пер-
вая из них приведена на рис. 93 сплошными линиями,
и ранее были рассмотрены все превращения, происходя-
щие при охлаждении сплавов с различным содержанием
углерода. На этом же рисунке пунктирными линиями
приведена система железо—графит. Все линии этой си-
стемы лежат выше линий диаграммы железо — цемен-
тит, т. е. эвтектическое и эвтектоидное превращения со-
вершаются при более высоких температурах (1153 и
738°С соответственно). Точки С, Е и S сдвинуты влево
(С'—4,26% С; £'—2,11% С и S'—0,7% С).
Процесс образования графита в сплавах железа
с углеродом называется графитизацией. Графит может
кристаллизоваться из жидкой фазы при затвердевании
чугуна. Ниже линии C'D' выделяется первичный графит.
Кристаллы первичного графита имеют сложную форму
в виде лепестков, выходящих из одного центра.
При температуре 1153° С (линия E'C'F') образуется
графитная эвтектика, состоящая из аустенита и графи-
та, т. е. Ес, +Г. Эвтектоидное превращение проте-
кает при температуре 738° С (линия P'S'К.'), структура
эвтектоида состоит из феррита и графита Ах'=р^Ф р'+Г
По линии E'S' из аустенита выделяется вторичный гра-
фит. Вторичный графит и графит эвтектоида выделяют-
ся, как правило, на лепестках первичного графита.
Цементит — фаза, менее устойчивая по сравнению
с графитом, при высоких температурах цементит разла-
гается: Fe3C-=t3Fe+C. Поэтому диаграмма состояний
Fe—Fe3C — неустойчивая, метастабильная, a Fe—Г —
устойчивая.
Работа образования зародыша цементита меньше,
чем графита. Для образования зародышей графита тре-
буется значительная диффузия атомов углерода, это
медленно протекающий процесс, так как необходима
еще и самодиффузия атомов железа — отвод этих ато-
мов от фронта кристаллизации графита. Поэтому, если
не создавать специальных условий кристаллизации, из
жидкого расплава предпочтительнее выделяется смесь
аустенита с цементитом, хотя графит является более
устойчивой фазой смеси аустенит+графит и феррит+
4-графит обладают меньшей свободной энергией, чем
смеси аустенит+цементит и феррит+цементит, т. е. это
более стабильное состояние.
216
Графитизация может происходить и в твердом со-
стоянии, поскольку цементит при высоких температурах
неустойчив. В этом случае имеется несколько наклады-
вающихся стадий: 1) распад цементита и растворение
атомов углерода в аустените; 2) образование центров
графитизации в аустените; 3) диффузия атомов угле-
рода в аустените к центрам графитизации; 4) рост выде-
лений графита.
Структура чугуна, ход его кристаллизации сущест-
венно зависят от ряда факторов: химического состава,
скорости охлаждения отливки, наличия нерастворимых
примесей (частичек А120з; AIN; SiO2 и т. д.). Последние
играют роль готовых центров кристаллизации, способст-
вуя росту частичек графита как из жидкой фазы, так и
в аустените (уменьшается работа образования зароды-
ша графита),
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
НА ПОЛИМОРФИЗМ ЖЕЛЕЗА
Элементы, специально вводимые в сталь в опреде-
ленных концентрациях с целью изменения ее строения
и свойств, называют легирующими элементами.
По влиянию на температуру полиморфных превраще-
ний железа, т. е. на положение критических точек Д3 и
Ai} легирующие элементы можно разделить на две груп-
пы. К первой группе относятся элементы, увеличиваю-
щие устойчивость аустенита, т. е. повышающие точку Д4
и понижающие точку А3 (рис. 98,а); к этой группе от-
носятся никель, марганец, углерод, азот, медь и некото-
рые другие. Вторая группа, в которую входит большин-
ство других легирующих элементов — хром, ванадий, мо-
либден, вольфрам, кремний, титан и др. — это элементы,
увеличивающие устойчивость феррита, т. е. понижаю-
щие точку Д4 и повышающие точку А3 (рис. 98,6).
Исключение составляет хром, который понижает точки
А3 и Д4.
При легировании возможно получение сталей, име-
ющих однородную структуру аустенита (стали, содер-
жащие легирующий элемент первой группы больше а%,
см. рис. 98, а) или феррита (стали, содержащие леги-
рующего элемента больше Ь%, см. рис. 98,6). Такие
стали называют аустенитными или ферритными. При
нагреве фазовые превращения в них не происходят.
217
Рис. 98. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа
Большинство легирующих элементов влияет не толь-
ко на температуры критических точек, но также изменя-
ет положение точек S и Е на диаграмме Fe—С, сдвигая
их в сторону меньшего содержания углерода (рис. 99).
Поэтому границы между структурами в легированных
сталях находятся, как правило, при меньшем содержа-
нии углерода, чем в углеродистых сталях.
ФАЗЫ В ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ
В легированных сталях возможно различное взаимо-
действие железа и углерода с легирующими элементами.
Легирующие элементы могут растворяться либо в
аустените, либо в феррите, образуя твердые растворы
218
(никель, кобальт, кремний, марганец, хром, фосфор и
т.д.). Твердые растворы с неограниченной раствори-
мостью образуют те легирующие элементы, у которых
разница в атомных радиусах с железом не превышает
8% (например, Fev— Ni, Fea—Сг). Элементы, отличаю-
щиеся по атомным размерам от железа больше чем на
8%, образуют ограниченные твердые растворы (воль-
фрам, молибден, титан,
кремний и т. д.)
Легирующие элементы
могут растворяться в це-
ментите или образовы-
вать самостоятельные
карбиды.
Взаимодействуя с же-
лезом, легирующие эле-
менты могут образовы-
вать интерметалличес-
кие соединения.
Легированный феррит.
Легирующие элементы
образуют с Fea твердые
О D.2 0.6 р,81,0 1,2 1,4 1JS 1,8 2%£
S Е'
Рис. 99. Влияние легирующих элемен-
тов на положение точек S и Е
растворы замещения, изменяя параметр его решетки:
вольфрам и молибден сильно увеличивают; хром, мар-
ганец, никель увеличивают, но менее значительно; крем-
ний уменьшает параметр решетки.
Искажение кристаллической решетки железа, увели-
чивающееся по мере увеличения разницы в атомных
размерах, оказывает влияние на свойства феррита.
Практически все элементы при содержании больше 1%
снижают ударную вязкость феррита. Исключение состав'
ляет только никель (рис. 100).
Влияние хрома, марганца и никеля на свойства фер-
рита проявляется более значительно после термической
обработки. Это объясняется тем, что они в отличие от
других элементов оказывают влияние на скорость поли-
морфного у->а-превращения железа, уменьшая ее (по-
нижают температуру точки Лз). Поэтому при медленном
охлаждении безуглеродистого легированного железа
(С<0,02%) образуется обычный феррит, имеющий рав-
ноосные зерна. При быстром же охлаждении пре-
вращение Fev->Fea происходит по мартенситному меха-
низму: безуглеродистый аустенит превращается в бе-
зуглеродистый мартенсит с типичным игольчатым строе-
210
нием. При этом имеет место фазовый наклеп, увеличи-
вается плотность дислокаций, измельчается блочная
структура. В результате твердость увеличивается до
НВ 350 (см. с. 296).
Легированный аустенит. В легированных сталях,
кроме углерода, в решетке аустенита находятся также
и легирующие элементы, образующие с у-железом твер-
дые растворы замещения. Свойства такого легированно-
Рис. 100. Влияние легирующих элементов на твердость
(а) и ударную вязкость (б) феррита
го аустенита существенно отличаются от свойств аусте-
нита углеродистой стали. Легированный аустенит обла-
дает высокой коррозионной стойкостью, механической
прочностью при комнатных и при высоких температурах
(жаропрочностью). Легированный марганцем (около
13%) аустенит обладает высоким сопротивлением износу
трением. Изменяются и другие физико-химические свой-
ства аустенита.
Карбидная фаза. Легирующие элементы, располо-
женные в периодической системе правее железа (ни-
кель1, кремний, алюминий, медь, кобальт и т. д.), не
образуют карбидов, они только растворяются в феррите
или аустените.
Элементы, расположенные левее железа, частично
растворяясь в феррите или аустените, образуют в леги-
рованной стали карбиды. Чем дальше от железа распо-
1 Никель не образует карбидов в стали. При производстве ни-
келя образуется карбид никеля NijC (см. раздел I «Металлургия»,
с. 91).
220
ложен элемент, тем устойчивее его карбиды. Такие кар-
биды менее склонны к диссоциации, поэтому они слабо
растворяются в аустените.
Установлено, что карбиды образуют металлы, у кото-
рых не полностью заполнена d-электронная оболочка
(3d, 4d или 5d). Чем больше не хватает электронов на
этой оболочке, тем более устойчивый карбид образует
металл.
Предполагают, что при образовании карбида угле-
род отдает свои валентные электроны на заполнение
d-оболочки взаимодействующего с ним металла. При
этом валентные электроны металла образуют металли-
ческую связь, вследствие чего карбиды имеют металли-
ческие свойства.
Если в сталь добавляют небольшое количество леги-
рующего элемента, он растворяется в цементите, заме-
щая часть атомов железа. Обозначив легирующий эле-
мент условно Me, можно записать формулу такого кар-
бида, как (Fe, Л1е)3С. Такой цементит называется леги-
рованным. Каждый из легирующих элементов имеет
свою предельную растворимость в цементите1.
При увеличении содержания легирующего элемента
выше некоторого предела образуются специальные кар-
биды: Сг7С3, Сг2зС6, TiC, VC и т. д.
Для карбидов нет строго химического состава,
кроме того, они могут взаимно растворяться. Для упро-
щения карбиды легированных сталей разделены по
структуре на две большие группы.
Карбиды первой группы обладают сложной крис-
таллической решеткой. Такая решетка при определенных
температурах оказывается не очень прочной, поэтому
карбиды этой группы легко диссоциируют при нагреве.
Легирующие элементы, входящие в их состав, раство-
ряются в аустените. Карбиды этой группы можно услов-
но записать так: МезС, Ме7Сз, МегзСе, МееС [Ре3С, Сг7С3,
Сг23С6, (Fe, V)6C].
Карбиды второй группы обладают простой кристал-
лической решеткой типа МеС и Ме2С (TiC, NbC, ТаС,
Та2С, Мо2С и т. д.)* *.
1 Хром может заместить до 25% атомов железа, в то время как
ванадий растворяется в десятых, а титан в сотых долях процента.
Тантал, ниобий и цирконий в цементите практически не растворя-
ются.
* Вольфрам и молибден могут образовывать карбиды обеих
групп.
221
Карбиды второй группы относятся к фазам внедре-
ния (отношение атомного радиуса углерода к атомным
радиусам этих металлов меньше 0,59). Они характери-
зуются большой прочностью связи, практически ие дис-
социируют при нагреве, обладают высокой твердостью.
Температура плавления таких карбидов высокая, кроме
того, они могут растворять основной металл по принци-
пу твердого раствора вычитания.
Глава 6
ОСНОВЫ ТЕОРИИ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Свойства сплава зависят от его структуры (внутрен-
него строения). Основным способом, позволяющим из-
менять структуру, а следовательно, и свойства, являет-
ся термическая обработка.
Основы термической обработки были разработаны
великим русским ученым Д. К. Черновым. Дальнейшее
развитие теория и практика термической обработки по-
лучила в работах С. С. Штейнберга, А. А. Бочвара,
Г. В. Курдюмова, Н. А. Минкевича, А. И. Гуляева,
Э. Бейна, Э. Давенпорта и других ученых.
Термическая обработка представляет собой сово-
купность операций нагрева, выдержки и охлаждения,
проводимых в определенной последовательности с це-
лью изменения внутреннего строения сплава и получе-
ния нужных свойств. Любой вид термической обработки
может быть представлен графиком в координатах тем-
пература-время (рис. 101,а).
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
По классификации А. А. Бочвара различают четыре
основных вида термической обработки: 1) отжиг I ро-
2) отжиг II рода; 3) закалка; 4) отпуск.
Отжиг I рода. Этот вид термической обработки воз-
можен для любых металлов и сплавов. Его проведение
не обусловлено фазовыми превращениями в твердом со-
стоянии. Нагрев при отжиге I рода, повышая подвиж-
ность атомов, частично или полностью устраняет хими-
222
ческую неоднородность, уменьшает внутренние напря-
жения, т. е. способствует получению более равновесного
состояния. Основное значение при проведении такого
отжига имеют температуры нагрева и время выдержки
при этой температуре, так как именно эти параметры
Рис. 101. Графики различных видов термической обработки:
с —общая схема; б —отжиг II рода; в —закалка; г —отпуск
определяют скорость процессов, устраняющих отклоне-
ния от равновесного состояния. Скорость нагрева и ох-
лаждения для отжига I рода имеет второстепенное зна-
чение.
Различают следующие разновидности отжига I рода:
Диффузионный отжиг (гомогенизирующий)
используют для устранения химической неоднородности,
возникающей при кристаллизации сплава (дендритной
ликвации).
Выравнивание химического состава происходит
благодаря диффузионным процессам, скорость которых
зависит от температуры. Поэтому обычно темпера-
тура такого отжига составляет 0,8—0,9 ТПл- Время
выдержки при этой температуре должно обеспечить вы-
равнивание состава и растворение избыточных фаз.
Рекристаллизационный отжиг применяют
после холодной пластической деформации (холодной
обработки давлением) для снятия наклепа и получения
равновесного состояния сплава. В результате рекрис-
таллизации (см. гл. IV) в деформированном металле
образуются новые зерна, снимаются напряжения и вос-
станавливается пластичность металла.
Отжиг для снятия напряжений, возникаю-
щих при ковке, сварке, литье и т. п., которые могут вы-
223
звать коробление, т. е. изменение формы, размеров и
даже разрушение изделий.
Отжиг II рода. Так называют отжиг металлов и
сплавов, испытывающих фазовые превращения при на-
греве и охлаждении. Графически такая термическая об-
работка представлена на рис. 101,6. При нагреве про-
исходит фазовое превращение а->0, а при охлаждении
обратное: 0->а.
Весь процесс можно записать так:
нагрев охлаждение
а----► Р------* а.
Такую термическую обработку проводят для спла-
вов, в которых имеются полиморфные, эвтектоидные
или перитектоидные превращения, а также может быть
переменной растворимость в твердом состоянии. Прак-
тическая целесообразность фазовой перекристаллиза-
ции определяется тем, каково влияние структурных из-
менений на свойства сплава.
Закалка. Закалка, как и отжиг II рода, осуществля-
ется только для металлов и сплавов, имеющих фазовые
превращения в твердом состоянии. Главное различие
этих видов термической обработки — скорость охлаж-
дения. Все виды отжига проводят с медленным охлаж-
дением, а закалку — с быстрым.
Графически закалка представлена на рис. 101, в.
При закалке возможны два варианта структурных из-
менений: 1) а->р, т. е. быстрым охлаждением фиксиру-
ется высокотемпературное состояние; 2) а-*р-*а', где
а' — метастабильная фаза, состав которой одинаков с
составом исходной р фазы. В этом случае при охлажде-
нии происходит бездиффузионное превращение, имею-
щее мартенситную кинетику. Для закалки основными
параметрами являются температура нагрева, время вы-
держки и скорость охлаждения.
Отпуск. Этот вид термической обработки применим
лишь к закаленным сплавам. При этом закаленные из-
делия нагревают ниже температуры фазового превра-
щения (рис. 101, г).
Основные параметры отпуска — температура нагре-
ва и время выдержки. В результате отпуска уменьша-
ются внутренние напряжения, сплавы переходят в бо-
лее равновесное состояние.
Кроме этих основных видов термической обработки,
имеются еще два принципиально различающихся спосо-
224
ба обработки, представляющих сочетание термической
обработки с металлургией или механической техноло-
гией.
Химико-термическая обработка (ХТО). При этом
виде обработки обязательно изменяется химический со-
став поверхностных слоев изделия. При ХТО обрабаты-
ваемые изделия нагревают в каких-либо химически ак-
тивных средах.
В результате диффузии происходит насыщение по-
верхностных слоев тем или иным элементом (обычно на
небольшую глубину). Изменяя химический состав по-
верхностных слоев, тем самым изменяют их свойства
(твердость, износоустойчивость, антикоррозионные свой-
ства и т. д.).
Поскольку диффузионные процессы в твердом состо-
янии протекают медленно, ХТО обычно осуществляется
за длительное время. Температуру процесса выбирают
конкретно для каждого вида ХТО.
Термомеханическая обработка (ТМО). Этот вид об-
работки появился сравнительно недавно. При ТМО со-
четают пластическую деформацию с термической обра-
боткой таким образом, чтобы наклеп оказывал влияние
на кинетику фазовых и структурных превращений, про-
исходящих при термической обработке.
ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ
ПРИ НАГРЕВЕ
В основе всех превращений, которые совершаются в
стали при нагреве, лежит стремление системы к мини-
муму свободной энергии (рис. 102). Теоретически пре-
вращение перлита в аустенит должно совершаться при
температуре т. е. при 727°С. Фактически же для
этого превращения нужен перегрев, так как экспери-
ментально было установлено, что даже при обычных
скоростях нагрева температура критических точек Ai и
Л3 повышается.
Кроме того, чем выше температура, тем быстрее
совершается превращение. Превращение перлита в
аустенит сопровождается полиморфным превращением
Fe =f*Fe.„ а также растворением цементита РезС в аусте-
ните. Для исследования ^процессов, происходящих при
15—481
225
зования аустенита, дл
температуры выше Ai
Рис. 102. Изменение свобод-
ной энергии аустенита (/) и
перлита (2) в зависимости
от температуры
нагреве стали, строят диаграммы изотермического обра-
“ я этого образцы нагревают до
и выдерживают при ней, фикси-
руя начало и конец превращения.
На рис. 103 приведена такая ди-
аграмма для стали с 0,8% С.
Превращение начинается с за-
рождения центров аустенитных
зерен на поверхности раздела
феррит — цементит (рис. 103,А).
Экспериментально аустенит об-
наруживается уже при неболь-
ших перегревах (выше 727° С) и
очень малых выдержках1. Это
объясняется тем, что в стали по-
верхность раздела феррит — цементит сильно развита.
Время превращения перлита в аустенит при изотер-
мической выдержке существенно зависит от температу-
ры. Это наглядно показывают кривые начала (7) и кон-
ца (2) превращения (см. рис. 103). Объясняется это
тем, что с увеличением степени перегрева относительно
Ai уменьшается размер критического зародыша аусте-
нита, увеличивается скорость возникновения зародышей
и линейная скорость их роста.
Правее линии 1 происходит образование зародышей
аустенита на поверхности раздела феррита и цементита
в перлите (схема А). Образующиеся зерна аустенита
вначале имеют такую же концентрацию углерода, как
и исходная фаза — феррит, так как полиморфное пре-
вращение протекает с большей скоростью, чем диффу-
зия углерода. Затем в аустените начинает растворяться
вторая фаза перлита — цементит (см. рис. 103, область
между линиями 2 и 5, схемы Б, В), содержание углеро-
да в аустените увеличивается. К концу превращения в
тех местах, где находились пластинки цементита, кон-
центрация углерода в аустените становится более высо-
кой по сравнению с участками, в которых до превраще-
ния был феррит. Поэтому для выравнивания состава
аустенита требуемся некоторое время, зависящее от тем-
1 По данным некоторых исследователей, в процессе превращения
перлита в аустенит инкубационный период отсутствует, т. е. пре-
вращение начинается сразу при иагреве до температуры несколько
выше точки Л1 (линия I на рис. 103).
226
пературы — чем выше температура, при которой совер-
шалось превращение П->А, тем быстрее завершится
диффузионный процесс перераспределения углерода в
аустените (с ростом температуры нагрева уменьшается
Рис. 103. Диаграмма изотермического образования аустенита:
/ — начало образования аустенита; 2 — конец превращения перлита в аусте-
нит; 3 —полное растворение цементита; а, б —точки начала превращения
перлита в аустенит при иагреве со скоростями Vi и V2(ui>ua); А, Б, В, Г —
последовательные стадии превращения перлита в аустенит
скачок концентраций на границе аустенит — феррит —
линии GP и GS сближаются).
Влияние скорости нагрева на продолжительность
превращения характеризуется лучами Vi и v2. При мень-
шей скорости нагрева (луч v2) превращение П—А про-
изойдет при более низких температурах по сравнению
с более быстрым нагревом (луч Vi).
15'
227
На скорость превращения перлита в аустенит влия-
ет также степень дисперсности перлита — чем мельче
пластинки цементита, тем быстрее образуется аустенит,
так как в этом случае больше межфазная поверхность
феррита с цементитом. Перлито-аустенитное превраще-
ние сопровождается уменьшением удельного объема
примерно на 1%, поэтому происходит фазовый наклеп
аустенита, т. е. деформация его кристаллической ре-
шетки.
Таким образом, превращение совершается только в
стали эвтектоидного состава. Доэвтектоидные стали пос-
ле нагрева выше Aci состоят из аустенита и феррита и
только после нагрева выше Ас3 (линия GOS) сталь при-
обретает строение однородного аустенита..
При нагреве заэвтектоидных сталей выше Асг внача-
ле превращение протекает так же, как и в эвтектоидных
сталях, т. е. перлит будет превращаться в аустенит. За-
тем по мере Дальнейшего нагревания в аустените посте-
пенно растворяется Цц. Выше температуры Аст (линия
SE) этот процесс заканчивается и сталь также приобре-
тает однофазную структуру аустенита.
В углеродистых сталях образование аустенита и его
гомогенизация протекают достаточно быстро — в течение
нескольких минут. В легированных сталях для этих про-
цессов требуется больше времени, так как концентрация
легирующих элементов в феррите и карбидах различ-
на, и поэтому образующийся аустенит неоднороден не
только по углероду, но и по концентрации легирующих
элементов, скорость диффузии которых на несколько по-
рядков меньше скорости диффузии углерода.
Начальные зерна аустенита всегда мелкие, так как в
каждой перлитной колонии одновременно зарождается
несколько центров кристаллизации аустенита (см. схе-
му на рис. 103). При дальнейшем нагреве зерна аустени-
та растут, причем в различных сталях с различной ско-
ростью.
Стали различают по склонности к росту зерна аусте-
нита при нагреве. Если зерно аустенита начинает быст-
ро расти даже при незначительном нагреве выше А1г то
сталь считают наследственно крупнозернистой; если зер-
но растет только при большом перегреве, то сталь яв-
ляется наследственно мелкозернистой. Даже стали од-
ной марки, но разных плавок могут сильно различать-
ся по склонности к росту аустенитного зерна. Это объ-
,228
ясняется тем, что они содержат различное количество
неметаллических включений (окислов, нитридов, суль-
-фидов и т. и.), которые могут затруднять рост аустенит-
ного зерна при нагреве. Таким образом, склонность к
росту аустенитного зерна является плавочной характе-
ристикой.
Такие элементы, как ванадий, титан, молибден, воль-
фрам, алюминий, уменьшают склонность к росту зерна
аустенита, а марганец и фосфор увеличивают ее. Заэв-
тектоидные стали, как правило, менее склонны к росту
зерна. Условия выплавки стали также имеют большое
значение, например кипящая сталь обычно бывает на-
следственно крупнозернистой.
При последующем охлаждении зерна аустенита не из-
мельчаются. Это следует учитывать при назначении ре-
жимов термической обработки, так как от размеров зер-
на существенно зависят механические свойства. Так, на-
пример, ударная вязкость мелкозернистой стали может
в несколько раз превышать ударную вязкость крупнозер-
нистой стали той же марки.
Различают величину зерна наследственного и дейст-
вительного.
Для определения наследственного зерна образцы на-
гревают до 930° С* и затем определяют размер зерна.
От размера зерна аустенита зависит поведение нагретой
стали в различных процессах термической обработки
и пластической деформации. Особенно чувствительна
к размеру зерна аустенита ударная вязкость.
Действительная величина зерна — это размер зерна
при обычных температурах, полученный после той или
иной термической обработки.
Существует стандартная шкала величины зерна, со-
гласно которой величину зерна характеризуют номером
по восьмибалльной системе. Величину зерна определя-
ют под микроскопом при увеличении в 100 раз и срав-
нивают с размерами зерна стандартной шкалы. Стали,
имеющие зерно до номера 4, считают крупнозернисты-
ми, а имеющие номер 5—8 — мелкозернистыми.
* Именно при такой температуре проявляется склонность ста-
ли к росту зерна.
ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ
Если сталь охлаждать очень медленно, то происходя-
щие превращения можно установить, пользуясь диаграм-
мой состояния Fe — Fe3C. При 727° С (ДО должно про-
исходить эвтектоидное превращение Fev(C)->Fea (С)+
+Fe3C.
Термодинамическим условием этого превращения яв-
ляется некоторая степень переохлаждения (охлаждение
ниже Д1), когда свободная энергия перлита становится
меньше свободной энергии аустенита (см. рис. 102).
При охлаждении стали с большей скоростью кинети-
ку и механизм превращения аустенита выясняют с по-
мощью постановки специальных экспериментов. Рас-
смотрим закономерность превращения переохлажденно-
го аустенита стали эвтектоидного состава (0,8% С). Об-
разцы из этой стали (так же, как и образцы из любой
другой стали) нагревают до температуры, при которой
ее структура состоит из однородного аустенита. Из диа-
граммы Fe — Fe3C видно, что это температура порядка
770° С (см. рис. 94). Затем образцы быстро переносят
в термостаты с заданной температурой, меньшей At (ин-
тервал между изотермами обычно 25—50° С), и в про-
цессе изотермической выдержки наблюдают за проис-
ходящими в аустените превращениями. Наблюдения
можно проводить, пользуясь различными методами: из-
меряя твердость, электросопротивление, магнитные ха-
рактеристики и т. п.
Превращение аустенита можно легко обнаружить с
помощью наблюдений за изменениями магнитных харак-
теристик образца, так как аустенит парамагнитен, а об-
разующаяся механическая смесь феррита и цементита
обладает ферромагнитными свойствами.
В результате получают серию кинетических кривых
(см. рис. 104,а). По оси абсцисс откладывают время,
по оси ординат — процент превратившегося аустенита.
Вначале наблюдается инкубационный или подготови-
тельный период — время, в течение которого сохраняет-
ся переохлажденный аустенит (Ось Оа2 и т. д.). Точки
а — это начало превращения, они соответствуют превра-
щению 0,5—1% аустенита. Характер кривой показывает,
что превращение протекает с различной скоростью и до-
стигает максимума при образовании примерно 50% про-
дуктов превращения. После получения около 70% про-
230
дуктов превращения скорость начинает уменьшаться и
постепенно затухает по мере приближения к 0% количе-
ства оставшегося аустенита (Ьь Ь2, Ь3 и т. д.).
С увеличением степени переохлаждения устойчивость
переохлажденного аустенита уменьшается (OtZi>Oa2>
>Ойз), но достигнув минимума при переохлаждении
ниже Д] на 150—200° С, вновь увеличивается (Оа4<<
<Оа5<Оа6).
Рис. 104. Кинетические кривые изотермического превращения аустенита (а)
и построенная по ним диаграмма (б)
По полученным экспериментальным точкам строят
диаграмму изотермического превращения переохлаж-
денного аустенита в координатах t — Ig-t (см. рис.
104,6). На этой диаграмме левая кривая (fli а2 а3 а4 а$ а3)
является границей начала превращения переохлаж-
денного аустенита, она показывает зависимость ве-
личины инкубационного периода от степени переохлаж-
дения. Правая кривая (blb2b3bib5b6) показывает ко-
нец превращения аустенита, т. е. зависимость времени,
необходимого для полного превращения аустенита, от
степени переохлаждения.
Такие диаграммы обычно называют диаграммами изо-
термического превращения аустенита, а также С-образ-
ными диаграммами за сходство кривых начала и конца
превращения аустенита с буквой С*.
* В литературе на английском языке их часто называют ТТТ-
дпаграммами — time — temperature — transformation (время — темпе-
ратура— превращение), что правильно отражает их сущность. Впер-
вые диаграмма изотермического распада аустенита в стали была по-
строена в 1930 г. Бейном и Давенпортом.
231
На рис. 105 приведена диаграмма изотермического
превращения аустенита для эвтектоидной стали
(0,8% С).
Перлитное превращение происходит в верхней части
диаграммы (выше 500°С). Сущность превращения за-
ключается в том, что в результате превращения аустени-
та образуется механическая смесь двух фаз — феррита
Рис. 106. Скорость распада аусте-
нита v в зависимости от степени
переохлаждения:
D — скорость диффузии; ДГ — раз-
ность свободных энергий
Рис. 1С5. Диаграмма изотермического
превращения аустенита для эвтектоид-
ной стали (0.8% С):
Л — устойчивый аустенит; А п —* аусте-
пит, переохлажденный ниже Аг,
Ф — феррит; Ц — цементит
и цементита, состав которых отличается от состава ис-
ходного аустенита. Исходный аустенит содержит 0,8% С,
а образующиеся фазы — феррит ~0,02% С, цементит
6,67% С.
Следовательно, это превращение является диффузи-
онным. В то же время, как было показано, время устой-
чивости аустенита и скорость его превращения зависят
от разности свободных энергий AF=Fa— Fn, т. е. от
степени переохлаждения.
Скорость диффузии D и разность свободных энергий
AF зависят от степени переохлаждения противополож-
но: скорость диффузии экспоненциально уменьшается по
мере понижения температуры превращения, а разность
свободных энергий увеличивается (рис. 106).
232
Максимальная скорость превращения соответствует
переохлаждению ниже Ai на 150—200 град, т. е. соот-
ветствует минимальной устойчивости аустенита. При
дальнейшем понижении температуры значительно
уменьшается скорость диффузии, благодаря чему уве-
личивается устойчивость аустенита. Кривые начала и
конца превращения сдвигаются вправо (см. рис. 104, б;
105).
Механизм перлитного превращения. При образовании
из аустенита перлита ведущей фазой является цементит
(в зерне аустенита всегда имеются флуктуационные обо-
гащения углеродом, особенно вблизи границ зерна).
Зарождение цементитного зародыша облегчено на гра-
нице аустенитных зерен, так как здесь меньше работа
образования критического зародыша. Образовавшаяся
пластинка цементита растет, удлиняется и тем самым
обедняет соседние участки аустенита углеродом. Поэто-
му рядом с пластинкой цементита — вдоль нее — образу-
ется пластинка феррита. Такой кооперативный рост
двухфазной колонии в результате диффузионного пере-
распределения компонентов — наиболее характерная
особенность перлитного превращения. Перлит занимает
объем больше, чем аустенит, поэтому по мере роста пер-
литной колонии в аустените возникают напряжения. Это
вызывает образование пластинок перлита уже с другой
ориентацией (рис. 107, 108).
Поскольку с увеличением степени переохлаждения
растет число зародышей новых зерен, количество фер-
рито-цементитных пластинок увеличивается, а их раз-
меры и расстояния между ними сильно сокращаются.
Дисперсность образующихся фаз увеличивается также и
вследствие уменьшения скорости диффузии с переох-
лаждением.
Перлит, сорбит, троостит1 представляют собой механи-
ческую смесь феррита и цементита. Эти структуры раз-
личаются только степенью дисперсности карбидной со-
ставляющей, т. е. межпластиночным расстоянием1 2, кото-
рое является важнейшей структурной характеристикой,
определяющей механические свойства стали (рис.
109, а — е).
1 Эти названия структуры получили в честь английских ученых
Sorbi и Troost.
2 Средняя суммарная толщина соседних пластинок феррита и
цементита.
2?3
Рис. 107. Схема образования
перлита
Рис. 108. Микроструктуры, ха-
рактеризующие процесс образо-
вания перлита нз аустенита при
705° С (Бейн), X500. Время прев-
ращения, с:
а — 400; 6—1150; в— 1320;
1450; 6 — 4000
Резкой границы между П, С, Т не существует: по ме-
ре понижения температуры постепенно совершается пере-
ход от одной структуры к другой. Твердость феррито-це-
ТАБЛИЦА 4
ТВЕРДОСТЬ ФАЗ
‘превр’ гпревр’ с Структура d, мкм Твердость НВ
700 600 П.п. 1,0—0,77 200
675 30 Т.п. ~0,5 250
650—600 10 С 0,4—0,25 300
600-550 5 Т ~0,1 400
Примечание. П.п. — пластинчатый перлит; Т.п — тонкопластиичатый
перлит: С — сорбит; Т — троостит (0.8% С)
234
ментитной смеси прямо пропорциональна площади по-
верхности раздела между ферритом и цементитом.
Поэтому с увеличением степени дисперсности фаз
увеличивается их твердость (табл. 4).
Бейнитное превращение
Выше 500° С скорость диффузии достаточна для то-
го, чтобы образовавшийся феррит содержал равновес-
ное количество углерода. Если увеличить степень пере-
Рис. 109. Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры рас-
пада аустенита. XI00:
а— в — перлит; г — сорбит; д—е — троостит
охлаждения, то ниже изгиба С-образной кривой образу-
ется игольчатая структура, называемая игольчатым
трооститом или бейнитом. Бейнитное превращение на-
зывают также промежуточным превращением, посколь-
ку оно происходит при температурах между перлит-
235
Рис. ПО. Микроструктуры, характеризую-
щие процесс распада аустенита при темпе- 4
ратурах, лежащих ниже изгиба С-образ-
ной кривой. Температура превращения
260° С (Бейн). Х500. Время превращения, с:
а — 400 ; 6 — 500; в —850; г —900; 6 — 2500
цым— диффузионным превращением и мартенситным —
бездиффузионным (ниже линии Мв на диаграм-
ме рис. 105). Главное отличие бейнита от перлитных
структур — содержание углерода в феррите. При высо-
ких температурах углерод успевает выделяться из рас-
твора и феррит содер-
жит около 0,01—0,02%
С. При низких темпе-
ратурах (примерно
500—£50° С) скорости
диффузии малы, угле-
род не успевает пол-
ностью выделиться из
раствора, поэтому фер-
рит содержит ~ 0,1%
С (400° С) и даже
~ 0,2% С (300° С).
Вблизи границы с
областью перлитного
превращения образует-
ся «верхний» или пери-
стый бейнит («верхний»
перистый троостит). Он
состоит из чередую-
щихся не всегда парал-
лельных друг другу
коротких пластинок це-
ментита и феррита.
При температурах по-
рядка 300° С образует-
ся «нижний» или иголь-
чатый бейнит («ниж-
ний» игольчатый тро-
остит), напоминающий
по своему строению
мартенсит.
При больших уве-
личениях (электрон-
ный микроскоп) можно
увидеть, что иглы состоят из мельчайших пластинок це-
ментита и феррита. Размер частичек около 0,09—
0,08 мкм. Частицы цементита ориентированы вдоль ок-
таэдрических плоскостей исходного аустенита. Твердость
бейнита около //В500.
236
На рис. ПО показан процесс превращения пере-
охлажденного аустенита в бейнит.
Свойства бейнита «верхнего» и «нижнего» существенно разли-
чаются. В первом случае наблюдается плохое сочетание механичес-
ких свойств — недостаточная прочность при низких значениях б и
Он. Нижний бейнит, образующийся при температурах MH+(50-s-
t
0 12 3 4 5 6
Содержание легирующего
элемента, °/о
Углеродиста^^
гтл ni
Si-сталь
777777/77777^ Пн
Рис, И2. Зависимость тем-
пературы начала мартенсит-
ного превращения от содер-
жания легирующих элемен-
тов
Рис. 111. Диаграммы изотер-
мического превращения ау-
стенита углеродистых и ле-
гированных сталей:
а — легирующие элементы
не образуют карбидов; б —
легирующие элементы обра-
зуют карбиды
4-100° С), обладает высокой прочностью при хорошем сочетании с
пластичностью и вязкостью.
Для различных марок сталей С-образные диаграммы
отличаются расположением линий, т. е. такую диаграм-
му строят для каждой марки стали.
Легирующие элементы, не образующие карбидов,
увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита:
на диаграмме изотермического превращения таких ста-
лей линии начала и конца превращения сдвигаются
вправо (рис. 111, а) по сравнению с углеродистыми ста-
лями (при одинаковом содержании углерода).
По-разному влияют легирующие элементы и на тем-
пературу начала мартенситного превращения. Как пра-
237
вило, они понижают температуру Мв (за исключением
кобальта и алюминия, рис. 112).
Карбидообразующие элементы оказывают более
сложное влияние на изотермическое превращение аус-
тенита. В этом случае возможны две области минималь-
ной устойчивости аустенита, замедляется образование
перлитных структур и ускоряется бейнитное превраще-
ние (рис. 111,6).
Кроме приведенных на рис. 112 принципиально раз-
личных диаграмм, при введении легирующих элементов
в сталь возможны и другие, более сложные диаграммы.
Диаграммы изотермического превращения аустени-
та, построенные в координатах время — температура,
имеют большое практическое значение при назначении
режимов термической обработки на практике.
Хотя диаграммы построены в результате изучения
изотермического превращения, с их помощью можно
анализировать процессы фазовых превращений, про-
текающие при непрерывном охлаждении. На рис. 105
на диаграмму изотермического превращения аустенита
нанесены кривые охлаждения, соответствующие различ-
ным режимам. Так, например, для получения структу-
ры сорбита следует проводить охлаждение со скоростью
щ, а для получения троостита v2. Увеличивая скорость
охлаждения, можно получить в детали структуру мар-
тенсита.
МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ
При больших степенях переохлаждения, например
при 230° С для эвтектоидной стали, аустенит находится
в неустойчивом состоянии. При этих температурах ал-
лотропическое превращение FeT ->Fea происходит в ус-
ловиях, когда скорость диффузии углерода очень мала
(см. рис. 106), При бездиффузионном превращении
Fev (С) —Fea(C) весь углерод, растворенный в решетке
аустенита, остается в решетке феррита. Так как макси-
мальная растворимость углерода в a-железе не превы-
шает 0,02%, а в исходной фазе — аустените — может со-
держаться до 2,14%С, то образуется пересыщенный
твердый раствор, называемый мартенситом.
Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор
внедрения углерода в Fea. Атомы углерода находятся в
238
междоузлиях: либо в центре оснований тетраэдров, ли-
бо посредине их длинных ребер (рис. 113). При образо-
вании мартенсита решетка Fea сильно искажается, пре-
вращаясь из кубической в тетрагональную (с/а>1) ре-
шетку.
С увеличением содержания углерода степень тетра-
гональное™ решетки мартенсита увеличивается
Рис. 113. Схема перестройки решетки аустенита в решет-
ку мартенсита (X — атом углерода)
Рис. 114. Изменение степени тетра-
гональности мартенсита от содер-
жания углерода (по данным раз-
ных авторов)
(рис. 114): с/а= 1+0,046 р, где р — содержание углеро-
да, % (по массе).
Наименьшая скорость охлаждения, необходимая для
образования структуры мартенсита, называется крити-
ческой скоростью закалки цкр (см. рис. 105).
Механизм мартенситного превращения имеет ряд
особенностей, отличающих его от диффузионных превра-
щений. Большой вклад в исследование этого превраще-
ния внесли советские ученые С. С. Штейнберг, Г. В. Кур-
дюмов, В. Д. Садовский, А. П. Гуляев.
239
Как было отмечено ранее, первая основная особен-
ность мартенситного превращения — его бездиффузион-
ный характер *.
Г. В. Курдюмов указывал: «Мартенситное превраще-
ние состоит в закономерной перестройке решетки, при
которой атомы не обмениваются местами, а лишь сме-
щаются друг относительно друга на расстоянии, не пре-
вышающие межатомные». Атомы перемещаются в
определенных направлениях единообразно и взаимосвя-
зано, т. е. происходит кооперативное одновременное пе-
распо-
или не-
кри-
пло-
T Y Т
9-
т
а
Рис. 115. Схема строения когерент-
ной границы между кристаллами
фаз аир
ремещение атомов,
ложенных в одной
скольких смежных
сталлографических
скостях.
Необходимая для
го процесса энергия
чается за счет
свободных энергий аусте-
нита и мартенсита. Объем
больше объема исходного.
это-
полу-
разности
образующегося мартенсита
аустенита, поэтому в процессе роста новой фазы возра-
стает величина упругой энергии до тех пор, пока не
будет превзойден предел упругости в переходной зоне.
После этого в ней произойдет пластическая деформа-
ция (сдвиг),, нарушится сопряженность кристаллов,
прекратится рост кристалла мартенсита (в этих усло-
виях невозможно кооперативное направленное смеще-
ние атомов). Кристаллическая решетка образующейся
мартенсита закономерно ориентирована по отношению
к решетке аустенита.
В процессе роста мартенситного кристалла на гра-
нице между ним и аустенитом имеется непрерывный пе-
реход от решетки аустенита к решетке мартенсита, т. е.
имеется когерентность (упругая связь) двух решеток
(рис. 115). При когерентном росте новой фазы атомы
перемещаются только на небольшие близкие расстоя-
ния. Это означает, что соседи любого атома в исходной
фазе остаются соседями этого же атома в новой фазе.
Поверхностная энергия при таком росте очень мала.
1 Под бездиффузионностью превращения следует понимать не
отсутствие всяких перемещений атомов, а отсутствие диффузионного
перемещения атомов углерода,
240
В результате — низкое значение энергии активации, а
линейная скорость роста новой фазы должна быть очень
большой. Это подтверждается экспериментально. Энер-
гия активации такого процесса составляет 1000 кал/
/г-атом, а скорость роста кристалла мартенсита пример-
но 1000 м/с. Он образуется практически мгновенно (за
10-7 с) .
Рис. 116. Структура мелкоигольчатого (а) и крупноигольчатого (б) мартенси*
та стали У10. Х500
Итак, .вторая особенность мартенситного превраще-
ния — ориентированность кристаллов мартенсита.
Ориентированное смещение атомов при мартенсит-
ном превращении приводит даже к образованию на по-
лированной поверхности рельефа. Как показано экспе-
риментально А. П. Гуляевым, кристаллы мартенсита
имеют форму пластин. В плоскости шлифа видны обыч-
но их сечения, поэтому мартенситная структура под мик-
роскопом выглядит как игольчатая (рис. 116). Образу-
ясь мгновенно (со скоростью взрыва), пластины мар-
тенсита растут либо до границы зерна аустенита, либо
до дефекта. Образующиеся следующие мартенситные
пластины расположены к первым под углами 60 или
120° и размеры их ограничены участками между первы-
ми пластинами1. Чем крупнее исходное зерно аустенита,
1 В этой закономерной ориентировке проявляется принцип
структурного соответствия между образующимся мартенситом и ис-
ходной фазой — аустенитом.
16- 481
тем крупнее и пластинки мартенсита, т. е. он будет гру-
боигольчатым (рис. 116, б).
Третья особенность мартенситного превращения —
оно происходит только при непрерывном охлаждении,
т. е. в интервале температур, начинаясь и заканчиваясь
для каждой стали при определенной температуре неза-
висимо от скорости охлаждения. Температуру начала
Рис. 117. Зависимость температуры начала (Л4И) и конца (Мк)
мартенситного превращения от содержания углерода в стали
по данным различных авторов
мартенситного превращения называют мартенситной
точкой и обозначают Л1н, а температуру окончания обоз-
начают Мк (см. рис. 105).
Положение точек Мп и Мк зависит от содержания
углерода в стали (рис. 117) и присутствия легирующих
элементов и не зависит от скорости охлаждения. Поэто-
му на С-образной диаграмме 7ЙН и Мк — горизонтальные
линии.
Если изотермическую выдержку проводить в интер-
вале Мв—Мк, то, несмотря на имеющееся иногда даже
242
большое количество аустенита, мартенситное превраще-
ние прекращается. Причина такого явления пока еще
окончательно не выяснена, но практически оно имеет
большое значение: если для какой-либо стали Мк нахо-
дится в области отрицательных температур (например,
для стали, содержащей больше 0,6% С), то при комнат-
ной температуре в структуре наряду с мартенситом бу-
дет сохраняться какое-то количество аустенита. Такой
аустенит называют остаточным А *ст .
Свойства мартенсита обусловлены особенностями
его образования. Мартенсит характеризуется очень вы-
сокой твердостью (HRC55—65) и хрупкостью. Такая
высокая твердость объясняется, во-первых, тем, что при
образовании пересыщенного углеродом твердого рас-
твора кристаллическая решетка Fea сильно искажается,
в ней создаются большие внутренние напряжения. Во-
вторых, вследствие увеличения объема при превращении
аустенита в мартенсит возникает фазовый наклеп, что
способствует измельчению блочной структуры и росту
внутренних напряжений.
В сталях и сплавах на основе железа наблюдают два морфоло-
гических типа мартенсита — пластинчатый и реечный.
Пластинчатый мартенсит, который также называют игольчатым,
низкотемпературным или двойннкованным, образуется в высокоуг-
леродистых сталях и сплавах железа с большим содержанием ни-
келя. Кристаллы пластинчатого мартенсита имеют форму тонких
линзообразных пластин, которые в разрезе на шлифе выглядят иг-
лами. Такая форма мартенсита соответствует минимуму энергии уп-
ругих искажений при его образовании в аустенитной матрице и ана-
логична форме механических двойников.
Реечный мартенсит, называемый также массивным, высокотем-
пературным, недвойннкованным, образуется в закаленных малоуг-
леродистых и среднеуглеродистых сталях, а также в большинстве
конструкционных легированных сталях. Кристаллы этого мартенсита
имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (отсюда
название этой формы мартенсита). Рейки параллельны и образуют
плотный пакет, внутри которого онн разделены мало- или высокоуг-
ловыми границами.
Огромная скорость образования пластин мартенсита объясняет-
ся когерентностью и упругим сопряжением двух решеток — образую-
щегося мартенсита и исходной фазы, аустенита. Происходит «сколь-
зящее» движение, обусловленное бездиффузнонным, кооперативным
перемещением атомов на расстояния, меньшие межатомных. Так же
характерной чертой кинетики мартенситного превращения является
его автокаталнтнчность, напоминающая цепные реакции. На ско-
* Небольшое количество остаточного аустенита имеется в сталях
и после охлаждения ниже Мк.
16* 243
рость роста кристаллов мартенсита оказывает большое влияние
плотность дислокаций и механизм их движения — скольжение вме-
сте с границей или переползание. Повышенная плотность дефектов
(дислокаций, двойниковых прослоек) оказывает дополнительное
влияние и на фазовый наклеп, наблюдающийся при превращении
аустенита в мартенсит (объем мартенсита больше объема аустени-
та). Кроме того, повышенная плотность дислокаций, особенно их
появление на границе фаз, может привести даже к частичному на-
рушению когерентности.
Мартенситное превращение происходит не только у
сталей, оно обнаружено у многих металлов и сплавов,
испытывающих аллотропические или полиморфные пре-
вращения при быстром значительном переохлаждении
высокотемпературных модификаций. Особенностью мар-
тенситного превращения в сталях является его необра-
тимость.
Превращение аустенита в мартенсит — бездиффузи-
онный процесс. Превращение мартенсита в аустенит при
нагреве происходит диффузионно. -
ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ
ПРИ НАГРЕВЕ
Мартенсит закалки — неравновесная (метастабиль-
ная) структура, сохраняющаяся ввиду малой подвижно-
сти атомов при низких температурах. При закалке в из-
делиях всегда возникают большие внутренние напряже-
ния в результате объемных изменений. Для получения
более равновесного состояния после закалки изделия
подвергают отпуску, нагревая до температур ниже A'Ci.
Изучая процессы, происходящие в закаленной стали при
нагреве, наиболее часто пользуются прибором — дилато-
метром. В прибор помещают два одинаковых по разме-
рам образца из одной и той же стали. Один из образцов
находится в отожженном, другой — в закаленном .состоя-
ниях. При нагреве до температур ниже Aci в отожжен-
ном образце -никаких превращений не происходит, его
размеры изменяются только за счет теплового расшире-
ния, а в закаленном образце совершаются и структур-
ные превращения, сопровождающиеся изменениями объ-
ема. Прибор дифференциальный, он показывает только
те изменения размеров, которые происходят в закален-
ном образце при нагреве за счет структурных превраще-
ний. В результате получается кривая, подобная приве-
денной на рис. 118.
244
Различают четыре основных превращения, происхо-
дящих при нагреве закаленной стали. В результате изме-
нения состава стали и времени выдержки при отпуске
происходит смещение температурных интервалов этих
превращений, однако сущность процессов остается неиз-
менной.
Первое превращение происходит при температуре до
200° С. При низких температурах — до 100° С — скорость
диффузии очень мала. Так, при
0° С время, в течение которого по-
ловина объема мартенсита будет
участвовать в начальной стадии
распада, это сотни лет. При 20° С
на этот же процесс потребуется
около шести лет, а при 100° С все-
го лишь 50 мин. Поэтому до 80° С
за время эксперимента практиче-
ски никаких изменений в зака-
ленном образце не наблюдается.
В интервале температур от 80
до 150—200° С происходит так на-
зываемый «двухфазный» или «ге-
терогенный» распад мартенсита.
При этих температурах в отдель-
ных участках исходного мартен-
сита выделяются тончайшие пла-
Рис. 118. Дилатометрическая
коивая отпуска закаленной
(п) и отожженной (б) угле-
родистой стали (1,2% С)
стины карбида. Толщина таких
пластинок составляет несколько атомных слоев, длина —
несколько сот ангстрем. Решетка образовавшегося
карбида когерентна решетке мартенсита, т. е. на их
границе имеется общий слой атомов. Состав обра-
зовавшихся пластинок карбида окончательно не уста-
новлен. Известно, что он метастабилен, имеет гексаго-
нальную решетку. Его обозначают как е-карбид или
карбид FexC.
В непосредственной близости от образовавшихся пла-
стинок карбида твердый раствор обедняется углеродом,
уменьшается тетрагональность мартенсита. Но при этих
температурах ввиду малой скорости диффузии концен-
трация не успевает выравниваться, поэтому в одном
зерне могут сосуществовать два твердых раствора с
одинаковым типом решетки, но с разной концентрацией
углерода. Поэтому такой распад мартенсита и называ-
ется «двухфазным». .
245
Кристаллы образовавшихся карбидов при этих тем-
пературах не растут. Процесс развивается за счет выде-
ления новых частиц карбида в тех участках мартенсита,
которые имеют исходную концентрацию углерода.
В результате первого превращения при отпуске полу-
чается так называемый отпущенный или кубический мар-
тенсит.
Отпущенный мартенсит — это гетерогенная смесь пе-
ресыщенного углеродом а-раствора неоднородной кон-
центрации (от исходной до незначительно большей, чем
в феррите) и не обособленных частиц карбида. С умень-
шением тетрагональности мартенсита уменьшается объ-
ем всего образца (см. рис. 118).
Второе превращение происходит в интервале темпе-
ратур 200—300° С. В этом интервале остаточный аусте-
нит превращается в отпущенный мартенсит. Такое пре-
вращение возможно вследствие того, что с уменьше-
нием тетрагональности мартенсита уменьшаются сжи-
мающие напряжения, Действующие на остаточный ау-
стенит.
Превращение остаточного аустенита сопровождается
некоторым увеличением объема. Одновременно происхо-
дит уменьшение тетрагональности мартенсита и при тем-
пературах ближе к 300° С начинаются обособление и рост
частичек карбида. Внутренние напряжения умень-
шаются.
Третье превращение происходит в интервале 300—
400° С. Скорость диффузии при этих температурах за-
метно увеличивается, весь избыточный углерод постепен-
но выделяется из решетки Fea, карбидные частички пол-
ностью обособляются, приобретают строение РезС
и начинают расти. Образующаяся высокодисперсная
смесь феррита и цементита называется трооститом от-
пуска.
Четвертое превращение — при нагреве выше 400° С.
При этой температуре происходят постепенный рост ча-
стичек карбида и их коагуляция. При 550—600° С размер
частичек равен 0,1—0,2 мкм. Такая структура называется
сорбитом отпуска.
В отличие от сорбита, полученного при охлаждении
аустенита, цементит в сорбите отпуска имеет округлую
форму. При нагреве закаленной стали до 650—700° С
получают перлит отпуска или глобулярный перлит с
размером частиц ~0,3—0,4 мкм.
246
Малая диффузионная подвижность атомов легирую-
щих элементов оказывает существенное влияние на про-
цессы, протекающие в закаленных сталях при отпуске
(только никель и марганец не оказывают заметного
влияния на эти процессы).
На первую стадию распада мартенсита (до 150° С),
когда происходит «двухфазный» распад, влияние леги-
рующих элементов незначительно. Выделяющийся кар-
бид железа имеет такую же концентрацию легирующих
элементов, как и исходный мартенсит, и также сущест-
вует когерентная связь.
При дальнейшем нагреве процесс протекает медлен-
нее, чем в углеродистых сталях, и поэтому легирован-
ные стали сохраняют структуру отпущенного мартен-
сита до более высоких температур (иногда до 400—
500° С).
Легирование оказывает существенное влияние на вто-
рое превращение остаточного аустенита в отпущенный
мартенсит. Температура этого превращения повышает-
ся. Так как в легированных сталях, как правило, сохра-
няется значительное количество остаточного аустенита,
то превращение последнего в отпущенный мартенсит спо-
собствует сохранению твердости до более высоких тем-
ператур.
Третье и четвертое превращения в легированных ста-
лях также происходят при более высоких температурах.
Поэтому после одинаковых по температуре нагревов
закаленных сталей легированные стали имеют более вы-
сокую твердость и прочность.
Карбидная фаза при отпуске претерпевает специфи-
ческие превращения. С повышением температуры увели-
чивается подвижность атомов легирующих элементов,
благодаря чему становится возможным их перераспреде-
ление между цементитом и ферритом. Концентрация ле-
гирующих элементов в цементите увеличивается и при
определенных значениях решетка цементита перестраи-
вается в решетку того специального карбида, который
может находиться в данной стали в равновесии с фер-
ритом *. Образовавшиеся дисперсные карбиды могут
значительно увеличивать твердость.
1 При сохранении легированного мартенсита до высоких темпе-
ратур возможно выделение специального карбида и непосредствен-
но из мартенсита.
247
Таким образом, выше были рассмотрены четыре ос-
новных превращения в стали, протекающие при нагреве
и охлаждении: П->А, А—’’П, А->М и М->П. В основе
всех превращений лежит стремление системы к миниму-
му свободной энергии. На рис. 119 приведена схема из-
Рис. 119. Изменение свобод-
ной энергии аустенита (F&) »
мартенсита (F^ и перлита
с изменением темпе-
ратуры; То — темпера гура
метастабильного равновесия
А-М
менения свободной энергии основных структур с изме-
нением температуры. Из этой схемы видно, что превра-
щения М->А и П—"М невозможны.
Глава 7
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Термическая обработка может быть промежуточной
и окончательной. Главной задачей промежуточной тер-
мической обработки является снижение твердости стали
для ее лучшей обрабатываемости режущим инструментом
или обработкой металлов давлением. Окончательная тер-
мическая обработка деталей преследует цель придать
стали такие свойства, которые требуются в условиях эк-
сплуатации деталей. В результате окончательной терми-
ческой обработки получают не только лучшее сочетание
механических свойств, но и высокие значения ряда фи-
зико-химических характеристик, например высокие пока-
затели коэрцитивной силы, хорошую коррозионную
стойкость, высокую теплостойкость режущих инстру-
ментов и т. д.
Режим термической обработки назначают в соответ-
ствии с критическими точками и диаграммой изотерми-
ческого превращения аустенита обрабатываемой стали,
?48
Критические точки и С-образные диаграммы для всех
выпускаемых промышленностью марок стали помещены
в справочниках по термической обработке. Рассмотрим
основные виды термической обработки, применяемые в
практике.
ОТЖИГ
Сталь подвергают всем видам отжига (I и II рода).
Основное назначение отжига — получение равновесной
структуры, поэтому при отжиге, как правило, детали ох-
лаждают медленно. Углеродистые стали — со скоростью
~200°С, легированные стали ~ 30—100°С/ч.
Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг применя-
ют для устранения ликвации (выравнивание химическо-
го состава). В его основе — диффузия. При этом вырав-
нивается состав и растворяются избыточные карбиды.
Такой отжиг проводят при высокой температуре с дли-
тельной выдержкой. Гомогенизирующему отжигу под-
вергают в основном легированные стали. Это объясняет-
ся тем, что скорость диффузии углерода, растворенного
в аустените по способу внедрения, на несколько поряд-
ков больше скорости диффузии легирующих элементов,
которые растворяются в аустените по способу замещения.
Гомогенизация углеродистых сталей происходит практи-
чески в процессе их нагрева. Режим гомогенизирующего
отжига: нагрев до температуры 1050—1200° С, время вы-
держки составляет 8—10 ч (рис. 120, /).
Рекристаллизационный отжиг (см. гл. 4). В завод-
ской практике для устранения наклепа холоднокатаных
листов из углеродистой стали с 0,1—0,2% С отжиг про-
водят при 680—700° С, для холоднотянутых прутков из
легированных сталей при 700—730° С и т. д. Время вы-
держки при нагреве зависит от толщины сечения. Для
тонких листов и проволоки оно составляет 25—30 мин
(рис. 120,2).
Отжиг для снятия напряжений проводят для деталей
из углеродистой стали при нагреве до 400—600° С с вы-
держкой 2,5 мин на 1 мм толщины сечения (рис. 120,5).
Перекристаллизационный отжиг основан на фазовой
перекристаллизации, т. е. является отжигом II рода. Ос-
новное его назначение — возможно более полное измене-
ние фазового состава. Поэтому температура нагрева и
время выдержки должны обеспечить нужные структур-
ные превращения, скорость охлаждения выбирают такой,
249
Рис. 120. Температура нагревов при различных видах термине*
ской обработки:
а — отжиг I рода [1 — диффузионный отжиг; 2 — рекристалли-
зационный отжиг; 3 —отжиг для сиятня напряжений; 4 — нор-
мализация); б— отжиг П рода (5 — полный отжнг; 6 —непол-
ный отжиг; 7 — циклический отжиг)
Рис. 121. Структура стали 40 после нормального отжига (а) и перегрева («вид-
манштетт») (б). Х200
чтобы успели произойти обратные диффузионные фазо-
вые превращения. После такого отжига получают более
однородную мелкозернистую структуру, твердость пони-
жается, пластичность повышается, поэтому отжиг II рода
применяют в качестве предварительной термической об-
работки и перед обработкой стальных деталей на метал-
лорежущих станках.
В зависимости от температуры нагрева различают
полный и неполный отжиг.
250
Полный отжиг обычно применяют для доэвтектоидной
стали. Изделия нагревают до температуры на 30—50° С
выше точки Асз (см. рис. 120,5), что обеспечивает пол-
ную перекристаллизацию — превращение исходной фер-
ритно-перлитной структуры в аустенит. При такой тем-
пературе нагрева аустенит получится мелкозернистым,
следовательно, при охлаждении сталь будет иметь также
мелкозернистую структуру (рис. 121, а). Если при отжи-
ге нагреть изделия значительно выше Ас3, то зерна аус-
тенита могут вырасти до крупных размеров. После ох-
лаждения получится грубая структура, состоящая из
крупных зерен феррита и перлита. Сталь с такой струк-
турой обладает пониженной пластичностью. Иногда фер-
ритные выделения имеют вид игл, такая структура назы-
вается видманштеттовой* (см. рис. 121,6).
Неполный отжиг применяют для заэвтектоидной ста-
ли (см. рис. 120,6). При нагреве на 20—50 град выше
Act (740—770° С) в структуре сохраняется вторичный
цементит. В результате отжига цементит получается в
виде зерен (глобулей), и поэтому такой отжиг называют
также сфероидизацией. Получению зернистого цементи-
та способствует предшествующая отжигу горячая пласти-
ческая деформация, при которой цементитная сетка
дробится. Сталь с зернистым цементитом лучше обраба-
тывается режущим инструментом и приобретает хоро-
шую структуру после закалки. Неполный отжиг для до-
эвтектоидной стали применяют редко. При нагреве до
этой температуры не происходит полной перекристалли-
зации, часть зерен феррита остается в том же виде, что
и до нагрева. Такой отжиг проводят только в тех случа-
ях, когда исправления структуры не требуется, а необхо-
димо только понижение твердости.
Если после проведения неполного отжига цементит
остается пластинчатым, применяют так называемый цик-
лический или маятниковый отжиг. В этом случае после
нагрева выше Aci изделие охлаждают до температуры
примерно 680° С, затем вновь нагревают до 740—750° С
и опять охлаждают до 680° С, повторяя циклы нагрев —
охлаждение несколько раз (рис. 120,7). В результате
перлит получается зернистым и сталь будет пласти-
чной.
1 Названа в честь Видманштеттена (Австрия), впервые открыв-
шего ее в метеоритном железе (1908 г.).
251
Иногда с целью экономии времени проводят изотер-
мический отжиг. При таком отжиге изделие нагревают
выше критических точек, быстро охлаждают до темпе-
ратуры на 50—100° С ниже Act и выдерживают при этой
температуре в течение времени, необходимого для пол-
ного превращения аустенита в перлит. Затем изделие
охлаждают на спокойном воздухе (см. рис. 124, ско-
рость 01). При изотермическом отжиге в процессе выдерж-
ки, которую выбирают в соответствии с диаграммой изо-
термического распада аустенита для данной стали, про-
исходит выравнивание температуры по сечению изделия.
Это способствует получению более однородной структу-
ры и, следовательно, более однородных свойств. Легиро-
ванные стали подвергают именно такому отжигу. Следу-
ет заметить, что выигрыш во времени при изотермичес-
ком отжиге получается только для небольших по
размерам изделий, так как для крупногабаритных дета-
лей для выравнивания температуры по объему необхо-
димо продолжительное время.
При отжиге легированных сталей увеличивается не
только продолжительность нагрева и выдержки, но так-
же и продолжительность охлаждения. Высоколегирован-
ные стали охлаждают с малой скоростью вследствие
большей устойчивости легированного аустенита. И все-
таки их твердость остается после отжига достаточно
высокой, что ухудшает обрабатываемость режущим ин-
струментом.
НОРМАЛИЗАЦИЯ
Нормализацией называют термическую обработку
стали, при которой изделие нагревают до аустенитного
состояния (на 30—50 град выше Асз или Аст) и охлаж-
дают на спокойном воздухе (см. рис. 120,4 и рис. 124,
скорость vs). Следовательно, отличие нормализации от
полного отжига для доэвтектоидных сталей заключается
только в скорости охлаждения. В результате нормализа-
ции получается более тонкое строение эвтектоида (тон-
кий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напря-
жения, устраняются многие пороки, возникшие в процес-
се предшествующих обработок изделий. Твердость
и прочность выше, чем после отжига. Поэтому, несмотря
на значительную экономию времени, нормализация не
всегда может заменить отжиг. В заэвтектоидных сталях
нормализация устраняет грубую сетку вторичного цемен-
252
тита. Нормализацию чаще применяют как промежуточ-
ную операцию, улучшающую структуру. Но иногда ее
применяют и как окончательную, например при изготов-
лении сортового проката (рельсы, швеллеры и т. п.}
ЗАКАЛКА СТАЛИ
Основные параметры при закалке — температура на-
грева и скорость охлаждения. Температуру нагрева для
сталей определяют по диаграммам состояния, скорость
охлаждения — по диаграммам изотермического распада
аустенита*.
Температура закалки. Доэвтектоидные стали нагре-
вают до температуры выше критической точки Ас3 на
30—50 град. Если такие стали нагреть до температуры
между критическими точками Act и Ас3 и охладить, то
в структуре закаленной стали, кроме мартенсита, будет
присутствовать феррит, что существенно ухудшает свой-
ства. Такая закалка называется неполной.
Заэвтектоидные стали при закалке нагревают до тем-
пературы ДС1+(40—60° С). После охлаждения с таких
температур получают структуру мартенсита с включени-
ем вторичного цементита, который повышает твердость
и износостойкость режущего инструмента. Если заэвтек-
тоидную сталь нагреть выше критической точки Дстп, то
после закалки получится дефектная структура грубо-
игольчатого мартенсита.
Время нагрева зависит от размеров детали и тепло-
проводности стали и его обычно определяют экспери-
ментально. Для определения времени нагрева в спра-
вочниках приведены также полуэмпирические формулы.
Продолжительность выдержки при температуре за-
калки выбирают такой, чтобы полностью произошла го-
могенизация образовавшегося аустенита.
Охлаждение при закалке. Для получения нужной
структуры детали охлаждают с различной скоростью,
которая зависит от охлаждающей среды, формы изделия
и теплопроводности стали.
Режим охлаждения при закалке должен исключать
по возможности возникновение больших остаточных за-
1 Для полного отжига, нормализации и закалки изделия прак-
тически нагревают до. одинаковых температур, отличие в этих ви-
дах термической обработки заключается только в скорости охлаж-
дения.
253
ТАБЛИЦА 5
СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ СТАЛИ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
Закалочная среда Скорость охлаждения, град/с, при различных температурах. °C
650—550 300-200
Вода при температуре, °C: 18 . . > 600 270
28 500 270
50 100 270
10%-ный раствор NaOH в воде при 18° С 1200 300
10%-иый раствор NaCl в воде при 18° С 1100 300
Минеральное масло 100—150 20—50
Спокойный воздух 3 1
калочных напряжений, но в то же время он должен
обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.
Охлаждающую способность различных сред (табл. 5)
оценивают скоростью охлаждения в области температур
наименьшей устойчивости переохлажденного аустени-
та (650—550° С) и в области мартенситного превраще-
ния (300—200° С). В последнем интервале желательно
замедленное охлаждение, так как в этом случае умень-
шаются и термические, и структурные напряжения.
Выбирая охлаждающие среды, следует учитывать
закаливаемость и прокаливаемость данной стали.
Закаливаемость — способность стали принимать за-
калку, т. е. приобретать при закалке детали высокую
твердость. Закаливаемость определяется содержанием
углерода в стали. Низкоуглеродистые стали (до 0,20%
С) практически не закаливаются, так как при закалке
их твердость не повышается.
Под прокаливаемостью понимают глубину проникно-
вения закаленной зоны. За глубину закаленной зоны
принято считать расстояние от поверхности до слоя, где
в структуре будут примерно одинаковые объемы мар-
тенсита и троостита. Чем медленнее происходит превра-
щение аустенита в перлит, т. е. чем больше устойчи-
вость переохлажденного аустенита, чем меньше крити-
ческая скорость закалки, тем больше прокаливаемость.
На рис. 122 приведены схемы, показывающие измене-
254
ние скорости охлаждения по сечению изделия. Укрупне-
ние зерен аустенита при нагреве под закалку также
способствует увеличению прокаливаемости. Факторы,
которые уменьшают устойчивость переохлажденного
Рис. 122. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечеиию
изделия
аустенита (нерастворимые частицы, неоднородность аус-
тенита и др.), уменьшают прокаливаемость.
Характеристикой прокаливаемости является критиче-
ский диаметр — максимальное сечение, прокаливающее-
ся в данном охладителе на глубину, равную радиусу из-
Рис. 123. Закаленный слой (за-
штрихован) в цилиндрических
образцах различных сечений
(D„_ — критический диаметр)
кр
ЛизЗ>^кр ЯцзВ~Якр ^изд^кр
делия. В этом случае и на поверхности изделия, и в его
центре скорость охлаждения больше критической (рис.
123).
Изделия, имеющие размеры меньше критического
диаметра, прокаливаются в данном охладителе на-
сквозь. Зная критический диаметр, можно правильно
выбрать сталь для деталей определенных размеров и
назначения.
255
Прокаливаемость каждой стали определяют экспе-
риментально. Наиболее простой способ — стандартный
метод торцовой закалки. Прокаливаемость углеродис-
тых сталей находится в прямой зависимости от содер-
жания углерода. Для сталей с 0,8% С это примерно 5—
6 мм.
Легирующие элементы, увеличивая устойчивость пе-
реохлажденного аустенита, уменьшают критическую
скорость икр закалки (исключение составляет кобальт).
Поэтому некоторые легированные стали в результате
охлаждения на воздухе приобретают структуру мартен-
сита. С уменьшением икр уменьшаются внутренние на-
пряжения и вероятность появления брака. Однако по-
нижение температуры мартенситного превращения
способствует увеличению количества остаточного аусте-
нита в стали после закалки.
С введением в сталь легирующих элементов закали-
ваемость и прокаливаемость увеличиваются. Особенно
сильно увеличивают прокаливаемость молибден и бор
(кобальт и в этом случае действует противоположно).
Карбидообразующие элементы увеличивают прокалива-
емость только в том случае, если они при нагреве рас-
творились в аустените. В «противном случае указанные
элементы являются центрами распада аустенита и про-
каливаемость будет даже ухудшаться.
Температура нагрева легированных сталей под за-
калку по сравнению с углеродистыми сталями выше.
Это объясняется, во-первых, тем, что большинство леги-
рующих элементов повышает температуру критических
точек Ai и Дд. Во-вторых, диффузионные процессы в ле-
гированных сталях протекают значительно медленнее,
так как легирующие элементы образуют твердые рас-
творы замещения, а углерод — внедрения. Поэтому тем-
пературу закалки обычно выбирают на 50—60 град вы-
ше точки Асз этих сталей и увеличивают продолжитель-
ность выдержки при температуре закалки. Такой нагрев
способствует также диссоциации карбидов и луч-
шей растворимости легирующих элементов в аустените.
В результате закалки легированных сталей получа-
ют структуру легированного мартенсита, который со-
держит не только углерод, но и легирующие элементы.
* Легирующие элементы 1 и 11 групп влияют на положение точ-
ки Ai точно так же, как и точки Л3.
866
Это оказывает существенное влияние на превращения,
протекающие при отпуске.
Нагрев легированных сталей при закалке до более
высоких температур не приводит к росту зерна, так как
все легирующие элементы (кроме марганца и бора)
уменьшают склонность к росту зерна. Элементы, обра-
зующие слабо диссоциирующие при нагреве карбиды,
способствуют измельчению зерна аустенита.
Легированные стали обладают пониженной тепло-
проводностью, поэтому для уменьшения перепада тем-
пературы по сечению их следует нагревать медленно.
Это уменьшает внутренние напряжения, которые могут
вызвать коробление или образование трещин при наг-
реве. Вследствие низкой теплопроводности увеличива-
ется и продолжительность выдержки при заданной тем-
пературе.
Способы закалки
В зависимости от формы изделия, марки стали и
нужного комплекса свойств применяют различные спо-
собы закалки. На рис. 124 приведены кривые охлажде-
ния, соответствующие различным способам закалки, на-
несенные на диаграмму изотермического превращения
аустенита.
Закалку в одном охладителе (см. рис. 124, скорость
иа) применяют для деталей простой формы. Нагретую
до температуры закалки
деталь быстро переносят
в охладитель, которым
может быть вода, масло
и т. д. Недостаток этого
способа закалки заклю-
чается в том, что вслед-
ствие неравномерного
охлаждения по сечению в
детали возникают боль-
шие термические напря-
жения.
Прерывистую закалку
или закалку в двух сре-
дах (см. рис. 124, ско-
рость щ) используют для
деталей более сложной
формы. В этом случае на-
Рис. 124. Различные способы термиче-
ской обработки:
Vi — изотермический отжиг; v2 — нор-
мализация; оз— закалка в одной сре-
де; о4 — закалка в двух средах; ов —
ступенчатая закалка; ов — изотермиче-
ская закалка: о? —неполная закалка
17—481
257
гретую деталь вначале опускают в воду, а затем перено-
сят для окончательного охлаждения в масло (закалка
через воду— в масло). Уменьшая скорость охлаждения
в области мартенситного превращения, тем самым стре-
мятся уменьшить структурные напряжения. Этот способ
часто используют при закалке инструментов из углероди-
стой стали. Однако точное время пребывания детали в
каждой из сред определить трудно.
Ступенчатая закалка (см. рис. 124, скорость и5) по
сравнению с предыдущими способами является более
совершенной. Нагретую до температуры закалки де-
таль быстро переносят в охладитель, имеющий тем-
пературу на 30—50 град выше мартенситной точки, и
выдерживают в течение времени, необходимого для
выравнивания температуры по всему сечению изде-
лия. Время изотермической выдержки должно быть
меньше времени устойчивости аустенита при этой тем-
пературе.
После изотермической выдержки (в расплаве солей
или металлов) деталь охлаждают с небольшой скоро-
стью, что способствует уменьшению закалочных напря-
жений. Этот способ применим только для закалки не-
больших деталей, имеющих диаметр 10—30 мм*.
Изотермическая закалка (см. рис. 124, скорость и6).
Нагретую до закалочных температур деталь быстро пе-
реносят в закалочную среду, имеющую температуру не-
сколько выше температуры начала мартенситного пре-
вращения (например, 250—300° С для углеродистых
сталей), и выдерживают в течение времени, необходи-
мого для полного превращения переохлажденного аус-
тенита. В результате получается структура нижнего
бейнита.
Закалка с самоотпуском. Охлаждение проводят в од-
ном охладителе и прерывают, когда сердцевина изделия
имеет еще значительное количество тепла (не совсем
охладилась). За счет этого тепла поверхностные слои
изделия вновь нагреваются и таким образом происходит
отпуск.
* Для выравнивания температуры по сечению для больших из-
делий необходимо время, превышающее возможное время выдержки,
согласно диаграмме изотермического распада аустенита. Размеры
закаливаемых изделий лимитируются также и размерами ванн с рас-
плавами солей.
258
Закалку с самоотпуском применяют для местной
термической обработки в мелкосерийном производстве,
а также при изготовлении ударных инструментов (зу-
бил, кернов и т. д.)
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА
Поверхностная закалка является одним из способов
увеличения твердости поверхностных слоев изделия.
Одновременно повышаются сопротивление истиранию,
предел выносливости и т. п. Общим для всех способов
поверхностной закалки является нагрев поверхностного
слоя детали до температуры закалки с последующим
быстрым охлаждением. Эти способы различаются мето-
дами нагрева изделий. Толщина закаленного слоя при
поверхностной закалке определяется глубиной нагрева,
прокаливаемость играет второстепенную роль или вооб-
ще не имеет значения.
Закалка токами высокой частоты (закалка ТВЧ).
Использование ТВЧ для нагрева металлов впервые
предложил В. П. Вологдин в 1923 г. Закалку стали с
нагревом ТВЧ начали применять с 1935 г. Теоретиче-
ские основы термической обработки с нагревом ТВЧ
были разработаны в последующие годы И. Н. Кидиным,
Н. В. Гевелингом, М. Г. Лозинским.
. Чем больше частота тока, тем тоньше получается за-
каленный слой1. Обычно в практике применяют машин-
ные генераторы с частотой 500—15000 Гц и ламповые
генераторы с частотой более 106 Гц (глубина закалки
при таких частотах получается до 2 мм). Индукторы
изготавливают из медных трубок, внутри которых не-
прерывно циркулирует вода, благодаря чему они сами
не нагреваются. Форма индукторов соответствует внеш-
ней форме изделия, при этом необходимо соблюдать
постоянное расстояние между индуктором и поверхно-
стью изделия. Каждая установка имеет комплект ин-
дукторов.
Нагрев детали ТВЧ происходит за 3—5 с. После на-
грева в индукторе деталь быстро перемещается в спе-
циальное охлаждающее устройство — спрейр, через от-
* Толщина закаленного слоя 6 =500 Кр/рД где р — удельное
электросопротивление, Ом-см; р— магнитная проницаемость в Гс/э;
f — частота тока, Гц.
.17*
25»
верстия которого на нагретую поверхность разбрызги-
вается закалочная жидкость (иногда нагретые детали
сбрасываются в закалочные баки).
Высокая скорость нагрева смещает фазовые превра-
щения в область более высоких температур. Кроме то-
го, вследствие непродолжительных выдержек диффузия
углерода не успевает произойти и в образовавшемся
аустените наблюдается неоднородность его распределе-
ния. Чтобы ускорить диффузионные процессы, повыша-
ют температуру нагрева. Поэтому температура закалки
при нагреве ТВЧ для одной и той же стали должна
быть выше, чем при обычном нагреве.
При правильном режиме получается мелкоигольча-
тый или бесструктурный мартенсит, имеющий меньшую
хрупкость и повышенную прочность. Твердость повыша-
ется на 2—3 единицы по сравнению с обычной закал-
кой, а также повышаются износостойкость и предел вы-
носливости, который может увеличиваться в 1,5—
2 раза.
Поскольку при нагреве ТВЧ сердцевина изделия на-
гревается ниже Act, перед закалкой для улучшения
свойств его подвергают нормализации. Наиболее целе-
сообразно использовать этот метод для нагрева изделий
из углеродистых сталей, содержащих более 0,40% С.
Для легированных сталей нагрев ТВЧ, как правило,
редко применяют, так как одно из их преимуществ —
глубокая прокаливаемость легированных сталей — при
таком методе не используется.
Преимущества метода ТВЧ — высокая производи-
тельность, отсутствие обезуглероживания и окисления
поверхности детали, возможность регулирования и кон-
троля режима термической обработки, а также полной
автоматизации всего процесса. Закалочные агрегаты
можно устанавливать непосредственно в поточной ли-
нии механического цеха. Поэтому закалку ТВЧ приме-
няют для деталей массового производства (пальцы, ва-
лики, шестерни и др.). Чтобы избежать возможного
хрупкого разрушения зубьев шестерен, их изготавлива-
ют из специальных углеродистых сталей пониженной
-прокаливаемости 55ПП (0,55% С), содержащих меньше
марганца (^0,2%) и кремния (0,1—0,3%). При нагре-
ве зубья шестерен нагреваются насквозь, но за-
каливается только поверхностный слой толщиной
1—2 мм.
260
Нагрев ТВЧ позволяет проводить закалку отдельных
участков деталей — шейки коленчатых валов, кулачков
распределительных валов, головки рельс и т. д.
Недостатком является высокая стоимость индукци-
онных установок и индукторов (для каждой детали свой
индуктор), поэтому этот метод экономически целесооб-
разно использовать только при массовом производстве
однотипных деталей простой формы.
Пламенную поверхностную закалку применяют глав-
ным образом для закалки изделий с большой поверхно-
стью, при индивидуальном производстве и ремонте,
иногда для закалки стальных и чугунных прокатных
валков. Нагрев изделий осуществляется пламенем газо-
вых или кислородно-ацетиленовых горелок. При нагре-
ве изделий с большой поверхностью горелки с охлаж-
дающим устройством перемещаются вдоль изделия или
изделие движется, а нагревательное устройство непо-
движно.
Толщина закаленного слоя при этом способе нагрева
получается равной 2—4 мм. К недостаткам метода сле-
дует отнести сложность регулирования температуры на-
грева, а отсюда возможность сильного перегрева.
Нагрев изделий перед закалкой в расплавленных
металлах или солях также является одним из способов
поверхностной закалки. Этот способ применяют при за-
калке мелки., деталей простой геометрической формы,
изготовляемых в небольших количествах.
Дефекты закалки
Коробление, закалочные трещины, изменение формы
изделия — эти дефекты являются следствием возникно-
вения внутренних напряжений I рода. Один из способов
уменьшения образования этих дефектов — медленное
охлаждение деталей в области температур мартенсит-
ного превращения.
Неполная закалка — после закалки получается не-
достаточная твердость. Этот дефект образуется либо в
результате недогрева перед закалкой (например, при
нагреве доэвтектоидной стали ниже Дс3), либо в резуль-
тате охлаждения со скоростью, меньшей критической
(см. рис. 124, скорость и7). Этот дефект устраняется
повторной закалкой с правильным режимом.
261
Перегрев.— закалка с завышенной температуры.
В результате получается крупноигольчатый мартенсит,
изделия обладают повышенной хрупкостью.
Мягкие пятна на поверхности детали (т. е. участки
с пониженной твердостью) — результат образования
при закалке на поверхности детали паровой рубашки,
уменьшающей скорость охлаждения. Дефект исправля-
ется повторной закалкой.
Окисление и обезуглероживание поверхности изде-
лия— этот дефект возникает в результате взаимодейст-
вия печной атмосферы с поверхностными слоями детали
при нагреве. Устраняется в результате проведения пра-
вильного режима термической обработки либо нагре-
вом, проведенным в нейтральных атмосферах (азоте,
аргоне и т. д.).
ОТПУСК
Отпуском называется нагрев закаленной стали до
температур ниже критической точки Ас<, выдержка при
этой температуре с последующим охлаждением (обыч-
но на воздухе). Отпуск является окончательной терми-
ческой обработкой.
Целью отпуска является изменение строения и свойств
закаленной стали: повышение вязкости и пластичности,
уменьшение твердости (рис. 125). Кроме того, при от-
пуске частично или полностью устраняются внутренние
напряжения *.
В зависимости от температуры нагрева различают
три вида отпуска: низкотемпературный, среднетемпера-
турный и высокотемпературный.
При низкотемпературном отпуске закаленную сталь
нагревают до 150—250° С. После соответствующей вы-
держки при этой температуре (обычно 1—3 ч) в детали
получают структуру отпущенного (кубического) мар-
тенсита. При низком отпуске частично снимаются зака-
лочные напряжения. Если в стали было значительное
количество остаточного аустенита, то в результате его
превращения в кубический мартенсит твердость после
низкого отпуска может увеличиться на 2—3 единицы
HRC.
1 Структурные превращения, происходящие в закаленной стали
при ее нагреве ниже Act, рассмотрены в гл. 6,
.262
Низкий отпуск применяют для инструментальных
сталей, после цементации, поверхностной закалки и т. д.
При среднетемпературном отпуске закаленную сталь
нагревают до 350—400° С. В результате получается
структура троостита. После такого отпуска в изделиях
получается сочетание сравнительно высокой твердости
(HRC 40—45) и прочности с хорошей упругостью и
Рис. 125. Влияние температуры
отпуска на мехнические свойст-
ва стали с 0,4% С
достаточной вязкостью. Поэтому среднему отпуску
подвергают пружины и рессоры.
При высокотемпературном отпуске закаленные изде-
лия нагревают до 450—650° С. После такого нагрева и
соответствующей выдержки в изделиях получается
структура сорбита. В отличие от сорбита, полученного
после нормализации, когда цементит пластинчатый,
после высокого отпуска цементит приобретает зернис-
тую форму. Это существенно повышает ударную
вязкость при одинаковой (или даже более высокой) твер-
дости по сравнению с нормализованной сталью. Поэто-
му такой отпуск применяют для деталей машин, испы-
тывающих при эксплуатации ударные нагрузки. За-
калку с высоким отпуском часто называют улучше-
нием.
Поскольку в легированных сталях все диффузион-
ные процессы протекают медленнее, время выдержки
при отпуске таких сталей больше по сравнению с угле-
родистыми. Кроме того, карбидообразующие элементы
замедляют коагуляцию карбидов, в результате чего они
сохраняются мелкодисперсными до более высоких тем-
ператур. Это одна из причин наблюдающегося явления
так называемой вторичной твердости, т. е. увеличения
263
твердости после отпуска в интервале 500—600° С (наб-
людается в сталях, легированных хромом, молибденом,
ванадием и некоторыми другими элементами).
Поэтому в результате высокотемпературного отпус-
ка при одной и той же температуре, а следовательно,
при одной и той же структуре легированные конструк-
ционные стали имеют более высокую прочность и плас-
тичность, чем углеродистые стали. Это и является одной
из основных причин применения легированных сталей
для изготовления деталей ответственного назначе-
ния, испытывающих сложные напряжения при эксплу-
атации.
Обычно ударная вязкость с температурой отпуска
увеличивается, а скорость охлаждения после отпуска не
влияет на свойства. Но для некоторых конструкционных
сталей наблюдается уменьшение ударной вязкости (рис.
126). Этот дефект называется отпускной хрупкостью.
Различают отпускную хрупкость I и II рода.
Отпускная хрупкость I рода. Наблюдается при отпу-
ске в области 300° С у легированных, а также углероди-
стых сталей. Не зависит от скорости охлаждения. Это
явление связывают с неравномерностью превращений
отпущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее
вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри
зерна. Благодаря этому вблизи границ создаются кон-
центрации напряжений, границы становятся хрупкими.
Отпускная хрупкость I рода «необратима», т. е. при по-
вторных нагревах тех же деталей она в них не наблю-
Рис. 126. Схема влияния темпера-
туры отпуска на ударную вязкость
стали с высокой восприимчивостью
к отпускной хрупкости:
дается.
Отпускная хрупкость II
рода. Наблюдается у леги-
рованных сталей при мед-
ленном охлаждении после
отпуска в области 450—
650° С (пунктирная линия
на кривой рис. 126). Суще-
ствует несколько объясне-
ний природы этого дефекта.
Рассмотрим наиболее рас-
пространенное. При высо-
ком отпуске по границам зе-
рен происходит образование
1 — быстрое охлаждение в воде
или масле; 2—медленное охлажде-
ние на воздухе или с печью
и выделение дисперсных
включений карбидов. При-
264
граничная зона зерна обедняется легирующими эле-
ментами. При последующем медленном охлаждении
происходит восходящая диффузия фосфора из внут-
ренних объемов зерна к границам. Приграничные
зоны зерна обогащаются фосфором, прочность гра-
ниц понижается, ударная вязкость падает. Этому де-
фекту способствуют хром, марганец и фосфор
(>0,001%). Уменьшают склонность к отпускной хруп-
кости II рода молибден и вольфрам (до 0,5%) и быст-
рое охлаждение после отпуска (сплошная линия на рис.
126).
Отпускная хрупкость II рода «обратима», т. е. при
повторных нагревах и медленном охлаждении тех же
сталей в опасном интервале температур этот дефект мо-
жет повториться. Поэтому стали, склонные к отпускной
хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с
нагревом до 650° С без последующего быстрого охлаж-
дения (например, штампы для горячей штамповки).
ОБРАБОТКА ХОЛОДОМ
Этот метод разработан и предложен А. П. Гуляевым
в 1937—1939 гг. Если мартенситное превращение закан-
чивается в области отрицательных температур, то в
закаленной стали при комнатных температурах содер-
жится значительное количество остаточного аустенита.
Благодаря этому уменьшается твердость закаленного
изделия, ухудшаются магнитные характеристики, не со-
храняются размеры в процессе эксплуатации и т. п. Суб-
структура остаточного аустенита — большая плотность
несовершенств по сравнению с исходным аустенитом
(дислокаций, дислокационных сплетений и дефектов
упаковки). Охлаждением изделия ниже температуры
конца мартенситного превращения (точки Мк) можно
добиться полного или почти полного превращения оста-
точного аустенита в мартенсит. Обычно изделие охлаж-
дают до температуры порядка —80° С. Чтобы избежать
стабилизации аустенита, обработку холодом рекоменду-
ется проводить сразу же после закалки. Обработке хо-
лодом подвергают детали шарикоподшипников, точных
механизмов, измерительный инструмент и т. д. Обра-
ботка холодом не уменьшает внутренних напряжений,
поэтому после такой обработки необходим отпуск.
265
Глава 8
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Химико-термической обработкой (ХТО) называется
процесс изменения химического состава, микрострукту-
ры и свойств поверхностных слоев деталей. Изменение
химического состава поверхностных слоев достигается в
результате их взаимодействия с окружающей средой,
твердой, жидкой или газообразной, в которой осущест-
вляют нагрев. В результате изменения химического со-
става поверхностного слоя изменяются также его фазо-
вый состав и микроструктура. Основные параметры
ХТО — температура нагрева и продолжительность вы-
держки. Основные процессы любого вида ХТО: диссо-
циация — абсорбция — диффузия.
Диссоциация — получение насыщающего элемента в
более активном, атомарном состоянии: 2NH3^2N-|-
-f-3H2; СН4=^С+2Н2 и т. д.
Абсорбция — захват поверхностью детали атомов
насыщающего элемента.
Диффузия — перемещение захваченного поверхно-
стью атома в глубь изделия.
Скорости всех трех процессов обязательно должны
быть согласованы. Для абсорбции и диффузии необхо-
димо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с
основным металлом, образуя либо твердые растворы,
либо химические соединения. Если основной металл и
насыщающий элемент образуют механические смеси, то
химико-термическая обработка невозможна.
Диффузионные процессы протекают легче при обра-
зовании твердых растворов внедрения (азот, углерод)
по сравнению с твердыми растворами замещения. Это
объясняется тем, что при образовании твердых раство-
ров замещения чужеродный атом занимает либо вакан-
сии, имеющиеся всегда в реальных металлах, либо мес-
то атома металла-растворителя. В последнем случае не-
обходимо, чтобы основной атом был смещен из своего
равновесного положения и стал бы дислоцированным.
Химико-термическая обработка является основным
способом поверхностного упрочнения деталей. Поверх-
ностная прочность, кроме того, увеличивается при за-
калке деталей ТВЧ и при обработке поверхности дета-
лей дробью или накаткой роликами.
?66
Основными видами химико-термической обработки
являются цементация (науглероживание), азотирова-
ние; цианирование (совместное насыщение углеродом и
азотом) и диффузионная металлизация (насыщение по-
верхности алюминием, кремнием и т. д.)
ЦЕМЕНТАЦИЯ
Цементация — это химико-термическая обработка,
при которой поверхность стальных деталей насыщается
углеродом. Изделия нагревают в среде, легко отдающей
углерод. Цементации подвергают, как правило, стали с
низким содержанием углерода (0,1—0,2% С). Подоб-
рав режим, слой насыщают углеродом до нужной глу-
бины. Глубиной цементации условно считают расстоя-
ние от поверхности детали до половины зоны, где в
структуре наряду с перлитом имеется примерно такое
же количество феррита. Глубина цементованного слоя
обычно составляет 1—2 мм, но может быть и больше.
Степень цементации — это среднее содержание углеро-
да в поверхностном слое (обычно не более 1,2% С).
После цементации изделия подвергают закалке с
низким отпуском. Это обеспечивает получение в поверх-
ностном слое изделий высокой твердости при сохране-
нии мягкой вязкой сердцевины. На поверхности пос-
ле цементации возникают напряжения сжатия, уве-
личивающие предел выносливости и долговечность де-
талей. Цементацию проводят в твердом, жидком и
газообразном карбюризаторах. Наиболее распространен-
ной является газовая цементация, имеющая ряд преиму-
ществ перед другими способами.
При газовой цементации' детали нагревают в герме-
тических печах в атмосфере углеродсодержащих газов.
Для газовой цементации используют природный газ (со-
держит до 92—96% метана) или искусственные газы, по-
лученные пиролизом жидких углеводородов — керосина,
бензола: СН45^С4-2Н2; 2СО+±=С4-СО2.
По сравнению с окисью углерода метан — более актив-
ный карбюризатор. ’ Fea почти не растворяет углерода,
поэтому при цементации изделия нагревают до темпера-
тур выше 4з (930—950°С). При таких температурах
сталь имеет структуру аустенита, растворяющего до
1 Впервые была осуществлена П. П. Аносовым иа Златоустов-
ском заводе.
267
2% С. Глубина цементованного слоя зависит не только от
температуры, при которой осуществлялся процесс, но и
от времени выдержки при этой температуре (рис. 127).
Обычно скорость цементации составляет примерно
0,1 мм за 1ч выдержки. Поскольку глубина цементован-
ного слоя редко требуется более 1,0—1,5 мм, процесс осу-
ществляют за 8—12 ч. При больших выдержках или зна-
Рис. 127. Влияние продолжительно-
сти цементации на глубину цемен-
тованного слоя. Температура цемен-
тации °C:
1 — 1050; 2 — 1000; 3 — 970; 4 — 930
чительном увеличении тем-
пературы цементации мо-
жет сильно вырасти зерно
аустенита, что существенно
ухудшает свойства цемента-
ционного слоя и потребует
для исправления дополни-
тельной закалки.
Цементация твердым
карбюризатором. При таком
способе цементации изделия
помещают в металлические
ящики, пересыпая их твер-
дым карбюризатором —
смесью древесного угля
(75—80% объема) с акти-
визаторами, которыми явля-
ются ВаСОз и №2СОз.
Ящики закрывают крышками, которые для большей гер-
метичности обмазывают огнеупорной глиной. Затем их
помещают в печь, где и нагревают до заданной тем-
пературы (900—950° С). После окончания процесса ящи-
ки вынимают из печи, охлаждают и извлекают из них
детали.
Процесс твердой цементации по сравнению с газовой
имеет ряд недостатков: на его осуществление требуется
больше времени (много вспомогательных операций);
трудно поддается автоматизации и контролю; требует-
ся больше обслуживающего персонала; оборудование
громоздкое и т. п. Поэтому газовая цементация являет-
ся более дешевым и современным процессом, а также
сокращает применение твердой цементации.
После цементации изделия приобретают структуру,
приведенную на рис. 128, а. На поверхности изделия об-
разуется слой заэвтектоидной стали, состоящей из пер-
лита и вторичного цементита. Постепенно, по мере уда-
ления от поверхности, содержание углерода уменьшает-
268
Рис. 128. Микроструктуры цементованного слоя. Х200:
а — медленное охлаждение с температуры цементации; б — после закалки
с температуры цементации
ся и следующая зона состоит уже только из перлита.
Затем появляются зерна феррита, их количество по мере
удаления от поверхности увеличивается и, наконец,
структура становится отвечающей исходному составу
269
'стали. Непосредственно после цементации изделие не
приобретает требуемых свойств. Это достигается терми-
ческой обработкой. Все детали независимо от способа
цементации обязательно подвергают закалке с низким
отпуском.
Если сталь наследственно мелкозернистая или изде-
лия не ответственного назначения, то закалку проводят
один раз с 820—850° С. При этом обеспечивается полу-
чение мартенсита в цемен-
тованном слое и частичная
перекристаллизация и из-
мельчение зерна сердцеви-
ны. При газовой цементации
изделия по окончании про-
цесса подстуживают до этих
температур и затем прово-
дят закалку. Для более от-
ветственных изделий приме-
няют другой режим терми-
ческой обработки: 1) закал-
ку (или нормализацию) с
880—900° С для исправле-
ния структуры сердцевины;
2) вторую закалку с 760—
780° С для получения мелкоигольчатого мартенсита в по-
верхностном слое.
Отпуск всегда проводят низкий при 160—180° С, в
результате в поверхностном слое получается структура
Цементация
ПодстужиВание
Отпуск
Обработка холодом.
Цементация
Заколка
’—• Врем л
Обоаботка холодом.
Рис. 129. Режимы термической об-
работки после цементации
отпущенного мартенсита, частично снимаются внутрен-
ние напряжения.
На рис. 129 приведены различные режимы термической
обработки цементованных деталей. На рис. 128, б показа-
на микроструктура цементованного слоя после термичес-
кой обработки. В поверхностном слое мартенсит отпущен-
ный постепенно переходит в троостит, сорбит, а в сердце-
вине изделия сохраняется феррит с небольшим количест-
вом перлита, как и до процесса цементации.
После цементации и термической обработки твер-
дость поверхностных слоев составляет HRC 60—63.
Цементации подвергают разнообразные детали: зуб-
чатые колеса, поршневые пальцы, червяки, оси и другие
детали, иногда значительных размеров (например, круп-
ногабаритные кольца и ролики шарикоподшипников).
270
АЗОТИРОВАНИЕ
Азотированием называется ХТО, при которой поверх-*
костный слой детали насыщается азотом. При этом уве-
личиваются не только твердость и износостойкость, но
также повышается и коррозионная стойкость.
Впервые азотирование осуществил Н. П. Чижевский
в 1913 г.
На рис. 130 приведена
диаграмма состояния Fe—
N. Согласно этой диаграм-
ме, азот образует с железом
несколько фаз: 1) а-фаза —
азотистый феррит, содержа-
щий при 20° С около 0,015%
N2, при 591°С 0,42% N2;
2) /-фаза — твердый рас-
Рис. 131. Микроструктура азотирован-
ного слоя железа. Азотирование при
650° С с медленным охлаждением. Х500
Рис. 130. Диаграмма состояния же-
лезо — азот
твор на основе нитрида железа Fe4N (5,6—5,95% N2);
3) а-фаза — твердый раствор на основе нитрида железа
[Fe2N (8—11,2% N2)]; 4) у-фаза твердый раствор азота
в у-железе, существует выше температуры эвтектоидно-
го превращения (591°С).
При азотировании иделия загружают в герметиче-
ские печи, куда поступает аммиак NH3 с определенной
скоростью, который при нагреве диссоциирует по реак-
ции 2NH3->2N+6H. Атомарный азот, имеющий высокую
активность, поглощается поверхностью и диффундирует
271
в глубь детали. Структура азотированного слоя (от по-
верхности в глубь изделия) состоит из фаз
-►аН-'у'-кх+у'изб (рис. 131). Фазы, получающиеся в
азотированном слое углеродистой стали, не обеспечива-
ют достаточно высокой твердости и образующийся слой
хрупкий. Поэтому для азотирования применяют легиро-
ванные стали, содержащие алюминий, молибден, хром,
титан и другие элементы.
Нитриды этих элементов
очень дисперсны и обла-
дают высокой твердостью
и термической устойчиво-
стью. Типовыми азоти-
руемыми сталями явля-
ются 38ХМЮА и
35ХМЮА. Влияние леги-
рующих элементов на
твердость азотированного
слоя показано на рис. 132.
В зависимости от ус-
ловий работы деталей
различают две разновид-
Рис. 132. Влияние легирующих элемен-
тов на твердость азотированного слоя:
/ — алюминий; 2 — хром; 3 —никель
ности азотирования: для
повышения поверхностной твердости и износостойкости
(«твердостное» азотирование) и для улучшения коррози-
онной стойкости (антикоррозионное азотирование).
В первом случае детали азотируют при 500—520° С,
процесс продолжается от 24 до 90 ч (скорость азотиро-
вания составляет около 0,01 мм в 1 ч). Содержание азо-
та в поверхностном слое достигает 10—12%, толщина
слоя — порядка 0,3—0,6 мм, твердость достигает HV
1000—1200 (рис. 133).
Азотированию подвергают цилиндры моторов и на-
сосов, шестерни, прессформы для литья под давлением,
штампы, пуансоны и т. д.
Для ускорения процесса азотирования его проводят
двухступенчато: вначале при температуре 500—520° С,
а затем при 560—600° С. Охлаждение после азотирования
проводят вместе с печью в потоке аммиака. Для повы-
шения коррозионной стойкости азотированию подверга-
ют изделия как из легированных, так и из углеродистых
сталей. В этом случае азотирование проводят при 650—
700° С. Скорость диффузии увеличивается, продолжи-
тельность процесса сокращается до нескольких часов.
272
На поверхности изделий образуется слой е-фазы (0,01—
0,03 мм), который обладает высокой стойкостью против
коррозии.
Азотирование — окончательная, завершающая опе-
рация при изготовлении детали. Детали подвергают азо-
тированию после окончательной механической и терми-
ческой обработок — закалки с высоким отпуском. После
такой термической обработки в деталях получается
<1000
600
&
200
500 600 700 ООО ' 10 30 50 7090
Температурами Продолжительность
азотирования^
Рис. 133. Зависимость твердости (а) и толщины азотиро-
ванного слоя (б) от температуры и продолжительности
процесса насыщения:
/ — 38ХМЮА; 2 —40Х, 18ХНВА и др.; 3— сталь 30,
сталь 40 и др.
структура сорбита, которая сохранится в сердцевине из-
делия и после азотирования и обеспечит повышенную
прочность и вязкость. Азотированные детали имеют се-
рый цвет.
Сравнивая цементацию и азотирование, можно отме-
тить следующее: 1) продолжительность цементации
меньше продолжительности азотирования; 2) упрочнен-
ный слой получается более глубоким и допускает боль-
шие удельные давления при эксплуатации; 3) твердость
цементованного слоя в 1,5—2 раза меньше азотирован-
ного и сохраняется при нагреве только до 180—125° С, в
то время как азотированный слой сохраняет твердость
до 600—650° С.
ЦИАНИРОВАНИЕ (НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ)
Цианированием называется ХТО, при которой по-
верхность насыщается одновременно углеродом и азо-
том. Цианированный слой обладает высокой твердостью,
сопротивлением износу. Повышаются также усталост-
18—481
273
ная прочность и коррозионная стойкость. Совместная
диффузия углерода и азота происходит быстрее, чем
каждого из этих элементов в отдельности, поэтому про-
должительность цианирования обычно 0,5—2 ч. Цианиро-
вание бывает .высокотемпературным при 800—950°С и
низкотемпературным при 540—560° С. При высокотемпе-
ратурном цианировании поверхность насыщается больше
углеродом, чем азотом, т. е. этот процесс приближается
к цементации. После такого цианирования изделия под-
вергают закалке с низким отпуском. Поверхностный
слой после глубокого цианирования содержит 0,8—
1,2% С и 0,2—0,3% N. Низкотемпературному цианиро-
ванию подвергают детали, уже прошедшие термическую
обработку, как и при азотировании. При таком циани-
ровании поверхность насыщается главным образом азо-
том, глубина слоя составляет 0,015—0,03 мм. Цианиро-
вание обычно проводят в жидкой или в газовой средах.
Главный недостаток жидкостного цианирования — ядо-
витость цианистых солей. Этого недостатка нет при га-
зовом цианировании.
Нитроцементацию — газовое цианирование — прово-
дят в газовых смесях, содержащих 70—80% цементиру-
ющего газа и 20—30% аммиака. Состав газа и темпе-
ратура определяют соотношение углерода и азота в циа-
нированием слое. Глубина слоя зависит от температу-
ры процесса и продолжительности выдержки.
По сравнению с газовой цементацией нитроцемента-
ция имеет ряд преимуществ: меньше деформация и ко-
робление изделий, больше сопротивление износу и кор-
розионная стойкость.
ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
Диффузионной металлизацией называется ХТО, при
которой поверхность стальных деталей насыщается раз-
личными элементами: алюминием, хромом, кремнием и
др. После такой обработки повышаются жаростойкость
(окалиностойкость), износостойкость, коррозионная
стойкость. Поскольку njni насыщении поверхности стали
другими металлами должны образовываться твердые
растворы замещения, диффузионная металлизация всег-
да требует большой затраты времени.
Алитирование — насыщение поверхности изделий
алюминием. Осуществляется для деталей из стали с
0,1—0,2% С для повышения окалиностойкости.
274
Алитирование чаще проводят в порошкообразных
смесях, но его можно осуществить и в газовых средах
(детали помещают в ретортные печи, засыпают ферро-
алюминием и пропускают хлор, а также хлористый во-
дород). Алитированный слой при этом получается глу-
биной 0,3—0,8 мм.
Алитированные детали приобретают высокую жаро-
стойкость, они могут работать при температуре до
1150° С. Это объясняется образованием на поверхности
деталей прочного окисла А12О3.
Силицирование — насыщение поверхности деталей
кремнием. Используют главным образом газовое сили-
цирование. Детали помещают в ретортные печи, засыпа-
ют порошком ферросилиция, карборунда, нагревают до
950—1050° С и пропускают хлор. При газовом силици-
ровании насыщение кремнием происходит интенсивно:
после выдержки при 1050° С в течение 2 ч получают слой
в 1 мм. Количество кремния в поверхностных слоях до-
стигает 14%. Силицирование повышает жаростойкость
до 800—850° С, слой хорошо сопротивляется истиранию
и коррозионностоек даже в таких- средах, как морская
вода и некоторые кислоты.
Для повышения жаростойкости силицирование при-
меняют даже для изделий из сплавов на основе молиб-
дена и вольфрама, обладающих высокой жаропроч-
ностью.
Хромирование — диффузионное насыщение поверх-
ности изделий хромом. Хромированию подвергают де-
тали, изготовленные из сталей с самым различным со-
держанием углерода. При хромировании средне- и вы-
сокоуглеродистых сталей получается очень высокая
поверхностная твердость (до HV 1600—1800), повыша-
ется износостойкость, окалиностойкость (до 800°С), а
также коррозионная стойкость. При хромировании из-
делий ив малоуглеродистых сталей (до 0,2% С) твер-
дость повышается незначительно, но приобретается хо-
рошая коррозионная стойкость. Хромирование осущест-
вляется при температурах 950—1100° С, время выдержки
до 8 ч, глубина слоя 0,2—0,25 мм.
Борирование — насыщение поверхности бором. Бо-
рирование обеспечивает особенно высокую твердость по-
верхности (до ЯК 1800—2000), сопротивление износу,
повышает коррозионную стойкость и теплостойкость.
Борирование чаще применяют для изделий из среднеуг-
18*
275
леродистой стали Его осуществляют как в порошкооб-
разных смесях, так и в жидких средах (электролизное
борирование). Температура 850—950°С, время выдерж-
ки 2—6 ч, глубина слоя 0,15—0,35 мм. После борирова-
ния детали подвергают закалке ТВЧ или изотермиче-
ской для уменьшения напряжений в поверхностном слое.
МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКОГО
УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ
Кроме рассмотренных способов упрочнения поверх-
ностного слоя изделий проведением закалки т. в. ч. и
ХТО, в технике широко используют методы механиче-
ского упрочнения. Из них наиболее важное значение
имеет дробеструйная обработка, при которой поверх-
ность уже полностью механически обработанных дета-
лей обрабатывается дробью. Такую обработку осуще-
ствляют с помощью специальных дробеструйных уста-
новок, выбрасывающих стальную или чугунную дробь
на поверхность обрабатываемой детали. Удары быстро
летящей дроби вызывают пластическую деформацию
поверхностного слоя металла на глубину от 0,15 до
0,30 мм. При этом поверхностный слой наклепанной ста-
ли становится более твердым, в нем создаются сжимаю-
щие напряжения и тем самым повышается усталостная
прочность.
Дробеструйная обработка упрочняет детали в канав-
ках, на выступах, в местах перехода одного сечения к
другому и т. п. Особенно благотворно действует дробе-
струйная обработка на детали, работающие при знако-
переменных нагрузках. Поэтому такой обработке под-
вергают рессоры, пружины, торсионные валики, валы,
пальцы гусениц и т. п. Поскольку после дробеструйной
обработки на поверхности металла остаются мелкие
вмятины (с гладкой поверхностью), иногда детали, име-
ющие цилиндрическую поверхность (валики, оси, шейки
коленчатых валов и т. п.), подвергают обкатке специаль-
ными роликами, что улучшает микрогеометрию поверх-
ности. Так обрабатывают изделия, даже прошедшие по-
лировку, для увеличения срока их службы.
Те же цели преследуют, подвергая доводке (дефор-
мации на 1—1,5%) проволоку, калибруя трубы, прутки
и т. п. изделия.
276
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Термомеханическая обработка (ТМО), так же как
и химикотермическая обработка, относится к комбини-
рованным способам изменения строения и свойств спла-
вов. При ТМО совмещаются пластическая деформация
и термическая обработка. Как при пластической дефор-
мации, так и при термической обработке повышение
прочности всегда связано с уменьшением пластичности
Рис. 134. Схема различных вариантов термомеханической обработки
и ударной вязкости. Это часто является ограничением
применения той или иной обработки.
Преимуществом ТМО является то, что при сущест-
венном увеличении прочности характеристики пластич-
ности снижаются незначительно, а ударная вязкость вы-
ше в 1,5—2 раза по сравнению с ударной вязкостью для
той же марки стали после закалки с низким отпуском.
Сущность ТМО заключается в том, что перед закал-
кой проводят пластическую деформацию высокотемпе-
ратурной фазы, в результате чего при закалке она пре-
терпевает фазовое превращение в наклепанном или
частично рекристаллизованном состоянии. В зависимо-
сти от температуры, при которой проводят деформацию,
различают высокотемпературную термомеханическую
обработку (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО)
(см. рис. 134).
При ВТМО (рис. 134, а) деформация осуществляется
при температурах выше Ас3. Примерный режим ВТМО
(сталь 50ХН4М): нагрев до 1050—1100°С для получе-
ния однородной структуры аустенита, подстуживание до
900—950°С, деформация 25—30% и сразу же закалка
(чтобы не произошло рекристаллизации), затем низкий
277
отпуск. В результате <тв=2604-270 кгс/мм2 при 6«8~
4-10% и ан=54-6 кгс-м/см2. После закалки с низким
отпуском этой же стали <тв=200 кгс/мм2 при S«2%.
Изменение свойств при ВТМО объясняют тем, что
мартенситное превращение происходит в стали, в кото-
рой вследствие деформации создана определенная суб-
структура. При ВТМО редко удается получить <тв>
>240 кгс/мм2, по-видимому, все же успевает происхо-
дить частичная рекристаллизация аустенита.
ВТМО применима к любым металлам и сплавам, но
ее эффект проявляется сильнее в сплавах, претерпеваю-
щих мартенситное превращение.
В. Д. Садовский показал, что ВТМО способствует
ослаблению, а иногда даже полному устранению склон-
ности стали к отпускной хрупкости I и II рода.
НТМО применяют к среднеуглеродистым легирован-
ным сталям, закаливаемым на мартенсит. При НТМО
деформации подвергается переохлажденный аустенит.
Обычно пластическая деформация осуществляется при
температурах ниже температуры рекристаллизации, но
выше температуры начала мартенситного превращения
(рис. 134,6), поэтому НТМО применима для сталей с
широкой, зоной устойчивости аустенита в надмартенсит-
ной области. Примерный режим НТМО: аустенизация
при 1100—1150° С, быстрое охлаждение до 450—550° С
и деформация на 75—95%, т. е. осуществляется так на-
зываемая «теплая деформация», при которой дробится
блочная структура аустенита. После деформации произ-
водят закалку и низкотемпературный отпуск при 150—
200° С. В результате такой обработки получают предел
прочности до 280—300 кгс/мм2 при б~6—8%, ударная
вязкость в 1,5—2 раза больше по сравнению с обычной
термической обработкой.
Иногда обработку по режиму НТМО называют Аус-
форминг.
Повышение прочности при ТМО объясняют тем, что
в результате деформации аустенита происходит дробле-
ние его зерен и блоков (размеры блоков уменьшаются в
два-четыре раза по сравнению с обычной закалкой),
увеличивается плотность дислокаций. При последующей
закалке такого деформированного аустенита образуют-
ся более мелкие пластинки мартенсита, уменьшаются
напряжения II рода, что положительно влияет на плас-
тичность и вязкость.
278
. По данным М. Л. Бернштейна, упрочненная ТМО
сталь сохраняет этот эффект при вторичной обычной
термической обработке (с кратковременным нагревом),
т. е. существует «наследственность» ТМО.
Термомехаиическую обработку можно применять
для упрочнения не только конструкционных сталей, нои
других сплавов, в частности титановых и жаропрочных.
Глава 9
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Конструкторы при выборе материала для какой-либо
конструкции или изделия не могут учитывать только
один или два какие-либо критерия, характеризующие
свойства материала. Как минимум, таких критериев
должно быть четыре: жесткость конструкции, прочность
материала, долговечность' и надежность материала в
условиях работы данной конструкции.
Жесткость конструкции. Для многих силовых эле-
ментов конструкций — шпангоутов, стрингеров, плоских
пластинок, цилиндрических оболочек и т. п. — условием,
определяющим их работоспособность, является местная
или общая жесткость (устойчивость), определяемая их
конструктивной формой, схемой напряженного состоя-
ния и т. д., а также и свойствами материала. Как было
отмечено в гл. 3, показателем жесткости материала яв-
ляется модуль нормальной упругости Е (модуль жест-
кости) — структурно нечувствительная характеристика,
зависящая только от природы материала.
Среди главных конструкционных материалов наибо-
лее высокое значение модуля Е имеет сталь, наиболее
низкое — магниевые сплавы и стеклопластики. Однако
оценка этих материалов существенно изменяется при
уче-те их плотности (удельного веса) и использовании
критериев удельной жесткости и устойчивости: Е/у,
VЕ/у, Е/у (табл. 6).
При оценке по этим критериям, выбираемым в соот-
ветствии с формой и напряженным состоянием, во мно-
гих случаях наиболее выгодным материалом являются
магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгод-
ным материалом — углеродистые и легированные стали.
279
ТАБЛИЦА б
УДЕЛЬНАЯ ЖЕСТКОСТЬ (УСТОЙЧИВОСТЬ)
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Материал Е, кгс/мм2 V, г/см1 E/V Ze/v ^7?
Углеродистые и легирован- ные стали . . 18 000— 22 000 7,8 2380—2785 17—18,7 3,3—3,5
Титановые сплавы . . . 1000—12000 4,5 2220—2675 22—24 4,8—5,1
Алюминиевые сплавы . . . 6700—7200 2,8 2395—2575 29,3—30,4 6,8—6,9
Магниевые сплавы . . . 4100—4400 1,8 2280—2445 3565—36,8 8,9—9,1
Стеклоплас- тики . . . . 2000—2200 1,8 1110—1220 25-26,1 7—7,2
Прочность конструкционных материалов, используе-
мых в технике, изменяется в очень широком диапазо-
не— от 10—15 до 250—350 кгс/мм2. Однако выбор мате-
риала только по абсолютному значению показателей
прочности От (00,2), ов и др. не дает правильной оценки
возможностей материала. Для создания конструкции
(машины) с минимальной массой большое значение
имеет плотность (удельный вес) материалов у. С учетом
этого более правильно оценивать значение его удельной
ТАБЛИЦА 7
УДЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ НЕКОТОРЫХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Материал кгс/мм2 V, г/см1 ов/?-105 см
Углеродистая конструкционная сталь 45—110 7,8 6—15
Легированная конструкционная сталь ЗОХГСА 110—140 7,8 15—19
Высокопрочные стали 180—200 7,8 22—25
Магниевые сплавы МА2, МА8 . . . 22—28 1,8 12—15
Алюминиевые сплавы Д16, В95 . . 42—60 2,8 16—21
Титановые сплавы 120—140 4,5 26—40
Стеклопластики типа СВАИ . . . 70 1,8 38-50
280
прочности отношением характеристик прочности ов, от
и т. д. к плотности (удельному весу) материала, напри-
мер ов/у, От/у, где у — плотность (удельный вес) мате-
риала, г/см3.
Из данных, приведенных в табл. 7, видно, что, на-
пример, алюминиевые сплавы, имея значительно мень-
шую абсолютную прочность, чем углеродистые и мно-
гие легированные стали, превосходят их по удель-
ной прочности. Это означает, что при равной проч-
ности масса изделия из алюминиевых сплавов меньше,
чем изделия из стали. Наиболее высокую удельную
прочность имеют стеклопластики типа СВАМ, а из
металлических конструкционных материалов — титано-
вые сплавы.
Оценивая реальную прочность конструкционного ма-
териала, следует учитывать характеристики пластично-
сти 6, ф, а также вязкость материала, так как именно
эти показатели в основном определяют возможность
хрупкого разрушения (см. с. 181).
Надежность конструкции — это ее способность крат-
ковременно работать вне расчетной ситуации, например
выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем
надежности является запас вязкости материала (под-
робно влияние на вязкость материала температуры, ус-
ловий нагружения и т. д. рассмотрено в гл. 3, с. 183).
Долговечность конструкции также зависит от усло-
вий ее работы. Прежде всего это сопротивление износу
при трении и контактная прочность (сопротивление ма-
териала поверхностному износу, возникающему при тре-
нии качения со скольжением). Долговечность изделия,
кроме того, зависит от предела выносливости, зависяще-
го в свою очередь от состояния поверхности (см. гл. 3,
с. 188). Определяется долговечность и коррозионной
стойкостью материала.
Сплавы железа — сталь и чугун являются основными
металлическими материалами, используемыми в раз-
личных отраслях народного хозяйства.
Наиболее универсальным и широко используемым ма-
териалом является сталь. Кроме перечисленных требо-
ваний, стали должны иметь и хорошие технологические
свойства: легко обрабатываться давлением (многие из-
делия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а
также хорошо обрабатываться на металлорежущих
станках, хорошо свариваться. В ряде случаев от сталей
281
требуется высокая коррозионная стойкость или жаро-
прочность и т. д.
Достоинством сталей является возможность полу-
чать в них нужный комплекс свойств, изменяя их состав
и обработку.
КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ
Все стали можно разделить на две группы — углеро-
дистые и легированные. Углеродистые стали являются
основным конструкционным материалом, который ис-
Рис. 135. Зависимость свойств горяче-
катаной углеродистой стали от содер-
жания углерода
пользуют в различных
областях промышлен-
ности. Эти стали про-
ще в производстве ' и
значительно дешевле
легированных. Но уг-
леродистые стали —
это не только сплав
железа с углеродом,
это сплав сложного хи-
мического состава По-
этому свойства таких
сталей определяются
и количеством углеро-
да, и содержанием
присутствующих в них
примесей, которые
взаимодействуют и с
железом, и с углеро-
дом.
Влияние углерода. В углеродистой стали механиче-
ские свойства зависят главным образом от содержания
углерода. С увеличением содержания углерода в стали
увеличивается количество цементита и соответственно
уменьшается количество феррита, т. е. увеличиваются
прочность и твердость и уменьшается пластичность
(рис. 135). Как видно из графика, приведенного на
рис. 135, прочность повышается только до 1% С. а при
более высоком содержании углерода она начинает
уменьшаться. Происходит это потому, что образующая-
ся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка
вторичного цементита уменьшает прочность стали.
Кроме углерода, в стали обязательно присутствуют
еще другие элементы, наличие которых обусловлено
282
различными причинами. Различают примеси: постоян-
ные, скрытые, случайные и специально введенные.
Постоянные примеси. Это кремний, марганец, фос-
фор и сера. Марганец и кремний вводят в процессе, вы-
плавки в сталь для ее раскисления, т. е. для удаления
закиси железа, поэтому их также называют технологи-
ческими примесями.
Кроме того, марганец способствует уменьшению со-
держания сульфида железа FeS в стали: FeS-f-Mn-»-
->MnS4-Fe. Марганец и кремний растворяются в фер-
рите, повышая его прочность; марганец может также
растворяться и в цементите. Углеродистые стали обычно
содержат до 0,7—0,8% Мп и до 0,5% Si.
Сера — вредная примесь — попадает в сталь глав-
ным образом с исходным сырьем — чугуном. Сера не-
растворима в железе, она образует с ним соединение
FeS —сульфид железа. При взаимодействии с железом
образуется эвтектика (Fe4-FeS) с температурой плав-
ления 988° С. Поэтому при нагреве стальных заготовок
для пластической деформации выше 900° С сталь стано-
вится хрупкой. При горячей пластической деформации
заготовки разрушаются. Это явление называется крас-
ноломкостью. Одним из способов уменьшения влия-
ния серы является введение марганца. Соединение MnS
плавится при 1620° С, эти включения пластичны и не
вызывают красноломкости.
Содержание серы в сталях допускается не более
0,06%.
Фосфор попадает в сталь главным образом также с
исходным чугуном, использованным для выплавки ста-
ли. До 1,2% фосфора растворяется в феррите, уменьшая
его пластичность. Фосфор обладает большой склон-
ностью к ликвации, поэтому даже при незначительном
среднем количестве фосфора в отливке всегда могут об-
разовываться участки, богатые фосфором. Располага-
ясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру
перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладно-
ломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является
вредной примесью, содержание его в углеродистой ста-
. ли допускается до 0,050%.
i, Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние
фосфора на ее хрупкость.
Содержание серы и фосфора в стали зависит от спо-
соба ее выплавки.
Скрытые примеси. Так называют присутствующие в
стали газы — азот, кислород, водород — ввиду сложно-
сти определения их количества. Газы попадают в сталь
при ее выплавке. В твердой стали они могут присутст-
вовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя хими-
ческие соединения (нитриды, оксиды). Газы могут на-
ходиться и в свободном состоянии в различных несплош-
ностях.
Даже в очень малых количествах азот, кислород и
водород сильно ухудшают пластические свойства стали.
Содержание их допускается 10-2—10“4%. В результате
вакуумирования стали их содержание уменьшается,
свойства улучшаются (см. разд. I, гл. 3).
Случайной примесью может быть любой элемент
(медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в
шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплав-
ке стали. Содержание этих элементов ниже тех преде-
лов, когда их вводят специально как легирующие до-
бавки.
Специальные примеси. Это элементы, специально
вводимые в сталь для получения каких-либо заданных
свойств. Такие элементы называют легирующими, а ста-
ли, их содержащие, — легированными сталями.
Содержание легирующих элементов в сталях может
изменяться в очень широких пределах. Сталь считают
легированной хромом или никелем, если содержание
этих элементов составляет 1 % или более. При содержа-
нии ванадия, молибдена, титана, ниобия и других эле-
ментов более 0,1—0,5% стали считают легированными
этими элементами. Сталь является легированной и в том
случае, если в ней содержатся только элементы, харак-
терные для углеродистой стали, марганец или кремний,
но их количество должно превышать 1%.
В конструкционных сталях легирование осуществля-
ют с целью улучшения механических свойств — прочно-
сти, пластичности и т. д. Кроме того, легирующие эле-
менты изменяют физические, химические и другие свой-
ства стали.
Нужный комплекс свойств достигается не только ле-
гированием, но и рациональной термической обработ-
кой, в результате которой получается необходимая
структура.
Как правило, легирующие элементы существенно
увеличивают стоимость стали, а некоторые из них к то-
284
му же являются дефицитными металлами, поэтому
добавление их в сталь должно быть строго обосно-
вано.
Существует несколько классификаций, позволяющих
систематизировать стали, что упрощает поиск нужной
марки стали с учетом ее свойств.
Стали классифицируют по химическому составу, спо-
собу выплавки, по структуре в отожженном или нор-
мализованном состоянии, по качеству и по назначе-
нию.
Классификация по химическому составу
По химическому составу прежде всего все стали мож-
но разделить на две большие группы: углеродистые и
легированные. В свою очередь легированные стали в
зависимости от числа легирующих элементов различают
как трехкомпонентные (содержат кроме железа и угле-
рода один какой-либо легирующий элемент), четырех-
компонентные и т. д. Более применительной является
классификация с указанием легирующих элементов:
стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолиб-
деновые и т. д.
По степени легирования, т. е. по содержанию ле-
гирующих элементов, стали условно подразделяют на
низколегированные (содержат в общем 2,5—5% леги-
рующих элементов), среднелегированные (до 10%) и
высоколегированные (более 10%).
Классификация по способу выплавки
Углеродистые стали выплавляют главным образом
мартеновским и кислородно-конверторным способами.
Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют
в электрических дуговых печах.
В зависимости от степени раскисления при выплавке
стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными
(пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке.
Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одина-
ковом содержании углерода имеют практически одина-
ковую прочность. Главное их различие заключается в
пластичности, которая обусловлена содержанием крем-
ния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15—
0,35%, в полуспокойной 0,05—0,15%, в кипящей <0,05%.
285
Легированные стали выплавляют только спокойными в
печах мартеновских или электрических *.
В результате уменьшения содержания кремния в фер-
рите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому
кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоя-
нии (например, для изготовления деталей глубокой вы-
тяжкой). Но из-за большого содержания газов, особен-
но азота, кипящие стали склонны к деформационному
старению. Кроме того, большое содержание кислорода
в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие
стали становятся хрупкими уже при —10° С, в то время
как спокойные стали, содержащие одинаковое количе-
ство углерода, могут работать до —40° С. Они более
склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые
стали, но качество металла низкое, поэтому их исполь-
зуют для изготовления неответственных деталей и кон-
струкций.
Классификация по структуре
По структуре в отожженном состоянии стали разде-
ляют на доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные
(см. с. 215). Легированные стали, кроме того, могут
Перлитный Мартенситный Аустенитный
и класс . класс . класс
Рис. 136. Диаграммы изотермического распада
аустенита трех классов стали
быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов.
К ферритному классу относятся стали, в которых при
малом содержании углерода имеется большое количест-
во ферритообразующих легирующих элементов, напри-
мер хрома. К ледебуритному классу относятся стали с
1 Различные способы выплавки сталей, а также способы рас-
кисления детально описаны в разд. I.
286
большим содержанием углерода и карбидообразующих
элементов, в результате чего в их структуре имеются
первичные карбиды — легированный ледебурит.
По структуре после охлаждения на воздухе легиро-
ванные стали разделяют на три основных класса: пер-
литный, мартенситный и аустенитный (рис. 136) (струк-
туру во всех случаях определяют по образцам неболь-
шого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было
отмечено, что легирующие элементы увеличивают ус-
тойчивость аустенита в перлитной области и понижают
температуру мартенситного превращения. Поэтому при
одинаковой скорости охлаждения до комнатных темпе-
ратур при различном содержании легирующих элемен-
тов и углерода получаются различные структуры.
Классификация по качеству
В основе классификации сталей по качеству лежит
содержание вредных примесей — серы и фосфора. Раз-
личают углеродистую сталь обыкновенного качества,
сталь качественную конструкционную и сталь высоко-
качественную.
Сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380—71, см.
приложение, табл. 4) содержит повышенное количество
серы (до 0,05%) и фосфора (до 0,04%, СтО до 0,07% Р).
Эти стали выплавляют преимущественно в больших
мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кис-
лородных конверторах. Обозначение марок стали — бук-
венно-цифровое: буквы Ст означают «сталь», цифры от
0 до 6 — условный номер марки, например СтО, Ст2...
Ст 6. Степень раскисленности стали обозначают бук-
вами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали ма-
рок Ст 0 — Ст 4, полуспокойными и спокойными могут
выплавляться все марки сталей от Ст 1 до Ст 6.
Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В. В мар-
ках указывают только группы Б и В, например Ст2кп
(сталь 2, группы А, кипящая); Б СтЗкп (сталь 3, груп-
пы Б, кипящая); В Ст Зпс (сталь 3, группы В, полуспо-
койная); В Ст 4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т. п.
Химический состав стали группы А не регламентиру-
ется, его только указывают в сертификатах металлурги-
ческого за вода-изготовителя. Стали этой группы обычно
заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их
поставляют по механическим свойствам (сгв, сгт и 6).
287
С увеличением номера стали прочность увеличивается,
а пластичность уменьшается:
Сталь.....................Ст 1пс Ст Зпс и Ст Зсп Ст бсп
Св, кгс/мм2 ........... 32—42 38—49 >60
ст, кгс/мм2 ............... — 21—25 30—32
6, %..................... 31—34 23—26 12—15
Стали группы Б поставляют по химическому составу,
так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают раз-
личной обработке (ковке, сварке, термической обработ-
ке) с целью получения нужного заказчику комплекса
механических свойств.
Стали группы В поставляют по химическому составу
и механическим свойствам — по нормам для сталей
групп А и Б.
Углеродистая сталь обыкновенного качества — де-
шевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям
по механическим свойствам, предъявляемым к металлу.
Ее выплавка составляет около 80% всего производства
углеродистых сталей.
Качественные стали. В качественных сталях макси-
мальное содержание вредных примесей составляет не
более 0,04% серы и 0,04% фосфора. Качественная сталь
менее загрязнена неметаллическими включениями и
имеет меньшее содержание растворенных газов. Поэто-
му при примерно одинаковом содержании углерода ка-
чественные стали имеют более высокую пластичность и
вязкость по сравнению со сталями обыкновенного каче-
ства особенно при низких температурах. Качественные
углеродистые стали поставляют по химическому соста-
ву и по механическим свойствам. Марки сталей обозна-
чают цифрами, указывающими среднее содержание уг-
лерода в сотых долях процента (пределы по углероду
0,07—0,08% для одной марки), степень раскисленно-
сти — буквами пс, кп (спокойные качественные стали
маркируют без индекса). Например, сталь Юкп (0,10% С,
кипящая), сталь ЗОпс (0,30% С, полуспокойная), сталь
45 (0,45% С, спокойная) и т. д. Качественные углеро-
дистые стали поставляются заказчику в различном со-
стоянии: без термической обработки, после нормализа-
ции, различной степени пластической деформации и т. д.
Состав некоторых качественных углеродистых сталей и
их механические свойства приведены в приложении,
табл. 5,
288
В высококачественных сталях стремятся получить
минимально возможное содержание серы и фосфора
(S^0,035% и 0,035%). Поскольку при этом стои-
мость стали существенно увеличивается, конструкцион-
ные углеродистые стали редко выплавляют высококаче-
ственными. Для обозначения высокого качества стали в
конце обозначения марки стали ставят букву А, напри-
мер сталь У10А. Легированные стали выплавляют толь-
ко качественными, а чаще —высококачественными. Для
обозначения марок легированных сталей в СССР при-
нята буквенно-цифровая система.
Легирующие элементы обозначают следующими бук-
вами: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам —
В, кобальт — К, титан — Т, азот — А *, марганец — Г,
медь — Д, ванадий — Ф, кремний — С, фосфор — П,
алюминий — Ю, бор — Р, ниобий — Б, цирконий — Ц.
Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр.
Для конструкционных марок стали первые две цифры
показывают среднее содержание углерода в сотых до-
лях процента. Содержание легирующих элементов, если
оно превышает 1 %, ставят после соответствующей буквы
в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содер-
жит около 0,18% С; 1 % Сг; 1 °/о Мп и около 0,1 °/о Ti; мар-
ки 12ХНЗ —0,12% С; 1% Сг и 3% Ni.
Нестандартные стали обозначают различным обра-
зом. Наиболее часто встречается обозначение буквами
ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что
сталь выплавлена на заводе «Электросталь» (буква Э),
сталь исследовательская (буква И) или пробная (бук-
ва П), например стали ЭИ395, ЭИ347, ЭП398 и т. д.
Состав таких сталей приведен в справочниках.
Особо высококачественными выплавляют только ле-
гированные стали и сплавы. Они содержат не более
0,015% серы и 0,025% фосфора. К ним предъявляют по-
вышенные требования и по содержанию других приме-
сей.
Классификация по назначению
По назначению стали подразделяют на три основные
группы: конструкционные, инструментальные и с особы-
ми свойствами. В основу классификации первых двух
* При легировании стали азотом букву А ставят в середине обо-
значения марки, например 15Х17АГ14.
19—481
289
групп положено содержание углерода. Стали, содержа-
щие углерода до 0,25%, используют как котельные,
строительные и для деталей машин, подвергаемых це-
ментации (см. с. 267). Низкое содержание углерода в
котельных и строительных сталях обусловлено тем, что
детали котлов и строительных конструкций соединяют
сваркой, а углерод ухудшает свариваемость (см. раз-
дел V «Сварка»).
Для деталей машин, испытывающих ударные нагруз-
ки, используют стали, содержащие 0,30—0,50% С (сталь
35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т. д.). Эти стали
подвергают термической обработке — закалке с после-
дующим высокотемпературным отпуском (улучшению).
Для пружин и рессор используют стали, содержащие
0,50—0,70% С. Эти стали также применяют только пос-
ле соответствующей термической обработки.
Стали, содержащие 0,7—1,5% С, используют для
изготовления ударного и режущего инструмента. Угле-
родистые стали маркируются У7, У8, ..., У13, где бук-
ва У обозначает углеродистую сталь, а число показыва-
ет содержание углерода в десятых долях процента, т. е.
сталь У10 содержит 1% С. Эти стали иногда выплавля-
ют высококачественными и тогда их маркируют У10А
или У8А и т. п. Химический состав и механические свой-
ства углеродистых инструментальных сталей приведены
в ГОСТ 1435—74.
У инструментальных легированных сталей содержа-
ние углерода также обозначают в десятых долях про-
цента, например сталь марки 9ХС содержит 0,9% С;
1% Сг и 1,4% Si. Если углерода больше 1%, то цифры
не указывают, например стали ХВГ, ХГ и т. д.
Стали и сплавы с особыми свойствами. К этой группе
относятся стали, коррозионностойкие, нержавеющие и
кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и
сплавы; с особыми магнитными свойствами и т. д.
ДЕФЕКТЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Кроме дефектов, характерных для углеродистых ста-
лей, в легированных сталях проявляются и специфиче-
ские дефекты: дендритная ликвация, флокены и от-
пускная хрупкость II рода (см. гл. 7, с. 264).
Дендритная ликвация. Наличие легирующих элемен-
тов увеличивает температурный интервал кристаллиза-
290
ции. Кроме того, как было отмечено, диффузионные
процессы в легированных сталях протекают медленно.
В результате увеличивается склонность таких сталей к
дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Ус-
траняется дендритная ликвация диффузионным отжи-
гом (см. с. 249).
Флокены. Ранее неоднократно отмечалось различное
влияние газов на свойства сталей, указывалось на их не-
желательное присутствие, так как при этом свойства
сталей ухудшаются. Так, например, возникает один из
дефектов легированных сталей — флокены (трещины, ко-
торые можно выявить при макротравлении). На изло-
мах флокены имеют вид блестящих круглых или оваль-
ных пятен, являющихся поверхностью трещин. В настоя-
щее время установлено, что флокены образуются при
быстром охлаждении металла от 200° С после ковки или
прокатки. Их образование происходит вследствие при-
сутствия в металле водорода, растворившегося в жид-
ком металле при плавке. Выделяясь в деформированной
стали из твердого раствора, он вызывает сильные внут-
ренние напряжения, приводящие к образованию флоке-
нов. Флокены чаще образуются в хромовых и хромони-
келевых конструкционных сталях. Для предупреждения
их образования после горячей пластической деформации
металл охлаждают медленно в области 250—200° С или
подвергают выдержке при этих температурах. Это дает
возможность водороду удалиться из стали.
ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ
Некоторые детали работают в условиях поверхност-
ного износа, испытывая при этом и динамические на-
грузки. Для изготовления таких деталей используют
малоуглеродистые стали, содержащие 0,10—0,30% С,
подвергая их цементации (см. с. 267). .
Для изделий небольших размеров, деталей неответ-
ственного назначения применяют малоуглеродистые ста-
ли марок 10, 15, 20. Для деталей более сложной формы,
деталей сильно нагруженных, крупных применяют низ-
колегированные стали с небольшим содержанием угле-
рода. В качестве легирующих элементов в цементуемые
стали добавляют хром, никель и т. д. Чем выше требо-
вания к свойствам, тем более сложные стали по составу
применяют.
19!
291
Изделия небольшого сечения и несложной формы,
работающие при повышенных удельных нагрузках
(втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые
пальцы и т. д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х,
содержащих около 1%Сг. При содержании хрома до
1,5% в цементованном слое повышается концентрация
углерода, образуется легированный цементит (Fe, Сг)3С,
увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после тер-
мической обработки увеличивается и глубина закален-
ного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ва-
надием (0,1—0,2%) — сталь 15ХФ — способствует
получению более мелкого зерна, что улучшает пластич-
ность и вязкость.
Для изготовления цементуемых деталей средних раз-
меров, испытывающих при работе высокие удельные на-
грузки, используют стали, в состав которых входит ни-
кель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину
цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глу-
бину закаленного слоя, препятствует росту зерна и обра-
зованию грубой цементитной сетки. Никель положитель-
но влияет и на свойства стали в сердцевине изделия.
Ввиду дефицитности никеля эти стали стремятся заме-
нить другими легированными сталями. К таким сталям
относятся хромомарганцевые стали с небольшим количе-
ством титана (0,006—0,12%): 18ХГТ, ЗОХГТ. В цемен-
туемые стали титан вводят только для измельчения зер-
на. При большем его содержании он уменьшает глубину
цементованного закаленного слоя и прокаливаемость.
Наиболее высоколегированные цементуемые стали
(12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления
деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее
'высокопрочными из всех цементуемых сталей.
В последние годы с целью повышения прочности для
цементуемых деталей применяют стали, легированные
бором (0,002—0,005%): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь
20ХГНР в целях экономии никеля применяют вместо ста-
ли 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать, что бор, уве-
личивая прокаливаемость, способствует росту зерна при
нагреве. Для уменьшения чувствительности сталей к пе-
регреву их дополнительно легируют Ti или Zr.
Обычно изделия, изготовленные из высоколегирован-
ных цементуемых сталей, подвергают цементации на не-
большую глубину. Марки цементуемых сталей приведе-
ны в приложении табл. 6.
292
УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ
Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродис-
тые конструкционные стали (0,3—0,5% С), подвергае-
мые закалке и последующему высокотемпературному от-
пуску. После такой термической обработки стали при-
обретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую
ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали
(стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокалива-
емостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с
увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких
деталей после термической обработки получают ов=
= 604-70 кгс/мм2 и пн=44-5 кгс-м/см2. Если от деталей
требуется более высокая поверхностная твердость (шпин-
дели, валы, оси и т. д.), то после закалки их подвергают
отпуску на твердость HRC 40—50. Для получения высо-
кой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ
(шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т. д.).
Для повышения механических свойств сталей при
изготовлении деталей сечением более 25—30 мм в со-
став сталей добавляют легирующие элементы. Легиро-
ванные стали обладают большей прокаливаемостью,
более мелким зерном, их критическая скорость закалки
меньше, следовательно, меньше закалочные напряже-
ния, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их ос-
новное преимущество перед углеродистыми конструк-
ционными сталями — лучший . комплекс механических
свойств: выше прочность при сохранении достаточной
вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости
и т.п.
Большинство легированных конструкционных сталей
относятся к перлитному классу.
При создании марок легированных сталей всегда
учитывают стоимость легирующего элемента и его де-
фицитность.
Основным легирующим элементом в конструкцион-
ных сталях является хром, содержание которого обыч-
но составляет 0,8—1,1%; марганца в сталях до 1,5%;
кремния 0,9—1,2%; молибдена 0,15—0,45%; никеля 1—
4,5%. Общая сумма легирующих элементов не превы-
шает 3—5%.
Все перечисленные элементы, кроме никеля, увели-
чивая прочность стали, понижают ее пластичность и
вязкость. Никель является исключением — он оказыва-
2C,'t
бд,кгс/ммг
120
1001-
80-
20 00 60 80 100 120
а, мн
Рис. 137. Диаграмма для выбо-
ра марок конструкционной ста-
ли в зависимости от заданной
прочности и размеров сечения а
детали (С. М. Баранов):
1 — ЗОХНЗМ; 2 — ЗОХНЗ; 3 —
34ХМА; 4 - ЗЗХСА; 5 — ЗОНЗ;
6 — 35ХА; 7 — 35СГ; 8 — сталь 30
ет особенно положительное влияние на свойства стали,
увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и
вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладно-
ломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особен-
но ценны как конструкционный материал.
Кроме названных элементов, в конструкционные
стали для деталей машин вводят около 0,1% V, Ti, Nb,
Zr для измельчения зерна.
Введение 0,002—0,003% В уве-
личивает прокаливаемость *.
Состав и свойства легирован-
ных конструкционных сталей
приведены в приложении
табл. 5.
Улучшаемые стали можно
условно разделить на несколь-
ко групп. Широко применяют
стали, легированные хромом,
особенно стали марок 40Х.45Х.
Для увеличения прокаливае-
мое™ в них иногда добавляют
бор (сталь 40ХР). Увеличение
прокаливаемое™ (в сечении до
добавлением в хромистые стали
40 мм) достигается и
около 1 % Мп: ЗОХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения
склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости
II рода вводят 0,15—0,25% Мо.
Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, ЗОХГС,
называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием
и марганцем, т. е. не содержат дефицитных легирующих
элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемо-
стью и прочностью, например сталь ЗОХГС после тер-
мической обработки имеет ов = 165 кгс/мм2 при пн=
=4 кгс-м/см2. Недостаток этих сталей — склонность к
отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию
поверхности при нагреве.
Чем больше размер детали, сложнее ее конфигура-
ция, выше напряжения, возникающие в ней в процессе
работы, тем с большим количеством никеля применяют
сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ,
38ХНЗМФ и т. д.
1 Влияние легирующих элементов на свойства фаз подробно рас-
смотрено в гл. 5 (см. с. 218).
294
Молибден и вольфрам вводят в состав сталей также
для уменьшения склонности к отпускной хрупкости. На
рис. 137 приведена диаграмма, позволяющая выбрать
нужную марку стали, в зависимости от заданных проч-
ности и размеров сечения.
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ
С каждым годом растет потребность в материалах,
обладающих высокой прочностью и вместе с этим не-
обходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных
конструкционных сталях предел прочности оБ, как пра-
вило, получают не более ПО—120 кгс/мм2, так как при
большей прочности сталь практически становится хруп-
кой.
Стали, в которых подбором химического состава и
оптимальной термической обработки получают ов=
= 180—200 кгс/мм2, называют высокопрочными.
Высокопрочное состояние может быть получено не-
сколькими способами. Один из таких способов — леги-
рование среднеуглеродистых сталей (0,4—0,5% С) хро-
мом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием.
Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы
при нагреве до 200—300° С. При этом получают мелкое
зерно, что в свою очередь понижает порог хладнолом-
кости, увеличивает сопротивление хрупкому разруше-
нию. Например, сталь, содержащая 0,4% С; 5% Сг;
1 °/о Мо и 0,5% V, после закалки в масле и низкого от-
пуска при 200°С имеет ов=200 кгс/мм2 при 6 = 10%,
ф=40% и ан=3 кгс-м/см2.
Стали ЗОХГСНА, 40ХГСНЗВА, ЗОХ2ГСНЗВМ и т.п.
после термической обработки на структуру нижнего
бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермичес-
кая закалка) приобретают высокую прочность — та-
кая обработка сообщает сталям меньшую чувствитель-
ность к надрезам. Прочность <7в«160—185 кгс/мм2 при
6» 15—12% и ан~4—2 кгс-м/см2.
Высокая прочность легированных конструкционных
сталей может быть получена и за счет применения тер-
момеханической обработки (ТМО). Так, стали ЗОХГСА,
40ХН, 40ХНМА, 38XH3MA после НТМО имеют предел
прочности до 280 кгс/мм2, относительное удлинение и
ударная вязкость увеличиваются в 1,5—2 раза по срав-
нению с обычной термической обработкой. Объясняет-
295
ся это тем, что частичное выделение углерода из аусте-
нита при деформации облегчает подвижность дислока-
ций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует
повышению пластичности (охрупчивание при закалке
сталей объясняется именно малой подвижностью дис-
локаций в мартенсите при значительном содержании в
нем углерода).
Мартенситностареющие стали1. Эти стали сочетают
высокие прочностные свойства с хорошей пластично-
стью и вязкостью. Достигается это легированием и
специальной термической обработкой. Их достоинст-
ва— высокая технологическая пластичность при обра-
ботке давлением в широком интервале температур; от-
сутствие трещинообразования при охлаждении с лю-
быми скоростями после обработки давлением; хорошая
свариваемость. Недостатком этих сталей является их
склонность к ликвации.
Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы
замещения. Поэтому при закалке мартенситное превращение про-
текает по второму механизму (см. гл. 6, с. 243), т. е. образуется
реечный (массивный) мартенсит, для которого характерна высокая
плотность дислокаций (до 10й—1012см). Для их закрепления требу-
ется более 0,2% С, а в этих сталях его содержание ^0,03%. Кроме
того, никель и кобальт уменьшают степень закрепления дислокаций
атомами углерода и азота, понижают сопротивление решетки мар-
тенсита скольжению дислокаций, поэтому дислокации в этих сталях
после закалки обладают высокой подвижностью, сталь очень
пластична. После закалки ов~90—ПО кгс/мм2, а 14—20%,
т|5 »70—80% и ан~20—30 кгс-м/см2.
Изделия из этих сталей получают пластической деформацией
после закалки заготовок. Дислокационная структура, полученная
после закалки, очень устойчива, сохраняется при нагреве до 500° С.
Упрочнение стали происходит в процессе отпуска — старения,
который проводят при 480—500° С, за счет перераспределения леги-
рующих элементов. Это приводит к образованию зон концентраци-
онной неоднородности и выделению интерметаллидных фаз NiTi,
Nis(Ti, Al), FeMoa в высокодисперсном состоянии. Наибольшее
упрочнение наблюдается, когда интерметаллидные фазы находятся
на стадии предвыделения, т. е. когда они еще когерентно связаны
О
с твердым раствором и их размер не превышает 20—50 А.
Известно, что в твердом состоянии зарождение новой фазы
предпочтительно происходит на дефектах решетки, в частности на
дислокациях. Дисперсные частицы, выделяясь на дислокациях, за-
крепляют их. Дислокации теряют подвижность, прочность увеличи-
вается. Чем мельче частицы интерметаллидов, тем больше упрочне-
ние стали. Отсюда такой узкий интервал нагрева при старении.
Установлено, что чем выше содержание никеля, тем значитель-
нее упрочнение стали при одинаковом содержании алюминия и ти-
1 В американской литературе эти стали называют марэджинг.
296
тана. Наилучшее сочетание свойств получается при введении в сталь
20—25 Ni. После термической обработки мартенситностареющих
сталей получают ов»240—280 кгс/мм2 при 6» 12%, фж40% и
Сн~ 10 кгс-м/см2 (см. табл. 8).
Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицит-
ность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких
сталей. Поэтому появились марки так называемых «экономнолегиро-
ванных» мартенситностареющих сталей: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ,
Н12М2Д2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др.
ТАБЛИЦА 8
СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ
Сталь Содержание леги- рующих элементов, % Механические свойства
Ni Со Мо Ti °В- кгс/мм2 4>, % СИ’ кгс-м/см2 ср» кгс-м/см®
Н18К9М5Т 18 9 5 0,9 210 50 5' 2
Н18К8МЗ 18 8 3 0,2 140 65 8 2,6
Н12К15М10 12 15 10 — 250 30 3 —
Н18К12М5Т 18 12 5 1,5 240 30 2 0,5
Н18Х11М2Т* 10 — 2 0,9 160 50 5 2,5
Примечание. Во всех сталях содержится: <10,03% С; 0,01% S; 0,01% Р;
0,05—0,20% А1.
* Содержит 11% Сг.
Мартенситностареющие стали относятся к высоко-
легированным сталям. Основным легирующим элемен-
том является никель (10—26%). Кроме того, различа-
ясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7—
9% Со; 4,5—5% Мо; 5— 11 % Сг; 0,1— 0.35А1; -0,15—
1,6% Ti; иногда —0,3—0,5% Nb; ^0,2% Si, Мп;
^0,01 % S, Р каждого. Титан и алюминий вводят для
образования интерметаллидов.
В мартенситностареющих сталях стремятся полу-
чить минимальное количество углерода (^0,03%), так
как углерод, образуя с легирующими элементами кар-
биды, способствует охрупчиванию сталей. Кроме того,
при этом понижается содержание легирующих элемен-
тов в твердом растворе. Термическая обработка таких
сталей заключается в закалке с 800—860° С, охлажде-
нии на воздухе и затем отпуске — старении.
Мартенситностареющие стали используют для изго-
товления шасси самолетов, оболочек космических лета-
тельных аппаратов, прецизионных хирургических ин-
297
струментов и штампов и т. д. Используют эти стали и
для криогенной техники, так как и при отрицательных
температурах они обладают высокой прочностью в со-
четании с достаточной пластичностью.
ПРУЖИННО-РЕССОРНЫЕ СТАЛИ
Основное требование к материалам, используемым
для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков
и т. д., — сохранение в течение длительного времени уп-
ругих свойств. Пружинные стали
350 450
Температура отпуска, °C
Рис. 138. Схема изменения
прочности пружинных ста*
лей в зависимости от темпе-
ратуры отпуска
должны иметь высокий предел
упругости (Суп), высокое сопро-
тивление разрушению (Sk) и
усталости при пониженной плас-
тичности.
Термически упрочняемые пру-
жинно-рессорные стали обычно
содержат 0,5—0,7% С. Для менее
ответственных пружин и пружин
с мелким сечением витков приме-
няют углеродистые стали по
ГОСТ 1050—74. Для пружин бо-
лее ответственного назначения и
при большем сечении витков при-
меняют легированные пружин-
ные стали (ГОСТ 14959—69);
химический состав некоторых пружинных сталей дан в
приложении табл. 7.
Чаще всего пружинные стали легируют кремнием.
Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя
феррит, кремний создает высокое значение предела уп-
ругости. Кремнемарганцовистые и хромомарганцови-
стые стали (55СГ, 50ХГ и др.) имеют хорошую прокали-
ваемость и их применяют для изготовления пружин йз
прутков диаметром до 25 мм. Для крупных наиболее
ответственных пружин применяют стали 65С2ВА,
60С2ХФА.
Режим термической обработки назначают в зависи-
мости от состава стали и условий работы пружин. Наи-
более высокая упругая прочность достигается в резуль-
тате среднего отпуска на троостит. При этом отношение
Оуп/Ов становится близким к единице (рис. 138).
Для повышения выносливости пружин и рессор ши-
роко применяют дробеструйную обработку.
298
ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ
Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ро-
лики) в процессе работы испытывают высокие удель-
ные переменные нагрузки. Поэтому стали, используе-
мые для их изготовления, должны иметь высокую проч-
ность, износостойкость и высокий предел выносливости.
Кроме того, к шарикоподшипниковым сталям предъяв-
ляют высокие требования по содержанию неметалличе-
ТАБЛИ ЦА 9
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) ШАРИКОПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ
(ГОСТ 801—60)
Сталь С Ст Мп Si
ШХ6 1,05—1,15 0,4—0,7 0,20—0,40 0,17—0,37
ШХ9 1,05—1,10 0,9—1,2 0,20—0,40 0,17—0,37
ШХ15 0,95—1,05 1,3—1,65 0,20—0,40 0,17—0,37
ШХ15СГ 0,95—1,05 1,3—1,65 0,90—1,20 0,40—0,65
Примечание. Во всех сталях содержится =СО,О2% S; ^0,027% Р.
ских включений (сульфидных, оксидных), макро- и
микрополостей, ликвации, размеру и расположению
карбидных включений. Это обусловлено характером
работы шарикоподшипников. Указанные дефекты явля-
ются концентраторами напряжений, особенно если они
находятся в поверхностных слоях деталей. Кроме того,
при работе подшипников возможно выкрашивание не-
металлических включений, что резко снижает долговеч-
ность подшипника.
Для изготовления шариковых и роликовых под-
шипников применяют высокоуглеродистую сталь, леги-
рованную хромом (табл. 9).
Маркировку ШХ следует расшифровывать как ша-
рикоподшипниковую хромистую. Цифра показывает
среднее содержание хрома в десятых долях процента.
Шарики и ролики небольших диаметров изготавли-
вают из стали ШХ9. Из стали ШХ15 изготавливают ша-
рики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром
15—30 мм, а также кольца всех размеров; ролики диа-
метром более 30 мм и кольца с толщиной стенки более
15 мм — из стали ШХ15СГ,
299
Для изготовления деталей крупногабаритных под-
шипников, работающих при больших ударных нагруз-
ках (например, подшипников прокатных станов), при-
меняют цементуемую сталь марки 20Х2Н4А. При этом
проводят глубокую цементацию, получая цементован-
ный слой глубиной 5—10 мм.
ИЗНОСОСТОЙКИЕ СТАЛИ
Износ деталей машин и аппаратов является слож-
ным процессом. Типовыми случаями являются обычное
трение скольжения и абразивный износ. В первом слу-
чае металл наклепывается с поверхности, поэтому из-
носостойкость существенно зависит от способности ме-
талла наклепываться. Во втором случае, когда частицы
металла вырываются с поверхности, износостойкость
определяется твердостью и сопротивлением отрыву.
Как было отмечено в гл. 8, износостойкость может быть
повышена химико-термической обработкой.
Графитизированные стали. Графитизированные ста-
ли (ЭИ293, ЭИ336, ЭИ366) содержат повышенное ко-
личество углерода (до 1,75%) и кремния (до 1,6%).
Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть
углерода в этих сталях после графитизирующего отжи-
га (напоминающего отжиг для получения ковкого чу-
гуна) выделяется в виде графита. После термической
обработки структура стали состоит из зернистого пер-
лита с некоторым количеством мелких округлых вклю-
чений графита. При неабразивном износе графит игра-
ет роль смазки, предотвращая сухое трение и схваты-
вание. Кроме того, эти стали обладают антивибрацион-
ными свойствами.
Графитизированную сталь применяют для изготов-
ления штампов, матриц, коленчатых валов, шаров, ло-
пастей дробеструйных аппаратов и т. д.
Высокомарганцовистые стали. Высокомарганцови-
стые стали, содержащие около 1% С и 12—13% Мп*,
обозначают так: сталь Г13 (1,2% С; 13% Мп;
;С0,5% Si) и сталь Г13Л (1,2% С; 12% Мп и ~ 1 % Si).
Буква Л означает, что сталь литая. Такая сталь имеет
структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe,
Мп)3С. Выделяясь по границам, карбиды снижают вяз-
Легированная сталь, полученная Гадфильдом в 1882 г. (Г13).
300
кость и прочность стали. Поэтому обычно изделия под-
вергают закалке с 1050—1100°С в воде, получая струк-
туру однородного марганцовистого аустенита (ов=804-
4-100 кгс/мм2; 6=404-50%; НВ 2004-250). Характер-
ной особенностью марганцовистого аустенита является
его повышенная склонность к наклепу. При деформа-
ции на 60—70% твердость стали Г13 увеличивается до
НВ500 (рис. 139), что объяс-
няется большими искажения-
ми кристаллической решетки,
дроблением блоков мозаики и
даже образованием структуры
мартенсита в поверхностных
слоях.
Сталь Гадфильда широко
используют для изготовления
Деталей, испытывающих в
процессе эксплуатации удар-
ные нагрузки и износ одновре-
менно. Вследствие большой
вязкости аустенита эта сталь
плохо обрабатывается режу-
Рис. 139. Влияние степени де-
формации на твердость стали
Г13 (1) и углеродистой стали
40 (2)
щим инструментом, изделия из
нее изготавливаются литьем.
Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных
и трамвайных путей, зубья ковшей землечерпательных
машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок и т. д.
СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
Так как детали строительных конструкций соединя-
ют сваркой, то основным требованием к строительным
сталям является хорошая свариваемость. Поэтому стро-
ительные стали содержат углерода до 0,25%. При бо-
лее высоком содержании углерода в зонах, нагретых
при сварке до температур выше критических, возможно
образование структуры мартенсита. В- этом случае на-
блюдается объемный эффект, что способствует образо-
ванию холодных трещин в зонах около сварных швов.
Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллиза-
ции металла шва, способствует образованию горячих
трещин в металле шва.
В качестве строительных сталей используют глав-
ным образом углеродистые стали обыкновенного каче-
301
ства марок СтЗ, Ст4, имеющие предел текучести
20—27 кгс/мм2.
Прочность строительных сталей повышается в ре-
зультате легирования. Поскольку строительную сталь
используют в больших количествах, то целесообразно
вводить в ее состав дешевые легирующие элементы.
Такими элементами являются марганец и кремний.
Низколегированная строительная сталь содержит до
1,75% Мп и до 0,7% Si. Предел текучести увеличивает-
ся до 36—38 кгс/мм2.
Состав и механические свойства некоторых таких
сталей приведены в приложении, табл. 8.
Низколегированные строительные стали, кроме
улучшения механических свойств, имеют еще одно пре-
имущество— пониженную критическую температуру пе-
рехода в хрупкое состояние. Эти стали могут,, работать
до —40° С, а стали 10ХСНД и 15ХСНД, легированные
дополнительно никелем и медью, и до —60° С.
АВТОМАТНЫЕ СТАЛИ
Для изготовления неответственных деталей, произ-
водимых в большом количестве на станках-автоматах
(болты, гайки, винты, втулки и т. д.), используют так
называемые автоматные стали (ГОСТ 1414—75). В та-
ких сталях допускается повышенное содержание серы
и фосфора, поэтому они обладают меньшей вязкостью,
благодаря чему стружка образуется короткая и лом-
кая, а поверхность обработанных деталей получает-
ся чистой и ровной. При изготовлении деталей из
автоматных сталей возможны большие скорости ре-
зания.
ТАБЛИЦА 10
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) АВТОМАТНЫХ СТАЛЕЙ
Марка стали с Мп S р
А12 0,08—0,16 0,60—0,90 0,08—0,20 0,08—0,15
А20 0,15—0,25 0,60—0,90 0,08—0,15 <0,06
АЗО 0,25—0,35 0,70—1,00' 0,08—0,15 <0,06
А40Г 0,35—0,45 1,2—1,55 0,18-0,30 <0,05
Примечание. Во всех сталях содержится 0,15—0,35% S1.
302
Добавки свинца (~0,25°/о) улучшают обрабатывае-
мость резанйем (АС11, АС40). Автоматные стали мар-
кируют буквой А (автоматная): затем следуют цифры,
указывающие среднее содержание углерода в сотых до-
лях процента (табл. 10).
Автоматные стали подвергают диффузионному от-
жигу при температуре 1100—1150° С для устранения
ликвации серы, тем самым устраняется возможность
красноломкости. Для повышения прочности автоматные
стали иногда нагартовывают холодной протяжкой.
В последнее время автоматные стали, кроме свинца,
легируют и другими элементами: марганцем, хромом,
никелем (А40Г, АС20ХГНМ и др.).
ЧУГУНЫ
Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, со-
держащие более 2% С. Наиболее значительную часть
выплавляемого чугуна перерабатывают в сталь, однако
не менее 20% его используют для изготовления литых
деталей машин и других изделий. В практике машино-
строения в большинстве случаев используют чугун с со-
держанием 2,5—4% С. В промышленном чугуне, кроме
углерода, обязательно содержатся кремний, марганец,
сера и фосфор (в большем количестве, чем в стали).
Чугун отличается высокими литейными свойствами,
изделия из него изготавливают различными методами
литья. Из-за низкой пластичности чугун не подвергает-
ся обработке давлением. В зависимости от формы вы-
деления углерода чугун подразделяют на белый, поло-
винчатый и серый.
Белым называют такой чугун, в котором при нор-
мальной температуре весь углерод находится в связан-
ном состоянии, в основном в форме цементита. Такой
чугун в изломе имеет белый цвет и металлический
блеск.
Серым называют такой чугун, в котором весь угле-
род или большая его часть находятся в виде графита,
а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода
содержится не более 0,8%. Ввиду большого количества
графита, входящего в состав такого чугуна, его излом
имеет серый цвет.
В половинчатом чугуне часть углерода находится в
форме графита, но при этом не менее 2% С присутству-
ет в форме цементита.
303
В ряде случаев находят применение детали, изготов-
ленные из чугуна с отбеленной поверхностью. Основная
масса металла в таких деталях имеет структуру серого
чугуна и только в поверхностном слое почти весь угле-
род находится в форме цементита. Типичным примером
являются прокатные валки для холодной прокатки ли-
Рис. 140. Структурная диаграмма
для чугуна, показывающая, какая
должна получаться структура в от-
ливке (с толщиной стенки 50 мм)
в зависимости от содержания в чу-
гуне кремния н углерода:
1 — белые чугуны; 2 — серые пер-
литные чугуны; 3 — серые феррит-
ные чугуны
Рис. 141. Структурная диаграмма
для чугуна, показывающая, какая
должна получаться структура в
отливке в зависимости от суммы
содержания углерода и кремния, а
также толщины отливки:
/ — белые чугуны; 2 — серые пер-
литные чугуны; 3 — серые феррит-
ные чугуны
стов. Наличие большого количества цементита придает
валкам высокую поверхностную твердость и высокое
сопротивление износу, что способствует получению лис-
тов с чистой поверхностью.
Структура чугунов существенно зависит от их хими-
ческого состава и скорости охлаждения.
Химический состав. Кремний способствует графи-
тизации чугуна. Кремний растворяется в Fea, образуя
раствор замещения. Содержание кремния в чугунах
колеблется от 0,5 до 4,5%. На рис. 140 приведена диа-
грамма, которая дает возможность определить заранее
будущую структуру отливки по содержанию углерода
и кремния.
Марганец препятствует графитизации, способст-
вует получению в структуре чугуна цементита. Содер-
жание марганца в чугунах — от 0,4 до 1,3%.
С е р а в чугунах является нежелательным элемен-
том. Она снижает жидкотекучесть, способствует отбели-
ванию чугуна, как и марганец. Содержание серы допу-
скается не более 0,08—0,12%.
304
Фосфор в чугунах — полезная примесь, так как
улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтек-
тики увеличивают твердость и износостойкость чу-
гуна. Содержание фосфора в чугунах колеблется от 0,3
до 0,8%.
Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (ни-
кель, хром, алюминий, молибден и т. д.), тем самым
улучшая их свойства.
Скорость охлаждения. Кроме регулирования содер-
жания углерода и кремния, необходимо также учиты-
вать скорость охлаждения отливок. Известно, что бы-
строе охлаждение способствует получению белого
чугуна, замедленное — серого чугуна. На рис. 141 при-
ведена диаграмма, пользуясь которой можно получить в
отливке нужную структуру, регулируя химический со-
став и скорость охлаждения.
СЕРЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ ЧУГУНЫ
В серых литейных чугунах обычно содержится до
3,8% С. В форме цементита находится не более 0,8% С,
остальной углерод содержится в графитовых чешуйках,
размер и форма которых зависят от состава чугуна и
технологии отливки. Металлической основой серого чу-
гуна является доэвтектоидная или эвтектоидная сталь,
т.е. Ф, Ф-|-П и П (рис. 142,а, б). Структура металли-
ческой основы практически не влияет на пластичность
серого чугуна (она во всех случаях остается чрезвычай-
но низкой), но оказывает влияние на его твердость.
Графит имеет низкую механическую прочность. Ме-
ста его залегания можно рассматривать как внутренние
надрезы, нарушения сплошности. Удельный объем гра-
фита примерно в 3,5 раза больше удельного объема же-
леза, поэтому при содержании в чугуне 3% графита он
занимает примерно 10% объема.
Механическая прочность серого чугуна в основном
определяется количеством, формой и размерами вклю-
чений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки
графита меньше снижают прочность.
Такая форма достигается путем модифицирования.
Для серых чугунов в качестве модификаторов исполь-
зуют силикокальций, алюминий и ферросилиций. Моди-
фикаторы вводят в таком небольшом количестве, что
они заметно не изменяют химического состава, но ока-
20—481
305
зывают сильное влияние на процесс графитизации.
Кроме того, они играют роль зародышевых центров вы-
деления графита.
Серый чугун широко применяют в машиностроении.
Это металл дешевый, недефицитный, с хорошей жидко-
текучестью, малой усадкой. Он легко обрабатывается
режущим инструментом, обладает хорошими антифрик-
ционными и демпфирующими свойствами (графит вы-
Рнс. 142. Структура серых чугунов с феррито-перлитной (а) и перлитной (б)
металлической основой. Х200
полняет роль смазки). По ГОСТ 1412-70 серые чугуны
маркируются буквами СЧ и далее следуют числа пре-
дела прочности при растяжении и предела прочности
при изгибе. Например, СЧ 12-28, СЧ 24-44, СЧ 32-52,
СЧ 44-64 (см. приложение, табл. 1).
Чугуны до СЧ 18-36 используют для неответствен-
ных деталей: корпуса редукторов, подшипников, насо-
сов, фундаментные плиты, строительные колонны и т. п.
Чугуны начиная с СЧ 21-40 используют для изготовле-
ния станин мощных станков, деталей металлургическо-
го оборудования, зубчатых колес и т. д.
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЧУГУНЫ
В высокопрочных чугунах содержание углерода
около 3—3,6%. Если использовать в качестве модифи-
катора магний (до 0,5% от массы отливки), который
вводят перед разливкой в жидкий чугун, то выделяю-
306
щийся графит приобретает шаровидную форму (рис.
143,п, б). Механические свойства чугуна в результате
этого улучшаются: сильно повышается его пластич-
ность и заметно увеличивается прочность.
Рис. 143. Высокопрочный чугун на ферритной (а) и феррито-перлитной (б)
основе; ковкий чугун на ферритной (в) н перлитной (г) основе. Х200
Большая доля магния в газообразном состоянии
удаляется из жидкого металла и лишь небольшая часть
(около 0,05%) усваивается чугуном.
Чугун с шаровидной формой включений графита на-
зывают высокопрочным чугуном и маркируют буквами
ВЧ. Далее следуют числа — предел прочности при рас-
тяжении и относительное удлинение, например, ВЧ
38-17, ВЧ 60-2, ВЧ 120-4 (ГОСТ 7293—70, см. приложе-
ние, табл. 2).
20*
307
Металлическая основа высокопрочного чугуна так-
же может быть различной: феррит, феррит с перлитом
и перлит (см. рис. 143,а, б).
Основной причиной высоких механических свойств магниевого
чугуна является шаровидная форма графита. В сером чугуне пла-
стинчатые выделения представляют собой внутренние «надрезы» с
очень острыми краями. При нагружении материала у оснований этих
надрезов возникает сильная концентрация напряжений, которые мо-
гут вызвать развитие острых трещин, являющихся продолжением
графитовых включений. Полости шарообразной формы не создают
такой неравномерности в распределении напряжений.
Благодаря хорошим механическим свойствам из вы-
сокопрочного чугуна изготавливают ответственные де-
тали, например коленчатые валы, зубчатые колеса, кор-
пуса автомобильных моторов, крупные прокатные вал-
ки, корпуса паровых турбин и т. д.
КОВКИЕ ЧУГУНЫ
Термин «ковкий чугун» является условным, посколь-
ку изделия из него, так же как и из любого другого чу-
гуна, изготовляют не ковкой, а путем литья. В ковком
чугуне графит находится в форме хлопьев (см. рис
143,в, г). Такая форма графита и является основной
причиной высоких прочностных и пластических харак-
теристик ковкого чугуна. Производство ковкого чугуна,
несмотря на значительную сложность технологии, бы-
ло освоено намного раньше, чем высокопрочного чу-
гуна.
Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно
узких пределах: 2,2—3,0% С; 0,7—1,5% Si; 0,2—
0,6% Мп; <0,2% Р и <0,1 % S.
Невысокое содержание углерода в ковком чугуне
необходимо по двум причинам. Во-первых, для получе-
ния высоких прочностных характеристик следует умень-
шить количество графитовых включений. Во-вторых,
необходимо избегать выделения пластинчатого графи-
та при охлаждении отливок в форме.
Чугун такого состава после заполнения литейных
форм быстро охлаждают и получают белый чугун со
структурой перлит-(-ледебурит.
Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией
при производстве изделий из ковкого чугуна является
отжиг, который продолжается иногда до пяти суток.
Типичный график отжига ковкого чугуна приведен на
308
рис. 144. Изделия для отжига укладывают на под печи
или упаковывают в ящики с песком для предохранения
от окислительного действия печных газов (при этом
продолжительность отжига увеличивается ввиду мень-
шей скорости нагрева).
Отжиг в печи в обычной, а также в нейтральной ат-
мосферах, т. е. при упаковке изделий в коробки с пес-
ком, проводят при нагреве примерно до 950° С, причем
Рнс. 144. График отжига
ковкого чугуна:
(А+РезС) — ледебурит;
А — аустенит; П — пер-
лит; Ф — феррит;
Г — графит
в результате выдержки изделий при данной температу-
ре должен произойти полный распад всего избыточного
цементита, находящегося в равновесии с аустенитом:
Fe3C->3Fe-|-C. Кроме того, распаду цементита в ков-
ком чугуне способствует находящийся в нем кремний.
Процесс графитизации был описан ранее. Для того что-
бы графитизация прошла полностью, необходимо осо-
бенно замедлить охлаждение чугуна в температурной
области от 760 до 720° С, т. е. в районе эвтектоидного
превращения. В процессе этой выдержки происходит
распад аустенита эвтектоидного состава на феррит и
графит. Графит, получающийся в результате данного
превращения, выделяется около тех хлопьев графита,
которые образовались при распаде цементита.
В результате всех превращений структура ковкого
чугуна будет состоять из зерен феррита и равномерно
распределенных в объеме металла хлопьев графита.
Поскольку в таком чугуне находится довольно много
графита, излом получается темным и его называют
черносердечным.
Если в районе эвтектоидного превращения отливки
охлаждать несколько быстрее, то наряду с ферритом в
его структуре будут присутствовать зерна перлита в
309
большем или меньшем количестве. Регулируя скорость
охлаждения, можно получить ковкий чугун, структура
которого будет состоять из перлита+хлопья графита.
Такой чугун называют перлитным ковким чугуном или
светлосердечн ым.
Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и далее сле-
дуют цифры предела прочности и относительного удли-
Рис. 145. Влияние металлической основы и формы включений графита
на свойства чугунов
нения (%), например КЧЗО-6, КЧ63-2 (ГОСТ 1215—59,
см. приложение, табл. 3).
В последние годы появились различные варианты термической
обработки при получении ковкого чугуна, преследующие одну цель—
сокращение продолжительности отжига. Отжиг небольших деталей
проводят в солевых ваннах. В этом случае отливки быстрее и рав-
номернее нагреваются, кроме того, можно увеличить температуру
отжига, поскольку при таком нагреве среда не оказывает химичес-
кого действия на поверхность отливок (обезуглероживания, окисле-
ния). Структуру перлитного ковкого чугуна получают за несколько
часов.
Продолжительность отжига сокращается на 25—30% и в том
случае, если произвести модифицирование чугуна добавлением в
ковш ~ 0,015% А1. В результате получается мелкозернистый аусте-
нит, имеющий большую межзерновую поверхность, на которой за-
310
рождаются и растут частицы графита. Одновременно с модифици-
рованием осуществляют иногда и искусственное старение, заклю-
чающееся в предварительном нагреве отливок до 350—450° С с вы-
держкой до 6—7 ч. Такая обработка также способствует увеличению
числа центров кристаллизации.
А. Д. Ассоновым был предложен метод предварительной закал-
ки отливок с 850—950° С. В результате закалки также увеличивает-
ся число центров выделения графита, что способствует ускорению
превращения белого чугуна в ковкий. Продолжительность отжига
отливок в этом случае сокращается до 20—25 ч, графит выделяет-
ся в виде мелких чешуек.
На рис. 145 приведена схема, показывающая влия-
ние металлической основы и формы выделений графита
на свойства различных видов чугунов.
Глава 10
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
И СПЛАВЫ
По характеру работы инструменты можно разде-
лить на несколько групп: 1) измерительный; 2) режу-
щий; 3) штампы.
Условия работы инструментов различных групп раз-
личаются существенно, поэтому и изготавливают их из
различных сталей с нужными свойствами.
СТАЛИ ДЛЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
Выбор инструментальной стали производят в зави-
симости от свойств обрабатываемого материала, усло-
вий резания, требований к точности размеров и каче-
ству обрабатываемой поверхности, экономических сооб-
ражений и т. д.
Инструментальная сталь должна обладать высокой
твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохра-
нение режущей кромки инструмента, достаточной проч-
ностью и вязкостью (для инструментов ударного дей-
ствия).
Режущие кромки инструмента могут нагревать-
ся до 500—900° С. В этих случаях основным свойством
инструментальных материалов является теплостойкость
(красностойкость), т.е. способность сохранять высо-
кую твердость и режущую способность при продолжи-
тельном нагреве.
311
Этот комплекс свойств обеспечивается выбором ста-
ли и оптимальным режимом термической обработки.
При этом важное значение имеет прокаливаемость ста-
ли. В зависимости от сечения инструмента его изготав-
ливают из сталей небольшой, повышенной прокалива-
емости или из' быстрорежущих сталей.
Углеродистые инструментальные стали
Эти стали по ГОСТ 1435—74 содержат 0,65-^-
1,35% С.
Они маркируются У7, У7А ... У13, У13А. Буква У
обозначает что сталь углеродистая, число показывает
содержание углерода в десятых долях процента (при-
ложение табл. 9).
Углеродистые инструментальные стали обладают
высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются
при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны..
Стали У7, У7А, У8, У8А, содержащие 0,7—0,8% С,
применяют для инструментов по дереву и инструментов
ударного действия, когда требуется повышенная вяз-
кость,— пуансонов, кернов, зубил, кузнечных штампов
и т.д.
Стали У9—У13 (У9А—У13А), содержащие 0,9—
1,3% С, обладают более высокой твердостью и износо-
стойкостью. Из этих сталей изготавливают сверла, мет-
чики, развертки, фрезы, плашки и др. Из стали У13,
имеющей максимальную твердость (HRC 62—64) и из-
носоустойчивость, изготавливают напильники, гравер-
ный инструмент и т. п.
Для снижения твердости и создания благоприятной
структуры все стали до изготовления инструмента под-
вергают предварительной термической обработке —от-
жигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита
ухудшает качество и срок службы инструмента, заэв-
тектоидные стали подвергают сфероидизирующему от-
жигу, нагревая стали У9 и У10 до 740—750° С, а УН и
У12 до 750—780° С. В результате такого отжига пла-
стины Цц делятся (на этот процесс положительно вли-
яет наличие субграниц и скоплений дислокаций). Регу-
лируя скорость охлаждения можно получать глобули
Цп различного размера.
Окончательная термическая обработка — закалка
и отпуск.
312
Температура закалки доэвтектоидных сталей Ас3Д-'
[+30°С, заэвтектоидных сталей Ati4~(40-4-50°С).
Структура закаленной стали — мелкоигольчатый
мартенсит или мелкоигольчатый мартенсит с мелкими
карбидами. Температуру отпуска выбирают в зависи-
мости от твердости, необходимой для данного вида ин-
струмента.
Для инструментов ударного действия (У7, У8), ког-
да требуется повышенная вязкость, применяют отпуск
при температурах 280—300° С (HRC 56—58). Для на-
пильников, метчиков, плашек и т.п. (стали У10—У13)
производят низкотемпературный отпуск при 150—200° С,
что обеспечивает инструменту максимальную твердость
(HRC^ 62—64).
Основные недостатки углеродистых сталей — их не-
большая прокаливаемость, примерно до 5—10 мм, и
низкая теплостойкость. При нагреве выше 200° С их
твердость резко снижается. Инструменты из этих ста-
лей могут работать лишь при небольших скоростях ре-
зания.
Легированные инструментальные стали
Эти стали по ГОСТ 5950—73 обычно содержат 0,9—
1,4% С. Суммарное содержание легирующих элементов
(Сг, W, Мп, Si, V и др.) не превышает 5%. Состав и
свойства наиболее распространенных сталей указаны в
приложении, табл. 10.
Легирующие элементы, увеличивая устойчивость
аустенита, уменьшают критическую скорость закалки и
увеличивают прокаливаемость (инструменты из сталей
повышенной прокаливаемости, как правило, прокалива-
ются насквозь). Инструменты закаливают в масле, что
уменьшает возможность коробления и образования за-
калочных трещин.
Термическая обработка таких инструментов заклю-
чается в закалке с 800—860° С в масло или ступенчатой
закалке (температура закалки определяется составом).
Отпуск проводят низкотемпературный — при 150—
200° С. Твердость после термической обработки состав-
ляет HRC 61—66. Иногда для увеличения вязкости по-
вышают температуру отпуска до 300° С, но при этом
твердость понижается до HRC 55—60.
Малолегированные стали, содержащие .1—1,5% ле-
гирующих элементов (ХО5, 7ХФ, 8ХФ), относятся к
сталям небольшой прокаливаемости.
813
Применяемые для режущего инструмента стали
9ХС, ХВСГ, ХВГ и др. по сравнению с углеродистыми
сталями имеют более высокую прокаливаемость, повы-
шенную твердость и износоустойчивость.
Повышенное содержание кремния (9ХС, ХВСГ)
способствует увеличению прокаливаемости (критичес-
кий диаметр для стали 9ХС равен 40 мм, а для Стали
ХВСГ 100 мм при закалке в масле) и устойчивости мар-
тенсита при отпуске.
Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ)
способствует увеличению количества остаточного аусте-
нита, что уменьшает деформацию инструмента при его
закалке. Поэтому эти стали часто применяют для изго-
товления инструмента, имеющего большую длину при
относительно небольшом диаметре, например протяжек.
Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и
твердость после закалки.
Из сталей этой группы изготавливают различные
инструменты — от ударного до режущего. Теплостой-
кость инструментов, как правило, не превышает 300° С,
поэтому эти стали не используют для обработки с боль-
шими скоростями резания.
Так называемая «алмазная» сталь ХВ5 (б% W) бла-
годаря присутствию вольфрама в термически обрабо-
танном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную
карбидную фазу и твердость HRC 65—67. Из этой ста-
ли изготавливают инструмент, сохраняющий длитель-
ное время острые кромки и высокую размерную точ-
ность (развертки, фасонные резцы, граверный инстру-
мент и т.п.).
К сталям повышенной прокаливаемости относятся и стали с кар-
бидным упрочнением, например 6Х6ВЗМФС и 8Х4В2С2МФ. После
термической обработки (закалка с 1050—1080° С, отпуск — старе-
ние при 520—540° С) инструмент из этих сталей за счет выделения
дисперсных карбидов М23С6 и М?С3 приобретает высокую твердость
HRC 61—63, имея повышенную вязкость и прочность. Кроме того,
он обладает высоким сопротивлением пластической деформации.
В последние годы для инструментов используются также стали
с интерметаллидным упрочнением. Интер мета ллиды (NisTi, NiTi,
FeMoj и др.) оказывают даже более сильное упрочняющее влияние,
чем карбиды. Это объясняется очень высокой дисперсностью обра-
О
зующихся частиц (50—200 А), которые коагулируют при /«650—
675° С. Отсюда — высокая теплостойкость инструмента из таких ста-
лей. Интерметаллидные фазы присутствуют в теплостойких сталях с
повышенным содержанием Со и W (при низком содержании углеро-
да), а также в мартенситностареющих сталях (см. гл. 9), которые
также теперь используются для изготовления инструмента, например
314
сталь Н10Х11М2Т2 (ЭП 853), которая после термической обработки
приобретает твердость HRC 55—58, сохраняющуюся до температур
350—400° С. Мартенситностареющие стали рационально применять
для медицинского инструмента небольшого сечения с очень тон-
кой режущей кромкой. Эти стали, как правило, коррозионностойкн,
а мелкодисперсные выделения упрочняющей фазы исключают раз-
рушение тонкого (<0,05—0,1 мм) лезвия инструмента.
БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ
Быстрорежущие стали получили "такое название за
свои свойства. Вследствие высокой теплостойкости
(550—650°С) инструменты могут работать со скоростя-
ми резания, в три-четыре раза большими, чем инстру-
менты из углеродистых и легированных сталей.
Быстрорежущие стали (ГОСТ 19 265—73) содержат
0,7—1,5% С, до 18% W, являющегося основным легиру-
ющим элементом, до 4,5% Сг, до 5% Мо, до 10% Со.
Наиболее распространенные марки быстрорежущих
сталей приведены в приложении, табл. 10. В обозначе-
нии марок стоит буква Р от слова «рапид» — скорость,
цифры за этой буквой показывают среднее содержание
вольфрама (Р18, Р9 и т. д.).
Высокая теплостойкость быстрорежущей стали объ-
ясняется следующими ее особенностями. При нагреве
углеродистой закаленной стали происходит выделение
из мартенсита дисперсных частиц карбидов (FexC), ко-
торые уже при 300—400° С коагулируют. Твердость по-
нижается. Для сохранения твердости при нагреве (теп-
лостойкости) сталь необходимо легировать такими эле-
ментами, карбиды которых образуются и коагулируют
при более высоких температурах. Такими элементами
являются вольфрам, хром и др.
Добавление ванадия повышает износостойкость ин-
струмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повы-
шает теплостойкость до 650° С и вторичную твердость
до HRC 67—70. Наиболее высокую теплостойкость име-
ют стали Р14Ф4, Р10К5Ф5 и Р8М4К8 (до 640—650°С).
По структуре в равновесном состоянии эти стали от-
носятся к ледебуритному классу. Отливки из быстроре-
жущей стали подвергают ковке, а затем отжигу, нагре-
вая до 860—900° С. После отжига структура быстроре-
жущей стали состоит из сорбита, куда входят очень
мелкие эвтектоидные карбиды, мелких вторичных кар-
бидов, выделившихся при охлаждении из аустенита, и
более крупных обособленных первичных карбидов, вхо-
315
дящих в состав эвтектики. Суммарное количество кар'
бидов достигает 30—35%. После окончательной терми-
ческой обработки быстрорежущая сталь приобретает
теплостойкость. Чем выше температура закалки, тем
большее количество легирующих элементов растворяет-
ся в аустените, а следовательно, тем более легирован-
ным получается мартенсит, который обладает большей
теплостой костью.
При нагреве до 1250—1280° С в аустените стали Р18
содержится около 0,3% С, ~4% Сг, ~1%V и 7—
8% W. Инструмент из стали Р18 подвергают закалке с
1280° С*. Нагрев под закалку до более высоких темпе-
ратур приводит к оплавлению режущих кромок инстру-
мента и появлению карбидной эвтектики. Закалку про-
водят в масле.
Температура закалки из стали Р9 составляет
1240° С, причем в этом случае требуется более точное
соблюдение режима.
Инструмент под закалку нагревают обычно в соля-
ных ваннах, что улучшает равномерность прогрева и
уменьшает возможность обезуглероживания поверхно-
сти. Вследствие малой теплопроводности быстрорежу-
щей стали нагрев осуществляется ступенчато: инстру-
мент вначале подогревают в первой ванне до 500—
600° С, а затем переносят в ванну с температурой 800° С
и после этого в третьей ванне нагревают до 1280° С.
Микроструктура закаленной быстрорежущей стали
состоит из, мартенсита, остаточного аустенита (до 30%)
и большого числа рассеянных зернышек первичных
карбидов. Количество остаточного аустенита и положе-
ние точек Мн и Мк также зависят от температуры за-
калки. Твердость закаленной быстрорежущей стали до-
стигает HRC 60—62.
Остаточный аустенит ухудшает режущие свойства,
поэтому закаленный инструмент обязательно подверга-
ют отпуску. Установлено, что при нагреве до темпера-
тур ниже 560° С никаких существенных изменений не
происходит. Если же нагревать при отпуске до 560° С,
то при последующем охлаждении часть остаточного
аустенита превращается в мартенсит. После трехкрат-
* Обычно в сталях повышение температуры закалки при-
водит к сильному росту зерен аустенита. Имеющиеся в структуре
быстрорежущих сталей первичные карбиды препятствуют росту
зерна.
316
Рис. 146. Схемы режимов термической обработки инструментов из быстроре-
жущей стали без обработки холодом (а) и с обработкой холодом (б)
ного отпуска при 560° С с выдержкой в течение часа
количество остаточного аустенита уменьшается до 2—
3%, твердость увеличивается до HRC 64—65.
В настоящее время при термической обработке бы-
строрежущей стали широко применяют обработку хо-
лодом. Закаленную сталь охлаждают до (—80)4-
4-(—100)°С, т.е. до температур ниже точки Мк этой
317
стали. Затем для снятия внутренних напряжений сталь
подвергают однократно отпуску (560°С, 1 ч). Режимы
термической обработки инструмента из быстрорежущей
стали Р18 приведены на рис. 146, а, б.
Иногда для повышения износостойкости инструмен-
та применяют низкотемпературное цианирование при
520—560° С в течение 10—15 мин. На поверхности об-
разуется слой, насыщенный азотом и углеродом, тол-
щиной 0,03—0,06 мм. Для уменьшения прилипания
стружки и повышения коррозионной стойкости прово-
дят обработку паром (при температуре отпуска). На
поверхности образуется тонкая пленка предотвращаю-
щая прилипание стружки.
Ввиду высокой стоимости и дефицитности вольфра-
ма из быстрорежущей стали изготавливают только ра-
бочую часть инструмента, которую прикрепляют к дер-
жавке из обычной углеродистой инструментальной ста-
ли.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Металлокерамические сплавы значительно превосхо-
дят быстрорежущие и другие инструментальные стали
по твердости (HRC 70—80 см, рис. 147), износостойко-
сти, а также по теплопрочности (900—1000°С), но ус-
Рис. 147. Зависимость твердости
различных инструментальных ма-
териалов от температуры:
1 — углеродистая сталь; 2—быстро-
режущая сталь; 3 — твердый сплав
тупают сталям по проч-
ности на изгиб и являют-
ся хрупкими. Структура
сплавов состоит из час-
тиц очень твердых и ту-
гоплавких карбидов WC,
TiC, ТаС, равномерно
распределенных в мягкой
эвтектике на основе ко-
бальта. С увеличением
содержания кобальта
снижаются твердость и
износостойкость, но по-
вышается прочность
сплавов.
В зависимости от на-
значения и условий ра-
боты инструментов при-
меняют однокарбидные
сплавы системы WC—
318
Со(ВКЗ, ВК6 и др.); двухкарбидные сплавы WC—
TiC—Со (Т30К4, Т15К6 и др.); трехкарбидные
сплавы WC—TiC—ТаС—Со (ТТ7К12 и др.) (см. при-
ложение, табл. 11). В обозначении марок сплавов бук-
ва В означает WC, Т с последующим числом—% TiC;
ТТ с цифрой—%TiC4-TaC; К с цифрами—°/о Со. Со-
держание WC не указывают: % WC—100—% Со—%
TiC—% (TiC+TaC).
По сравнению со сплавами типа ВК двухкарбидные
сплавы имеют повышенную вязкость, трехкарбидные —
повышенную износоустойчивость, вязкость, хорошо со-
противляются вибрациям.
Металлокерамические сплавы получают методами
порошковой металлургии. Карбиды и кобальт разма-
лывают до порошкообразного состояния, составляют
смесь, тщательно перемешивают, прессуют в прессфор-
мах и спекают при 1400—1500° С. Полученные пластин-
ки шлифуют и припаивают к державкам инструментов
или крепят механическим способом.
Материалы особо высокой твердости
Кубический нитрид бора (боразон, эльбор) — новый и перспек-
тивный очень твердый материал (~//К8500—9000). Его использу-
ют для резания и шлифования сталей высокой твердости, например
стали ШХ15 с твердостью HRC 62—63.
Гексанит — твердый сплав на основе нитрида бора, использует-
ся для обработки закаленных и твердых сплавов. Резец, изготовлен-
ный из гексанита, повышает производительность труда почти в де-
сять раз.
Выбор и применение инструментальных сталей и
сплавов для режущего инструмента рассмотрены в гл. 1
раздела VI.
СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
Измерительные инструменты должны сохранять
свою форму и размеры в течение продолжительного
времени. Поэтому их следует изготавливать из сталей,
имеющих высокую твердость и износостойкость (после
соответствующей термической обработки). В этих ста-
лях с течением времени не должны совершаться струк-
турные превращения, вызывающие изменение разме-
ров инструмента. Такие стали должны иметь минималь-
ный коэффициент линейного расширения.
319
С учетом этих требований выбирают соответствую-
щие стали и назначают определенный режим термиче-
ской обработки. Хорошее сопротивление износу обес-
печивается высокой твердостью поверхности (HRC 62—
65).
Малым коэффициентом теплового расширения обла-
дают стали с мартенситной структурой. Для измери-
тельных инструментов чаще всего используют высоко-
углеродистые стали У8—У12, X, Х9, ХГ, Х12Ф1, це-
ментуемые (сталь 15, сталь 20) и азотируемые
(38ХМЮА).
Структура высокоуглеродистых сталей после обыч-
ной термической обработки не является стабильной и
всегда содержит какое-то количество’ остаточного аус-
тенита. Тетрагональность мартенсита со временем
уменьшается. Поэтому после закалки применяют ста-
билизирующий низкотемпературный отпуск — старение
(нагрев до 120—170° С с выдержкой 10—30 ч). Иногда
после закалки инструмент подвергают обработке холо-
дом, а затем отпуску — старению.
ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ
Инструмент, применяемый для обработки металлов
давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и
т. д.), изготавливают из штамповых сталей. Так как ме-
таллы можно подвергать деформации в холодном, а так-
же в горячем состояниях (до 900—1200°С), то различа-
ют стали для штампов холодного деформирования и
стали для штампов горячего деформирования. Химиче-
ский состав, механические свойства и назначение штам-
повых сталей приведены в ГОСТ 5950—73.
Стали для штампов холодного деформирования.
Стали для изготовления инструментов этой группы дол-
жны обладать высокой износостойкостью (высокой по-
верхностной твердостью), прочностью, вязкостью (что-
бы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением
деформации.
Для изготовления штампов небольших размеров
(диаметром до 25 мм) используют углеродистую ин-
струментальную сталь марок У10, УН, У12. После за-
калки и низкого отпуска инструмент из этих сталей бу-
дет обладать нужным комплексом свойств.
320
Широко используют легированные стали марок X,
Х9, ХГ, 9ХС, Х12М, Х6ВФ (фильеры, плашки и др.).
Для повышения износостойкости инструмента после
его термической обработки применяют иногда циани-
рование или хромирование рабочей поверхности. Для
штампов, работающих в условиях износа и давления,
применяют легированные стали глубокой прокаливае-
мое™, например Х12, Х12Ф, ХГЗСВ и т. д.
Если штамповый инструмент испытывает ударные
нагрузки, то для его изготовления используют стали,
обладающие большой вязкостью (стали 4ХС4, 4ХВС,
5ХНМ, 5ХГМ и т. д.). Это достигается уменьшени-
ем содержания углерода, введением легирующих эле-
ментов, увеличивающих прокаливаемость, и соответст-
вующей термической обработкой — закалка с высоким
отпуском (480—580°С). Окончательная твердость HRC
38—45.
Стали для штампов горячего деформирования.
Штампы для горячего деформирования работают в бо-
лее сложных условиях. Поэтому, кроме перечисленных
свойств, стали для таких штампов должны обладать
жаропрочностью, теплостойкостью, термостойкостью *.
Они должны быть также минимально чувствительными
к отпускной хрупкости, так как в процессе эксплуата-
ции может неоднократно происходить нагрев штампов
до высоких температур. Кроме того, эти стали должны
обладать и хорошей теплопроводностью, чтобы тепло
быстро отводилось от рабочей поверхности и т. д.
Если штампы испытывают большие ударные нагруз-
ки (например, ковочные штампы), то для их изготовле-
ния используют стали, содержащие 0,5—0,6% С, леги-
рованные элементами, увеличивающими прокаливае-
мость и вязкость (хром, никель, марганец). Для умень-
шения склонности к отпускной хрупкости II рода вводят
молибден или вольфрам. Это стали 5ХНМ, 5ХНВ,
5ХНТ, 5ХНСВ и т.д.
Закалку осуществляют с 760—820° С, охлаждающая
среда зависит от размеров штампов. Температура от-
пуска составляет 460—580° С, твердость HRC 35—45.
Инструмент для горячей протяжки, высадки и прес-
сования нагревается в работе до более высоких темпе-
1 При циклических нагревах на поверхности штампов могут об-
разовываться так называемые «разгарные» трещины.
21—481 дог
ратур. Для такого инструмента используют стали с по-
вышенным содержанием вольфрама, обладающие тер-
мостойкостью до 650—670° С. Это стали марок ЗХ2В8,
4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ, 6ХВ2С и др.
В настоящее время для изготовления деталей ис-
пользуют также метод литья под давлением. Таким об-
разом делают детали как из металлов, так и из пласт-
масс. Используемые для этой цели прессформы подвер-
гаются износу, коррозии, а также образованию на ра-
бочей поверхности сетки разгарных трещин. В зависи-
мости от условий работы для изготовления прессформ
применяют различные марки сталей.
Для литья металлов с высокими температурами
плавления прессформы изготавливают из сталей ЗХ2В8,
4ХВ2С.
Для литья металлов с низкой температурой плавле-
ния (например, цинк и его сплавы) прессформы дела-
ют из сталей ЗОХГС, 40Х и даже сталей 45 и 50.
Для штампов и форм литья под давлением алюми-
ниевых и магниевых сплавов, особенно для штампов
сложных по конфигурации, небольших по размерам и
работающих с большими ударными нагрузками, при-
меняют мартенситностареющие стали.
Литье и прессование пластмасс связаны с износом и
коррозией. Поскольку в этом случае температуры со-
ставляют порядка 150—200° С, то для изготовления
прессформ можно использовать как легированные, так
и углеродистые улучшаемые или цементуемые стали.
Применяют также и азотируемые стали. Иногда рабо-
чую поверхность подвергают хромированию диффузи-
онной металлизацией. Для коррозионностойкого ин-
струмента используют стали 9X18, Х18МФ, Х14М,
30X13, 40X13 (см. гл. И).
Глава 11
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ (НЕРЖАВЕЮЩИЕ)
СТАЛИ И СПЛАВЫ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОРРОЗИИ
Разрушение металлов и сплавов в результате хими-
ческого или электрохимического воздействия на их по-
верхность внешней агрессивной среды называется кор-
розией.
322
Коррозия, как правило, сопровождается образова-
нием на поверхности металла продуктов коррозионного
разрушения. Так, например, на поверхности сплавов
железа в результате коррозии образуется ржав-
чина, имеющая бурый цвет. В некоторых же от-
дельных случаях коррозия металлов не сопровож-
дается образованием таких заметных продуктов раз-
рушения и тогда ее появление обнаружить довольно
сложно.
Коррозионное разрушение является результатом
взаимодействия металла с внешней средой и интенсив-
ность его развития зависит от свойств самого металла,
а также от природы окружающей среды. Большинство
металлов, будучи стойкими в одних средах, довольно
легко разрушается при взаимодействии с другими сре-
дами. Например, медные сплавы устойчивы во влаж-
ной атмосфере, но сильно подвергаются коррозии, если
в атмосфере присутствует даже незначительное коли-
чество аммиака; тантал и титан при комнатных темпе-
ратурах весьма стойки во многих агрессивных средах,
но приобретают высокую химическую активность при
нагреве их выше 600° С.
Различают несколько видов коррозии: сплошную
или равномерную, когда коррозии подвергается вся по-
верхность изделия; точечную или местную, если корро-
зия развивается на отдельных небольших участках;
межкристаллитную коррозию (МКК), когда коррозия
распространяется в глубь изделия по границам зерен;
коррозия под напряжением — возникновение коррози-
онных трещин вследствие одновременного воздействия
на металл растягивающих напряжений и агрессивной
среды.
Коррозия может протекать вследствие чисто хими-
ческих реакций с окружающей средой, а также вслед-
ствие электрохимических процессов, происходящих на
границе раздела металла с внешней средой. Наиболь-
шее количество металла разрушается в результате
электрохимической коррозии.
Электрохимической коррозией называют разруше-
ние металлов и сплавов при воздействии на них элек-
тролитов. Этот тип коррозии характеризуется протека-
нием электрического тока, переходом атомов в ионизи-
рованное состояние и другими электрохимическими
процессами.
21*
323
Наиболее часто встречающимися на практика элек-
тролитами являются водные растворы солей, кислот и
Щелочей. Таким образом, к электрохимической корро-
зии относится корродирование металлических емкостей,
трубопроводов, деталей машин и частей стационарных
сооружений под действием кислот, морской, речной,
грунтовой и других вод. Наиболее распространенной
является атмосферная коррозия.
Если в электролите находятся два металла с раз»
личными электродными потенциалами, то металл с бо-
лее отрицательным электродным потенциалом (анод)
непрерывно отдает ионы в раствор (растворяется), а
образующиеся избыточные электроны непрерывно пере-
текают в металл с менее отрицательным электродным
потенциалом (катод). Катод в контактной паре не раз-
рушается, электроны из него непрерывно удаляются во
внешнюю среду.
Все металлы могут быть расположены в ряд в по-
рядке убывания их электрохимического потенциала:
Металл . . Au Ag Си Н Ni Fe Zn Al
Электродный
потенциал, В 4-1,42 +0,80 +0,34 0 —0,23 —0,44 —0,76 —1,66
В технических металлах и сплавах, являющихся те-
лами поликристаллическими, микроструктура состоит
из зерен одной или нескольких фаз, неметаллических
включений и т. п. Эти различные структурные составля-
ющие, имеющие разные физико-химические свойства,
при контакте с электролитом приобретают неодинако-
вые по величине и знаку электродные потенциалы и
одни из них станут анодами, а другие — катодами. Та-
ким образом, технические металлы и сплавы при воз-
действии на них электролитов можно рассматривать как
многоэлектродные элементы, состоящие из огромного
числа микроскопически малых коррозионных гальвани-
ческих пар — микрогальванопар. Чем сильнее отлича-
ются электродные потенциалы фаз, находящихся в спла-
ве, тем быстрее происходит его коррозионное разруше-
ние (в частности, дендритная ликвация именно
поэтому снижает стойкость против электрохимической
коррозии). Отсюда следует, что высокую коррозионную
устойчивость могут иметь либо очень чистые металлы,
либо сплавы, имеющие однородную (гомогенную) струк-
туру твердого раствора.
324
Пассивным состоянием называется такое состояние
металла (сплава), когда он обнаруживает повышенную
коррозионную стойкость (даже практически перестает
корродировать) в агрессивной среде. Противоположное
состояние, когда этот же металл корродирует, называ-
ется активным состоянием.
Экспериментальные данные показывают, что переход
металла из активного состояния в пассивное связан с
повышением его потенциала. Например, железо в обыч-
ном состоянии имеет электродный потенциал —0,4 В, в
пассивном состоянии его потенциал может повышаться
до 4-1,0 В.
Существует несколько теорий, объясняющих явление пассивно-
сти. Наиболее признанной считается пленочная теория, развитая
В. И. Кистяковским. Согласно этой теории, повышение коррозионной
стойкости металлов после обработки в окислительных средах про-
исходит в результате образования на их поверхности прочных пле-
нок химических соединений толщиной 10—30 А, т. е. в несколько
атомных слоев. Такая пленка будет защитной только в том случае,
если оиа равномерно покрывает всю поверхность металла, не имеет
пор и обладает достаточной механической прочностью.
Возрастание пассивности металлов ограничивается определенной
максимальной концентрацией окислителя, выше которой пленка те-
ряет свои защитные свойства (иногда образуются пленки химическо-
го состава с малой химической устойчивостью). Металл переходит в
активное состояние. Это явление получило название перепассивации
или транспассивации.
С изменением характера среды может произойти потеря метал-
лом пассивности, наступает так называемое явление депассивации.
На некоторых металлах (например, алюминии, хроме, титане)
образуются очень устойчивые пассивные пленки в обычных атмо-
сферных условиях без специального воздействия каких-либо окисли-
телей. Такие металлы называют самопассивирующнмися.
Явление пассивности металлов наблюдается и в неокислитель-
иых средах. В этих случаях образуется защитная пленка не из окис-
лов, а из других нерастворимых соединений.
Влияние легирования. Различают две группы корро-
зионностойких металлов. Одни металлы хорошо сопро-
тивляются коррозии вследствие их малой химической
активности. Другие же, являясь по своей природе актив-
ными элементами, приобретают высокую химическую
устойчивость, благодаря явлению пассивности. К пер-
вой группе относятся платина, палладий, золото, ко вто-
рой— хром, титан, алюминий и др. Для увеличения
коррозионной стойкости химически активного металла
в него вводят легирующие элементы.
При легировании какого-либо металла другим, более
благородным металлом вначале потенциал сплава прак-
325
тически не изменяется. Но при достижении определен-
ной концентрации происходит скачок потенциала и кор-
розионная стойкость сплава в данной среде также уве-
личивается скачком, появляются границы (пороги)
устойчивости.
Экспериментально было установлено, что такие рез-
кие изменения устойчивости наступают при кратном 8
соотношении атомов легирующего элемента к легиру-
емому, т. е. и/8, где п — целое число 1, 2, 3... Это соот-
ветствует 12, 5; 25; 37,5...% (ат.) легирующего элемента
(схематически появление порогов устойчивости пред-
ставлено на рис. 148).
Появление границ устойчивости объясняется тем, что
при взаимодействии сплава с агрессивной средой часть
атомов основного металла переходит в раствор, а остав-
шиеся атомы более благородного или легко пассиви-
рующего металла образуют на поверхности металла
как бы барьер. Этот барьер состоит или из самих ато-
мов благородного металла, или из защитных экраниру-
ющих пленок (рис. 149).
В более активных средах требуется более высокая
концентрация устойчивого элемента, т. е. в этом случае
границы устойчивости возникают при более высоком
значении числа п.
Граница устойчивости наблюдается также в сплавах, у которых
один нз компонентов обладает способностью к самопассивированию.
Эта граница наблюдается н в системах, когда одни из компонентов
в данной агрессивной среде образует защитные экранирующие
пленки из нерастворимых соединений.
Коррозионная стойкость стали может быть повыше-
на, если во-первых, содержание углерода снизить до
минимально возможного количества и, во-вторых, ввести
легирующий элемент, образующий с железом твердые
растворы, в таком количестве, при котором скачкообраз-
но повысится электродный потенциал сплава.
Сталь, стойкую против атмосферной коррозии, назы-
вают нержавеющей. Сталь или сплав, имеющие высокую
стойкость при коррозионном воздействии кислот, солей,
щелочей и других агрессивных сред, называют кислото-
стойкими.
ХРОМИСТЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ
Хром — основной легирующий элемент, делающий
сталь коррозионностойкой в окислительных средах.
Коррозионная стойкость хромистых нержавеющих ста-
326
лей объясняется образованием на поверхности защитной
плотной пассивной пленки окисла Сг2О3. Такая пленка
образуется только при содержании хрома более 12,5%
(ат.). Именно при таком содержании хрома (п=1)
потенциал скачком изменяется от —0,6 до -j-0,2 В
(рис. 150).
Железо с хромом образуют непрерывный ряд твер-
дых растворов (рис. 151). Благодаря этому можно полу-
Легирующий
элемент,
Рис. 148. Схема границ (по-
рогов) устойчивости
Рис. 149. Схема образования
границ — барьеров:
светлый кружок — атомы корро-
зионноиестойкого металла; кре-
стик — атомы коррозионностой-
кого металла
чить сталь с высоким содержанием хрома в твердом
растворе. Хром не является дефицитным металлом,
стоимость его сравнительно невысока, поэтому хроми-
стые стали — самыэ дешевые нержавеющие стали. Эти
стали обладают достаточно хорошим комплексом техно-
логических свойств. Углерод в нержавеющих сталях, в
том числе и в хромистых, является нежелательным
0,2
£ о
О 2 О 6 8 1012 10 10182022
Сг,%
Рис. 150. Потенциал железа в воз-
душной среде в зависимости от со-
держания хрома
t,°c
1800
1600
1000
1200
1000
800
600
ООО
200
О
-200
О 10 20 30 00 50 60 70 80 90100
Сг,%
Рис. 151. Диаграмма состояния желе-
зо — хром
327
элементом, так как, связывая хром в карбиды, он тем
самым обедняет твердый раствор хромом, понижая
коррозионные свойства стали. Кроме того, углерод рас-
ширяет область у-твердого раствора, способствуя полу-
чению двухфазного состояния (рис. 152). Чем больше
содержание хрома, тем выше коррозионная стойкость
Хромистых сталей. В настоящее время хромистые стали
выплавляют трех типов: 1) содержащие 13% Сг;
2) 17% Сг; 3) 25—28% Сг* (приложение табл. 12).
Стали 08X13 и 12X13 обладают по-
вышенной пластичностью и их исполь-
зуют для изготовления деталей, подвер-
гающихся ударным нагрузкам (турбин-
ные лопатки, арматура крекинг-устано-
вок, предметы домашнего обихода и
т. д.),
Из сталей 30X13 и 40X13, приобре-
тающих после термической обработки
структуру мартенсита, делают измери-
тельный и медицинский инструменты,
пружины и другие коррозионностойкие
детали, от которых требуется высокая
твердость или прочность.
Стали, содержащие 17 и 25—28% Сг
относятся к сталям ферритного класса.
Они имеют более высокую коррозион-
ную стойкость по сравнению со сталя-
ми типа Х13. При нагреве выше 850° С ферритные стали проявляют
склонность к росту зерна, их пластичность понижается. Для полу-
чения однофазной структуры, уменьшения склонности к росту зер-
на и к МКК в эти стали добавляют титан и ниобий (08Х17Т,
15Х25Т). Прочность повышается, пластичность сохраняется доста-
точной, улучшаются свойства сварных швов. Эти стали применяют
для изготовления аппаратуры, работающей в таких агрессивных
средах, как дымящаяся азотная кислота, фосфорная кислота, де-
лают коррозионностонкой аппаратуру химической и пищевой про-
мышленности. Из стали 12X17 изготавливают теплообменники для
№
1590
12 74 25
Рис. 152. Влияние углерода
на положение области у-
Твердого раствора на диа-
грамме железо’** хром
горячих нитрозных газов, трубопроводы и баки для кислот и т. д.
Введение молибдена (12Х17М2Т) делает сталь стойкой даже в
органических кислотах (уксусной, муравьиной). Стали ферритного
Класса не восприимчивы к коррозии под напряжением.
Для изготовления шарикоподшипников, работающих в агрессив-
ных средах, используют сталь 95X18 (0,9—1,0% С, 17—19% Сг).
Все хромистые стали подвергают закалке с 1000—
1100° С с последующим отпуском (для сталей феррит-
ного класса — при 700—750° С, мартенситного класса
200—250° С).
* При более высоком содержании хрома в стали будет присут-
ствовать о-фаза (см. рис. 151).
828
Стали ферритного класса при нагреве не испытывают
превращений, поэтому термическую обработку проводят
для получения структуры более однородного твердого
раствора, что увеличивает коррозионную стойкость.
ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ
Никель относится к числу металлов, легко приобре-
тающих пассивность, хотя его пассивирующая способ-
ность меньше хрома и молибдена. Добавление никеля
к железу в количестве ’/в моля скачкообразно улучша-
ет коррозионную стойкость сплава в серной кислоте.
При концентрации никеля 2/в моля коррозионная стой-
кость повышается еще больше.
Диаграмма состояния железо — никель приведена
на рис. 153. Никель — аустенитообразующий элемент,
Hl,% (ат.)
329
сильно понижающий критические точки у-хх-превраще-
ния. Это влияние никель оказывает и при его введении
в хромистые стали. Поэтому сталь, содержащая 18% Сг
и 9%Ni, при комнатных температурах имеет структу-
ру аустенита (см. рис. 154).
Нержавеющие стали, имеющие аустенитную струк-
туру, обладают более высокой коррозионной стойкостью,
Эквивалент хром- %Сг+% №
Рис. 154. Структурная диаграмма нержавеющих сталей
лучшими технологическими свойствами по сравнению с
хромистыми нержавеющими сталями, в частности лучше
свариваются. Они сохраняют прочность до более высо-
ких температур, менее склонны к росту зерна при наг-
реве и в то же время аустенитные стали не теряют пла-
стичности при низких температурах. Как и хромистые,
хромоникелевые стали коррозионностойки в окислитель-
ных средах. Основным элементом, повышающим потен-
циал железа, также является хром, поэтому его содер-
жание должно быть >13%. Никель только дополни-
тельно повышает коррозионную стойкость сталей.
Состав и свойства хромоникелевых нержавеющих
сталей приведены в ГОСТ 5632—72. В приложении,
табл. 13 приведены составы некоторых из них, а на
рис. 154 — структурная диаграмма, позволяющая опре-
делять структуру стали в зависимости от ее состава.
Хромоникелевые стали в зависимости от состава и
структуры подразделяются на стали аустенитного, аус-
тенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного клас-
сов.
330
Чем ниже содержание углерода, тем выше коррози-
онные свойства нержавеющих сталей. Углерод, содер-
жащийся в хромоникелевых сталях, может находиться
в твердом растворе, а также в карбидах или карбонит-
ридах различной степени дисперсности. Преимуществен-
но образуются карбиды Сг2зСб, причем они образуются
уже при содержании углерода немногим больше 0,04%
(0,04% С — предел растворимости углерода в аустените,
легированном никелем). Если в сталях содержится
азот (например, сталь Х17АГ14), то могут образовы-
ваться карбонитриды типа Afe23(C,N)6 и Afe(C,N).
Большинство хромоникелевых нержавеющих сталей
относится к аустенитному классу: 04Х18Н10, 12Х18Н9Т,
09Х14Н16Б, 08Х10Н20Т2 и др. Эти стали пластичны,
хорошо свариваются, обладают повышенной жаропроч-
ностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих
среднюю активность. Сталь 12Х18Н10Т — наиболее де-
шевая и поэтому чаще употребляемая.
Для большей гомогенности хромоникелевые стали
подвергают закалке с 1050—1100° С в воде. При этом
получают Ов~50—60 кгс/мм2 и 6=354-45%. Эти стали
упрочняют холодной пластической деформацией.
Дополнительное легирование хромоникелевых сталей
молибденом и медью повышает их коррозионную стой-
кость и кислотостойкость (03X16H15M3, 03Х17Н14М2).
Иногда в эти стали вводят в небольших количествах
титан и алюминий, которые, образуя дисперсные интер-
металлиды типа Ni3(Ti,Al), упрочняют аустенит
(08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15МЗТ).
Сталь 06ХН28МДТ (0,06% С; 22—25% Сг; 26—
29% Ni; 2,5—-3% Мо; 2,5—3,5% Си и 0,5—0,3% Ti) обла-
дает высокой коррозионной стойкостью, ее используют
в средах высокой агрессивности (разбавленная серная
кислота и др.). Эта сталь после закалки с 1100°С в
воде имеет структуру аустенита с небольшим количест-
вом карбонитридов. После кратковременных нагревов
до 500—900° С не обнаруживает склонности к МКК.
Никель — достаточно дорогой и дефицитный металл,
поэтому создают нержавеющие стали с меньшим содер-
жанием никеля. Для этого вводят в состав нержавею-
щих сталей другие аустенитообразующие элементы,
например марганец и даже азот (стали 10Х14Г14Н4Т,
15Х17АП4, 10Х14АГ15 и др.).
Аустенитно-мартенситные стали (стали переходного
331
-Мартен-
II»
**70
•Лй 50
ситный Пфек^^Адстенитный
~ класс класс
--—... —
—Al C,N,Ni,Cr,ho’
Степень легированности
Рис. 165. Влияние термической обра-
ботки на прочность нержавеющих
сталей:
i — закалка; 2 — закалка и обработка
холодом; S — закалка, обработка холо-
дом, отпуск (старение)
класса) имеют меньшую коррозионную стойкость по
сравнению с аустенитными сталями, но превосходят их
по прочности (ов=120—130кгс/мм2). К сталям переход-
ного класса относятся стали 09X15Н8Ю, 09X17Н7Ю,
08Х17Н5МЗ, 20Х13Н4Г9 и др.
Режим термической обработки этих сталей характе-
ризуется большой сложностью: закалка, обработка хо-
лодом, отпуск — ста-
рение. На рис. 155
приведено влияние
различных видов тер-
мической обработки
на прочность нержаве-
ющих сталей различ-
ных классов. Наи-
большее упрочнение
получают стали пере-
ходного класса. Такие
стали используют для
создания легких кон-
струкций, обладающих
высоким сопротивле-
нием коррозионному
разрушению.
А устенитно-феррит-
ные стали предложены
как заменители хро-
моникелевых сталей типа Х18Н8 с целью экономии ни-
келя. К этому классу относятся стали 12X21Н5Т и
08Х22Н6Т. Аустенитно-ферритные стали при комнатных
температурах имеют прочность и твердость выше, чем
у стали типа 18-8, но пластичность и ударная вяз-
кость у них ниже. Эти стали не обладают стабильно-
стью свойств: их свойства зависят от соотношения
ферритной и аустенитной фаз, которое в свою очередь
зависит от суммарного влияния ферритообразующих
(Сг, Ti, Mo, Si) и аустенитообразующих (Ni, N2, С)
элементов. С увеличением количества феррита жаро-
прочность сталей уменьшается, прочность увеличивает-
ся, пластичность уменьшается, но не ниже 30%. Хоро-
шие технологические свойства получаются при соотно-
шении Ф : А» 1 : 1.
К этому классу сталей относится и сталь 15Х28АН,
обладающая хорошими механическими свойствами
332
(ав«65—70 кгс/мм2, 6 «11—23%), в том числе и в свар-
ном шве.
Типовая термическая обработка аустенитно-феррит-
иых сталей: закалка с 1000—1150° С и отпуск — старе-
ние при 500—750° С.
Аустенитно-ферритиые стали не подвержены корро-
зионному растрескиванию под напряжением: трещины
могут возникнуть только на аустенитных участках, но
ферритные участки задерживают их развитие.
В нержавеющих сталях наблюдается особый вид коррозии, на-
зываемый межкристаллитной коррозией (иногда также называют ее
ннтеркристаллитиой). Такая коррозия протекает главным образом
по границам зерен и представляет большую опасность, поскольку ие
имеет каких-либо внешних признаков — металл сохраняет даже ме-
таллический блеск. При этом прочность катастрофически падает, ис-
чезает металлический звук, металл настолько легко разрушается, что
может быть превращен в порошок. Межкристаллитная коррозия
(МКК) развивается в том случае, если изделие из нержавеющей
стали после закатки подвергали нагреву 1 до 500—700°С либо если
в этом температурном интервале проводили замедленное охлажде-
ние. При этом иа электронных микрофотографиях отчетливо видна
сетка карбидов хрома.
Причины возникновения МКК изучают много лет и существует
несколько теорий, объясняющих причины возникновения этого опас-
ного явления.
Наиболее принятой считается так называемая «теория обедне-
ния». Известно, что граница зерен — это переходная зона между
ними.
Если проникновение растворенной примеси в межзеренную зону сни-
жает избыточную энергию границ, концентрация этой примеси в зо-
не повышается. Установлено, что углерод снижает избыточную энер-
гию границ, поэтому происходит межкристаллитная внутренняя ад-
сорбция углерода по границам зерен нержавеющей стали. Таким об-
разом, уже при закалке атомы углерода неоднородно распределяют-
ся в твердом растворе, их концентрация по границам больше, чем в
зерне. Хотя при этом не образуется карбидов хрома, однако такая
повышенная концентрация углерода является как бы подготовкой
для их быстрого образования. При нагреве до 500—700° С по грани-
цам зерен образуются карбиды хрома Сг23С6. При этих температу-
рах диффузия углерода, находящегося в твердом растворе, к грани-
цам зерен протекает быстрее, чем хрома. Поэтому па образование
карбидов расходуется не только имеющийся там запас углерода, но
и углерод, диффундирующий изнутри зерен. В то же время хром,
необходимый для образования карбидов, поступает на первых ста-
диях процесса с границ или из пограничных зон аустенита. В ре-
зультате содержание хрома в приграничных зонах зерен становится
меньше 13% (даже до 6,5%) и они теряют коррозионную стойкость.
Ввиду большой опасности явления МКК все выплавляемые нер-
жавеющие стали обязательно проверяют иа склонность к этому ви-
ду коррозии. При этом образцы из закаленной стали подвергают про-
* Для разных марок интервал опасных температур различен.
333
локирующему отпуску в течение часа при 650° С. После этого образ-
цы кипятят в агрессивной среде и определяют наличие МКК.
Склонность к МКК нержавеющих сталей можно устранить:
1) уменьшением содержания углерода (в сталях, содержащих
0,02% С, МКК не наблюдается); 2) введением элементов — стаби-
лизаторов титана или ниобия, имеющих большее, чем хром, сродство
к углероду; 3) применением стабилизирующего отжига (нагрев из-
делия до 850°С).
Рис. 156. Микроструктура хромоникелевой нержавеющей стали 08Х18Н9 без
МКК (а) и с МКК (б)
При сварке в околошовной зоне металл может нагреваться до
опасных температур (500—700°С). Поэтому если сталь склонна к
МКК, то из нее не следует делать сварных изделий, либо после свар-
ки необходимо провести термическую обработку, хотя бы отжиг до
850® С.
На рис. 156, а приведены микроструктуры нержавеющей стали
08Х18Н9 после термической обработки (закалки с 1100®С в воде),
нагрева при 650° в течение часа и кипячения в серной кислоте 48 ч
(рис. 156, б).
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СПЛАВЫ И ЧУГУНЫ
Кроме нержавеющих сталей, в промышленности ис-
пользуют и другие коррозионностойкие сплавы.
Для особо агрессивных сред применяют сплавы на ни-
келевой основе типа хастеллой (сплавы НИМО). Содер-
жание никеля в этих сплавах достигает 80%. Вторым
элементом, присутствующим в этих сплавах в больших
количествах, является молибден (15—30%). Состав не-
которых сплавов приведен в табл. 11.
334
ТАБЛИЦА И
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) КИСЛОТОСТОЙКИХ СПЛАВОВ
НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ТИПА ХАСТЕЛЛОИ
Сплав с Мп S1 Сг Мо Fe Дру- гие эле- менты
Хастеллой А (ЭИ460) . . . <0,12 <3 <1 — 20—22 18—20 —
Хастеллой В (ЭИ461) . . . <0,12 <3 <1 <1 26—30 4—7 0,3V
Хастеллой С (ЭП375) . . . <0,12 <1 <1 15,5— 17,5 16—17 4,5—7 3,75— 5.25W
Хастеллой Д . <0,12 0,8— 1,25 8,5— 10 <1 — <1 3,6— 6,5Cu
Эти сплавы обладают очень высокой коррозионной
стойкостью в таких средах, где, кроме них, устойчивы
лишь немногие металлы (например, в кипящей фосфор-
ной кислоте до концентрации 50%, в кипящей соляной
кислоте до 20% и др.).
Сплавы хастеллой обладают высокими механически-
ми свойствами, которые могут быть улучшены термичес-
кой обработкой — закалкой+старением при 800° С. При
этом <тЕ« 120 кгс/мм2 и твердость НВ «360.
Недостатком сплавов является склонность к МКК,
поэтому содержание углерода в них должно быть мини-
мальным.
Коррозионностойкие чугуны стойки во многих агрес*
сивных средах (и не только в окислительных). Они, как
правило жаростойки. Легированные чугуны дешевле не*
ржавеющих сталей, обладают хорошими литейными
свойствами, поэтому изделия из них получают методами
литья. Химический состав и свойства кислотостойких
чугунов приведены в ГОСТ 2176—67 и ГОСТ 2233—70
(табл. 12).
Хромистые чугуны содержат 26—36% Сг. Структура
хромистых чугунов — твердый раствор хромистого фер-
рита и эвтектические карбиды. Карбиды могут находить-
ся и в свободном состоянии, причем преимущественно
образуются карбиды СГ7С3. Хромистые чугуны (Х34)
имеют высокую твердость (НВ 325—400), хорошо сопро-
333
ТАБЛИЦА 12
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) КОРРОЗИОННОСТОИКИХ ЧУГУНОВ
И ЛИТЫХ СТАЛЕЙ
Марка с S1 Мп Сг
Хромистые чугуны
Х28 0,5-1,0 0,5—0,8 0,5—0,8 26—30
Х34 1,5-2,2 1,3—1,7 0,5—0,8 32—36
Хромистые стали
25Х18Л 0,20—0,30 <0,8 <0,8 17—20
30Х20Л 0,25—0,35 <0,8 <0,8 20—23
Высококремнистые чугуны
С15 0,5—0,8 14,5—16 0,3—0,8 —
С17 0,3—0,5 16—18 0,3—0,8 —
Ф15* 0,5—0,6 15—16 0,3—0,8 —
Никелевые чугуны**
СЧЩ-1
СЧЩ-2
3,2—3,5
3,2—3,6
1,2—1,5
1,5—2,0
0,5—0,8
0,4—0,8
0,6—0,8
0,4—0,8
* Содержится 3,Б—4,5 Мо.
** В сплаве СЧЩ-1 содержится 0,8—1% N1, в сплаве СЧЩ-2 0,4—0,5% Ni.
тивляются износу, но плохо обрабатываются резанием.
Сплавы 25X18Л и 30Х20Л по содержанию углерода
относятся к сталям, а по свойствам — к чугунам. Литей-
ные и механические свойства у них лучше, чем у Х28 и
Х34, они менее склонны к образованию горячих трещин.
Хромистые чугуны стойки в окислительных средах:
в азотной кислоте любой концентрации при 20° С и
40%-ной кипящей; в концентрированной серной кислоте
и других средах. Окалиностойкость сохраняется до
1000—1100° С.
Из хромистых чугунов изготавливают детали и аппа-
ратуру для азотной промышленности, искусственных
удобрений, фильеры и т. д. Используют их и как жаро-
стойкие материалы — для изготовления печного обору-
дования, колосников, гребков и лопастей в печах, пред-
назначенных для обжига.
ззв
Кремнистые чугуны относятся к кислотостойким
сплавам. Кремний, как и хром, расширяет область су-
ществования феррита и сплавы, содержащие до 14,5% Si,
имеют структуру однородного твердого раствора. Содер-
жание углерода в кремнистых чугунах всего лишь
0,3—0,8%, при большем содержании возможно выделе-
ние углерода в виде графита. Чугуны выплавляют с со-
держанием кремния до 18%, так как при более высоком
его содержании эти сплавы становятся хрупкими и их
невозможно использовать. При резкой смене температур
возможно растрескивание. В окислительных средах на
поверхности изделий образуется прочная пленка SiOz,
которая восстанавливается при механических повреж-
дениях.
Изделия из кремнистых чугунов изготавливают толь-
ко литьем, без последующей механической обработки
(возможно только шлифование).
Сплав Ф15, называемый также «антихлор», содержит
3,5—4,5% Мо. В результате добавления молибдена сплав
устойчив в 10—30%-ных растворах соляной кислоты
(до 90° С).
Из кремнистых чугунов изготавливают центробежные
насосы, распылители кислот, краны, котлы, чаны и т. д.
Все кремнистые чугуны обладают высокой окалиностой-
костыо.
Никелевые чугуны содержат ~1% Ni (см. табл. 12).
Эти чугуны стойки в расплавах солей и в концентриро-
ванных растворах щелочей. С увеличением содержания
никеля коррозионная стойкость чугунов увеличивается.
Состав никелевых чугунов может быть и более сложным:
никелькремнистый аустенитный чугун содержит, %:
1,7—2 С; 1,8—3 Сг; 5—7 Si и 16—20 Ni; никельмедистый
2—2,8 С; 3—4 Сг; 5—8 Си; 1,5—1 Si и 12—5 Ni.
Глава 12
жаростойкие и жаропрочные стали
И СПЛАВЫ
Многие аппараты, машины и отдельные детали рабо-
тают при повышенных и высоких температурах, испыты-
вая большие напряжения. В этих случаях используют
22—481
337
жаропрочные стали и сплавы. Если изделия, работающие
при повышенных температурах, слабонагружены, но
должны хорошо сопротивляться окислению, то для их
изготовления используют жаростойкие стали и сплавы.
ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
или изделие раоотают в
t,°C
1100
S00
100
500
0 5 10 15 20 2530
Cr,%
Рис. 157. Влияние хрома на окали-
нестойкость ферритной (/) и аусте-
нитной (2) стали
ла через слой окислов.
Жаростойкость — это способность металлов и спла-
вов сопротивляться газовой коррозии при высоких тем-
яературах в течение длительного времени. Если деталь
окислительной газовой среде
при температурах 500—
550° С без больших нагру-
зок, то иногда достаточно,
чтобы они были только жа-
ростойкими (например, де-
тали нагревательных печей,
ящики для цементации и
т. д.).
Процесс окисления —
это сложный процесс, в ре-
зультате которого наблюда-
ются и чисто химическое
взаимодействие металла с
кислородом, и диффузия
атомов кислорода и метал-
Поэтому строение окисной
пленки имеет большое значение для жаростойкости ме-
таллов. Чем плотнее окисная пленка, тем меньше че-
рез нее скорость диффузии, тем выше жаростойкость
сплава. До 570° С структура поверхностного слоя ста-
лей состоит из Fea и Fe3O4, может образоваться и
окисел Ре20з. Эти окислы имеют сложное строение и
скорость диффузии в них мала.
При более высоких температурах в слое окалины
основным становится окисел FeO (вюстит) с простой
решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твер-
дый раствор вычитания). Поэтому скорость диффузии
возрастает, происходит интенсивное образование хруп-
кой окалины.
Основной способ повышения жаростойкости — леги-
рование хромом, алюминием или кремнием, образующи-
ми на поверхности изделия окислы Сг2О3, А12О3 и SiO2.
Эти окислы — плотные, прочные, тугоплавкие пленки.
Поэтому на поверхности стали они создают защитный
338
слой, препятствующий дальнейшему проникновению
(диффузии) кислорода в глубь изделия.
Влияние хрома на окалиностойкость стали показано
на рис. 157. Поскольку все нержавеющие стали содержат
хрома >13%, они являются и жаростойкими. Чем вы-
ше содержание хрома, тем более окалиностойки стали,
например сталь 15Х25Т окалиностойка до 1100—1150° С.
Высокой жаростойкостью обладают сильхромы,
сильхромали, а также стали 08Х17Т, 15X28, 36Х18Н25С2,
30Х13Н7С2, 15Х6СЮ, 15X5. Особенно высокой жаро-
стойкостью обладают сплавы на основе никеля — ни-
хромы.
Высокохромистые и кремнистые чугуны окалино-
стойки до 1000—1100° С. Для неответственных деталей,
не несущих нагрузок, используют обычные углеродистые
стали, подвергнутые диффузионной металлизации (см,
с. 274).
ЖАРОПРОЧНОСТЬ
Жаропрочность — способность металла сопротив-
ляться пластической деформации и разрушению при вы-
соких температурах.
С повышением температуры характеристики проч-
ности металлов и металлических сплавов понижаются,
причем для различных по составу сплавов изменение
прочности неодинаково. Установлено, что прочность ме-
таллов и сплавов определяется главным образом силами
связи атомов в кристаллической решетке. При нагреве
подвижность атомов возрастает, увеличивается коли-
чество вакансий, усиливаются диффузионные процессы.
Это приводит к уменьшению сил межатомной связи и,
как следствие, к уменьшению прочности. Особенно ин-
тенсивно при повышении температуры увеличивается
скорость диффузии на границах между зернами, где
атомы не образуют правильной кристаллической решет-
ки и могут свободнее перемещаться. Поэтому границы
между зернами при повышении температуры разупроч-
няются быстрее.
Температура плавления металлов является достаточ-
но хорошим показателем прочности межатомных связей
в кристаллической решетке. Чем ниже температура
плавления металла, тем больше коэффициент термичес-
кого расширения и, следовательно, быстрее при нагре-
ве наступает разупрочнение. Поэтому для создания
22*
339
жаропрочных сплавов используют металлы с высокой
температурой плавления (железо, никель, кобальт).
Еще более жаропрочными оказываются сплавы на осно-
ве хрома, молибдена и других тугоплавких металлов.
Известно, что в процессе пластической деформации
металла при температуре ниже температуры рекристал-
лизации процесс упрочнения происходит по схеме пла-
стическая деформация — упрочнение (наклеп) (см.
О 200 000 000 ООО коО
t°c
Рис. 158. Предел прочности
железа в зависимости от
температуры испытания. За-
штрихованы напряжения,
вызывающие ползучесть:
1 — быстрое испытание;
2 — медленное испытание
Рис. 159. Кривая длительной прочности
при 500е С
гл. IV). При нагреве возможны два взаимно противопо-
ложных процесса: во-первых, упрочнение, обусловленное
пластической деформацией и, во-вторых, разупрочнение,
обусловленное уменьшением искажений кристалличес-
кой решетки (отдыхом), коагуляцией фаз, растворением
упрочняющих фаз и рекристаллизацией. Следовательно,
при нагреве металл может сохранять свою прочность
до температур, при которых еще интенсивно не протека-
ют процессы разупрочнения, связанные с диффузионны-
ми процессами. Поэтому прочность металла при повы-
шенных температурах не является величиной постоян-
ной, а зависит от температуры и времени
(продолжительности) приложения нагрузки. Влияние
температуры и времени 1 на ав для стали 30 характери-
зуется следующими данными:
/цсп> °C . . .
ов, кгс/мм2.
20 200 500 600
70 75 40 33
70 75 28 16
1 Время испытания 1 мин (числитель) и 60 мин (знаменатель).
340
Из рис. 158 следует, что до 350° С скорость испытания
не оказывает влияния на величину прочности. Затем
кривая раздваивается: верхняя получена при быстром
испытании, нижняя при медленном. Различная прочность
при одной и той же температуре объясняется тем, что
при быстром нагружении разупрочнение не успевает
происходить в такой степени, как при медленном.
И. И. Корнилов показал, что максимальных значений
жаропрочность достигает при предельном насыщении
твердого раствора легирующими элементами. Для кон-
центрированных твердых растворов Грек ~0,7-4-0,8 Гпл.
Жаропрочность однородных твердых растворов может
быть увеличена за счет выделения мелкодисперсных фаз.
Влияние таких выделений на прочность тем больше, чем
меньше их склонность к коагуляции. Материалы, пред-
назначенные для работы при повышенных температурах,
испытываются на жаропрочность. Критериями оценки
жаропрочности являются кратковременная 1 и длитель-
ная прочности, ползучесть.
При определении длительной прочности образцы по-
мещают в печь и нагружают какой-либо постоянной на-
грузкой. По результатам испытаний нескольких образ-
цов строят кривые изменения прочности при постоянной
температуре. Прочность существенно зависит от продол-
жительности испытания (рис. 159):
Cfl>a2>Of3>Or4. НО Т1<Т2<Т3<Т4.
Пределом длительной прочности называют макси-
мальное напряжение о* , которое вызывает разрушение
образца при заданной температуре за определенное
время.
Прочность ni в течение 30—60 мин, так называемая
«минутная», необходима в ракетостроении, часовая —
в авиации (о2). Например, =20 кгс/мм2, где
верхний индекс (900) означает температуру испытаний
в °C, нижний — заданную продолжительность испыта-
ния в часах.
* Кратковременную прочность определяют с помощью обычных
испытаний иа растяжение разрывных образцов. Различие только в
том, что образец помещают в печь и его испытывают при какой-то
заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность так:
=..., например <4°°° =35 кгс/мм2; Оо.Т^28 кгс/мм2.
341
Для котельных установок требуется не очень высокое
значение прочности (см. о4 на рис. 159), но в течение
нескольких лет.
Ползучестью называют свойство металлов медленно
пластически деформироваться под действием постоянной
нагрузки при постоянной температуре.
При испытании на ползучесть образцы помещают
в печь с заданной температурой и прикладывают какую-
либо постоянную нагрузку.
п Деформацию измеряют инди-
катерами с точностью до
0,001 мм.
При обычных температу-
рах и при действующем на-
пряжении (о>аУп) ползу-
честь не наблюдается. Наобо-
рот, за счет наклепа металл
будет упрочняться. Но если
температура испытания об-
Рис. 160. Кривая ползучести
при растяжении (/—const)
разца такова, что уже проте-
кают разупрочняющие процессы — отдых, коагуляция
фаз, а особенно рекристаллизация (обычно при Т>
>0,6 ГПл> см. гл. IV), то при а>ауп наблюдается ползу-
честь.
Ползучесть происходит только в тех случаях, когда
приложенное напряжение (от постоянной нагрузки)
больше предела упругости металла при данной темпера-
туре. Итак, при деформации нагретого образца протека-
ют два прямо противоположных процесса: упрочнение
(наклеп), вызванное пластической деформацией, и раз-
упрочнение как результат процессов разупрочнения.
Ползучесть развивается в случае преобладания второго
процесса.
В зависимости от температуры скорость деформации
при постоянной нагрузке обычно выражается кривой,
состоящей из трех участков (рис. 160): ОА — упругая
деформация образца в момент приложения нагрузки;
АВ—участок, соответствующий начальной скорости
ползучести (первая стадия); ВС—участок установив-
шейся скорости ползучести (вторая стадия), когда удли-
нение имеет постоянную скорость. Если напряжения
достаточно велики, то за этим участком протекает третья
стадия (участок CD), связанная с началом разрушения
образца (образование шейки).
342
Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается
при нагреве выше 400° С. Для некоторых цветных метал-
лов с низкой температурой плавления, например олова,
ползучесть происходит и при обычной температуре.
Предел ползучести — это напряжение, которое за
определенное время при данной температуре вызывает
заданное суммарное удлинение или заданную скорость
деформации. Обычно принимают 6 = 1% за 1000 ч; 6 =
= 1% за 104ч; 6=1% за 105 ч. Предел ползучести
обозначают о^/т . Например о^00 =25 кгс/мм2, где
верхний индекс (500)—это температура испытания °C,
первый нижний индекс — заданное суммарное удлинение
(1%), второй — заданная продолжительность испытания
в часах.
ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ
В зависимости от того, какова прочность сталей при
различных температурах, эти стали условно можно раз-
делить на две группы: стали теплопрочные, работающие
Рис. 161. Зависимость прочности от температуры испытания для различных
сплавов:
1 — алюминиевые сплавы; 2 — стали перлитного класса; 3—стали ферритного
класса; 4 — стали аустенитного класса; 5 —титановые сплавы; 6 —никелевые
сплавы; 7 — ниобиевые сплавы; 8 — танталовые сплавы; 9 — молибденовые
сплавы; 10 вольфрамовые сплавы
343
до 350—500 °C, и жаропрочные, работающие при более
высоких температурах.
Так как обычные конструкционные стали имеют вы-
сокую прочность до 300° С, то при этих температурах нет
надобности в применении высоколегированных сталей.
Для работы в интервале температур 350—500° С приме-
няют легированные стали перлитного и ферритного клас-
сов (рис. 161). Для более высоких температур использу-
ют стали аустенитного класса. При 700—900° С приме-
няют сплавы на основе никеля. При еще более высоких
температурах используют сплавы на основе тугоплавких
металлов — молибдена, хрома и др. Указанные пределы
являются условными и выбор необходимых материалов
определяется в каждом случае конкретно.
Перлитные жаропрочные стали. К этой группе отно-
сятся котельные стали и сильхромы.
Котельные стали содержат небольшое количество
углерода, (примерно 0,15—0,20% С). Это обусловлено
тем, что детали котлов соединяют главным образом
сваркой. Для котлов низких параметров применяют
обычные низкоуглеродистые стали, например сталь 20.
Для котлов высоких параметров используют малоугле-
родистые низколегированные стали 15ХГС, 12ХМ,
15ХА4Ф, 12Х2МБ, обычно содержащие 0,5—2,5% Сг;
0,5—1% Мо; 0,15—0,5% V. Иногда в эти стали добав-
ляют и другие элементы.
У котельных углеродистых сталей наблюдается явление сине-
ломкости — снижение пластичности и особенно вязкости деформи-
рованной стали при температурах 250—300° С *. Синеломкость осо-
бенно заметно проявляется в малоуглеродистой котельной и топоч-
ной стали в процессе эксплуатации котлов '.
Синеломкость объясняется развитием в стали процессов дефор-
мационного старения, которое максимально проявляется при нагре-
вах до 250—300° С. В процессе старения из a-твердого раствора
выделяются дисперсные частицы: нитриды, фосфиды, окислы и т. п.,
охрупчивающие сталь. Считают, что элементами, определяющими
склонность стали к синеломкости, являются азот (выделение нитри-
дов), а также фосфор. При старении происходит также сегрегация
атомов азота на дислокациях, приводящая к их торможению и за-
креплению. Марганец и алюминий связывают азот, поэтому спокой-
ные стали меньше склонны к синеломкости (при одинаковом содер-
* При этих температурах на полированной поверхности стали
наблюдается синий цвет побежалости.
1 Например, для Ст2 до эксплуатации ав=36 кгс/мм2, после
Св=38 кгс/мм2; до эксплуатации «н== 10 кгс-м/см2, после ~0,5кгсХ
Хм/см2.
344
жании углерода ударная вязкость кипящей стали снижается в 8—
20 раз; спокойной стали на 30—40%).
При малых степенях деформации изменение свойств при старе-
нии более существенно. Для уменьшения склонности к синеломкости
котельные стали легируют ванадием, алюминием, титаном.
Для деталей котлов, работающих при температурах до 600° С,
используются также стали мартеиситиого (12Х2МФСР, 12Х2МФБ)
и мартенситно-феррнтного (15X11МФ, 12Х12ВНМФ) классов. Уве-
личение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром,
вольфрам, молибден и ванадий увеличивают жаропрочность *. Вана-
дии, кроме тою, уменьшает скорость диффузионных процессов пере-
распределения легирующих элементов.
Главным преимуществом легированных котельных
сталей перед углеродистыми является их хорошее со-
противление ползучести (предел ползучести является
главной характеристикой котельных сталей).
Сильхромами называют стали, содержащие хром,
кремний и молибден: 15X5, 15Х5М, 40Х9С2, 40X10С2М.
Состав сильхромов приведен в ГОСТ 5632—72. Содер-
жание углерода колеблется от 0,15 (15Х5М) до 0,45%
(40Х10С2М). Высокое содержание хрома и кремния де-
лает эти стали не только жаропрочными, но и жаростой-
кими. Недостатком сильхромов является их склонность
к отпускной хрупкости II рода. Легирование молибде-
ном уменьшает возможность появления хрупкого состоя-
ния при нагреве до 450—500° С.
Из сильхромов изготавливают клапаны двигателей
внутреннего сгорания, рекуператоры, теплообменники и
другие подобные изделия и конструкции. Высоколегиро-
ванные сильхромы применяют до 700—800° С.
Аустенитные жаропрочные стали. В гл. 11 рассмотре-
ны высоколегированные аустенитные нержавеющие ста-
ли. Эти стали можно использовать и как жаропрочные,
применяемые для работы до 700—800° С.
В жаропрочных аустенитных сталях содержится
~ 10—20% Ni и 15—20% Сг.
По структуре такие стали подразделяют на две груп-
пы: 1) аустенитные стали, имеющие гомогенную струк-
туру и поэтому не упрочняемые термической обработкой
(содержание углерода в этих сталях должно быть мини-
мальным); 2) аустенитные стали с гетерогенной струк-
турой. Их прочность можно повышать термической обра-
боткой — закалкой и старением.
1 Повышается температура рекристаллизации, образуются спе-
циальные карбиды, коагулирующие медленнее цементита.
845
К первой группе относятся стали типа 17Х18Н9,
09Х14Н19В2Б, 12Х18Н12Т, 20Х25Н20С2 и др. Эти стали
при нагреве не испытывают фазовых превращений.
В твердых растворах скорости диффузии малы, поэтому
разупрочнение протекает замедленно. Легирование нио-
бием увеличивает длительную прочность и сопротивле-
ние ползучести. Для создания большей однородности
аустенита стали этой группы подвергают закалке
с 1050—1100° С в воде, затем для стабилизации струк-
туры — отпуску при 750° С.
Ко второй группе относятся стали типа
37Х12Н8Г8МФБ, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20ТЗР и др.
(ГОСТ 5632—72). Эти стали также закаливают с 1050—
1100° С, но затем проводят не просто отпуск, а отпуск —
старение при 600—750° С. В процессе выдержки при этих
температурах в дисперсном виде выделяются карбиды,
карбонитриды и интерметаллидные фазы, вследствие
чего прочность стали повышается.
Жаропрочность гетерогенных аустенитных сталей вы-
ше, чем гомогенных, но свойства гетерогенных аустенит-
ных сталей не стабильны во времени. Если детали ра-
ботают продолжительное время при повышенных тем-
пературах, то выделившиеся дисперсные частицы
вторичных фаз коагулируют, вследствие чего прочность
стали уменьшается. Аустенитные жаропрочные стали
пластичны и вязки. Они плохо обрабатываются резани-
ем. Эти стали используют для изготовления паровых
котлов высоких параметров, лопаток турбин, соплового
аппарата реактивных двигателей и т. п.
ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
И ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
Детали и установки, работающие при температурах
выше 700° С, изготавливают из сплавов на основе нике-
ля, кобальта и тугоплавких металлов.
Сплавы на основе никеля (содержащие более 55% Ni)
по жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаро-
прочные стали. Их рабочие температуры составляют
800—1000° С. Примерно такими же, а иногда и несколько
более высокими свойствами обладают сплавы на кобаль-
товой основе. Никелевые, а также кобальтовые сплавы
имеют не только высокую жаропрочность, но и высокую
жаростойкость.
346
Никелевые сплавы используют в деформированном
и литом состояниях. Преимущественно их применяют
в деформированном виде. По структуре эти сплавы раз-
деляют на гомогенные (нихромы, инконели) и гетеро-
генные (нимоники). Общим для всех сплавов на основе
никеля является минимальное содержание углерода
(0,06—0,12%).
Нихромы. Это сплавы, основой которых является ни-
кель, а основным легирующим элементом — хром
(ХН60Ю, ХН78Т).
Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но
они очень жаростойки. Поэтому их применяют для не-
нагруженных деталей, работающих в окислительных
средах, в том числе и для нагревательных элементов.
Нимоники. В состав этих сплавов, кроме хрома, до-
бавляют титан, алюминий, молибден, вольфрам и т.д.
При термической обработке они образуют с никелем (ко-
бальтом, хромом) дисперсные интерметаллидные фазы
типа (Ni, Со, Cr)3Ti, (Ni, Со,Сг)3А1, упрочняя нимоники.
Состав некоторых дисперсионнотвердеющих сплавов
приведен в табл. 13 (ГОСТ 5632—72). Типичная терми-
ческая обработка: закалка с 1050—1100° С на воздухе,
отпуск — старение при 600—800° С, 12—16 ч.
ТАБЛИЦА 13
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) ДИСПЕРСИОННОТВЕРДЕЮЩИХ
НИКЕЛЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ (НИМОНИК)
Марка Сг Т1 А1 Прочие элементы’
ХН77ТЮ 19—22 2,3—2,7 0,55—0,95 «0,01 Се
ХН77ТЮР 19—22 2,4—2,8 0,60—1,00 «0,01 В
ХН70МВТЮБ *» 16—19 1,9—2,8 1,0—1,7 2,0—3,5 W; 0,01 В; 0,02Се
ХН55ВМТФКЮ*1 9—12 1,4—2,0 3,6—4,5 4,5—6,5 W; 12—16 Со; 0,02В
Нимоник 90 18—21 2,0—2,8 0,8-1,2 15—21 Со
Нимоник 100*2 10—12 1—2 4—6 18—22 Со; 2,0 Fe
*' Содержит 4—6% Мо.
*2 Содержит 4,5—5,5% Мо.
347
Кобальтовые сплавы. Применяют редко ввиду боль-
шой дефицитности кобальта, хотя они по свойствам
лучше сплавов на основе никеля. Сплав ЭИ416 содержит
0,35—0,45% С; 18—21% Сг; 3,5—5,8% Мо; 3,8—5,8% W.
Сплав ЛК4 (виталлиум) содержит 0,20—0,35% С; 25—
30% Сг; 1,5—3,5% Ni и 4,5—6,5% Мо. Из этого сплава
детали изготавливают прецизионными методами литья.
Его применяют для лопаток соплового аппарата ре-
активных двигателей. Кобальтовые сплавы имеют высо-
кую коррозионную стойкость и хорошее сопротивление
истиранию.
Жаропрочные сплавы на основе тугоплавких метал-
лов.
К тугоплавким металлам относятся вольфрам, рений,
тантал, молибден, ниобий. Некоторые их свойства при-
ведены в табл. 14. Сплавы на основе этих металлов обла-
дают максимальной жаропрочностью до 2500° С.
ТАБЛИЦА 14
СВОЙСТВА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
Металл <ПЛ- °с t °C ‘рекр’ V. г/см3 Металл 'пл- °с *рекр’ °С V, г/см3
W 3400 ~1500 19,3 Мо 2625 1000 10,2
Re 3180 1800 21 Nb 2415 1100 8,6
Та 2996 1000 16,2
Примечание. V — плотность (удельный вес).
Молибден и его сплавы. Сплавы на основе молибдена
применяют более часто по сравнению с другими туго-
плавкими сплавами. В качестве легирующих добавок
для повышения температур рекристаллизации в них
вводят титан, цирконий, ниобий. Получены опытные
сплавы с добавлением рения до 30—50%.
Сплав ВМ1 содержит ^0,25% Zr; ~0,4% Ti. Сплав
ВМ2 легирован цирконием 0,2—0,4%. Свойства этого
сплава при различных температурах следующие:
t, °C...... —70 20 800 1500
ав, кгс/мм2. . 100 80 70 15
б, %........... 7 10 13 25
Обладая высокой жаропрочностью, молибден и его
сплавы заметно окисляются уже начиная с 450° С. По-
этому необходима их защита от окисления. Основной спо«
34'8
соб защиты — силйцирование. На поверхности сплавов
образуется слой MoSi2 толщиной 0,03—0,04 мм. Этот
слой полностью защищает сплав от окисления при
1100—1200° С. При 1700° С силицированные детали мо«
гут работать до 30 ч.
Вольфрам и его сплавы. Вольфрам — наиболее туго-
плавкий металл. Его используют в качестве легирующего
элемента в сталях и сплавах различного назначения,
в композитных материалах (медь4-волокно вольфрама,
ав== 1504-200 кгс/мм2, £=400000 кгс/мм2), В электро-
технике и электронике (нити накала, эмиттеры, нагре-
ватели в вакуумных приборах и т.п.). Из вольфрама
изготавливают эрозионные вставки в критические сече-
ния сопел двигателей и т. д.
В качестве легирующих элементов к вольфраму до-
бавляют 0,25—0,4% Мо; 1,5—12% Та; 3—35% Re.
Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до
— 196° С.
Наибольшее повышение жаропрочности вольфрамо-
вые сплавы приобретают при добавлении 1—2% ThOj ,
Сплав вольфрама с 5—10% Re и 1—2% ThO2 имеет
aW09°C ~ 15 кгс/мм2.
Как и сплавы молибдена, сплавы вольфрама не обла-
дают жаростойкостью при температуре выше 500° С.
Пленки окислов, образующиеся на поверхности этих
сплавов, более чем в три раза превышают объем метал-
лов, поэтому они растрескиваются и отслаиваются.
Глава 13
СТАЛИ И СПЛАВЫ
С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
В приборостроении широко применяют стали и спла-
вы с особыми физическими свойствами, к которым
в зависимости от их назначения предъявляют различные
требования. Для многих металлических деталей прибо-
ров иногда необходимо получить заданные магнитные
характеристики, для других деталей — определенные
электрические величины, тепловые свойства и т. д.
• За счет увеличения температуры рекристаллизации иа 400—
50е С, т. е. до 2000—2200° С.
849
Как правило, к выплавке сплавов с особыми свойст-
вами предъявляют очень высокие требования относи-
тельно точного химического состава и чистоты по приме-
сям. Такие сплавы называют прецизионными.
МАГНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
Явление ферромагнетизма веществ связано с особен-
ностями строения атомов. Ферромагнетиками являются
три металла — железо, кобальт, никель и некоторые
сплавы на их основе.
Магнитные стали и сплавы по назначению подразде-
ляют на магнитномягкие и магнитнотвердые, различаю-
щиеся значениями основных магнитных характеристик,
а также формой петли гистерезиса. Среди них немало
сплавов, относящихся к прецизионным сплавам.
Магнитномягкие материалы. Для сплавов этой груп-
пы характерны малая коэрцитивная сила Нс, высокая
магнитная проницаемость ц и узкая петля гистерезиса
(рис. 162, а). Кроме того, если они работают в условиях
переменного намагничивания, к ним предъявляют тре-
бования относительно обеспечения минимальных энерге-
тических потерь при перемагничивании. Эти сплавы
должны иметь высокое удельное электросопротивление,
с увеличением которого уменьшаются потери на пара-
зитные вихревые токи.
В зависимости от показателей ферромагнитных
свойств и областей применения магнитномягкие мате-
риалы подразделяют на три группы: низкочастотные, вы-
сокочастотные и материалы с особыми магнитными
свойствами.
В табл. 15 приведены составы и свойства некоторых
из них.
Наиболее простым по составу магнитномягким ма-
териалом является чистое железо. Чем меньшее коли-
чество примесей в нем содержится, тем выше магнитная
проницаемость. Недостатком является низкое электро-
сопротивление. Наклеп, увеличивая коэрцитивную силу,
снижает магнитную проницаемость. Поэтому все марки
железа и кремнистой стали используют в отожженном
состоянии.
Трансформаторная и динамная стали содержат
<0,1 % С и 0,8—4,8% Si. Кремний образует с железом
твердый раствор, тем самым увеличивая электросопро-
350
ТАБЛИЦА 15
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МАГНИТНОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ
Материал Марка Химический состав*, % Магнитная проницаемость Bs, Ге нс< Э
начальная, Гс/Э максимальная Гс/Э
Технически чистое железо э — 3 500 — 1,2
ЭА — — 4 000 21 800 1,0
ЭАА <0,1 с 250 4 500 — 0,8
Электролитическое железо — <0,01 с 500 15000 22 000 .0,36
Электротехническая кремнистая Э31 | <0,1С 250 5 500 19 000 0,55
сталь Э310 / 3,3 Si 1000 30000 19 800 0,12
Э41 1 <0,1С 300 6 000 18 800 0,45
Э45 J 4,3Si, 0,1С 600 10 000 — 0,25
Пермендюр — 50 Со, 1,8 V 1100 4000 23 800 1,8
Низколегированный пермаллой 45Н 45 Ni 1700—2500 16000— 23 000 15 000 0,20—0,30
Высоколегированный пермаллой 79Н 78,5 Ni <12000 <100 000 — 0,025
79НМ 79,5 Ni, 3,8Mo 14 ОСО- 22 000 60 000— 120 000 137000; 7 500 0,02; 0,06
Алснфер — 9,6Si, 5,4Al 35 100 > 117 000 11000 0,022
оэ * Остальное — железо.
СИ
тивление (кремнистые электротехнические стали отно-
сятся к ферритному классу). Кремний уменьшает пло-
щадь петли гистерезиса, увеличивает склонность стали
к росту зерна, что в свою очередь способствует увели-
чению магнитной проницаемости.1
Магнитномягкое железо и кремнистые стали марки-
руют буквой Э. Для железа далее следуют буквы А,
Рис. 162. Гистерезисные кривые для магнитномягкого (а) и магнитно-
твердого (б) сплавов
характеризующие степень чистоты по примесям (Э, ЭА,
ЭАА). Электротехническую кремнистую сталь маркиру-
ют ЭН, Э21, Э310, Э41 и т. д. Первая цифра указывает
содержание кремния в процентах, вторая показывает
гарантированные электрические и магнитные свойства
стали.
В ряде случаев требуются сплавы с высокой началь-
ной магнитной проницаемостью в слабых магнитных
полях. Такие сплавы называют пермаллоями. Пермал-
лои— сплавы железа с никелем (35—85% Ni), часто
с добавкой молибдена (3,2—3,8%). Магнитная прони-
цаемость этих сплавов существенно зависит от состава.
Пермендюр — сплав железа с кобальтом и ванадием,
характеризующийся высокой индукцией насыщения и
повышенной стабильностью во времени, обратимой маг-
нитной проницаемостью.
Алсифер — сплав системы железо — алюминий —<
кремний. Он обладает высокой магнитной проницае-
мостью в слабых полях и имеет небольшую коэрцитивную
1 Для получения крупного зерна перед последним отжигом де-
формацию заканчивают критической степенью обжатия.
352
силу. Алсифер по сравнению с пермаллоем является де-
шевым материалом, так как не содержит дефицитных
элементов. Однако алсифер не может быть заменителем
пермаллоя ввиду хрупкости и плохой обрабатываемости
режущим инструментом. Детали из алсифера можно из-
готавливать только фасонным литьем.
Магнитнотвердые материалы используют для изго-
товления постоянных магнитов различного назначения.
Они имеют большую остаточную индукцию, высокую
коэрцитивную силу и небольшую магнитную проницае-
мость. Для них характерна широкая петля гистерезиса
(см. рис. 162,6). Важнейшей характеристикой этих
сплавов является максимальная удельная магнитная
энергия (отнесенная к 1 м3 объема магнита)
\¥тахДж/м3.
Для достижения указанных свойств состав и техноло-
гию производства магнитнотвердых материалов рассчи-
тывают так, чтобы в максимальной степени зафиксиро-
вать неравновесное структурное состояние ферромагне-
тика с высокими внутренними напряжениями. Для этого
проводят такие виды обработки, как закалку и старение,
модифицирование и т. д., соответственно вызывающие
искажение кристаллической решетки, выделение диспер-
сных фаз и измельчение зерна. Конечным результатом
является повышение коэрцитивной силы ферромагнети-
ка. Основные магнитнотвердые материалы приведены
в табл. 16.
Наиболее простой по составу и дешевой является
высокоуглеродистая сталь У8—У10, применяющаяся для
изготовления мелких неответственных магнитов. Более
качественными являются хромистые стали, содержащие
от 1,5 до 3,2% Сг. Добавки кобальта значительнее повы-
шают магнитные свойства стали. Применяя эти стали,
следует учитывать их высокую стоимость и по возмож-
ности заменять более дешевыми сталями.
Для изготовления высококачественных магнитов
ответственного назначения применяют сплавы алии, ал~
ниси, алнико (магнико). Их достоинствами являются
высокая удельная магнитная энергия, а также коэрци-
тивная сила, которая примерно на порядок выше, чем
у углеродистой и хромистой сталей. Поэтому, например,
магниты из сплавов магнико при равной магнитной энер-
гии примерно в двадцать раз легче магнитов из хроми-
стой стали.
23-481
353
ТАБЛИЦА 16
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ
МАГНИТНОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Сплаз Химический состав*, % Коэрцитив- ная сила 3 Остаточная индукция Гс Удельная маг- нитная энер- Г11Я "’’max’ Дж/м3 Термическая обработка
Углеродистая сталь У10 1С 60 70 — Закалка с 1000° С в воде
Хромистая сталь ЕХЗ 1 С; 3,2Сг 60 9 500 1 100 Нормализация при 1200° С, закалка с 860° С в масле
Кобальтовая сталь ЕХ5К5 1С;5Сг; 5 Со 90 8 500 1500 Нормализация при 1150° С, закалка с 950° С в масле
Алниси (ЮН1) 22 Ni; 11 Al 250 7000 2 800 Закалка с 1200° С в ки- пящей воде
Алнис (ЮНЗ) 23,5 Ni; 15,5 Al; 4 Си 500 5 000 3 600 Нормализация при 1100°С
Алниси (ЮНС) 33 Ni; 13.5A1; ISi 750 4 000 4 300 Нормализация при 1200° С
Ал1Н1ко (ЮНДК12) 18 Ni; 10 Al; 12 Co; 6 Си 500 6 800 5 500 Нормализация при 1250° С
Магнико (ЮНДК24) 13,5 Ni; 9 Al; 24 Co; 3Cu 500 12 300 15000 Закалка с 1300° С в маг- нитном поле, отпуск при 600° С
* Остальное железо.
Магниты из этих сплавов получают методом точного
литья. Обладая большой твердостью и хрупкостью, они
поддаются только шлифовке.
Немагнитные стали и чугуны
Бронзы, латуни, алюминиевые и другие сплавы цвет-
ных металлов немагнитны. Но, во-первых, по сравнению
354
со сплавами на основе железа они более дефицитны и,
во-вторых, имеют более низкие механические свойства.
Поэтому в качестве немагнитных материалов применяют
главным образом стали и чугуны, легированные нике-
лем, марганцем, кремнием, алюминием и медью. Стали
имеют структуру аустенита, а чугуны — аустенита с
графитом, например стали
типа 12Х18Н9, Н12ХГ,
55Г5Н20, 4БГ17ЮЗ и т. д.
Естественно, что предпочте-
ние отдается сталям, содер-
жащим меньше дефицитно-
го никеля, который по воз-
можности заменяют мар-
ганцем. Так, сталь
45Г17103, имеющая аусте-
нитную структуру, дешевая
и технологичная, может
быть заменителем сталей,
содержащих большое коли-
чество никеля.
Рис. 163. Коэффициент линейно-
го расширения железой ниеле-
вых сплавов (Шевенар)
СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ТЕПЛОВЫМИ
И УПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ
Для большинства двойных систем изменение коэф-
фициента линейного расширения подчиняется закону
Курникова. Исключение составляют системы Fe—Ni
(рис. 163) и Fe—Pt. Из приведенного графика на
рис. 163 видно, что для чистого железа а=12-10-6, чис-
того никеля а=13,5-10-6, а для сплава железа с 25% Ni
величина а достигает почти 20-10-6 (разрыв на кривой
соответствует а->у-переходу). Сплавы, содержащие
больше 25% Ni, имеют аустенитную структуру. Аномаль-
ность изменения коэффициента линейного расширения
сплавов системы Fe—Ni широко используют в технике.
При 36% Nia=l,5-10-6. Сплав с таким содержанием
никеля называется инваром и маркируется Н36. Инвар
сохраняет постоянным коэффициент линейного расши-
рения в интервале температур от —80 до +100оС. Его
применяют для изготовления деталей приборов, которые
не должны заметно изменять размеры при колебаниях
температуры.
23*
355
Сплав суперинвар Н31К6 (30—34% Ni; 4—6% Со;
ост. Fe) имеет минимальный коэффициент линейного
расширения (а= 1,0-10~6) и сохраняет его постоянным
в температурном интервале от —60 до 4-60° С.
Широкое применение находит железоникелевый
сплав, содержащий около 48% Ni марки Н48, называе-
мый платинитом. У этого сплава коэффициент линейно-
го расширения имеет такую же величину (а«9-10-6),
как у платины и стекла. До появления этого сплава в ка-
честве проводников для вводов в стеклянные приборы
применяли платину. Если спай платинита со стеклом
подвергается нагреву, то в результате одинакового рас-
ширения обоих материалов в стекле не возникает напря-
жений. Коэффициент линейного расширения у платини-
та изменяется незначительно до 400° С, а при более вы-
сокой температуре сильно увеличивается.
Железоникелевый сплав с 38% Ni имеет коэффици-
ент линейного расширения одинаковый с фарфором и его
используют в радиотехнике.
Спайку тугоплавких стекол с более низким коэффи-
циентом линейного расширения проводят со сплавом
ковар (Н29К18), содержащим около 29% Ni, около
20% Со и остальное железо. У сплава ковар величина а
остается такой же, как и у тугоплавких стекол, пример-
но до 500° С.
К этой группе сплавов относятся и железохромонике-
левые сплавы — элинвары, например Н36Х8 и др.
Эти сплавы наряду с низким коэффициентом линей-
ного расширения сохраняют постоянные упругие свой-
ства (~до 100°С), вследствие чего их применяют для
изготовления пружин в часах и точных приборах.
Глава 14
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Цветные металлы являются более дорогими и дефи-
цитными по сравнению с черными металлами, однако
область их применения в технике непрерывно расширя-
ется. В связи с развитием новых отраслей промышлен-
ности непрерывно возникают новые специфические тре-
бования к металлическим материалам. Это вызвало бы-
строе развитие производства многих металлов, которые
в недалеком прошлом изготавливали в небольших коли-
356
чествах только для целей исследования. Более высокие
требования (например, жесткие требования к массе кон-
струкций, высокой удельной прочности и устойчивости)
предъявляют и к конструкционным металлам, что за-
ставляет в ряде случаев использовать цветные металлы
и сплавы.
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Медь — пластичный металл. Плотность меди у=
=8,9г/см3, /пл=1083°С, ов~20—25кгс/мм2, НВ85—115,
б «50%, ф«75%, теплопроводность меди Х«340 ккал/
/(м-град-ч).
Медь является важнейшим материалом из проводни-
ковых, по электропроводности лишь незначительно усту-
пая серебру. Поэтому примерно половину всей меди по-
требляет электрорадиотехническая промышленность для
изготовления разнообразных проводников: монтажных и
обмоточных проводов, токопроводящих деталей приборов
и аппаратов и т. д. Широкое применение медь находит
также в электровакуумной технике.
Электропроводность меди существенно понижается
при наличии даже очень небольшого количества приме-
сей. Поэтому в качестве проводникового материала ис-
пользуют электролитическую медь марок Ml (99,9%),
МО (99,95%) и особо чистую медь М00 (99,99%). В за-
висимости от механических свойств различают медь
твердую, нагартованную (медь МТ) и медь мягкую,
отожженную (медь ММ).
Прочность и технологические свойства меди сильно
понижаются при наличии висмута, свинца, серы и кисло-
рода, которые являются вредными примесями. Действие
висмута и свинца аналогично действию серы в стали: они
образуют с медью легкоплавкие эвтектики, располага-
ющиеся по границам зерен, что приводит к разруше-
нию меди при ее обработке давлением в горячем состоя-
нии. Поэтому допускается содержание висмута
0,002 %, а свинца 0,005 %. Сера и кислород умень-
шают пластичность меди.
Вследствие недостаточной прочности технически чис-
тую медь применяют редко в качестве конструкционного
материала. Широкое распространение в промышленнос-
ти имеют сплавы меди с другими элементами — латуни
и бронзы. Медь и многие ее сплавы стойки против атмос-
ферной коррозии.
357
Латуни
Латунями называют медные сплавы, в которых основ-
ным легирующим элементом является цинк. В системе
медь — цинк (рис. 164) образуются шесть твердых рас-
творов: а, р, у, 6, е, т). Практическое значение имеют
сплавы, содержащие примерно до 42—43% Zn.
Рис. 164. Диаграмма состояния медь — цинк
При содержании цинка до 39% латуни однофазны
(а-латуни), до 46% — двухфазны (а+р'). Однофазные
латуни характеризуются высокой пластичностью; р'-фа-
за очень хрупкая и твердая, поэтому двухфазные латуни
имеют более высокую прочность и меньшую пластич-
ность, чем однофазные.
Влияние химического состава на механические свой-
ства отожженных латуней показано на рис. 165. При со-
держании цинка до 30% возрастают одновременно и
прочность, и пластичность. Затем пластичность умень-
шается, вначале за счет усложнения a-твердого раство-
358
pa, а затем происходит резкое ее понижение в связи с по-
явлением в структуре хрупкой (У-фазы. Прочность уве-
личивается до содержания цинка около 45%, а затем
уменьшается так же резко, как и пластичность.
Большинство латуней хорошо обрабатывается давле-
нием. Особенно пластичны однофазные латуни. Они де-
формируются при низких и при
Однако в интервале 300—
700° С существует зона хруп-
кости, поэтому при таких тем-
пературах латуни не деформи-
руют.
Двухфазные латуни пла-
стичны при нагреве выше тем-
пературы р'^р-превращения,
особенно выше 700° С, когда
их структура становится од-
нофазной (р-фаза).
Для повышения механиче-
ских свойств и химической
стойкости латуней в них ча-
сто вводят легирующие эле-
высоких температурах.
Рис. IG5. Влияние цннка на
механические свойства лату-
ней
менты: алюминий, никель, марганец, кремний и т. д.
Олово, марганец и алюминий увеличивают прочность
и коррозионную стойкость (так называемые «морские
латуни»). Кремний увеличивает твердость и прочность,
улучшает литейные свойства.
Латуни маркируют буквой Л и числом, указывающим
среднее содержание меди. Например, Л80 — латунь, со-
держащая 80% Си и 20% Zn. В марках латуней сложно-
го состава имеются буквы, соответствующие введен-
ным легирующим элементам. Например, в латуни
ЛМцС58-2-2 содержится 58% Си; 2% Мп и 2% РЬ (ос-
тальное Zn).
Из а-латуней наиболее применимы сплавы с 90, 80 и 70—
68% Си. Латунь, содержащую 90 и 80% Си, называют томпаком;
латунь, содержащую 70—68% Си, — патронной (или гильзовой),
так как в артиллерийском производстве ее с давних пор при-
меняют для изготовления гильз. Латунь ЛА77-2 применяют для кон-
денсаторных трубок, она обладает повышенной стойкостью в мор-
ской воде. Латунь ЛМц 58-2 имеет повышенную прочность. Никелевую
латунь ЛН 65-5, обладающую повышенной коррозионной стой-
костью, используют для конденсаторных и манометрических трубок.
Свинцовистые латуни ЛС 60-1 и ЛС 59-1 применяют для деталей,
изготавливаемых горячим прессованием. Они хорошо обрабатывают-
ся резанием.
359
Более 15 марок латуней обладают хорошими литей-
ными свойствами (см. раздел III, гл. 4). В их состав
вводят алюминий, железо, марганец.
Состав и свойства распространенных латуней приве-
дены в Приложении, табл. 15.
Отрицательным свойством латуней, содержащих бо-
лее 20% Zn и особенно более 30% Zn, является их склон-
ность к растрескиванию при вылеживании во влажной
атмосфере и особенно в атмосфере, содержащей следы
аммиака (так называемое «сезонное растрескивание»).
Оно наблюдается в деформированных изделиях. Сущ-
ность такого явления заключается в предпочтительной
коррозии по границам зерен. Для устранения этого явле-
ния после деформации латунь подвергают отжигу при
240—260° С.
Бронзы
Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и дру-
гими элементами, среди которых цинк не является основ-
ной добавкой, называют бронзами.
Бронзы обладают хорошими литейными свойствами,
их усадка при литье в три раза меньше, чем у стальных
отливок. Некоторые бронзы имеют достаточно высокую
пластичность и хорошо обрабатываются давлением и
резанием. Большинство бронз имеет хорошую коррозион-
ную стойкость. Бронзы широко используют как антиф-
рикционные сплавы.
Маркируют их буквами Бр, далее следует буквы и
цифры, показывающие содержание легирующих элемен-
тов, а содержание меди определяется по разности от
100%. Например, в бронзе марки БрОЦС8-4-3 содержит-
ся 8% Sn, 4%Zn, 3% Pb и остальное медь.
Оловянистые бронзы являются старейшими металли-
ческими сплавами. Диаграмма медь — олово представ-
лена на рис. 166, а.
Структура оловянистых бронз вследствие ликва-
ции не всегда соответствует равновесной диаграмме
сплавов Си—Sn. Литые бронзы, содержащие до 5%Sn,
почти полностью состоят из a-фазы, поэтому обладают
пластичностью и небольшой прочностью (рис. 166,6).
С увеличением содержания олова до 8—10% бронзы со-
стоят иза-твердого раствора олова в меди неоднородной
концентрации и эвтектоида (а--|-б).
360
Оловянистые бронзы устойчивы против действия ат-
мосферы, морской воды, растворов NaOH, Na2CO3 и др.
Бронзы неустойчивы в HNO3 и НС1.
О 10 20 30 00 О 10 20 30 00
Си СедепжаниЕ Sn,%
Рис. 166. Диаграмма состояния медь —олово (с) и влияние олова на меха-
нические свойства бронз (б)
Рис. 167. Микроструктура алюминиевой бронзы с 10,5% Al. X100:
я—после медленного охлаждения с 200° С (а4-эвтектоид); б —после быстрого
охлаждения (маргемсит)
Алюминиевые бронзы. Эти материалы обладают хо-
рошими технологическими и механическими свойствами
и не содержат дефицитных элементов. При нормальной
температуре в меди может быть растворено до 9 % А1
с образованием однородного a-твердого раствора. При
содержании алюминия больше 9% в сплаве образуются
361
частицы металлического соединения алюминия с медью,
называемого 6-фазой, сплав становится двухфазным
(рис. 167, а).
Обычно в алюминиевых бронзах содержится 9—
11% А1. Бронзы, содержащие больше 10% А1, можно
подвергать закалке, нагревая до 900° С. В результате
образуется ориентированная структура, имеющая иголь-
чатый вид и напоминающая мартенсит (рис. 167, б).
В результате закалки прочность и твердость увеличива-
ются, а пластичность понижается.
Эти бронзы обычно легированы не только алюмини-
ем, но и железом, никелем, марганцем, например
БрАЖ9-4 (8—10% А1; 2—4% Fe), БрАЖМцЮ-3-1,5
(9,5—11% А1; 2—4% Fe; 1—2% Мп).
Из алюминиевых бронз изготавливают зубчатые ко-
леса, сальники, детали турбин, электропроводные пру-
жины и т. д. Они хорошо работают в условиях износа,
повышенного давления и даже повышенных темпе-
ратур.
Бронзы БрАЖН10-4-4 (10% А1; 4% Fe; 4% Ni) и
БрАЖН! 1-6-6 (11% А1; 6% Fe; 6% Ni) являются наибо-
лее прочными из всех алюминиевых бронз. Сочетание
прочности, высокой химической стойкости и антифрикци-
онных свойств делает эти бронзы ценными материалами,
применяемыми для изготовления втулок, седел клапанов,
шестерен и других трущихся деталей.
Кремнистые бронзы. Применяют в качестве замените-
лей оловянистой бронзы. Они содержат 1—3% Si. Эти
бронзы имеют хорошие литейные свойства, обрабатыва-
ются резанием, деформируются в горячем состоянии. По
механическим свойствам они даже выше оловянистых
бронз. Обладают высокой упругостью, выносливостью,
антикоррозионной стойкостью. Их используют для дета-
лей, работающих до 500° С.
Наиболее распространенными являются бронзы
БрКН1-3 и БрКМцЗ-1. Эти бронзы упрочняются терми-
ческой обработкой — закалкой с 850—875° С в воде с
последующим отпуском — старением при 410—475° С.
Из бронзы БрКН1-3 (1% Si; 1% Ni) изготавливают
ответственные детали, работающие в тяжелых условиях
температуры и трения. Из бронзы БрКМцЗ-1 (3% Si;
1% Мп) делают полосы, прутки, втулки, клапаны,
плоские и круглые пружины. Иногда ее используют как
заменитель дорогой бериллиевой бронзы.
362
Бериллиевые бронзы. Эти бронзы содержат 2—2,5% Ве;
Бериллий — дорогой и редкий металл, однако комп-
леке свойств этих бронз настолько высокий, что их про-
изводство экономически оправдано.
Бериллиевую бронзу БрБ2 используют в приборост-
роении для изготовления ответственных пружин, мем-
бран и других пружинящих деталей. Для этой бронзы
характерны химическая стойкость, хорошая сваривае-
мость, обрабатываемость режущим инструментом.
После термической обработки — закалки с 780° С
в воде и старения при 300° С 3 ч — сплав сильно упроч-
няется за счет выделившихся дисперсных частиц. Бронза
БрБ2 приобретает предел прочности до 150 кгс/мм’ при
относительном удлинении, равном 2%, и твердости
НВ 375.
Бериллиевая бронза является искробезопасной, по-
этому из нее делают электрические контакты и ударный
инструмент для работы во взрывоопасных атмосферах.
Состав и механические свойства некоторых бронз
приведены в приложении, табл. 16.
АЛЮМИНИИ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий является одним из наиболее легких кон-
струкционных металлов; его плотность (удельный вес)
составляет 2,7 г/см3. Технически чистый алюминий имеет
относительно невысокую температуру плавления
(660°С), незначительную прочность, низкую твердость,
но очень высокую пластичность. В отожженном состоя-
нии предел прочности составляет 10 кгс/мм2, твердость
НВ25, относительное удлинение 40%.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкос-
тью к действию влаги, растворов азотной кислоты и мно-
гих других агрессивных сред, что объясняется наличием
на его поверхности защитной окисной пленки А120з. Цен-
ными технологическими свойствами алюминия являются
его хорошая деформируемость и свариваемость — алю-
миний легко подвергается горячей, а также холодной об-
работке давлением и сваривается всеми видами сварки.
Алюминий и некоторые его сплавы используют в ка-
честве проводниковых материалов. Его удельная элект-
ропроводность составляет около 60% от электропровод-
ности меди. Однако при расчете алюминиевых проводов
эквивалентного сечения при заданной силе тока алюми-
Збз
ниевый провод получается примерно в два раза л'ёгчё
прочности
Рис. 168. Типовая диаграмма состо-
яния алюминий — легирующий эле-
мент
медного.
Так же, как и в меди, в проводниковом алюминии ко-
личество примесей должно быть минимальным. В элек-
тротехнической промышленности используют алюминий
марок А00 (99,7%), А0(99,6%) и А1 (99,5%). Для повы-
шения прочности применяют нагартованный алю-
миний АТ.
Ввиду низкой прочности
и незначительной упрочня-
емости при пластической
деформации в холодном со-
стоянии технически чистый
алюминий как конструкци-
онный материал используют
сравнительно редко. Нагар-
тованный алюминий имеет
предел прочности, равный
15 кгс/мм2 при относитель-
ном удлинении 10%). Одна-
ко в результате сплавле-
ния алюминия с магнием,
медью, цинком и некоторыми другими элементами уда-
ется получить алюминиевые сплавы с достаточно высо-
кой прочностью, малой плотностью (удельным весом) и
хорошими технологическими свойствами.
По технологическому признаку алюминиевые сплавы,
как и другие металлические сплавы, подразделяют на де-
формируемые и литейные.
На рис. 168 приведена левая часть диаграммы состоя-
ния алюминий — легирующий элемент. Из диаграммы
видно, что все сплавы, находящиеся левее точки D, мож-
но перевести в однофазное состояние твердого раствора
с помощью нагрева. Эти сплавы имеют высокую пла-
стичность, хорошо обрабатываются давлением и от-
носятся к группе деформируемых алюминиевых
сплавов.
Точка D соответствует предельной растворимости ле-
гирующего элемента в a-твердом растворе при эвтекти-
ческой температуре. Поэтому сплавы по содержанию ле-
гирующего элемента, находящиеся правее точки/), имеют
структуру а+эвтектика. Такие сплавы плохо обраба-
тываются давлением, но благодаря наличию эвтектики
обладают высокими литейными свойствами.
364
Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяют
на две группы: сплавы, не упрочняемые термической об-
работкой (сплавы А левее точки F, их структура при лю-
бых температурах состоит из зерен однородного твердо-
го а-раствора), и сплавы, упрочняемые термической об-
работкой (сплавы Я, расположенные между точками F
и D) (рис. 168). Упрочняющая термическая обработка
таких сплавов заключается в закалке и последующем
старении пересыщенного a-твердого раствора.
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочня-
емые термической обработкой. Прочность алюминия
можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняе-
мые термической обработкой, вводят марганец или маг-
ний. Входя в кристаллическую решетку алюминия, ато-
мы этих элементов существенно повышают его проч-
ность, снижая при этом пластичность. Сплав алюминия
с марганцем обозначают АМц, сплавы алюминия с маг-
нием — АМг. Среднее содержание в сплаве магния в про-
центах дополнительно обозначают цифрами (например,
АМгЗ, АМгб и т. д.). Магний эффективно действует как
упрочнитель: прочность сплава АМгб примерно в три ра-
за больше, чем прочность алюминия. Марганец вводят
не только для упрочнения сплавов, но и для повышения
их коррозионной стойкости.
Прочность сплавов АМц и АМг можно повысить толь-
ко в результате пластической деформации в холодном
состоянии. Чем больше степень деформации, тем значи-
тельнее возрастает прочность и понижается пластич-
ность сплава. В зависимости от степени упрочнения раз-
личают сплавы полунагартованные и нагартованные,
что дополнительно отмечают в обозначении марки бук-
вой П или Н соответственно (АМгЗП, АМгЗН), отожжен-
ное состояние обозначают буквой М (АМгЗМ).
Эти сплавы применяют для изготовления различных
сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот,
трубопроводов, а также мало- и средненагруженных де-
талей конструкций.
Деформируемые термически упрочняемые сплавы.
Содержание легирующих элементов в сплавах, упрочня-
емых термической обработкой, должно быть больше,
чем предел их растворимости в алюминии при нормаль-
ной температуре. В то же время оно не должно превы-
шать предела их растворимости в твердом алюминии при
нагреве.
365
На рис. 169 приведена диаграмма состояния сплавов
алюминия с медью. Медь растворяется в кристалличе-
ской решетке алюминия с образованием a-твердого рас-
твора, причем растворимость меди в алюминии с пони-
жением температуры уменьшается от 5,5% при 548° С
до 0,5 при 20° С (линия DF). Кроме твердого раство-
ра, медь образует с алюминием металлическое соедине-
ние состава СиА12, которое содержит 55% Си, и его обо-
05 5,510 20 '30 w so'
Al Cu”7<
Рис, 169. Диаграмма состояния
сплавов алюминия с медью
значают как 0-фаза.
Рассмотрим структур-
ные превращения, происхо-
дящие при термической об-
работке, на примере спла-
ва, содержащего 4% Си
(см. рис. 169). При нагреве
до температуры t\ сплав
имеет структуру однород-
ного a-твердого раствора.
При последующем медлен-
ном охлаждении в резуль-
тате изменения растворимо-
сти меди в алюминии из a-твердого раствора выделяют-
ся мелкие включения 0-фазы, которые распределяются
преимущественно по границам зерен.
Если этот же сплав закалить в воде с температуры
Л, то при комнатной температуре окажется зафиксиро-
ванным высокотемпературное состояние сплава, т. е.
сплав будет иметь структуру пересыщенного а-твердого
раствора, содержащего 4% Си. Непосредственно после
закалки сплав имеет предел прочности 25 кгс/мм2.
Состояние пересыщенного твердого раствора термо-
динамически неустойчиво и с течением времени в нем
самопроизвольно начинают протекать процессы, подго-
тавливающие выделение избыточной меди (в виде СиА12).
В результате продолжительного вылеживания при ком-
натной температуре прочность сплава постепенно увели-
чивается и через пять-семь суток достигает примерно
40 кгс/мм2. Одновременно с повышением прочности плас-
тичность сплава уменьшается. Это явление называется
старением.
Самопроизвольное повышение прочности закаленного
сплава, происходящее в процессе его выдержки при нор-
мальной температуре, называется естественным ста-
рением.
366
При старении важное для практики значение имеет
так называемый инкубационный период — время, в те-
чение которого закаленный сплав сохраняет высокую
пластичность. Это позволяет непосредственно после за-
калки проводить холодную деформацию, расклепывание
заклепок и т. д. Микроструктура закаленного и естест-
венно состаренного алюминиевого сплава с 4% Си ни-
бд,кгс/ммг
0 12 3 4 5 6 7
Продолжительность, дни
Рис. 170. Кривые старения дуралюмина при различных тем-
пературах
а — свежезакаленное состояние; б—1 стадия старения (зоны Г.П.); в—II
стадия; г—III стадия
367
чем не отличается от микроструктуры этого сплава пос-
ле закалки.
При нагреве этого же закаленного сплава упрочне-
ние протекает значительно быстрее, как это видно из
кривых, приведенных на рис. 170.
Повышение прочности закаленного сплава, происхо-
дящее в процессе его выдержки при нагреве, называется
искусственным старением. Исследования с использовани-
ем рентгеноструктурного метода показали, что упрочне-
ние является следствием изменений в тонком кристалли-
ческом строении. Современные представления об этих
превращениях основаны на работах Гинье, Престона,
С. Т. Конобеевского и Ю. А. Багаряцкого.
Схематически такие процессы представлены на
ряс. 171. В свежезакаленном сплаве атомы меди распо-
лагаются случайно (рис. 171, а). Но сразу же после за-
калки начинается перемещение (диффузия) атомов меди
к некоторым участкам. Эти скопления атомов меди (зо-
ны) образуются на отдельных плоскостях куба решетки
алюминия по границам блоков мозаичной структуры,
в местах скопления дислокаций. Зоны сегрегации меди
имеют толщину в несколько атомных диаметров (2—3)
и линейную протяженность порядка 50—100 А. Они ко-
герентно связаны с решеткой алюминия и вызывают в
ней искажения, а тем самым упрочняют сплав. Такие
зоны называют зонами Гинье—Престона и их обознача-
ют Г. П. (рис. 171,б).
Ввиду большой разницы в атомных диаметрах меди
и алюминия (11,8%), обусловливающей значительную
упругую деформацию решетки, зоны Г. П. в таких с’пла-
вах тонкопластинчатые, дискообразные1 (диаметр
100 А). Зоны Г. П. в виде пластин или дисков имеют
определенные «критические» размеры, устойчивые для
данной температуры старения (I стадия старения). Так,
при 150° С зоны диаметром 50 А становятся неустойчи-
выми, они растворяются и вместо них формируются но-
вые зоны протяженностью до 400 А при толщине в 10—
О
40 А. Естественное старение заканчивается образованием
зон Г. П., искусственное — при температурах ниже
1 В сплавах Al—Zn—Mg зоны Г. П. имеют форму сфер, в спла-
вах Al—Mg—Si и Al—Mg—Си — форму нгл.
338
100° С. При температурах старения 150° С и выше ско-
рость диффузии атомов меди увеличивается. Происходит
дальнейшая перестройка решетки твердого раствора, об-
разование новой фазы (называемой б'-фазой Вассерма-
на), имеющей решетку, отличающуюся от решетки
a-твердого раствора, но еще когерентно связанную с ней
(рис. 171, в). Это сущность II стадии старения. Искаже-
ния в решетке даже несколько увеличиваются по сравне-
нию с I стадией старения, следовательно, прочность
сплава продолжает возрастать. Металлографически ни-
каких изменений в структуре сплава еще не наблю-
дается.
В зависимости от температуры нагрева и продолжи-
тельности выдержки после появления указанных зон
происходит обособление и выделение дисперсных час-
тиц O'-фазы, которая превращается затем в устойчивую
6-фазу (рис. 171,г). Выделившиеся в чрезвычайно дис-
персном виде вторичные фазы блокируют плоскости
скольжения в зернах сплава, что способствует еще
большему упрочнению сплава и препятствует его дефор-
мированию. Повышение прочности сплава, получающе-
еся в результате выделения новой фазы в дисперсной
форме, называют дисперсионным твердением.
Из характера кривых, приведенных на рис. 170,
видно, что чем выше температура искусственного ста-
рения, тем скорее разупрочняется сплав после достиже-
ния им максимальной прочности. Наблюдаемое разуп-
рочнение связано с завершением процесса распада
a-твердого раствора, окончательным выделением из
него вторичных фаз и их дальнейшим укрупнением.
Микроструктура разупрочненного сплава аналогична
микроструктуре этого сплава после отжига.
Очевидно, что подобным же образом будут разуп-
рочняться естественно или искусственно состаренные
алюминиевые сплавы при их нагреве выше 200—250° С.
Это явление называется возвратом.
Необходимо также отметить, что коррозионная
стойкость алюминиевых сплавов после естественного
старения выше по сравнению с искусственно состарен-
ными сплавами.
Дуралюминьд — это сплавы алюминия с медью
(2,2—4,8% Си), магнием (0,4—2,4% Mg) и марганцем
• От французского слова dur — твердый.
24-481
369
(0,4—0,8% Мп). Эти сплавы являются широко распро-
страненными алюминиевыми термически упрочняемыми
сплавами. Марки этих сплавов обозначают буквой Д и
цифрами, которые являются условными номерами спла-
вов, например Д1, Д6, Д16 и т. д. Дуралюмин повы-
шенного качества (более чистый по примесям, с более
узкими пределами содержания легирующих элементов)
обозначают буквой А, например Д16А.
Сплавы типа дуралюмин имеют невысокую корро-
зионную стойкость. Основным способом защиты листов
дуралюмина от коррозии является плакирование. Пла-
кирование заключается в том, что на обе поверхности
листа из дуралюмина наносят тонкий защитный слой
из чистого алюминия, имеющего высокую коррозион-
ную стойкость. Толщина этого слоя составляет 3—5%
от толщины листа.
Сплав В95 относится к числу наиболее прочных
алюминиевых сплавов (2% Си; 2,5% Mg; 0,5% Мп;
6%) Zn; 0,15% Сг; 0,5% Si; 0,5% Fe). Высокие прочно-
стные свойства указанного сплава получаются в основ-
ном за счет легирования цинком и магнием. Марганец
и хром также способствуют повышению прочности и,
кроме того, повышают коррозионную стойкость. Свойст-
ва термически обработанного сплава В95 следующие:
Ов:=60—65 кгс/мм2, 6=84-10%, твердость НВ 150—
170. Этот сплав применяют для изготовления высоко-
нагруженных деталей и силовых элементов конструк-
ций летательных аппа-
ратов.
Состав деформируе-
мых алюминиевых спла-
вов приведен в приложе-
нии, табл. 17.
Ковочные сплавы. В
эту группу входят алю-
миниевые сплавы, из ко-
торых изготавливают де-
тали методами горячей
обработки давлением —
ковкой, штамповкой и
т. д. Сплавы обозначают-
ся буквами АК и циф-
рой, обозначающей про-
сто номер сплава: АК1,
Si,%
Рис. 172. Диаграмма состояния алюми-
ний — кремний ' ' " ‘
Пунктирными линиями показаны прев-
ращения
(начальная область).
для модифицированного
сплава
370
АК5 и т. д. Состав и свойства приведены в ГОСТ
4784—74. Рассмотрим применение этих сплавов в за-
висимости от температурных условий работы: до 100° С
используют сплавы АК.1, АК5, АК6, АК8; примерно до
300° С — сплавы АКЗ и АК4, которые называют жаро-
прочными. По составу первая группа сплавов близка
к дуралюминам, в состав второй группы сплавов до-
полнительно входят никель и титан, например АК4
(1,9—2,5% Си; 1,4—1,8% Mg; 0,8—1,3% Ni; 0,8—
1,3% Fe; 0,02—0,10% Ti).
Жаропрочные алюминиевые сплавы обладают спо-
собностью сохранять механические свойства при по-
вышенных температурах, жаростойкостью против окис-
ляющего воздействия горячих газов и имеют небольшой
коэффициент термического расширения.
Литейные алюминиевые сплавы
Наиболее распространенными литейными алюмини-
евыми сплавами являются сплавы алюминия с кремни-
ем, называемые силуминами. Кремний имеет плотность
(удельный вес) 2,4 г/см3, поэтому его добавка не уве-
личивает массы алюминиевых сплавов.
Начальная область диаграммы состояния алюми-
ний— кремний показана на рис. 172. Большинство си-
луминов являются доэвтектическими сплавами (4—
13% Si). Их структура состоит из a-твердого раствора
и эвтектики, содержащей 11,6% Si. Чем больше
в составе силумина эвтектики, тем лучше литейные свой-
ства.
Эвтектика представляет собой механическую смесь
зерен a-твердого раствора и крупных пластин кремния,
являющегося хрупким и непрочным элементом. При та-
ком крупнопластинчатом строении эвтектики сплав име-
ет сравнительно малую прочность и низкую пластич-
ность (ов~ 14 кгс/мм3, б» 1%).
Для улучшения строения эвтектики и получения бо-
лее мелкозернистой структуры силумины подвергают
модифицированию смесью NaCl и NaF (1/3 NaCl;
2/3 NaF; 2—3% от массы отливки).
Силумины маркируют буквами АЛ и порядковой
цифрой, не характеризующей ни состав, ни свойства
сплава: АЛ2, АЛЗ, АЛ13 и т. д. Химический состав си-
луминов приведен в приложении, табл. 18.
24
371
Силумины широко применяют для изготовления
литых деталей приборов, корпусов турбонасосных агре-
гатов и других мало- и средненагруженных деталей, в
том числе и тонкостенных отливок сложной формы.
Спеченные алюминиевые сплавы
Деформируемые жаропрочные материалы САП получают в ре-
зультате спекания алюминиевых порошков. Вначале из технически
чистого алюминия в специальных распылительных установках полу-
чают порошок — пудру, который затем подвергают дальнейшему
размолу в шаровых мельницах. В процессе этого размола частички
алюминия превращаются в лепестки толщиной примерно 1 мкм и
диаметром 10—30 мкм. При получении алюминиевого порошка и
особенно во время образования мельчайших лепестков на их поверх-
ности образуется пленка А12О3. Чем мельче частицы, тем больше нх
поверхность и тем выше содержание окиси алюминия в порошке.
Полученные порошки брикетируют и спекают при 590—620° С.
Из этих заготовок с помощью горячей или холодной деформации
получают гладкие и ребристые трубы, лопатки компрессоров, фольгу
и другие изделия. Физические свойства САП (плотность, теплопро-
водность, коррозионная стойкость и т. д.) близки к свойствам чис-
того алюминия. Они хорошо свариваются. По сравнению с обычны-
ми алюминиевыми сплавами САП обладают повышенной жаропроч-
ностью — они могут работать длительное время при температурах
350—500° С, а кратковременно — и при значительно более высоких
температурах. С увеличением содержания окиси алюминия прочность
и жаропрочность САП увеличиваются.
САП используют для изготовления деталей в аппаратах, где
уменьшение массы имеет большое значение. Благодаря высокой кор-
розионной стойкости и достаточной жаропрочности их используют
для деталей двигателей, а также в нефтяной и химической промыш-
ленности.
Сплавы САС получают так же, как и сплавы САП. Отличие — в
составе порошков. Для сплавов САС используют смесь порошка
алюминия или алюминиевого сплава, например Д16, с порошками
легирующих элементов (Fe, Сг, N1 и др.). При производстве САС
стремятся получать минимальное количество окиси алюминия.
Упрочнение сплавов осуществляется за счет дисперсных интерметал-
лидов, образующихся при взаимодействии алюминия с легирующими
элементами (СгА17, FeAl3 и др.). Изделия из сплавов САС получают
теми же методами, что и из сплавов САП.
При комнатных температурах прочность сплавов САС выше
прочности сплавов САП. Но с повышением температуры наблюдает-
ся обратная картина — САС используют до 350—400° С.
Спеченные алюминиевые сплавы можно получать с особыми фи-
зическими свойствами, подбирая соответствующий комплекс легиру-
ющих элементов. Это является их преимуществом перед обычными
алюминиевыми сплавами.
372
МАГНИИ И ЕГО СПЛАВЫ
Магний является самым легким конструкционным
металлом — его плотность (удельный вес) составляет
1,7 г/см3, температура плавления 650° С. Предел проч-
ности чистого магния в деформированном состоянии
равен около 18 кгс/мм2, а относительное удлинение
всего лишь 5%. Ввиду низких механических характе-
ристик магний не применяют в чистом виде для изго-
товления деталей — для этой цели используют магние-
вые сплавы. К существенным недостаткам магниевых
сплавов относится их малая коррозионная стойкость.
Положительным качеством является их отличная об-
рабатываемость режущим инструментом с получением
чистой поверхности. Большинство магниевых сплавов
хорошо сваривается. За счет низкой плотности (удель-
ного веса) они обладают удовлетворительной удель-
ной прочностью. Их широко применяют в тех слу-
чаях, когда масса изделий имеет большое зна-
чение.
Детали из магниевых сплавов изготавливают обра-
боткой давлением (прокаткой, штамповкой, прессов-
кой), а также литьем. В соответствии с этим магниевые
сплавы подразделяют иа деформируемые и литейные.
Марки деформируемых магниевых сплавов обознача-
ют буквами МА, литейные — буквами МЛ и порядковым
номером. В приложении табл. 19 приведен химический
состав некоторых наиболее распространенных в про-
мышленности марок деформируемых и литейных маг-
ниевых сплавов.
Обработку давлением деформируемых магниевых
сплавов обычно проводят при нагреве до 300—400° С,
когда они приобретают наиболее высокую пластич-
ность.
Особенностью сплавов магния является малая ско-
рость диффузии находящихся в нем легирующих эле-
ментов и их ликвация. Поэтому основной термической
обработкой большинства магниевых сплавов является
отжиг. Отжиг деформируемых сплавов проводят при
300—350° С с целью снятия напряжений и повышения
пластичности. Термическая обработка литых сплавов
заключается в нагреве до 420° С и выдержке при этой
температуре от 12 до 16 ч с последующим охлаждени-
ем на воздухе. Такая длительная выдержка необходи-
373
ма для гомогенизации сплавов. После указанной обра-
ботки повышаются и пластичность, и прочность спла-
вов.
ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ
Плотность (удельный вес) титана составляет
4,5 г/см3. Температура плавления зависит от степени
его чистоты, поэтому она
Содержание легирующих элементов
Рис. 173. Влияние легирующих элемент
тсв на полиморфизм титана:
а — а-стабилизаторы; б — 6-стабилиза*
торы
колеблется от 1660 до
1680° С. Еще сущест-
веннее наличие приме-
сей влияет на механи-
ческие свойства титана.
Иодидный титан, в ко-
тором общая сумма
примесей ^0,05—
0,1%, имеет ов=
=30 кгс/мм2 и 6«
»50%. В техническом
титане ВТ1 сумма при-
месей ^0,8% и оЕ =
=60 кгс/мм2, 6 «20%.
Титан является по-
лиморфным металлом.
При нагреве до 882°С
а-титан, имеющий гек-
сагональную кристаллическую решетку, переходит в
р-титан с о. ц. к. решеткой. Наличие полиморфизма у
титана создает предпосылки для улучшения свойств
титановых сплавов с помощью термической обработ-
ки. Титан имеет низкую теплопроводность [Х=15
ккал (м-ч-град)]. При нормальной температуре он об-
ладает высокой коррозионной стойкостью во многих
сильных химических средах, нередко превосходящей
стойкость хромоникелевых нержавеющих сталей, но при
нагреве выше 500° С становится очень активным эле-
ментом. При высокой температуре титан либо раство-
ряет почти все соприкасающиеся е ним вещества, либо
образует с ними химические соединения.
Титановые сплавы по сравнению с другими сплава-
ми имеют ряд преимуществ:
1. Сочетание высокой прочности (ов=804-.
4-150 кгс/мм2) с хорошей пластичностью (6 = 124-25%).
2. Малую плотность (удельный вес). Как следствие
этого, титановые сплавы имеют наиболее высокую
374
удельную прочность по сравнению с другими металла-
ми и сплавами. Для легированных сталей отношение
ов/у= 18^-22, для алюминиевых сплавов — до 20—25,
а для титановых сплавов 25—30 и даже 40 (ВТ 14).
3. Относительно хорошая жаропрочность. Их можно
использовать до 600—700° С. Сплав ВТ-20 (6% А1; 2%
Zr; 1% Мо; 1% V) при 500° С имеет ов==70 кгс/мм2.
Сталь Х14Н18В2БР при 600° С имеет ов=45 кгс/мм2.
4. Высокая коррозионная стойкость во многих аг-
рессивных средах, (например, HNO3 всех концентраций
при комнатной, а также повышенной температуре,
10%-ном NaOH до температур кипения и т. д.). Не ре-
комендуется применять титановые сплавы для работы
в средах НС1 и HF. Однородные титановые а-сплавы,
не подверженные старению, используют в криогенных
установках (до гелиевых температур).
В результате легирования титановых сплавов мож-
но получить нужный комплекс свойств. Почти все эле-
менты могут взаимодействовать с титаном, образуя
при этом твердые растворы (внедрения или замеще-
ния) или интерметаллиды.
Твердые растворы внедрения образуют постоянные
примеси — водород, азот, углерод и кислород.
Вводимые в титан элементы влияют на полимор-
физм титана. Элементы, повышающие температуру
а^р-превращения, называются а-стабилизаторами
(так как они расширяют a-область на диаграмме со-
стояния— рис. 173,а). Такими элементами являются
алюминий (А1), кислород (Ог), азот (N2) и углерод (С).
Элементы, понижающие температуру а^р-превра-
щения, называются p-стабилизаторами. Они расширяют
p-область (рис. 173,6). Такими элементами являются
железо, молибден, тантал, ванадий, хром, марганец,
водород.
Кроме того, в сплавах титана с некоторыми из них
(магнием, железом, хромом и др.) при охлаждении
происходит эвтектоидное превращение p-фазы, при ко-
тором образуются интерметаллиды TixMey.
Некоторые элементы (цирконий, гафний, олово) не
оказывают влияния на температуру полиморфного пре-
вращения титана. Их называют нейтральными упрочни-
телями.
В соответствии с влиянием легирующих элементов
титановые сплавы при нормальной температуре могут
375
иметь структуры а или а+р. Сплавы на основе р-ти-
тана не используют. Титановые сплавы можно под-
вергать всем видам термической обработки (рис. 174),
включая ХТО и ТМО.
Упрочнение титановых сплавов достигается легиро-
ванием, наклепом или термической обработкой. Напри-
мер, сплав ВТ-14 после отжига имеет ов=100—
105 кгс/мм2, 6—12—15%; после закалки — ов = 100—
Рис. 174. Образование структур в титановых сплавах в зависимости от ско-
рости охлаждения и содержания легирующего компонента
105 кгс/мм2 и 6=15—18%; после закалки, отпуска —
старения и ТМО сгв достигает 180 кгс/мм2 при 6=8—
10%.
Наиболее часто титановые сплавы легируют алюми-
нием. Алюминий увеличивает их прочность и жаро-
прочность. При его наличии в сплавах несколько умень-
шается вредное влияние водорода. Кроме того, он уве-
личивает их термическую стабильность. Одновремен-
ное введение нескольких легирующих элементов по-
зволяет получать еще более высокие механические
свойства. Для повышения износостойкости титановых
сплавов их подвергают цементации или азотиро-
ванию.
Титановые сплавы широко используют в авиацион-
ной и химической промышленностях, в ракетостроении
и других областях, где требуется сочетание незначитель-
ной массы с высокой прочностью, коррозионной стойко-
376
стью и жаропрочностью до 500—600° С. Одним из
недостатков титановых сплавов является их плохая об-
рабатываемость режущим инструментом.
Химический состав титановых сплавов приведен в
приложении табл. 20.
АНТИФРИКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ
Кроме подшипников качения, большое применение
находят также подшипники скольжения, которые изго-
тавливают в виде вкладышей или с помощью заливки
поверхности вращающихся частей машин. Для их из-
готовления используют специальные антифрикцион-
ные (подшипниковые) сплавы, к которым предъ-
являют ряд требований, обусловленных характером
работы.
Прежде всего они должны обеспечить низкий коэф-
фициент трения между контактирующими поверхно-
стями. Это обеспечивается структурой сплавов—в мяг-
кой основе находятся твердые включения. Твердая со-
ставляющая обеспечивает малый коэффициент трения,
а мягкая основа — хорошую прирабатываемость и обра-
зование микрокапилляров, по которым смазка может
проникать к месту соприкосновения подшипника с вра-
щающейся частью машины. Поскольку при трении воз-
никает тепло, подшипниковые сплавы должны обладать
хорошей теплопроводностью. Сплавы, использующиеся
для заливки, должны иметь низкую температуру плав-
ления.
В качестве материалов для подшипников скольже-
ния широко используют специальные бронзы, анти-
фрикционные чугуны и специальные сплавы, называе-
мые баббитами.
Структура литых бронз вследствие их склонности к
дендритной ликвации состоит из твердых включений
в мягком a-твердом растворе.
Свинцовистые бронзы. Эти бронзы содержат до
25—30% РЬ. Медь и свинец практически не взаимодей-
ствуют, поэтому структура таких бронз состоит из зе-
рен твердой меди и мягкого свинца. Свинцовистые
бронзы выдерживают большие удельные нагрузки (до
250—300 кгс/см-), имеют высокий предел усталости,
могут' выдерживать динамические нагрузки. Недостат-
ком этих бронз является невысокая механическая проч-
377
ность, поэтому их иногда заливают на прочную сталь-
ную основу. Для улучшения механических свойств в
состав иногда вводят олово. Широко используют свин-
цовистые бронзы марок БрСЗО и БрОС5-25.
Антифрикционные чугуны. В качестве антифрикци-
онных сплавов используют чугуны, имеющие перлитную
основу и повышенное количество графита. Графит вы-
Рис. 175. Микроструктура баббитов: Б83 (а), Б16 (б) и БКА (в). Х150
полняет роль смазки. Впитывая к тому же смазоч-
ные масла, он существенно понижает коэффициент
трения.
Баббиты. Это специальные легкоплавкие подшип-
никовые сплавы. В их строении также всегда есть мяг-
кая основа и твердые включения. Баббиты бывают оло-
вянные (сплав олова с сурьмой и медью), свинцовые
(сплав свинца с сурьмой, медью и оловом), кальциевые
(сплав свинца с кальцием и натрием).
Классическими оловянными баббитами являются
сплавы Б83 (10—12% Sb; 5,5—6,6% Си) и Б89 (7,25—
8,25% Sb; 2,5—3,5% Си); свинцовыми — сплав Б16
(15—17% Sn; 15—17% Sb; 1,5—2,0% Си); кальциевы-
ми— сплав БКА (0,85—1,15% Са; 0,6—0,9% Na).
Типичные структуры баббитов приведены на
рис. 175,
378
Глава 15
МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ ДЛЯ РАБОТЫ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ВЛИЯНИЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Широкое применение низкотемпературных установок
в различных областях современной техники сделало не-
обходимым изучение свойств материалов при низких
температурах и в первую очередь их прочности, пла-
стичности и вязкости при этих температурах. Исследо-
вания показали, что при низких температурах действу-
ют иные закономерности изменения этих свойств, чем
при комнатных и повышенных температурах. Так, на-
пример, была обнаружена большая ползучесть при ге-
лиевых температурах, аномальное изменение предела
текучести при понижении температуры и ряд других
особенностей механического поведения материалов.
Характер изменения свойств металлов с понижени-
ем температуры зависит от многих факторов, а именно;
от строения кристаллической решетки, чистоты по при-
месям, величины зерна и т. п., а также от эксплуата-
ционного режима работы данного сплава.
Как рассмотрено в гл. 3, одним из наиболее сильно
действующих факторов, определяющих переход из пла-
стичного (вязкого) состояния в хрупкое, является тем-
пература. Поэтому для оценки конструкционных
материалов очень важно знать их порог хладноломко-
сти, т. е. температуру перехода из вязко-пластичного в
хрупкое состояние.
Одним из показателей такого перехода является
Т50 — температура, при которой в изломе наблюдается
-—50% вязкой (волокнистой) составляющей. Темпера-
тура эксплуатации всегда должна быть выше порога
хладноломкости Та с тем, чтобы был достаточный тем-
пературный запас вязкости. Его определяют как 73,в=
== ТЭКСП- Tso, где Тэксп — температура эксплуатации дан-
ного материала. Если T3Ji= 10—15°С, то материал
ненадежен; запас в 40—60° С — достаточен. Чем ниже
порог хладноломкости, тем менее чувствителен металл
к концентраторам напряжений (отверстия, риски, цара-
пины, микротрещины и т, д.), а также к скорости дефор-
37»
мации (для сталей, работающих с динамическими на?
грузками, критерием является Т^о).
Установлено, что температура порога хладноломко-
сти зависит от типа кристаллической решетки, плотно-
сти дислокаций, наличия растворенных примесей, осо-
бенно примесей внедрения. Если добавление легирую-
щих элементов или загрязнение сплава примесями
снижают прочность границ, микротрещины разрастают-
ся легче, хрупкость металла увеличивается. Кроме того,
растворенные атомы, особенно элементов внедрения.
Сегрегируют в места скопления дислокаций и тормозят
их движение при деформировании металла. С пониже-
нием температуры блокирование дислокаций примесны-
ми атомами увеличивается, что приводит к резкому
возрастанию предела текучести1.
У металлов с о. ц. к. решеткой выше чувствитель-
ность к примесям внедрения, их присутствие резко уве-
личивает упругую энергию кристаллической решетки,
уменьшается подвижность дислокаций. В результате
С понижением температуры, особенно в области ниже
0,1 Тпл, наблюдается резкое повышение предела теку-
чести (он может достичь предела прочности), что явля-
ется одной из основных причин перехода из вязкого
состояния в хрупкое. Это резко ограничивает использо-
вание таких материалов при низких температурах.
В металлах с г. ц. к. решеткой атомы примесей внед-
рения, располагаясь в центре куба, практически не ис-
кажают решетку, поэтому их влияние на хладнолом-
кость незначительно. Кроме того, для металлов с г. ц. к.
решеткой предел текучести почти не зависит от темпера-
туры. С понижением температуры отношение ов/от воз-
растает и такая характеристика делает металлы с
г. ц. к. решеткой особо пригодными для использования
при низких температурах.
Металлы с г. п.у. решеткой и сплавы на их основе ве-
дут себя не однозначно. Механические свойства метал-
лов с г. п. у. решеткой определяются отношением с/а и
содержанием примесей и являются средними между ха-
рактеристиками металлов с г. ц. к. и о. ц. к. решетками.
Для всех металлов и сплавов на хладноломкость
влияет размер зерна (чем мельче зерно, тем больше
сопротивление распространению трещины). Из всех
* Кислород, например, может так увеличить хрупкость, что раз-
рушение от внутризеренного переходит к межзеренному.
380
механических свойств особенно чувствительна к разме-
ру зерна при низких температурах ударная вязкость.
Чем крупнее зерно, чем больше загрязнение примесями,
тем ниже ударная вязкость, тем больше склонность
стали к разрушению при низких температурах.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РАБОТЫ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Эти материалы при соответствующих низких рабо-
чих температурах должны иметь достаточный темпера-
турный запас вязкости Гз.в- Кроме того, они должны
обладать также хорошей свариваемостью и коррозион-
ной стойкостью.
При расчетах конструкций значения ов и о0,2 выби-
рают по результатам испытаний при 20° С, а характе-
ристики пластичности б и ip и значения ударной вязко-
сти — при рабочих температурах.
В зависимости от температуры эксплуатации мате-
риалы можно разделить на следующие группы:
1. Для конструкций, работающих до —504—60° С*,
используют качественные конструкционные углероди-
стые и легированные стали, термически обработанные
(нормализация или закалка с отпуском).
2. При работе изделий до более низких температур,
примерно до —120° С, применяют конструкционные ста-
ли, содержащие 2,5—5% Ni (см. табл. 17).
ТАБЛИЦА 17
ВЛИЯНИЕ НИКЕЛЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
И ПОРОГ ХЛАДНОЛОМКОСТИ ЖЕЛЕЗА
Содер- жание никеля, % Тро» °C а0,2’ кгс/мм2 °н’ КГС4м/СМ2 Содер- жаиие никеля, % тж, “С °0,2’ кгс/мм2 °Н’ КГС'М/сМ2
1 —80 35/75 38/1 6 —180 48/87 29/10
2 —100 38/78 28/2 7 —180 52/88 27/13
3 —110 42/83 30/2,8 8 —180 55/91 25/13
4 —130 43/84 31/3,5 9 —180 58/90 24/15
5 —160 45/85 30/4,5
Примечание. В числителе — свойства при 20°С, в знаменателе —
при—196° С.
Так называемых климатических температур.
381
3. Для аппаратуры, работающей до температур ки-
пения жидкого азота (—196°С), используют сплавы с
г. ц. к. решеткой: хромоникелевые аустенитные нержа-
веющие стали, алюминиевые и медные сплавы, а также
некоторые титановые сплавы (с г. п. у. решеткой).
4. Для машин, производящих ожиженные газы, а так-
же осуществляющих их транспортировку и Хранение, для
физической аппаратуры
А,кгс-м
Я
и
температур кипе-
жидкого водорода
’С) и жидкого гелия
ним относят-
0Х15Н25МТЗ,
сплавы ин-
S
£
г
О
50 100 150 200 250 300 7, К
Рис. 176. Влияние содержания ни-
келя на температуру перехода ста-
ли в хрупкое состояние по данным
ударных испытаний (Д. А. В и гл и).
Содержание никеля, %:
1 — 0; 2 — 2: 5 — 3,5; 4 — 8,5; 5—13
благоприят-
т. п. используют материалы,
сохраняющие вязкие свой*
ства до
ния
(—253°
(—269°С). К
ся стали
0XI2H20T3P,
вар и др.
Наиболее
ное влияние на температуру
перехода из вязкого в хруп-
кое состояние оказывает
никель (рис. 176). В табл.17
приведены значения Т50 и
свойства сталей, содержа-
щих до 9% Ni (после прове-
дения закалки и высокого
отпуска).
До —60° С применяют
стали, содержащие до 3,5% Ni (0Н2, ОНЗ); до —150° С
используют стали с 4—6% Ni (0Н4, 0Н6) и до —196°С
можно применять стали с 6—9% Ni (0Н6—0Н9). Сталь
0Н9 широко используют в криогенной технике, для
резервуаров, в которых хранят жидкий
родный газ.
Как уже отмечалось, хромоникелевые нержавеющие
стали являются хорошим конструкционным материалом
для криогенной техники. Чем ниже рабочая температу-
ра, чем стабильнее требуется структура, тем с большим
содержанием никеля выбирают стали и сплавы.
Выбирая состав сталей, следует учитывать, что все
элементы, входящие в их состав, оказывают влияние на
температуру перехода в хрупкое состояние. Например,
фосфор и кремний повышают порог хладноломкости,
марганец и алюминий понижают. Поскольку марганец
оказывает положительное влияние на порог хладнолом-
азот и при-
382
кости, его используют для замены в сталях дорогого и
дефицитного никеля. В настоящеее время в криогенной
технике применяют стали 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4,
15Х17АГ14 и др.
Находят применение в криогенной технике и мартен-
ситностареющие стали различного состава, например
Н18К8М5ТЮ, 000Х13Н9Д2ТМ (ЭП699) и др. (см. гл. 9),
Сплавы алюминия. Для этих сплавов характерно не'
резкое изменение свойств е понижением температуры.
Сплавы алюминия обладают хорошей теплопровод'
ностью, поэтому их часто используют для панелей теп-
лообменников. Для увеличения запаса прочности при-
меняют более толстые по сравнению со стальными лис-
ты. До —200° С находят применение сплавы алюминия
с марганцем (АМцМ); сплавы алюминия с магнием пла-
стичны и вязки вплоть до —253° С (АМг2, АМгЗ, АМг4,
АМгбВ и др.). Применяют также и дуралюмины различ-
ных марок (Д16, Д16Т, Д1Т и др.); сплавы АК6, АК8;
сплавы повышенной прочности (В92, В95, В96) и неко-
торые марки силуминов (АЛ4, АЛ8, АЛ9—Т5, АЛ24
и др.).
Сплавы меди имеют очень высокую теплопроводность
и хорошую коррозионную стойкость. Сплавы, как и
медь, имеют г. ц. к. решетку. Находят применение в низ-
котемпературной технике как латуни (Л59, Л68, ЛС59-1
и др.), так и бронзы различного состава (БрКМц 3-1,
БрБ2, БрБ1К и др.).
Титановые сплавы в зависимости от состава исполь-
зуют для конструкций и деталей, работающих при раз-
личных отрицательных температурах. Лучшими свойст-
вами обладают однофазные а-сплавы, не подверженные
старению (ВТ1, ВТ5, ВТ-1, АТ2 и др.). Для повышения
прочности титановых сплавов их легируют цирконием,
ванадием или ниобием.
Никелевые сплавы применяют для особо ответствен-
ных деталей криогенного машиностроения. Это сплавы
ХН77ТЮ, ХН35ВТЮ и некоторые другие. Так, сплав
инвар (Fe-f-36% Ni) обладает высокой пластичностью
и вязкостью вплоть до —269° С. Монель-металл (68% Ni,
3% Fe, 1% Мп, остальное Си) обладает пластичностью
и коррозионной стойкостью. Инконель (12—80% Ni,
14—17% Сг, 5—10% Fe) используют до —253° С. Этот
сплав обладает низкой теплопроводностью. Свойства
некоторых сплавов и сталей приведены в табл. 18.
383
ТАБЛИЦА 18
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Сплав *исп- °С кгс/мм3 °С,2’ кгс/мм2 С. % «н. кгс-м/см2
АМг 20 37 18 25 5—3
(АМг2...АМг8) —196 50 20 23 3—2
-253 60 27 23 2
Д 16 20 48 34 14 2,4
(закалка+естест - —196 68 45 10 2,4
венное старение) —253 72 52 16 —
В 95 20 64 56 10 1,0
(закалка+искус- —196 78 66 7 0,8
ственное старение) —253 85 — — —
Бронза 20 40 35 50
Бр1К —196 —253 60 70 45 50 50 40 —
ВТ-1 20 —196 33 80 — 45 35 —
ВТ5-1 20 82 72 16
—196 —253 128 163 119 146 16 15
ОТ-4 20 —196 —253 75 135 180 65 105 170 13 11 7 —
12Х18Н10 20 60 25 50 30
—196 120 100 40 20
—253 160 140 30 15
10Х14Г14Н4Т 20 70 30 60 30
(ЭИ711) —196 130 — 50 25
—253 160 — 40 20
Х22Н5АГ9 20 90 50 50 30
—196 160 100 22 14
10Х12Н20ТЗР 20 60 — —
(ЭИ696) —196 — — — ! 15
ХН35ВТЮ 20 80 — —
—196 — — — 4
384
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бирман С. Р. Экономнолегироваиные мартенситностареющие
стали. М., «Металлургия», 1974. 200 с. с ил.
Бигли Д. А. Механические свойства материалов при низких тем-
пературах. Пер. с аигл. М., «Мир», 1974. 360 с. с ил.
Геллер Ю. А. Инструментальные стали. М., «Металлургия»,
1975. 584 с. с ил.
Горелик С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М., «Ме-
таллургия», 1978, 376 с ил.
Гудремон Э. Специальные стали. Пер. с ием. Т. I, II. М., Me-
таллургиздат, 1960. 1606 с. с ил.
Гуляев А. П. Металловедение М., «Металлургия», 1977. 640 с.
с ил.
Захаров А. М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем.
М., «Металлургия», 1978, 310 с. с ил.
Кидин И. Н. Физические основы электротермической обработки
металлов и сплавов. М., «Металлургия», 1969. 366 с. с ил.
Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М., «Маши-
ностроение», 1972. 503 с. с ил.
Лебедев Д. В. Конструктивная прочность криогенных сталей.
М., «Металлургия», 1976. 256 с. с ил.
Минкевич А. Н. Химико-термическая обработка металлов и
сплавов. М., «Машиностроение», 1965. 491 с. с ил.
Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материа-
лов. Пер. с англ. М., «Мир», 1970. 439 с. с ил.
Новиков И. И. Дефекты кристаллической решетки металлов.
М., «Металлургия», 1975. 208 с. с ил.
Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М.,
«Металлургия», 1974. 396 с. с ил.
Рахштадт А. Г. Пружинные стали и сплавы. М., «Металлургия»,
1971. 496 с. с ил.
Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Т. I, II. М.,
«Машиностроение», 1974. 827 с. с ил.
Химушин Ф. Ф. Нержавеющие стали. М., «Металлургия», 1967.
752 с. с ил.
Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. М., «Металлур-
гия», 1969. 749 с. с ил.
Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. Пер. с англ.
М., «Мир», 1972. 395 с. с ил.
25—481
385
Раздел III
ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Сущность литейного производства состоит в получе-
нии отливок — литых металлических изделий путем за-
ливки расплавленного металла или сплава в литейную
форму.
Первые литые изделия получали еще в III—II тыся-
челетиях до н. э. сначала из бронзы, позже из чугуна.
Значительное развитие литье из чугуна получило при-
мерно с XIII—XIV вв. Стальные отливки начали полу-
чать в XIX в., литые детали из алюминиевых и магние-
вых сплавов — несколько десятков лет назад. В настоя-
щее время в литейном производстве применяют множе-
ство самых различных сплавов.
Значение литейного производства исключительно
велико. Нет ни одной отрасли машиностроения и при-
боростроения, где не применяли бы литые детали. В ма-
шиностроении масса литых деталей составляет около
50% массы машин и механизмов, в станкостроении —
около 80%, в тракторостроении — около 60%. Это объяс-
няется рядом преимуществ литейного производства по
сравнению с другими способами получения заготовок
или готовых изделий. Литьем получают детали как про-
стой, так и очень сложной формы, которые нельзя или
очень трудно получить другими способами. Во многих
случаях это наиболее простой и дешевый способ полу-
чения изделий. Масса деталей колеблется от нескольких
граммов до нескольких сот тонн.
Некоторые специальные способы литья позволяют
получать отливки с высокой чистотой поверхности и
точностью по размерам, что резко сокращает или исклю-
чает совсем их последующую механическую обработку.
Кроме «традиционных» литейных сплавов: чугуна, ста-
ли, бронзы, литье все шире применяют для изготовле-
ния изделий из нержавеющих и жаропрочных сталей,
магнитных и других сплавов с особыми физическими
свойствами,
386
Широкому развитию литейного производства, осо-
бенно за последнее десятилетие, способствует совершен-
ствование старых и появление новых способов литья, не-
прерывно повышающийся уровень механизации и авто-
матизации технологических процессов, специализация и
централизация производства.
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК
Первые формы для литья делали из камня или гли-
ны. Примерно с конца XVIII в. литейные формы нача-
ли изготавливать из специально приготовленной увлаж-
ненной смеси песка и глины. В настоящее время сущест-
вует более ста различных способов изготовления литейных
форм и получения отливок. Около 60% от всей мас-
сы чугунных и стальных отливок получают в песчано-
глинистых формах (в сырые формы 42%, в сухие 18%).
Этим способом получают как мелкие, так и очень круп-
ные отливки, литые детали простой и сложной формы
не только из чугуна стали, но также из различных
цветных сплавов. С применением жидких самотвердею-
щих смесей (ЖСС) получают около 5% отливок, в ме-
таллических формах (кокилях) 10%, центробежным
литьем 7%, литьем под давлением 1,3%, литьем по вы-
плавляемым моделям 0,3% от всей массы отливок.
Прогрессивные способы получения отливок в формах,
изготовленных из специальных смесей, например само-
твердеющих жидких, пластичных, имеют существенные
технико-экономические преимущества по сравнению с
литьем в песчано-глинистые формы.
В литейном производстве широко применяют специ-
альные способы литья: в металлические формы (коки-
ли), центробежное литье, литье под давлением, литье по
выплавляемым моделям и др. Такими способами можно
получать отливки высокой точности, с минимальными
допусками по размерам, с высокой чистотой поверхно-
сти, Это сокращает или совсем исключает механическую
обработку на металлорежущих станках, дает экономию
металла, особенно важную при использовании дорого-
стоящих и дефицитных сплавов, снижает трудоемкость
и стоимость детали. Наряду с этим каждый специальный
способ литья имеет свои специфические особенности, ог-
раничивающие область его применения. Так, например,
литье по выплавляемым моделям применимо лишь для
25:
387
относительно небольших изделий, центробежное литье —
для получения труб и других изделий, имеющих форму
тел вращения.
РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОГО
ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Свидетельством высокого искусства русских литейщиков-умель-
цев является «Царь-пушка» — чугунная отливка массой около 39 т,
изготовленная Андреем Моховым в 1585 г. Михаил Материн в 1735 г.
отлил уникальный бронзовый «Царь-колокол» массой около 200 т.
Мировую известность получило чугунное художественное литье
Каслинского завода (Урал), основанного в XVIII в. Событием в ис-
тории литейного производства стала отливка шабота массой 620 т
(для кузнечного молота) в 1873 г. на заводе в Мотовилихе (Пермь).
Развитию научных основ литейного производства во многом спо-
собствовали работы Д. К. Чернова, П. П. Аносова и других ученых.
Дореволюционная Россия по производству литья (0,5 мли. т в
1913 г.) занимала четвертое место в мире. Технический уровень про-
изводства был низким. Преобладал ручной труд.
В годы довоенных пятилеток была проведена коренная рекон-
струкция литейного производства.
По объему литейного производства в 1936—1937 гг. наша Роди-
на заняла второе место в мире (уступая США). В послевоенные го-
ды наше литейное производство достигло нового высокого техниче-
ского уровня, а по объему с 1967 г. занимает первое место в мире.
В 1976 г. было получено более 24 млн. т отливок, что превыша-
ет суммарный объем производства отливок в Японии, ФРГ, Англии
и Франции.
Большое значение для развития и совершенствования литейного
производства имели решения о создании специализированных литей-
ных цехов и заводов — иентролитов. Централизация и специализа-
ция в литейном производстве дают возможность наиболее полно ис-
пользовать достижения научно-технического прогресса. Так, напри-
мер, если затраты труда на 1 т литья в единичном и мелкосерийном
производстве условно принять за 100%, то в крупносерийном произ-
водстве они составляют примерно 60%, в массовом высокомехани-
зированном производстве 35—40%.
Если принять среднюю себестоимость продукции литейных це-
хов с выпуском более 50 тыс. т в год за единицу, то в цехах с выпу-
ском менее 1 тыс. т она составляет 3,7.
В 1975—1980 гг. одной из главных задач литейного
производства является ускорение роста производитель-
ности труда на основе нового высокопроизводительного
оборудования, комплексной автоматизации и механиза-
ции. В настоящее время в литейном производстве рабо-
тают более 60 автоматических линий. В повышении эф-
фективности литейного производства важнейшим на-
правлением является улучшение качества, надежности,
точности и чистоты поверхности отливок с максималь-
388
ным их приближением к готовым деталям, снижение на
15—20% массы литых деталей путем внедрения новых
прогрессивных технологических процессов получения от-
ливок и улучшение качества литейных сплавов.
Глава 2
ФОРМОВОЧНЫЕ СМЕСИ
В литейном производстве наиболее распространено
получение литых деталей в разовых формах, изготовлен-
ных из песчано-глинистых и других смесей.
Рис. 177. Отливка детали в разовой ферме. Литейная форма из формовочной
смеси:
1 — отливаемая деталь; 2 — разъемная модель; 3 — стержневые знаки модели;
4 — стержень; 5, 6 — верхняя и нижняя опоки; 7 —• литниковая система; 8—вы-
пор; 9 — отливка
Разовая форма пригодна только для одной отливки.
При выемке (выбивке) готовой детали форму разруша-
ют. На рис. 177 приведена литейная форма для получе-
ния втулки. Форма состоит из двух полуформ, получен-
ных набивкой (уплотнением) формовочной смеси в
металлические рамки—опоки 5,6. Для изготовления верх-
ней и нижней полуформ используют разъемную мо-
дель 2. Отверстие в отливке получают с помощью стерж-
ня 4, отдельно изготовленного из стержневой смеси. При
сборке формы стержень устанавливают в углубления
(гнезда), образованные в форме знаками модели 3.
Металл заливают через литниковую систему. Воздух
и выделяющиеся газы удаляются через выпор 8. Гото-
вую отливку 9 извлекают из формы, отрезают литники,
очищают поверхность от остатков формовочных мате-
риалов и направляют на механическую обработку.
СВОЙСТВА формовочных смесей
Для получения отливок высокого качества формо-
вочные и стержневые смеси, из которых делают разо-
вые литейные формы, должны обладать определенными
389
механическими, технологическими и физическими свой-
ствами.
Основные механические свойства: прочность, поверх-
ностная прочность, пластичность, податливость.
Прочность — способность смеси обеспечивать сохран-
ность формы (стержня) без разрушения при ее изготов-
лении и пользовании. Формы (стержни) не должны раз-
рушаться от толчков при сборке и транспортировке, вы-
держивать давление заливаемого металла. Стандарт-
ными характеристиками являются: для сырых смесей —
предел прочности при сжатии oCHt, для сухих форм (пос-
ле сушки) — предел прочности при растяжении ор. Для
песчано-глинистых смесей оСж=0,34-0,7 кгс/мм2, сгр=
=0,84-2 кгс/см2.
Поверхностная прочность (осыпаемость) — сопротив-
ление истирающему действию струи металла при его за-
ливке. При недостаточной поверхностной прочности на-
блюдают осыпаемость, т. е. отделение частиц формовоч-
ной смеси, попадающих в отливку.
Пластичность — способность смеси воспринимать
очертания модели (стержневого ящика) и сохранять по-
лученную форму.
Податливость — способность смеси сокращаться в
объеме под действием усадки сплава. При недостаточ-
ной податливости в отливке возникают напряжения, ко-
торые могут привести к образованию трещин.
Технологические свойства смесей характеризуют
их текучестью, термохимической устойчивостью, не-
гигроскопичностью, выбиваемостью и долговеч-
ностью.
Текучесть — способность смеси обтекать модели при
формовке, заполнять полость стержневого ящика. Пере-
мещение частиц формовочных смесей должно происхо-
дить при возможно минимальном усилии в процессе
формовки и обеспечивать одинаковое уплотнение во
всех частях формы (стержня) без рыхлых мест и
пустот.
Термохимическая устойчивость или непригорае-
мость — способность смеси выдерживать высокую тем-
пературу заливаемого сплава без оплавления или хими-
ческого с ним взаимодействия. Пленки пригара ухудша-
ют качество поверхности и затрудняют последующую
обработку отливки. При оплавлении формовочной смеси
резко снижается ее газопроницаемость,
390
Негигроскопичность — способность смеси после суш-
ки не поглощать влагу из воздуха в течение длительно-
го времени.
Выбиваемость— способность легко удаляться из
форм и полостей отливок при их выбивке после охлаж-
дения. Хорошую выбиваемость имеют смеси, в которых
связующие вещества теряют прочность при нагреве пос-
ле заливки сплава.
Долговечность — способность смесей сохранять свои
свойства при многократном использовании.
Технологические свойства не могут быть количест-
венно выражены; их оценивают по экспериментальным
данным.
Газопроницаемость — способность пропускать газы
через стенки формы вследствие пористости—-одно из
важнейших свойств формовочных смесей. В расплавлен-
ном металле всегда содержатся растворенные газы, вы-
деляющиеся при его охлаждении и затвердевании. Боль-
шое количество водяных паров и газов выделяется так-
же из самих формовочных материалов при их нагрева-
нии. При недостаточной газопроницаемости в теле от-
ливки могут образовываться газовые пузыри — ракови-
ны. Для оценки формовочных смесей пользуются коэф-
фициентом газопроницаемости К, который определяют
экспериментально. Для песчано-глинистых смесей /(=.
=30—120 единиц.
Теплофизические свойства—теплопроводность, удель-
ная теплоемкость — существенно влияют на скорость
кристаллизации металла и его последующего охлажде-
ния и тем самым на структуру и свойства отливок.
Свойства песчано-глинистых смесей являются функ-
цией многих параметров. Так, например, прочность и
пластичность их увеличиваются с повышением содержа-
ния глины, зависят также от размеров и формы зерен
песка, влажности и других факторов. Составы формо-
вочных и стержневых смесей с требуемыми свойствами
выбирают в зависимости от литейного сплава, массы и
конфигурации отливок и других условий.
ПЕСОК И ГЛИНА
Песок — основной исходный материал для всех фор-
мовочных и стержневых смесей. Наиболее часто приме-
няют кварцевый песок, в основном состоящий из крем-
391
незема SiO2, обладающего высокой огнеупорностью
(/ПЛ = 1713°С), прочностью, твердостью, термохимичес-
кой устойчивостью. Невыгодная особенность кварца со-
стоит в том, что при нагреве до 575° С в нем происходит
аллотропическое превращение, связанное с изменением
объема. Это приводит к растрескиванию зерен песка и
обогащению формовочной смеси пылевидными частица-
ми. Смесь для повторного использования необходимо
обогащать добавками свежего песка.
В литейном производстве используют чистые пески
с минимальным содержанием РегОз, Na2O и других вред-
ных примесей, снижающих огнеупорность. В природ-
ных кварцевых песках всегда содержится глина.
По содержанию глинистых составляющих пески подразделяют
на обогащенный кварцевый (Об1к4-ОбЗк) —до 1%, кварцевый
(1кч-4к) —не более 2%, тощий (Т) от 2 до 10% глины. Жирные и
очень жирные пески содержат 20—50% глинистой составляющей.
В обогащенных, т. е. особо чистых песках, содержание вредных при-
месей должно быть минимальным, например в песке Об1кРе2Оз^
sg0,2%, (Na2O+K2O+Mo+CaO) =С0,4%. Важной характеристикой
является размер зерен песка, оказывающий большое влияние на
прочность, текучесть, газопроницаемость формовочных смесей. Мел-
кий формовочный песок имеет зерна размером 0,1—0,2 мм, средний
0,16—0,315 мм, крупный 0,2—0,4 мм. Мелкозернистые пески приме-
няют для мелкого литья, что обеспечивает получение гладкой по-
верхности отливок. Для крупных отливок применяют более крупно-
зернистые пески, обеспечивающие более высокую газопроницаемость
формовочных смесей.
Реже для формовочных смесей взамен кварцевого
песка применяют цирконовый песок ZrO2-SiO2 с /Пл =
=2000° С, хромит (хромистый железняк) Ре2О-Сг2О3 с
^пл = 1850°С и некоторые другие материалы. Они пре-
восходят кварцевый песок по термохимической устойчи-
вости, теплопроводности, но являются более дорогими;
их используют в особо ответственных случаях, напри-
мер для получения крупных стальных отливок с чистой
поверхностью.
Глина — второй основной исходный материал в пес-
чано-глинистых формовочных смесях. Она является свя-
зующим веществом, обеспечивающим их прочность и
пластичность.
Глины представляют собой измельченные горные по-
роды, имеющие после увлажнения высокую пластич-
ность. В большинстве формовочных глин основным ма-
териалом является каолинит А12Оз-25Ю2-2Н2О. Вред-
ными примесями считаются слюда, полевой шпат и дру-
392
гие минералы, снижающие связующую способность и
термохимическую устойчивость.
В присутствии влаги на поверхности глинистых частиц образу-
ются гидратные оболочки из молекул воды, которые обеспечивают
сцепление частиц друг с другом и вместе с тем легкое скольжение
между частицами. Чем больше глина удерживает на поверхности во-
ды, тем выше ее связующая способность, а также и пластичность
формовочной смеси. При нагревании (сушке) по мере удаления вла-
ги прочность смеси увеличивается. В зависимости от связующей спо-
собности во влажном состоянии глины подразделяют иа три сорта:
прочносвязующие, среднесвязующие и малосвязующие. В высушен-
ном состоянии глины подразделяются иа такие же три класса.
В литейном производстве, кроме каолинитовых глин,
применяют бентонитовые глины АЬОз^БЮг-НгО+пНгО,
в которых молекулы воды удерживаются не только на
поверхности, но и внутри глинистых частиц, Поэтому
эти глины обладают в два-три раза более высокой свя-
зующей способностью, чем каолинитовые глины.
ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ СМЕСИ
Песчано-глинистые смеси делят на облицовочные,
наполнительные и единые.
Облицовочная смесь — более качественная, с высокой
прочностью, газопроницаемостью и другими свойства-
ми. Для ее получения берут большее количество свежих
материалов (песка, глины). При формовке такую смесь
наносят на модель, создавая в литейной форме поверх-
ностный слой толщиной 40—100 мм, подвергаемый наи-
большему воздействию расплава при заливке. Осталь-
ной объем формы изготавливают из наполнительной сме-
си— менее качественной, в основном состоящей из обо-
ротной смеси (смеси, бывшей в употреблении). Оборот-
ные смеси используют для уменьшения расхода свежего
песка и глины.
Единые формовочные смеси применяют в массовом
производстве, при машинной формовке для заполнения
всего объема формы. Эти смеси, как и облицовочные, не-
посредственно соприкасаются с расплавленным метал-
лом и должны обладать высокими свойствами.
По состоянию литейной формы при ее сборке и перед
заливкой металлом различают два вида формовки: по-
сырому и по-сухому и в соответствии с этим — отливку
в сырые и в сухие формы.
393
Сырые формы применяют для мелких и средних от-
ливок, в особенности в серийном и массовом производ-
стве. Эти формы изготавливают из формовочных сме-
сей, содержащих до 10—12% глины с хорошей связую-
щей способностью во влажном состоянии; влажность
смеси 4—5°/о- Преимуществами формовки по-сырому яв-
ляются: хорошая пластичность и податливость смеси,
легкая выбиваемость, меньшая стоимость изготовления
форм. Главные недостатки — повышенная влажность и
невысокая прочность стенок формы.
Сухие формы применяют для крупных и толстостен-
ных отливок, для получения отливок повышенного ка-
чества. Сухими считают формы, подвергаемые тепловой
сушке. Их изготавливают из формовочных смесей, со-
держащих до 15% глины. После сушки такие формы
имеют высокую прочность. При формовке влажность
смеси составляет 6—8%.
Добавки для улучшения свойств формовочных сме-
сей. Простые песчано-глинистые смеси обладают рядом
недостатков. Связующее вещество — глина — оказывает
на некоторые свойства смеси прямо противоположное
влияние. Для обеспечения прочности и пластичности в
смесях должно быть повышенное содержание глины, но
это приводит к уменьшению газопроницаемости и непри-
гораемости, в сухих формах ухудшаются податливость
и выбиваемость. Поэтому для улучшения свойств
песчано-глинистых смесей в их состав вводят до-
бавки.
В сырые формовочные смеси для чугунного литья с
целью уменьшения пригара добавляют каменноугольную
пыль. При заливке чугуна частицы угля газифициру-
ются и затем сгорают. Образующиеся. восстановитель-
ные газы препятствуют окислению сплава, уменьшают
опасность пригара. В смесях для стального литья в ка-
честве противопригарной добавки используют пылевид-
ный кварц (маршалит). Для повышения податливости и
газопроницаемости сухих форм для чугунных отливок в
смеси добавляют древесные опилки; при их сгорании об-
разуются капиллярные каналы и поры. В сухие формо-
вочные смеси, для стального литья часто вводят как свя-
зующее сульфитно-спиртовую барду и другие вещест-
ва— коллоидные растворы органических веществ. Такие
добавки повышают не только прочность; в результа-
те их выгорания увеличиваются также газопроницае-
394
мость и податливость смесей. Влияние других добавок,
например жидкого стекла, цемента, изложено при рас-
смотрении специальных формовочных смесей.
Состав формовочных смесей выбирают в зависимости
от литейного сплава с учетом его температуры плав-
ления, усадки и других свойств, а также массы, разме-
ров и конфигурации отливки.
В сырых формах из песчано-глинистых смесей в на-
стоящее время получают (по массе) около 45% отливок
из чугуна и около 40% стальных отливок. За последние
годы технология изготовления форм была значительно
усовершенствована благодаря улучшению качества сме-
сей, использованию автоматизированных смесепригото-
вительных систем, совершенствованию формовочных ма-
шин, эффективному применению автоматических линий
и т. д. Однако этот способ литья имеет существенные не-
достатки. Одним из недостатков является большой рас-
ход формовочных смесей, который зависит от массы,
размеров, сложности отливок, вида литейного сплава и
т. д. В настоящее время расход смеси на 1 т составляет
для чугунных отливок от 750 до 1000 кг, для стальных
отливок от 1000 до 2000 кг. При этом около 70% всей
подготовленной смеси непосредственно не участвует в
процессах формирования отливок.
Для приготовления смесей и изготовления форм не-
обходим большой парк смесеприготовительных, формо-
вочных машин и других устройств. Отливки имеют ме-
нее высокие механические свойства, размерную точ-
ность и чистоту поверхности, повышенные припуски на
механическую обработку по сравнению с отливками,
полученными другими способами литья.
В сухих формах из песчано-глинистых смесей полу-
чают около 20% отливок из чугуна и около 15% сталь-
ных отливок. Сушку форм обычно осуществляют в ка-
мерных печах (сушилах) при температуре 300—350° С;
ее продолжительность — ориентировочно 1 ч на 25 мм
толщины сечения стенок — нередко составляет 4—6 ч,
для крупных форм до 24 ч и более.
Прогрессивным способом является сушка горячим
воздухом, подаваемым в полость формы. Иногда при-
меняют поверхностную сушку на глубину 10—40 мм пе-
реносными сушилами или установками с инфракрасны-
ми лучами. Несмотря на эти усовершенствования, суш-
ка имеет большую продолжительность, значительно ус-
395
ложняет и удорожает процесс изготовления форм и не
соответствует требованиям, предъявляемым к современ-
ному высокомеханизированному и автоматизированному
производству.
СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ
При заливке формы стержни в большинстве случаев
находятся в тяжелых условиях, испытывая значительное
термическое и механическое воздействие расплавленно-
го литейного сплава. Поэтому к стержневым смесям
предъявляют более высокие требования по прочности и
другим свойствам, чем к формовочным смесям. В зави-
симости от конфигурации, толщины сечения, размещения
в форме стержни делят на пять классов.
В особо тяжелых условиях находятся стержни I клас-
са — сложной формы, с тонкими сечениями, соприкасаю-
щиеся с расплавленным металлом по всей поверхности.
Стержневая смесь должна иметь высокую прочность,
термохимическую устойчивость, податливость, газопро-
ницаемость. Для стержней II класса (с массивными ча-
стями, с тонкими ребрами или выступами), III класса
(центровые стержни с конфигурацией средней сложно-
сти) и т. д. требования к стержневым смесям соответст-
венно снижаются. Наименьшие требования предъявля-
ют к смесям для массивных стержней простой конфигу-
рации, образующих внутренние или внешние поверхно-
сти отливок. Так, например, для стержней I класса смесь
должна иметь ор^ 12 кгс/см2, коэффициент газопрони-
цаемости &Z5s120 единиц; для стержней V класса ор=
=3—6 кгс/см2, &з>50 единиц. В соответствии с этими
требованиями разработана многочисленная рецептура
стержневых смесей. Для стержней I класса наполнителем
является свежий песок с минимальным содержанием
глинистых веществ. В качестве связующих используют,
например, раствор растительных масел и канифоли в
уайт-спирите с добавками сульфитно-спиртовой барды
или другие аналогичные связующие вещества. Для
стержней менее ответственного назначения применяют
смесь песка и глины (3—5%) с добавками сульфитно-
спиртовой барды, древесного пека и т. п. Стержни IV—
V классов можно изготавливать из смесей, содержащих,
кроме свежего песка, 20—60% оборотной смеси, до 10%
глины и добавки древесного пека.
396
Требуемая прочность и другие свойства стержневых
смесей обеспечиваются сушкой стержней в конвейерных
печах (сушилах), инфракрасными лучами и т. д. В со-
ответствии с природой связующего температура сушки
составляет 160—250° С (иногда до 300—350°). Продол-
жительность сушки зависит от размеров сечения и дру-
гих условий и колеблется в широких пределах от 40—
60 мин до нескольких часов. Сушка стержней имеет те
же технико-экономические недостатки, как и сушка
форм. Поэтому для их изготовления очень широко при-
меняют самотвердеющие специальные смеси.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ СМЕСИ
Использование специальных формовочных смесей
для изготовления форм и стержней позволяет наиболее
эффективно применять современные средства механиза-
ции и автоматизации, исключить ручной труд, сущест-
венно повысить производительность труда и улучшить
качество отливок.
В специальных формовочных смесях основным ком-
понентом, как правило, является кварцевый песок с ми-
нимальным содержанием глинистых, веществ. В качест-
ве связующих используют синтетические смолы, жидкое
стекло; в смеси вводят катализаторы.
Наиболее часто используют карбамидные, карбамиднофенольные,
карбамиднофурановые, фенольные и фенолофурановые смолы, а так-
же жидкое стекло, цемент, сульфитио-спиртовую барду, сульфитно-
дрожжевую бражку и другие вещества. Катализаторы и другие до-
бавки выбирают для каждой формовочной смеси в соответствии с
требуемыми свойствами. В современном литейном производстве при-
меняют более 40 видов синтетических смол и других связующих ве-
ществ с соответствующими различными катализаторами. Для изго-
товления форм и стержней применяют много смесей с различными
свойствами, например сыпучие, пластичные, жидкие самотвердеющие
иа воздухе смеси; существует несколько десятков технологических
вариантов изготовления форм и стержней. Для наиболее эффектив-
ного использования нужно иметь не одну смесь на базе универсаль-
ного связующего, а несколько различных смесей, применяя их с уче-
том типа производства, вида сплава, конфигурации, массы отливок.
, Одним из основных требований к специальным формовочным
смесям является отсутствие или минимальное количество токсичных
выделений из смол (связующих, катализаторов) в условиях произ-
водства.
По условиям отверждения специальные смеси можно
условно разделить на следующие типы: 1) отверждае-
мые при продувке СОг и другими способами обработки;
397
2) горячего отверждения; 3) самоотверждающиеся на
воздухе — холоднотвердеющие (ХТС) и жидкие (ЖСС).
Смеси, отверждаемые при продувке углекислым га-
зом. В литейном производстве широко используют бы-
стротверждеющие жидкостекольные формовочные сме-
си, обычно содержащие 95—97% песка, 3—5% глины,
3—7 жидкого стекла (сверх 100%); влажность смеси
3,5—4,5%. Добавки жидкого стекла значительно сокра-
щают продолжительность затвердевания, что позволило
отказаться от длительной сушки форм и стержней, за-
менив ее быстропротекающими процессами химического
отверждния.
Жидкое стекло, используемое в литейном производстве, — вод-
ный раствор в воде силиката натрия (Na2O-wSiO2) или калия
(KsO-mSiOs). Основная характеристика жидкого стекла его модуль
SiO2
М= ~ 1,032, где SiO2 и Na2O—числа граммолекул двуокиси
iNagO
кремния и окиси натрия. Модуль М=2-=-3 определяет скорость
отверждения жидкого стекла и прочность формовочной смеси. Рас-
твор жидкого стекла в зависимости от модуля содержит бисиликат
натрия Na2O, 2SiO2 и свободную двуокись кремния SiO2 в виде
гелей. В результате гидратации эти гели загустевают, а затем при
удалении избытка воды затвердевают, «цементируя» частицы песка
и обеспечивая прочность формовочной смеси.
Процесс затвердевания смеси можно производить:
1) выдержкой на воздухе при цеховой температуре;
2) сушкой горячим воздухом; 3) продувкой СОг.
Широкое применение в производстве нашел так на-
зываемый СОг-процесс. При продувке углекислым га-
зом формовочная смесь затвердевает по реакции NasO*
•2SiO2+CO2==Na2CO3-|-2SiO2, в результате которой
образуется быстрозатвердевающий гель БЮг- Например,
смесь, содержащая 3—5% жидкого стекла с М-2,4-?2,6,
имеет предел прочности на сжатие в сыром состоянии
0,15—0,30 кгс/см2, затвердевает за 15—30 с, приобретая
предел прочности при растяжении 3—5 кгс/см2. В про-
изводственных условиях продолжительность затверде-
вания зависит от размеров сечения форм и стержней и
может составлять 5—15 мин и более.
. Для получения высокой прочности при растяжении
(15—20 кгс/см2) применяют смеси, содержащие жидкое
стекло с модулем М, близким к двум, и подвергают теп-
ловой сушке, в результате чего образуется гель бисили-
ката натрия. При затвердении на воздухе для ускоре-
ния процесса необходимо использовать жидкое стекло
398
с М, близким к трем, что приводит к уменьшению жи-
вучести (время до затвердевания) и прочности смеси.
Достоинствами СО2-процесса являются длительная
живучесть смесей, их быстрое отверждение, отсутствие
токсичных выделений; его недостатками являются боль-
шая гигроскопичность и плохая выбиваемость смесей.
Применяя специальные добавки, при сниженном ко-
личестве жидкого стекла смесь переводят в сыпучее со-
стояние, почти не требующее уплотнения при изготовле-
нии форм и стержней. Технологическая схема, заключа-
ющаяся в приготовлении смеси на установке непрерыв-
ного действия, уплотнении путем вибрации (10—15 с)
и продувке СО2 (20—30 с), обеспечивает получение вы-
сококачественных форм с отличной выбиваемостыо.
Кроме жидкостекольных смесей, в производстве находят при-
менение и другие смеси. Например, в США применяют стержневую
смесь с фенольной и изоцианатной смолами, отверждаемую при про-
дувке триэтиламином; известны и другие смеси, затвердевающие при
продувке газообразными катализаторами.
Рассматривая продувку газообразными катализаторами как спо-
соб упрочнения форм и стержней с обработкой смеси внешним воз-
действием, в эту группу можно включить и другие способы. К ним
относятся, например, ультразвуковое упрочнение в сочетании с прес-
сованием под небольшим давлением. Стержневая смесь, состоящая
из песка и 4—7% жидкого стекла с кратковременной ультразвуко-
вой обработкой (частота 18—22 кГц, амплитуда 0,4—0,7 мм), имеет
прочность примерно в три раза больше, значительно более высокую
газопроницаемость и поверхностную прочность, чем такая же смесь
без ультразвукового упрочнения. Аналогичные результаты получены
при ультразвуковом упрочнении смесей с другими связующими.
В последнее время находит применение вакуумная формовка со
специальными пленками и формовка в электромагнитном поле.
Смеси горячего отверждения для стержней принци-
пиально не отличаются от используемых смесей для су-
хих стержней и форм, также упрочняемых при нагреве,
продолжительность которого иногда составляет несколь-
ко часов. Рассматриваемые стержневые смеси отверж-
даются за 1—2 мин (в перспективе меньше 30 с) при на-
греве смеси до 250—280° С в горячих стержневых ящи-
ках с электрическими или газовыми нагревателями.
Такой способ дает возможность эффективно использо-
вать высокопроизводительные пескострельные и другие
машины, автоматизировать процесс, исключив из него
сушку стержней в печах. Поэтому эти смеси нашли ши-
рокое применение в цехах массового производства. На-
полнителем в смесях является кварцевый песок. В ка-
честве связующих обычно используют карбомиднофура-
399
новые и другие смолы с добавками соответствующих ка-
тализаторов, обеспечивающих быстрое отверждение
стержня при невысоком нагреве.
Например, смесь, содержащая песок (100%), карбо-
миднофурановую смолу (3—4%) и добавки катализато-
ров, отверждается при 250—270° С в течение 1—2 мин
(ор= 154-25 кгс/см2). Некоторые смеси горячего от-
верждения имеют повышенную текучесть, что облегчает
уплотнение при изготовлении стержня.
Общим недостатком всех этих смесей является необ-
ходимость в дорогостоящей металлической оснастке —
стержневых ящиках с нагревателями. При охлаждении
извлеченных из ящиков горячих стержней может проис-
ходить их коробление. Широко применяемые карба-
миднофурановые смолы содержат дорогой фуриловый
спирт. Более перспективным в настоящее время счита-
ют изготовление стержней из самотвердеющих смесей.
Холоднотвердеющие смеси (ХТС1) изготавливают из
песка с добавками синтетических смол (полимеров)/ка-
тализаторов и других добавок. Продолжительность от-
верждения некоторых смесей до извлечения моделей из
формы (стержня из ящика) составляет от 30 с до 1 мин,
дальнейшее отверждение происходит в течение несколь-
ких часов.
Одна из особенностей технологии состоит в том, что
холоднотвердеющие смеси имеют живучесть 20—30 мин
(иногда до 5 мин). Поэтому их, как правило, готовят на
месте изготовления формы в шнековых смесителях, сна-
чала перемешивая песок с жидкой смолой, а затем до-
бавляют катализатор. Формы и стержни имеют высокую
прочность после отверждения, но при заливке сплава
смола выгорает, прочность смеси резко падает и они
легко выбиваются.
В зависимости от свойств смеси в исходном состоя-
нии различают пластичные самотвердеющие смесн и сы-
пучие.
Из пластичных смесей формы и стержни изготавли-
вают уплотнением на формовочных машинах; на неко-
торых заводах созданы автоматические линии. Рецепту-
1 Иногда этн смесн называют также XT — холоднотвердеющие,
ПССХТ — песчано-смоляные смеси холодного твердения и т. п. Кро-
ме синтетических смол, в качестве связующих применяют и другие
вещества.
400
ра и свойства смесей различны. Например, стержни для
стальных отливок средней сложности на ряде заводов
изготавливают из смеси: кварцевый песок 95%; глина
3%; нефелиновый шлам 2%; едкий натр 1,5%; жидкое
стекло 7% (4 и 5 сверх 100%)- Предел прочности при
сжатии через 24 ч 8 кгс/см2, коэффициент газопроницае-
мости 80 единиц, живучесть смеси 30 мин. Для стержней
особо сложных стальных отливок используют более ка-
чественную смесь из кварцевого песка (100%); фурано-
вой смолы (2,5%); бензосульфокислоты (0,5%). Смесь
имеет через 24 ч осж=38 кгс/см2, 6=120 единиц, жи-
вучесть смеси 20 мин. Смесь готовят, перемешивая око-
ло 1 мин песок с катализатором, затем вводят смолу,
перемешивая еще 2 мин.
Интересные данные получены для некоторых смесей
с применением предварительно омагниченного жидкого
стекла. Омагничивание способствует повышению проч-
ности смеси на 40—60%, приводит к уменьшению рас-
хода жидкого стекла на 30—40% и улучшению выби-
ваемости смеси.
Сыпучие самотвердеющие смеси обычно состоят из
сухого безглинистого песка, синтетических смол, отвер-
дителей и других добавок, обеспечивающих их быстрое
затвердевание без нагрева. Их преимущество по срав-
нению с пластичными самотвердеющими смесями состо-
ит в том, что при формовке почти не требуется уплотне-
ние смеси, что значительно упрощает технологию изго-
товления форм и стержней.
Разработанная в ЦНИИТмаш совместно с НИИпластмасс хо-
лоднотвердеющая смесь с фенольной смолой успешно применйется
на ряде заводов. При использовании специальных катализаторов и
других добавок расход смолы в смеси уменьшается до 1%, продол-
жительность отверждения смеси в ящике составляет 30—50 с. Схема
изготовления стержней чрезвычайно проста: приготовление смеси в
смесителе непрерывного действия; уплотнение смесн на вибростоле;
извлечение стержня; весь цикл изготовления стержня в заводских
условиях занимает около 1 мин.
Кроме песчано-смоляных смесей, используют и другие сыпучие
самотвердеющие смеси, например, с сульфитно-дрожжевой бражкой,
глиноземным спеком. Такие смеси отверждаются до извлечения мо-
дели из формы за 10—15 мин; через 2 ч прочность смесн составляет
5—7 кгс/см2. Смеси легко выбиваются и обеспечивают хорошее ка-
чество поверхности отливок.
Использование холоднотвердеющих смесей обеспечи-
вает высокую точность и чистоту поверхности отливок,
что существенно снижает их последующую механи-
26-481
401
ческую обработку. Эти смеси все шире применяют в ли-
тейном производстве для изготовления не только мел-
ких и средних, но также и крупных форм и стержней.
К 1980 г. с применением холоднотвердеющих смесей
намечено получить 2—2,5 млн. т чугунных и стальных
отливок. Вместе с тем в применяемых смесях некоторые
смолы имеют высокую стоимость и являются дефицит-
ными. Развитие идет в направлении снижения расхода
и стоимости смол, разработки менее дефицитных свя-
зующих, эффективных способов регенерации использо-
ванной смеси.
Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) для изготов-
ления форм и стержней разработаны в нашей стране
около 15 лет назад и нашли очень широкое применение
в литейном производстве. В отличие от других формо-
вочных смесей формы и стержни из ЖСС изготавливают
не методами уплотнения, а путем заливки. Смесь
затвердевает через 30—40 мин.
Жидкие самотвердеющие смеси имеют различный
состав. Основным наполнителем в смесях является квар-
цевый песок (95—97%), В качестве связующих и ве-
ществ, обеспечивающих затвердевание смеси на воздухе,
обычно используют жидкое стекло, феррохромовый шлак,
иногда цемент с добавками соответствующих катализа-
торов. Для перевода смеси в жидкоподвижное состояние
применяют пенообразователи: контакт Петрова с мыло-
нафтом, ДС-РАС (детергент советский рафинирован-
ный акрилсульфонат), КЧНР (контакт черный нейтра-
лизованный рафинированный) и другие вещества, обес-
печивающие образование и устойчивость пены в течение
5—15 мин.
Например, облицовочная ЖСС состоит из песка
(95,5%), феррохромового шлака (3,5%), угля молотого
(1,0%) , сверх 100% добавляют жидкое стекло (~6,0%),
пенообразователь (ДС-РАС) 0,1—0,2%, воду около
2,0%. Плотность смеси составляет 1,3 г/см3. Прочность
смеси через 1 ч осж=2ч-4 кгс/см2, через 24 ч — оСж==
=4-? 7 кгс/см2.
Смесь начинает отверждаться сразу же после введе-
ния феррохромового шлака; при приготовлении смеси
его загружают в смеситель в последнюю очередь. Смесь
должна быть залита в формы (стержневые ящики) в те-
чение 1,5—2 мин после приготовления, Извлекают
402
модели (стержни из ящика) через 40 мин. Цементные
жидкоподвижные смеси содержат: 1) кварцевый не*
сок — 92%; 2) цемент — 8%; 3) воду — 10%; 4) ката-
лизатор— 2% (3,4 — сверх 100%). Время затвердевания
смеси до извлечения модели 40—50 мин. Через 3 ч
форму окрашивают противопригарной краской, через
4—6 ч заливают сталь.
Применение ЖСС исклю-
чает формовку, применение
формовочных машин значи-
тельно упрощает технологию
изготовления форм и стерж-
ней, снижает трудоемкость,
повышает качество отливок и
производительность труда
(рис. 178).
Использование ЖСС дает
возможность организовать
поточные механизированные
линии в единичном и мелко-
серийном производстве, зна-
чительно упростить изготовле-
ние формы для очень крупных
отливок.
/Ж /970 1975 1980гг
(план)
Рис. 178. Увеличение производ-
ства отливок с использованием
ЖСС (станкостроение):
/ — отливок со стержнями из
ЖСС; 2 — отливок в формы из
ЖСС; 3 — рост производитель-
ности труда
ПРИПЫЛЫ И КРАСКИ
Для предотвращения пригара и улучшения чистоты
поверхности отливок формы и стержни покрывают тон-
ким слоем противопригарных материалов. Для сырых
форм применяют припылы. В формах для чугунных от-
ливок, например, используют порошкообразную смесь
окиси магния, древесного угля и бентонита, порошкооб-
разный графит. В формах для стальных отливок приме-
няют порошкообразную смесь окиси магния и огнеупор-
ной глины, пылевидный кварц, циркон и другие материа-
лы. Для сухих форм применяют противопригарные
краски, водные суспензии этих материалов с добавками
связующих.
Краски наносят кистью, пульверизатором, иногда
окунанием. Для исключения повторной сушки краски на-
носят на горячие формы, не успевшие остыть после суш-
ки. В настоящее время для форм и стержней в особен-
ности из самотвердеющих специальных смесей широко
применяют самотвердеющие и самовысыхающие краски.
26*
403
В самотвердеющих красках для чугунного литья в ка-
честве противопригарного наполнителя используют по-
рошкообразный графит, графито-бентонитовую пасту;
для стального литья — маршалит, циркон, огнеупорную
глину. Связующими и добавками для быстрого отверж-
дения служат сульфитно-спиртовая барда, едкий натр и
другие вещества. Плотность красок регулируется добав-
ками воды. Продолжительность затвердевания различ-
ных самотвердеющих красок составляет 0,5—1,5 ч. Крас-
ки наносят тонким слоем, иногда в 2—3 слоя, через 15—
30 мин. При многослойном нанесении краски полуформы
и стержни выдерживают на воздухе 2—5 ч для естест-
венной подсушки каждого слоя.
Самовысыхание красок основано на быстром испаре-
нии растворителя, наиболее часто гидролизного спирта
(43—50% от массы краски). Такие краски высыхают за
0,5—2 ч, продолжительность сушки-проветривания дохо-
дит до 3,5—4 ч.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ СМЕСЕЙ
Технология изготовления формовочных смесей вклю-
чает: 1) подготовку свежих песка, глины и других исход-
ных материалов; 2) подготовку оборотных смесей;
3) приготовление смеси.
Пески сушат (~250°С) в кипящем слое или в воз-
душном потоке, а также в печах барабанного типа или
других установках и затем просеивают.
Глину сушат при 200—250° С в печах барабанного
типа, размельчают на дробилках, затем размалывают в
шаровых мельницах или бегунах и просеивают. В фор-
мовочную смесь глину целесообразно вводить не в по-
рошковом состоянии, а в виде суспензии (35—40 ч. гли-
ны и 45—60 ч. воды), приготовляемой в лопастных сме-
сителях и других устройствах.
Угольный порошок получают размолом угля анало-
гично получению порошкообразной глины.
Порошкообразный кварц, графит, синтетические смо-
лы, катализаторы и другие исходные материалы посту-
пают в цех в готовом виде.
Оборотную смесь после выбивки из опок размина-
ют на гладких валках, очищают от металлических час-
тиц на магнитном сепараторе и просеивают.
Регенерация формовочных и стержневых смесей, со-
держащих пленки синтетических смол и других связу-
404
ющих, приобретает все более важное значение, так как
позволяет сократить расход свежего песка на 40—60%
(для крупного завода-центролита экономия примерно
150—200 тыс. т песка в год). Один из применяемых в
производстве способов — процесс гидрорегенерации —
включает дробление, магнитную очистку, оттирку (раз-
рушение пленок связующих с применением ультразвуко-
вого, вибрационного и других
методов), классификацию
(разделение песка по крупно-
сти) и обезвоживание. Регене-
рат со степенью оттирки до
80% по свойствам практиче-
ски не отличается от свежего
песка.
Приготовление песчано-
глинистых формовочных сме-
сей включает несколько опе-
раций: перемешивание компо-
нентов смеси, увлажнение, вы-
леживание и разрыхление. Пе-
ремешивание смеси наиболее
часто производят в смесите-
лях-бегунах с вертикальными
или горизонтальными катками
(рис. 179). Песок, глину, воду
и другие компоненты загру-
Рис. 179. Смешивающие бегуны
с горизонтальными катками:
1 — чаша; 2 — вертикальный
вал; 3 — траверса; 4 маятни-
ки; 5 — катки; 6 — шарниры;
7 — плужки; 8 — люк для уда-
ления смеси
жают с помощью дозаторов,
перемешивание смеси проис-
ходит под действием катков и
плужков, подающих смесь под
катки.
Готовую формовочную смесь выдерживают 2—5 ч
в бункерах-отстойниках для равномерного распределе-
ния влаги и образования водных оболочек вокруг гли-
нистых частиц. Затем смесь разрыхляют в специальных
устройствах и подают на формовку. Аналогичным спо-
собом приготавливают и многие другие смеси.
Для самотвердеющих смесей применяют быстроход-
ные смесители, устанавливая их непосредственно у рабо-
чих мест формовки,
405
Глава 3
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ отливок
Технологический процесс производства отливок в ра-
зовые формы включает формовку, т. е. изготовление по-
луформ и стержней, сборку литейной формы, заливку
расплава, обрубку и очистку отливок. Для организации
современного экономически эффективного литейного про-
изводства необходимыми условиями являются рацио-
нальная конструкция и технологичность отливок,
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ КОНСТРУКЦИИ
И ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ отливок
При конструировании литой детали необходимо вы-
брать, исходя из ее назначения и условий работы, не
только форму, размеры сечений, литейный сплав и т. п.
Очень важной задачей является обеспечение технологич-
ности отливок, определяющей их экономичность.
Технологичной считают отливку, которую можно из-
готовить в данных производственных условиях, приме-
няя экономически наиболее выгодную технологию, с ми-
нимальными затратами и потерями от брака при высо-
ком качестве изделий.
Одно из основных требований технологичности — про-
стота конфигурации отливки, облегчающая изготовление
моделей, форм, выбивку, очистку, последующую обра-
ботку детали, возможность механизации и автоматиза-
ции литейного производства.
Некоторые элементы конструкции литых деталей с
учетом требований технологичности показаны на рис. 180.
Для получения качественных отливок необходимо учиты-
вать условия затвердевания металла в форме. У отливки
1 (рис. 180, а) вследствие невыгодного расположения
осей кристаллов металла прочность меньше, чем у от-
ливки 2.
Конические шестерни (см. рис. 180, б) лучше отли-
вать зубьями вниз; литейные дефекты: песочные и газо-
вые раковины чаще всего образуются на верхних поверх-
ностях и частях отливки.
При переходах от толстой стенки к тонкой (см.
рис. 180, в) в вершине угла возникают напряжения,
которые могут привести к образованию трещин Пра-
406
вильно выполненная конструкция предусматривает плав-
ный переход от сечения А и а на длине I, например, по
соотношению с=3 ]/ А—а. На рис. 180, а показаны галте-
ли — закругления в углах при сопряжении стенок отлив-
ки. Они необходимы для того, чтобы избежать осыпания
формовочной.земли при извлечении модели при формов-
ке, а также для обеспечения благоприятной структуры
металла и уменьшения напряжений в углах отливки.
Рис. 180. Элементы конструкции литых деталей с учетом технологичности
Радиусы галтелей у отливок (моделей) составляют
1/54-1/3 от средней арифметической толщины сопрягае-
мых стенок.
Формы и стержни не должны препятствовать усадке
металла — уменьшению размеров детали при затверде-
вании и охлаждении сплава. При наличии препятствий
для усадки возникают напряжения, возможно коробле-
ние и образование трещин. Поэтому, например, отливка
шкива с прямыми спицами (см. рис. 180, д) менее выгод-
на, чем со спицами, расположенными под углом к ободу,
которые могут несколько выпрямляться при усадке и в
них возникают меньшие напряжения.
Неправильное расположение ребер жесткости, часто
применяемое в литых конструкциях, может привести к
короблению изделий.
Литейные уклоны необходимы для облегчения извле-
чения модели при формовке. Величина уклонов зависит
от высоты изделия и составляет 1—8 мм, или 0,5—3°.
Без уклонов и галтелей при извлечении модели может
быть разрушение формы и осыпание формовочной смеси.
Стенки отливки должны быть по возможности одина-
ковой толщины. В местах утолщения стенок и в массив-
407
ных частях отливок могут образовываться усадочные
раковины и рыхлость. Для предотвращения этих дефект
тов необходимо устраивать прибыли для питания жид-
ким металлом больших масс затвердевающего металла,
или сплава.
Приведенные примеры лишь иллюстрируют особен-
ности конструкции литых деталей с учетом их техноло-
гичности. Оптимальное решение этих вопросов, в особен-
ности для сложных отливок, часто является результатом
совместной работы конструктора и технолога.
ЛИТЕЙНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА
В комплект литейной технологической оснастки для
изготовления форм из формовочных смесей входят моде-
ли, модельные плиты, стержневые ящики и т. д.
Модели — приспособления, при помощи которых в
формовочной смеси получают отпечатки полости, соот-
ветствующие наружной конфигурации отливок. Отвер-
стия и полости внутри отливок образуют при помощи
стержней, устанавливаемых в формы при их сборке.
Размеры модели делают больше, чем соответствую-
щие размеры отливки, на величину линейной усадки
сплава, которая составляет для углеродистой стали
1,8—2%, для чугуна 0,8—1,2%. Если отливки подвергают
механической обработке, то в соответствующих разме-
рах модели учитывают величину припусков — слоя ме-
талла, удаляемого при механической обработке. Величи-
на припуска зависит от размеров отливки, вида сплава.
Она составляет, например, для мелкого чугунного литья
0,7—5 мм на сторону. Модели делают из древесины, ме-
таллических сплавов и пластмасс.
Деревянные модели изготавливают из плотной, хоро-
шо просушенной древесины — сосны, бука, ясеня и др.
Для предотвращения коробления модель изготавливают
не из целого куска древесины, а склеивают из отдельных
частей (брусочков) с тем, чтобы направление волокон
было разным. Во избежание деформирования модели во
влажных формовочных смесях и для лучшей вытяжки
из формы их окрашивают; для чугунных отливок принят
красный цвет, для стальных — синий.
Преимущество деревянных моделей—их дешевизна,
простота изготовления; при больших размерах — неболь-
шая масса; основной недостаток — недолговечность.
408
Металлические модели по сравнению с деревянными
имеют значительно большую долговечность, высокую
точность и чистую рабочую поверхность. Такие модели
чаще всего делают из алюминиевых сплавов. Эти сплавы
имеют малую плотность, не окисляются, хорошо обраба-
тываются резанием. Для уменьшения массы металличе-
Рис. 181. Модельные комплекты:
с —модельная плита односторонняя (1) и двусторонняя (2); б —подмодель*
ная плита со сменными вкладышами 3; в — координатная плита
ские модели обычно делают пустотелыми с ребрами
жесткости внутри.
Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги
при эксплуатации и хранении, не подвергаются коробле-
нию, имеют небольшую массу. Перспективным является
применение моделей из вспененного полистирола, гази-
фицирующегося при заливке металла в форму. Примене-
ние таких, неудаляемых из формы моделей упрощает
формовку, способствует улучшению качества литья.
Для машинной формовки широко применяют модель-
ные комплекты: металлические модельные плиты и бы-
409
стросменную модельную оснастку-координатные под-
модельные плиты и подмодельные плиты со сменными
вкладышами (рис. 181).
Металлические модельные плиты с одной или не-
сколькими моделями используют в- массовом производст-
ве. Такие плиты могут быть односторонними для раздель-
ной формовки верхней и нижней полуформ, а также
двусторонними, когда части моделей размещены на обеих
сторонах плиты. Машинная формовка с применением ме-
таллических плит обеспечивает высокое качество отливок.
Координатные подмодельные плиты применяют, когда
по условиям производства необходима частая смена мо-
делей. Металлическая плита имеет большое число отвер-
стий. Они обозначены по горизонталям буквами, по вер-
тикалям — цифрами и, таким образом, каждое из них
имеет свой шифр, например А5, Б8 и т. д. Модель быстро
и точно устанавливают на плите по направляющим
штифтам и затем укрепляют на плите при помощи болтов.
Подмодельные плиты со сменными вкладышами (см.
рис. 181, б) позволяют произвести очень быструю смену
моделей. Они состоят из металлической рамки н сменных
металлических или деревянных вкладышей (иногда ко-
ординатных) с прикрепленными к ним моделями. Конст-
рукция плит предусматривает быструю смену и надежное
крепление вкладышей.
Стержневые ящики для изготовления стержней долж-
ны обеспечивать равномерное уплотнение смеси и быст-
рое извлечение стержня. Как и модели, стержневые ящи-
ки имеют литейные уклоны, при назначении их размеров
учитывают величину усадки сплава и, если требуется,
также и припуска на механическую обработку. Стержне-
вые ящики делают из тех же материалов, что и модели.
По конструкции стержневые ящики могут быть неразъ-
емными (вытряхными) и разъемными (рис. 182). Ящики
для изготовления стержней из смесей горячего затверде-
вания имеют электрические или газовые нагреватели.
Опоки — прочные металлические рамы различной фор-
мы, предназначенные для изготовления литейных полу-
форм из формовочных смесей (рис. 183). Опоки изготав-
ливают из серого чугуна, стали, алюминиевых сплавов.
Они могут быть цельнолитыми, сварными или сборными
из отдельных литых частей. Стенки опок часто делают
с отверстиями для уменьшения их веса, удаления газов
из формы при заливке и для лучшего сцепления формо-
410
Рис. 182. Стержневые ящики:
а — деревянный (половина); металлические; б—неразъемный (вытряхной)д
в — с вертикальным разъемом; г —с горизонтальным разъемом
Рис. 183. Опоки:
/ — ручка; 2 —цапфа; 3 — центрирующее отверстие; 4— внутренние
ребра; 5 —скрепление опок
войной земли с опокой. Для удержания уплотненной
делают внутренние ребра. Соединяют опоки штырями и
центрирующими отверстиями в приливах. Для скрепле-
ния опок применяют скобы или другие приспособления.
ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ
Литейную форму заливают расплавом через литнико-
вую систему. Литниковой системой называют совокуп-
ность каналов и резервуаров, по которым расплав посту-
пает из ковша в полость формы. Литниковая система
должна обеспечить непрерывное поступление расплава в
форму, питание отливки для компенсации усадки, предот-
вращать разрушение формы, попадание шлака и воздуха
со струей расплава.
Основными элементами литниковой системы являют-
ся литниковая чаша, стояк, шлакоуловитель, питатели
(рис. 184). Чаша уменьшает размывающее действие
струи расплава, задерживает всплывающий шлак.
Для лучшего задержания шлака в литниковой систе-
ме для чугунного литья выдерживают следующее соот-
411
ношение величины сечения стояка, шлакоуловителя и пи-
тателей: Рст > Гшл > £пит.
На верхних частях средних и крупных отливок делают
выпоры — каналы для выхода из формы воздуха и газов
и всплывающих неметаллических включений. Они содей-
ствуют нормальной усадке застывающего сплава.
412
Литниковые системы в зависимости от формы, разме*
ра отливки, состава и свойств литейного сплава имеют
различное, иногда сложное устройство (рис. 185).
Верхняя литниковая система наиболее проста. Ее при-
меняют для мелких деталей небольшой высоты. С увели-
чением высоты происходит размывание формы струей
расплава, разбрызгивание и окисление его, увеличивает-
ся количество неметаллических включений в теле
отливки.
Нижнюю (или сифонную) литниковую систему при-
меняют для средних и толстостенных отливок значи-
тельной высоты. Она обеспечивает спокойное заполнение
формы расплавом. Вместе с тем эта система более
сложна.
Ярусная литниковая система обеспечивает последо-
вательное питание отливки снизу вверх и ее применяют
для крупных отливок. Недостатки ярусной литниковой
системы — сложность в изготовлении и значительный
расход расплава. Ее разновидность — вертикально-ще-
левая система — предназначается главным образом для
цветных сплавов.
Для лучшего задержания шлаковых включений в
литниковые чаши или другие элементы литниковой си-
стемы иногда устанавливают фильтры, например кера-
мические сетки. С их помощью можно отделить относи-
тельно крупные шлаковые частицы.
Чрезвычайно перспективным способом тонкой очистки
металлических расплавов в литниковых системах явля-
ется фирам-процесс (фильтрационное рафинирование
металлов), при котором фильтрующий узел делают из
специальной стеклоткани (см. рис. 184). При фирам-про-
цессе значительно повышается чистота металла и, как
следствие, качество отливок, уменьшается брак, что в
целом дает значительный экономический эффект. Этот
способ используют на многих предприятиях для отливок
из серого и высокопрочного чугуна, бронзы и других
сплавов.
ПРИБЫЛИ
Назначение прибылей — получение отливок без уса-
дочных раковин и пористости, которые могут образовы-
ваться вследствие уменьшения объема расплава при его
затвердевании. Прибыли размещают у массивных частей
отливки, где усадка проявляется наиболее значительно.
413
Прибыли различают по их геометрической форме, месту
расположения, условиям питания металлом тела отливки
и т. д. Выбор рациональной прибыли зависит от формы,
размеров, массы отливки, величины усадки сплава и дру-
гих условий. Правильность расчета прибылей проверя-
ют экспериментальными исследованиями структуры ме-
талла. Некоторые типы прибылей показаны на рис. 186.
Рис. З’Вб- Прибыли:
а—открытая коническая; б —закрытая волу шаровая; в—закрытая ша-
ровая; г — работающая под атмосферным давлением; д — работающая под
газовым давлением; е — легкоетделяемая
Открытые прибыли прямого питания применяют для
крупных стальных отливок, производя иногда доливку,
по мере снижения уровня металла. Такая прибыль слу-
жит также выпором, в нее могут всплывать частицы фор-
мовочной смеси и другие загрязнения.
Во многих случаях применяют закрытые прибыли,
дающие экономию металла. Например, для ответствен-
ных стальных отливок с массой 100—500 кг и толщиной
стенок до 30 мм технологический выход годного соста-
вляет при открытых прибылях 56—64%, при закрытых
61—69%. Наименьший необходимый объем имеют при-
были шаровой формы, наибольший — конический.
В закрытых прибылях, действующих под атмосфер-
ным давлением, создаются благоприятные условия для
414
образования выгодно расположенных усадочных раковии
и обеспечения плотной структуры отливки. Атмосферное
давление создают, устанавливая в полость прибыли спе-
циальные газопроницаемые стержни из песчано-масля-
ных смесей.
Прибыли, действующие под давлением газов, впервые
разработаны советскими исследователями П. И. Яшма-
новым, А. А. Рыжиковым и др. В полость прибыли поме-
щают в специальном патроне заряд газотворного вещест-
ва, обычно мел с добавками кокса. Патрон устроен так,
что заряд начинает разлагаться после образования на
поверхности прибыли тонкой твердой корочки металла.
Выделяющиеся газы создают давление, вытесняя жидкий
металл в тело отливки.
Для получения легко отделяемых прибылей (приори-
тет П. А. Иванова) применяют разделительные пластины
(стержни-пластины, стержни-диафрагмы), например,
как показано на рис. 186, е, которые изготавливают из
шамотно-глинистых смесей,
РУЧНАЯ ФОРМОВКА
Машинная формовка — главный способ изготовления
форм в отечественном литейном производстве. Доля руч-
ной формовки составляет менее 8% отливок по массе
и непрерывно сокращается.
Ручная формовка связана с тяжелой и трудоемкой
работой, что приводит к низкой производительности.
Этот способ формовки еще находит некоторое примене-
ние для получения мелких и средних отдельных отливок
или небольшой их партии. Более важное значение руч-
ная формовка имеет в производстве крупных отливок
в почву (в кессонах), формы для которых трудно или
невозможно изготовить методами машинной формовки.
Формовка в двух опоках по разъемной модели — наи-
более распространенный способ ручной формовки в про-
изводстве мелких и средних отливок — показана на
рис. 187. Для изготовления нижней полуформы на под-
модельный щиток устанавливают половину модели 3,
опоку 2, засыпают и уплотняют трамбовкой сначала об-
лицовочную, а затем наполнительную смесь; в уплотнен-
ной смеси специальной иглой делают газоотводные
(вентиляционные) наколы. Затем опоку поворачивают
на 180° (см. рис, 187,в), устанавливают по шипам вто-
415
рую половину модели, модели стояка и выпора. После
уплотнения смеси делают вентиляционные наколы и вы-
нимают модели стояка и выпора; затем опоку снимают
и вынимают половинки модели (специальным приспо-
соблением).
Рис, 187. Схема формовки в двух опоках по разъемной модели:
с — модель; б. в — изготовление нижней и верхней полуформ; г — со-
бранная форма; 2 — вентиляционные наколы; 2— иижняя опока; 3 —
нижняя половина модели; 4 — подмодельный щиток; 5 — модель стоя-
ка; 6 — модели выпоров; 7 — верхняя половина модели; 8 — верхняя
опока; 9 — стержень
В нижней полуформе прорезают питатель — канал,
соединяющий стояк литниковой системы с телом отлив-
ки. Для удаления случайных частиц формовочной смеси
полуформы обдувают воздухом и на их внутреннюю по-
Рис. 188. Схема формовки по шаблону:
а — изготовление модели из формовочной смеси; б — изготовление верхней
полуформы в опоке; в —собранная форма; г —отливка
416
верхиость наносят тонкий слой припыла (для сухих
форм — формовочной краски). При сборке формы в нее
устанавливают отдельно изготовленный стержень.
Формовка по шаблону также находит некоторое при-
менение в производстве отдельных средних и крупных
отливок относительно простой формы, поверхности кото-
рых можно оформить вращением шаблона — профиль-
ной доски. Сущность изготовления формы поясняет
рис. 188.
В уплотненной формовочной смеси вращением шаб-
лона оформляют наружную поверхность отливки и ис-
пользуют ее как модель для формовки в опоке верхней
полуформы. Затем удаляют опоку, вторым шаблоном
оформляют нижнюю полуформу, снимая слой смеси, по
величине равный толщине стенки отливки.
МАШИННАЯ ФОРМОВКА
Машинная формовка обеспечивает не только совре-
менное массовое, крупносерийное, серийное производ-
ство; во многих случаях ее успешно используют для по-
лучения мелких серий или даже отдельных отливок.
Применение машинной формовки во много раз увеличи-
вает производительность труда, улучшает качество
форм, а следовательно, и отливок, снижает брак, облег-
чает условия работы формовщика. Совершенствование
формовочных машин привело к созданию полуавтомати-
ческих и автоматических формовочных установок, по-
точных и автоматических линий.
По характеру уплотнения смеси различают машины
прессовые, встряхивающие и др.
Уплотнение прессованием может осуществляться по
различным схемам, выбор которых зависит от размеров,
формы модели, требуемой степени и равномерности
уплотнения формовочной смеси и других условий.
В машинах с верхним прессованием (рис. 189, а)
уплотняющее давление действует сверху. На столе ма-
шины 1 закрепляют модельную плиту 2 с моделью 3,
устанавливают опоку 4 и на нее наполнительную рам-
ку 5. Опоку и рамку заполняют формовочной смесью из
бункера. При подъеме стола прессовая колодка 6 входит
в наполнительную рамку, запрессовывая смесь в опоку;
высота наполнительной рамки определяет вытесняемый
объем формовочной смеси, а следовательно, и степень
27—481
417
Рис. 189. Схема верхнего
(а) и нижнего (б) прессования
Рис. 190. Схемы прессования:
а—профильной колодкой; б — дифференциальное; в —эластичной мембраной;
1 — стол машины; 2— опока; 3 — модель; 4— прессовая колодка; 5 — рамка
ее уплотнения в опоке. После завершения прессования
стол с модельной оснасткой опускают в исходное поло-
жение.
В машинах с нижним прессованием (см. рис. 189,6)
формовочная смесь уплотняется самой моделью и мо-
дельной плитой. Удельное давление при прессовании
обычно составляет 3—5 кгс/м2.
Недостатком этих способов прессования является не-
равномерность уплотнения формовочной смеси. При
верхнем прессовании наиболее уплотнены верхние слои
смеси, наименьшая степень уплотнения у поверхности
модели. При нижнем прессовании наиболее уплотнена
смесь у поверхности модели, что обеспечивает получение
более качественной формы. Несмотря на это, чаще при-
меняют машины с верхним прессованием. Машины с
нижним прессованием имеют более сложное устройство
и менее надежны в эксплуатации.
Неравномерность уплотнения смеси возрастает с уве-
личением высоты опоки. Поэтому уплотнение прессова-
нием применяют для изготовления полуформ в невысо-
ких опоках (до 200—250 мм), Этот недостаток может
418
быть устранен применением профильных колодок
(рис. 190,а), дифференциальным прессованием с вдав-
ливанием в смесь нескольких колодок (см. рис. 190,6).
Равномерное уплотнение смеси можно получить также
прессованием с диафрагмой — эластичной резиновой
мембраной (см. рис. 190,в). Смесь уплотняется, напри-
мер, давлением сжатого воздуха через эластичную мем-
брану, повторяющую рельеф поверхности модели.
Прессование под высоким давлением (до 40 кгс/см2) —
сравнительно новый, прогрессивный способ формовки.
Этот способ дает возможность изготовлять полуформы
с требуемой степенью уплотнения в высоких опоках (до
350 мм), с повышенной точностью по размерам и глад-
кой поверхностью. При высокой степени уплотнения по-
вышается теплопроводность смеси, что способствует
улучшению структуры металла в отливке.
Уплотнение встряхиванием получило широкое приме-
нение в литейном производстве. На встряхивающих ма-
шинах уплотнение происходит за счет сил инерции сме-
си в результате многократно повторяемых встряхиваний.
Принципиальная схема встряхивающей машины показана
на рис. 191, а. На столе 1 укрепляют модельную плиту
с моделью 2, устанавливают опоку 3 и наполнительную
рамку 4. Под давлением сжатого воздуха, поступающе-
го через каналы 5, стол поднимается на высоту 30—
100 мм (см. рис. 191,б), определяемую положением вы-
пускного отверстия 6. Вследствие понижения давления
подвижные части падают вниз. При ударе стола по
торцовой поверхности направляющего цилиндра смесь
уплотняется за счет инерционных сил. Уплотнение смесн
происходит неравномерно. Дополнительное уплотнение
верхних рыхлых слоев смеси осуществляют допрессов-
кой (см. рис. 191).
На некоторых заводах применяют другой комбиниро-
ванный способ — совмещение встряхивания с подпрес-
совкой. При включении встряхивающего стола на слой
формовочной смеси, выступающей под опокой, наклады-
вают тяжелую подпрессовочную плиту. Такой способ
сокращает время набивки смеси и качество ее уплотне-
ния. Встряхивающие машины дают возможность уплот-
нять смеси в высоких опоках, изготавливать формы по
сложным моделям с высокими ребрами и впадинами.
Режим уплотнения: подъем стола 30—100 мм, число
ударов 30—50 в мин. Для уплотнения смеси в опоке
27*
419
1200X800X460 мм для крупной отливки требуется 25—
50 ударов, время уплотнения 25—40 с (время допрессов-
ки 2—5 с), В нашей стране созданы уникальные встря-
хивающие машины с грузоподъемностью до 40 тс, обес-
печивающие формовку очень крупных отливок (до 15 т)
в опоках размерами до 2500X2000 мм. Основными не-
Рис. 191. Схема встряхивающей ма-
шины:
1 — стол; 2 — модельная плита с
моделью; 3— опока; 4—наполни-
тельная рамка; 5—канал для под-
вода сжатого воздуха; 6 — выпуск-
ное отверстие; 7 — подпрессовочная
плита; 1 — схема допрессовки; II—
схема совмещения встряхивания с
подпрессовкой
достатками встряхиваю-
щих машин являются
меньшая производитель-
ность, чем у прессовых
машин, а также сильный
шум при работе.
Рис. 192. Схема устройства
метательной головки песко*
мета:
1 — метательный ковш; 2 —
подача формовочной смеси?
3 — кожух головки; 4 — от-
верстие для выброса смесн
в опоку
Пескометы — высокопроизводительные формовочные
машины — используют преимущественно для изготовле-
ния форм крупных отливок в опоках и в кессонах. Осо-
бенность формовки состоит в том, что пескомет обеспе-
чивает одновременно две операции: засыпку смеси и ее
уплотнение.
Основной частью пескомета является его метатель-
ная головка (рис. 192). Формовочную смесь, поступаю-
щую в головку пескомета по транспортеру, подхватыва-
ют метательные ковши (лопасти), вращающиеся со ско-
ростью до 1500 об/мин, и выбрасывают со скоростью
420 '
30—60 м/с через отверстие в опоку. Из-за большой ско-
рости выброса формовочная смесь хорошо и равномерно
уплотняется в опоках любой высоты. Для направления
струи формовочной смеси головку можно перемещать
в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Производительность пескометов обычно не менее
10—15 м3 смеси в час.
Извлечение моделей из форм при формовке вруч-
ную — ответственная операция, требующая определенно-
го навыка в работе. Модель предварительно «расталки-
вают» лёгкими ударами, а затем осторожно извлекают
при помощи крючка или ввернутого болта. При машин-
ной формовке эта операция механизирована, что обеспе-
чивает сохранение точных размеров и отсутствие по-
вреждений форм.
Рис. 193. Схема устройства механизмов для удаления моделей из форм:
а—’подъемом опоки; б — опусканием модели через протяжную плиту; в—по-*
воротной плитой; 1 — модель; 2— опока; модельная плита; 4— протяжная
плита'; 5 —поворотный стол; б —штифтовый механизм
На рис. 193,а показано извлечение невысокой моде-
ли. Опоку поднимают при помощи штифтов подъемного
механизма, а модельная плита (модель) остается на
месте. Модель большой высоты опускают вниз через
протяжную плиту, заформованная опока остается на
месте (см. рис. 193,6). Часто модели извлекают при
помощи поворотной плиты. Эту плиту прочно скрепляют
с опокой и модельной плитой и поворачивают на 180°.
Затем опоку освобождают и опускают вниз или подни-
мают модель вверх (см. рис. 193, в) ,
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИННОЙ ФОРМОВКИ
Формовка в двух опоках (рис. 194) является наибо-
лее распространенным способом. Модельную плиту с
моделью обдувают воздухом для удаления пыли и
опрыскивают керосином, чтобы не прилипала формовоч-
421
ная смесь. Затем устанавливают нижнюю опоку и запол-
няют ее формовочной смесью из бункера, расположенно-
го над машиной. После уплотнения смеси прессованием
или другим способом удаляют ее излишек. На опоку
устанавливают щиток, поворачивают ее на 180° и выни-
мают модель.
Рис. 194. Машинная формовка в двух опоках:
/ — модельная плита для нижней полуформы; 2 — нижняя опока; 3—модель
стояка; 4 — верхняя опока; 5—модельная плита для верхней полуформы;
6 — стержень; 7 — щиток
Аналогичным образом формуют верхнюю полуфор-
му. При сборке формы в нижнюю полуформу устанавли-
вают стержень и обдувают сжатым воздухом для удале-
ния пыли. Затем по направляющим штырям устанавли-
вают верхнюю полуформу, скрепляют обе опоки скоба-
ми или другим способом и направляют к месту заливки.
Безопочная формовка на формовочных машинах
и высокопроизводительных полуавтоматических установ-
ках (200—300 форм в час) широко применяется в мас-
совом производстве мелких изделий. Этот способ фор-
422
Рис. 195. Безопочная формовка:
а, б положения при уплотнении нижней н верхней опок; в, г — снятие верх-
ней опоки; д — собранная форма в опоках; е — снятие опок с формы; /—верх-
няя опока; 2— модельная плита; 3 — нижняя опока; 4 — подоночный щиток{
5 — металлический жакет
мовки можно выполнять по различным вариантам.
Основные операции формовки в двух опоках с двусто-
ронней модельной плитой показаны на рис. 195. На ниж-
нюю опоку по штырям устанавливают модельную плиту
и верхнюю опоку. Затем сборку поворачивают на 180°
423
и изготавливают нижнюю полуформу; далее накладыва-
ют подоночный щиток, поворачивают сборку на 180°
и уплотняют смесь в верхней опоке. После этого снима-
ют верхнюю опоку и удаляют модельную плиту. После
сборки полуформ обе опоки снимают, на форму надева-
ют тонкостенный металлический кожух-жакет для пре-
Рис. 196. Безопочиая формовка:
1 — бункер: 2 —рабочий резервуар; 3-шток поршня цилиндра; 4—модель-
ная плита; 5 —поворотная модельная плита; 6, 7, 8— безопочные формы
дохранения от разрушения. Для изготовления форм тре-
буется ограниченное число опок, что дает большую эко-
номию.
При безопочной формовке по схеме, приведенной на
рис. 196, формовочную смесь из бункера подают сжатым
воздухом в рабочий резервуар. Уплотнение смеси проис-
ходит при перемещении модельной плиты штоком 3. За-
тем поворотную модельную плиту поднимают вверх. По-
луформу перемещают штоком в положение 6. Из полу-
форм образуются безопочные формы.
Стопочная формовка
(этажная и ступенчатая)
(рис. 197) применима в
литейных цехах, где за-
ливку форм производят
не на конвейерах, а на
специальной площадке.
При этажной формовке
формы для небольших от-
ливок простой конфигу-
рации изготавливают, на-
пример, на прессовых ма-
шинах таким образом,
чтобы в одной опоке бы-
ла получена нижняя по-
Рис. 157. Схема стопочной формовки:
слева — этажная; справа — стопорная
формовка;
1 — общий литниковый стояк; 2 — по-
лости форм; 3 — опоки; 4 — подоноч-
ный щиток; 5 — литниковый стояк
424
луформа с .одной стороны и верхняя полуформа с другой.
Стопочную формовку применяют с целью лучшего ис-
пользования площади цеха; кроме того, вся стопка име-
ет. общую литниковую систему с одним центральным
стояком, что дает экономию металла и улучшает запол-
нение тонких полостей форм за счет увеличения стати-
ческого давления металла. Недостаток этих способов —
в необходимости сборки форм.
Изготовление форм в стержнях (формовку в стерж-
нях) применяют для получения тонкостенных отливок
сложной конфигурации или при наличии тонких высту-
пающих ребер, как экономически более выгодный способ
изготовления форм, чем формовка по моделям. При этом
способе наружные и внутренние поверхности отливки по-
лучают в форме, собранной из стержней (рис. 198,о).
Формовка в стержнях упрощает изготовление формы,
увеличивает производительность труда; отливки получа-
ют с чистыми поверхностями, минимальными допусками
и припусками на механическую обработку. Более широ-
кое применение этого способа стало возможным с при-
менением ЖСС и других специальных смесей.
Комплект стержней, чтобы предупредить его разру-
шение при заливке, скрепляют скобами, помещают в
опоки или жакеты — чугунные ящики; в последнем слу-
чае этот способ называют формовкой в жакетах (жакет-
ная формовка).
Формовка в жакетах находит применение и в серий-
ном производстве крупных отливок. На рис. 198,6 пока-
зано использование жакета для получения средней ча-
Рис. 198. Изготовление форм в стержнях (ст):
о —в рпоках; б—с применением жакета; / — нижняя опока; 2— жакет;
3 — верхняя опока; 4 — прибыль; Я —отливка
425
сти формы, верхняя и нижняя часть которой выполнены
в опоках. Такой способ дает возможность изготовить
формы большей высоты, чем при обычной машинной
формовке в опоках. Для особо крупных отливок фор-
мовку в стержнях производят в кессонах.
Изготовление форм в кессонах проводят для круп-
ных отливок, например с массой более 10 т и с размера-
ми более 2,5 м; некоторые отливки имеют массу до не-
скольких десятков тонн, длину 10—15 м и более. Для
таких отливок формы в опоках изготовить нельзя, их
изготавливают в кессонах формовкой вручную, в стерж-
нях, с применением жидких самотвердеющих смесей
и др.
Кессон — железобетонная яма, расположенная ниже
уровня пола цеха, водонепроницаемая для грунтовых
вод. Современный механизированный кессон имеет две
неподвижные и две подвижные стенки из чугунных плит,
что позволяет изменять его размеры. Его дно выклады-
вают из полых чугунных плит, которые можно продувать
воздухом для ускорения охлаждения отливки и кессона.
Кессон имеет механизмы для передвижения стенок, при-
способления для установки и закрепления верхней полу-
формы.
Формовка вручную в почве обычно выполняется
в кессонах. Для крупных отливок нижняя часть формы
испытывает большое давление и должна иметь хорошую
газопроницаемость. Поэтому в нижней части кессона
изготавливают «твердую постель», уплотняя сначала
формовочную смесь, затем слой твердой засыпки (куски
кокса, шлака, огнеупорного кирпича и т. п.) и снова слои
наполнительной и облицовочной смеси. Для отвода га-
зов в слое твердой засыпки устанавливают вентиляцион-
ные трубы.
На подготовленную постель помещают модель и на-
бивают остальную часть формы. Уплотнение формовоч-
ной смеси является наиболее сложной, ответственной и
трудоемкой операцией. Смесь уплотняют пневматически-
ми трамбовками, могут быть использованы и пескометы.
Наибольшие затруднения вызывает уплотнение смеси
под моделью; набивку труднодоступных мест выполняют
через специальные окна в модели.
Формовка в стержнях может быть выполнена с при-
менением жакета или непосредственно в кессоне. Жа-
кет для крупных отливок, обычно устанавливаемый в
426
Рис. 190. .Сборка формы из стержней-блоков в механизированном кессоне
кессоне, представляет собой сборную 'конструкцию, со-
стоящую из чугунных боковых стенок, скрепленных меж-
ду собой и с чугунным поддоном. Форму собирают по
возможности из стержней нескольких типоразмеров.
Формовка в стержнях в кессоне показана на рис. 199.
Форму собирают из нескольких крупных стержней-бло-
ков, базируясь на неподвижные стенки кессона. После
укладки стержней подвижные стенки сдвигают к стерж-
ням вплотную для получения минимальных зазоров
в соединениях и предупреждения распора формы при
заливке.
Формовка в кессонах с применением ЖСС позволяет
значительно упростить технологию изготовления форм
для крупных отливок при одновременном улучшении их
качества. На рис. 200 приведен пример изготовления
формы с применением ЖСС для крупной чугунной от-
ливки. После фиксации модели 2 планками 3 через круг-
лые или квадратные отверстия 5 заливают ЖСС и за-
427
Рис. 200. Пример изготовлен
ния формы с использовани-
ем ЖСС
тем выдавливают ее толкате-
лями 4 для лучшего заполне-
ния подмодельного простран-
ства. Далее заливают формо-
вочную смесь по периферии в
зазоры между стенками моде-
ли и кессона 1. Во избежание
всплывания при заливке мо-
дель нагружают. Через 30—
40 мин модель извлекают,
форму окрашивают противо-
пригарной краской, сушат 2—
4 ч (переносными газовыми сушилами). Ввиду высокой
газопроницаемости смеси отвод газов значительно упро-
щается по сравнению с формовкой в почве. Газоотвод
может быть обеспечен, например, прокладкой в слой
смеси системы трубок из нейлона или других синтети-
ческих материалов.
Из песчано-глинистых смесей такую форму изгото-
вить невозможно, так как нельзя обеспечить уплотнение
смесей под моделью.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
Основным способом изготовления стержней является
их машинная формовка в стержневых ящиках.
Ручная формовка стержней в ящиках имеет те же не-
достатки, что и изготовление полуформ вручную, и нахо-
дит все более ограниченное применение.
На рис. 201, а показан пример изготовления в разъ-
емном ящике стержня, подвергаемого сушке.
В ящик засыпают и уплотняют стержневую смесь, ее
излишек удаляют линейкой. Затем накладывают су-
шильную плиту (дрейер), ящик поворачивают на 180°
и разнимают половины ящика. Стержень на плите на-
правляется на сушку.
Для увеличения прочности в необходимых случаях
в тело стержня при его формовке устанавливают метал-
лическую арматуру. Крупные и сложные по форме
стержни можно изготавливать из отдельных склеивае-
мых частей.
Машинная формовка стержней в опоках осуществля-
ется на прессовых, встряхивающих и других машинах;
для изготовления крупных стержней целесообразно при-
428
Рис. 201. Изготовление стержней:
а — в разъемном ящике вручную; б — обо-
лочкового стержня; /, 2 —стержневые
ящики; 3 — плита; 4 — стержень; 5 — пово^
ротный бункер
менять пескометы. В массовом
и крупносерийном производ-
стве мелких и средних стерж-
ней целесообразно применять
пескодувные и пескострельные
машины.
В пескодувных машинах
заполнение ящика стержневой
Рис. 202. Схема устройства пес»
кодувной машины:
1 — стержневой ящик; 2 — стол
машины; 3 — вдувная плита;
4 — пескодувный резервуар; 5—
распределитель воздуха; 6, 7 —
толкатель и рольганг для пере-
мещения пескодувного резерву-
ара; 8 — бункер со смесью;
9 — шибер
смесью и ее уплотнение про-
исходят под давлением сжатого воздуха. Схема устрой-
ства одной из машин показана на рис. 202.
Стержневая масса находится в пескодувном резер-
вуаре, дном которого служит плита с вдувными отвер-
стиями. Стержневой ящик с соответствующими отвер-
стиями плотно прижимается к плите при подъеме стола
2. При открытии шибера 9 сжатый воздух под давле-
нием 5—6 ат вдувает смесь в ящик и уплотняет ее.
Для предупреждения выноса смеси выпускные отверстия
для воздуха в дне ящика закрыты сетками. Набитый
ящик освобождается при опускании стола, после чего
его половины раздвигают для извлечения стержня. Пес-
кодувный резервуар для заполнения смесью из бункера
перемещают по рольгангу с помощью толкателя. Песко-
дувные машины имеют высокую производительность и
обеспечивают равномерное уплотнение смеси; они при-
меняются также и для изготовления небольших полу-
форм. Их основной недостаток — сильный износ модель-
ной оснастки вследствие абразивного действия песчано-
воздушной смеси.
429
Рис. 203. Схема устройства пес-
кострельной машины:
1 — резервуар сжатого воздуха;
2 — воздушный клапан; 3— ре-
зервуар со стержневой смесью;
4 — стержневой ящик; 5 — кони-
ческое сопло; 6 — вдувная пли-
та; 7 — отверстия для удаления
воздуха
В пескострельных машинах смесь поступает и уплот-
няется в стержневом ящике за счет ее кинетической
энергии, сообщаемой сжатым воздухом. В машине, по-
казанной на рис. 203, сжатый воздух из резервуара 1 че-
рез клапан большого сечения 2 поступает в пескострель-
ный резервуар 3, практически мгновенно перемещая
(«выстреливая») смесь в стержневой ящик. При кони-
ческой форме вдувного отверстия (сопла) сжатый воз-
дух в ящик не попадает; воздух, вытесняемый смесью,
удаляется через отверстия 6. Ввиду отсутствия песчано-
воздушной струи значительно уменьшается абразивный
износ, стержневые ящики можно применять как метал-
лические, так и деревянные.
Пескострельные машины, в особенности для спе-
циальных стержневых смесей, имеют очень высокую про-
изводительность. Для смесей горячего отверждения при-
меняют металлические ящики с электрическими или га-
зовыми нагревателями и цикл изготовления стержня
составляет 1—2 мин. Для некоторых холоднотвердею-
щих смесей время изготовления стержня до его извлече-
ния из ящика составляет менее 1 мин.
Прогрессивным способом является изготовление обо-
лочковых (пустотелых) стержней (см. рис. 201,6). При
повороте бункера на 180° в нагретый до нужной темпе-
ратуры стержневой ящик засыпают смесь горячего
отверждения. После образования оболочки нужной тол-
430
щины бункер снова поворачивают и извлекают стержень
из ящика.
Одним из наиболее прогрессивных способов является
изготовление стержней из ЖСС. Применение этих сме-
сей дает возможность изготавливать высококачествен-
ные стержни, кроме того, включая сложные и крупные.
СБОРКА И ЗАЛИВКА ФОРМ
Сборка форм — важная технологическая операция,
в значительной мере определяющая геометрическую пра-
вильность и точность размеров отливки.
Сырые формы собирают после их изготовления, до
начала осыпания формовочных смесей. Полости форм
и стержни обдувают воздухом для удаления пыли. Если
стержень не может быть установлен в устойчивое поло-
жение в форме по знакам, то его закрепляют металли-
ческими подпорками — жеребейками. Точное спаривание
опок обеспечивают при помощи тщательно обработан-
ных стальных штырей и центрирующих отверстий в при-
ливах опок; в чугунных опоках в этих отверстиях за-
прессованы стальные втулки.
Для того чтобы при заливке не произошел подъем
верхней опоки статическим давлением металла, ее скреп-
ляют с нижней опокой при помощи скоб и других при-
способлений; на верхнюю опоку небольших форм укла-
дывают груз..
Заливку форм в механизированных цехах производят
на конвейерах или рольгангах. Иногда формы заливают
на специальной площадке. Сплав заливают в форму
с помощью ковшей; их конструкция, емкость и другие
особенности зависят от массы отливки и свойств
сплава.
Расплав перед заливкой в формы некоторое время
выдерживают в ковше для выделения газов, всплывания
шлака и неметаллических включений. Заливку произво-
дят, не прерывая струи, литниковая чаша должна быть
полной. При перерывах струи расплав поступает в по-
лость формы отдельными порциями, может охлаж-
даться и окисляться, тогда в отливках образуются де-
фекты — спаи. Струя при заливке не должна размы-
вать формовочную смесь, шлак не должен попадать в
форму.
431
ОХЛАЖДЕНИЕ, ВЫБИВКА И ОЧИСТКА ОТЛИВОК
Продолжительность охлаждения в форме затвердев-
шей отливки зависит от ее массы, толщины сечений, ви-
да сплава, теплофизических свойств формовочных мате-
риалов и других условий. Она колеблется в очень широ-
ких пределах — от нескольких минут для небольших
тонкостенных литых деталей до нескольких часов или
суток для массивных, крупных отливок.
Излишне длительное охлаждение отливок в форме
экономически невыгодно. Поэтому иногда охлаждение
ускоряют, например обдувкой воздухом. Излишне горя-
чие отливки из форм удалять нельзя. При охлаждении
на воздухе в сплавах могут произойти нежелательные
структурные превращения. Вследствие разницы темпе-
ратур на поверхности и во внутренней части массивных
деталей возникают термические напряжения, которые
могут вызвать коробление и трещины в отливке.
По опытным данным, мелкие чугунные отливки мож-
но извлекать из форм при 700—800° С, средние — при
400—500° С.
После охлаждения до требуемой температуры разо-
вую литейную форму разрушают, выбивая из нее отлив-
ку. В современных литейных цехах выбивку производят
с помощью механизмов и установок.
Рис. 204. Установка для выбивки опок
488
Мелкие и средние формы, заливаемые на конвейерах
или рольгангах, часто выбивают на вибрационных ре-
шетках. В установке, показанной на рис. 204, при дви-
жении на конвейере 1 тележка 2 включает электрокон-
такт 3 толкателя 4, который сталкивает форму на стол 5.
Толкатель 6 подает форму на выбивную вибрационную
решетку 7.
С помощью соответствующих транспортеров (на схе-
ме не показаны) выбитую формовочную смесь направ-
ляют к месту переработки, отливки — на обрубку и
очистку. Пустые опоки толкатель 8 подает до упора 9
на конвейер.
Стержни из крупных отливок удаляют в гидравличе-
ских камерах струей воды диаметром 5—15 мм под дав-
лением до 100 ат. При этом происходит и очистка по-
верхности отливок от частиц приставшей формовочной
смеси.
Обрубку, т. е. удаление литников, прибылей и дефек-
тов, проводят на дисковых и ленточных пилах, газовой
и электродуговой резкой, пневматическими зубилами и
другими способами.
Очистку мелких отливок от остатков формовочных
материалов осуществляют во вращающихся барабанах
круглого или прямоугольного сечения. В них вместе
с деталями загружают «звездочки» из белого чугуна.
Очистка поверхности происходит в результате перекаты-
вания и трения деталей и «звездочек» друг о друга.
В гидропескоструйных установках отливки очищают
струей воды с песком под давлением до 30 ат.
Дробеметная (дробеструйная) очистка заключается
в том, что поверхность обрабатывают струей чугунной
или стальной дроби, выбрасываемой со скоростью
60—70 м/с из вращающейся дробеметной головки. Мел-
кие отливки очищают в дробеметных барабанах, средние
и крупные отливки — в дробеметных камерах.
КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
Комплексная механизация современных литейных
цехов включает централизованное приготовление уплот-
няемых формовочных смесей с применением автоматиче-
ских смешивающих бегунов, подачу приготовленных сме-
сей в бункера формовочных машин с помощью транспор-
теров или пневмотранспорта.
28—481
433
”*
4uknr^ ,ф фф ||11||.ф.фффг|1ф ф фл
Рис. 205. Схема четырехпозиционного формовочного автомата
Рис. 206. Схема автоматизированной прессовой линии АПФЛ-2
На рис. 205 приведена принципиальная схема формо-
вочного четырехпозиционного автомата карусельного ти-
па. На позиции / проводится обдувка и смазка модели.
При повороте на V4 оборота она перемещается на пози-
цию II. К этой позиции толкателем 3 по рольгангу 2 по-
дается пустая опока (/). При помощи специального кро-
мочного рольганга с расходящими секциями 5 опоку
устанавливают на подмодельную плиту и заполняют
формовочной смесью из бункера с дозатором. На пози-
ции III происходит уплотнение смеси (встряхивание с
подпрессовкой), на позиции IV из полуформы вынимает-
ся модель. При помощи толкателя 4 и кромочного роль-
434
Ганга 5 готовая полуформа передается на рольганг 6
для сборки. На каждой позиции технологические опера-
ции выполняются одновременно, что обеспечивает высо-
кую производительность автомата.
В механизированных цехах готовые формы устанав-
ливают на конвейеры, где происходит их заливка,
охлаждение и выбивка на автоматических установках.
По системе конвейеров отливки направляют на обрубку
и очистку, выбитую смесь доставляют в отделение реге-
нерации и приготовления смесей, пустые опоки возвра-
щают к месту формовки.
На рис. 206 показана принципиальная схема автома-
тизированной поточной линии АПФЛ-2. При помощи
толкателя 1 и кантователя 2 нижняя опока по транспор-
терам 3 и 4 подается к формовочной автоматической ка-
русельной машине 5, а верхняя опока — к машине 6. Го-
товые полуформы собирают на конвейере специальным
устройством и направляют на заливку, охлаждение и
выбивку.
В нашем литейном производстве работают более
60 автоматических формовочных линий с размерами
опок от 400X500 до 1600X1200 мм. В 1978—1980 гг. по
плану должно быть установлено более 200 таких линий
с производительностью до 250—300 форм в час и более.
ДЕФЕКТЫ ОТЛИВОК
Дефекты можно разделить на две группы: неисправи-
мые и исправимые. Первые (обычно крупные по разме-
рам) исправить невозможно или невыгодно. В этом слу-
чае отливку считают негодной для использования и пе-
реводят в разряд окончательного брака. Исправимые
дефекты (обычно мелкие) экономически целесообразно
подвергать исправлению.
Газовые раковины — полости в теле отливки, создан-
ные воздухом или газами, выделяющимися из расплав-
ленного металла при его затвердевании или из материа-
лов формы. Газовые раковины могут быть открытые
и закрытые (внутренние). Причинами их образования
являются недостаточная газопроницаемость и повышен-
ная влажность формовочных и стержневых смесей, не-
достаточная раскисленность расплава и т. п.
Усадочные раковины — открытые или закрытые по-
лости в теле отливки, имеющие неровную внутреннюю
28* 435
поверхность, которые обычно образуются в утолщенных
местах отливки. Причинами образования усадочных ра-
ковин в отливке являются неправильный подвод в фор-
му, заливка форм излишне перегретым расплавом, не-
правильная конструкция отливки, допускающая скоп-
ление больших объемов расплава в отдельных ее
частях.
Песчаные раковины — чаще всего открытые различ-
ной формы пустоты в теле отливки, частично или цели-
ком заполненные формовочной смесью. Причинами об-
разования песчаных раковин являются разрушение от-
дельных частей формы, смыв формовочной смеси
расплавом при неправильном его подводе.
Холодные трещины — сквозные и несквозные разры-
вы в стенках отливки, небольшой ширины и значи-
тельной длины. Они образуются при низких темпе-
ратурах и имеют неокисленную поверхность. Причи-
ной образования холодных трещин является усадка
сплава, приводящая к большим внутренним напря-
жениям.
Горячие трещины — разрывы в стенках отливки, име-
ющие значительную ширину и небольшую протяжен-
ность. Они образуются при высокой температуре и име-
ют темную окисленную поверхность. Трещины могут
возникать в случае недостаточной податливости стерж-
ней и отдельных частей формы, ранней выбивки отливки
из формы.
Заливы — тонкие различные по величине и форме, не
предусмотренные чертежом выступы на отливке, обра-
зующиеся по плоскости разъема формы из-за наличия
излишнего зазора между полуформами.
Недолив — неполное заполнение формы расплавом,
что наблюдается при недостаточной его жидкотекучести,
при скоплении газов, препятствующих заполнению фор-
мы, при недостаточных размерах питателей литниковой
системы.
Перекос — несоответствие конфигурации отливки
чертежу из-за смещения одной части отливки относи-
тельно другой. Перекос, как правило, является следстви-
ем неправильного центрирования опок при чрезмерном
износе штырей.
Разностенность, причиной которой является непра-
вильная установка или смещение стержней при заливке
формы из-за непрочного их крепления в форме.
436
Коробление — искажение размеров и конфигурации
отливки под влиянием внутренних напряжений, возни-
кающих при неравномерном охлаждении отдельных ее
частей. Во избежание коробления необходимо добивать-
ся меньшей разностенности отливки, а для охлаждения
массивных ее частей применять холодильники.
Наиболее распространенными методами исправления
дефектных отливок являются пропитывание пористых
отливок различными составами и заварка дефектов га-
зовой или электродуговой сваркой.
Пористые отливки, работающие под небольшим дав-
лением, пропитывают водным раствором хлористого ам-
мония (нашатыря). В растворе дефектные отливки нахо-
дятся 8—12 ч. Нашатырь проникает между кристаллами
металла, образуя окислы, и тем самым закупоривает по-
ры отливки.
Пористость чугунных, бронзовых и алюминиевых ли-
тых деталей, работающих под значительным давлением,
устраняют путем запрессовки в поры бакелитового ла-
ка. Давление запрессовки составляет 25—30 кгс/см2.
Пропитанную отливку сушат при комнатной температу-
ре около 40—50 ч. Затвердевание лака происходит в пе-
чи при 130° С.
Для газовой или электрической дуговой заварки при-
садочный пруток или электрод должен иметь тот же хи-
мический состав, что и основной металл. Во избежание
появления трещин в процессе заварки или после ее от-
ливку необходимо предварительно подогревать до 200—
250° С.
Глава 4
ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ
В современной технике используют литые детали из
очень многих сплавов. Наиболее распространенным ли-
тейным сплавом является серый чугун (64% от массы
всех отливок), затем углеродистая сталь (16,6%) и ле-
гированная (6,7%), а также цветные металлы и спла-
вы (4,2%).
Чугун и литейные бронзы являются «традиционными»
литейными сплавами, применяемыми с давних времен.
Они не обладают достаточной пластичностью для обра-
437
ботки давлением, изделия из них получают литьем. Вме-
сте с тем для получения отливок широко используют и
деформируемые сплавы, например стали. Возможность
использования сплава для получения отливок определя-
ется его литейными свойствами.
ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ
Основные литейные свойства: жидкотекучесть, усад-
ка, склонность к ликвации и поглощению газов.
Жидкотекучесть — способность расплава свободно
течь в литейной форме, заполняя ее и точно воспроиз-
водя все контуры. Жидкотекучесть зависит от химиче-
ского состава, температуры при заливке, а также
наличия примесей и других факторов. Более высокую
жидкотекучесть имеют сплавы, затвердевающие с образо-
ванием эвтектики.
Усадка — свойство металлов и сплавов уменьшать
свой объем при затвердевании и охлаждении; при этом
происходит и соответствующее уменьшение линейных
размеров отливки.
Объемная усадка е0 = ~ф~1°тл 100% ;
Еф
линейная усадка ел= *О1Л. Ю0% ,
1ф
где Уф и УотЛ; /ф и /отл — объем и размеры соответствен-
но формы и отливки.
В результате объемной усадки в теле отливки могут
образоваться усадочные раковины и пористость. Для
предупреждения этого необходимо предусмотреть рацио-
нальную литниковую систему и прибыли. В связи с ли-
нейной усадкой необходим точный учет уменьшения
размеров отливки. При наличии препятствий для усад-
ки, а также в результате неодновременной и неравно-
мерной усадки массивных и тонких сечений в отливках
возникают напряжения, возможно коробление и образо-
вание трещин.
Величина усадки зависит от химического состава
сплава, температуры его заливки и других факторов.
Небольшую линейную усадку имеет серый чугун (0,8—
1,2%), некоторые литейные алюминиевые сплавы (0,9—
1,3%). У стали линейная усадка, достигает 1,8—2,2%.
Объемная усадка примерно в три раза, больше линейной.
438
Ликвация — химическая неоднородность затвердев-
шего сплава. Причины ее возникновения, а также основ-
ные формы и вредное влияние рассмотрены в разд. II
гл. 1. Кроме химического состава сплава, на процесс
развития ликвации влияние оказывают конфигурация от-
ливки, скорость охлаждения и другие технологические
факторы.
Склонность к поглощению газов. В расплавленном
сплаве всегда находятся в растворенном состоянии
газы — водород, азот и др. При затвердевании и после-
дующем охлаждении растворимость газов уменьшается
и в результате их выделения в теле отливки могут об-
разоваться газовые раковины и поры.
Растворимость газов зависит от химического соста-
ва сплава, его температуры и других факторов. Для
уменьшения газонасыщенности сплавов применяют
плавку в вакууме или в среде инертных газов, а также
дегазацию вакуумированием в специальных каме-
рах и т. д.
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНОВ
Около 72% всех отливок по массе получают из чу-
гунов: серого (~64%), легированного (~4%), ковкого
(~ 3 %) и высокопрочного (~ 1 %).
Серый чугун — наиболее распространенный литей-
ный сплав. Высокие литейные свойства этого чугуна
позволяют получать самые разнообразные литые дета-
ли. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежу-
щих станках. Литые детали из серого чугуна в среднем
дешевле примерно в 1,5 раза чем стальные, в несколько
раз дешевле отливок из цветных сплавов.
Серый чугун для машиностроительных отливок обыч-
но содержит 2,7—3,6% С, 1,5—3,5% Si, 0,4—1,0% Мп,
до 0,3% Р, до 0,1 S. Марки серого чугуна СЧ 12—28 и
др. приведены в приложении. В обозначении марок СЧ—
серый чугун, первое число — минимальное значение пре-
дела прочности при растяжении, второе — минимальное
значение предела прочности при изгибе (кгс/мм2). На-
именее прочными являются чугуны марок СЧОО и
СЧ 12—28 на ферритной основе с крупнопластинчатым
графитом. Наиболее прочными — чугуны марок от СЧ24-
44 до СЧ 44-64 на перлитной основе с мелкими включе-
ниями графита завихренной формы.
439
20 00 60 80 100МЦ
Диапегпр отливки
Рис. 207. Влияние сечения
этливки на прочность чугу-
на:
I — СЧ38—60; 2 — СЧ35—56;
S — СЧ32—52; 4 — СЧ28—48;
5 — СЧ24—44
Микроструктура чугуна зависит от его химического
состава и скорости охлаждения, обратно пропорциональ-
ной толщине стенки отливки.
Нормы механических свойств для чугунов СЧ12-284-
4-СЧ44-64 определяют на специально отливаемых ци-
линдрических образцах диаметром 30 мм.
С увеличением сечения отливки прочность чугуна
уменьшается (рис. 207). Влиянием структуры (нали-
чием пластинчатого графита)
объясняется и различие в свой-
ствах чугуна при разных видах
нагружения. При наличии растя-
гивающих напряжений пластин-
ки графита существенно снижа-
ют прочность и пластичность ме-
таллической основы. При нали-
чии напряжений сжатия влияние
пластинчатого графита уменьша-
ется. Прочность на изгиб при-
мерно в 1,5—2 раза выше, а проч-
ность на сжатие примерно в 3—
4 раза выше, чем прочность на
растяжение.
Литейные свойства. Серый чу-
гун имеет высокую жидкотеку-
честь и малую усадку. Жидкоте-
с увеличением содержания С, Si,
Р и понижается с увеличением S. Особо высокую жид-
котекучесть имеет чугун для тонкого художественного
литья (1,0—1,2% Р). При перегреве чугуна выше /Пл
его жидкотекучесть повышается.
Модифицирование обеспечивает получение наиболее
благоприятной структуры — с мелкими включениями
графита завихренной формы и применяется для полу-
чения чугунов марок СЧ28—484-СЧ44-64 с перлитной
основой. Модифицирование осуществляют небольшими
добавками 75%-ного ферросилиция, силикокальция и
других модификаторов в количестве 0,3—0,6% от массы
чугуна. Чугун необходимо разлить не позже 10—15 мин
после введения модификатора в ковш.
Легированные чугуны — хромистые, никелевые и др.
применяют для отливок ответственного назначения. Все
более широкое применение находят отливки из высоко-
легированных чугунов с особыми физическими свойст-
повышается
440
вами, например кислотостойких (26—36% Сг), немаг-
нитных (до 12% Мп, до 2% Си). Эти чугуны дешевле
соответствующих сталей и обладают хорошими литей-
ными свойствами.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом име-
ет значительно более высокую прочность и пластич-
ность, чем серый чугун. Марки высокопрочного чугуна
ВЧ38-17-?ВЧ120-4 (см. приложение, табл. 2). Такой чу-
гун получают модифицированием магнием, иногда
Mg-FeSi лигатурой, церием и другими модификатора-
ми, которые вводят в расплавленный чугун, находящий-
ся в ковше. Один из наиболее рациональных способов —
модифицирование в специальных автоклавах с давле-
нием до 3—5 ат. Модификатор, например, 0,2—0,4%
Mg от массы чугуна помещают в контейнер с отверстия-
ми, который вводят в жидкий металл. Магний расплав-
ляется, испаряется (/кип=1100° С), его пары проходят
через чугун, частично выделяясь и сгорая на поверх-
ности. Чугуном «усваивается» до 0,05% Mg.
Свойства чугуна в основном определяются его метал-
лической основой (перлит, перлит и феррит, феррит) и
могут быть значительно улучшены термической обра-
боткой. У некоторых марок чугуна oB=80-i-120 кгс/мм2
и более.
Из высокопрочных марок чугуна изготавливают ко-
ленчатые валы, детали турбин и другие ответственные
изделия.
Ковкий чугун с хлопьевидным графитом получают
продолжительным отжигом отливок из белого чугуна.
Механические свойства ковкого чугуна зависят главным
образом от его металлической основы. Перлитные чугу-
ны кч 45-6 и другие имеют более высокую прочность
при пониженной пластичности. Ферритные ковкие чугу-
ны, например КЧ37-12, имея меньшую прочность, обла-
дают более высокой пластичностью (см. приложение,
табл. 3). В ферритном ковком чугуне при уменьше-
нии размеров и большей степени сфероидизации хлопье-
видного графита одновременно повышается проч-
ность и пластичность, что не наблюдается в других
чугунах.
Одна из основных особенностей технологии получе-
ния ковкого чугуна состоит в том, что исходный матери-
ал—белый чугун,содержащий2,2—3,2% С, 0,7—1,4% Si,
1 % Мп, до 0,2% Р, до 0,2% S, имеет низкие литейные
441
свойства: пониженную жидкотекучесть и значительно
большую усадку, чем у серого чугуна. Вторая особен-
ность состоит в том, что отливки из белого чугуна мо-
гут быть получены сравнительно небольшой толщины.
Практически ковкий чугун применяют для получения от-
ливок с толщиной до 30—40 мм и массой до нескольких
килограммов.
Плавка чугуна. В литейном производстве более 90%
чугуна выплавляют в вагранках. За последние годы
очень быстрое развитие получила плавка в электричес-
ких печах (индукционных и дуговых), обеспечивающая
получение чугунов высокого качества. Быстро развива-
ется также дуплекс-процесс, в особенности вариант ва-
гранка — индукционная печь.
Вагранка обычной, наиболее
струкции показана на рис.
распространенной кон-
208. Шихтовые ма-
териалы (чугун, кокс
и др.) загружают свер-
ху через загрузочное
окно при помощи бадьи
с откидным дном. Воз-
душное дутье подают
через фурмы в нижнюю
часть печи; в крупных
вагранках они разме-
щены в два-три ряда,
по три-четыре фурмы в
ряду. Расплавленный
чугун и шлак стекают
в горн и далее в ко-
Рис. 208. Схема устройства ваг-
ранки с копильником:
/ — фундамент; 2 — опорные ко-
лонны; 3 — откидная крышка
(днище); 4 —подина; 5—воз-
душные фурмы; 6—вентилятор;
7 — шамотная футеровка; 8 —
кожух; 9 — чугунные плиты;
10— загрузочное окно; 11 —
искроуловитель; 12 — труба; 13—
загрузочная бадья; 14 — летка
вагранки; 15 — копильник; 16 —
летка для выпуска шлака; 17 —
летка для выпуска чугуна;
18 — ковш
442
пильник, где происходит усреднение химического соста-
ва чугуна. Печные газы удаляются в трубу с искрога-
сителем.
Высота вагранки (до загрузочного окна) 3—10 м,
внутренний диаметр 700—2500 мм, производительность
до 30 т чугуна в час.
Металлическая часть шихты состоит из литейного и
передельного чугуна, возврата собственного производ-
ства, стального скрапа, добавок ферросплавов и т. д.
Основное топливо — литейный кокс с пониженным со-
держанием серы, которая при плавке частично перехо-
дит в металл. В качестве флюса обычно используют из-
вестняк.
Перед началом работы в нижнюю часть вагранки до
уровня на 600—800 мм выше фурм загружают кокс и
разжигают его, образуя так называемую холостую коло-
шу. Она необходима для того, чтобы чугун и другие ма-
териалы расплавлялись в плавильном поясе — зоне наи-
более высоких температур, несколько выше пояса фурм;
куски нерасплавившегося чугуна, опускаясь в горн, вы-
зывали бы его охлаждение.
На холостую колошу поочередно загружают порции
проплавляемого металла, кокса и известняка и т. д. до
загрузочного окна. По ходу плавки, по мере опускания
шихтовых материалов, проводят их дальнейшую систе-
матическую загрузку.
При переплавлении чугуна в вагранке содержание уг-
лерода и фосфора в чугуне практически не изменяется,
кремний выгорает на 10—15%, марганец — на 15—20%,
содержание серы увеличивается на 30—50% за счет кок-
са. Для получения чугуна нужного состава проводят
расчет шихты с учетом этих изменений.
Расплавленный чугун выпускают в разливочный
ковш, пробивая и снова заделывая вручную чугунную
летку. Шлак по мере необходимости выпускают через
шлаковую летку.
За последние годы плавка чугуна в вагранках была
значительно усовершенствована. Все шире применяют
вагранки более совершенной конструкции — с шахтой
конусного профиля, водоохлаждаемой плавильной зо-
ной без футеровки, разделением чугуна и шлака при по-
мощи специальных сифонов и т. д. Вместо холодного
дутья применяют горячее дутье с обогащением воздуха
кислородом. Это позволяет интенсифицировать процес-
443
сы плавки, повысить производительность вагранок до
80—100 т/ч, снизить расход дорогого и дефицитного кок-
са. Значительно повышается и качество отливок благо-
даря получению более «горячего» чугуна (1450—
1500° С).
При добавках к шихте карбида кремния в виде спе-
циальных брикетов значительно повышается чистота чу-
гуна по неметаллическим включениям, окислам, раство-
ренным газам.
Плавка чугуна в электрических печах — индукцион-
ных и дуговых — приобретает чвсе большее значение в
связи с развитием производства модифицированных, вы-
сокопрочных и других качественных чугунов.
Наиболее совершенными являются индукцион-
ные печи (тигельные), обеспечивающие получение точ-
ного химического состава чугуна, его рафинировку, вы-
сокий перегрев.
Широкое развитие получает дуплекс-процесс, при ко-
тором плавление чугуна производят в вагранке, а его
доводку, рафинирование, перегрев — в индукционной пе-
чи. Такой способ позволяет получать чугун высокого ка-
чества при сниженном расходе электроэнергии. Приме-
няют также комбинированную плавку: дуговая печь —
индукционная тигельная печь и другие варианты дуп-
лекс-процесса.
Особенности литейных форм. Для серого и высоко-
прочного чугунов при выборе материалов формы учиты-
вают температуру сплава при заливке, которая состав-
ляет обычно для серого чугуна 1200—1400° С, в случае
разливки с перегревом—1450—1500° С. При «горячем»
чугуне формовочная и стержневая смеси, формовочные
краски и припылы должны иметь повышенную термохи-
мическую устойчивость.
При выборе литниковой системы учитывают хорошую
жидкотекучесть и малую усадку чугуна. Для простых
отливок нередко делают литник с одним питателем.
В большинстве случаев чугун подводят в тонкие сечения
отливок. При больших и сложных отливках применяют
литниковые системы с несколькими питателями для рав-
номерного заполнения всех частей формы. Вследствие
малой усадки прибыли устраивают только для крупных
отливок или для их массивных частей.
Белый чугун имеет пониженную жидкотекучесть и
перед заливкой его нагревают до 1450—1500° С, Поэто-
444
му формовочные смеси должны иметь повышенную не-
пригораемость. Ввиду большой усадки этого чугуна фор-
мовочные смеси должны иметь повышенную податли-
вость. Формы имеют большие прибыли.
Заливка чугуна в формы. Небольшие формы залива-
ют из ручных ковшей емкостью 15—50 кг. Для заливки
более крупных форм используют механизированные ков-
ши барабанного типа емкостью до 5 т. В таких ковшах
меньшая вероятность выплеска и чугун охлаждается ме-
дленнее, чем в ковшах с открытой поверхностью. Для
предупреждения попадания шлака в ковшах устраивают
шлакозадерживающие перегородки.
Кожух ковшей делают из листовой стали, внутри их
футеруют огнеупорной шамотной массой, крупные ков-
ши— шамотным кирпичом. Футеровку ковша сушат и
прогревают до 600—800° С во избежание охлаждения
сплава.
ПРОИЗВОДСТВО отливок ИЗ СТАЛИ
Стальные литые детали широко применяют во всех
областях техники. В некоторых отраслях машинострое-
ния стальное литье составляет 40—60% от всей массы
машин (тепловозы). В энергетическом и тяжелом маши-
ностроении. освоено производство таких ответственных
изделий, как цельнолитые стальные рабочие колеса гид-
равлических турбин с массой до 85 т; иногда масса от-
ливок доходит до 100—150 т.
Наиболее широко применяют углеродистые стали
марок 15Л — 55Л, где цифры означают среднее содержа-
ние углерода в сотых долях процента, буква Л — ли-
тейная сталь для отливок.
Кроме углеродистых сталей, литые детали изготавли-
вают из конструкционных легированных сталей, напри-
мер 25ГСЛ, ЗОХГСЛ, нержавеющих (10Х13Л,
10Х18Н9ТЛ и др.), износостойких и других высоколеги-
рованных сталей с особыми свойствами.
Выплавку стали в литейных цехах производят в ос-
новных и кислых мартеновских печах, электродуговых и
индукционных печах. Мартеновские печи применяют в
производстве средних и крупных отливок менее ответ-
ственного назначения. Для более ответственных отливок
сталь выплавляют в электрических дуговых печах, наи-
более качественную сталь — в индукционных печах. Для
445
неответственных отливок применяют малые конверто-
ры емкостью 1—3 т.
Их особенность состоит в том, что воздушное дутье
подают сбоку на поверхность металла через фурмы, рас-
положенные в боковых стенках конвертора. Они обла-
дают высокой производительностью, но имеют недоста-
ток— невозможность удаления серы и фосфора.
Литейные свойства сталей значительно хуже, чем у
серого чугуна и других сплавов.
Жидкотекучесть стали примерно в два раза меньше
жидкотекучести чугуна. Она возрастает с увеличением
содержания углерода и полноты раскисления стали. Уве-
личение содержания серы и повышенная загрязненность
тугоплавкими неметаллическими включениями приво-
дят к снижению жидкотекучести.
Усадка стали достигает значительной величины —
объемная до 7,5%, линейная до 2,5%, т. е. примерно в
два раза превышает усадку серого чугуна.
Температура стали при заливке наиболее часто со-
ставляет 1550—1600° С.
Эти особенности литейных свойств вызывают затруд-
нения в получении стальных отливок.
Повышенная усадка стали может привести к образо-
ванию усадочных раковин и пористости, появлению зна-
чительных напряжений, короблению отливок, образова-
нию трещин. Для предупреждения образования в отлив-
ках усадочных раковин и пористости прибыли должны
иметь большой объем, иногда до 50—60% и более от
объема отливок. Наиболее эффективными являются эко-
номичные закрытые прибыли, прибыли, работающие под
атмосферным давлением и под давлением газов. Широ-
кое применение находят легкоотделяемые прибыли.
Для уменьшения напряжений формовочная смесь
должна иметь повышенную податливость. Для выравни-
вания скоростей охлаждения толстых и тонких сечений
применяют холодильники, например металлические
вкладыши, расположенные в толще стенок формы у мас-
сивных частей отливок. Для предупреждения образова-
ния трещин большое значение имеет конструкция отли-
вок— величина галтелей, наличие плавных переходов от
толстых сечений к тонким, ребер жесткости и т. п.
Литниковая система должна обеспечить заполнение
формы с учетом пониженной жидкотекучести стали.
Протяженность каналов литниковой системы должна
446
быть возможно меньше, сечение питателей делают в пол-*
тора — три раза больше, чем для чугунного литья.
При изготовлении отливок из высоколегированных нержавею-
щих и износоустойчивых сталей возникают дополнительные затруд-
нения. Кроме большой усадки эти стали имеют низкую теплопровод-
ность, пониженную прочность при высоких температурах, что обус-
ловливает их склонность к образованию трещин. Поэтому формо-
вочные материалы и сами формы должны иметь максимальную по-
датливость.
У некоторых высоколегированных сталей возможно химическое
взаимодействие с материалами формы; их целесообразно "изготавли-
вать из смесей на основе хромомагнезита и других материалов, име-
ющих большую химическую устойчивость, чем кварцевый песок.
Для предупреждения окисления применяют формовочные крас-
ки, создающие восстановительную атмосферу. В расплавленном со-
стоянии нержавеющие стали имеют значительную вязкость, что уси-
ливает опасность образования газовых раковин.
Заливку форм производят из стопорных ковшей, что
устраняет попадание шлака в отливки. Емкость стан-
дартных ковшей составляет от 1 до 90 т. Более крупные
ковши применять нерационально; в особо крупные фор-
мы заливку ведут одновременно из двух ковшей. Для
мелких деталей используют чайниковые (сливные) ков-
ши емкостью 500—800 кг.
При заливке из стопорных ковшей струя металла ока-
зывает значительное динамическое действие. Для пре-
дупреждения разрушения вместо литниковой чаши при-
меняют шамотные воронки; в крупных формах литнико-
вые стояки и питатели также делают из шамота или
других огнеупорных материалов. Продолжительность
заливки должна быть возможно меньше, для того что-
бы предупредить охлаждение стали и снижение жидко-
текучести, особенно опасное для тонкостенных отливок.
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Большое распространение в качестве литейных спла-
вов получили бронзы и латуни. Их применяют для от-
ливок, которые должны иметь хорошую износостойкость
и антифрикционные свойства, высокую коррозионную
стойкость в атмосфере, технической и морской воде.
Состав, структура и свойства бронз и латуней приве-
дены в разд. II, гл. 14 и приложении, табл. 15. В обо-
значении марок литейных бронз и латуней иногда до-
полнительно указывается буква Л. Например, бронза
БрАЖ9-4Л, латунь ЛАЖ60-1-1Л.
447
Высокооловянистые бронзы с 9—11% Sn имеют хоро-
шие литейные свойства, но ввиду дефицитности и
высокой стоимости олова находят ограниченное при-
менение — только для отливок ответственного назначе-
ния. Недостатком высокооловянистых бронз является
большой температурный интервал кристаллизации спла-
вов, что способствует образованию мелкой, рассеянной
пористости.
Из литейных оловянистых бронз преимущественно
применяют оловянноцинковосвинцовистые бронзы. Цинк
уменьшает интервал кристаллизации, улучшая литейные
свойства, удешевляет сплавы. Добавки свинца улучша-
ют жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, а так-
же антифрикционные свойства. Бронзы имеют неболь-
шую линейную усадку — в пределах 1,4—1,7%, отливки
могут быть получены без прибылей, что уменьшает ли-
тейные отходы.
Безоловянистые бронзы, содержащие алюминий, же-
лезо, марганец и другие элементы, имеют высокие меха-
нические, антикоррозионные и антифрикционные свой-
ства; их широко применяют для изготовления зубчатых
колес, червячных венцов, втулок, вкладышей, подшип-
ников и т. п.
Из этой группы сплавов для получения отливок ши-
роко применяют бронзы: алюминиевожелезную, алюми-
ниевомарганцевую, алюминиевожелезомарганцевую.
Алюминий повышает коррозионную стойкость и износо-
устойчивость, добавки железа и марганца способствуют
получению мелкозернистой структуры, повышают меха-
нические свойства. Эти сплавы имеют несколько мень-
шую, чем у оловянистых бронз, но достаточно высокую
жидкотекучесть, более высокую линейную усадку: 1,7—•
2,5%. Сплавы более склонны к поглощению газов и окис-
лению.
Латуни — более 15 сплавов — находят очень широ-
кое применение для изготовления втулок, подшипников,
арматуры и многих других деталей в приборе- и маши-
ностроении. Простые латуни — сплавы меди с цинком —
находят ограниченное применение. При затвердевании
в них образуются концентрированные усадочные рако-
вины, что вызывает необходимость устройства больших
прибылей.
Обычно литейные латуни являются более сложными
сплавами.
448
Входящие в состав этих латуней алюминий, железо,
марганец и другие элементы улучшают литейные свой-
ства.
Типичными представителями являются латуни алю-
миниевожелезные (ЛАЖ60-1-1Л), кремнистые (ЛК80-
ЗЛ), марганцевожелезные (ЛМцЖ52-4-1).
Латуни имеют более высокие литейные свойства, чем
бронзы. Большинство латуней имеет небольшую линей-
ную усадку: 1,6—1,7%, малую склонность к образованию
газовой пористости, так как хорошо дегазируются при
выплавке в результате .образования паров цинка. По-
этому из латуней легче получить плотные, герметичные
отливки.
Плавка бронз и латуней. Выплавку бронз и латуней
наиболее часто проводят в электрических дуговых и ин-
дукционных печах, реже в пламенных отражательных
печах и тиглях (рис. 209),
Рис. 209. Электрические плавильные печи для цветных сплавов:
а — дуговая;
дсчник;
б — индукционная; в — сопротивления;
3 — кольцевой зазор; 4 форкамеры;’
I — электроды; 2 — сер-
5—металлосборник
29—481
449
Устройство электрической дуговой печи для выплав-
ки бронз приведено на рис. 209, а. В электрической дуго-
вой печи сварной кожух из листовой стали внутри футе-
рован огнеупорным шамотным кирпичом.- В стенке
корпуса имеется окно для загрузки шихты, непосредст-
венно под которым находится сливной желоб для вы-
пуска расплава. Во время работы печи окно закрывают
заслонкой. При помощи приводного механизма печь
может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Пока-
чивание печи способствует перемешиванию расплава,
более равномерному его прогреву и ускорению плавки.
Источником тепла служит независимая электричес-
кая дуга, горящая между двумя графитизированными
электродами, выдвигающимися из печи в процессе за-
грузки. Вследствие сгорания электродов атмосфера
в печи является восстановительной, что уменьшает угар
и окисление расплава.
Печи работают на однофазном токе. Расход электро-
энергии при выплавке бронз 9904-1540 МДж на тонну
расплава. Емкость печей от 250 до 500 кг. Для выплавки
латуней эти печи не применяют ввиду опасности пере-
грева и большого испарения цинка.
Индукционные бессердечниковые печи являются од-
ним из современных плавильных агрегатов и их приме-
няют не только для плавки бронз, но и для латуней,
магниевых и других цветных сплавов.
Для выплавки бронз, латуней, алюминиевых сплавов
широко применяют индукционные печи с железным сер-
дечником (см. рис. 209, б).
Сердечник с первичной обмоткой защищен огнеупор-
ной футеровкой. Жидкий металл, предварительно зали-
тый в канал (кольцевой зазор), создает короткозамкну-
тый вторичный виток, в нем индуктируется ток большой
силы, нагревающий металл до высокой температуры. За
счет его циркуляции происходит быстрый нагрев и плав-
ление загружаемой сверху твердой шихты.
Эти печи экономичны, имеют высокий тепловой и
электрический к. п. д., высокую производительность,
удобны в обслуживании, обеспечивают минимальный
угар металла.
В тех случаях, когда за одну плавку необходимо по*
лучить большое количество сплава для заливки крупных
форм, применяют пламенные отражательные печи ем*
костью до Ют и более, отапливаемые мазутом или
450
газообразным топливом. В таких печах происходят бо«
лее значительный угар и окисление металла.
Иногда бронзы и латуни выплавляют в закрытых
графитовых тиглях, нагреваемых в мазутных и других
печах. Такая плавка обеспечивает высокое качество
расплава, однако этот способ является мало производи-
тельным и неэкономичным.
В качестве шихты для выплавки бронз и латуней
используют чистую медь (до 99,99% Си), вторичные
медные сплавы — лом бронзовых и латунных изделий,
прибыли, литники и другие отходы литейного производст-
ва. Тугоплавкие и легкоокисляющиеся легирующие эле-
менты, как правило, вводятся в виде лигатур. Так, на-
пример, для легирования тугоплавким железом с /Пл=
= 1539° С используют лигатуру 90% Cu+10% Fe
с /Пл=900°С; для легирования легкоокисляющимся
алюминием применяют лигатуру 50% Си4-50% А1 с /Пл =
= 575° С и т. д. Для защиты металла от окисления при
выплавке применяют покровные флюсы различного
состава.
Так, например, для выплавки алюминиевых бронз используют
покровный флюс состоящий из соды Na2CO3 и криолита NasAlFc,
при выплавке латуней — флюс, состоящий из SiO2, Na2O и других
компонентов. Кроме того, для уменьшения окисленности сплавы рас-
кисляют специально вводимыми раскислителями.
В качестве примера приведем типовой процесс выплавки алюми-
ниевой бронзы. В печь сначала загружают медь, затем лигатуры.
После их расплавления проводят раскисление сплава фосфористой
медью, загружают флюс, вводят алюминий (иногда в виде трой-
ной лигатуры Си4-А14-Мп). Сплав выдерживают в печи до
15 мин и выпускают из печи при температуре около 1200° С. Не-
которые медные сплавы, склонные к поглощению газов, перед залив-
кой в формы дегазируют продувкой азотом или введением хлористо-
го аммония.
Особенности литейных форм определяются литейны-
ми свойствами медных сплавов. Для формовочных сме-
сей применяют мелкозернистый песок, что обеспечивает
получение чистой и гладкой поверхности. В состав сырой
формовочной смеси вводят мазут. Кроме того, мазут вы-
полняет роль противопригарной добавки.
Для спокойного плавного заполнения формы распла-
вом применяют расширяющиеся литниковые системы.
Для сплавов, имеющих большую усадку, устраивают
большие выпоры и прибыли. Заливку проводят при по-
мощи ковшей со сливным носком, без перерывов струи
металла для предупреждения окисления.
29*
451
ПРОИЗВОДСТВО отливок
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
К литейным алюминиевым сплавам относятся двой*
ные сплавы алюминия с кремнием — силумины, а также
многие другие двойные и более сложные по составу
сплавы, содержащие кремний, медь, магний, никель и
другие компоненты (см. разд. II, гл. 14 и приложение,
табл.18).
Алюминиевые литейные сплавы имеют хорошие ли-
тейные свойства, их высокая жидкотекучесть обеспечи-
вает получение тонкостенных и сложных по форме отли-
вок. Линейная усадка для большинства сплавов состав-
ляет 1,0—1,25%. Сплавы имеют невысокую температуру
плавления: 550—650° С.
Выплавка алюминиевых сплавов производится
в электрических и пламенных печах. Большое распро-
странение получили электрические печи сопротив-
ления (см. рис. 209,в). Нагревательные элементы из
нихрома расположены в своде печи. Шихту загру-
жают через окна в форкамеры, где происходит плав-
ление; жидкий сплав стекает в металлосборник. Для
выпуска сплава печь наклоняют в сторону выпускного
отверстия.
Преимуществами таких печей являются снижение
угара, окисления и газонасыщенности металла по срав-
нению с пламенными печами, высокий к. п. д. печей,
легкое регулирование температуры.
Совершенными плавильными агрегатами являются
электрические индукционные печи. В связи с совершен-
ствованием технологии плавки —'применением флюсов,
разработкой эффективных способов дегазации и рафи-
нирования — для выплавки алюминиевых сплавов при-
меняют также пламенные печи емкостью до 30 т и более.
При небольших размерах производства выплавку алю-
миниевых сплавов осуществляют в тиглях с электрона-
гревом или нагревом в пламенных печах.
В качестве шихтовых материалов применяют
чушковый первичный алюминий, переплавленную струж-
ку, литники, прибыли и т. д. Для легирования использу-
ют алюминиевокремниевую и другие лигатуры.
Основными особенностями при плавке алюминиевых
сплавов являются их склонность к поглощению газов —•
особенно водорода и легкая окисляемость.
462
Водород выделяется при затвердевании и охлаждении
сплава в форме, способствуя образованию газовой по-
ристости в отливках. Окисные включения А12О3 сущест-
венно снижают механические свойства сплава.
Для защиты от поглощения газов и окисления плавку
проводят под слоем покровных флюсов, состав которых
выбирают в зависимости от выплавляемого сплава.
В состав флюсов входят NaCl, КС1, CaF2 и другие ком-
поненты.
Для более полного удаления газов, неметаллических
окисных и других включений проводят дегазацию и ра-
финирование сплава. Для этой цели применяют, напри-
мер, продувку расплавленного сплава хлором или азо-
том. Пузырьки газа оказывают флотирующее действие
на взвешенные неметаллические включения, вынося их
на поверхность сплава. При этом обеспечивается и уда-
ление водорода, диффундирующего из металла внутрь
газовых пузырьков.
Широко распространенным способом дегазации и ра-
финирования является обработка хлоридами марганца
(МпС12), цинка (ZnCl2). При их введении в расплав
образуется хлористый алюминий А1С12, который пре-
вращается в пар и в виде пузырьков удаляется из метал-
ла, оказывая такое же действие, как и пузырьки проду-
ваемого хлора. В последние годы для этих же целей
начали применять гексахлорэтан С2С16 и другие орга-
нические хлориды, методы рафинирования специальными
флюсами.
Модифицирование для получения мелкозернистой
структуры и улучшения механических свойств применя-
ют к силуминам, содержащим более 6% кремния, ис-
пользуя главным образом смеси хлористого и фтористого
натрия. Наиболее распространенный способ модифици-
рования состоит в том, что модификатор насыпают на
поверхность расплава и после выдержки 10—15 мин его
замешивают в течение 2—3 мин. Предложен также
способ модифицирования, при котором металл про-
ходит через слой расплавленных солей — модифика-
торов.
Способы отливки деталей зависят от их размеров,
сложности конфигурации, массы, требований к металлу
по механическим свойствам. В массовом производстве
относительно небольших деталей очень широкое распро-
странение получили литье под давлением, отливка в ме-
453
таллические формы, а также другие специальные спо-
собы литья.
При литье в песчано-глинистые формы для получения
ровной поверхности применяют мелкозернистые формо-
вочные смеси. Большое значение для получения качест-
венных отливок имеет устройство литниковой системы.
Для алюминиевых сплавов применяют расширяющиеся
литниковые системы, обеспечивающие уменьшение ско-
рости протекания металла при выходе из питателей и тем
самым отделение неметаллических частиц. В шлаковиках
нередко устанавливают фильтры из стеклоткани и дру-
гих материалов. Заливку следует проводить спокойной
непрерывной струей без захвата воздуха и вспенивания
для предупреждения окисления.
ПРОИЗВОДСТВО отливок
ИЗ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Отливки из магниевых сплавов, имеющих относи-
тельно высокую удельную прочность, наиболее широко
используют в приборостроении, авиационной промыш-
ленности и некоторых других отраслях машиностроения.
Наибольшее применение нашли литейные магниевые
сплавы с алюминием, цинком и марганцем, с редкозе-
мельными элементами (см. разд. II, гл. 14 и приложение,
табл. 19).
Выплавка сплавов связана с рядом затруднений. В
расплавленном состоянии магний и его сплавы на воз-
духе легко окисляются и загораются, интенсивно погло-
щают водород, с азотом образуют нитриды.
Выплавку сплавов в зависимости от размеров про-
изводства и массы отливок производят в тиглях, индук-
ционных тигельных печах (открытых и вакуумных),
электрических печах сопротивления, пламенных печах.
Для устранения окисления плавку проводят под слоем
флюсов, состав которых подбирают в соответствии с
выплавляемым сплавом.
В качестве примера рассмотрим технологию выплавки сплава
в тиглях, широко применяемую в массовом производстве мелких от-
ливок.
В тигель загружают и расплавляют некоторое количество флю-
са, а затем около половины магния, на поверхность которого также
насыпают слой флюса. После расплавления постепенно загружают
остальной магний и легирующие добавки. Их вводят в виде чистых
металлов, соответствующих лигатур или химических соединений. Во
454
время плавки поверхность сплава должна быть покрыта слоем рас-
плавленного флюса. В конце плавки производят рафинирование. Для
удаления неметаллических включений в тигель засыпают порошко-
образный флюс и перемешивают его с расплавом, затем шлак удаля-
ют с поверхности и насыпают новый слой свежего флюса. С этой
целью проводят продувку расплава аргоном; для связывания раство-
ренного водорода в устойчивые гидриды вводят добавки кальция.
Для получения мелкозернистой структуры с целью
повышения механических свойств сплавов применяют
перегрев или модифицирование. Для измельчения зерна
перегревом расплав нагревают в тигле до 850—900° С и
выдерживают 15—20 мин до растворения тугоплавких
соединений железа. При последующем быстром охлаж-
дении до 700° С выделяются высокодисперсные частицы
FeAl2, являющиеся центрами кристаллизации.
Для модифицирования сплавов с алюминием исполь-
зуют мел и другие вещества. При модифицировании
образуются высокодисперсные частицы AI4C3— центры
кристаллизации; при модифицировании хлористым же-
лезом образуются частицы РеА1з. Для сплавов, не со-
держащих алюминия, измельчения зерен достигают не-
большими присадками циркония.
Для получения отливок из магниевых сплавов широ-
ко применяют литье под давлением и другие специальные
способы литья. При литье в песчано-глинистые формы
литниковые системы имеют такие же особенности, как
при литье алюминиевых сплавов. Особенность магние-
вых сплавов состоит в том, что они способны разлагать
влагу формовочных материалов, что приводит к обра-
зованию гремучего газа. Для предотвращения этого в
формовочные смеси вводят добавки порошкообразной
серы, борной кислоты.
При заливке сплава сера испаряется и частично сго-
рает, образуя тем самым защитную парогазовую «ру-
башку» у поверхности отливки. Борная кислота при наг-
реве образует с песком стекловидные глазури, не давая
возможности расплаву взаимодействовать с формовоч-
ной смесью.
При заливке в форму для предохранения от воспла-
менения струю расплава опыляют порошком серы. По
окончании заливки в ковше должно оставаться до 15%
расплава. Этот остаток не разливают из-за возможного
попадания флюса в форму и подвергают повторному
плавлению.
455
Глава В
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ
В современном литейном производстве все более ши-
рокое применение получают специальные способы литья;
Ь оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в
металлические формы (кокили), центробежное литье и
др. Эти способы позволяют получать отливки повышен-
ной точности, с чистой поверхностью, минимальными
допусками на механическую обработку (иногда и без
механической обработки). Механизация и автоматиза-
ция технологического процесса изготовления отливок
обеспечивают хорошее качество отливок, высокую про-
изводительность труда, снижают их себестоимость.
Каждый специальный способ литья имеет свои особен-
ности, определяющие области применения и экономи-
ческую эффективность.
ЛИТЬЕ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
При этом способе детали получают в тонкостенных
формах-оболочках толщиной 6—15 мм, изготовленных
из высокопрочных песчано-смоляных смесей. Форма со-
стоит из двух оболочковых полуформ, соединенных по
вертикальной или по горизонтальной линии разъема пу-
тем склеивания или при помощи скоб, струбцин. Для
получения внутренних полостей в отливках при сборке
формы в нее устанавливают сплошные или полые стер-
жни.
Оболочки изготавливают из песчано-смоляных смесей
горячего отверждения. Наполнитель — мелкозернистый
кварцевый песок — должен иметь минимальное содержа-
ние глины; с увеличением содержания глины повышается
расход смолы — связующего. Для повышения термохи-
мической устойчивости в смесь иногда добавляют хромо-
магнезит. В качестве связующего широко применяют
пульвербакелит — фенолоформальдегидная смола с до-
бавками уротропина. Такая смола при 70—80° С раз-
мягчается, при 100—120° С плавится, превращаясь в
клейкую жидкость, покрывающую поверхность зерен
песка тонкой пленкой. При дальнейшем нагреве до
200—250° С смола необратимо затвердевает, обеспечивая
высокую прочность оболочковой формы. При нагреве
выше 400—460° С смола начинает выгорать, что приво-
456
дит к снижению, а затем к полной потере прочности
форм — оболочек.
Пульвербакелит — дорогой и дефицитный материал;
вместо него используют и другие смолы. Формовочная
смесь может быть неплакированной и плакированной.
В неплакированной смеси смола находится в порошкооб-
разном состоянии. В такую смесь вводят технологиче-
скую добавку — увлажнитель (например, керосин).
Увлажнитель, смачивая зерна песка, устраняет пылеоб-
разование при приготовлении смеси и выдувание по-
рошкообразной смолы при получении оболочек на
пескодувных машинах, а также расслоение смолы при
формовке в установках с опрокидывающимся бункером.
В плакированной смеси зерна песка покрыты тон-
кой пленкой твердой смолы. Такая смесь не расслаива-
ется, изготовленные формы имеют более высокую проч-
ность и газопроницаемость. Дополнительные расходы на
плакировку окупаются уменьшением расхода смолы,
улучшением качества отливок.
Плакированные смеси приготовляют горячим или холодным спо-
собами.
При холодном плакировании вводимая в формовочную смесь
смола растворяется в ацетоне, техническом спирте или других рас-
творителях. При перемешивании в бегунах зерна песка покрывают-
ся тонкой пленкой раствора, а после испарения растворителя —
твердой пленкой смолы.
Для более полного удаления растворителя смесь сушат продув-
кой воздуха или другими способами. Недостаток холодного спосо-
ба — высокая стоимость и огнеопасность легковоспламеняющихся
растворителей.
При горячем плакировании используют расплавленную смолу.
Один из способов состоит в том, что в смесители загружают нагре-
тый до 100—120° С песок и порошкообразный пульвербакелит. Смо-
ла плавится, обволакивает зерна песка, на их поверхности после
охлаждения образуются пленки отвердевшей смолы. Горячий способ
меиее производителен и технически более сложен, но обеспечивает
высокое качество смесей.
Модельная оснастка для изготовления оболочковых
форм включает модели, подмодельные плиты, ящики
для формовки стержней, приспособления для съема
оболочек с подмодельной плиты. Модели и стержневые
ящики часто изготавливают из серого чугуна, который
хорошо обрабатывается, обладает высокой стойкостью
при многократно повторяемых циклах (нагрев — охлаж-
дение) при формовке, хорошо сопротивляется абразив-
ному износу смеси. Реже модельную оснастку изготав-
ливают из стали и алюминиевых сплавов.
457
Технология из&б'Тдвлёния оболочковых фбрМ. Тийо*
Вая схема технологического процесса изготовления обо-
лочковой формы показана на рис. 210.
Металлическую подмодельную плиту и модель 1 на-
гревают до 200—250° С и покрывают разделительным
составом (см. рис. 210,а), например силиконовой жид-
Рис. 210. Схема технологического процесса изготовления оболочковой формы
костью (кремнийорганическое соединение). Она быстро
затвердевает, образуя разделительную пленку, что
устраняет прилипание формовочной смеси и облегчает
снятие оболочки.
Формирование оболочки производят различными спо-
собами. Широкое применение получил насыпной (бун-
керный) способ. Плиту с моделью закрепляют на пово-
458
ротном бункере с формовочной смесью (см. рис. 210,6)'.
При повороте бункера на 180° смесь высыпается на мо-
дель и плиту (см. рис. 210,в). Для необходимого уплот-
нения толщина слоя смеси должна быть не менее 300—
400 мм; дополнительное уплотнение можно произвести
подпрессовкой или другими способами.
Смола быстро плавится и затвердевает и за 10—20 с
образуется полутвердая оболочка толщиной 5—15 мм.
Затем бункер поворачивают в исходное положение
(см. рис. 210,г), снимают модельную плиту с оболочкой
и помещают в электрическую печь, нагревая до 300—
350° С в течение 1—3 мин для окончательного затверде-
вания смолы. Готовую полуформу снимают с модельной
плиты при помощи выталкивателей (см. рис. 210, д).
Для получения формы полуформы склеивают (см.
рис. 210,6, ж) или соединяют другими способами.
Для изготовления полуформ и стержней широко
применяют также пескодувный способ (рис. 211). При
открывании заслонки 2 формовочная смесь из пескоду-
вной головки 1 под давлением сжатого воздуха заполняет
Рис. 211. Пескодувный способ изготовления оболочек<
а — заполнение ящика песчано-смоляной смесью; б—выдержка для
формирования оболочки; в — удаление избыточной смеси; е —удаление
стержня
4ДО
рабочую полость 4 стержневого ящика 3, обогреваемого
электронагревателем 5. После выдержки 10—30 с для
формирования оболочки избыток смеси удаляют, а при
дальнейшем нагреве ящика стержень окончательно за-
твердевает.
Механизация и автоматизация процессов изготовле-
ния полуформ и стержней. Для получения оболочковых
полуформ и стержней созданы различные машины и
установки с пооперационным, полуавтоматическим и
автоматическим управлением.
В качестве примера на рис. 212 приведена схема устройства че-
тырехпозпциониого автомата для изготовления оболочек на поворот-
ном столе 4 с вертикальной осью вращения 5. На позиции / проис-
ходит формирование оболочки насыпным способом при помощи
поворотного бункера 1 с подпрессовкой смеси эластичной диафраг-
мой 7. На позициях II и Ill оболочку сушат в электрической печи
сопротивления 3. На позиции IV готовую оболочку снимают с мо-
дельной плиты. Здесь же плиту подготавливают к следующему цик-
лу, т. е. ее поверхность 6 обдувают сжатым воздухом для очистки
и наносят пульверизацией разделительный состав. Модельные плиты
к бункеру передают рычажным механизмом 2. Производительность
машины — до 100 полуформ в час.
Сборку форм выполняют различными способами. В
массовом производстве полуформы склеивают в горячем
состоянии (после снятия с плиты) порошкообразным
пульвербакелитом с приложением давления. В тех слу-
чаях, когда в форму устанавливают стержни, более
удобна сборка формы в холодном состоянии. Холодные
полуформы склеивают жидкими клеями, затвердеваю-
щими при нагреве. Склеивание производят на специаль-
ных прессах; местный нагрев и сжатие осуществляют
при помощи штырей с электрообогревом. Применяют и
другие способы склеивания, а также соединение форм,
например, при помощи скоб и струбцин.
Подготовка форм к заливке. Собранные формы не-
больших размеров с горизонтальной плоскостью разъе-
ма укладывают для заливки на слой песка. Формы с
вертикальной плоскостью разъема и крупные формы для
предохранения от коробления и преждевременного раз-
рушения устанавливают в контейнеры и засыпают чу-
гунной дробью (рис. 213).
Технико-экономическая оценка. Литье в оболочковые
формы имеет ряд преимуществ. Использование мелко-
зернистого песка и металлической оснастки обеспечива-
ет получение гладкой рабочей поверхности форм и стер-
460
жней. При заливке формы имеют большую прочность и
жесткость, что обеспечивает высокую точность размеров.
Получению качественного литья способствует также
высокая газопроницаемость оболочек. Тонкая газовая
рубашка при выгорании смолы защищает поверхность
отливок от пригара. По мере выгорания смолы форма
теряет прочность и разрушается, не препятствуя сво-
бодной усадке сплава. Раз-
рушение оболочек значи-
тельно упрощает выбивку
отливок. Отработанную
смесь регенерируют, прока-
ливая при 700—800° С до
Рис. 213. Засыпка оболочковых
форм:
/ — контейнер; 2 — направляющие
пазы для установки; 3 — формы
Рис. 212. Схема четырехпозицпоппого
автомата для изготовления оболочек
полного удаления связующего — смолы, и снова возвра-
щают в производство, тем самым значительно уменьшая
расход свежего песка. Кроме того, при изготовлении
тонкостенных оболочковых форм расход формовочной
смеси в восемь-десять раз меньше, чем при литье в
обычной песчано-глинистой форме.
Недостатком способа литья в оболочковые формы
является ограничение размеров и массы отливок при-
мерно до 100 кг. С увеличением толщины сечения и при
отливке массивных деталей из чугуна и стали при за-
ливке расплава смола в оболочках быстро выгорает и
качество поверхности деталей ухудшается. Пульверба-
келит и другие связующие имеют высокую стоимость.
401
ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Литье в формы, полученные по выплавляемым моде-
лям, с давних времен применяли для получения литых
скульптур, украшений и т. д.
В промышленности для изготовления деталей ма-
шин и приборов этот прогрессивный способ получает
все более широкое применение. Сущность способа со-
стоит в том, что детали получают заливкой в неразъем-
ные, тонкостенные керамические формы, изготовленные
с помощью моделей из легкоплавящихся составов. При-
менение таких форм позволяет получать сложные по
форме отливки из любых сплавов с повышенной точ-
ностью по размерам и чистоте поверхности. Этот способ
часто называют способом точного литья.
Модельные составы. Для изготовления моделей при-
меняют различные легкоплавкие составы, которые со-
стоят из 50% парафина и 50% стеарина с температурой
плавления около 55° С и хорошей жидкотекучестью. Не-
достаток такого сплава в том, что он начинает размяг-
чаться при 30—35° С. Более высокой прочностью обла-
дают сплавы на основе парафина с добавками этилцел-
люлозы, церезина, на основе канифоли и другие составы
Изготовление моделей в массовом и крупносерийном
производстве осуществляют запрессовкой состава, подо-
гретого до пастообразного состояния, в стальные прес-
сформы под давлением 3—5 ат.
В крупносерийном и массовом производстве модели
изготавливают на полуавтоматических и автоматических
установках.
На рис. 214 приведена схема устройства десятипозиционного ав-
томата карусельного типа. На каждой позиции вращающегося сто-
ла 1 расположены прессовочные устройства: разборные прессформы
3 со шприцами для запрессовки 4 и пневмоцилиндрами 2 для сбор-
ки н разборки прессформ. На позиции / модельный состав запрес-
совывают в форму. На позициях II—VII происходит охлаждение
прессформ. На позиции VIII прессформа открывается и модель 5
сбрасывается толкателями в водяной конвейер 6. На позиции IX
происходит подготовка прессформы к следующему циклу работы.
Литниковый канал прочищают иглой, приводимой в движение пнев-
моцилиидром 7. Прессформу продувают сжатым воздухом и смазы-
вают тонким слоем трансформаторного масла форсункой 8. На по-
зиции X прессформа закрывается. Для изготовления моделей мелких
деталей используют многоместные прессформы, в которых получают
не отдельные модели, а звенья из нескольких моделей, что значи-
тельно упрощает их сборку в многомодельные блоки.
462
Рис. 214. Схема автомата для производства моделей
В серийном производстве, где часто меняют номен-
клатуру деталей, вместо стальных применяют прессфор-
мы из алюминиевых сплавов, а также более дешевые, но
не долговечные прессформы из пластмасс, гипса и дру-
гих материалов. Запрессовку модельных составов про-
изводят на пневматических, рычажных и других прессах
или вручную.
Монтаж блоков моделей. Мелкие модели собирают в
блоки, приклеивая или «припаивая» их электропаяльни-
ками к общей литниковой системе (рис. 215). Это дает
значительную экономию металла и облегчает последу-
ющие операции изготовления керамических форм. В ме-
ханизированных и автоматизированных цехах блоки из
463
Рис. 215. Изготовление форм по выплавленным моделям:
в — блок моделей; б — блок, покрытый слоем огнеупорного материала
(оболочкой); в — заформованные модели
моделей собирают на специальных приспособлениях
(металлических стояках — каркасах), что обеспечивает
плотное соединение моделей без припаивания.
Формирование керамической оболочки на блоках.
Тонкая керамическая оболочка должна иметь высокую
прочность и огнеупорность, хорошую податливость и
газопроницаемость, обеспечивать высокую чистоту по-
верхности отливок. Оболочка общей толщиной до 5—
6 мм состоит из трех-восьми последовательно наносимых
слоев. Для образования каждого слоя модель погружа-
ют в жидкую суспензию, затем обсыпают песком и су-
шат. Суспензия состоит из связующего — гидролизиро-
ванного раствора этилсиликата (~70%), содержащего
40—50% SiC>2, и пылевидного кварца (30%).
Разработаны и другие связующие, например растворы с низ-
ким содержанием SiOa и добавками поверхностно-активных веществ.
Применение жидкостекольиых суспензий ухудшает качество поверх-
ности отливок. Для первого слоя целесообразно применять мелко-
зернистый песок, для последующих слоев — крупнозернистый с
целью повышения газопроницаемости оболочки и снижения стоимо-
сти материала. Б обычном кварцевом песке при прокаливании про-
исходят полиморфные превращения, что может привести к образо-
ванию трещин и деформированию оболочки. Значительно более каче-
ственными в этом отношении являются плавленый кварц, корунд и
другие материалы.
Сушку проводят на воздухе после нанесения каждо-
го слоя в течение 2—4 ч. Ее можно ускорить, используя
пары аммиака. При сушке в псевдокипящем слое сили-
кагеля ее продолжительность резко сокращается (до
3—5 мин) при одновременном улучшении качества обо-
лочек. Окончательное затвердевание оболочек происхо-
дит при прокаливании.
Выплавление моделей из керамических форм прово-
дят различными способами. Легкоплавкие парафино-
464
стеариновые составы обычно удаляют в ваннах с горя-
чей водой. Этот способ технически прост п обеспечивает
возврат модельного состава до 90—95%. Его недоста-
ток состоит в том, что при увеличении продолжитель-
ности пребывания в воде понижается прочность обо-
лочек на этилсиликатном связующем.
Более тугоплавкие модельные составы выплавляют
горячим воздухом, иногда паром.
Эффективным является новый способ удаления мо-
делей в высококипящих жидкостях, например полигли-
колях при 200—250° С. При этом не только значительно
сокращается время выплавки, но и улучшается качество
оболочки.
Формовку оболочек проводят для их упрочнения, что-
бы не происходило их деформирования и разрушения
при заливке. Для этого оболочковые формы устанавли-
вают в опоки или в жакеты и засыпают песком или дру-
гими формовочными материалами, уплотняя их на
внбростолах; для этой же цели можно использовать
жидкие самотвердеющие смеси.
Прокаливание оболочковых форм до 900—1000° С
проводят для удаления остатков модельных составов,
газотворных веществ из материала оболочки, за-
вершения процессов ее твердения. Кроме того, нагре-
вание формы обеспечивает лучшее заполнение при за-
ливке.
Заливка, выбивка и очистка отливок. Заливку обыч-
но проводят в горячие формы сразу же после их прока-
ливания. С повышением температуры нагрева формы до
1200—1250° С во многих случаях уменьшается усадочная
пористость и повышается качество отливок. Заливку'
особо ответственных изделий ведут с применением
фильтров.
Керамическая оболочка легко отслаивается и удаля-
ется при выбивке опок на вибрационных решетках. Остат-
ки оболочки, в частности в полостях и отверстиях, уда-
ляют кипячением отливок в щелочных растворах с по-
следующей промывкой горячей водой.
На ряде отечественных заводов работают автомати-
ческие линии, включающие установки для изготовления
модельного состава, модельных звеньев, нанесения сус-
пензии и т. д. Автоматизация обеспечивает экономиче-
скую эффективность указанного способа литья, особен-
но в условиях массового производства.
30-481
465
Особенности способа и области применения. Литье по
выплавляемым моделям обеспечивает получение слож-
ных по форме литых деталей из любых сплавов с по-
вышенной точностью и чистотой поверхности. При его
применении значительно уменьшается, а в ряде случаев
исключается механическая обработка деталей. Вместе
с этим технологический процесс является продолжи-
тельным и технически сложным, требует расхода доро-
гих материалов. Стоимость 1 т отливок в несколько раз
больше, чем при других способах литья. Наиболее часто
этим способом получают небольшие отливки. Литье по
выплавляемым моделям применяют при массовом про-
изводстве мелких, сложных, тонкостенных отливок. Для
некоторых труднообрабатываемых жаропрочных, маг-
нитных и других сплавов с особыми свойствами получение
точных отливок по выплавляемым моделям является
единственным способом изготовления изделий. Одним
из направлений в развитии точного литья является при-
менение взамен легковыплавляемых моделей легко-
растворимых и газифицируемых моделей.
Легкорастворимые модели делают из различных со-
ставов, например на основе мочевины с добавками поли-
эфирного спирта, легко растворяющихся в воде. Такие
модели в некоторых случаях обеспечивают более высо-
кое качество отливок, чем применение выплавляемых
моделей.
Литье по газифицируемым моделям — новый, прог-
рессивный, быстро развивающийся способ точного
литья. Модели, изготовленные из вспененного полисти-
рола, из формы не удаляют. Они газифицируются
(разлагаются) во время заливки сплава. Такой способ
значительно упрощает и удешевляет формовку, обеспе-
чивает высокое качество литья. Экономическая эффек-
тивность этого способа особенно значительна в произ-
водстве крупных сложных отливок.
ЛИТЬЕ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
Литье в металлические формы (кокили) получило
большое распространение. Этим способом получают
более 40% всех отливок из алюминиевых и магниевых
сплавов, отливки из чугуна, стали и других сплавов.
Сущность способа состоит в получении литых деталей
путем свободной заливки расплава в металлические
466
формы. Конструкции кокилей чрезвычайно разнообраз-
ны, они могут быть неразъемными (вытряхными) и разъ-
емными (рис. 216). Неразъемные кокили применяют
для получения небольших отливок простой конфигура-
ции, которые можно удалять без разъема формы.
Более сложные и крупные отливки получают в разъ-
емных кокилях. Они обычно состоят из двух частей —
полуформ с вертикальной, горизонтальной или сложны-
Рис. 216. Типы кокилей:
£? — неразъемный с песчаным стержнем; / — корпус; 2 — стержень; 3 —
крышка; 4 — выталкиватель; 5 —отливка; б — разъемный с металли-
ческими стержнями; /, 2 — части корпуса; 3 — составной центровой
стержень; 4, 5 — стержни; 6 — отливка
ми плоскостями разъема. Полость в отливках получают
с помощью стержней, изготовленных из стержневой сме-
си или металла. При сложной форме металлический
стержень делают разборным. Например (см. рис.216,б),
стержень 3 состоит из трех частей. К концу затвердева-
ния отливки сначала удаляют среднюю часть такого
стержня (клин), затем его боковые части, стержни 4, 5
раскрывают кокиль и извлекают отливку.
Для удаления воздуха и газов при заливке по линиям
разъема кокиля или в специальных пробках устраивают
газоотводные каналы глубиной 0,2—0,5 мм. Кокили чаще
всего делают из чугуна и стали. Для повышения стой-
кости (долговечности) кокиля и предупреждения по-
верхностной закалки стали или отбеливания чугуна на
внутреннюю поверхность кокиля наносят огнеупорные
покрытия и краски.
30*
467
Для получения отливок с плотной структурой применяют тонко-
слойные покрытия до 0,5 мм. В облицованных кокилях с покрытия-
ми 2—5 мм из стержневых смесей отливают тонкостенные и сложные
изделия из стали и чугуна. Крупные толстостенные стальные и чу-
гунные отливки получают в футерованных кокилях с покрытиями
6—12 мм.
Краски для предотвращения пригара и улучшения качества по-
верхности отливок наносят пульверизацией или кистью перед каж-
дой заливкой.
Интенсивность теплообмена между отливкой или ко-
килем в 3—10 раз больше, чем при литье в разовые
формы, что способствует получению мелкозернистой
структуры. Вместе с тем быстроохлаждающийся сплав
снижает свою жидкотекучесть, что затрудняет получе-
Рис. 217. ОднопозициоииыЙ копильпый
станок
ние тонкостенных, слож-
ных отливок. Поэтому пе-
ред заливкой кокиль дол-
жен быть нагрет до оп-
ределенной оптимальной
температуры 100—300° С
(в зависимости от вида
сплава, конфигурации от-
ливки и т. п.).
Механизация и авто-
матизация процессов ли-
тья в кокили получила
широкое распростране-
ние. На рис. 217 показа-
на схема однопозицион-
ного кокильного станка. Половины кокиля 3 и 6, скреп-
ленные с плитами 2 и 7, приводятся в движение гидро-
цилиндрами 1 и 8, металлические стержни на плитах 4
и 9 — гидроцилиндрами 5 и 10. Помимо кнопочного
управления с пульта, станок может работать в автома-
тическом режиме. На многопозиционных машинах ка-
русельного типа на каждой позиции проводят опреде-
ленную операцию: подготовку формы, ее закрытие, за-
ливку и т. п.
Особенности способа и области применения. Литье в
металлические формы — один из прогрессивных способов
изготовления отливок. Кокиль — форма многократного
использования; в нем можно получить 300—500 сталь-
ных отливок массой 100—150 кг, около 5000 чугунных
мелких отливок, несколько десятков тысяч отливок из
алюминиевых сплавов.
468
Механизация и автоматизация обеспечивают высо-
кую производительность при значительном снижении
трудоемкости и стоимости отливок. Вследствие быстрого
затвердевания получается мелкозернистая структура
сплава, что определяет его высокие механические свой-
ства. Отливки получают с высокой точностью по разме-
рам и чистой поверхностью, что уменьшает или совсем
исключает их последующую механическую обработку.
Недостатками являются высокая стоимость кокилей,
трудоемкость в изготовлении сложных по конфигурации
и тонкостенных отливок, сравнительно невысокая стой-
кость кокиля при литье из тугоплавких сплавов.
ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Литье под давлением — наиболее производительный
способ изготовления относительно небольших отливок
из цветных сплавов с высокой точностью по размерам и
чистотой поверхности. Отливки получают в стальных
прессформах. Расплавленный сплав заполняет пресс-
форму под давлением поршня до 3000 кгс/см2, быстро
затвердевает и образует отливку. Затем прессформа рас-
крывается, готовая отливка удаляется толкателями.
Наибольшее распространение получили поршневые
машины с холодной или горячей камерой прессования.
Поршневая машина с холодной горизонтальной ка-
мерой прессования (рис. 218,а). Дозу расплавленного
металла заливают в горизонтальную камеру прессова-
ния 1 и подают поршнем 2 в прессформу, состоящую из
двух полуформ: подвижной 3 и неподвижной 4. Для об-
разования полости в отливке применяют металлический
стержень 5. После затвердевания отливки прессформа
раскрывается и отливка удаляется при помощи толка-
телей 6. Давление поршня на жидкий металл составля-
ет от 400 до 2000 кгс/см2, масса отливок —до 45 кг.
Поршневая машина с холодной вертикальной каме-
рой прессования (рис. 218,6) развивает удельное давле-
ние на жидкий металл до 3000 кгс/см2. При заливке
дозы расплавленного металла в камеру прессования 1
пята 2 (нижний поршень) перекрывает литниковый ка-
нал 3 прессформы 4. При рабочем ходе прессующего
плунжера 5 пята опускается вниз, открывая литниковый
канал, металл запрессовывается в прессформу. Далее
плунжер и пята совершают движение вверх, пята отре-
469
Рис. 218. Схемы машин для литья под давлением:
а —с холодной горизонтальной камерой прессования; б—с холодной
вертикальной камерой; в — с горячей вертикальной камерой
зает от литника прессостаток и удаляет его из камеры
прессования. Одновременно с этим прессформа раскры-
вается, отливка удаляется толкателями, плунжер и пята
возвращаются в исходное положение.
Поршневые машины с холодной камерой прессова-
ния применяют для получения отливок из латуней, алю-
миниевых, магниевых и других цветных сплавов, а так-
же стальных отливок.
В отечественном литейном производстве все большее
распространение получают машины с горизонтальной
камерой прессования. В этих машинах меньше охлаж-
дение жидкого металла и его гидравлическое сопротив-
ление при заполнении формы. Машины имеют на 10—•
20% более высокую производительность, проще в об-
служивании.
470
Поршневые машины с еорячей камерой прессования
(см. рис. 218, в) развивают давление на металл 100—
300 кгс/см2. Особенность их устройства состоит в том,
что камеру прессования 1 располагают в обогреваемом
тигле с жидким металлом. При верхнем положении
плунжера (поршня) через отверстия 2 сплав заполняет
камеру. При движении плунжера 3 вниз он перекрывает
эти отверстия, сплав под давлением заполняет полость
прессформы 4. После затвердевания отливки плунжер
возвращается в исходное положение, остатки металла
из канала сливаются в камеру прессования. Отливка
удаляется из прессформы толкателями.
Такие машины применяют для литья из свинцово-
сурьмянистых, цинковых, магниевых и алюминиевых
сплавов с невысокой температурой плавления и мало
агрессивных к материалам тигля и камеры прессования.
Благодаря малому охлаждению сплава при заполнении
прессформы на таких машинах можно производить очень
мелкие детали — массой до нескольких граммов. Пре-
дельная масса отливок составляет до 25—30 кг. Машины
имеют очень высокую производительность — до 3000 и
более отливок в час при работе в автоматическом ре-
жиме.
Особенности формирования отливок. При литье под
давлением расплав заполняет прессформу с очень боль-
шой скоростью (за доли секунды). При этом происходит
быстрое закупоривание вентиляционных каналов пресс-
формы и из ее полости не полностью удаляются воздух
и газы, образующиеся от испарения и сгорания смазки.
В затвердевшей отливке появляется газовая пористость.
В металлической прессформе расплав затвердевает
очень быстро, что приводит к получению мелкокристал-
лического строения. При этом тонкие по сечению лит-
ники затвердевают раньше отливки, ее питание распла-
вом прекращается до завершения усадки. Усадка прояв-
ляется в том, что увеличивается объем газовых пор.
Поэтому отливки имеют специфический дефект — газо-
усадочную пористость. Это приводит к снижению плот-
ности отливок, понижению пластичности. Отливки нель-
зя подвергать термической обработке, так как при на-
гревании вследствие расширения газовых пор поверх-
ность металла может вспучиваться.
Для устранения газоусадочной пористости разрабо-
таны специальные мероприятия. К ним относится, на-
471
пример, применение вакуумирования полости формы и
самого расплава.
Автоматизация литья под давлением. По своей сущ-
ности литье под давлением является высокомеханизи-
рованным процессом. Управление рабочими органами
машины при прессовании, удалении отливки осущест-
вляют с пультов или при помощи рычажных механиз-
мов. Вручную выполняют такие операции, как заливка
дозы сплава в камеру прессования, очистка поверхности
прессформы от тонких пленок металла, смазка поверх-
ности прессформы и камеры прессования.
Наиболее трудоемкой и сложной из этих операций
является заливка жидкого металла. Автоматически ра-
ботающие машины для литья под давлением имеют
специальные заливочно-дозирующие устройства. Очист-
ку поверхности раскрытых прессформ проводят обдув-
кой сжатым воздухом и перемещаемыми пневматически-
ми устройствами металлическими щитками. Смазка пос-
ле очистки наносится распылением специальными уст-
ройствами, работающими в автоматическом режиме.
Автоматизация машин и операций обрубки литников,
очистки заусенцев позволяет создавать в цехах автома-
тические линии с участками для литья под давлением.
Технико-экономическая оценка. Литьем под давле-
нием изготавливают отливки от нескольких граммов до
десятков килограммов из алюминиевых, магниевых,
медных и других цветных сплавов, реже из тугоплавкой
стали. Этот способ позволяет получать литые детали
простой формы и сложные фасонные тонкостенные от-
ливки. Нередко такие детали отправляют на сборку без
механической обработки, лишь после зачистки заусенцев.
Машины для литья под давлением, работающие в
автоматическом режиме, имеют очень высокую произ-
водительность— до 3000 и более отливок в час.
К недостаткам способа относятся ограниченная мас-
са отливаемых деталей — примерно до 50 кг, высокая
стоимость и сложность изготовления прессформ, труд-
ность получения отливок со сложными полостями. От-
ливки имеют газоусадочную пористость и их нельзя
подвергать термической обработке. При получении от-
ливок из тугоплавкой стали прессформы имеют неболь-
шую долговечность.
Наиболее экономически выгодным является литье под
давлением в массовом производстве сложных фасонных
472
тонкостенных отливок из цветных сплавов — деталей
приборов, автомобилей, тракторов, самолетов и т. д.
Литье под низким давлением (до 1 ат) применяют
для получения тонкостенных крупногабаритных отли-
вок (рис, 219). Расплавленный сплав в электротигле,
Рис. 220. Схемы машин для центро-
бежного литья:
1 — ковш; 2 — формы
Рис. 219. Схема литья под
низким давлением;
1 — песчаный стержень; 2 —
отливка; 3 — форма; 4 — ме-
талл; 5 —* электронагревате-
ли; 6 — стальной металло-
провод; 7 — тигель
поступает в форму с песчаным стержнем под давлением
инертного газа на зеркало металла. При извлечении за-
твердевшей отливки давление газа снимают.
ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ
При этом способе отливки получают свободной за-
ливкой металла во вращающиеся формы. Отливки фор-
мируются под действием центробежных сил.
В машинах с вертикальной осью вращения
(рис. 220, о) металл из ковша 1 заливают во вращаю-
щуюся форму 2. Под действием центробежных сил ме-
талл прижимается к боковым стенкам формы и затвер-
девает, образуя отливку. В таких машинах отливки по-
лучают некоторую разностенность по высоте—более
толстое сечение получается в нижней части отливок.
Этот способ применяют для получения отливок неболь-
шой высоты — коротких втулок, колец, фланцев и т. д.
473
При изготовлении мелких фасонных отливок запол-
нение полостей форм под действием центробежной силы
способствует получению плотной структуры металла
(см. рис. 220,6). Для легко окисляющихся сплавов при-
меняют вакуум-центробежные машины, в которых сплав
заливают в форму, находящуюся в вакуумной камере.
Машины с горизонтальной осью вращения (см.
рис. 220, в) применяют для отливки чугунных и сталь-
ных труб, втулок и других отливок — тел вращения
большой длины. Расплавленный чугун из дозировочного
ковша 1 по желобу заливают во вращающуюся стальную
форму 2, помещенную в кожух, наполненный циркулиру-
ющей водой. Готовую отливку извлекают специальны-
ми приспособлениями. Производительность машины
40—50 труб в час (d=200—300 мм и 1=2—5 м).
Скорость вращения формы зависит от диаметра от-
ливки и плотности сплава. Наиболее часто ее рассчиты-
вают по формуле п=5520/ 'Куг, где у — плотность спла-
ва; г — внутренний радиус отливки. Для различных от-
ливок скорость вращения составляет от 250 до 1500 об/мин.
Технико-экономическая оценка. Центробежное
литье — высокопроизводительный способ. Его применя-
ют преимущественно для изготовления стальных и чу-
гунных труб, втулок и других отливок тел вращения, ре-
же для фасонных отливок. При затвердевании металла
под действием центробежных сил обеспечивается полу-
чение плотной структуры без усадочных пустот и рых-
лости. Неметаллические включения, имеющие меньшую
плотность, чем металл, скапливаются на внутренней
поверхности труб и других отливок. Центробежным
литьем обеспечивается хорошее заполнение формы для
сплавов с пониженной жидкотекучестью, возможно по-
лучение более тонкостенных отливок. При центробежной
отливке труб, втулок и других изделий отсутствуют стер-
жни, литники, выпоры.
Один из недостатков этого способа состоит в том,
что в сплавах, склонных к ликвации, она усиливается от
действия центробежных сил. Химический состав таких
отливок получается неоднородным. Вследствие разно-
стенности отливок, получаемых в машинах с вертикаль-
ной осью вращения, и благодаря загрязнению внутрен-
ней поверхности отливок неметаллическими включения-
ми в ряде случаев увеличивают припуск на обработку,
474
ДРУГИЕ СПОСОБЫ ЛИТЬЯ
Полунепрерывное литье чугунных труб и втулок —
один из перспективных высокопроизводительных спосо-
бов, позволяющий получать изделия диаметром до
Рис. 221. Схема установки полунепрерывного (с) и непрерывного (б) лнтья
1000 мм и длиной до 10 м, что невозможно при других
способах. В установке для полунепрерывного литья труб
(рис. 221, а) жидкий чугун заливают в кольцевой зазор,
образованный внутренней стенкой водоохлаждаемого
кристаллизатора 1 и водоохлаждаемым металлическим
стержнем 2. Перед началом заливки этот кольцевой за-
зор плотно закрыт металлическим стержнем 3, установ-
ленным на подвижном столе 4. Чугун быстро затверде-
вает. Когда уровень заливаемого металла будет на 20—
25 мм ниже уровня кристаллизатора, стол 4 начинают
опускать, вытягивая трубу. Одновременно жидкий чугун
из ковша 5 заливают с заданной скоростью в кристалли*
затор для поддержания в нем нужного уровня металла.
Трубы, получаемые этим способом, имеют чистую
внутреннюю и наружную поверхность. Структура спла-
ва таких труб получается мелкозернистой. Полунепре-
рывное литье используют также для квадратных, шес-
тигранных и других фасонных профилей из чугуна,
бронз, латуней и других сплавов.
На рис. 221,6 показан метод непрерывного литья за-
готовок. Жидкий металл, поступающий из тигля 1, быст-
ро затвердевает в водоохлаждаемом кристаллизаторе 2
и образует непрерывную заготовку 3, ее вытягивают с
475
определенной скоростью тянущими роликами 4 и разре-
вают дисковой пилой 5 на куски мерной длины.
Литье выжиманием (рис. 222, а) применяют для по-
лучения тонкостенных крупногабаритных отливок типа
панелей размерами до 1000—2500 мм с толщиной стенки
2—5 мм из алюминиевых и магниевых сплавов. При по-
вороте подвижной полуформы залитый жидкий металл
заполняет полость формы, его излишек сливают в прием-
ный ковш. Существуют установки с плоскопараллель-
ным перемещением подвижной полуформы. Литье выжи-
манием осуществляют на автоматических установках.
При «жидкой прокатке» (см. рис. 222,6) металл не-
прерывной струей заливают в приемник, состоящий из
двух вращающихся валков с внутренним водяным охлаж-
дением 1, 2. На поверхности валков «намораживается»
слой металла, образуя лист или ленту 3. Таким способом
на специальных установках с полной автоматизацией
процесса отливают чугунные листы, ленты.
Литье вакуумным всасыванием (рис. 222, в) состоит
в том, что металл заполняет литейную форму 1 за счет
Рцс. 222. Схемы литья выжиманием (о), «жидкой прокаткой» (б), вакуумным
всасыванием (б) й намораживанием (а), Примеры сечений отливок, получен-
ных намораживанием из расплава (д)
476
разрежения, создаваемого в . ней вакуум-насосом. После
Затвердевания носок формы-кристаллизатора извлекают
из ванны с жидким металлом 2. В результате пуска атмо-
сферного воздуха в полость формы отливка удаляется.
Наиболее часто этот способ применяют для получе-
ния втулок, вкладышей, подшипников скольжения из до-
рогих и дефицитных бронз и латуней. Преимуществами
такого способа литья являются получение качественных
бездефектных отливок и отсутствие расхода металла на
литники и прибыли. Способ применим для изготовления
отливок простой формы.
Литье намораживанием (см. рис. 222, а) имеет не-
сколько разновидностей. Общая характерная особен-
ность состоит в том, что образование изделия происхо-
дит в результате последовательного затвердевания ме-
талла— его «намораживания».
На поверхность жидкого металла / помещают пли-
ту— поплавок с отверстием 2, соответствующим сече-
нию отливки. В мениск жидкого металл’а, выступающего
из отверстия, вводят затравку 4. При ее подъеме из от-
верстия плиты-поплавка за счет сил поверхностного на-
тяжения постепенно вытягивается жидкий металл, за-
твердевающий («намораживающийся») и образующий
изделие 3. Скорость вытягивания изделия должна быть
точно согласована со скоростью охлаждения и затвер-
девания металла.
Таким способом изготавливают ленты шириной
100 мм и более, трубы с внутренними и наружными реб-
рами и другие изделия из алюминиевых и некоторых
других сплавов (см. рис. 222, д).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Литейное производство. М., «Машиностроение», 1971. 320 с.
с ил. Авт.: Б. В. Бауман, Б. Н. Благов, Н. Т. Исханян и др.
2. Василевский П. Ф. Технология стального литья. М., «Маши-
ностроение», 1974. 408 с. с ил.
3. Технология конструкционных материалов. М., «Машинострое-
ние», 1977. 664 с. с ил. Авт.: А. М. Дальский, И. А. Арутюнова,
А. В. Барсукова и др.
4. Курдюмов А. В., Ликунов М. В., Чуркин В. М. Литейное про-
изводство цветных и редких металлов. М., «Металлургия», 1972.
496 с. с ил.
5. Специальные виды литья. М., «Машиностроение», 1970, 224 с.
с ил. Авт.: Ю. А. Степанов, М. Г. Анучина, Г. Ф. Баландин и др.
477
Раздел IV
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
При обработке металлов давлением полуфабрикаты
и изделия получают пластическим деформированием ис-
ходной заготовки без снятия стружки. Этот процесс от-
личается значительной экономичностью, высоким выхо-
дом годного и большой производительностью. Обработ-
кой давлением можно изготовить детали самых
различных размеров (от миллиметра до нескольких мет-
ров) и формы.
В СССР давлением обрабатывают примерно 90%
всей выплавляемой стали, а также большое количество
цветных металлов и их сплавов.
К обработке металлов давлением относят прокатку,
волочение, прессование, ковку, штамповку и некоторые
специальные процессы, например отделочную и упрочня-
ющую обработку пластическим деформированием и т.д.
Прокатка — наиболее распространенный вид обра-
ботки металлов давлением. Основные способы прокатки
показаны на рис. 223.
При продольной прокатке заготовка под действием
сил трения втягивается в зазор между валками, враща-
ющимися в различных направлениях. Почти 90% всего
проката производится продольной прокаткой, в том чис-
ле весь листовой и профильный прокат.
При поперечной и винтовой прокатке заготовка де-
формируется валками, вращающимися в одну сторону.
При винтовой прокатке вследствие расположения вал-
ков под углом друг к другу прокатываемый металл, кро-
ме вращательного, получает еще и поступательное дви-
жение. В результате сложения этих движений каждая
точка заготовки движется по винтовой линии.
В промышленности поперечную прокатку используют
главным образом для получения специальных периоди-
478
Рис. 223. Основные способы прокатки:
а — продольная; б — поперечная; в — винтовая
ческих профилей. Винтовую прокатку широко применя-
ют для получения пустотелых трубных заготовок из раз-
личных металлов.
Методы обработки металлов давлением можно клас-
сифицировать по схемам технологического процесса.
Получение готового продукта из слитков включает
не только процесс прокатки, но и ряд операций до и по-
сле него.
В современном производстве применяют два метода
разливки жидкого металла в слитки: периодический
(металл разливают в отдельно стоящие изложницы) и
непрерывный (металл заливают в водоохлаждаемый
кристаллизатор установок непрерывной разливки; при
выходе из кристаллизатора образующийся слиток про-
ходит зону вторичного охлаждения).
Производство проката разделяют на две основные
стадии: 1) получение полупродукта (блюмов, слябов и
заготовок) из слитка и 2) получение готовых изделий из
полупродуктов.
На рис. 224 представлена технологическая схема про-
катки литых слитков и заготовок и получения из них го-
тового проката: толстых и тонких листов, рельсов, ба-
лок, швеллеров, угловой и круглой стали, проволоки,
Штрипса и т. д.
При прессовании металл выдавливают из замкнутой
полости через отверстие, получая пруток или трубу с
профилем, соответствующим сечению отверстия инстру*
Рис. 224. Общая схема
технологического процес-
са в прокатных цехах
Станы халЛва npsximu
ГалгаСые труЛ/ ГапоС/ые тррры •
мента. Исходный материал для прессования — слитки
или отдельные заготовки. Существуют два метода прес-
сования — прямой и обратный. При прямом прессовании
движение пуансона пресса и истечение металла через
отверстие матрицы происходят в одном направлении
(рис. 225, а). При обратном прессовании заготовку за-
кладывают в глухой контейнер, и она при прессовании
остается неподвижной, а истечение металла из отверстия
Рис. 225. Схемы прессования прутка прямым (а) и обратным (б) ме-
тодами:
1 — готовый пруток; 2 — матрица; 3 — заготовка; 4 — пуансон
матрицы, которая крепится на конце полого пуансона,
происходит в направлении, обратном движению пуансо-
на с матрицей (рис. 225,6).
Обратное прессование по сравнению с прямым тре-
бует меньших усилий и прессостаток в этом случае мень-
ше, однако меньшая деформация при обратном прессо-
вании приводит к тому, что прессованный пруток со-
храняет следы структуры литого металла. Основное
преимущество прессованных изделий — точность их раз-
меров. Кроме того, ассортимент изделий, получаемых
прессованием, весьма разнообразен, и этим методом
можно получить очень сложные профили.
Волочением называют протягивание заготовок через
постепенно сужающееся отверстие волоки (рис. 226).
При волочении поперечное сечение заготовки уменьша-
ется, а ее длина соответственно увеличивается. Волоче-
ние осуществляют главным образом в холодном состоя-
нии и редко — в горячем. Волочением получают профи-
ли весьма точных размеров (до 2-го класса точности) и
формы, как правило, с гладкой блестящей поверхностью:
тонкую проволоку диаметром 5—10 мм, тонкостенные
трубы, фасонные профили и т. д.
31—481
481
Обработка металла кузнечным способом включает
свободную ковку, горячую и холодную штамповку (рис.
227). При ковке металл между плоскими бойками сво-
бодно течет в стороны, поэтому ковку называют свобод-
ной. При штамповке течение металла ограничено стен-
ками рабочей полости (ручья) штампа и происходит по
заданным направлениям до определенного предела.
Форма и размеры ручья штампа полностью определяют
конфигурацию изготовляемой поковки.
Рис. 226. Схема процесса во-
лечения
Рис. 227. Обработка металлов кузнечным
способом:
а ковка; б — листовая штамповка
Для штамповки характерно применение разнообраз-
ного специализированного инструмента — штампов, од-
нако в последнее время в связи с массовым производст-
вом деталей машин появились специализированные
штамповочные агрегаты: автоматы для производства
болтов или гаек, гибочные машины, машины для изго-
товления пружин, железнодорожных костылей, теле-
графных крюков и т. д. С применением специализиро-
ванных агрегатов возрастает выход годного, производи-
тельность, чистота поверхности, повышается точность
размеров изделий.
Цехи, в которых преобладает свободная ковка, на-
зываются кузнечными. Мелкие и средние поковки (мас-
сой до 1 т) производят на молотах. Среди кузнечных
цехов особое место занимают цехи тяжелых поковок ма-
шиностроительных заводов, называемые иногда кузнеч-
но-прессовыми цехами, так как преобладающими маши-
нами— орудиями—в них являются прессы. Выпуск по-
ковок этими цехами достигает 60 000 т в год, а
наибольшая масса одной поковки может быть более
300 т.
Цехи, в которых преобладает горячая штамповка на
молотах', прессах, горизонтально-ковочных машинах и
482
другом горячештамповочном оборудовании, носят назва-
ние кузнечно-штамповочных. Выпуск продукции отдель-
ными цехами этого вида достигает 150 000 т в год при
наибольшей массе поковок в сотни килограммов. Такие
цехи существуют на крупных заводах автомобильной,
тракторной, авиационной и других отраслей промышлен-
ности.
Цехи холодной штамповки из листовых заготовок на-
зывают холоднопрессовыми. Это весьма разнообразная
группа цехов серийного и массового производства изде-
лий (например, деталей кузова автомобиля).
Остальные цехи относят к специализированным, на-
зываемым либо по типу выпускаемой продукции (сна-
рядные, рессорные, пружинные), либо по типу установ-
ленного оборудования (вальцовочные, обжимных ма-
шин и т. д.). Среди этих цехов есть холодноштамповоч-
ные и горячештамповочные.
НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Прокатным станом называется машина для обработ-
ки металлов давлением в валках. Оборудование для де-
формации металла называется основным и располага-
ется по главной линии прокатного стана, которая со-
стоит из трех основных устройств: рабочей клети,
передаточных механизмов и двигателя. Рабочая клеть
в свою очередь состоит из валков, подшипниковых уз-
лов, станины, нажимных механизмов и ряда конструк-
тивных элементов. Для передачи вращения от двигателя
к прокатным валкам служат редукторы, шестеренные
клети, соединительные муфты и шпиндели.
Кроме этого, для выполнения различных вспомо-
гательных операций: нагрева, резки и правки металла,
сматывания его в бунты, подачи металла к валкам, кан-
товки, транспортировки металла и т. д. используется
различное вспомогательное (адъюстажное) оборудо-
вание.
Прокатные станы классифицируют по назначению,
конструкции, взаимному расположению основных эле-
ментов и другим признакам.
Наиболее проста классификация станов по назначе-
нию— в зависимости от вида прокатываемых профилей:
прокатные станы классифицируют на обжимные, заго-
31*
483
товочные, рельсо-балочные, крупносортные, среднесорт-
ные, мелкосортные, проволочные, толстолистовые, ши-
рокополосные, листовые, тонколистовые, станы холодной
прокатки, трубопрокатные, бандаже- и колесопрокатные
станы и, наконец, станы сцециального назначения.
Основная величина, определяющая типоразмер сор-
топрокатного стана, — диаметр валка, а листового ста-
на— длина бочки валка, от размеров которой зависит
возможная ширина прокатываемых листов; так, у сор-
тового стана 300 диаметр валков 300 мм, а у листового
стана 2000 длина бочки валков 2000 мм.
Классификация прокатных станов по расположению
валков в рабочей клети приведена на рис. 228.
Двухвалковые (рис. 228, а) нереверсивные клети
(дуо) получили большое применение в непрерывных
станах для прокатки заготовки, проволоки, сортовых
профилей и тонких полос. В каждой клети таких ста-
нов осуществляется только по одному пропуску металла
Рис. 228, Классификация прокатных станов по конструкции и расположе-
нию валков
484
в одном направлении. В двухвалковых реверсивных кле-
тях периодически изменяется направление вращения
валков, а прокатываемый металл проходит через валки
вперед и назад несколько раз. Эти клети применяют в
блюмингах, слябингах, толстолистовых станах и т. д.
Клети с горизонтальной и вертикальной парой вал-
ков (рис. 228, б) называют универсальными и применя-
ют главным образом в слябингах или толстолистовых
станах (вертикальными валками формируют ровные и
гладкие боковые грани слябов и листов).
Трехвалковые (трио) клети (рис. 228, в) — всегда
нереверсивные, применяют в сортовых и листовых —
трио Лаута — станах, отличающихся от сортовых мень-
шим диаметром среднего неприводного валка по срав-
нению с верхним и нижним. Металл в станах трио дви-
жется в одну сторону между нижним и средним, а в
обратную — между средним и верхним валками. Для
подъема прокатываемого металла и задачи его в валки
устанавливают подъемно-качающиеся столы.
Листовые клети трио используют редко, так как
производительность их невелика, а жесткость валковых
узлов мала.
Четырехвалковые (кварто) клети (рис. 228, г) весь-
ма широко применяют при прокатке толстых и тонких
полос, броневых плит. Эти клети имеют два рабочих
валка малого диаметра и два опорных валка большого
диаметра. Нереверсивные клети кварто используют в
непрерывных станах горячей и холодной прокатки, а
реверсивные — в одноклетевых станах горячей и холод-
ной прокатки. Установка опорных валков значительно
повышает жесткость валковой системы.
Шестивалковые клети (рис. 228, <?) с двумя рабо-
чими и четырьмя опорными валками ввиду большой же-
сткости станины и меньшего прогиба опорных валков
служат для холодной прокатки тонких и узких полос в
рулонах с жесткими допусками по толщине. Однако пре-
имущество этих клетей по сравнению с клетями кварто
невелико, а так как их конструкция значительно слож-
нее, то широкого применения они не получили.
Двенадцати- и двадцативалковые клети (рис. 228, е)
имеют два рабочих валка, остальные валки — опорные.
Многовалковые станы весьма жестки. Давление прокат-
ки в них невелико из-за малого диаметра рабочих
валков.
483
Привод валков осуществляется через промежуточные
опорные валки при холостых рабочих и главных опор-
ных валках.
Конструкция многовалковых станов весьма рацио-
нальна, поэтому они успешно конкурируют со станами
кварто и в последние годы широко применяются для
прокатки тонких и тончайших полос и лент, особенно из
труднодеформируемых металлов.
Многовалковые станы не лишены и недостатков, к
которым следует отнести: а) весьма высокие требования
к точности изготовления рабочей клети; б) затруднен-
ный отвод тепла от валковой системы; в) высокие требо-
вания к несущей способности и жесткости подшипников;
г) особые требования к надежности и быстродействию
устройств регулирования профиля валков и др.
Универсальные балочные клети (рис. 228, ж) в отли-
чие от обычных универсальных клетей имеют непривод-
ные вертикальные валки, которые находятся между опо-
рами подшипников горизонтальных валков и в одной
плоскости с последними. Эти станы применяют также
для прокатки высоких двутавровых балок с широкими,
почти параллельными полками.
Клети с косорасположенными валками применяют
для винтовой прокатки и главным образом при произ-
водстве труб. Трубопрокатные прошивные станы при-
меняют для прошивки отверстий в сплошных заготовках
или слитках круглого сечения (рис. 228,з—к), для удли-
нения прошитых трубных заготовок (рис. 228, л) за
счет уменьшения толщины стенки.
В станах с косорасположенными валками прокаты-
ваемый металл вращается относительно своей оси и
одновременно движется поступательно. Между валками
прошивных станов на стержне устанавливают оправку,
на которой прошивается сплошная заготовка при своем
поступательном движении. Тенденция к образованию по-
лости в заготовке сильно облегчает процесс прошивки.
Однако самопроизвольное вскрытие полости недопусти-
мо, так как это приводит к браку.
Кроме рассмотренных конструктивных схем прокат-
ных станов, применяют группу станов специальной кон-
струкции узкого назначения: колесопрокатные, бандаже-
прокатные, кольцепрокатные, шаропрокатные, для про-
катки профилей переменного и периодического сечения
и т. д.
486
Рис. 229. Классификация прокатных станов по числу рабочих клетей и их
расположению:
а — одноклетевые; б — многоклетевые с расположенными на одной линии кле-
тями (линейные станы); в — с последовательно расположенными клетями
(тандем); г — ступенчатые; с? — непрерывные с групповым приводом; е ~~ не-
прерывные с индивидуальным приводом; ж— полунепрерывные; з— последо-
вательно-возвратные (кросс-коунтри); и — шахматные
Существует классификация прокатных станов по чис-
лу рабочих клетей и их расположению (рис. 229).
Основное механическое оборудование кузнечных це-
хов обычно подразделяют по кинематическим и динами-
ческим признакам на четыре группы: I группа — молоты,
которые осуществляют ударную деформацию металла
за счет энергии, накапливаемой падающими частями к
моменту соприкосновения их с заготовкой. Молоты под-
разделяют на пневматические ковочные, паровоздушные
для ковки и штамповки, фрикционные штамповочные и
рычажные ковочные. По характеру действия к этой
группе машин-орудий относят также фрикционные вин-
товые прессы; II группа — гидравлические прессы, объе-
диняющие группу машин с гидравлическим или паро-
гидравлическим приводом, осуществляющих деформа-
цию металла давлением за счет энергии, непрерывно
подводимой в течение всего периода деформации ме-
талла. Эта группа машин в конструктивном отношении
487
весьма разнообразна и имеет широкое распространение;
III группа — кривошипные машины, представляет собой
обширную группу эксцентриковых, коленчатых, кулач-
ковых и коленорычажных машин. Этими машинами
обрабатывают металл давлением в основном за счет
энергии, накапливаемой вращающимися на холостом
ходу деталями (маховиками и др.), и частично за счет
энергии, подводимой в процессе деформации. Применя-
ют кривошипные машины для разнообразных штампо-
вочных операций, некоторые типы машин используют и
для ковки; IV группа — ротационные машины объеди-
няет различные штамовочные механизмы с вращаю-
щимся рабочим инструментом. Энергия, расходуемая на
деформацию металла, подводится в течение всего перио-
да обработки металла.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
В основе обработки металлов давлением лежит про-
цесс пластической деформации, при котором изменяет-
ся форма без изменения массы. Все расчеты размеров и
формы тела при обработке давлением основаны на зако-
не постоянства объема, суть которого заключается в
том, что объем тела до и после пластической деформации
принимается неизменным: Vi = V2=const (Vi и Уг —
объемы тела до и после деформации).
Изменение формы тела может происходить в направ-
лении трех главных осей; при этом каждая точка стре-
мится перемещаться в том направлении, в котором
создается наименьшее сопротивление ее перемещению.
Это положение в теории обработки металлов давлением
носит название закона наименьшего сопротивления.
При свободном формоизменении тела в различных
наиоавлениях наибольшая деформация происходит в
том направлении, в котором большинство перемещаю-
Рис. 230. Валок с поперечными (а) и круговыми (б) на-
сечками
488
щихся точек встречает наименьшее сопротивление свое-
му перемещению.
Так, например, если при прокатке в двух валках с
поперечными насечками (рис. 230, а) течение металла
вдоль оси прокатки сдерживается, а в поперечном нап-
равлении увеличивается, то при круговых насечках
(рис. 230, б) будет наблюдаться обратное явление.
Другим примером действия закона наименьшего со-
противления может служить превращение квадратного
сечения (или любого другого) образца при его осажи-
вании в круговое (рис.
периметра при осаживании.
Законы постоянства
объема и наименьшего
сопротивления распро-
страняются на все спосо-
бы обработки металлов
давлением.
. Это правило наименьшего
Рис. 232. Очаг деформации при
прокатке
Рис. 231. Схема осадки пря-
моугольного образца
Любой процесс обработки металлов давлением ха-
рактеризуется очагом деформации и коэффициентами
деформации. На рис. 232 показан очаг деформации при
продольной прокатке. Разность высоты прокатываемой
заготовки до и после прокатки называется линейным или
абсолютным обжатием: Д/г=/г0—h\.
Отношение этой величины к первоначальной высоте
сечения прокатываемой заготовки называется относи-
тельным обжатием: (й0—/ii)//io=A^//io,
489
Разность ширин сечений прокатываемого металла
после прокатки и до прокатки называется уширением:
&b = bi — b0.
Как видно из рис. 232, металл при прокатке подвер-
гается деформации на некотором участке, который поме-
ре вращения валков перемещается по прокатываемому
металлу. Этот участок называется поясом деформации
и определяется дугой АВ, по которой валок соприкаса-
ется с прокатываемым металлом.
АВ называется дугой захвата, а угол а, образован-
ный двумя радиусами, проведенными из центра валка в
точки А и В,— углом захвата, который при данном ли-
нейном обжатии можно определить из уравнения (Ло—
hl)/2=R—7? cos a:cos a=l—(h0—ht)/2R.
Длина дуги захвата lR=nRa°/180°.
При малых углах захвата (<20°) дуга захвата мо-
жет быть приравнена хорде, и тогда уравнение примет
вид, более удобный для практического пользования.
Как видно из рис. 232, ДАВСсоДАВЕ, следовательно,
АВ1ВС=ВЕ1АВ, тогда (АВ)2=ВЕУ^ВС, т. е.
(АВ)* = 2R (h0 — hj)/2 и АВ = /7? (й0 —М»
атак как h0—h\=Nh, то АВ=lR=]/ R&h.
Процесс прокатки обеспечивается трением между
металлом и валками. В момент захвата металла со сто-
роны каждого валка будут действовать на металл две
силы (без учета инерционных сил): нормальная сила
N и касательная сила трения Т (см. рис. 233). Для то-
го чтобы произошло втягивание металла в зев валков,
необходимо соблюдение условия
2ТХ > 2NX или Т cos a > N sin a.
При этом условии результирующая сила Р будет на-
правлена в сторону движения металла. Сила трения Т
равна нормальной силе /V, умноженной на коэффициент
трения ц, причем отношение силы трения к нормальной
силе равно тангенсу угла трения р, т. е.
Т — pTV, а TIN = tg р = ц.
Следовательно, условие захвата можно переписать в
виде 2pJVcos а>2М sin и или p>tga, т. е. tgp>tga и
окончательно р>а.
За счет обжатия валками длина прокатываемого ме-
талла ввиду постоянства его объема будет увеличивать-
490
ся. Отношение длины (/i) металла после выхода из вал-
ков к первоначальной длине (/0) называется вытяжкой:
X=Zi//0. Практически за один проход Х==1,1—1,6, но в
некоторых случаях
По высоте полоса также изменяет свои размеры;
обозначим коэффициент деформации по высоте или
коэффициент уменьшения высоты y=/ii/Zio, а коэффици-
ент деформации по ширине или коэффициент уширения
^=bi/bQ.
Рис. 234. Схема осаживания ци-
линдра
Определим взаимосвязь рассмотренных коэффициентов дефор-
мации. Из условия постоянства объема можно записать
Vo = Ц = h0 b0 l0 = hi bi li = const.
Обозначим площади поперечного сечения полосы до и после про-
катки соответственно Fo=hobB и Fi—hibi, тогда
Fo lo = Л 11 или Fq/Fi =х li/l0 = Л,
Следовательно, отношение площадей поперечного сечеиия поло-
сы обратно пропорционально длинам.
Из уравнения ftoWo=ftit>iZi можно записать hi/hB=bBlB/bih^=y
и bi/bB=hBlB/hili = $.
И, наконец, ftibiZi/ftoMo=l или Ху(3 = 1, т. е. произведение коэф-
фициентов деформации по высоте, ширине и длине равно единице.
Из последнего уравнения можно записать Х=1/у(3. При прокатке в
некоторых случаях можно пренебречь явлением уширения, т. е. счи-
тать Z>o=Z>i и p=6i/6o=l, тогда
X = 1/у или X = ho/hi-
Вытяжка в этом случае равна обратной величине коэффициента
уменьшения высоты и будет выражаться отношением площадей или
отношением соответствующих высот.
401
Рассмотрим понятие о смещенном объеме и скорости деформа-
ции. Для этого используем основное уравнение закона постоянства
объема уРЛ=1. Логарифмируя последнее уравнение, получим 1пу+
+1п Р + 1п >.=0, т. е. сумма натуральных логарифмов коэффициентов
деформации по всем трем направлениям равна нулю.
Геометрический смысл последнего уравнения заключается в том,
что уменьшение высоты вызовет увеличение длины и ширины. Если
смещение по высоте обозначить отрицательным знаком (высота
уменьшается), а по длине и ширине положительным (и та, и другая
увеличиваются), то алгебраическая сумма смещений, взятых по всем
направлениям, будет равна нулю.
Сопоставляя эти рассуждения с нашим уравнением, можно за-
ключить, что натуральный логарифм коэффициента деформации в
каком-либо направлении представляет собой удельный смешенный
объем в том же направлении, а сумма таких удельных объемов, взя-
тых по всем направлениям, равна нулю.
Для подтверждения рассмотрим случай сжатия цилиндра под
молотом или прессом (рис. 234).
При деформации цилиндра на бесконечно малую величину dh
смещенный объем будет dVn=Fdh (F—V[h— площадь сечеиия).
Так как объем цилиндра неизменен: V=const, то dV^=V(dh/h).
Интегрируя последнее уравнение, получим
«1
а так как Ло/Л1 = 1/у, то полный смещенный объем можно выразить
так: Ед = V 1п (1/у), тогда удельный смещенный объем составит
Ед/Е = 1п(1/т) = 1пХ.
Смещенный объем служит также и мерой скорости деформации,
под которой обычно подразумевается отношение удельного смещен-
ного объема к промежутку времени, в течение которого смещается
этот объем. Если обозначить удельный смещенный объем через In е,
а время смещения этого объема в секундах через t, то скорость де-
формации можно выразить следующей формулой:-
с>деф=1пеД, с-1.
Особенности пластического деформирования металлов
при различных температурах рассмотрены в гл. 4 раз-
дела П.
В результате холодного пластического деформиро-
вания образуется волокнистая структура, металл полу-
чает состояние наклепа. Его прочность и твердость по-
вышаются, а пластичность и вязкость понижаются, т. е.
происходит упрочнение (нагартовка) и охрупчивание
металла.
Для обработки давлением существенно то, что с
увеличением степени пластической деформации пре-
дел текучести возрастает быстрее, чем временное соп-
402
ротивление; при этом процесс упрочнения наиболее ин-
тенсивно протекает при степени деформации примерно
до 30% (рис. 235). При степени деформации 80—90%
пластичность металла снижается настолько, что даль-
нейшая обработка давлением становится затруднитель-
ной и может привести к разрушению. Свойства накле-
панного металла восстанавливаются при его нагреве.
Как показано на рис.
88 (с. 198), при невысоком
нагреве происходят про-
цессы возврата, приводя-
щие к некоторому сни-
жению прочности и уве-
личению пластичности.
Полное восстановление
исходных механических
свойств металла проис-
ходит в результате ре-
кристаллизации — про-
цесса образования и ро-
ста новых зерен при на-
греве до /рек —а/дл, (где
/рек и /пл — абсолютные
температуры начала ре-
кристаллизации и плав-
ления, К). Для углеро-
дистых сталей а=0,4 и
/Рек=550—650° С. При
образовании крупных зе-
рен в процессе рекрис-
таллизации прочность и в
Рис. 235. Зависимость механических
свойств углеродистой стали 08кп от
степени деформации:
1 — твердость НВ; 2 — ов; 3 — с о,2
4 — 6
особенности пластичность ме-
талла снижаются. Величина зерна зависит от многих
факторов: температуры, продолжительности нагрева,
степени предварительной пластической деформации и
т. д. Критическая степень деформации, после которой
происходит сильный рост зерен, для малоуглеродистой
стали составляет примерно 10%.
В реальных условиях деформации в широком интер-
вале температур процессы разупрочнения могут проте-
кать одновременно с процессом упрочнения. В зависи-
мости оттого, в какой степени при деформировании успе-
вают протекать процессы разупрочнения, различают:
1) холодную пластическую деформацию, если она
не сопровождается процессами возврата и рекристалли-
493
Рис. 236. Зависимость истинного сопротивления деформации легированной ста-
ли Х18Н9Т от температуры, степени и скорости деформации:
/ —Е=10%; 2 — 20%; 2 — 40%
зации, а степень упрочнения при деформировании по-
степенно возрастает;
2) неполную холодную пластическую деформацию,
при которой происходит только процесс возврата, сте-
пень упрочнения меньше, чем при холодной деформации;
3) неполную горячую пластическую деформацию,
при которой успевают пройти возврат и частично рекри-
сталлизация, причем степень упрочнения оказывается
еще меньше;
4) горячую пластическую деформацию, при которой
успевают пройти все основные процессы разупрочне-
ния— возврат и рекристаллизация без заметного упроч-
нения деформируемого тела.
Для подсчета усилий горячей деформации металлов
и их сплавов необходимо знать величину истинного со-
противления деформации при соответствующих темпе-
ратурах, скоростях и степенях деформации.
Истинное сопротивление деформации — напряжение,
определяемое как отношение усилия растяжения к пло-
щади действительного поперечного сечения образца в
данный момент деформации,
494
Величину истинного сопротивления деформации оп-
ределяют на специальных установках — пластометрах,
позволяющих одновременно измерять основные пара-
метры: температуру, степень и скорость деформации.
На рис. 236 представлен график изменения истинно-
го сопротивления деформации в зависимости от основ-
ных термомеханических параметров: температуры, сте-
пени и скорости деформации.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ
ИЗ ТЕОРИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛОВ
Физическая сущность пластической деформации ме-
таллов рассмотрена в гл. 4 раздела II. На примере од-
ноосного растяжения стержня было показано, что при
любом виде нагружения в материале возникают напря-
жения нормальные Sn==S0 cos2 а и касательные т=0,5 So
X sin 2а, схема действия которых показана на рис. 237.
В сечении Fo (при а=0) возникают максимальные
нормальные напряжения S„max =S0=P/F0, касательные
напряжения т=0.
Максимальные касательные напряжения Ттах=0,5
So=O,5 Snmax возникают в сечении F] при а=45и.
Площадки, по которым касательные напряжения не
действуют, называют главными площадками, а нор-
мальные напряжения, действующие по этим площад-
кам,— главными напряжениями.
Нами рассмотрен простой случай
растяжения в осевом направлении.
Однако в большинстве случаев мате-
риал подвергается растяжению или
сжатию по двум и трем направлени-
ям, т. е. находится в сложном напря-
женном состоянии. В теории упруго-
сти показано, что в каждой точке лю-
бого напряженного тела можно про-
вести три взаимно перпендикулярные
главные площадки, через которые пе-
редаются три главных нормальных
напряжения: <7i^g2^g3.
В каждой точке напряженного те-
ла можно выделить элементарный
кубик, гранями которого служат
Рис. 237. К определе-
нию напряжений на
наклонной площадке
495
главные площадки, по которым действуют три взаимно
перпендикулярных главных напряжения.
Рис. 239. Возможные схемы
деформации (по С. И. Губ'
кину)
В случае простого растяже-
ния (до образования шейки на
образце) одна главная площад-
ка в каждой точке перпендику-
лярна к оси стержня (а=0), а
две другие параллельны этой
оси (а=90°). В этом случае
только одно из трех главных на-
пряжений не равно нулю и на-
правлено параллельно растяги-
вающей силе; такое напряжен-
ное состояние называется ли-
нейным (Л).
Если материал подвергается
растяжению или сжатию по
двум взаимно перпендикуляр-
ным площадкам, то такой слу-
чай называется плоским напря-
женным состоянием (П).
Если же все три главные на-.
496
пряжения не равны нулю в рассматриваемой точке,
то имеет место схема объемного напряженного состо-
яния (О).
На рис. 238 показано девять возможных схем на-
пряженного состояния. С помощью таких схем напря-
женного состояния определяется пластичность метал-
ла— его состояние, зависящее не только от химическо-
го состава и других внутренних факторов, но и от схе-
мы напряженного состояния, т. е. от способа деформи-
рования (см. разд. II, гл. 3).
На рис. 239 показаны три основные схемы деформа-
ций. В первом случае (схема Di) металл поступает в
одном направлении, а уходит в двух направлениях.
Во втором случае (схема £)ц) металл поступает в
одном направлении, а уходит в другом. В третьем слу-
чае (схема £>щ) металл поступает по двум направле-
ниям, а уходит в одном направлении.
Все эти три схемы взаимосвязаны и при этом воз-
можен переход от одной схемы к другой в процессе де-
формирования. Так как число схем деформаций три, а
схем напряженного состояния девять, то одна и та же
схема деформации может быть осуществлена при раз-
личных схемах напряженного состояния.
Примером использования схемы Di может служить
прокатка узкой полосы, прокатка же широкой полосы
проходит по схеме Од. Характерным примером исполь-
зования схемы £>ш является протягивание металла че-
рез очко.
Поясним влняине различ-
ных схем напряженного со-
стояния при одной и той же
схеме деформации £>ш опы-
том, проведенным С. И. Губ-
киным. Медный образец, по-
казанный на рис. 240, закла-
дывали в матрицу и при рас-
тягивающем усилии 1050 кгс
подвергали волочению. Затем
осуществляли прессование,
увеличив усилие деформиро-
вания, в силу необходимости
до 3530 кгс. Очевидно, меха-
нические свойства образца при
первом и втором нагружениях
ие изменялись, следовательно,
Рис. 240. Влияние напряженного еосто-
яния на сопротивление деформации
(по С. И. Губкину)
сопротивление деформации за-
висит от схемы напряженного
состояния.
32—481
497
Сопротивление деформации зависит также от тем-
пературы и скорости деформации (см. рис. 236).
Теория предельного состояния устанавливает зави-
симость между пределом текучести и напряжениями в
металле при его пластической деформации.
В случае простого линейного растяжения или сжа-
тия пластическая деформация начинается при oi=oT.
При сложном напряженном состоянии, когда о2,
tr3y=0, вопрос о величине напряжений, возникающих
при пластической деформации, может быть разрешен
только лишь с помощью теорий предельного состояния.
Существуют четыре теории предельного состояния.
Ввиду того, что теории наибольших нормальных напря-
жений и наибольших деформаций устарели, рассмотрим
лишь третью и четвертую теории.
Согласно третьей теории предельного состояния,
пластическая деформация наступает, когда разность
двух главных нормальных напряжений достигает от де-
формируемого металла, т. е. выполняется условие плас-
тичности: ci—оз=от. Эта теория не учитывает влияния
среднего главного нормального напряжения о2. Четвер-
тая, энергетическая, теория предельного состояния раз-
работана Губером, Мизесом и Генки.
Согласно этой теории, пластическая деформация в
теле наступает, когда потенциальная энергия упругой
деформации, направленной на изменение формы тела,
а не объема, достигает определенного значения.
Потенциальная энергия упругой деформации А=Ао+Лф (Ао—
потенциальная энергия, которую необходимо накопить в материале
для изменения его объема; Аф — потенциальная энергия, которую
необходимо накопить в материале для изменения формы тела).
При объемной схеме деформирования металла упругая дефор-
мация идет по трем направлениям, и полная потенциальная энергия
выражается уравнеинем
А = (Ct ei + о2 е2 + е3)/2.
Так как относительные деформации по закону Гука равны
ei = [от — Ц* (о2 + as)]/E-,
е2 = [а2 — Ц (oi + cs)]/E; е3 = [сг3 — ц (сг2 + crJJ/f,
то полная потенциальная энергия составит
А = [of + О'г + °з — (ст1 ст2 + а2 аз + <т3 ст1)] Л2£) •
* Коэффициент Пуассона для всех известных материалов
= (Д£>/£>)/(Д//0 <0,5.
498
Приращение объема тела при упругой деформации равно сумме
деформаций в трех взаимно перпендикулярных направлениях, т. е.
ДУ/У = -j- е2 -j- е3 = 1 — 2[i (Cj + о2 + о3)/Е.
Потенциальная энергия изменения объема равна половине про-
изведения приращения объема на среднее напряжение, т. е.
Ао = 0,5 (AV/V) (<7j -|-о2 “г Сд)/3 — (<^1 + о2 + о3)2 (1 2р)/(6£).
Пользуясь рассмотренными уравнениями, находим удельную по-
тенциальную энергию, направленную на изменение формы тела:
Аф = А — Ао = [(<7! — о2)2 + (о2—о3)2+(с3 — Oj)2] (1 + Р) /(6£).
На основании многочисленных опытов установлено, что удельная
потенциальная энергия изменения формы при пластической дефор-
мации является величиной постоянной, не зависящей от схемы на-
пряженного состояния при деформации, т. е.
Аф = Аф.лин.
Таким образом, при линейной схеме деформации, когда с2=0 и
Оз=0, уравнение примет вид
лФ.лин = 2^(1+в)/6£.
И, следовательно, уравнение пластичности
(ст1 - ст2)2 + <а2 ~ °з)2 + (стз - ст1)2 = 2стт = “nst,
Из формулы ясно, что сумма квадратов разностей главных нор-
мальных напряжений при схеме объемной деформации (как и при
любой другой схеме деформации) есть величина постоянная, равная
удвоенному квадрату предела текучести материала при данных ус-
ловиях деформации.
Сравним теперь третью и четвертую теории предельного состоя-
ния. Для этого преобразуем уравнение пластичности для случаев
о2=о3 и Gi=ai. В обоих случаях получим, что
<71 О3 = От,
т. е. в этих случаях третья и четвертая теории дают одинаковый ре-
зультат. Для случая же, когда а2= (ai+a3)/2, уравнение пластично-
сти примет вид
О] — о3 = (2/ )/з ) от = 1,15от.
Таким образом, следует, что среднее главное нормальное на-
пряжение оказывает незначительное влияние на предельное состоя-
ние (не более чем на 15%) и что третья теория предельного состоя-
ния является частным случаем четвертой теории при 02=0! и о2=о3.
Поэтому энергетическую теорию пластичности можно выразить
более простым уравнением
<71 — о3 = Рот.
Коэффициент Р в зависимости от значения о2 изменяется от I
до 1,15.
Уравнение пластичности имеет весьма большое зна-
чение при определении усилий, требующихся в различ-
ных случаях обработки металлов давлением.
32*
498
НАГРЕВ МЕТАЛЛА
При горячей деформации пластические свойства ме-
талла выше, а сопротивление деформации ниже, чем
при холодной деформации, поэтому горячая деформа-
ция сопровождается меньшими энергетическими затра-
тами, чем холодная. Вследствие этого холодную дефор-
мацию применяют только в том случае, если горячая
деформация неприменима.
Нагрев металла при обработке давлением влияет на
качество и стоимость продукции. Основные требования
при нагреве металла: необходим равномерный прогрев
слитка или заготовки по сечению и длине до соответст-
вующей температуры за минимальное время с наи-
меньшей потерей металла в окалину и экономным рас-
ходом топлива. Неправильный нагрев металла вызыва-
ет различные дефекты: трещины, обезуглероживание,
повышенное окисление, перегрев и пережог.
Температуру начала и конца горячего деформирова-
ния определяют в зависимости от температуры плавле-
ния и рекристаллизации, т.е. начальная температура
должна быть ниже температуры плавления, а конеч-
ная— выше температуры рекристаллизации. Так, на-
пример, для углеродистой стали температуру начала
горячего деформирования выбирают по диаграмме со-
стояния железо — углерод (рис. 241) на 100—200° С
ниже температуры начала плавления стали заданного
химического состава, а температуру конца деформиро-
вания углеродистых сталей принимают на 50—100° С
выше температуры рекристаллизации или определяют
по эмпирической формуле /я = 100 (9,1—1,1С)°С, где
С — содержание углерода в процентах.
Наибольшую температуру нагрева стали с содержа-
нием 0,1% С принимают равной 1350° С, 0,2% С 1270—
1250° С, 0,6% С 1200—1180° С, 1% С 1120—1100° С.
Прокатка большинства марок углеродистой стали
начинается при 1200—1150° С и заканчивается при
950—900° С, т. е. нормальный перепад температур со-
ставляет 300—250° С; возможны и отклонения; при про-
катке тонких листов на непрерывных станах перепад
температур может достигать 350° С и, наоборот, при
прокатке легированных сталей с повышенным сопро-
тивлением деформации температурный интервал горя-
чей деформации уменьшается до 200—150° С. Медь на-
500
чинают ковать при 1000° С и заканчивают при 800° С, а
температурный интервал ковки бронзы (БрАЖ9-4)
900—700° С.
Таким образом, продолжительность и температуру
нагрева для различных металлов и сплавов устанавли-
вают с учетом изложенных соображений и на основа-
нии практических
данных и принято-
го технологическо-
го процесса дефор-
мирования.
Заготовки и сли-
тки перед обработ-
кой давлением на-
А±
Ш П 3 I
Рис. 242. Нагревательные печи:
а — камерная; б — методическая [/ — подогре-
вательная зона (600—800° С); II— зона макси-
мального нагрева (1250—1350° С); /// — зона
выдержки]; I — под печи; 2 — заготовки; 3 —
горелкн; 4 — окно для загрузки и выгрузки
заготовок; 5 — окно для выдачи заготовок;
6 — дымоход; 7 — толкатель
Рис. 241. Температурный ин-
тервал обработки давлением
углеродистой стали
гревают в горнах или в печах. Горны отличаются от на-
гревательных печей небольшими размерами, отаплива-
ются каменным углем или коксом, металл нагревается
в них при непосредственном контакте с топливом. Ис-
пользуют горны для нагрева мелких заготовок при руч-
ной ковке.
Печи для нагрева заготовок подразделяют на пламен-
ные и электрические, а по распределению температуры —
на камерные и методические (рис. 242). В камерных пе-
чах— печах периодического нагрева — температура оди-
накова по всему рабочему пространству. Методи-
ческие печи с постоянно повышающейся темпе-
501
ратурой рабочего пространства от места загрузки
заготовок к месту их выгрузки являются высо-
копроизводительными печами непрерывного нагрева.
Металл в этих печах нагревается постепенно,
методически, по мере продвижения заготовки от
места загрузки к месту выгрузки. Методические печи
применяют в прокатных и кузнечно-штамповочных
цехах, а также для нагрева слитков из цветных
металлов и сплавов. Крупные слитки перед про-
каткой на обжимных станах нагревают в нагрева-
тельных колодцах, являющихся разновидностью камер-
ных печей.
Любая нагревательная печь состоит из следующих
основных частей: металлического каркаса с кладкой из
огнеупорного кирпича, образующей рабочую камеру
печи; топки, горелок или форсунок для подачи и сжига-
ния топлива; дымоотводящих каналов и рабочих окон
для загрузки и выгрузки металла, прикрываемых подъ-
емными дверцами. Обычно печь оснащают также вспо-
могательными механизмами для открывания и закрыва-
ния дверей печи, устройствами и приспособлениями для
загрузки и выгрузки тяжелых заготовок, а методические
печи — механизмами для проталкивания заготовок. Для
повышения экономичности работы печи применяют теп-
лообменные аппараты — рекуператоры и регенераторы,
с помощью которых используют тепло отходящих газов
для подогрева воздуха и горючих газов, вдуваемых в
печь.
Топливом для печей служат мазут и газ. Основное
условие полного сжигания топлива это хорошее смеше-
ние его с воздухом. В обычных пламенных печах, работа-
ющих с избытком воздуха, атмосфера всегда окислитель-
ная, что вызывает значительное образование окалины
стали при нагреве. Безокислительный нагрев осущест-
вляют при неполном сжигании топлива, т. е. при расходе
воздуха, равном 60% от теоретического значения, и подо-
греве воздуха до 800—1000° С. В результате такого сжи-
гания топлива в атмосфере печи появляются газы-восста-
новители СО и Hj, препятствующие окислению нагревае-
мой стали.
Современные нагревательные печи оснащены
различными приборами и автоматическими системами
регулирования тепловым режимом работы печей, благо-
даря чему повышено качество нагрева металла, увеличе-
502
на производительность, снижен расход топлива и улуч-
шены условия труда.
Для нагрева заготовок и слитков используют также
электрические печи и устройства. Электронагрев — про-
грессивный метод, имеющий ряд преимуществ по сравне-
нию с пламенным нагревом. Электронагрев наиболее
широко используют в кузнечном производстве. Основные
виды электронагрева: индукционный, контактный и в
печах сопротивления.
Сущность индукционного нагрева в том, что через
индуктор — катушку из витков медной трубки, в которой
циркулирует вода для охлаждения, пропускают перемен-
ный ток повышенной или обычной промышленной часто-
ты. В результате вокруг витков катушки возникает пере-
менное магнитное поле индукции. Если в индуктор поме-
стить стальную заготовку, то в ней возникнут вихревые
токи, быстро нагревающие металл до требуемой темпе-
ратуры.
При контактном нагреве к концам заготовки через
медные контакты-зажимы подводят переменный ток в
десятки тысяч ампер, напряжением от 2 до 15 В.
Электропечи сопротивления оборудованы металличе-
скими спиралями из нихромовой ленты или карборундо-
выми нагревателями, через которые пропускают ток.
Тепло от нагревателей передается нагреваемым заготов-
кам и стенкам печи. В таких печах температура не пре-
вышает 1000° С, их применяют для нагрева заготовок из
цветных металлов.
ОСНОВЫ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
СОРТАМЕНТ ПРОКАТНОЙ ПРОДУКЦИИ
И КАЛИБРОВКА ВАЛКОВ
Сортамент прокатного стана — совокупность профи-
лей (по форме поперечного сечения) и их размеров, кото-
рые можно получить прокаткой на данном стане. В на-
шей стране почти все изделия, изготовляемые прокаткой,
стандартизованы.
В стандартах приведены размеры, площадь попереч-
ного сечения и масса погонного метра профиля, а также
503
допускаемые отклонения от номинальных размеров.
В стандартах на профили (балки, швеллеры, уголки и
т. д.), применяемые для изготовления различных конст-
рукций, кроме размеров площади поперечного сечения и
массы одного погонного метра, приведены также спра-
вочные величины: момент сопротивления, момент инер-
ции, радиус инерции и др.
Рис. 243. Сортамент прокатной продукции:
/ — круг; 2 — квадрат; 3 — шестигранник; 4 — полоса; 5 — лист; 6 — сегмент-
ная сталь; 7 — овальная сталь; 8 — трехгранная сталь; 9— равнобокий уголок;
10 — иеравнобокий уголок; // — тавровая балка; 12— швеллер; 13 — двутавро-
вая балка; 14 — рельс
Во всех стандартах приведены также допускаемые
отклонения по длине и по ширине проката, длина постав-
ляемых полос. Кроме ГОСТов на сортамент, имеются так-
же ГОСТы на технические условия, включающие требо-
вания в отношении химического состава стали, механиче-
ских свойств, поверхности прокатываемого металла, ма-
кро- и микроструктуры стали, правил приемки, методов
испытания, маркировки и т. д.
Все прокатные изделия в зависимости от их формы
можно разделить на четыре основные группы: а) сорто-
вую сталь; б) листовую сталь; в) трубы; г) специальные
виды проката.
На рис. 243 приведен основной сортамент сортовой и
листовой стали. Сортамент сортовой стали весьма обши-
рен,, так как ее используют в самых различных отраслях
504
народного хозяйства для изготовления машин, станков,
стальных конструкций и т. д.
В зависимости от назначения сортовую сталь можно
разделить на профили общего и специального назна-
чения.
К профилям массового потребления относят круглую,
квадратную и полосовую сталь, угловую сталь, швел-
леры, двутавровые балки и т. д. К профилям специаль-
ного назначения относят рельсы и профили, применяе-
мые в автотракторостроении, строительстве, вагоностро-
ении и других отраслях народного хозяйства.
Листовую сталь разделяют на две основные группы в
зависимости от толщины листов. Листы толщиной более
4 мм относят к толстолистовой стали, а менее 4 мм — к
тонколистовой. При этом различают следующие виды
листовой стали: котельную, судостроительную, электро-
техническую, жесть, декапированную, кислото- и жаро-
прочную, броневую и т. д.
Качественную характеристику стали определяют по
химическому составу, механическим свойствам, структу-
ре, применению и назначению для дальнейшей обработки
и, наконец, методу выплавки.
Исходным материалом при прокатке различных про-
филей являются слитки или заготовки большей частью
квадратного или прямоугольного сечения. Размер этого
сечения принимают значительно больше окончательно
готового профиля и поэтому, как правило, последний
почти никогда не удается получить сразу в один проход
между валками. Поэтому прокатку проводят в несколько
проходов. В каждом проходе площадь сечения прокаты-
ваемого металла уменьшается, при этом форма и разме-
ры ее постепенно приближаются к требуемому профилю.
Прокатку листов и полос проводят в так называемых
гладких валках. В этом случае уменьшение толщин про-
катываемого металла в каждом проходе достигается со-
ответствующим сближением валков.
Прокатку сортового и фасонного металла, например
квадрата, круга, рельса или швеллера, осуществляют в
калиброванных или ручьевых валках, т. е. в валках, на
рабочей поверхности которых сделаны углубления, назы-
ваемые ручьями, соответственно требуемой форме прока-
тываемого изделия. Просвет, образованный между двумя
этими углублениями, сделанными на обоих валках, сов-
местно с зазором между валками называется калибром.
505
Калибровкой профиля называется система последо-
вательно расположенных калибров, обеспечивающая
получение готового профиля заданных размеров. Опре-
деление размеров этих калибров для различных профи-
лей и является основной задачей калибровки прокат-
ных валков.
Прокатываемый металл при проходе через калибр
будет принимать форму этого калибра только при вы-
полнении основных правил калибровки. В противном
случае прокатываемый металл или не заполнит весь ка-
либр, тогда размеры профиля не будут соответствовать
требуемым, или, наоборот, переполнит калибр и тогда
неизбежно на краях профиля появятся заусенцы. Кроме
того, при несоблюдении указанных условий в прокаты-
ваемом металле могут возникать значительные напряже-
ния, которые вызывают образование трещин или других
видов брака.
Все виды калибров, применяемые при прокатке, мож-
но разделить на следующие основные четыре типа:
1) обжимные или вытяжные калибры, предназначенные
для уменьшения площади сечения прокатываемого метал-
ла; 2) черновые или подготовительные калибры, в кото-
рых наряду с дальнейшим уменьшением площади сечения
полосы осуществляется грубая обработка профиля с по-
степенным приближением его размеров и формы к конеч-
ному сечению; 3) предотделочные или предчистовые ка-
либры, предшествующие чистовым; 4) отделочные или
чистовые калибры, придающие профилю окончатель-
ный вид.
Форма и размеры этих калибров обычно почти пол-
ностью совпадают с формой и размерами конечного
продукта.
По способам вреза в валки калибры подразделяют на
открытые и закрытые. В тех случаях, когда линии разъ-
ема валков находятся вне пределов калибра, он называ-
ется закрытым, в противоположном случае калибр назы-
вается открытым. Для получения одного и того же про-
филя могут применяться как открытые, так и закрытые
калибры. Примеры такого применения калибров показа-
ны на рис. 244. Следует отметить, что по форме обжим-
ные калибры бывают прямоугольные (ящичные),
стрельчатые, ромбические, овальные и квадратные
(рис. 245).
. Промежутки между ручьями в теле валка называются
506
буртами. Глубина вреза ручьев в валки делается с таким
расчетом, чтобы между их буртами оставался некоторый
зазор. При плотно соприкасающихся валках до прокатки
расширение их от нагрева вызвало бы износ буртов, а
также чрезмерное давление в подшипниках и лишний
расход энергии на преодоление трения между валками и
в подшипниках.
С другой стороны, вследствие давления прокатывае-
мого металла на валки все детали рабочей клети упру-
Рис. 244. Применение закрытых (а) и
открытых (б) калибров для получения
одного и того же профиля
Рис. 245. Обжимные калибры:
а — прямоугольные (ящичные)!
б — стрельчатые; в — ромбиче*
ские; г — овальные; д — квад-
ратные
го деформируются и зазор между валками увеличивает-
ся. Общая величина этих деформаций называется отда-
чей или игрой валков. В зависимости от типа стана игра
валков колеблется от 1 до 10 мм.
Чертеж калибра должен отображать его форму и
размеры в момент прохождения металла через валки.
Поэтому на чертеже зазор между буртами валков дол-
жен, по меньшей мере, равняться сумме отдачи валков
и допускаемого износа калибра.
Боковые стенки калибра обычно делают наклонными,
тангенс угла наклона ф называют выпуском (рис. 246).
Если обозначить максимальную ширину калибра через
Вк, минимальную через Ьк и угол наклона боковых сте-
нок через ф, то величина выпуска определится ра-
венством: tg^=0,5(BK—bK)/hp, где hp — высота ручья
калибра.
Для разных типов калибров выбирают различную
величину выпуска, обычно ее выражают в процентах от
507
глубины ручья. Так, например, выпуск обжимных ка-
либров 5—10%, черновых 2—4%, отделочных 1—1,5%.
Наклоном боковых стенок калибра обеспечивают
удобную и правильную подачу заготовки в валки — точ-
но по центру калибра и легкий выход полосы из калиб-
ра. По мере срабатывания калибра с выпуском валки
можно перетачивать с сохранением размеров калибра
(рис. 247).
Рис. 246. Выпуск калибра
Рис. 247. Обточка калибра:
а — с вертикальными боковыми стен-
ками; б—с наклонными боковыми стен-
ками
В калибре с выпуском прокатываемый металл имеет
некоторый простор для уширения. В целях увеличения
продолжительности службы валков и упрощения рабо-
ты на стане всегда стремятся к максимальному увели-
чению выпуска калибров, учитывая лишь допустимые
пределы искажения профиля.
Парные валки, п которых нарезаются калибры, обыч-
но имеют неодинаковый диаметр. Разность диаметров
валков (в мм) условно называют «давлением» валков.
При одинаковом числе оборотов валков давление вызы-
вает различие в скоростях выхода из калибра верхних
и нижних частей полосы, вследствие чего она получает
изгиб в сторону валка с меньшим диаметром.
Нижнее давление ~ 10 мм применяют главным об-
разом на блюмингах для предотвращения удара выхо-
дящей полосы о первые ролики рольганга. Сортовой ме-
талл в основном прокатывают с верхним давлением,
равным в клетях дуо 2—6 мм.
Исключительно важное значение имеет расположе-
ние калибров в валках (рис. 248). В целях предупрежде-
ния возникновения напряжений в металле, а также уда-
ра калибр должен быть врезан так, чтобы воздействие
608
верхнего и нижнего валков на прокатываемую полосу
было примерно одинаковым. Поэтому естественным яв-
ляется такое расположение калибров, при котором они
находятся посередине между осями верхнего (Ов—Ов)
и нижнего (Ои—Он) валков. Линия Л В, делящая рас-
стояние между осями валков пополам, называется сред-
ней линией валков. Линия ЛП, на которой располагают-
ся калибры, обычно назы-
вается линией прокатки.
Если диаметры верхнего и
нижнего валков равны, то
линия прокатки совпадает
со средней линией валков.
Если же диаметры валков
не одинаковы (при верх-
нем или нижнем давле-
нии), линия прокатки сме-
щается (соответственно
ниже или выше средней ,
ние между линией прокатки
Рис. 248. Схематичное расположе-
ние калибра в валках
инии валков). Расстоя-
и средней линией валков
при верхнем давлении
5 = (£>-£>н)/2,
а так как DB=D—т/2,
где m—DB—DK — величина
верхнего давления, то
S = [£> — (£> - щ/2)]/2 = т/4.
В каждом калибре есть нейтральная линия. Для сим-
метричных профилей, к которым относится большинство
простых профилей — прямоугольных, полосовых, оваль-
ных и т. д., нейтральной линией калибров служит их го-
ризонтальная ось симметрии. Определение положения
нейтральной линии сложнее в несимметричных калиб-
рах, к которым относятся фасонные профили. По одно-
му из наиболее распространенных методов нейтральная
линия фасонных калибров проводится через их центр
тяжести, который сравнительно просто определяется.
Рабочими диаметрами валков называют диаметры
валков по рабочим поверхностям калибров. На гладких
валках рабочие диаметры равны фактическим диамет-
рам валков. В прямоугольных калибрах рабочие диа-
метры соответствуют диаметрам дна калибров.
Если обозначить высоту калибра через Л, глубину дна ручья
верхнего валка от линии прокатки через hB, а нижнего ЛН1 то h=
=hB+hB u рабочие диаметры будут
de = £>в — 2ftH; dB = DB — 2hB.
509
В калибрах с негоризонтальными рабочими поверхностями ра-
бочие или, как их обычно называют, катающие диаметры могут быть
приближенно определены по средней приведенной высоте калибра
hcv=F!B-.
dp~ D йср,
где F—площадь сечения калибра; В—ширина калибра; йср — при-
веденная высота калибра; D — диаметр валков по линии прокатки,
На основе изложенного можно
черчивання валков с калибра-
ми (рис. 249):
1) при известных ОСр, т
и h наносится средняя линия
валков — Л В;
принять следующий порядок вы-
Рис. 250. Чертеж калибра об-
жимного валка
Рис. 249. Основные размеры калибра
2) затем наносится линия прокатки ЛП на расстоянии т/4 от
линии Л В;
3) для каждого калибра тем или иным методом находится его
нейтральная линия, которая совмещается с линией прокатки, и на
ней строится калибр;
4) определяются рабочие диаметры;
5) проводится проверка размеров по равенству 0,5(dB+dH)+/i=
=7?c₽;
6) наносятся бурта.
Пример. Проверим правильность размеров нанесенных на
чертеже (рис. 250) калибровок обжимных валков. Заданы: £>ср =
=907,5 мм, высота первого калибра 77=200 мм н нижнее давление
15 мм. Проверку размеров проводим в следующем порядке:
1. На расстоянии 907,5 мм одна от другой проводим две парал-
лельные линии ОО и OiOi — оси верхнего и нижнего валков. Прово-
дим равноотстоящую от 00 и OiOi среднюю линию валков ЛВ.
2. На расстоянии х=т/4=3,75 мм выше линии Л В проводим
параллельную ей линию прокатки ЛП.
3. Так как первый калибр ящичный, то его нейтральная линия
проходит посередине его высоты. Совмещая нейтральную линию с
линией прокатки, строим калибр таким образом, чтобы линия про-
катки делила пополам высоту калибра. Так как высота калибра
200 мм, то откладываем вверх и вниз по 100 мм.
4. Определяем рабочие диаметры валков, для чего предвари-
тельно находим диаметры нижнего и верхнего валков:
DB = Dcp —2х= 907,5 — 2-3,75 = 900 мм;
D„ = Dcp + 2х = 907,5 + 2-3,75 = 915 мм,
610
тогда рабочие диаметры будут
dB = DB — 2hB = 900 — 2 - 100 = 700 мм;
= £>н — 2ftH =>915 — 2-100 = 715 мм.
5. Вычерчиваем бурты, принимая зазор, равный 10 мм. Прове-
ряем размеры по равенству
(dB — dH)/2 + h = Dcp;
(700 + 715)/2 + 200 = 907,5 мм,
т. е. получаем тождество, что доказывает правильность расчета.
Определяем диаметры буртов:
О® = + 2Л/2 — 2S/2 = dB + h — S = 700 + 200 — 10 = 890 мм;
= dH 4-2ft/2 — 2S/2 = dH + h— S = 715 + 200— 10=905 мм.
Размеры чистового калибра определяются размерами
готового профиля. Однако различают профиль в горя-
чем и холодном состояниях. Размеры профиля в горячем
состоянии равны размерам профиля в холодном состоя-
нии, умноженным на коэффициент термического расши-
рения металла. Этот коэффициент колеблется в преде-
лах от 1,01 до 1,015 и может быть определен по фор-
муле
К = 1 + at,
где а — коэффициент линейного расширения стали, рав-
— ный 0,000012;
t — температура полосы при прокатке в чистовом
калибре, °C.
Таким образом, чтобы получить при прокатке про-
филь требуемых размеров, надо размеры отделочного
калибра увеличить на величину усадки металла при
охлаждении его от температуры конца прокатки до нор-
мальной температуры цеха. Однако если мы расточим
калибр для горячего профиля, то будем получать за-
данные размеры профиля только до первой переточ-
ки валков, а затем они выйдут за. пределы допусков.
Обычно допуски при горячей прокатке даются в обе
стороны от номинальных размеров в пределах не менее
±1,5%. Поэтому можно размеры последнего калибра
растачивать в соответствии с размерами не горячего, а
холодного профиля. В этом случае сначала размеры про-
катанной полосы будут меньше заданных (в пределах до-
пуска), но затем, по мере износа калибров, размеры по-
лосы станут больше заданных. Этот способ более выго-
ден, так как срок службы калибра увеличивается.
511
Последовательно расположенные на валках калибры
называют системой. К основным системам вытяжных
калибров относятся прямоугольные (ящичные) калиб-
ры, ромб — ромб, ромб — квадрат и овал — квадрат.
Полосу квадратного сечения обычно получают за
один проход через систему вытяжных калибров. Поэто-
му при расчете калибровки определяют общий коэффи-
циент вытяжки для данной системы вытяжных калиб-
ров и распределяют его по калибрам.
Коэффициент вытяжки полосы квадратного сечения
определяется произведением коэффициентов вытяжки в
первом и втором калибрах, т. е.
р = Р1И2,
где hi=Fi/F2, H2—F2/F3,
F— площади сечения калибров.
Прямоугольные калибры применяют главным обра-
зом при прокатке заготовок крупных и средних сечений.
Так, например, обжатие слитков на блюмингах произво-
дят обычно по системе прямоугольник — квадрат (сна-
чала на гладкой бочке, а затем в ящичных калибрах).
При расчете калибровки блюминга предварительно оп-
ределяют число пропусков, а также величину и схему
обжатия по пропускам с указанием числа и порядка кан-
товок. Слитки из мягких сталей прокатывают на блю-
минге, как правило, за нечетное (11—15) число пропус-
ков, а из твердых — за 15—19 пропусков в зависимости
от размеров слитков и заготовок.
Для прокатки слитков в валках блюминга обычно вы-
тачивают от трех до пяти калибров. В зависимости от
характера выдаваемого полупродукта и других условий
применяют два типа расположения калибров на вал-
ках— последовательное и симметричное (рис. 251).
В первом случае калибры размещают на бочке валков
в соответствии с порядком прохождения в них полосы.
Во втором случае первый калибр находится в середине
бочки валка, а остальные-—по сторонам от него. Такое
расположение калибров способствует более симметрич-
ному распределению нагрузки на валки.
Оба типа расположения калибров широко распространены. Од-
нако вторая схема встречается реже, так как ее можно считать ра-
циональной только в тех случаях, когда в сортаменте блюминга пре-
обладают слябы.
Следует отметить также, что, кроме прямоугольных калибров,
при прокатке обычной стали иа блюмингах применяют калибры и
512
другой формы. Так, в непрерывных блюмингах применяют овальные
п ромбические калибры, позволяющие осуществить значительно
большую вытяжку по сравнению с прямоугольными калибрами.
Ромбические калибры применяют в обжимных кле-
тях линейных станов, а также в непрерывных станах.
Систему ромб — ромб применяют главным образом для
прокатки крупных сечений. Систему ромб—квадрат при-
меняют обычно для прокатки мелких сечений. Преиму-
ществом этой калиб-
ровки является допу-
щение значительно
больших вытяжек по
сравнению с системой
ромб — ромб и, кроме
того, получение более
точных и чистых квад-
ратных и полосовых
профилей. Иногда по
системе ромб — квад-
рат полностью прока-
тывают заготовку до
готового профиля, в
большинстве же слу-
чаев эта система яв-
Рис. 251. Расположение калибров 1—4 в
валках блюминга:
ЛЯеТСЯ СОСТаВНОЙ ЧЭ- о — последовательное; б — симметричное
стью комбинирован-
ных калибровок.
В системе овал—квадрат овальные калибры чередуют
с квадратными. Эта система наиболее распространена
при прокатке простых сортовых профилей на проволоч-
ных, мелкосортных и частично на среднесортных станах.
При прокатке по системе овал — квадрат возможны
большие вытяжки, чем при прокатке по системам
ромб—ромб и ромб—квадрат.
При калибровке валков непрерывных станов необ-
ходимо рассчитывать размеры калибров и выбирать
их форму в зависимости от числа оборотов и рабочего
диаметра валков каждой клети, так как прокатывае-
мая полоса находится одновременно в нескольких
клетях.
Несоблюдение основного правила, заключающегося
в том, что через любую пару валков в единицу време-
ни должно проходить одинаковое количество металла,
расстраивает устойчивую работу стана.
33—481
513
Валки для прокатки сложных фасонных профилей
калибруют с учетом неравномерности обжатий. Так,
швеллер прокатывают из заготовки квадратного или
прямоугольного сечения, поэтому различные обжатия
по ширине ее неизбежны. Калибровка валков для полу-
чения фасонных профилей имеет особенности: 1) не-
равномерное обжатие в первых проходах при максималь-
ной температуре (в последующих калибрах стремятся
давать одинаковые обжатия по ширине полосы); 2) бо-
ковое обжатие, возникающее вследствие того, что участ-
ки прокатываемой полосы обрабатываются стенками ка-
либра, имеющими различную линейную скорость; 3) на-
личие вынужденного уширения; 4) при калибровке про-
филь разбивают на части простейшей формы и каждую
часть калибруют в отдельности, при этом размеры каж-
дой части в процессе калибровки увязывают с раз-
мерами всего профиля.
Калибровка валков при прокатке листов заключает-
ся в выборе диаметра валков и придании им вогнутой,
выпуклой или цилиндрической формы. Под действием
больших давлений прокатные валки листовых станов
подвергаются упругим деформациям в виде прогибов и
сплющивания, при этом вследствие разогрева возникает
бочкообразность валков, отчасти компенсирующая уп-
ругие деформации. Однако в результате прокатки тол-
щина листов по ширине различна. Разница между тол-
щиной листа посередине и по кромкам регламентируется
соответствующими ГОСТ.
Толстые листы, у которых допуски по толщине зна-
чительно больше, чем разница толщин посередине и по
кромкам, прокатываются на валках с цилиндрической
поверхностью.
При прокатке среднелистовой стали на станах трио
в целях устранения неравномерности деформации по ши-
рине, а также для получения листов с минимальными
допусками и компенсации износа средний валок изготав-
ливают выпуклым. Обычно верхний и нижний валки ра-
ботают по нескольку месяцев, а средний меняют пример-
но каждую неделю.
Допуски по толщине горячекатаных и холоднокатаных
тонких листов, как правило, очень жесткие. Так как тем-
пература середины бочки валка больше, чем на краях,
Го увеличение диаметра в средней части также больше.
Вследствие этого, а также для центровки полосы про-
514
катку тонких листов в горячем состоянии, несмотря на
сплющивание и прогиб, осуществляют в валках с вог-
нутой бочкой. При этом величину вогнутости валка в
холодном состоянии выбирают в зависимости от размеров
прокатываемых листов, темпа прокатки и других фак-
торов, она обычно составляет 0,1—0,6 мм.
Для получения равномерной толщины у холоднока-
таных листов их прокатку проводят на выпуклых вал-
ках, так как разогрев валков в этом случае незначите-
лен и увеличение бочки валка несоизмеримо с упругими
деформациями валковой системы. Поэтому значитель-
ные упругие деформации при холодной прокатке могут
быть компенсированы созданием необходимой выпуклос-
ти валков (0,05 до 0,2 мм) при их шлифовке или посред-
ством специальных устройств для регулирования про-
филя валков в процессе прокатки.
СТАНЫ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ
Исходным продуктом прокатного производства яв-
ляются слитки различной формы, размеров и массы.
Из слитков получают полупродукт в виде блюмов, сля-
бов и заготовок, которые в свою очередь служат исход-
ным продуктом для получения в следующем переделе го-
товой продукции: рельсов, балок и швеллеров, сортовых
профилей, листов и т. д.
В последнее время для получения литых блюмов и
слябов все более широко применяют установки непрерыв-
ной разливки стали (УНРС).
Для прокатки блюмов и заготовок применяют блю-
минги, обжимные станы, непрерывные и линейные заго-
товочные и сутуночные станы. Прокатку слябов осущест-
вляют на слябингах и блюмингах.
Блюмингом называют высокопроизводительный мощ-
ный прокатный обжимной стан, специально предназна-
ченный для обжатия стальных слитков в блюмы, при
этом иногда блюминги используют для прокатки слябов.
В зависимости от сортамента прокатываемой заготовки, произ-
водительности, схемы прокатки и расположения оборудования блю-
минги подразделяют на следующие шесть типов: 1) большие одно-
клетевые блюминги дуо, имеющие валки диаметром 1150, 1300 и
1500 мм; 2) средние блюминги дуо с валками 900—1000 мм; 3) ма-
лые блюминги дуо или трио с валками диаметром 750—850 мм;
4) сдвоенные блюминги, состоящие из двух последовательно распо-
ложенных рабочих клетей дуо, с валками 1150 мм в первой клети
33* 515
я 900—1000 мм во второй; 5) непрерывные блюминги, состоящие из
нескольких расположенных одна за другой рабочих клетей дуо, не-
реверсивных с диаметром валков 800—1000 мм; 6) блюминги к ста-
нам для прокатки широкополочных балок.
Для примера рассмотрим расположение и основной
состав оборудования блюминга 1150 (рис. 252). Как
видно из рис. 252, нагревательные колодцы, служащие
для нагрева слитков, расположены в специальном про-
Рис. 252. Схема расположения блюминга 1150:
Z — пролет нагревательных колодцев; 11 — пролет блюминга; III — машинный
зал; IV— скраповый пролет; V, VI — склад блюмов и слябов; 1 — слитковоз;
2—стационарный опрокидыватель; 3— поворотный стол; 4 — рабочая клеть;
б — ножницы; 6 — конвейер для обрезков; 7 — сталкиватели; 8 — штабелирую-
щий стол; 9 — стеллажи; 10 — колодцевый кран грузоподъемностью 20/30 тс;
11—14 — мостовые краны
лете, примыкающем к пролету блюминга. Для загрузки
слитков в колодцы и их выгрузки служат специальные
колодцевые краны с клещевым жестким захватом.
Блюминг состоит из: 1) рабочей клети и механизма
привода прокатных валков; 2) вспомогательного обору-
дования — ножниц для обрезки концов и резки блюмов
на части, машин огневой зачистки и оборудования для
технологического транспортирования прокатываемого
металла; 3) электропривода; 4) смазочного оборудова-
ния; 5) механизмов для уборки окалины.
Рабочая клеть блюминга — основной узел стана —
состоит из стальных прокатных валков, подшипников
скольжения с текстолитовыми вкладышами, механизма
для установки верхнего валка, механизма уравновеши-
вания, двух станин, фундаментных плит и механизма
для смены валков.
616
Механизм, переда-
ющий вращение про-
катным валкам совре-
менных блюмингов с
индивидуальным при-
водом, состоит из
двух универсальных
шпинделей и двух дви-
гателей большой мощ-
ности.
Главный привод
стана, все преобразо-
ватели и основную
электроаппаратуру рас-
полагают в проле-
те, называемом ма-
шинным залом. Сма-
зочный материал к
механизмам блюмин-
га подается автома-
тически. Для этой це-
ли обычно предусмат-
ривают несколько
циркуляционных си-
стем. Все смазочное
оборудование распо-
лагают в специаль-
ном маслоподвале
вблизи стана.
На рнс. 253 показан
современный мощный блю-
минг 1300. Валкн этого
блюминга диаметром
1300 мм при длине бочки
2800 мм приводятся от
двух индивидуальных элек-
тродвигателей мощностью
по 7000 кВт каждый при
регулировании числа обо-
ротов в диапазоне 0—60—
90 об/мин.
Нажимные винты при-
водятся от двух электро-
двигателей мощностью
200 кВт каждый через ци-
линдрические зубчатые пе-
редачи. Скорость переме-
щения нажимных винтов
составляет до 220 мм/с.
517
Максимальная сила давления на один винт при прокатке 1100 тс.
Исходным материалом являются слитки массой 10 т, из которых
прокатывают блюмы размером 300X300 и 350X450 мм н слябы
100—200X500—1000 мм.
Часовая производительность блюминга по слиткам 570—840 т,
или 6 млн. т в год. Масса механического оборудования такого блю-
минга около 5400 т, а общая мощность электродвигателей
17 000 кВт.
На металлургических заводах с высокопроизводи-
тельными листовыми станами вместо блюмингов приме-
няют обжимные станы, прокатывающие только слябы.
Слябинг является менее распространенным обжимным
станом. Расположение оборудования слябинга аналогич-
но расположению оборудования блюминга с той лишь
разницей, что в этом случае иногда имеется рабочая
клеть с вертикальными валками. Состав оборудования
примерно такой же, как у блюминга, и отличается глав-
ным образом тем, что многие вспомогательные механиз-
мы в связи с большей массой слитка и большим сече-
нием прокатываемой продукции.имеют более прочную
конструкцию.
В современном металлургическом производстве за
блюмингом устанавливают заготовочные станы, предна-
значаемые для прокатки заготовки, т. е. полупродукта.
В этом случае металл после блюминга может сразу по-
даваться в заготовочный стан. При малой массе слитков
и небольшом объеме производства у заготовочного ста-
на устанавливают обжимную клеть; в этом случае заго-
товочный стан является также и обжимным. Устройство
заготовочных станов различно и зависит от сортамента
прокатываемой заготовки, требуемой производительнос-
ти и исходной продукции.
Наиболее распространены сортозаготовочные непре-
рывные станы для прокатки сортовой заготовки сече-
нием от 50X50 до 150X150 мм.
Схема расположения клетей типового непрерывного
сортозаготовочного стана 730/530 приведена на рис. 254.
Этот стан имеет двенадцать клетей дуо, разбитых на
две группы. У первой группы диаметры валков 730 мм,
а у второй 530 мм. Для устранения кантовки и скручива-
ния металла между клетями валки рабочих клетей рас-
полагают поочередно то вертикально, то горизонтально.
Исходным материалом служат блюмы сечением 300Х
Х300 мм, которые без промежуточного нагрева посту-
пают в первую группу, а при выходе из нее — во вторую
518
группу. Наибольшая скорость выхода из - последней
клети равна 5,8 м/с. На этом стане прокатывают за-
готовку сечением от 60X60 до 170X170 мм, причем за-
готовки сечением 120X120 мм и более выдаются сразу
из первой группы и затем цепным транспортером (шлеп*
пером) передаются на обводной рольганг.
За второй группой заготовочного стана устанавли-
вают летучие ножницы, разрезающие заготовку во вре-
мя ее выхода из стана на требуемые длины от 4 до 10 м.
Рис. 254. Схема расположения клетей сортозаготовочного непрерывного
стана 730 (а) и 530 (б)
После разрезки заготовки по отводящему рольгангу
передают на стеллажи. На склад заготовки передают
мостовыми кранами.
Привод рабочих клетей стана осуществляют че-
рез зубчатые передачи от индивидуальных электродви-
гателей постоянного тока мощностью по 1100 кВт на
каждую клеть. Общая масса механического оборудова-
ния стана около 8000 т. Производительность 350—
400 т/ч.
Кроме рассмотренных, применяют сутуночно-за-
готовочные непрерывные станы, предназначенные для
прокатки сутунки, а также и сортовой заготовки. За-
готовочные линейные станы служат для прокатки сор-
товой заготовки, узкой сутунки и трубной заготовки при
небольшом объеме производства. Наконец, при произ-
водстве цельнокатаных труб применяют специальные
трубозаготовочные станы, на которых прокатывают
заготовки круглого сечения от 70 до 350 мм.
Кроме того, следует рассмотреть группу сортовых
станов горячей прокатки, т. е. станов, предназначенных
для прокатки готового продукта в виде сортового ме-
519
Талла. Рассмотрим основные типы таких станов; универ-
сальные для прокатки широкополочных балок, рельсо-
балочные, крупносортные, среднесортные, мелкосортные,
проволочные и полосовые или штрипсовые (для прокат-
ки полосы шириной не более 400—500 мм).
Универсальный стан для прокатки широкополочных
балок является узкоспециализированным и предназна-
чен для прокатки двутавровых балок большого сече-
ния с широкими полками. Нормальным сортаментом
такого стана являются балки, высота сечения которых
находится в пределах от 200 до 1000 мм с шириной пол-
ки от 200 до 400 мм.
Рельсо-балочные станы общего назначения приме-
няют в основном для прокатки железнодорожных и
трамвайных рельсов, а также балок. Другие профили
на этих станах прокатывают в относительно малых ко-
личествах. Наиболее характерный сортамент рельсо-
балочных станов следующий-’
Рельсы- железнодорожные массой, кг/пог. м . . . 43—75
Балки двутавровые высотой, мм.............. 200—600
Швеллеры высотой, мм....................... 200—450
Трамвайные рельсы «феникс» высотой, мм . . . 210
Угловая сталь сечением, мм.................От 150X150
до 230X230
Круглая и квадратная сталь размером, мм . . . 100—200
Современные рельсо-балочные станы подразделяют
на две группы: 1) рельсо-балочные станы ступенчатого
типа из двух или большего числа линий; 2) рельсо-ба-
лочные станы последовательного типа.
В нашей стране наиболее распространены рельсо-ба-
лочные станы первого типа, так как на этих станах воз-
можна прокатка тяжелых профилей широкого сорта-
мента при достаточно высокой производительности и
легком переходе с одного профиля на другой. Характер-
ным примером такого типа стана является рельсо-ба-
лочный стан 800, который по своей производительности
и другим параметрам значительно превосходит рельсо-
балочные станы зарубежных стран. Схема расположе-
ния оборудования этого стана приведена на рис. 255.
Стан предназначен для прокатки рельсов, двутавровых балок,
швеллеров и других профилей. Исходной заготовкой служат блюмы
сечением 300X300 мм и более, длиной до 5 м. Основное оборудова-
ние стана состоит из трех линий, причем третья линия расположе-
на на одной оси со второй. На первой линии установлена дуо-ре-
версивиая клеть 900 с длиной бочки валков 2300 мм, на второй —
.520
Рис. 255. Схема расположения рельсо-балочного стана 800:
Г—склад заготовки блюмов; // — пролет камерных печей; /// — машинный зал; /V—пролет стана; V — термическое отделение;
V7—рельсоотделочная; VII— балкоотделочная; VIII — склад готовой продукции; / — нагревательные печи; 2—подающий роль-
ганг; 3 — черновая клеть дуо 900; 4, 5 — черновые клети трио 800; 6—чистовая клеть дуо 800; / — правильная машина; 8—пра-
вильные прессы; 9 — ножницы холодной резки; 10 — пила холодной резки; // — правильная машина; 12— стеллажи; 13—пра-
вильный пресс; 14 — закалочные машины; 15 — сверлильные станки; 16 — фрезерные станки; 17 — рцльганг для выдачи заготовки;
18 — ямы для выемки окалины; 19— рабочие рольганги и шлепперы; 20— пилы; 21— клеймовочная машина; 22 — гибочная ма-
шина; 23 — холодильник; 24 — шлепперы; 25 — нормализационные печи
две клети трио 800 с длиной бочки 1900 мм и, наконец, на третьей —
чистовая клеть дуо 800. Стан имеет большое количество вспомога-
тельных машин, которые можно разделить на две основные системы.
Первая система вспомогательных машин служит для выполнения
всех вспомогательных операций, связанных с прокаткой, резкой и
уборкой от стана прокатанной продукции, а вторая — для отделки
рельсов.
Крупносортные, среднесортные и мелкосортные
станы характеризуют прокатываемый на них сортамент,
так как на практике до сих пор сохранилось деление
сортовой стали на крупносортную, среднесортную и
мелкосортную. Хотя это деление является условным,
однако оно дает некоторое представление о характере
всех профилей, входящих в ту или иную категорию
сортовой стали. Более правильно характеризовать сор-
товые станы по диаметру валков и прокатываемому
сортаменту. В табл. 19 приведен возможный сортамент
для станов с валками разного диаметра, наиболее час-
то встречающийся на практике.
ТАБЛИЦА 19
СОРТАМЕНТ СТАНОВ РАЗЛИЧНОГО ТИПОРАЗМЕРА (мм)
Стан Круглая сталь Квадратная сталь 0 С сталь (шири- на) Угловая сталь равно- бокая Бал ки двутав- ровые Швеллеры Тавровая сталь (высо- та)
650 70—200 70—200 <350 <200 X 200 160—300 160—300 <220
550 50—120 50—120 <300 <150X150 100—200 100—200 <150
400 30—100 30—90 <200 <100X100 80—120 65—120 <120
350 25—75 25—75 ; 150 < 90X90 80—100 50—100 <100
300 16—60 16—50 ; 100 < 60X60 — 50—65 < 60
250 8—30 8—30 <65 < 40X40 — — < 30
Исходным материалом для прокатки сортовой ста-
ли на станах новых типов являются только заготовки и
блюмы следующих типовых размеров: от 60X60 до 125Х
XI25 мм длиной до 12 м и от 100X100 до 300X300 мм
длиной до 6 м.
Наиболее распространены крупносортные станы
ступенчатого типа из двух или большего числа линий
и последовательного типа, называемые также станами
кросс-коунтри.
Схема устройства и расположения основного обору-
дования аналогична схеме устройства ранее рассмот-
622
ренного рельсо-балочного стана. Крупносортный стан
также оснащается большим количеством вспомогатель-
ного оборудования. Значительная часть этого оборудо-
вания установлена в потоке движения прокатываемого
металла, и оно должно обеспечивать выполнение всех
вспомогательных технологических и транспортных опе-
раций в едином ритме без ручного труда, начиная со
склада блюмов и кончая укладкой готового проката
в пакеты.
Из среднесортных станов наибольшее распростране-
ние получили три основных типа: 1) ступенчатые в две
и три линии; 2) последовательные, в том числе шахмат-
ные и полунепрерывные; 3) непрерывные.
Ступенчатые среднесортные станы применяют при
производстве высоколегированных сталей. Производи-
тельность их невелика — 20—40 т/ч. Среднесортные
станы второго и третьего типов проектируют по прин-
ципу «для каждого прохода своя рабочая клеть» с оп-
тимальной скоростью прокатки, поэтому такие станы
обладают значительно более высокой производительно-
стью, чем станы первого типа, и в них проще осущест-
вить механизацию всего процесса. Поэтому в нашей
стране такие станы получили достаточно широкое при-
менение. При этом за последние годы осуществляется
переход к непрерывным станам, которые по сравнению
с последовательными и шахматными обладают более
высокой производительностью при меньшей массе обо-
рудования и меньших габаритах стана.
К основным типам мелкосортных станов следует от-
нести ступенчатые, последовательные и шахматные, по-
лунепрерывные и, наконец, непрерывные. Последние за
счет повышенных скоростей прокатки обладают более
высокой производительностью при полной механизации
и автоматизации процесса прокатки.
Проволочные станы, так же как и мелкосортные, мо-
гут быть ступенчатого, полунепрерывного и непрерыв-
ного типов. Процесс прокатки на непрерывном проволоч-
ном стане принципиально отличается от процесса про-
катки на станах первых двух типов. Первое отличие
заключается в отсутствии петель. Если в отдельных
клетях и допускается их образование для разрыва
сплошного натяжения, то такие петли не характерны
для этого стана, так как число их невелико и длина
незначительна.
523
Рис. 256. Непрерывный проволочный стан с прокаткой в две-три нитки:
/ — нагревательная печь; 2 — ножницы; 3 — черновая группа; 4 — промежу-
точная группа; 5 —петлевая группа; 6 —чистовая группа; 7, 8 —моталки;
9 — конвейеры
Второе отличие состоит в том, что первая клеть рас-
положена близко к нагревательной печи, на расстоянии
около двух метров. Вследствие этого большая часть за-
готовки длиной 9—12 м находится в печи. Заготовка
выходит из печи постепенно, по мере продвижения че-
рез стан, причем, когда передний конец заготовки дос-
тигает моталки, задний находится еще в печи. В ре-
зультате заготовка сохраняет тепло в течение продол-
жительного времени.
Третье отличие связано с отсутствием ручной зада-
чи полос, что позволяет значительно повысить скорость
прокатки. В современных непрерывных проволочных
станах скорость прокатки в последней клети достига-
ет 40 м/с и более, т. е. значительно выше, чем у линей-
ных и полунепрерывных станов. Последние станы при-
меняют в редких случаях для небольшой производи-
тельности и главным образом для производства
проволоки из цветных металлов.
624
На рис. 256 приведена схема современного непрерыв-
ного проволочного стана для прокатки проволоки диа-
метром 6—19 мм. Стан состоит из двадцати трех кле-
тей, валки которых приводятся от восьми электродви-
гателей
Группа клети . . Черновая (3) Промежуточ- Петлевая Чистовая
ная (4) (5) (6)
(1—9) (10—13) (14—15) (16—23)
Диаметр валка,
мм................. 400 330 280 250—280
Прокатку круглых профилей диаметром 11—19 мм
проводят в две или три нитки в зависимости от размера
профиля и заканчивают во второй петлевой клети
(15). Прокат диаметром менее 11 мм (до 6 мм) про-
ходит еще восемь непрерывных клетей (прокатку ведут
в три нитки). Наибольшая скорость прокатки в послед-
ней клети достигает 33 м/с. С такой скоростью прока-
тывают проволоку диаметром 6—6,5 мм, более толстую
проволоку выпускают из промежуточных клетей, где
скорость прокатки меньше.
Для сматывания проволоки установлены две группы
мотовил: шесть с неподвижным барабаном для прово-
локи диаметром 6—10 мм и шесть с вращающимся ба-
рабаном для проката диаметром 11—19 мм.
Заготовка нагревается в печи длиной 20 м, часовая
производительность которой около 140 т. Годовая про-
изводительность стана около 650 тыс. т в среднем для
всех размеров проволоки.
Разновидностью сортовых станов являются также
полосовые (штрипсовые) станы. Современные полосо-
вые станы строят непрерывными. Эти станы предназ-
начены для производства плоских профилей прямоу-
гольного сечения толщиной около 1,5—10 мм и шири-
ной от 65—100 до 400—500 мм.
Станы для прокатки более широких полос принято
называть листовыми широкополосными, и они относят-
ся к следующей группе листовых станов.
Главная особенность листовых станов заключается
в том, что валки имеют цилиндрическую или слегка
бочкообразную поверхность. Длина бочки валков яв-
ляется основным параметром, характеризующим раз-
мер листового стана, так как ею определяется наиболь-
шая ширина прокатываемых листов, которая на 150—
400 мм меньше длины бочки валков.
525
Для горячей прокатки стальных листов в основном
используют толстолистовые, листовые широкополосные
непрерывные или полунепрерывные и широкополосные
станы с моталками в печах. В зависимости от заданной
производительности применяют одноклетевые, двукле-
тевые и иногда многоклетевые толстолистовые станы.
Для прокатки листов шириной более 3000 мм чаще все-
го применяют одноклетевые толстолистовые станы ре-
версивные кварто и реже — дуо, а для листов шириной
1500—2500 мм — двуклетевые с последовательным рас-
положением клетей одна за другой (сдвоенные или тан-
дем). Сначала прокатку проводят в черновой клети, за-
тем сляб передают во вторую чистовую клеть, в которой
за несколько проходов осуществляют прокатку до
окончательной . толщины. Рабочие клети толстолисто-
вых станов могут быть дуо, трио и кварто. Наиболее со-
вершенными являются станы кварто, так как они обес-
печивают более точную прокатку листов при более вы-
соких обжатиях по сравнению со станами дуо и трио.
Для получения ровных боковых кромок перед основны-
ми рабочими клетями устанавливают еще клети с вер-
тикальными валками, служащими для обжатия боко-
вых кромок листов. Одним из наиболее совершенных
толстолистовых станов является стан 2800 конструкции
Уралмашзавода.
Для прокатки листов в виде длинных широких полос
шириной от 500 до 2500 мм и более при толщине от 1,5
до 10 мм применяют листовые широкополосные непре-
рывные и полунепрерывные станы.
Для прокатки длинных широких полос толщиной
1,5—6 мм применяют листовые широкополосные станы
Стекеля с моталками в печах. Эти станы применяют,
когда для прокатки тонких листов неприемлемы непре-
рывные и полунепрерывные станы, например при не-
большом производстве.
СТАНЫ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ
Особое место в прокатном производстве занимает
холодная прокатка стали и сплавов, которую обычно
применяют для получения листа и ленты толщиной ме-
нее 3 мм с высокими механическими свойствами и хо-
рошим качеством поверхности.
526
Важнейшие отрасли промышленности — электро-
машиностроение, аппаратостроение, авиационная, ав-
тотракторная, консервная и т. д. — потребляют боль-
шое количество холоднокатаного металла, поэтому его
производство в нашей стране из года в год возрастает.
При этом особенно увеличивается производство тонко-
го листа.
Холодной прокаткой получают листы и полосы из
низко- и высокоуглеродистой, трансформаторной, ди-
намной сталей, цветных металлов и сплавов.
Тонколистовой прокат производится в современных
цехах рулонным способом. Так называемый полистный
способ холодной прокатки малопроизводителен и его
применяют лишь на старых металлургических заво-
дах и в редких случаях для прокатки толстых холо-
днокатаных листов, которые трудно сматывать в ру-
лоны.
Рулонный способ получил широкое развитие, так
как позволяет создавать непрерывные процессы с пол-
ной механизацией и автоматизацией технологических
операций всего цикла производства.
Технологический процесс производства холоднока-
таных полос и листов включает ряд технологических
операций, выполняемых последовательно на станах и
технологических агрегатах, устанавливаемых в опреде-
ленном порядке в цехах, обеспечивающих поточность
производства.
Во всех случаях исходный материал (подкат) в ви-
де горячекатаных полос, свернутых в рулоны, поступа-
ет в цех холодной прокатки по межцеховому конвейеру
из цеха горячей прокатки или железнодорожным тран-
спортом с других металлургических заводов.
Размеры горячекатаных полос, поступающих на ста-
ны холодной прокатки, колеблются в широких преде-
лах в зависимости от сортамента готовой продукции.
В основном толщины горячекатаных полос, предназ-
наченных для холодной прокатки, колеблются в преде-
лах от 1,2 до 6,0 мм, а ширина — от 500 до 2000 мм.
Масса рулонов 2—40 т. Горячекатаные полосы должны
иметь допуск на толщину (по ширине и длине), не пре-
вышающий 0,05—0,1 мм, так как только в этом случае
возможно получение высококачественных холодноката-
ных полос с малой разнотолщинностью и небольшими
отклонениями по плоскостности.
527
Кроме того, для получения качественных полос пос-
ле холодной прокатки необходима тщательная очистка
горячекатаного подката от окалины и других загрязне-
ний.
Очистку полос от окалины осуществляют различны-
ми способами: 1) травлением в растворе серной кислоты;
2) травлением в растворе соляной кислоты или в ще-
лочах; 3) дробеструйной очисткой в сочетании с травле-
нием в растворе серной кислоты или же без травления;
4) электролитическим травлением и другими способами.
Для очистки полос от окалины строят технологичес-
кие агрегаты, в которых процессы очистки полос совме-
щают с такими различными подготовительными процес-
сами, как укрупнение массы рулонов стыковой сваркой
полос на сварочных машинах, встроенных в агрегат;
обрезка боковых кромок на дисковых ножницах; по-
крытие полос минеральным, растительным маслом или
эмульсией для защиты их от коррозии и т. д.
Холодную прокатку полос проводят на реверсивных
или непрерывных прокатных станах постепенным обжа-
тием полосы в валках всех клетей непрерывного стана
или в валках реверсивного стана, пропуская полосу
несколько раз в противоположных направлениях. Для
производства тончайших лент и лент из специальных
сталей и сплавов применяют различные многовалковые
станы с весьма малыми диаметрами рабочих валков.
Тип стана выбирают в зависимости от производитель-
ности цеха и сортамента готовой продукции.
Технологический процесс прокатки на реверсивном
стане состоит из следующих основных операций. Руло-
ны устанавливают на головки разматывателя. Перед-
ний конец рулона отгибают и задают в валки рабочей
клети, где происходит обжатие полосы между рабочими
валками. После обжатия полосу заправляют в барабан
моталки, расположенный за станом. Затем происходит
прокатка полосы до выхода заднего конца рулона к
валкам рабочей клети, стан реверсируется, валки ус-
танавливают на величину обжатия для второго пропус-
ка, конец полосы заправляют в барабан моталки перед
станом и проводят прокатку всей полосы. В зависимос-
ти от величины общего обжатия и возможностей стана
проводится нужное количество пропусков. Валки уста-
навливают на заданную толщину полосы с помощью
нажимных устройств, расположенных на рабочей кле-
528
Рис. 257. Реверсивный четырехвалковый стан 1700
ти. Для уменьшения коэффициента трения, охлаждения
рабочих и опорных валков, а также полосы в очаг де-
формации подают эмульсию или технологическую смаз-
ку и воду.
После окончания прокатки полосу, намотанную на
барабан моталки в виде рулона, снимают и подвергают
дальнейшей обработке.
Процесс прокатки на реверсивном стане, как прави-
ло, проводят с натяжением полосы при входе и выходе
из валков.
На рис. 257 показан современный реверсивный че-
тырехвалковый стан 1700.
Основная техническая характеристика четырехвалковых ревер-
сивных станов следующая:
Стан
1200 1700
Наибольшая скорость прокатки, м/с . . Диаметр валка, мм: 10—15 10—15
рабочего 400—500 500—600
опорного 1300—1400 1400—1500
Длина бочки валков, мм Диаметр, мм: 1200 1700
головки разматывателя ...... 500—750 600—750
барабана моталки 400—500 500—600
Производительность, т/ч 15—60 24—85
84-481
529
Исходные заготовки:
толщина полосы, мм ... .
ширина полосы, мм ... .
внутренний диаметр рулона, мм
наружный диаметр рулона, мм
наибольшая масса рулона, кг .
Готовая продукция:
толщина полосы, мм ....
ширина полосы, мм ....
внутренний диаметр рулона, мм
наружный диаметр рулона, мм
масса рулона, кг.............
<4,5
500—1050
500—750
<1800
<15000
0,2—2,5
500—1050
400—500
<1800
<15000
<4,5
600—1550
600—750
<2700
<45000
0,45—2,5
600—1550
500—600
<2700
<45000
Непрерывные прокатные станы строят четырехвал-
ковыми с двумя, тремя, четырьмя, пятью и шестью кле-
тями в зависимости от назначения. Так, например, в
настоящее время шестиклетевые станы строят только
для производства жести, четырехклетевые станы — пре-
имущественно для производства конструкционных ста-
лей, а пятиклетевые — для производства жести и конст-
руктивных автомобильных сталей и т. д.
Процесс прокатки на непрерывном стане состоит из
следующих основных операций. Рулоны устанавливают
на головки разматывателя. Передний конец рулона от-
гибают и задают в валки первой рабочей клети, где про-
исходит обжатие полосы. Затем полосу последователь-
но обжимают в валках всех последующих рабочих кле-
тей до нужного размера. После выхода из последней
клети ее заправляют в барабан моталки, затем прово-
дят прокатку и смотку полосы в рулон.
Для получения полосы заданной толщины с мини-
мальными допусками прокатные станы оснащают при-
борами технологического контроля и автоматическими
системами, обеспечивающими поддержание заданных
параметров — скорости прокатки, тепловой выпуклости
валков, межклетевых натяжений полосы и толщины по-
лосы на выходе из стана.
Современный непрерывный четырехклетевой стан
2000 показан на рис. 258.
Основная техническая характеристика непрерывных станов сле-
Нанбольшая скорость прокатки, м/с . . 20 25
Диаметр валка, мм:
рабочего............................... 600 600
опорного.............................. 1600 1500
Длина бочкн опорного и рабочего вал-
ков, мм................................. 2000 1700
530
Диаметр, мм:
головок разматывателя . . .
барабана моталки .............
Производительность стана, т/ч .
Исходные заготовки:
толщина полосы, мм ... .
ширина полосы, мм ... .
внутренний диаметр рулона, мм
наружный диаметр рулона, мм
наибольшая масса рулона, кг .
Размеры готовой продукции:
толщина полосы, мм ... .
ширина полосы, мм ... .
внутренний диаметр рулона, мм
наружный диаметр рулона, мм
масса рулона, кг..............
600—750 600 100—160 600—750 600 100—160
1,8—5,0 1,8—6,0
700—1850 700—1550
600—750 600—750
1220—2200 1550—2700
<35000 <45000
0,4—2 0,4—3,5
700—1850 700—1550
600 600
1100—2200 1550—2700
<35000 <45000
Реверсивные и непрерывные четырехвалковые ста-
ны холодной прокатки наиболее распространены, на
них производят основную массу холоднокатаного ме-
талла.
Для прокатки тонких, тончайших и наитончайших
лент используют многовалковые станы.
Шестивалковые станы, состоящие из двух рабочих
и четырех опорных валков, применяют в старых цехах и
в основном для прокатки цветных металлов. Эти станы
менее удобны в эксплуатации, чем станы кварто, и поэ-
тому не получили большого распространения.
Широкое применение в производстве находят две-
надцативалковые и двадцативалковые станы (рис. 259).
Эти станы имеют два рабочих валка, каждый из кото-
рых опирается на два промежуточных опорных валка.
Каждая пара последних в целях повышения допусти-
мой нагрузки в свою очередь опирается дополнительно
на три опорных валка большого диаметра. Последний
ряд опорных валков обычно выполняют в виде оси с
набором роликов — как бы многоопорной балки. Сог-
ласно схеме двадцативалкового стана, три опорных
валка также являющихся промежуточными, опираются
на четыре наружных опорных валка. Передача крутя-
щего момента осуществляется через промежуточные
опорные валки.
Основные преимущества многовалковых станов по
сравнению с четырехвалковыми следующие:
1. С уменьшением диаметра рабочего валка умень-
шаются давление металла на валки, а также силы, дей-
ствующие на все детали стана.
34*
531
Рис. 258. Непрерывный четырехклетевой стан 2000
Рис. 259. Двадцативалковый стан 1250 холодной прокатки ленты
2. Уменьшается упругая деформация валков, в ре-
зультате чего увеличивается общее обжатие за предел.
Следовательно, станы с малыми диаметрами рабочих
валков особенно удобны для прокатки материалов с
высоким сопротивлением деформации.
3. Разнотолщинность по ширине и по длине ленты
на многовалковых станах значительно ниже, чем на
четырехвалковых, что объясняется большей жесткостью
валковой системы.
4. Уменьшаются размер стана в целом и занимаемая
им производственная площадь.
Эффективность прокатки труднодеформируемых ме-
таллов на многовалковых станах побудила применить
их для прокатки и малоуглеродистой стали. Поэто-
му в последнее время многовалковые станы изготавли-
вают самых различных типоразмеров с длиной бочки
валков от 100 до 2000 мм.
На станах холодной прокатки, как было отмечено,
для уменьшения трения между рабочими валками и про-
катываемой полосой подается эмульсия или технологи-
ческая смазка. Особенностью технологических смазок
и эмульсий, применяемых при холодной прокатке, явля-
ется наличие в них жирных кислот, способных образо-
вывать на металлической поверхности прочную пленку.
533
При больших скоростях деформации металла и не-
равномерной или недостаточной подаче смазки полоса
разогревается до температур, при которых масляная
пленка разрушается, в результате чего полоса загряз-
няется.
Загрязнение полосы недопустимо, так как при по-
следующем отжиге на ее поверхности образуется труд-
ноудаляемый осадок, который при последующей дрес-
сировке, т. е. обжатии в прокатных валках в пределах
от 0,5 до 5,0%, вкатывается в микроуглубления поверх-
ности полосы и препятствует получению качественной
поверхности при лужении, цинковании и других спосо-
бах нанесения покрытий.
Поэтому для очистки поверхности холоднокатаных
полос, предназначенных для покрытия оловом, цинком,
лаком, пластиками, перед отжигом применяют специ-
альные агрегаты электролитической очистки, где поло-
са проходит последовательно щелочно-моечную и струй-
ную обработку горячей водой, химическое и электроли-
тическое обезжиривание, струйную промывку горячей
водой и сушку.
Для устранения упрочнения, образовавшегося в про-
цессе холодной прокатки, а также для получения необ-
ходимых структуры и свойств холоднокатаные полосы
подвергают рекристаллизационному отжигу.
Холоднокатаные полосы из малоуглеродистой, кон-
струкционной и низколегированной сталей отжигают
преимущественно в колпаковых печах в защитном газе
при 650—730° С.
В последнее время получил широкое распростране-
ние отжиг холоднокатаных полос (из жести, электротех-
нических сталей) в башенных и горизонтальных про-
тяжных печах, встроенных в специальные непрерывные
агрегаты.
Холоднокатаный отожженный металл с целью повы-
шения механических свойств, придания ему свойств
штампуемости, хорошего внешнего вида и планшетнос-
ти, т. е. хорошей плоскостности, подвергают дрессиров-
ке на специальных станах с клетями кварто или дуо.
Процесс дрессировки аналогичен процессу холодной
прокатки, его осуществляют в один пропуск с меньши-
ми обжатиями и без подачи эмульсии или технологичес-
кой смазки. При этом валки профилируют подогревом с
помощью специальных горелок.
534
Последней технологической операцией в производ-
стве холоднокатаного листового металла является от-
делка его поверхности. Для защиты от коррозии листы
подвергают лужению, цинкованию, лакированию, на-
носят покрытия из пластмасс и т. д. Покрытие мож-
но наносить полистно или в полосе непрерывным про-
цессом.
Качество холоднокатаной продукции контролируют
на всех технологических переделах.
Товарная продукция проходит контроль для определения соот-
ветствия металла требованиям ГОСТ и техническим условиям по
внешнему виду, химическому анализу, механическим свойствам,
геометрическим размерам, планшетностн н т. д.
Холоднокатаный листовой металл с неустраненнымн дефектами
переводят в соответствии с ГОСТ в пониженные сорта или списыва-
ют как окончательный брак.
Листовую продукцию контролируют преимущественно на техно-
логических агрегатах в потоке и только продукцию с повышенными
требованиями проверяют на специальных стендах.
Готовую продукцию маркируют, упаковывают, обвязывают и
отправляют заказчику в пачках или рулонах.
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ПРОКАТНЫХ ЦЕХОВ
Вспомогательное оборудование предназначено для
транспортировки металла, перемещения от калибра к
калибру, кантовки, резки, правки и т. д.
Благодаря оснащенности станов и цехов необходи-
мыми вспомогательными машинами удается создать
поточный технологический процесс в современных вы-
сокопроизводительных цехах. В таких цехах все опера-
ции у станов механизированы и в отдельных случаях
автоматизированы.
Все вспомогательные машины и механизмы можно
разделить на две группы:
1. Обрабатывающие, работа которых связана с из-
менением формы прокатываемого металла, например
резка, правка, сматывание и т. д.
2. Транспортные, работа которых связана с переме-
щением металла, его кантовкой и т. д.
К первой группе относятся различные ножницы и
пилы, необходимые для разрезания в продольном и по-
перечном направлениях сортового и листового металла,
правильные машины, служащие для правки сорта и
листов, машины для сматывания и свертывания мелко-
535
сортного металла, проволоки и листовых полос, раз-
личные гибочные и разделочные машины, машины и аг-
регаты для обработки и отделки поверхности, для об-
вязки и упаковки готовой продукции.
Ко второй группе относятся слитковозы, рольганги,
манипуляторы, кантователи, поворотные механизмы,
толкатели, шлепперы, холодильники, упоры, опрокиды-
ватели и укладыватели. В связи с таким разнообразием
вспомогательного оборудования ниже рассматриваются
лишь самые основные машины и механизмы.
Для поперечного резания горячего металла квадрат-
ного или прямоугольного сечений после прокатки его
на блюмингах, слябингах, заготовочных и сортовых
станах применяют ножницы с параллельными ножами.
В процессе резания в этих ножницах плоскость, в кото-
рой движется нож, не изменяется, и металл не может
перемещаться в продольном направлении.
По конструкции ножницы поперечной резки могут
быть с верхним резом, т. е. с верхним подвижным но-
жом, и с нижним резом — с подвижным нижним но-
жом (рис. 260).
У ножниц с верхним резом два существенных недо-
статка: 1) на нижней грани сляба или блюма после
разрезки образуется заусенец, который препятствует
дальнейшему продвижению металла по рольгангу;
2) разрезать заготовку можно лишь при наличии кача-
ющегося стола за ножницами, что усложняет конструк-
цию всей установки. У ножниц с нижним резом нет ука-
занных недостатков, поэтому в последнее время они
получили широкое распространение.
Перед началом работы ножниц с нижним резом их
ножи раскрыты, и металл проходит между ножами по
рольгангу, суппорт нижнего ножа находится ниже по-
верхности роликов рольганга и не мешает движению
металла. При остановке металла суппорт верхнего но-
жа опускается до соприкосновения с металлом. Даль-
нейшее продвижение верхнего суппорта прекращается
и начинает двигаться суппорт нижнего ножа, при этом
заготовка разрезается.
Ножницы, у которых один нож расположен под не-
которым углом к другому, называются гильотинными
или ножницами с наклонным ножом (рис. 261). Гильо-
тинные ножницы бывают с верхним или нижним нак-
лонным ножом и конструктивно выполняются в стани-
536
нах закрытого и открытого типов. Угол наклона ножа
2—6° при резании тонких полос, при резании тол-
стых листов а=8—12°. Наиболее широко в прокатных
цехах используют ножницы закрытого типа.
У дисковых ножниц оба ножа имеют форму круглых
дисков, которые устанавливают с необходимым пере-
Рис. 260. Схемы ножниц:
а — с верхним резом; б — с нижним резом
крытием и зазором между ними. От качества п наст-
ройки ножей зависит точность резания и качество кром-
ки полос. Эти ножницы используют обычно для раз-
Рис. 261. Схема резания иа
ножницах с наклонным но-
жом
Рис. 262. Схема резания дисковыми
ножницами:
а — иожи установлены в одной плос-
кости; б — верхний нож смещен в на-
правлении движения полосы
резания листового материала на узкие полосы и для
отрезания кромок.
В последнем случае их часто снабжают кромкокру-
шителями для разрезания кромок на мелкие куски. На
-рис. 262 схематично изображен процесс резания диско-
637
выми ножами. Если ножи будут расположены в одной
плоскости, то полоса по выходе из них изогнется вверх,
а срезаемая кромка вниз. Чтобы полоса после резания
выходила из ножей прямо, верхний нож смещают по на-
правлению ее движения.
Для поперечного разрезания сортового и листового
металла при его непрерывном движении применяют ле-
тучие ножницы. Такие нож-
ницы устанавливают в линии
стана или вне ее. Конструк-
ция и характер движения но-
жей летучих ножниц зависят
Рис. 263. Схема барабанных ле-
тучих ножниц:
1 — подающие ролики; 2 — ба-
рабанные ножницы; 3—ножи
Рис. 264. Схема роликовой правильной ма-
шины
от их назначения. Применяют летучие ножницы самых
различных типов: барабанные, рычажно-качающиеся,
дисковые, ударные и др.
Для примера рассмотрим двухбарабанные ножницы,
которые применяются для разрезания как сортового,
так и листового проката. Принцип устройства и работа
этих ножниц схематично представлены на рис. 263. На
двух барабанах закреплены радиально расположенные
ножи по одному или по несколько штук. Полоса дви-
жется непрерывно и подается к ножницам роликами с
постоянной скоростью. При встрече верхнего и нижнего
ножей полоса разрезается. Длина отрезаемых кусков
равна пути, проходимому полосой за время между дву-
мя последовательными резами. Если скорость полосы
v0 постоянна, то длина отрезаемых кусков L зависит
лишь от времени t между двумя последовательными
резами:
L = ve t.
На таких ножницах можно резать металл с очень
большой скоростью, порядка 15—20 м/с, так как бара-
538
баны вращаются равномерно, а вращающиеся массы
обычно полностью уравновешены.
Так как при резании на ножницах происходит смя-
тие тонких полок и стенок фасонных профилей, то для
резки двутавровых балок, рельсов и других фасонных
профилей, а также крупных и средних заготовок квад-
ратного сечения применяют дисковые пилы с зубчаты-
ми или гладкими дисками. Для горячего резания при-
меняют обычно дисковые пилы с острыми зубьями, от-
деляющими стружку. Пилы трения с гладкими дисками
применяют в редких случаях, когда необходимо разре-
зать металл в холодном состоянии.
К вспомогательному оборудованию относятся также
правильные прессы; роликовые сорто- и листоправиль-
ные с косыми роликами и растяжные правильные ма-
шины, служащие для придания прокату правильной ге-
ометрической формы. Наиболее распространены роли-
ковые правильные машины (рис. 264) весьма высокой
производительности. Их применяют для правки как
листового, так и сортового металла. Правящийся ме-
талл, проходя между параллельными рядами роликов
равного диаметра, подвергается пластическому изгибу
и выправляется. Такие машины характеризуются чис-
лом роликов, их диаметром и шагом, т. е. расстоянием
между роликами.
Для сматывания или свертывания прокатываемого
металла в бунты применяют различные намоточно-на-
тяжные барабаны, моталки и свертывающие машины.
На рис. 265 показан разрез моталки для намотки полос
на реверсивных и на непрерывных станах холодной про-
катки. Намотка полос проходит с натяжением, благодаря
чему получается плотный рулон и облегчается процесс
прокатки.
Свертывающие машины образовывают бунты не на-
матыванием, а свертыванием, изгибая прокатываемый
металл в бунт специальными роликами. На рис. 266 по-
казана схема свертывающей машины, которая состоит
из барабана, двух подающих (/) и шести гибочных ро-
ликов (2). По мере увеличения диаметра рулона гибоч-
ные ролики раздвигаются специальными рычагами. Та-
кие машины применяют для горячего и холодного свер-
тывания в рулоны широких полос толщиной до 6 мм.
К рассмотренной группе вспомогательных машин отно-
сятся также различные агрегаты для цинкования, лу-
53»
жения, нанесения различных декоративных покрытий,
машины для упаковки готовой продукции. Машины и
механизмы второй группы вспомогательного оборудова-
ния служат для транспортирования прокатываемого
металла от агрегата к агрегату. К механизмам этой
группы прежде всего следует отнести рольганги.
В связи с поточным технологическим процессом про-
изводства проката металл приходится перемещать на
Рис. 265. Разрез барабана моталки
стана холодной прокатки
Рнс. 266. Схема свертывающей ма-
шины
значительные расстояния, для чего необходимы роль-
ганги большей протяженности (их масса достигает 40
и даже 50% от общей массы оборудования стана).
Рольганги разделяют на рабочие и транспортные. Ра-
бочими называют рольганги, служащие для задачи про-
катываемого металла в валки и приема его из валков
стана. Транспортными называют все остальные роль-
ганги, связывающие стан и вспомогательные агрегаты
цеха.
Рольганги выполняют с групповым и индивидуаль-
ным приводом роликов, а также с неприводными роли-
ками. Рольганги с неприводными роликами называются
гравитационными, так как из-за наклона плоскости
этих рольгангов металл перемещается по ним под дей-
ствием силы тяжести.
На рис. 267 показана схема рольганга с групповым
приводом; передача вращения роликам осуществляется
коническими зубчатыми шестернями от общего про-
дольного трансмиссионного вала. Такие рольганги при-
640
меняют для транспортировки проката больших сечёний
при небольшой длине.
Рольганги с индивидуальным приводом применяют
для транспортировки проката большой длины, т. е. при
сравнительно небольшой ' нагрузке на каждый ролик.
Для передачи прокатываемого металла через верх-
ний валок на другую сторону стана дуо и для подъема
Рис. 267. Схема рольганга с групповым приводом
Рис. 268. Схемы подъемно-качающегося (а) и параллельно-подъемного (б)
столов
полосы при ее прокатке на стане трио между верхним
и средним валками и для ее последующего опускания
применяются различные подъемные столы; они необхо-
димы также при подаче металла в нагревательную ме-
тодическую печь и к ножницам с подвижным верхним
ножом. Подъемные столы обычно бывают двух типов:
подъемно-качающиеся (рис. 268,о), у которых выпол-
нена подъемной только одна сторона стола, и параллель-
но-подъемные (рис. 268,6), у которых обе стороны сто-
ла поднимаются одновременно.
Подъемно-качающиеся столы устанавливают с одной или с двух
сторон стана. Так, например, на тонколистовом стане дуо для горя-
чей прокатки листов подъемные столы используют для приема ме-
талла из валков, подъема его и передачи через верхний холостой
541
валок на переднюю сторону стана. Привод подъемно-качающихся
столов, установленных с обеих сторон рабочей клети (например, у
станов трно), одинаков, для синхронной работы столов приводы пе-
реднего и заднего столов связаны тягой.
На блюмингах, слябингах, рельсо-балочных и сорто-
вых станах применяют кантователи различной конст-
рукции, которые служат для поворота, т. е. кантовки
прокатываемой заготовки вокруг ее продольной
оси на 90° перед задачей в оче-
Рис. 269. Схема манипуля-
тора:
/ — линейки манипулятора;
2 — ролик рольганга; 3 —
прокатный валок; 4— рейки
редкой калибр. На этих же ста-
нах, кроме кантователей, при-
меняют также манипуляторы
для передвижения металла по
роликам параллельно оси роль-
Рис. 270. Схема упора:
/ — массивный упор; 2 — пружина; «3—про-
катываемый металл
ганга в валки или калибры. Кроме этого, манипулято-
ры могут выпрямлять прокатываемую заготовку, если
она искривилась в процессе прокатки. На рис. 269 по-
казана схема манипулятора с приводом линеек по обе
стороны рабочего рольганга.
Кантовку рулонов из вертикального положения в го-
ризонтальное или наоборот осуществляют кантовате-
лем секторного типа. Такие кантователи применяют в
агрегатах непрерывного травления и в агрегатах прав-
ки и резки.
Для быстрой и фиксированной остановки металла,
движущегося по рольгангу, применяют упоры различ-
ной конструкции (стационарные, поднимающиеся и пе-
редвижные). Они воспринимают кинетическую энергию
удара при остановке движущегося металла и в боль-
шинстве случаев выполняются массивными и опираю-
щимися на пружину (рис. 270). С увеличением массы
упора и повышением жесткости пружины повышается
точность остановки прокатываемого металла.
542
Для подачи заготовок на печные рольганги, загруз-
ки металла в печь, его продвижения по поду и выдачи,
для подачи металла на холодильники, штабелирующие
столы и т. д. применяют толкатели, выталкиватели и
сталкиватели различных типов.
Наиболее распространены реечные и рычажные тол-
Рис. 271. Схемы расположе-
ния холодильников:
1 — рольганг; 2 — холодиль-
ник
катели и сталкиватели, применяют также и гидравличе-
ские, винтовые и др.
Для охлаждения в цехе большой массы прокатанно-
го металла и его перемещения применяют транспортеры
и холодильники различных типов и конструкций. Для
перемещения заготовок поперек цеха применяют канат-
ные или цепные транспортеры — шлепперы. Шлепперы
устанавливают на холодильниках, называемых в этом
случае шлепперными.
На рис. 271 показаны две наиболее распространен-
ные схемы многосекционных холодильников с односто-
ронней (а) и двусторонней (б) подачей и отводом ме-
талла рольгангами. Каждый холодильник состоит из
трех основных элементов: сбрасывателя с подводящего
рольганга на холодильник, собственно холодильника и
укладывателя для передачи охлажденного металла с хо-
лодильника на отводящий рольганг.
Ко второй группе вспомогательного оборудования
относятся также различные слитковозы и опрокидыва-
тели слитков, которые служат для перевозки и подачи
слитков от нагревательных колодцев к приемным
рольгангам блюмингов или слябингов.
СОСТАВ И СТРУКТУРА ПРОКАТНЫХ ЦЕХОВ
Существуют два основных варианта структуры прокатных це-
хов: с совместным и с раздельным расположением обжимно-заго-
товочных и отделочных станов.
1из
По первому варианту поток металла от поступления слнтков в
цех до отправки готового продукта территориально не прерывается
и прокатный цех представляет собой единый комплекс из обжимно-
заготовочных и отделочных станов, разделенных складом заготовок.
Последний является как бы связующим звеном между двумя отде-
лениями, непосредственно примыкающими к нему с обеих сторон.
На склад заготовок принимают полупродукт от обжимных и заго-
товочных станов и после соответствующей подготовки передают его
к отделочным станам.
По второму варианту станы располагают в двух цехах: блю-
мингн и заготовочные станы — в обжимно-заготовочном цехе, отде-
лочные станы — в другом цехе. Полупродукт в этом случае переда-
ется из цеха в цех на железнодорожных платформах (подобная
структура часто встречается в США). На всех отечественных новых
заводах обжимно-заготовочные и отделочные станы расположены в
одном цехе. Этот вариант структуры прокатного цеха, несомненно,
предпочтителен перед вторым, так как при первом варианте нет не-
обходимости в железнодорожном транспорте.
Структурный состав прокатных цехов разнообразен из-за различ-
ных сортамента прокатываемого металла, объема производства и ти-
пов станов. Однако из всех вариантов цехов можно выделить три
основных в зависимости от прокатываемого сортамента: сортовой,
листовой и смешанный.
В современном сортовом прокатном цехе, кроме обжимного ста-
на, блюминга или блюминга с заготовочным станом линейного или
непрерывного типа, могут быть установлены среднесортный стан
450-500, один или два среднесортных стана 300-350, один пли два
мелкосортных стана 250—280, ленточный стан и проволочный стаи.
Тип обжимного агрегата и связанные с ним типы и количество
сортовых станов определяются заданной производительностью цеха
и его сортамента.
По другому варианту сортовой цех может состоять из блюмин-
га, рельсо-балочного стана, универсального балочного стана, крупно-
сортного стана — отдельного или в составе рельсо-балочного стана.
В листовом прокатном цехе современного .завода, кроме сля-
бинга, установлены непрерывный тонколистовой стан, толстолистовой
стан, работающий на слябах, непрерывные н реверсивные станы хо-
лодной прокатки. При прокатке непосредственно слнтков в листо-
прокатном цехе может быть установлен только одни толстолистовой
стан.
Станы холодной прокатки обычно располагают в отдельном зда-
нии, связанном с цехом горячей прокатки листов подземным кори-
дором, по которому горячекатаные рулоны конвейером транспортиру-
ют в цех холодной прокатки.
При смешанном варианте в цехе устанавливают отделочные
сортовые и листовые станы. В этом случае обжимными станами мо-
гут быть одноклетевой или двуклетевой блюминг, слябинг-блюминг
или, наконец, блюминг и слябинг.
Особое место в современном прокатном цехе занимает склад
готового продукта, хозяйство которого, как правило, огромно. На
склад цеха поступает металл со всех станов, т. е. самых разнооб-
разных профилей, размеров и марок стали. Весь металл должен
быть осмотрен, рассортирован, зачищен, испытан, сдан, упакован,
распределен по заказам и отправлен. Эти операции должны быть
выполнены возможно быстрее, так как в противном случае создается
544
угроза завала склада металлом и большого осложнения в дальней-
шей работе. Поэтому правильной работе склада готового продукта
на металлургическом заводе следует уделять большое внимание.
Глава 3
ПРОИЗВОДСТВО ТРУБ
И СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ
СОРТАМЕНТ И СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ
Производство труб значительно отличается от осталь-
ных видов прокатного производства не только по форме
готового изделия, но также и тем, что большая часть труб
является продуктом вторичного передела проката основ-
ных видов — круглой и плоской заготовки.
Трубы классифицируют по методу производства и при-
менения. Для изготовления труб из черных металлов при-
меняют четыре основных способа: прокатку, прессование,
литье, сварку или пайку.
Качество труб, получаемых прокаткой, прессованием
и сваркой, значительно выше, чем литых труб , так как
при обработке давлением свойства материала труб улуч-
шаются.
По применению трубы подразделяют на следующие
группы: 1) для сооружения трубопроводов (нефте-, водо-,
газопроводные); 2) для передачи тепла (жаровые, дымо-
гарные, кипятильные, паропроводные и др.; 3) трубы,
используемые в машиностроении (шарикоподшипнико-
вые, автотракторные, авиационные, велосипедные);
4) трубы, применяемые при бурении скважин и колодцев
(бурильные и обсадные); 5) трубы специального назна-
чения (орудийные, баллонные, для холодильников). В за-
висимости от назначения к трубам предъявляют различ-
ные требования, которые оговариваются в ГОСТ и техни-
ческих условиях.
Трубы характеризуют внутренним и наружным диа-
метрами, толщиной стенки и длиной, а также качествен-
ными особенностями — материалом, способом изготовле-
ния, механическими свойствами и т. д. Большинство труб
имеет круглое сечение, однако в некоторых случаях из-
готавливают профильные трубы — квадратные, плоские
и различные фасонные,
35—481
545
Общая схема процесса производства бесшовных труб
процессами ОМД предусматривает две основные опера-
ции: 1) получение толстостенной гильзы из слитка или
заготовки — эту операцию называют прошивкой; 2) по-
лучение из гильзы готовой трубы.
Первую операцию выполняют в большинстве случаев
на прошивных прокатных станах, но иногда для прошив-
ки заготовки применяют прессы. Вторую операцию вы-
полняют на трубопрокатных раскатных станах различ-
ных конструкций.
Кроме указанных основных операций, имеются еще
дополнительные отделочные операции. Они необходимы
для получения более чистой поверхности и более точных
размеров труб, а также для уменьшения толщины стенки
и диаметра.
Уменьшение диаметра труб с 60—70 до 10 мм называ-
ют редуцированием и осуществляют на редукционных
станах. При редуцировании толщина стенки трубы мо-
жет несколько увеличиться, уменьшиться или остаться
без изменения. Основное назначение редуцирования оп-
ределяется прежде всего тем, что экономически невыгод-
но, а в отдельных случаях даже и невозможно получать
трубы диаметром менее 60—70 мм на первичных трубо-
прокатных станах. Кроме того, редуцирование применя-
ют также для производства труб большой длины, кото-
рые нельзя получить на трубопрокатных станах.
Горячей прокаткой с последующим редуцированием
можно получить трубы диаметром 10—20 мм, со стенкой
толщиной 2—2,5 мм. Дальнейшее уменьшение этих раз-
меров может быть достигнуто холодной обработкой на
станах холодной прокатки труб и холодным волочением.
При производстве сварных труб исходным материа-
лом служит прокатная полоса — штрипс. Процесс изго-
товления труб в этом случае состоит из получения заго-
товки в виде свернутой полосы и последующей сварки
шва. Шов можно выполнять встык и внахлестку.
Получили распространение сварные трубы большого
диаметра сверткой из рулонной листовой стали, на ста-
нах спиральной сварки труб. Такое название эти станы
получили потому, что сварной шов на трубах в этом слу-
чае проходит не по прямой, а по спирали.
546
ТРУБОПРОКАТНЫЕ СТАНЫ
Все трубопрокатные станы можно подразделить на
три группы: прошивные, раскатные и отделочные.
Прошивные станы бывают с бочковидными, грибовид-
ными и дисковыми валками (рис. 228, з—к).
Прошивной стан с бочковидными валками имеет два
рабочих валка с двойной конусностью диаметром от 450
до 1000 мм. Оба валка расположены в горизонтальной
плоскости, причем Их оси в вертикальной плоскости'на-
клонены друг к другу на угол, который можно регули-
ровать от 5 до 18° и более (угол подачи).
При прошивке круглой заготовки оба валка враща-
ются в одном направлении. Для удержания металла в
очаге деформации имеются две направляющие линейки,
расположенные в вертикальной плоскости, или два не-
приводных ролика.
Заготовка, поступающая в валки, совершает сложное,
вращательное и поступательное — вследствие наличия
угла подачи — движение.
При винтовой прокатке в валках с двойным конусом
в металле возникают растягивающие и касательные на-
пряжения, причем растягивающие радиальные напряже-
ния достигают значительных величин и вызывают обра-
зование полости сравнительно небольшого диаметра, с
неровными стенками. Для получения внутреннего отвер-
стия нужного диаметра и с ровной поверхностью прокат-
ку проводят на оправке — конусообразном инструменте,
устанавливаемом на конце стержня между валками на
пути движения заготовки. Стержень с оправкой устанав-
ливают в специальном упоре. При движении вперед за-
готовка надвигается на оправку — прошивается, при
этом происходит расширение и выравнивание прошито-
го отверстия.
На рис. 272 показана схема расположения узлов про-
шивного стана, который состоит из двух рабочих вал-
ков /, соединенных с шестеренной клетью 2 и электро-
двигателем 3 с помощью соединительных шпинделей 4.
Между шпинделями устанавливаются толкатель 5 и на-
правляющий желоб 6. В специальном упоре с замком 8
крепят стержень 7 с оправкой на конце. Для приема
прошитой гильзы установлен рольганг 9.
Заготовку для такого стана, обычно круглого сече-
ния, нагревают в методических печах, откуда ее выдают
35*
547
на рольганг. С рольганга заготовка поступает в прием-
ный желоб, по которому с помощью толкателя подается
в валки прошивного стана. При выходе из валков гиль-
за находится на стержне и снимается со стороны его
заднего конца после открытия замка.
Толстостенные гильзы, полученные на различных
прошивных станах, прокатывают в тонкостенные трубы
Рис. 272. Схема расположения узлов прошивного стана
в горячем состоянии на раскатных станах — пилигримо-
вых, автоматических, непрерывных и трехвалковых. На-
звание трубопрокатного агрегата определяется типом
раскатного стана, например трубопрокатный агрегат с
автоматическим станом.
Пилигримовый стан состоит из клети дуо и подающе-
го механизма. Направление вращения валков в этом
стане противоположно движению заготовки. Металл об-
жимается в калибре переменного сечения только за по-
луоборот валков. В следующий полуоборот заготовка
проходит между валками без обжатия.
Рабочий процесс прокатки труб на пилигримовом
стане (рис. 273) состоит в следующем: в поступающую
с прошивного стана толстостенную гильзу 1 пропуска-
ют оправку 2 подающего механизма, причем длина оп-
равки больше длины гильзы. Гильза вместе с оправкой
медленно перемещается подающим механизмом к вал-
кам. Как только металл достигает валков, зев калибра
3 захватывает часть гильзы (рис. 273, а) и обжимает ее
своей рабочей частью (рис. 273, б). Во время прокатки
валки стремятся вытолкнуть гильзу с оправкой назад,
однако этому препятствует подающий механизм. Более
того, сам механизм с малой скоростью непрерывно дви-
жется вперед. Конец оправки связан с поршнем пневма-
тического цилиндра. После полуоборота валков гильза
выходит из рабочей части калибра и становится свобод-
ной. В течение следующего полуоборота приведенный в
движение поршень быстро толкает вперед оправку с
548
гильзой, которые при этом движении поворачиваются
относительно их продольной оси на 90° (рис. 273,в), и
затем валки захватывают новую часть гильзы. Подаю-
щий механизм в течение одного оборота валков пере*
мещается вперед на расстояние от 8 до 25 мм. Процесс
продолжается до тех пор, пока не будет прокатана вся
гильза. По окончании прокатки валки разводят и подаю-
щий механизм обратным ходом вытягивает оправку из
трубы. Освобожденная труба отводится задним рольган-
гом к горячей пиле, где отрезают так называемую пиль*
герную головку.
Внутренний диаметр раскатанной трубы практичес*
ки равен диаметру оправки, а ее наружный диаметр —
диаметру калибра. На периодических станах можно по*
лучать трубы с наименьшим наружным диаметром
45 мм. Для получения труб меньших размеров трубы с
периодического стана передают на редукционный или
волочильный станы.
Автоматические раскатные станы являются наиболее
распространенными для прокатки’ бесшовных труб; они
обеспечивают вытяжку, равную 1,2—2 в зависимости от
Рнс. 273. Три стадии процесса прокатки на пилигрнмовом стане
размеров труб. Автоматический стан состоит из клети
дуо с валками диаметром до 1000 мм и специальных
роликов обратной подачи.
Валки стана имеют ряд круглых калибров различ-
ных диаметров. В калибр вставляют оправку, удержи-
ваемую на месте стержнем, неподвижно укрепленным в
упорной станине. При прокатке на автоматическом ста*
не происходит уменьшение диаметра и толщины стенки
549
трубы, определяемой просветом между калибром и оп-
равкой. Обычно прокатка проходит в два-три пропуска
с поворотом трубы после каждого пропуска на 90°.
Схема прокатки на автоматическом стане показана
на рис. 274. Труба, пройдя через валки 1 стана, оказы-
вается на стержне с задней стороны стана. Передача
Рис. 274. Схема прокатки на автоматическом стане:
а — процесс прокатки; б — процесс обратной подачи
трубы на переднюю сторону осуществляется парой ро-
ликов 2 обратной подачи: нижний ролик поднимается и
прижимается к трубе, которая силой трения стягивает-
ся со стержня и передается на переднюю сторону стана.
Верхний рабочий валок стана в это время поднимается,
чтобы пропустить трубу. После передачи ее на переднюю
сторону валок вновь опускается в рабочее положение.
Подъем рабочего валка и сближение роликов обратной
подачи полностью автоматизированы.
Трубу в автоматическом стане обычно прокатывают
за два пропуска с поворотом ее на 90° и заменой оправ-
ки после каждого пропуска. После прокатки на автома-
тическом стане труба получается слегка овальной, раз-
ностенной и с недостаточно гладкой поверхностью. Для
придания круглой формы, уменьшения разностенности и
полировки наружной и внутренней поверхностей трубу
после прокатки в автоматическом стане по рольгангам
подают к обкатным машинам, а затем, для получения
окончательных размеров по диаметру, — в калибровоч-
ный стан.
Непрерывные раскатные станы подразделяются на
два типа.
550
Рис. 275. Схема прокатки на непрерывном стаие с расположением вал*
ков под разными углами
Рис. 276. Схема протяжки на реечном стане
Непрерывный стан старого типа состоит из семи пар
валков: четырех — горизонтальных и трех — вертикаль-
ных. Привод всех валков осуществляется от одного дви-
гателя через сложную систему шестеренных передач.
Непрерывный стан нового типа состоит из девяти
клетей, причем оси валков этих клетей расположены
под углом 90° друг к другу и под углом 45° к горизон-
тальной плоскости (рис. 275). Привод валков каждой
клети осуществляется от индивидуального двигателя,
что обеспечивает более простую настройку и регулиров-
ку стана. Прокатку на непрерывных станах ведут с при-
менением подвижной цилиндрической оправки, на кото-
рую надевается гильза, поступающая с прошивного ста-
на. После прокатки оправку извлекают из труб на спе-
циальной машине, охлаждают и вновь используют.
Разновидностью раскатных станов являются также
трехвалковые станы для прокатки главным образом
труб из легированных сталей.
551
Отличительная особенность трехвалковых раскат-
ных станов состоит в том, что на них можно получать
трубы весьма точных размеров.
На реечных станах (рис. 276) трубы получают протягиванием.
Исходный материал — квадратная катаная заготовка, разрезанная
на кускн требуемой длины, которые нагревают в методической печи
н прошивают на прессе в гильзу с донышком или стакан, поступаю-
щие затем па реечный стан. В стакан вводится оправка, и он протя-
гивается сквозь ряд колец с уменьшающимися диаметрами отвер-
стий, при этом толщина стенки трубы постепенно уменьшается.
После протяжки на реечном стаие труба вместе с оправкой по-
ступает на обкатную машину, в которой диаметр трубы несколько
увеличивается, что облегчает извлечение из нее оправки.
В последние годы реечные станы не устанавливают, так как
этот метод производства труб считается устаревшим.
После прокатки на раскатных станах трубы посту-
пают на отделочные станы. К таким станам относятся
обкатные, калибровочные и редукционные.
Как было отмечено, обкатные станы устанавливают
обычно за автоматическими, а иногда и за реечными
станами. По своей конструкции обкатные станы дуо ана-
логичны прошивным станам косой прокатки. Валки этих
станов наклонены друг к другу под углом ~6,5° и вра-
щаются в одну сторону. Прокатку труб на этом стане
проводят на оправке, укрепленной на стержне. Труба,
продвигаясь вперед, одновременно вращается вместе со
стержнем. Обкатной стан предназначен для раскатки
стенки трубы и полировки наружной и внутренней по-
верхностей для получения равномерной толщины стен-
ки и одинакового диаметра трубы по длине.
Калибровочные станы устанавливаются за обкатны-
ми и предназначены для устранения овальности и полу-
чения труб заданного диаметра. Калибровочные станы
могут иметь от одной до двенадцати клетей. В каждой
клети устанавливают одну пару валков, располагаемых
горизонтально, вертикально или наклонно. Наиболее
широко применяют многоклетевые калибровочные ста-
ны, в которых оси каждой пары валков наклонены к го-
ризонту под углом 45° и по отношению к соседней паре
валков под углом 90°. Валки этих станов вращаются от
общего для всех клетей двигателя или могут иметь ин-
дивидуальный привод.
В многоклетевых калибровочных станах одновремен-
но с калибровкой осуществляется правка труб, и необ-
ходимость в станах для горячей правки труб отпадает.
652
Редукционные станы являются непрерывными стана-
ми для горячей прокатки труб без оправки с целью
уменьшения их диаметра. По количеству валков, обра-
зующих калибр в каждой клети, различают двух-, трех-
и четырехвалковые редукционные станы. Валки в кле-
тях расположены поочередно горизонтально, вертикаль-
но и под углом 45°. Конструкция двухвалковых редукци-
онных станов аналогична калибровочным многоклете-
вым станам. Различие заключается в размерах и коли-
честве клетей (в редукционных станах их бывает до 24
и более).
Окончательная обработка бесшовных тонкостен-
ных стальных труб заключается в холодной прокатке,
холодном волочении или сочетании этих способов.
Вследствие особых условий холодного волочения
труб через очко коэффициент вытяжки за один проход
обычно не превышает 1,5—1,8.
При холодной прокатке труб на станах, работаю-
щих по принципу пилигримовых станов, можно более
полно использовать пластичность металла, получая ко-
эффициенты вытяжки в среднем 4—6 и в отдельных слу-
чаях даже 6—8. Хотя способ холодной прокатки труб
более эффективен по сравнению с холодным волочени-
ем, однако при холодной прокатке необходимо часто
осуществлять перевалку валков, занимающую 3—4 ч,
а при холодном волочении смена инструмента занимает
всего несколько минут. Поэтому в современных цехах
для производства тонкостенных труб применяют оба
процесса обработки.
Волочение труб проводят тремя способами: а — без
оправки, б — на короткой и в — на длинной оправках
(рис. 277).
Если необходимо уменьшить только диаметр трубы,
применяют волочение без оправки через волочильное
кольцо, неподвижно укрепленное в люнете волочильно-
го стана.
Если надо одновременно уменьшить диаметр и тол-
щину стенки трубы, возможно волочение как на корот-
кой, так и на длинной оправках.
При волочении на короткой цилиндрической оправке
через волочильное кольцо оправка удерживается в опре-
деленном положении с помощью стержня. Труба при
прохождении через кольцевую щель между оправкой и
кольцом обжимается по диаметру и толщине стенки,
553
что обеспечивает ее вытяжку. Волочение на длинной
оправке отличается тем, что оправка, находящаяся внут-
ри трубы, не закрепляется, а перемещается вместе с
трубой. При этом силы трения между трубой и инстру-
ментом меньше, чем при волочении на короткой оправ-
ке, что позволяет производить большие обжатия за один
проход.
Рис. 277. Способы холодного волочения труб:
/ — труба; 2 — волочильное кольцо: 3 — люнет; 4 —оправка; 5 — стержень
Сварные трубы изготавливают на трубосварочных
агрегатах различными способами, из которых наиболее
распространены непрерывная печная сварка, контакт-
ная электросварка методом сопротивления, электросвар-
ка с индукционным нагревом, дуговая электросварка
под слоем флюса или в среде защитных газов и т. д.
Процесс получения труб, как указывалось выше, состо-
ит из получения заготовки в виде свернутой полосы и
сварки ее в трубу.
Трубосварочный агрегат — комплекс машин и меха-
низмов, предназначенных для изготовления труб, их
транспортировки, обработки, нанесения покрытий, скла-
дирования и упаковки. В такой агрегат обычно входит
несколько многоклетевых станов: формовочный, редук-
ционный, калибровочный.
На рис. 278 представлена схема непрерывного про-
цесса печной сварки труб, который осуществляется в
следующем порядке. Горячекатаный штрипс 1 (из ма-
лоуглеродистой стали) непрерывно продвигается через
печь, в которой при помощи газовых горелок 2 его кром-
ки нагреваются до 1450° С — температуры сварки, а се-
редина штрипса—до 1350° С, При выходе из печи кром-
554
ки штрипса обдувают струей воздуха из сопла 3, чем
обеспечивается удаление окалины с кромок штрипса и
повышение температуры их нагрева на 50—80° С. Пер-
вая приводная пара валков 4 сворачивает штрипс в
трубную заготовку без соединения кромок. Вторая при-
водная пара валков 5 сводит кромки трубной заготовки
и, сжимая их, заставляет свариваться в трубу 6.
Рис. 278. Схема процесса
ной сварки труб
Сварка кромок сформованной трубной заготовки
представляет процесс кузнечной сварки, заключающий-
ся в использовании способности к молекулярному сцеп-
лению сдавливаемых поверхностей металлов, нагретых
до высокой температуры.
В последние годы развился и получил широкое рас-
пространение способ производства труб электросваркой.
Исходным материалом служит холоднокатаная лен-
та в рулонах, а для больших диаметров труб — листовая
заготовка. Получение трубы из полосы-заготовки осуще-
ствляется в шести парах валков непрерывного формо-
вочного стана (рис. 279). У этого стана четвертая пара
валков расположена вертикально. Сформованная в хо-
лодном состоянии заготовка после выхода из последней
клети сваривается встык в специальных электросвароч-
ных машинах. В этих машинах нагрев может осущест-
вляться через токоподводящие контакты (кондукцион-
ный нагрев) с помощью индукторов (индукционный на-
грев) и другими методами. Индукционным методом
электросварки изготавливают трубы диаметром от 4 до
1400 мм с толщиной стенки от 0,15 до 20 мм.
Наконец, особое место занимают станы спиральной
сварки труб. На этих станах трубы получают завивкой
полосы по спирали на цилиндрической оправке и непре-
рывной сваркой спирального шва автоматической сва-
555
рочной головкой. Этот способ имеет существенные преи-
мущества перед изготовлением труб с продольным
швом:
1. Диаметр получаемых труб не зависит непосредст-
венно от ширины исходной полосы, так как величина
диаметра определяется не только шириной полосы, но и
углом подъема спирали. Это позволяет из сравнительно
узкой полосы получать трубы большого диаметра.
Рис, 279. Получение трубы из полосы на
стане
непрерывном формовочном
2. Спиральный шов придает трубе большую жест-
кость. Вследствие спирального расположения шва по-
следний нагружен на 20—25% меньше, чем продоль-
ный.
3. Спирально-сварные трубы имеют более точные
размеры и не требуют после сварки калибровки их кон-
цов.
Однако, кроме преимуществ, имеются и недостатки
такого процесса, а именно: низкая производительность
и невозможность получения качественного шва при зна-
чительной серповидности полосы.
ПРОКАТКА СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ
Специальные профили могут быть получены различ-
ными способами. Так, при периодической прокатке по-
лучают изделия, поперечное сечение которых изменяется
по определенному закону, и это изменение обычно пе-
риодически повторяется по длине прокатываемой поло-
сы. Периодические профили получают продольной, по-
перечной и винтовой прокаткой.
При продольной периодической прокатке получают
профили с односторонним периодом, с двусторонним
совпадающим периодом, с несовпадающими верхним и
нижним периодами и т, д.
556
Калибровка валков для получения периодического
профиля существенно отличается от калибровки валков
при прокатке обычных профилей. При прокатке перио-
дических профилей окончательную форму придают за
один проход, причем в различных сечениях одного пе-
риода вытяжка непрерывно изменяется, достигая в не-
которых случаях дву- и да-
же трехкратной. Длина пе-
риода профиля определя-
ется длиной окружности
валка. При каждом оборо-
те валков из них должен
выходить отрезок полосы с
целым числом периодов,
поэтому наибольшая дли-
на периода не может быть
больше длины окружности
валков при данном диамет-
ре. Поэтому чем больше
период, тем больше дол-
жен быть и диаметр вал-
ков.
Одной из наиболее тру-
дных задач при продольной
1-1
Рис. 280. Виды периодических про-
филей, получаемых продольной
прокаткой
прокатке периодических профилей является получение
постоянной длины периода, так как начиная от перед-
него конца полосы к заднему длина периода при прокат-
ке может колебаться. В то же время допуск на длину
периода, как правило, составляет очень небольшую ве-
личину— порядка 1%.
Длина же периода зависит от опережения, величину
которого определить весьма трудно из-за непостоянст-
ва катающего радиуса валков, изменения условий тре-
ния между деформируемой полосой и валками, наличия
окалины и других факторов. Имеются и другие специ-
фические трудности производства периодических про-
филей, однако ввиду значительных выгод, получаемых
при применении периодического проката, необходимо
совершенствовать и развивать данный вид прокатного
производства. На рис. 280 показаны некоторые виды пе-
риодических профилей, получаемых методом продоль-
ной прокатки. Для прокатки периодических профилей
проектируют специальные станы или приспосабливают
обычные станы продольной прокатки.
557
скпми валками, расположенными
Рис. 281. Трехвалковый стан для по-
перечной прокатки периодических про-
филей
Поперечная прокатка периодических профилей суще-
ственно отличается от продольной прокатки тем, что за-
готовка и готовый профиль представляют собой тела
вращения. Наиболее перспективным станом поперечной
прокатки является трехвалковый (рис. 281). Прокатку
на данном стане осуществляют дисковыми или кониче-
в рабочей клети ста-
на под углом 120°
друг к другу. Каж-
дый валок может
перемещаться по-
перек своей оси
под действием ин-
дивидуального гид-
равлического ци-
линдра, причем это
перемещение авто-
матически происхо-
дит одновременно
на одинаковую ве-
личину для всех
валков.
Регулировка пе-
ремещения валков
для создания рас-
твора заданной ве-
личины между ни-
ми зависит от пере-
движного суппор-
та, на котором ук-
реплена копиро-
вальная линейка,
зажимом, в котором
закреплена заготовка, нагретая до температуры, близ-
кой к 1150° С. После этого суппорт передвигается под
действием гидравлического цилиндра и создает необхо-
димое натяжение по оси движения заготовки. Вместе с
тем сближают или разводят валки для получения соот-
ветствующего диаметра заготовки по ее длине.
На этих станах можно получать профили различной
конфигурации, причем переход с одного профиля на
другой осуществляется быстро.
Станы поперечной прокатки периодических профи-
лей классифицируют по диаметру выпускаемых изделий
Суппорт снабжен вращающимся
558
(от 10 до 120 мм). В соответствии с этим станы называ-
ют стан 10, стан 120 и т. д.
Поперечной прокаткой накатывают зубья шестерен
между двумя вращающимися валками. При этом воз-
можны два способа обработки зубьев: с осевой подачей
обрабатываемой заготовки (прутковая прокатка) и про-
Рис. 282. Схема прокатки шестерни
с осевой подачей заготовки:
Z —заготовка; 2 —кольцевой ин-
дуктор; 3 — зубчатые валки; 4 —
прокатываемая шестерня
Рис. 283. Схема прокатки шестерни с
радиальной подачей валков:
1 — оправка; 2 — зубчатые валки; 3 —
ограничивающие диски; 4 — прокатыва-
емая шестерня
катка с радиальной подачей валков (штучная про-
катка).
Образование зубьев при прокатке с осевой подачей
заготовок осуществляется перемещением нагретой в
кольцевом индукторе заготовки между двумя вращаю-
щимися зубчатыми валками, модуль которых равен мо-
дулю прокатываемой шестерни (рис. 282). В начале
прокатки заготовка приводится во вращение дели-
тельным зубчатым колесом,’находящимся в зацеплении
с валками. После выхода из зацепления шестерня вра-
щается валками.
Диаметр заготовок для прокатки шестерен, устанав-
ливаемый опытным путем, близок к диаметру делитель-
ной окружности. Прутковую прокатку шестерен приме-
няют для обработки прямозубых и косозубых шестерен
с небольшими модулями (^6 мм) и диаметром
г=:200 мм.
При втором способе прокатки зубьев—с радиальной
подачей валков — нагретую до температуры прокатки
559
штампованную цилиндрическую заготовку помещают
между двумя вращающимися зубчатыми валками
(рис. 283). Заготовке сообщается принудительное вра-
щение с определенной скоростью, соответствующей пе-
редаточному числу между валками и прокатываемой
шестерней, а затем валки сближают. При этом их зубья
углубляются в заготовку и образуют впадину в прока-
тываемой шестерне. Вытесняемый зубом валка металл
Рис. 284. Стан для прокатки шаров:
I — рабочая клеть; 2 — вводной желоб; 3 — универсальный шпиндель;
4 — электродвигатель; 5 -» главный шпиндель; в — редуктор; 7 — шесте-
ренная клеть
течет в головку зуба шестерни. Полученные на заготов-
ке зубья, обкатываясь в зацеплении с зубьями валков,
получают евольвентный профиль.
Двухвалковые станы винтовой прокатки широко при-
меняют в последнее время для прокатки стальных ша-
ров диаметром от 25 до 125 мм, так как потребность в
них из года в год возрастает в различных отраслях про-
мышленности. Общий вид специального стана для про-
катки шаров показан на рис. 284. Он подобен стану для
прошивки круглой заготовки в гильзу при производстве
бесшовных труб. Валки его, как и в прошивном стане,
вращаются в одном направлении, в результате заготов-
ка получает вращательное движение. Для осевого пере-
мещения заготовки оси валков располагают под неболь-
шим углом к оси прокатки. В валках стана нарезают
винтовые калибры. По характеру деформации калибр
валка можно разделить на формующий участок, где осу-
ществляются захват заготовки и ее постепенное обжа-
660
тие в шар, и отделочный участок, где придаются точные
размеры шару и происходит его отделение от заготовки.
Диаметр валков шаропрокатных станов приблизи-
тельно в пять-шесть раз больше диаметра прокатывае-
мых шаров; так, для шаров диаметром от 25 до 125 мм
применяют валки диаметром от 190 до 700 мм.
Так как за один оборот валков получается один шар,
то производительность стана определяется числом обо-
ротов валков. Исход-
ным материалом для
прокатки служат кру-
глые заготовки дли-
ной от 1,5 до 6 м, ди-
аметр которых не-
сколько меньше диа-
метра шара. Заготов-
Рис. 285. Фасонные профили, получаемые
методом гиба
ку нагревают до
~ 1000° С и по ввод-
ному желобу отправляют в валки стана. Выходящие из
другого конца стана шары сбрасывают в бункер, в ко-
тором они и охлаждаются.
Существует также ряд других станов специального
назначения, например станы для прокатки ребристых
труб, для накатки резьб и др.
Особой разновидностью специальных станов являет-
ся целая группа роликогибочных станов. На этих ста-
нах гнутые фасонные профили получают в результате
гибки полос в холодном состоянии. Получить такие тон-
костенные профили горячей прокаткой во многих слу-
чаях невозможно из-за сложности формы и быстрого и
неравномерного охлаждения тонкостенных профилей в
валках.
Сортамент гнутых профилей разнообразен. На
рис. 285 показаны некоторые наиболее характерные про-
фили, которые могут быть получены на роликогибочных
станах.
Оборудование для изготовления тонкостенных гну-
тых профилей аналогично оборудованию непрерывных
формовочных клетей трубосварочных станов. Процесс
гиба на этих станах не является процессом прокатки,
так как при прокатке в каждой клети изменяется не
только форма полосы, но и ее поперечное сечение, а при
гибе последовательно изменяется только форма попереч-
ного сечения полосы.
36—481
561
Очевидно, что в каждой паре роликов форму сече-
ния полосы можно изменить весьма незначительно. По-
этому для получения сложных профилей необходимо
применять многоклетевые роликогибочные станы, имею-
щие 6—20 и более клетей в одной линии.
Сложные тонкостенные профили можно изготавли-
вать также и методом штамповки листовой стали на
прессах, однако этот способ менее производителен.
ПРОКАТКА КОЛЕС И БАНДАЖЕЙ
Производство колес и бандажей является комбини-
рованным процессом, включающим ковку и прокатку.
Для железнодорожного транспорта изготовляют колеса
двух видов: цельные и составные. Цельные колеса изго-
Рис. 286. Последовательное
изменение заготовки (а) по-
сле основных операций: оса-
живания и прошивки (б);
штамповки (в); прокатки
(г); выгибания диска (д)
Рис. 287. Колесопрокатный стан:
положение валков в начале (а) и кон-
це (б) прокатки
тавливают литые и катаные. В случае раздельного из-
готовления бандажа и центра колеса называются со-
ставными, при этом центр может быть литым или ка-
таным.
662
В последнее время в транспортном машиностроении
предпочтение отдается цельнокатаным колесам, так как
они более надежны и прочны.
Для изготовления цельнокатаных колес и бандажей
используют сталь с 0,5—0,8% С.
Процесс изготовления цельнокатаных колес включа-
ет: 1) резку слитков на заготовки; 2) нагрев заготовки;
3) обжим и прошивку заготовки на прессе; 4) формовку
колесной заготовки на прессе; 5) прокатку на стане;
6) выгибку и калибровку колес на прессе; 7) термичес-
кую обработку 1рлес.
Слитки массой 3—5 т на специальных многосуппорт-
ных токарных станках разрезают на части соответствен-
но массе прокатываемых колес. Полученные таким об-
разом шайбы нагревают до 1150—1200° С, а затем оса-
живают и прошивают на прессе, после этого передают
заготовки на более мощный пресс (7000—10000 тс), на
котором штампуют черновые заготовки колес. Следую-
щая операция — прокатка колес на колесопрокатном
стане. После прокатки диски колес выгибают на прессе
для придания им большей жесткости. После этого коле-
са медленно охлаждают или подвергают изотермической
выдержке при 550° С. Остывшие колеса нагревают в
термических печах до 830—860° С, после чего закалива-
ют и отпускают. Затем следует окончательная операция
механической обработки колес.
Основные операции последовательной обработки за-
готовок показаны на рис. 286. На рис. 287 приведена
схема колесопрокатного стана с тремя вертикальными
валками (валок 1 — коренной, валки 2, 3—нажимные)
для обработки рабочей поверхности колеса. Торцовые и
внутренние поверхности обода обрабатывают двумя на-
клонно расположенными валками 4 и 5. Валки 6 и 7
являются направляющими роликами. Таким образом,
в обработке колеса одновременно участвуют семь вал-
ков, валки 1, 4, 5 являются приводными, остальные же
холостые.
В четырех холостых валках формируются поверх-
ность катания и реборда колеса. Наклонные валки фор-
мируют ступицу. При прокатке диаметр колеса увели-
чивается, в связи с чем только валок 1 установлен ста-
ционарно, а остальные валки раздвигаются специальными
гидравлическими устройствами. На рис. 287 показано
положение валков стана в начале и конце прокатки.
36*
563
На старых заводах из одного (единичного) слитка
получали один бандаж, на современных заводах банда-
жи и кольца изготовляют из крупных слитков, которые
разрезают на части. Полученные заготовки нагревают,
а затем на отдельных прессах осаживают и прошивают.
Бандажепрокатный стан (см. рис. 288) состоит из
двух вертикальных валков 1 и 2, двух наклонных 3 и 4
и четырех направляющих роликов 5. Для обработки ра-
бочей и внутренней поверхностей бандажа служат вал-
ки 1 и 2, а для торцовых по-
Рис. 288. Баидажепрокатиый стан:
положение валков в начале (с) и
конце (б) прокатки
верхностей — валки 3 и 4.
Валки 1,3 и 4 — приводные,
а валки 2 и 5 — холостые.
По мере увеличения диамет-
ра бандажа все валки раз-
двигаются относительно не-
подвижного валка 1.
После прокатки бандажа
на стане его растягивают на
прессе до кольца правиль-
ной формы нужного диамет-
ра. На специальном прессе
бандажи маркируют, после
чего их подвергают закалке
с последующим отпуском,
осматривают, испытывают
на твердость и сортируют,
а затем отправляют на
склад готовой продук-
ции.
Глава 4
КОВКА, ШТАМПОВКА, ПРЕССОВАНИЕ
И ВОЛОЧЕНИЕ
СУЩНОСТЬ И СОПОСТАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ
Прессованием называют процессы обработки метал-
лов давлением, при которых деформация происходит
под действием сжимающих сил. Все процессы прессова-
ния можно условно разбить на три группы. К первой
группе относятся процессы, при которых весь объем за-
готовки деформируется одновременно; например штам-
664
повка и ковка сразу всего изделия. Ко второй группе от-
носятся процессы, при которых деформации подвергается
лишь часть объема заготовки, при этом металл по-
ступает в очаг деформации периодически. К этой груп-
пе процессов также относится ковка и штамповка, но с
одного конца заготовки. К третьей группе относятся про-
цессы деформации части объема заготовки с непрерыв-
ным поступлением металла в очаг деформации — про-
цессы выдавливания металла в щели разного профиля,
т. е. прессование и волочение.
Как уже отмечалось ранее, свободную ковку целесо-
образно использовать при производстве единичных по-
ковок сложной конфигурации. К преимуществам ковки
по сравнению с другими способами обработки металлов
следует отнести ее универсальность в отношении массы,
формы и размеров заготовок; отсутствие затрат на до-
рогостоящую технологическую оснастку; возможность
использования сравнительно маломощных машин-ору-
дий благодаря концентрированному приложению усилий
ковки бойками в небольшом объеме деформируемого
металла.
Для массового производства поковок следует при-
менять штамповку, производительность которой в десят-
ки раз больше, чем свободной ковки, а необходимая ква-
лификация рабочих значительно ниже. Кроме того, при
штамповке достигается значительно большая, чем при
свободной ковке, точность размеров и чистота поверхно-
сти. Однако штамповка выгодна лишь в серийном про-
изводстве, потому что затраты на изготовление штампов
оправданы при выпуске значительного количества по-
ковок.
Производство прессованием профилей сложной фор-
мы и сечений часто оказывается более экономичным
процессом, чем штамповка их с последующей механиче-
ской обработкой. Это объясняется тем, что прессовани-
ем можно получить изделия требуемых размеров с ма-
лыми допусками и тем самым сократить до минимума
последующую холодную обработку заготовки. Кроме
этого, высокая пластичность деформируемых металлов
при прессовании благодаря всестороннему сжатию поз-
воляет использовать этот процесс как основной способ
производства изделий из цветных металлов и сплавов—
труб, прутков и профилей, отличающихся очень большим
сортаментом и малыми сериями. В последнее время в
565
связи с возникновением потребности в широком сорта-
менте профилей из малопластичных легированных ста-
лей, а также из титана и его сплавов применение прес-
сования значительно расширилось.
По сравнению с прокаткой труб, прутков и профилей
прессование имеет свои преимущества и недостатки.
К преимуществам процесса прессования следует отнес-
ти: трехосное сжатие, благодаря которому повышается
пластичность металла, и, следовательно, деформирова-
ние можно проводить с большими степенями деформа-
ции; быстрый переход с изготовления одного размера
изделий и форм на другие; возможность получения
сплошных полых профилей самых сложных очертаний.
К недостаткам прессования относятся: более высокие
потери на отходы; большая неравномерность механиче-
ских свойств по длине и поперечному сечению изделия,
сравнительно меньшие скорости истечения, а, следова-
тельно, и производительность.
ТЕХНОЛОГИЯ КОВКИ И ШТАМПОВКИ
Ковка и штамповка характеризуются большой нерав-
номерностью деформации, вызываемой контактным тре-
нием и другими факторами, влияющими на распределе-
ние деформаций по обрабатываемому телу.
Для оценки величины деформации при ковке и штам-
повке используют коэффициент уковки, который для слу-
чая осадки выражается так:
Кос=ад=я/л>1,
где Ft и К2—площадь сечения поковки, соответственно
до ковки и после нее.
Коэффициент уковки подсчитывают по размерам, ха-
рактеризующим основную деформацию, например при
осадке — по линейным размерам вдоль осадки или по
площадям, перпендикулярным направлению осадки.
При нескольких операциях ковки общий коэффици-
ент уковки равен произведению частных коэффици-
ентов
КобЩ = «•••
Общим коэффициентом уковки определяют полную
степень проковки стали. Так, для ликвидации следов
литой структуры и получения необходимых механичес-
566
Рис. 289. Инструменты, применяемые при свободной ковке:
а— бойки; б — обжимка; в — наметки, пережимки и раскатки; г — топоры;
д — прошивки
Рис. 290. Операции свободной ковки:
а — осадка; б, в — высадки; г — протяжка; д — разгонка; е — прошивка
567
ких свойств коэффициент уковки равен 3—5, однако на
практике он иногда достигает даже 20.
Задачей кузнечно-штамповочного производства яв-
ляется получение деталей необходимой формы и точных
размеров и с чистой поверхностью и заданными меха-
ническими свойствами в определенных направлениях.
Поэтому для получения более прочных изделий часто
приходится усложнять технологический процесс ковки
и штамповки.
Методом свободной ковки получают все крупные по-
ковки массой до 250 т и более. Мелкие и средние поков-
ки обрабатывают свободной ковкой небольшими пар-
тиями. Исходным материалом при свободной ковке слу-
жат слитки, блюмы, болванки и прутковые катаные за-
готовки.
При ковке литого металла структура изменяется ана-
логично ее изменению при прокатке.
Инструмент, применяемый для свободной ковки, по-
казан на рис. 289. Кроме рабочего инструмента (бойков
различной формы), используют также мерительный
(кронциркули, угольники) и вспомогательный (клещи,
вилки, патроны и т. д.) инструменты.
Наиболее характерные операции свободной ковки по-
казаны на рис. 290. Простейшей операцией является
осадка (рис. 290,а). При этой операции требуется, что-
бы бойки перекрывали заготовку. Вследствие трения бо-
ковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает
бочкообразную форму, что характеризует неравномер-
ность деформации. Повторяя осадку несколько раз с
разных сторон, можно привести заготовку к первона-
чальной форме или близкой к ней, получив при этом бо-
лее высокое качество металла и одинаковые его свой-
ства по всем направлениям.
Деформирование осаживаемой заготовки не по всей
высоте называется высадкой (рис. 290,6). Высадку мож-
но осуществить при нагреве только части заготовки, на-
пример в середине (см. рис. 290,6), либо ограничением
деформации на части заготовки кольцевым инструмен-
том (рис. 290,в).
Операция протяжки (рис. 290, г) заключается в на-
несении последовательных ударов и передвижении за-
готовки; при этом между бойками во время удара нахо-
дится только часть заготовки.
568
Большая деформация заготовки в направлении ее ши-
рины за счет перпендикулярного расположения оси за-
готовки относительно ширины бойков называется раз-
гонкой (рис. 290, д).
Внедрение инструмента в металл, в соответствии с
рис. 290, е, называется прошивкой.
Для разработки технологического процесса свобод-
ной ковки составляют чертеж поковки, отличающийся от
чертежа изделия допусками на размеры, припуском на
дальнейшую обработку и напуском, т. е. избыточным
металлом для упрощения сложных очертаний изделия.
По размерам поковки определяют массу заготовки:
Фзаг Оп Qotx “Ь Qyr "Ь Собе»
где Qn—масса поковки; QOtx — масса отходов; Qyr —
масса, соответствующая угару; Q06c — масса отходов при
обсечке.
Отходы от слитка составляют 25—30% (прибыль
20—25% и донная часть 5—10%). Угар составляет 2—
3% от массы заготовки на каждый нагрев и 1,5—2% на
каждый подогрев. Величина отходов обсечки зависит от
сложности поковок и способа их изготовления. Для про-
стых поковок они в сумме не превышают 5—8%, а для
отдельных сложных поковок достигают 30%.
Процесс свободной ковки может быть осуществлен
вручную, молотом или прессом.
Таким образом, разработка технологического процес-
са свободной ковки включает составление чертежа по-
ковки с назначением припусков, допусков и напусков;
определение веса и размеров заготовки; выбор кузнеч-
ных операций и необходимого инструмента; выбор ма-
шинного оборудования. Кроме этого, технологией пре-
дусматривается определение режима нагрева заготовки,
типа и размеров нагревательных устройств, а также со-
става рабочей силы и норм выработки. Результаты раз-
работки технологического процесса ковки фиксируются
в технологической карте.
Основными методами штамповки являются объем-
ный и листовой; штамповка бывает горячей или хо-
лодной.
При горячей объемной штамповке формообразование
поковок осуществляется в специальных инструментах-
штампах, рабочие полости (ручьи) которых допускают
569
течение деформируемого металла только в определен-
ном направлении и до определенных пределов, в резуль-
тате чего обеспечивается принудительное получение за-
данной формы и размеров поковки. Горячую объемную
штамповку широко используют в массовом и крупносе-
рийном производстве; в мелкосерийном производстве при-
меняют значительно реже. Горячей объемной штампов-
кой изготовляют поковки различной формы и размеров
из сталей, цветных металлов и сплавов. Общий техно-
логический процесс горячей штамповки складывается из
отрезки заготовок, их нагрева, собственно штамповки
(в несколько переходов или даже операций), отрезки об-
лоя и зачистки заусенцев, термической обработки, прав-
ки и калибровки и, наконец, отделки поверхности.
Объем и размеры заготовок при горячей штамповке
несложных поковок можно приближенно определять так
же, как и при ковке, но дополнительно следует учесть
металл, необходимый для образования облоя в откры-
том штампе.
Вес падающих частей молота или усилие пресса, не-
обходимое для горячей объемной штамповки, устанав-
ливают по справочным таблицам в зависимости от мате-
риала, размеров, веса и сложности форм штампуемых
поковок или рассчитывают по формулам.
Штамповка может быть осуществлена в открытых и
закрытых штампах. При штамповке в открытых штам-
пах поковка получается с облоем — некоторым избыт-
ком металла в исходной заготовке, вытесненным на за-
ключительной фазе процесса штамповки в облойную ка-
навку, состоящую из узкого зазора — «мостика» и рас-
ширенной части — «магазина» (рис. 291,а). Штампов-
ка в закрытых штампах является безоблойной'
Открытыми называют штампы (рис. 291,а), у кото-
рых вдоль всего внешнего контура штамповочного ручья
сделана специальная облойная канавка. Так как облой-
ную канавку делают очень узкой, то течение в облой ме-
талла затруднено и возможно только при значительном
давлении металла, находящегося в полости штампа. По
мере затекания металла в облойную канавку давление на-
растает и заставляет металл плотно заполнять все, да-
же очень небольшие и неудобные для заполнения эле-
менты формы ручья штампа, обеспечивая хорошее фор-
мообразование поковки. Для создания облоя массу за-
готовки при штамповке в открытых штампах несколько
570
увеличивают, отход металла в облой составляет в сред-
нем 10—20% от массы поковки.
Закрытыми или безоблойными называют штампы, в
которых металл деформируется в замкнутом простран-
стве (291,6). В отличие от открытых штампов, имеющих
поверхность разъема в виде плоскости, закрытые штам-
пы имеют разъем по сложной поверхности с направляю-
Рис. 291. Штамповка в открытом (а) и закрытом (б) штампах:
1 — верхняя половина штампа; 2— нижняя половина штампа;
3 ~ конфигурация поковки; 4 — магазин; 5 — мостик
щими, обеспечивающими точное соударение половин
штампа в конце штамповки. При безоблойной штампов-
ке расход металла уменьшается на 20%, кроме того,
исключаются’ затраты на обрезку облоя. Однако за-
крытые штампы для деталей сложной формы конструк-
тивно трудновыполнимы, дороги и быстро выходят из
строя. Кроме того, при безоблойной штамповке необхо-
димы точные соблюдение размеров заготовки и установ-
ка ее по центру ручья штампа, иначе возможен брак —
односторонние торцовые заусенцы и незаполнение фор-
мы штампа.
Холодной объемной штамповкой называется процесс
штамповки в открытых и закрытых штампах без нагре-
ва металла — это экономичный высокопроизводитель-
ный процесс изготовления небольших точных деталей
из стали и цветных металлов. Холодной объемной штам-
повкой получают детали по 4—3-му классам точности с
высокой чистотой поверхности, при этом металл упроч-
571
изготавливаемые холодной объемной штамповкой
Рис. 292. Детали,
Рис. 293. Операции холодной объемной штамповки:
1 — пуансон; 2—матрица; 3—изделие
няется (наклепывается) и его механические й физиче-
ские свойства изменяются.
Основными операциями холодной объемной штам-
повки являются объемная формовка, выдавливание
(прессование), калибровка, высадка и чеканка. Дета-
ли, изготовляемые с применением этих операций, по-
казаны на рис. 292.
Объемная формовка (рис. 293, а)—операция, при ко-
торой деталь получают обжатием заготовки в открытом
или закрытом штампе. Наиболее производительным ме-
тодом объемной формовки является штамповка изделий
из полосы («цепочкой») с последующей обрезкой их на
специальном штампе,
872
Холодное выдавливание — изготовление сплошных и
полых тонкостенных изделий из толстой заготовки вы-
давливанием металла в зазор между пуансоном и мат-
рицей. Эта операция выполняется прямым, обратным и
комбинированным способами (см. рис. 293,6, в, г). Из-
лишки металла, остающиеся на торцах деталей, обре-
зают.
Холодная калибровка применяется для получения
точных размеров и гладкой поверхности деталей, изго-
товленных горячей объемной штамповкой или другими
методами.
Холодная высадка применяется для образования ме-
стных утолщений заготовки требуемой формы, например
при штамповке головок болтов, заклепок, винтов и дру-
гих деталей.
Чеканка — операция, посредством которой образует-
ся выпукло-вогнутый рельеф на поверхности детали за
счет незначительного перемещения металла под штам-
пом, применяется в производстве монет, жетонов, меда-
лей и т. п.
Листовая штамповка — метод изготовления плоских
и объемных тонкостенных изделий из листового мате-
риала, ленты или полосы с помощью штампов на прес-
сах или без применения прессов (беспрессовая штам-
повка). Листовая штамповка может проводиться в хо-
лодном состоянии с нагревом (горячая листовая штам-
повка). Наиболее распространена холодная листовая
штамповка из полос толщиной 0,1—5 мм. Горячая лис-
товая штамповка производится, как правило, из полос
толщиной >5 мм.
Основные преимущества листовой штамповки: воз-
можность изготовления прочных, жестких, тонкостенных
деталей простой и сложной формы; высокая производи-
тельность, экономный расход металла и простота про-
цесса; относительная простота механизации и автома-
тизации процесса обработки.
Листовой штамповкой изготовляют детали прибо-
ров, велосипедов, мотоциклов, металлическую посуду,
рамы и кузовы автомобилей, детали самолетов, вагонов,
судов и т. д. Листовая штамповка широко распростра-
нена и применение ее непрерывно расширяется.
На рис. 294 показаны некоторые детали, полученные:
а — вырубкой и пробивкой, б — отбортовкой, в — гиб-
кой, г — вытяжкой и формовкой. Все операции листовой
573
Рис. 295. Разделительные операции листовой штамповки:
а ** резка; б — вырубка; в — пробивка; / — верхний нож; 2 — нижний нож.; 3 —
разрезаемый лист; 4 —упор; '5— пуансон; 6 —матрица; 7 — изделие нли по-
луфабрикат
штамповки можно классифицировать на разделительные
(отделение одной части заготовок от другой) и формо-
изменяющие (получение изделий сложной формы пере-
мещением элементарных объемов материала исходной
заготовки без ее разрушения). Применяют также сбо-
рочные операции (соединение отдельных деталей в об-
щий узел под давлением штампа).
К основным разделительным операциям относятся:
резка — последовательное отделение части металла по
прямой или кривой линии; вырубка — единовременное
отделение материала от заготовки по замкнутому кон-
туру, причем отделяемая часть является изделием; про-
бивка— получение отверстий отделением материала по
замкнутому контуру внутри детали (рис, 295).
574
к основным формоизменяющим операциям относятся
правка, гибка, вытяжка, протяжка, отбортовка и фор-
мовка (рис. 296).
Правка применяется для устранения неровностей и
искривлений плоских деталей после вырубки, пробивки,
а также для исправления отдельных элементов формы
деталей после гибки или других формоизменяющих опе-
раций. Так, например, плоские детали правят в штампах
с гладкими плитами (рис. 296, а).
Гибка бывает одноугловая (V-образная) и двухуг-
ловая— U-образная (рис. 296, б, в), а также многоугло-
вая.
Вытяжка — операция, превращающая плоскую заго-
товку в полую деталь или полуфабрикат (рис. 296,г).
е
Рис. 296. Формоизменяющие one*
рации листовой штамповки
/ — пуансоны; 2 — матрицы; 3 -*•
изделия или полуфабрикаты
575
Протяжка — вытяжка с утонением. Эта операция
применяется для изготовления полых тонкостенных дё-
талей (рис. 296,5).
Отбортовка и разбортовка — операции, соответствен-
но, для образования борта по наружному контуру заго-
товки или по контуру ранее выполненного отверстия
(рис. 296, е).
Формовка— изменение формы заготовки или по-
луфабриката посредством местных деформаций, напри-
мер, увеличение диаметра средней части полой детали
(рис. 296,ж). Раздачу средней части вытянутого ста-
кана осуществляют с помощью резинового вкладыша
или жидкости в разъемной матрице.
В технологии листовой штамповки обычно преду-
смотрены: подготовка материала, резка заготовок, де-
формирование металла, термическая обработка, отде-
лочные операции и нанесение защитных или Декоратив-
ных покрытий. Иногда в технологию включают свароч-
ные или сборочные операции.
На основе выбранных операций выбирают необходи-
мое оборудование и применительно к нему разрабаты-
вают конструкции штампов. Выбирая оборудование, в
первую очередь, учитывают возможность осуществления
на нем необходимых операций, его производительность,
возможность механизации или автоматизации процесса
обработки, основные параметры его технической харак-
теристики и т.д.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ процесс прессования
В настоящее время применяют различные методы и
способы прессования, в том числе прямое прессование
труб, прутков и профилей, обратное прессование прут-
ков и профилей, совмещенное прессование труб с про-
шивкой при закрытом контейнере, прессование профи-
лей переменного сечения, прессование с противодавле-
нием, вакуумное прессование.
Процесс прессования характеризуется следующими
основными параметрами: коэффициентом вытяжки, сте-
пенью деформации и скоростью истечения металла из
очка матрицы.
. Коэффициент вытяжки Z, определяют как отношение
площади сечения контейнера FK к площади сечения всех
отверстий матрицы Fa.
576
Степень деформации определяется как отношение
разности площадей контейнера и всех отверстий матри-
цы к площади сечения контейнера:
e = (FK —FM)100/FK%.
Скорость истечения металла из очка матрицы про-
порциональна коэффициенту вытяжки и может быть
определена по формуле
Рн = Г* = ton,
где г>п—скорость прессования, т. е. скорость движения
поршня и прессшайбы.
При всех процессах прессования вид напряженного
состояния в очаге деформации определяется тремя
главными нормальными напряжениями сжатия и иног-
да (в основном, у контактных поверхностей) двумя
главными нормальными напряжениями сжатия и одним
нормальным напряжением растяжения.
Кроме того, следует учитывать, что все процессы
прессования протекают при значительной неравномер-
ности деформаций. Прессование через многоканальную
матрицу характеризуется большей неравномерностью
деформаций по сравнению с прессованием через одно-
канальную матрицу без принципиальных отличий в
прохождении процесса. Основным условием успешного
применения прессования является правильный выбор
температурно-скоростного режима с учетом свойств
прессуемых металлов и сплавов.
Процесс прессования рассмотрим на примере прес-
сования прутка, схема которого показана на рис. 297.
Заготовку 1, нагретую до необходимой температуры
прессования, помещают в так называемый контейнер 2.
С одного конца контейнера в матрицедержателе 3 ус-
танавливают матрицу 4, которая имеет отверстие, соот-
ветствующее сечению прессуемого изделия 5. С другого
конца в контейнер входит пуансон 6, на конец которого
надевают прессшайбу 7, диаметр которой несколько
больше диаметра пуансона. Эта шайба предохраняет
пуансон от износа и уменьшает трение о втулку 8. Пу-
ансон через шайбу передает давление на заготовку и
тем самым заставляет металл вытекать из отверстия в
матрице, в результате чего образуется прессованное из-
делие 5. Для уменьшения охлаждения слитка втулку
8 перед началом прессования подогревают.
37—481
577
Основной инструмент для прессования труб и прут-
ков представлен на рис. 298. Видно, что в качестве
основного инструмента при прессовании применяют мат-
рицы, матрицедержатели, пуансоны, иглы, иглодержа-
тели, прессшайбы, втулки (рубашки-приемники) и дру-
гой инструмент, работающий в исключительно тяжелых
механических и температурных условиях. Вследствие
Рис. 297. Схема прессования прутка
Рис. 298. Инструмент для прессования:
а — матрица; б — пуансон; в —игла;
в — иглодержатель; д — прессшаЙба;
е — втулка контейнера
этого для изготовления рабочего инструмента применя-
ют специальные стали.
Матрицы для прессования прутков имеют одно или
несколько отверстий. Последние применяют для прессо-
вания изделий небольшого поперечного сечения.
При прессовании труб для прошивки отверстия в за-
готовке применяют иглы, которые устанавливают в иг-
лодержателе. Внутренний диаметр трубы определяется
диаметром иглы. Процесс прессования трубы проходит
в следующей последовательности. В начале прессова-
ния заготовка распрессовывается так, что заполняет
контейнер, затем слиток прошивается иглой, причем
выдавленная часть металла в момент распрессовки и
прошивки выходит из матрицы в виде прутка-пробки.
Размер пробки зависит от размеров труб. Так, напри-
мер, при прессовании труб диаметром более 250 мм
масса пробки может достигать 40% массы заготовки.
Для уменьшения размеров пробки используют следую-
щий технологический прием. Вместо матрицы устанав-
ливают глухую пробку, с которой прошивается слиток.
При этом вытесняемый иглой металл идет на увеличе-
ние длины слитка, В конце хода пробку убирают и в
578
матрице осуществляется окончательная допрошивка
слитка. В конце операции прессования в контейнере ос-
тается часть металла, называемая прессостатком, ве-
личина которого определяется размером изделий, свой-
ствами прессуемого металла или сплава, а также кон-
струкцией пресса.
Стальные трубы рекомендуется прессовать при мак-
симально высоких температурах и скоростях, так как в
этом случае меньше вероятность образования трещин и
расслоений. Поэтому скорости прессования стальных
труб достигают 5 м/с и более. Стальные трубы прессу-
ют со смазкой, так как при отсутствии смазки горячий
металл заготовки налипает на инструмент, а в местах
повышенного разогрева даже приваривается к нему.
В качестве смазки рекомендуется применять графито-
вую пасту. При прессовании труб из низкопластичной
стали используют металлическую смазку в виде тонко-
го слоя меди между вытекающим металлом и инстру-
ментом.
При прессовании труб из нержавеющей, жаропроч-
ной, жаростойкой и других высоколегированных сталей
и специальных сплавов в качестве смазки применяют
стекло. Применение стекла в два-три раза уменьшает
коэффициент трения по сравнению с графитовой смаз-
кой. При этом стекло является еще и теплоизолирую-
щим материалом.
Смазка, уменьшающая внешнее трение, должна на-
носиться на инструмент (контейнер, матрицу) равно-
мерным слоем, чтобы предотвратить тесное соприкосно-
вение трущихся поверхностей и сгладить шероховатости
на поверхности инструмента, кроме этого, она должна
выдерживать высокие температуру и усилия прес-
сования, чтобы надежно разъединять трущиеся по-
верхности. Указанным требованиям полностью удовлет-
воряют лишь твердые смазки. Однако ими трудно по-
крыть поверхности контейнера и матрицы, поэтому
порошкообразную твердую смазку связывают легковос-
пламеняющимися и быстро сгорающими жидкими ве-
ществами.
ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
К наиболее типичным машинам кузнечно-штампо-
вочных цехов относятся молоты, прессы и ротационные
машины. -
37*
579
Молоты применяют для всех операций свободной
ковки, а также для штамповки. По всей конструкции и
главным образом по характеру привода они весьма раз-
нообразны. На рис. 299 показаны принципиальные схе-
мы основных типов молотов.
Паровоздушные молоты (рис. 299, а) приводятся в
действие паром или сжатым воздухом, который подает-
Рис. 299. Схемы основных типов молотов:
а — паровоздушный; б — пневматический; в, д — механические;
е — гидравлический; ж — газовый; з — высокоскоростной
ся к молоту соответственно от паровых котлов или ком-
прессоров. Пар и сжатый воздух являются энергоноси-
телями. Пройдя по трубопроводам, энергоноситель по-
ступает в рабочий цилиндр. Действуя на поршень, он
разгоняет его и связанные с ним подвижные части до
7—8 м/с. Ударяя по поковке, подвижные части совер-
шают полезную работу. Обычно давление пара состав-
ляет 7—9 ати, а воздуха — до 7 ати.
В пневматических молотах компрессор как бы
встроен в машину. Сжатый воздух выполняет функцию
«пружины», связующей два поршня — рабочий и ком-
прессорный. Компрессорный поршень приводится в дви-
жение от кривошипного вала. При его ходе вверх воздух
680
над, ним сжимается и по верхнему каналу попадает в
рабочий цилиндр. Здесь он давит на рабочий поршень
и заставляет его двигаться вниз, разгоняя подвижные
части до удара.
В механических молотах подвижные части механи-
чески связаны с приводом. Такая связь может быть же-
сткой, гибкой или упругой. Так, например, в Молотах с
доской (рис. 299, в) ролики привода поднимают под-
вижные части вверх при помощи жесткой доски, соеди-
ненной со штоком и зажатой между роликами.
В пружинно-рессорном молоте (рис. 299, а) между
приводом и подвижными частями осуществляется упру-
гая связь за счет пружинящей рессоры.
В молотах с гибкой связью (рис. 299,5) подвижные
части, поднимаются вверх с помощью цепи, каната или
ремня, которые наматываются на ролик.
Гидравлические молоты (рис. 299, е) приводятся в
движение жидкостью высокого давления (водой или
маслом), которая действует на плунжер, связанный с
подвижными частями.
В газовых молотах (рис. 299, ж) на поршень дейст-
вует давление газов, образующихся в цилиндре в ре-
зультате вспышки топлива. По принципу работы они
напоминают обычные двигатели внутреннего сгорания.
В высокоскоростных молотах (рис. 299, з) создается
высокое давление газа — азота или воздуха с помощью
специальных гидравлических устройств. Энергия рас-
ширения газа используется для встречного движения
подвижных частей и двустороннего удара.
Рассмотренные типы молотов используют для вы-
полнения определенных технологических операций.
Любой молот состоит из следующих составных час-
тей: фундамента; шабота с рабочим инструментом; ста-
нины; падающих частей, основной деталью которых яв-
ляется баба молота; деталей управления.
При ударе молота по поковке происходит одновре-
менно несколько процессов. Подвижные части замедля-
ют движение, отдавая запасенную ими энергию."Часть
ее расходуется на совершение полезной работы, т.е. де-
формацию поковки. Оставшаяся энергия передается че-
рез поковку нижнему бойку и его основанию — шаботу.
Коэффициент полезного действия удара определяется отноше-
нием полезной работы деформации ко всей затраченной энергии!
1]=ЛполМ.
581
Учитывая только энергию, передаваемую шаботу, определим по-
лезную работу деформации:
Лдол ~ л — Лш.
Тогда к. п, д.
1Г) = (Д_71ш)/д= 1—ЛШМ.
Если масса падающих частей равна т, а скорость к моменту
удара г, то полная энергия подвижных частей равна Л=пи2/2.
Шаботу с нижним бойком в результате удара сообщается неко-
торое ускорение, и если масса шабота тш, то потери энергии Ат
в результате удара можно определить следующим образом:
Аш = 0,5(т + тш)^ш,
где г’ш — скорость движения шабота вниз.
Для определения скорости ош воспользуемся законом сохране-
ния количества движения при ударе. Тогда
mv = (ш + тш) гш,
откуда
ош -- - тоЦт + тш).
И, следовательно, формула для Аш примет вид
Лш = 0,5m2 v2l(m + тш).
Коэффициент полезного действия удара
»!= 1 —Лш/Л= 1— тЦт + тш).
Очевидно, что коэффициент полезного действия тем выше, чем
больше масса шабота.
В кузнечных цехах устанавливают и ротационные
машины, рабочий инструмент которых совершает не
возвратно-поступательное, а вращательное движение.
К таким машинам относятся ковочные вальцы, раска-
точные машины, роликовые, гибочные машины и неко-
торые другие.
По виду энергии привода прессы подразделяют на
гидравлические и механические.
Механические прессы характеризуются наличием в
приводе кривошипных механизмов, преобразующих
вращательное движение электродвигателей в возврат-
но-поступательное перемещение инструмента.
В современных гидравлических прессах усилие до-
стигает 75000 тс, а механических—10000 тс.
Рассмотрим работу гидропрессовой установки на
примере четырехколонного ковочного пресса, схема ко-
582
ние. 300. Схема ковочного гидравлического
пресса
торого представлена на рис. 300. Установка состоит из
пресса I, привода II, системы управления III и трубо-
провода IV.
Усилие от давления жидкости в рабочем цилиндре
1 через плунжер 2 передается к деформируемой заго-
товке через подвижную поперечину 9 и инструмент 6.
Реакции усилия цилиндра и нижней части инструмента
воспринимаются со-
ответственно верх-
ней поперечиной 4 и
нижней поперечиной
8, связанными колон-
нами 5 и гайками 3, 7.
Для подъема верх-
ней поперечины после
деформирования заго-
товки имеются подъ-
емные цилиндры 10.
Рабочий цикл гид-
ропресса состоит из
следующих периодов:
1) холостого хода —
подвижная поперечи-
на подходит к заго-
товке; 2) рабочего
хода — передвижение
поперечины заставляет деформироваться заготовку;
3) обратного хода — подвижная поперечина возвра-
щается в исходное положение.
Рабочий и обратный ходы пресса осуществляются с
помощью жидкости высокого давления, а холостой
ход — жидкостью низкого давления из закрытого бака
с жидкостью под давлением 4—8 ати или открытого ба-
ка, установленного выше уровня рабочего цилиндра.
Источником высокого давления жидкости может
быть насосный безаккумуляторный привод, насосно-ак-
кумуляторный привод или мультипликаторный привод.
При насосном безаккумуляторном приводе жидкость
подается в рабочие цилиндры непосредственно насосом.
При насосно-аккумуляторном приводе между насосом
и прессом устанавливают емкость, в которой скапли-
вается жидкость высокого давления. Аккумулятор мо-
жет за короткое время отдать запас накопленной жид-
кости, а затем постепенно возобновить его. Следова-
583
тельно, аккумулятор позволяет уменьшить установочные
мощности насосов, обеспечивая в нужный момент вы-
сокую скорость движения поперечины.
Мультипликаторы применяют при насосном безак-
кумуляторном или насосном аккумуляторном приводах
для дополнительного повышения давления жидкости пе-
ред подачей ее в рабочие цилиндры. Мультипликатор
обычно. состоит из двух цилиндров различных диамет-
Рис. 301. Схема горизонтального трубопрофильного пресса
ров. В большой цилиндр поступает жидкость от иасос-
но-аккумуляторной станции или насоса. Из малого ци-
линдра мультипликатора жидкость высокого давления
поступает в рабочий цилиндр пресса.
Мультипликатором может быть и одноплунжерный
насос, приводимый в действие от электродвигателя. Ход
такого насоса соответствует ходу пресса. Электрогидрав-
лические мультипликаторы применяют только для ма-
лых ковочных прессов с коротким рабочим ходом.
Гидравлические прессы бывают вертикального и го-
ризонтального расположения. Для примера рассмотрим
принципиальную конструктивную схему горизонтально-
го трубопрофильного пресса для прямого прессования,
представленную на рис. 301. Пресс состоит из рамы с
передней 1 и задней 2 поперечинами, связанными меж-
ду собой колоннами 3. На переднюю поперечину через
затвор 8 опирается мундштук 4 с примыкающим к не-
му контейнером 5. В задней поперечине смонтированы
гидравлические цилиндры для перемещения пресс-
штемпеля (главный и возвратные). Мундштук с матри-
цедержателем и матрицей для отделения прессостатка,
а также для смены матрицы и подачи изделия к отрез-
ным устройствам (пиле 10 или ножницам И) выводит-
ся из поперечины гидравлическими цилиндрами 6, смон-
684
тированными в раме приемного стола 7. Для вывода
мундштука из пресса по окончании прессования затвор
поднимают вверх с помощью гидравлического цилинд-
ра 9. Поскольку затвор нагружается значительными
усилиями, он опирается на поперечину через плиту, из-
готовленную из сталей повышенной прочности. Такая
конструкция прессов называется мундштучной.
Загрузка слитков в контейнер в большинстве случа-
ев осуществляется заталкиванием с помощью пресс-
штемпеля, при этом слиток размещается между контей-
нером и прессштемпелем и последний делает общий
ход, равный приблизительно двум длинам загружаемо-
го слитка. Имеются прессы (одноходовые), в которых
контейнер перед загрузкой надвигается на прессштем-
пель, в освободившееся пространство подается слиток,
на который затем надвигается контейнер.
В прессах небольшой мощности, предназначенных
для прессования алюминиевых сплавов, иногда ползун,
несущий прессштемпель, перед загрузкой слитка подни-
мается пневматическими цилиндрами вверх, освобож-
дая пространство для слитка. В этом случае пресс так-
же выполняется одноходовым. В некоторых конструк-
циях слитки загружаются в контейнер, выдвигающийся
в сторону.
Максимальной производительности с минимальными
затратами достигают изготовлением специализирован-
ных гидравлических прессов. Так, например, ковочный
пресс в отличие от штамповочного занимает большое
рабочее пространство, но рабочий ход и рабочие скоро-
сти его велики. Для прессования изделий через матри-
цу изготавливают преимущественно горизонтальные
прессы с целью получения изделий большой длины.
Типовая схема механического кривошипного пресса
показана на рис. 302. Пресс приводится электродвига-
телем 1. Малый шкив 2, сидящий на валу электродви-
гателя, передает вращение маховику 3 через клиноре-
менную передачу. Маховик закреплен на валу 4 не
жестко, а с помощью фрикционного предохранительно-
го устройства, которое может передавать с маховика на
вал крутящий момент, не превышающий вполне опреде-
ленной величины. Если крутящий момент превзойдет
допустимую величину, предохранительное устройство
начнет проскальзывать и тем самым защитит вал 4 и
следующие за ним элементы кинематической цепи от
685
перегрузки. Для остановки маховика служит тормоз 5,
который включается автоматически после выключения
электродвигателя. На другой конец вала 4 насажена
малая шестерня 6, находящаяся в зацеплении с зубча-
тым колесом 7. Внутри этого колеса смонтирована муф-
та включения. Шатун 8 передает движение коленчато-
го вала 9 ползуну 10. На другом конце коленчатого ва-
ла установлен тормоз 11 для быстрой остановки
кривошипно-шатунного меха-
низма пресса после выключения
муфты.
К ползуну пресса крепится
верхний штамп, а нижний
штамп устанавливают на столе
пресса. Для регулировки поло-
жения нижнего штампа по вы-
соте имеется двухклиновое уст-
ройство 12.
У кривошипных прессов ряд
важных преимуществ по срав-
нению с гидравлическими: они
дешевле гидравлических прес-
сов, позволяют получать точные
изделия с небольшими припус-
обработку и т. д.
В то же время у кривошипных прессов есть и недо-
статки: недостаточная универсальность, опасность за-
клинивания при работе и т. д. Однако даже с учетом
недостатков механические прессы благодаря своей про-
изводительности и удобств в работе применяют доста-
точно широко.
Рис. 302. Типовая схема ме-
ханического кривошипного
пресса
ками на дальнейшую
ТЕХНОЛОГИЯ ВОЛОЧЕНИЯ
Волочение осуществляют главным образом в холод-
ном состоянии и очень редко в горячем.
Степень деформации металла при волочении харак-
теризуется коэффициентом вытяжки X или коэффициен-
том обжатия е, выраженными в процентах:
л=/1//0 = ад; 8 = ^-^,
где /о и /ь Fo и Fi—соответственно величины длин и
поперечных сечений исходной заготовки и обработанно-
го изделия.
586
Обычно при волочении за один проход 1,3, а
^30 %. Большие обжатия выполняют волочением в не-
сколько проходов.
В результате волочения изменяются профиль, раз-
меры поперечного сечения и увеличивается длина заго-
товки.
Изготовление изделий круглого и фасонного сечений
волочением позволяет получать весьма высокую точ-
ность и чистоту поверхности изделий, которую невоз-
можно получить при прокатке. Механические свойства
протягиваемого металла при волочении также значи-
тельно изменяются вследствие наклепа (упрочнения).
Пронесс волочения широко используют для получения
проволоки диаметром от нескольких микрон до 10 мм
и более, при производстве труб различных диаметров,
а также для получения точных фасонных профилей.
Достигнуто значительное повышение стойкости волок
при больших обжатиях и скоростях волочения порядка
50—60 м/с, что обеспечивает высокую производитель-
ность волочильного оборудования.
Общий технологический процесс волочения состоит
из следующих операций: 1) предварительного отжига
заготовок для получения мелкозернистой структуры
металла и повышения его пластичности; 2) травления
заготовок в подогретом растворе серной кислоты для
удаления окалины, вызывающей повышенный износ
матрицы; 3) промывки заготовок и нейтрализации тра-
вильного раствора; 4) заострения концов заготовок в
ковочных вальцах или под молотом для пропуска
через отверстие матрицы и последующего захвата кле-
щами стана; 5) волочения; 6) отжига для устранения
наклепа; 7) отделки готовой продукции (обрезки кон-
цов, правки, резки на мерные длины и др.).
Для уменьшения трения в очке матрицы заготовки
смазывают минеральным маслом, эмульсией, графитом
или жиром. Смазка способствует получению чистой по-
верхности изделия и уменьшает расход энергии на во-
лочение. Для снижения усилия волочения применяют
также роликовые матрицы.
В ряде случаев, например перед волочением прово-
локи и тонкостенных труб из стали, проводят их омед-
нение погружением заготовок в слабый кислотный рас-
твор медного купороса. Инструментом для волочения
служат матрицы — волоки или фильеры, волочильные
587
доски, кольца и оправки из инструментальных сталей
и твердых сплавов. При волочении тончайшей проволо-
ки применяют алмазные волоки высокой твердости и
стойкости.
ВОЛОЧИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Волочильными станами называют машины, в кото-
рых изделие протягивается через очко (волоку), раз-
меры сечения которого меньше сечения исходной за-
готовки.
Волочильные станы в зависимости от принципа ра-
боты тянущего устройства могут быть двух видов: с
прямолинейным движением металла и с наматыванием
обрабатываемого металла на барабан. Станы с прямо-
линейным движением обрабатываемой заготовки (цеп-
ные и реечные волочильные) применяют для волочения
пли калибровки прутков, труб и других изделий, не
сматываемых в бунты. Станы с наматыванием металла
на барабан применяют для волочения проволоки, спе-
циальных профилей и труб небольшого диаметра. В за-
висимости от числа барабанов и характера их работы
эти станы бывают: 1) однократные; 2) многократные,
работающие со скольжением; 3) многократные, рабо-
тающие без скольжения; 4) многократные, работаю-
щие с противонатяжением.
Однократными называют волочильные станы, в ко-
торых волочение осуществляется в один проход, а мно-
гократными— станы, в которых металл подвергается
непрерывному волочению в несколько проходов.
В современных волочильных и калибровочных це-
хах устанавливают по 15—20 станов разной мощности
и различные агрегаты для выполнения всех технологи-
ческих операций, связанных с подготовкой металла к
волочению, термической обработкой, отделкой и, нако-
нец, упаковкой.
Цепные волочильные станы предназначены для во-
лочения прутков, труб и различных фасонных профи-
лей. Они отличаются только степенью механизации от-
дельных операций.
Волочильный цепной стан, представленный на рис.
303, состоит из станины 1, на одном конце которой ус-
тановлена стойка 2, в которой укрепляют волоку и не-
приводную звездочку 3, а на другом конце устанавли-
588
вают приводную звездочку 4. Между этими звездочка-
ми натянута бесконечная цепь 5, верхняя часть которой
движется по направлению от волоки к приводной звез-
дочке. Движение цепи осуществляется вращением звез-
дочки 4, которая приводится от двигателя 6 через ре-
дуктор 7.
По направляющим верхней части станины движется
на катках тележка 8 для захвата переднего конца ме-
Рис. 303. Волочильный цепной стан
талла, протягиваемого через волоку. На тележке смон-
тированы клещи 9 и крюк 10, который с помощью ры-
чага 11 зацепляется за палец одного из звеньев цепи.
Рычажную передачу между крюком и клещами обеспе-
чивает зажим клещами переднего конца протягиваемо-
го металла с силой, пропорциональной усилию волоче-
ния. Таким образом достигается захват обрабатываемо-
го металла.
Когда протягиваемый пруток пройдет через волоку,
тележка за счет упругих сил цепи получит импульс,
благодаря которому ее скорость станет несколько боль-
ше скорости движения цепи. При ускорении тележки
крюк 10 под действием груза 11 поднимается, освобож-
дая тележку от цепи. При помощи специального меха-
низма 12 тележка возвращается в исходное положение
к стойке волоки и процесс повторяется.
589
Усилие волочения у таких станов составляет от
500 кгс до 150 тс, длина волочения — от 25 до 50 м,
скорость волочения 0,5—1 м/с.
Реечный волочильный стан отличается от цепного
приводом и его расположением. В одном случае рейка
Рис. 304. Схемы волочильных станов, работающих со скольжением:
1 — двигатель; 2 — передаточные шестерни; 3 — волока; 4 — тяговые ролики;
5 — фигурка с проволокой; 6 — тяговый барабан
прикреплена к тележке, а привод установлен стацио-
нарно, в другом рейки закреплены неподвижно на ста-
нине стана, а привод установлен на тянущей тележке.
Станы со стационарным приводом строят для воло-
чения профилей больших сечений и одновременного во-
лочения нескольких прутков. Станы с подвижным при-
водом применяют только для волочения небольших се-
лений.
Волочильные станы однократного волочения с нама-
тыванием обрабатываемого материала на барабан ис-
пользуют главным образом для волочения проволоки,
прутков, некоторых специальных профилей и труб не-
большого диаметра. Изделия укладывают на барабане
только в один ряд, что ограничивает емкость барабана,
т, е. массу бунта.
Наиболее широко применяют в проволочном произ-
водстве машины многократного волочения, работающие
6W
со скольжением и без скольжения. На рис. 304, я пока*
зана схема стана со скольжением, у которого для уве*
личения скорости проволоки установлены передаточные
шестерни различного диаметра при одинаковых тяго-
вых роликах. На рис. 304,6 приведена схема стана, у
которого увеличение скорости проволоки происходит за
Рис. 305. Схемы волочильных станов, работающих без скольжения:
/ — волоки; 2 —тяговые ролики-барабаны; 3 — направляющие ролики; 4 — на-
тяжные ролики; 5 — пружины; 6 — уравнительные рычаги; 7 — зубчатые сек-
торы; 8 — реостаты
счет разности диаметров ступеней у роликов и за счет
того, что правый ролик делает больше оборотов, чем
левый.
Станы многократного волочения со скольжением,
как видно из приведенных схем, устроены весьма прос-
то, однако их устойчивость в работе может нарушаться
при износе волок. В результате происходят обрывы
проволоки. Кроме того, при скольжении проволока
может перерезать ролики. Поэтому для указанных
станов необходим тщательный расчет маршрутов воло-
чения.
5»!
Станы многократного волочения без скольжения бы-
вают непрерывно-петлевого, непрерывно-прямоточного
и магазинного типов.
У станов непрерывно-петлевого типа (рис. 305, а)
проволока последовательно проходит через волоку 1,
тяговый ролик 2, натяжной ролик 4, направляющий ро-
лик 3, снова через волоку и т. д. На тяговом ролике
всегда находится неизменное число (7—10) витков про-
волоки, что исключает ее скольжение по ролику.
Положение подвижного натяжного ролика зависит
от действия пружины 5 и усилия волочения, создавае-
мого тяговым роликом. Скорости тяговых роликов и,
следовательно, натяжение проволоки регулируются ав-
томатически при помощи натяжного ролика, уравни-
тельного рычага 6, зубчатого сектора 7 и реостата 8.
В зависимости от положения рычага реостата число
оборотов предыдущего электродвигателя уменьшается
или увеличивается, а следовательно, увеличивается или
уменьшается натяжение проволоки. Машины петлевого
типа работают с противонатяжением, создаваемым на-
тяжными роликами.
В непрерывно-прямоточных станах проволока пере-
ходит с одного ролика на другой без натяжных или на-
правляющих роликов, а скорости регулируются дейст-
вием усилия волочения на тяговые ролики. Такие ста-
ны применяют преимущественно для волочения
толстой проволоки.
У станов без скольжения магазинного типа (рис.
305,6) на барабанах 2 обычно имеется значительный
запас проволоки, что позволяет временно останавли-
вать и вновь пускать отдельные барабаны; не прекращая
работу всего стана. В случае остановки какого-ли-
бо промежуточного барабана запас проволоки на пре-
дыдущем барабане увеличивается, а работа последу-
ющего барабана продолжается пока имеется проволока
на остановленном барабане. Окружные скорости бара-
банов таких станов рассчитывают так, чтобы запас
проволоки на каком-либо барабане несколько превы-
шал количество проволоки, которое может протянуть
последующий барабан.
На многократных волочильных станах кратность во-
лочения принимают от 2 до 25 в зависимости от протя-
гиваемого металла, требуемых конечных размеров и
механических свойств проволоки.
592
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Королев А. А. Механическое оборудование прокатных цехов чер-
ной и цветной металлургии. М., «Металлургия», 1976. 544 с. с ил.
Целиков А. И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.,
Металлургиздат, 1962. 495 с. с ил.
Третьяков А. В., Зюзин В. И. Механические свойства металлов
и сплавов при обработке давлением. М., «Металлургия», 1973. 224 с.
с нл.
Залесский В. И. Оборудование кузнечно-прессовых цехов. М.,
«Высшая школа», 1967. 559 с. с ил.
Коновалов Ю. В., Полна Г. И., Савранский К. Н. Справочник
прокатчика. М., «Металлургия», 1977. 312 с. с ил.
38—481
Раздел V
СВАРКА И ПАЙКА
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРКЕ
Сваркой называют технологический процесс обра-
зования неразъемных соединений за счет образования
атомно-молекулярных связей между элементарными
частицами сопрягаемых деталей. Наибольшее промыш-
ленное значение имеет сварка металлов и их сплавов
в однородных и разнородных сочетаниях, но возможна
и сварка неметаллических материалов, таких как стек-
ла, пластмассы, керамики и т. п., между собой и с ме-
таллами.
Начало развития сварочной техники совпадает с рубежом XIX
и XX столетий. Первое время преимущественное значение имела га-
зовая сварка, которая начала внедряться в производство еще в XIX
веке, когда были разработаны методы промышленного получения
кислорода и ацетилена, найдены способы их хранения и транспорти-
ровки, создано надежное и безопасное сварочное оборудование.
В 1882 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос впервые предложил
способ электрической сварки плавлением, использовав для расплав-
ления кромок соединяемых деталей электрическую дугу с угольным
электродом. В 1888—1890 гг. русский инженер Н. Г. Славянов ис-
пользовал для дуговой электрической сварки металлический элек-
трод, служивший, одновременно присадочным металлом, н разрабо-
тал технологические и металлургические основы электродуговой
сварки. К этому же периоду относится н начало развития способов
электроконтактной сварки.
В дореволюционной России сварка не имела достаточного раз-
вития. 'Широкое промышленное применение сварка, главным обра-
зом электрической дугой, получила после Великой Октябрьской со-
циалистической революции.
С 1932 г. сварку стали применять в ряде объектов строительных
конструкций.
В Институте электросварки АН УССР под руковод-
ством акад. Е. О. Патона разработана автоматическая
и полуавтоматическая сварка под флюсом. В этом же
институте был разработан принципиально новый вид
электрической сварки плавлением, названный электро-
шлаковой сваркой. Ее используют для механизирован-
594
ной сварки вертикальных швов металла практически
неограниченной толщины.
С конца 40-х годов в ряде областей техники начали
применять способ автоматической сварки в среде арго-
на. В это же время в ЦНИИТМАШе был разработан и
внедрен в производство способ сварки в углекислом га-
зе. Значительное развитие получили и автоматизиро-
ванные методы контактной сварки. Дальнейшее разви-
тие сварки определялось разработкой новых материа-
лов с особыми свойствами и их применением в новых
отраслях техники: атомной энергетике, ракетостроении,
электронике и др. В связи с этим были разработаны и
внедрены в промышленность новые процессы: холодная
сварка, сварка трением, ультразвуковая сварка, сварка
и обработка материалов плазменной струей, электрон-
нолучевая, диффузионная сварка в вакууме, сварка лу-
чом оптического квантового генератора.
Применение новых методов сварки обеспечивает в
ряде случаев возможность получения сварных конст-
рукций с заданными расчетными размерами, не требу-
ющих последующей механической обработки.
Сварные конструкции обладают многими преимуще-
ствами по сравнению с клепаными. Применение свар-
ки уменьшает на 10—20% массу конструкций, сокраща-
ет трудоемкость и сроки изготовления. Существенным
преимуществом сварки является плотность швов, обес-
печивающая герметичность резервуаров, котлов, ваго-
нов, вагонов-цистерн, трубопроводов, корпусов судов.
Сварка позволяет соединять элементы, имеющие раз-
личную толщину и упростить технологию изготовления
сложных узлов и конструкций. Возможность механиза-
ции и автоматизации производственных процессов, вы-
сокое качество сварных соединений и рациональное ис-
пользование металла сделали сварку прогрессивным
высокопроизводительным и экономически выгодным
технологическим процессом.
Сущность процесса сварки и классификация ее спо-
собов. Образование неразъемного соединения при свар-
ке происходит за счет возникновения атомно-молеку-
лярных связей между контактирующими поверхностя-
ми. Для того чтобы эти связи возникли, необходимо
свариваемые поверхности сблизить на расстояние, соиз-
меримое с атомным радиусом. В реальных условиях
сближению поверхностей препятствуют микронеровно-
38*
595
сти, окисные и органические пленки, адсорбированные
газы.
Для получения качественного соединения необходи-
мо устранить причины, препятствующие сближению
контактирующих поверхностей, и сообщить атомам
твердого тела некоторую энергию, необходимую для
повышения энергии поверхностных атомов, которая на-
зывается энергией активации. Эта энергия может сооб-
щаться в виде теплоты (термическая активация) и в
виде упруго-пластической деформации (механическая
активация).
В зависимости от метода активации образование
связей между атомами соединяемых поверхностей про-
исходит в твердой или жидкой фазах. В соответствии с
этим все способы сварки можно разделить на две ос-
новные группы: 1) сварка пластическим деформирова-
нием (давлением); 2) сварка плавлением.
При сварке давлением сближение атомов и актива-
ция поверхности соединяемых материалов достигаются
в результате совместной упруго-пластической деформа-
ции. В процессе пластической деформации в поверхно-
стных контактирующих слоях выравниваются микроне-
ровности, разрушается адсорбированный слой и увели-
чивается число активных центров взаимодействия.
В результате атомы активизированных поверхностей
вступают во взаимодействие и между ними образуется
металлическая связь.
Методы сварки давлением разделяются на две под-
группы— термомеханические и механические.
Сварку давлением можно проводить без предвари-
тельного нагрева места соединения *, когда вводится
только механическая энергия или с предварительным
нагревом (контактная, диффузионная, газоярессовая),
когда наряду с механической вводится тепловая энер-
гия от внешних или внутренних источников теплоты.
Предварительный нагрев до пластического состояния
или до оплавления применяют для металлов и сплавов,
обладающих повышенным сопротивлением пластичес-
ким деформациям в холодном состоянии, что затрудня-
ет их совместное деформирование, так как требует
больших давлений на единицу поверхности. Нагрев ме-
1 Холодная сварка, сварка, взрывом, ультразвуковая сварка,
сварка трением.
696
талла при сварке давлением осуществляется либо за
счет дополнительных энергетических затрат (пропуска-
ние тока, сжигание газов, индуктирование в деталях
токов высокой частоты), либо за счет частичного преоб-
разования сообщаемой энергии в тепловую.
При сварке плавлением детали соединяют за счет
местного расплавления металла свариваемых элемен-
тов без приложения давления. Расплавляется либо
только основной металл
(изделия) по кромкам /——J \---------)
(рис. 306,а), либо ос- < ъИу 2 / (
новной и дополнитель- i Хзу <__-зЖ.--->
ный металл — электрод- а б
ный или присадочный
/п ~ Рис. 306' Скема поперечного сече-
ipnv. Оии, V). ний шва ПрИ сварке плавлением
Расплавленный ме-
талл образует общую
сварочную ванну, при этом достигается разрушение
окисных пленок, покрывающих поверхность соединяе-
мых элементов, и сближение атомов до расстояния, при
котором возникают металлические связи. После кри-
сталлизации металла образуется сварной шов, имею-
щий литую структуру. Для расплавления основного и
присадочного (электродного) металлов применяют ис-
точники теплоты с температурой не ниже 3000° С. В за-
висимости от характера источника теплоты различают
электрическую и химическую сварку плавлением.
При электрической сварке плавлением источником
теплоты служит электрический ток. Электрическую
сварку плавлением подразделяют на дуговую, при ко-
торой нагрев и плавление осуществляют за счет энер-
гии, выделяемой дуговым разрядом; электрошлако-
вую, при которой нагрев и плавление металла осуще-
ствляются за счет термической энергии, выделяемой
током, проходящим через расплавленный флюс (шла-
ковую ванну); электроннолучевую, при которой энер-
гия, расходуемая на нагрев и плавление металла в ме-
сте соединения, получается за счет интенсивной
бомбардировки быстродвижущимися в вакууме элек-
тронами; плазменную, при которой источником тепло-
ты является струя ионизированного газа. Особое место
занимает сварка лучом оптического квантового генера-
тора (лазера), при которой нагрев и плавление метал-
ла осуществляются мощным световым лучом. При хи-
597
мической сварке плавлением в качестве источника теп-
лоты используют экзотермическую реакцию горения
газов (газовую сварку) или порошкообразной горючей
смеси (термитная сварка).
Рассмотрим классификацию основных способов
сварки металлов по физическим признакам, т. е. по на-
личию давления, виду вводимой энергии и ее носителю,
К сварке плавлением относятся (термические про-
цессы без давления); дуговая, плазменно-дуговая, элек-
троннолучевая, электрошлаковая, лазерная, газовая,
термитная.
К сварке давлением относятся (термомеханические
процессы): контактная, индукционная: диффузионная,
термокомпрессионная. Кроме того к сварке давлением
относятся (механические процессы): холодная, ультра-
звуковая, взрывом, трением.
Глава 2
СПОСОБЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
ДУГОВАЯ СВАРКА
При дуговой сварке источником теплоты служит
электрическая дуга, горящая между свариваемым (ос-
новным) металлом и одним или двумя электродами.
В том случае, когда дуга горит между металлом и
электродом (рис. 307,а), для их нагрева и плавления
расходуется теплота, выделяемая в столбе дуги, а так-
же на анодном и катодном пятнах. Этот способ назы-
вается сваркой дугой прямого действия или зависимой
дугой. Сварку дугой прямого действия проводят как
без присадочного металла, так и с присадочным ме-
таллом, вводимым в дугу или укладываемым в раздел-
ку между кромками.
В том случае, когда дуга горит между двумя элек-
тродами, для расплавления основного металла исполь-
зуется теплота, выделяемая в столбе дуги, соприкаса-
ющимся с поверхностью свариваемого изделия. Этот
способ называют сваркой косвенной или независимой
дугой и применяют относительно редко (рис. 307,6).
На рис. 307, в показана дуга комбинированного дейст-
вия, когда разряд возникает между электродами, а
также между каждым электродом и основным метал-
598
лом. В этом случае два электрода подключены к раз-
ным фазам трехфазной сети.
При использовании дуги прямого действия различа-
ют сварку неплавящимся (угольным, графитовым или
вольфрамовым) электродом и плавящимся металличе-
ским электродом. При сварке неплавящимся электро-
дом шов образуется за счет плавления только основного
или основного и присадочного металлов. Для питания
Рис. 307. Виды сварочной дуги
дуги применяют постоянный и реже переменный ток.
Сварку угольным электродом выполняют только на по-
стоянном токе.
При сварке плавящимся электродом шов образуется
за счет расплавления основного металла и металла пла-
вящегося электрода. Дуга питается от источника пере-
менного тока обычной, повышенной и высокой частоты
или источника постоянного тока. Сварку на постоянном
токе можно выполнять при прямой и обратной полярно-
сти. При прямой полярности электрод соединяют с от-
рицательным полюсом источника постоянного тока, а
основной металл — с положительным; при обратной по-
лярности— наоборот. Дуговая сварка плавящимся элек-
тродом может быть ручной, полуавтоматической и авто-
матической.
Сварочной дугой называют стационарный, электри-
ческий разряд в газах и парах между находящимися под
напряжением электродами. Сварочная дуга характери-
зуется высокой температурой газов и большим током в
зоне разряда. Расстояние между электродами называ-
ют областью дугового разряда или длиной дуги.
В обычных условиях при нормальных температурах
газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не об-
ладают электрической проводимостью. Прохождение
599
электрического тока через газы возможно только при
наличии в них электронов и ионов. Процесс, при котором
из нейтральных атомов и молекул образуются заряжен-
ные частицы (ионы и электроны), называется иониза-
цией.
Зажигание дуги при сварке плавящимся электродом
начинается с короткого замыкания (соприкосновения)
Рис. 308. Схема электрической дуги
и распределение напряжений в ней:
1 — электрод; 2 — дуга; 3 — изделие
Рис. 309. Статическая характеристи-
ка дуги постоянной длины:
I — падающая; 11 — жесткая; 111—воз-
растающая
электрода с изделием. Ток короткого замыкания прак-
тически мгновенно расплавляет металл в месте контак-
та, в результате чего образуется жидкая перемычка.
При отводе электрода от изделия жидкая перемычка,
образовавшаяся между электродами, растягивается, ме-
талл перегревается и его температура достигает темпе-
ратуры кипения; пары металла и газы под действием
термо- и автоэлектронной эмиссии ионизируются — воз-
буждается дуга.
Электрическая дуга является концентрированным
источником теплоты. Полная тепловая мощность дуги
постоянного тока приближенно равна тепловому эквива-
ленту ее электрической мощности: Q =0,247U кал/с, или
<2д=7/д7д Дж/с (U — напряжение дуги, В; / — сила то-
ка, А; 0,24 — тепловой эквивалент электрической энер-
гии). Однако не вся мощность дуги расходуется на
нагрев и расплавление металла, часть ее теряется в ре-
зультате теплоотдачи в окружающую среду. При свар-
ке покрытым электродом от общей тепловой мощности
600
дуги на нагрев и плавление электрода расходуется при-
мерно 30 %, в окружающую среду теряется 20%, на нагрев
и плавление основного металла расходуется 50%. Та
часть мощности, которая расходуется на нагрев и плав-
ление электрода, а также основного металла, называет-
ся эффективной тепловой мощностью сварочной дуги:
кал/с. Здесь т) — коэффициент, представляю-
щий собой отношение эффективной мощности к полной.
Величина т] зависит от способа сварки и состава свароч-
ных материалов. Например, для автоматической сварки
под флюсом т]=0,9, ручной дуговой г] =0,8 и т. д.
Электрическая дуга состоит из трех областей
(рис. 308): катодной области (Ак), столба дуги (Вс) и
анодной области (La). Длина катодной области состав-
ляет 10~5, анодной области 10-3—10~4 см. Столб дуги
можно рассматривать как газовую плазму, находящую-
ся в термодинамическом равновесии. Это означает, что
средние кинетические энергии частиц, из которых со-
стоит атмосфера дуги (атомы, ионы, электроны), равны
между собой. Напряженность электрического поля в
столбе дуги относительно невелика, напротив, в при-
электродных областях в связи с образованием объемных
электрических зарядов1 напряжённость поля резко уве-
личивается.
Общее напряжение дуги равно сумме падений напря-
жений в ее отдельных областях: UR~UK-+-Uc+Ua==
— Ukm+EcLc, где UK.a — UK-{-Ua — общее падение на-
пряжения в катодной и анодной областях; Ес— напря-
женность электрического поля в столбе дуги; Ья — длина
дуги.
Электрические характеристики дуги определяют тре-
бования к сварному соединению, в частности к источни-
кам питания. В установившемся состоянии зависимость
между напряжением и током выражается статической
вольтамперной характеристикой дуги. На рис. 309 дана
статическая характеристика дуги при изменении свароч-
ного тока в широком диапазоне. При относительно ма-
лых плотностях тока (область I) напряжение дуги
уменьшается с увеличением силы тока и статическая ха-
рактеристика падающая. Это объясняется тем, что с
увеличением силы тока увеличивается электропровод-
ность и сечение столба дуги, а следовательно, уменьша-
1 Положительного у катода и отрицательного у анода.
601
ется падение напряжения в нем, в то время как сумма
катодного н анодного напряжений не изменяется.
С увеличением плотности тока (область II) электро-
проводность столба дуги изменяется незначительно, а
сечение его увеличивается пропорционально силе тока.
Эта область соответствует большинству применяемых
режимов сварки. Плотность тока в столбе дуги остает-
ся практически постоянной, сопротивление столба изме-
няется пропорционально силе тока и падение напряже-
ния в столбе не зависит от изменения силы тока. Сумма
катодного и анодного напряжений в этих условиях также
может быть принята постоянной.
При больших плотностях тока (область III) попереч-
ное сечение столба дуги не может увеличиваться с воз-
растанием силы тока, так как катодное пятно занимает
всю поверхность торца электрода. Температура и элек-
тропроводность столба дуги несколько увеличиваются,
но сопротивление изменяется незначительно. Падение
напряжения в столбе дуги возрастает с увеличением то-
ка. Эта область соответствует сварке закрытыми (под
флюсом) и защищенными (в газах) дугами при повы-
шенных плотностях тока.
Требования к источникам питания
для дуговой сварки
Сварочную дугу можно питать постоянным, а также
переменным током. К источникам питания постоянным
током относятся сварочные генераторы, выпрямители и
импульсные источники. Для питания переменным током
используют сварочные трансформаторы и' генераторы
переменного тока. В зависимости от количества питаемых
постов их разделяют на многопостовые и однопостовые.
Все источники питания для дуговой сварки должны удо-
влетворять ряду требований, отличающихся от требова-
ний, предъявляемых к обычным источникам питания.
Основным условием устойчивого горения сварочной
дуги является соответствие внешней характеристики ис-
точника питания статической характеристике дуги. Под
внешней характеристикой источника питания понимают
зависимость между силой тока в сварочной цепи и на-
пряжением источника.
На рис. 310, а показаны внешние характеристики ис-
точника питания 1 и статическая характеристика дуги 2,
602
Точка их пересечения с абсциссой 7Р и ординатой Up
соответствует установившемуся режиму работы.
Условие устойчивости работы системы источник —
дуга выражается в следующем виде:
К>0,
у V di dl Jip
где /Су—коэффициент устойчивости системы;
dUR dUK
и —s — соответственно производные уравнении
и! 01
статической характеристики дуги и ис-
точника питания в точке Ло-
При ручной дуговой сварке или при автоматической
сварке токами небольшой плотности характеристика
дуги обычно падающая или напряжение дуги не изменя-
ется с увеличением тока (области I и II, см. рис. 309).
Это значит, что для таких дуг
/<%7д) < о
\ di J'p""
Следовательно, для выполнения условия устойчивой
работы внешняя характеристика источника питания тоже
должна быть падающей и более крутой в рабочей точке
Ло, чем статическая характеристика дуги:
(дик\ <(дУц\ <0
1 д! ЛР Д di Jip *
При сварке постоянным током (рис. 310, б) в защитных
газах дуга имеет возрастающую статическую характери-
стику 4. Поэтому, как следует из приведенного выше урав-
нения, внешняя характеристика источника питания мо-
жет быть не только падающей 1, но и жесткой 2 или воз-
растающей 3.
При режиме, соответствующем точке пересечения
вольтамперных характеристик дуги и источника питания,
длина дуги автоматически поддерживается постоянной
в том случае, если скорость подачи электродной проволо-
ки постоянна. В случае возникновения возмущений по
длине дуги соответственно изменяется и ток. Например,
с изменением длины дуги с Ц до 12 (см. рис. 310, б) ток
уменьшается с Ц до 12. Скорость плавления проволоки
при постоянной скорости ее подачи уменьшается и длина
дуги восстанавливается. Это свойство дуги называется
саморегулированием.
603
По мере понижения напряжения холостого хода ис-
точника питания (жесткая 2 и возрастающая 3 харак-
теристики на рис. 310,6) одно и то же изменение дли-
идо дуги приводит к большому изменению тока и поэто-
му эффективность саморегулирования повышается.
Однако низкое напряжение холостого хода затрудняет
возбуждение дуги. Поэтому для сварки в защитных га-
зах более рациональны источники питания с жесткой
йли возрастающей характеристикой в рабочей части и
с повышенным напряжением холостого хода (пунктир 2
и 3 на рис. 310, б).
При сварке токами относительно малой плотности
интенсивность саморегулирования снижается. В этом
случае применяют автоматическое регулирование длины
дуги с помощью изменения скорости подачи -электродной
проволоки.
Кроме необходимых статических характеристик, ис-
точник питания должен обладать оптимальными дина-
мическими свойствами. При сварке плавящимся элект-
родом возбуждение дуги и перенос капель с электрода
на изделие связаны с замыканиями дугового промежут-
ка, в некоторых случаях с ее угасанйем и повторным
зажиганием после разрыва капли. Поэтому источник
питания работает в условиях резкого изменения режи-
ма: холостой ход — короткое замыкание (первоначаль-
ное возбуждение дуги) — рабочий режим (горение ду-
ги) — короткое замыкание (переход капель) — рабочий
режим и т. д. .
604
Динамические свойства источников питания опреде-
ляют скорость переходных процессов« и зависят от элек-
тромагнитной инерции источника. Чем выше динами-
ческие свойства источника, тем стабильнее процесс
сварки.
Наряду с рассмотренными свойствами источники пи-
тания для дуговой сварки дол-
Рис. 311. Внешние характе-
ристики источников питания
при различных методах ре-
гулирования тока
жны удовлетворять следующим
требованиям.
Напряжение холостого хода
источника питания должно быть
в пределах, обеспечивающих
безопасность сварщика, но до-
статочным для возбуждения ду-
Рис. 312. Схема осциллятора
ги. По нормам, принятым в Советском Союзе, напря-
жение холостого хода не должно превышать 80 В.
Источник питания должен быть рассчитан на работу
в режиме короткого замыкания и иметь устройства для
регулирования тока дуги.
Для нестационарных установок должна быть обес-
печена возможность легкой транспортировки источника
питания.
Настройку заданного режима сварки приводят од-
ним из следующих методов:
1. Изменением напряжения холостого хода (рис. 311,
а). При этом получают семейство внешних характерис-
* Скорость выхода на рабочий режим после вынужденных ко-
ротких замыканий и т. д.
605
тик для различных значений тока дуги при постоянном
напряжении. Этот метод неудобен тем, что при работе
на малых токах приходится сильно снижать напряжение
холостого хода и, наоборот, чрезмерно повышать его
при сварке большими токами. В первом случае ухудша-
ются условия возбуждения дуги, а во втором увеличи-
вается расчетная мощность источника питания.
2. Изменением крутизны внешней характеристики.
Напряжение холостого хода при этом остается постоян-
ным (рис. 311,6).
3. Комбинированный метод, при котором весь диа-
пазон регулирования разделяют на несколько ступеней.
Настройка на требуемую ступень осуществляется изме-
нением напряжения холостого хода, а внутри ступени —
изменением крутизны внешней характеристики при по-
стоянном напряжении холостого хода (рис. 311,в).
С целью облегчения зажигания дуги и при сварке на
переменном токе для повышения ее устойчивости ис-
пользуют источники высокого напряжения и высокой ча-
стоты— осцилляторы, включаемые параллельно свароч-
ному источнику питания.
Осциллятор (рис. 312) состоит из повышающего
трансформатора 7\ небольшой мощности (около300Вт);
разрядного колебательного контура, который включает
конденсатор Сь индуктивную катушку Ц, искровой раз-
рядник Р, и выходного контура, включающего индук-
тивную катушку L2 и защитный конденсатор С2.
Сварочные трансформаторы. Существуют две элект-
ромагнитные схемы сварочных трансформаторов: транс-
форматоры с нормальным (малым) магнитным рассея-
нием и дополнительным индуктивным 'сопротивлени-
ем— дросселем и трансформаторы с искусственно
увеличенным магнитным рассеянием.
Трансформаторы первой группы типа СТН и др. в
настоящее время промышленность не выпускает, одна-
ко нх еще используют на ряде предприятий. Сварочные
трансформаторы с дополнительным индуктивным сопро-
тивлением не имеют отдельного дросселя, их свойства
обусловлены повышенным индуктивным сопротивлени-
ем обмоток самого трансформатора. Сварочные транс-
форматоры с увеличенным магнитным рассеянием бы-
вают с подвижными магнитными шунтами и с подвиж-
ными обмотками. В первом случае обмотки неподвижны,
а шунты перемещаются между ними и изменяют рассе-
вов
яние, тем самым регулируя режим. Во втором случае
регулирование осуществляется в результате плавного
перемещения подвижной обмотки. Плавное регулиро-
вание режима в первом и во втором случаях может со-
четаться со ступенчатым секционированием вторичной
обмотки.
Сварочные трансформаторы с подвижными катушка-
ми, например типа ТС, ТД и др., предназначены для пи-
тания электрической дуги при ручной дуговой сварке,
резке и наплавке металлов однофазным переменным то-
ком частотой 50 Гн.
Для автоматической и полуавтоматической сварки
выпускают трансформаторы типа ТСД-500 — ТСД-2000
и СТ-100, СТ-1000 и СТ-2000. Эти трансформаторы вы-
полняют со встречным включением реактивной обмотки.
Источники постоянного тока можно разделить на две
группы: сварочные генераторы и сварочные выпрями-
тельные установки.
Сварочные генераторы. Падающие характеристики
у сварочных генераторов получают изменением потока
в воздушном зазоре под полюсами.
Существуют следующие типовые схемы сварочных
генераторов: у
1. Сварочные генераторы с намагничивающей обмот-
кой независимого возбуждения и размагничивающей по-
следовательной обмоткой.
2. Сварочные генераторы с самовозбуждением, име-
ющие намагничивающую параллельную и размагничи-
вающую последовательную обмотки возбуждения.
3. Сварочные генераторы с самовозбуждением, име-
ющие намагничивающую обмотку возбуждения в соче-
тании с использованием размагничивающего действия
реакции якоря. Кроме того схема сварочных генерато-
ров может быть комбинацией указанных типовых схем.
Промышленность выпускает сварочные преобразова-
тели с генераторами, схема которых соответствует пер-
вому типу. Это — ПСО-120; ПСО-ЗОО; ПСО-500, где чис-
ла обозначают максимальный ток. Сварочные преобра-
зователи с генераторами, схема которых соответствует
второму типу, имеют обозначения ПСО-ЗОО, АСБ-300-2;
ПС-500 и т. д.
' По третьей схеме выпускают преобразователи ти-
па ПСТ-350, ПС-500 и универсальный преобразователь
607
типа ПСУ-500. Эти преобразователи могут иметь
жесткие, а также падающие характеристики.
Выпрямительные сварочные установки собирают из
полупроводниковых, чаще всего селеновых и кремние-
вых элементов.
Применяют две типовые схемы: однофазную схему
двухполупериодного выпрямления и трехфазную схему
выпрямления.
Сварочные выпрямители с падающей внешней ха-
рактеристикой разделяют на выпрямители для ручной
и автоматической сварки под флюсом типа ВСС, ВКС,
БД-101 и В Д-301 и для дуговой сварки в среде защит-
ных газов неплавящимся электродом типа АП-1, АП-4,
АП-6,. дающие малые токи. Сварочные выпрямители с
жесткими и пологопадающими внешними характеристи-
ками типа ВС-300, ВС-500, ВС-1000 предназначены для
дуговой сварки плавящимся электродом в защитных
газах. Для них применяют селеновые элементы, так как
они менее чувствительны к перегрузкам, возникающим
при коротких замыканиях в процессе сварки.
Ручная дуговая сварка •
При ручной сварке пост состоит из источника пита-
ния сварочной дуги, сварочных проводов, электрододер-
жателя и электродов. Для защиты от излучения дуги и
брызг металла сварщик имеет защитный щиток или
маску и спецодежду.
Дуга зажигается в результате прикосновения конца
электрода, соединенного с одним полюсом источника
Рис. 313. Схема ручной дуговой сварки
металлическим покрытым электродом.
Стрелкой указано направление сварки
тока, к свариваемому
металлу, соединенному
с другим полюсом того
же источника, с последу-
ющим быстрым отводом
электрода на расстояние
3—4 мм. До зажигания
дуги напряжение между
электродом и сваривае-
мым изделием обычно
составляет не менее
60 В, в момент касания
электродом изделия на-
пряжение падает почти
608
до нуля, а при нормальном ее горении поддерживает-
ся в пределах 16—30 В в зависимости от длины дуги и
типа электрода.
Дуга горит между стержнем электрода 1 и основным
металлом 6 (рис. 313). Стержень электрода плавится и
расплавленный металл каплями стекает в сварочную
ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электро-
да 2, образуя газовую или газошлаковую защиту 3 дуги
и сварочной ванны, которая изолирует их от воздуха.
По мере движения дуги металл сварочной ванны затвер-
девает и образуется сварной шов 4. Жидкий шлак по
мере остывания образует на поверхности шва шлаковую
корку 5.
Основные типы сварных соединений
при ручной дуговой сварке
В зависимости от взаимного расположения сварива-
емых элементов существуют различные типы сварных
соединений. Наиболее распространенными из них явля-
ются стыковые (рис. 314, а), нахлесточные (рис. 314,6),
тавровые (рис. 314,в), угловые (рис. 314,а), торцовые
(рис. 314, д). Наиболее прочными и экономически вы-
годными являются сты-
ковые швы.
Чтобы обеспечить
полное проплавление
основного металла и
хорошее качество шва,
необходимо подгото-
вить кромки сваривае-
мых заготовок. Подго-
товка кромок заключа-
ется, во-первых, в очи-
стке места сварки от
окисных пленок, ржав-
чины, жира и прочих
6=4tZ6 8-1Zi60
Рис. 314. Типы сварных соединений
- при ручной дуговой сварке
Рис. 315. Типы подготовки кромок под
сварку:
у —стыковых; II — тавровых; Ш— на-
хлесточных; IV — угловых
39—481
609
загрязнений и, во-вторых, в скосе кромок, величины при-
тупления и зазора между кромками. Раскрытие кро-
мок и зазор необходимы для обеспечения провара всего
сечения, а притупление предотвращает прожог.
Конструктивные элементы подготовки кромок изде-
лия для ручной дуговой сварки регламентируются ГОСТ
5264—69, а для автоматической сварки — под флюсом
ГОСТ 8713—70. Вид под-
Рис. 316. Расположение швов в
пространстве:
а — нижиее; б — вертикальное; в —
горизонтальное; г — потолочное
готовки кромок зависит от
толщины свариваемых де-
талей, способа сварки, а
также технологических и
конструктивных особенно-
стей свариваемого изделия.
Наиболее распространен-
ные виды подготовки кро-
мок при ручной дуговой
сварке для различной тол-
щины металла представле-
ны на рис. 315.
Расположение швов в
пространстве. В зависимо-
сти от положения продоль-
ной и поперечной оси шва
в пространстве различают
сварку в нижнем, вертикальном, горизонтальном и по-
толочном положениях (рис. 316).
Большинство швов в заводских условиях выполняют
в наиболее удобном нижнем положении. Это достигается
в результате рационального проектирования конструк-
ций и применения манипуляторов или других приспособ-
лений, позволяющих за счет передвижения детали про-
изводить сварку в нижнем положении.
При сварке в вертикальном и горизонтальном поло-
жениях удовлетворительное формирование шва достига-
ется только при малом объеме сварочной ванны, когда
силы поверхностного натяжения в состоянии удержать
жидкий металл на свариваемых кромках. Сварку в по-
толочном положении применяют главным образом при
монтаже крупных конструкций и при выполнении ре-
монтных работ.
,. Режимы ручной дуговой сварки. Основными пара-
метрами режима ручной дуговой сварки являются на-
пряжение и сварочный ток. Диаметр электрода выби-
610
рают в зависимости от толщины свариваемого ме-
талла:
Толщина свариваемого изделия, мм . , 1—2 3 4—5 6—12 13
Диаметр электрода, мм.......... . 1,5—2,5 3 3—4 4—5 5*
* Указанные размеры могут быть и больше.
Правильный выбор сварочного тока имеет большое
значейие для качества сварки и ее производительности.
Производительность сварки определяется количест-
вом металла, наплавляемого в течение определенного
времени. В зависимости от сварочного тока и времени
сварки количество наплавляемого металла G=anIt.
Здесь G — масса наплавленного металла, г; I — свароч-
ный ток, A; t — время, ч; ан —коэффициент наплавки,
(г/А)-ч. При ручной дуговой сварке он равен 8—
12 (г/А) -ч.
Большой ток для электрода данного диаметра недо-
пустим, так как электрод и его покрытие перегреваются
в результате чрезмерного выделения джоулева тепла,
что приводит к повышенному разбрызгиванию металла
и снижению качества швов.
Оптимальную величину сварочного тока / устанав-
ливают экспериментально. Для электродов диаметром
3—6 мм I=kd, где k — коэффициент, зависящий от мар-
ки электрода и его диаметра.
Для электродов с покрытием и стержнем из низко-
углеродистой стали k=304-60 А/мм, для электродов со
стержнем из высоколегированной стали k=30-4-40 А/мм.
Повышение производительности процесса при ручной
дуговой сварке может быть достигнуто или применением
электродов больших диаметров (6—10 мм), что позво-
ляет увеличить сварочный ток, или применением элект-
родов с повышенным коэффициентом наплавки, напри-
мер за счет введения в состав покрытия порошка желе-
за (АНО-1 и ОЗС-З). Кроме того, можно проводить
сварку одновременно несколькими электродами (от
двух до шести), собранными в пучок.
Электроды и сварочная присадочная проволока. При
использовании плавящихся электродов необходимо:
1) стабильное горение дуги, спокойное и равномерное
расплавление электродного стержня и покрытия; 2) хо-
рошее формирование шва, получение металла шва
заданного химического состава; 3) минимальное разбрыз-
гивание электродного металла, легкая отделимость шла-
39*
611
новой корки с поверхности шва; 4) высокая производи-
тельность сварки; 5) сохранение технологических и фи-
зико-химических свойств электродов в течение опреде-
ленного времени; 6) минимальная токсичность, при из-
готовлении электродов и при сварке.
Стержень электрода изготавливают из сварочной
проволоки из сталей с пониженным содержанием вред-
ных примесей (например фосфора, серы и др.). При из-
готовлении электрода сварочную проволоку рубят на
куски длиной от 350 до 450 мм (металлические стерж-
ни), на которые затем наносят покрытие.
Стальную сварочную проволоку по ГОСТ 2246—70
выпускают 77 марок диаметром от 0,3 до 12 мм. Марки
сварочной проволоки разделены на три группы: 1) низ-
коуглеродистая (Св-08, Св-08А, Св-08АА, Св-08ГА, Св-
10ГА и Св-10Г2 и т. д.); 2) легированная (Св-18ХМА,
Св-10Х5М) и 3) высоколегированная (Св-08Х18Н9Т,
Св-30Х25Н10Г7 и т. д.). В обозначении марки проволоки
индекс Св означает — сварочная, первые цифры за ин-
дексом указывают содержание углерода в сотых долях
процента, буквы с последующей цифрой означают сред-
нее содержание различных элементов: Т —. титан, Г —
марганец, С — кремний, X — хром, М — молибден, Н—
никель, в процентах.
Сварочную проволоку применяют не только для из-
готовления электродных стержней, но и для автомати-
ческой дуговой сварки под флюсом, сварки плавящимся
электродом в среде защитных газов и как присадочный
металл при газовой сварке.
В качестве электродных стержней применяют также
и другие материалы; для сварки чугуна — литые чугун-
ные прутки по ГОСТ 2671—70; для сварки меди — мед-
ную проволоку марок Ml, МСР1 и др. по ГОСТ 16130—
72; для сварки алюминиевых сплавов проволоку АК,
АД, АМг и др. по ГОСТ 7871—75.
Все электроды классифицируются по типу покрытия,
химическому составу жидкого шлака, механическим
свойствам металла шва, способу нанесения покрытия и
назначению. Покрытие служит для стабилизации дуги,
защиты расплавленного металла от атмосферного воз-
действия и его легирования. Стабилизация дуги необхо-
дима, так как при сварке «голой» проволокой горение
дуги неустойчиво. Для повышения устойчивости в состав
обмазки вводят стабилизирующие компоненты; содер-
612
жащие обычно соединения щелочных или- щелочнозе-
мельных металлов. Если покрытие содержит только та-
кие компоненты, то оно называется тонким или стабили-
зирующим. Это покрытие не улучшает качества металла
шва1 и его используют для сварки неответственных из-
делий.
Для защиты металла шва от взаимодействия с воз-
духом в состав электродного покрытия вводят компо-
ненты, образующие при расплавлении шлаки и газы,
которые вытесняют воздух из зоны дугового разряда и
сварочной ванны. К газообразующим веществам отно-
сятся органические вещества и карбонаты (крахмал,
целлюлоза, мрамор, магнезит и др.). К шлакообразую-
щим относятся марганцевая руда, рутил (ТЮг), плави-
ковый шпат (CaFs), мрамор (СаСОз) и др.
При сварке металл может окисляться за счет кисло-
рода компонентов покрытия, а также за счет кислорода,
содержащегося в виде окислов и влаги на свариваемых
кромках. Поэтому в покрытие вводят раскислители —
ферромарганец, ферросилиций, алюминий и т. д. Кроме
того, в покрытие иногда вводят легирующие элементы,
чтобы получить требуемый химический состав и механи-
ческие свойства металла шва. В качестве связующего
вещества добавляют жидкое стекло, которое связывает
порошкообразные компоненты в обмазочную массу. Эту
массу наносят окунанием или опрессовкой на стержень
электрода. Затем электроды просушивают и прокалива-
ют. Электроды с такими покрытиями применяют для
сварки ответственных изделий.
Электродные покрытия можно разделить по хи-
мическому составу жидкого шлака на кислые и ос-
новные.
Кислые покрытия содержат марганцевую руду, ру-
тил и др. В шлаках кислых покрытий преобладает окись
кремния (SiOa). При плавлении кислых покрытий боль-
шая часть введенных в них ферросплавов окисляется
рудами; раскисление и легирование металла сварочной
ванны происходит за счет кремне- и марганцевосстано-
вительных процессов. Кислые шлаки не предохраняют
металл ванны от выгорания легирующих элементов, об-
ладающих большим сродством к кислороду, и не спо-
собствуют удалению фосфора,
1 Например, покрытие мелом.
613
Электроды с кислым покрытием применяют для свар-
ки углеродистых и низколегированных сталей.
Основные шлаки получаются при введении в состав
покрытия в преобладающем количестве мрамора и пла-
викового шпата. Эти шлаки обеспечивают достаточное
раскисление и предохраняют металл сварочной ванны
от выгорания легирующих элементов. Электроды с ос-
новным покрытием применяют для сварки легированных
и высоколегированных сталей.
Согласно ГОСТ 9466—75, по назначению электроды
подразделяют на четыре класса: 1) для сварки углеро-
дистых и легированных конструкционных сталей; -2) для
сварки легированных теплоустойчивых сталей; 3) для
сварки высоколегированных сталей; 4) для наплавки
поверхностных слоев с особыми свойствами.
Электроды для сварки конструкционных сталей СтЗ,
10, 20, 45, ЗОХГС и др. подразделяют на типы Э-42, Э-46
и т. д. в зависимости от механических свойств наплавлен-
ного металла. Числа в обозначении типа электрода обо-
значают минимальное гарантируемое временное сопро-
тивление разрыву металла шва.
Электроды для сварки теплоустойчивых сталей
(12МХ, 15ХМ, 20ХМФ) разделяются на типы Э-М,
Э-ХМ, Э-ХМФБ и т. д. в зависимости от химического
состава наплавленного металла. Буквы М, X, Ф и Б оз-
начают легирование молибденом, хромом, ванадием и
ниобием для повышения теплоустойчивости сварного
шва.
Электроды для сварки высоколегированных сталей
с особыми свойствами классифицируются, согласно
ГОСТ 10052—75, по структуре и составу металла свар-
ного шва. Электроды для сварки сталей’ аустенитного
класса обозначают индексом ЭА. Если имеются добавки
молибдена, ванадия, ниобия и других элементов, то их
обозначают соответственно ЭА-ЗМ6, ЭА-2Б и т. д. Элек-
троды ферритного класса обозначают ЭФ-Х11, ЭФ-ХЗО,
где буква Ф указывает на то, что сталь относится к фер-
ритному классу, а цифра означает процентное содержа-
ние хрома. Электроды для наплавки по ГОСТ 10051—75
обозначают буквой Н, указывающей на их назначение.
При делении этих электродов на типы за основу при-
нимали химический состав наплавленного металла и его
твердость. Так, например, тип ЭН-65Х11НЗ-33 означает
наплавочный электрод, дающий металл наплавки со
614
средним содержанием 0,65% С, 11% Сг, 3% Ni и с твер-
достью HRC 33.
Каждому типу электрода может соответствовать одна
или несколько марок электродов. Марка характеризуется
составом покрытия (УОНИ; ЦЛ-18 ЦЛ-10, АНО-3), его
технологическими свойствами (род и полярность тока,
возможность сварки в различных пространственных по-
ложениях) и свойствами металла шва.
Ручную дуговую сварку можно применять для изго-
товления конструкций из углеродистых, легированных и
высоколегированных сталей, а также из чугуна, медных
и алюминиевых сплавов толщиной от 1 до 50 мм. Свари-
вать можно в любых пространственных положениях
детали любой конфигурации с любой протяженностью
швов. Ручную дуговую сварку используют также для
наплавки.
В настоящее время в связи с развитием автоматиче-
ской и полуавтоматической сварки, имеющей большую
производительность, чем ручная, последнюю целесооб-
разно применять в монтажных условиях, когда требует-
ся выполнять швы в любых пространственных положе-
ниях, а также для сварки коротких и криволинейных
швов.
При изготовлении сварных конструкций в большин-
стве случаев применяют ручную дуговую сварку. Недо-
статком ручной дуговой сварки металлическим электро-
дом является в первую очередь малая производитель-
ность, которая определяется величиной сварочного тока.
Ток при ручной дуговой сварке ограничивается диаметром
электрода. При увеличении тока выше рекомендуемого
происходит перегрев стержня электрода, отслаивание
покрытия, разбрызгивание и угар металла сварочной
ванны. Кроме того, качество шва при ручной дуговой
сварке зависит от квалификации сварщика. Поэтому ав-
томатизация и механизация процесса дуговой сварки яв-
ляется одной из важнейших задач сварочной техники.
Автоматическая дуговая сварка под флюсом
При автоматической дуговой сварке обеспечивается
автоматическое зажигание дуги и поддерживается ста-
бильный режим ее горения. Подача электродной прово-
локи в сварочную ванну и перемещение электрода по
изделию механизированы.
615
Дуга при автоматической сварке под флюсом
(рис. 317) возбуждается между свариваемым издели-
ем 1 и голой электродной проволокой 2 и горит под сло-
ем флюса 3, поступающего в зону сварки из бункера.
Часть флюса-, окружающего дугу, расплавляется, обра-
зуя на поверхности расплавленного металла ванну жид-
кого шлака. Кристаллизующийся металл сварочной ван-
Рис. 317. Схема сварки
флюсом. Стрелкой указано
правление сварки
ны образует по мере передвижения дуги шов 4, покры-
тый коркой 5, легко отделяемый после сварки.
Флюс защищает дугу и сварочную ванну от атмос-
ферного влияния, обеспечивает хорошее формирование
шва, предотвращает разбрызгивание металла при
сварке.
Кроме того, при автоматической дуговой сварке ток
можно подводить в непосредственной близости к дуге,
что позволяет резко увеличить его плотность. Основны-
ми преимуществами автоматической дуговой сварки пе-
ред ручной дуговой являются: 1) увеличение скорости
сварки в 10—15 раз; 2) улучшение качества сварного
шва; 3) снижение расхода электродного металла;
4) улучшение условий труда.
Повышение производительности процесса обеспечи-
вается возможностью применения больших плотностей
токов, более полного использования теплоты в закрытой
зоне дуги, непрерывностью процесса и большей глуби-
ной проплавления.
Коэффициент наплавки при сварке под флюсом со-
ставляет 14—18 (г/А)-ч, а при ручной дуговой сварке
8—12 (г/А)-ч.
Свойства наплавленного металла повышаются за
счет надежной защиты флюсом, более медленного осты-
вания шва и отсутствия перерывов в процессе сварки.
Улучшается внешний вид шва за счет равномерного
расплавления металла.
616
Экономическая эффективность процесса сварки до-
стигается за счет снижения расхода электродного метал-
ла 1 и за счет уменьшения трудоемкости работ1 2.
Автоматическая сварка обеспечивает глубокое про-
плавление металла за один проход и большой объем
сварочной ванны, поэтому разделку кромок применяют
Рис. 318. Типы подкладок для автоматической сварки с использованием флю-
совой подушки (о), остающейся стальной подкладки, (б), медной удаляемой
подкладки (в) подварки корня шва (г)
главным образом для того, чтобы обеспечить заданную
высоту усиления сварного шва.
При расплавлении кромок деталей 1 на всю толщину
возможно вытекание сварочной ванны из стыка или про-
жог сварного шва (рис. 318). Для удержания сварочной
ванны и формирования корня шва применяют флюсовые
подушки 2, специальные подкладки 5, 4 или подварку
корня шва 5. Сварку под флюсом можно проводить пе-
ременным и постоянным током.
Для автоматической сварки под флюсом применяют
автоматические сварочные головки или самоходные
тракторы, перемещающиеся непосредственно по изде-
лию. Сварочный автомат (рис. 319) обеспечивает пода-
чу электродной проволоки в дугу и поддерживает по-
стоянный режим сварки.
Применяются две системы сварочных автоматов:
1) с зависимой скоростью подачи сварочной проволоки;
2) с независимой скоростью подачи сварочной прово-
локи.
В первом случае при установившейся длине дуги
проволока подается со скоростью, равной скорости ее
плавления. При случайном уменьшении длины дуги сис-
темы автомата срабатывают на уменьшение скорости
подачи проволоки, вследствие чего длина дуги и ее на-
1 Меньше потерь металла на угар, разбрызгивание и огарки.
2 Автоматизация и механизация .процесса.
617
сварки. Электродную
Рис. 319. Схема автомата для свар-
ки металлическим электродом:
1 — самоходная тележка; 2 — вер-
тикальная колонка; 3—пульт управ-
ления; 4 — кассета с проволокой;
5 — флюсовой бункер; 6 — механизм
подачи; 7 — токоподводящий мунд-
штук
пряжение возрастают и приходят к установленному
значению.
Во втором случае стабилизация процесса сварки осу-
ществляется за счет эффекта саморегулирования дуги.
Флюсы и электродная проволока для автоматической
олоку выбирают по ГОСТ
2246—70 в зависимости от
состава свариваемого мате-
риала.
Флюсы классифициру-
ют по способу изготовле-
ния, по химическому соста-
ву и по назначению. .
По способу изготовле-
ния флюсы делят на плав~
леные и керамические.
Плавленые флюсы получа-
ют в результате сплавле-
ния соответствующих ком-
понентов в электрических
или пламенных печах. Ох-
лаждают в воде, вследствие
чего происходит его грану-
ляция с последующим ме-
ханическим измельчением. Керамические флюсы приго-
тавливают с помощью замеса на жидком стекле соот-
ветствующих компонентов с последующим прокалива-
нием и гранулированием полученной массы.
По химическому составу флюсы делят на оксидные
и солевые. Оксидные флюсы могут быть разделены на
кислые нейтральные и основные в зависимости от содер-
жания в их составе кислых и основных окислов. К кис-
лым окислам относятся SiO2 и ТЮ2, к основным СаО,
MgO, МпО, FeO. Окисел А12О3 носит амфотерный харак-
тер. Если в составе флюса много SiO2, то А12О3 ведет
себя как основной окисел, если же флюс содержит мно-
го основных окислов, то А12О3 ведет себя как кислый
окисел.
В зависимости от содержания SiO2 флюсы делят на
высококремнистые, содержащие SiO2>40%, и низко-
кремнистые с содержанием Si02<40°/o- По содержанию
МпО флюсы разделяют на безмарганцевые, содержащие
МпО<1%, и марганцевые, у которых содержание МпО
превышает 1°/о.
618
Примером марганцевых высококремнистых флюсов
является ОСЦ-45, АН-348. Эти флюсы применяют для
сварки углеродистых сталей.
Низкокремнистые флюсы обычно применяют для
сварки легированных сталей, так как шлаки этих флю-
сов имеют нейтральный или основной характер и леги-
рующие элементы сохраняются в металле шва. Приме-
ром таких флюсов являются АН-22, АН-26.
Флюсы солевого типа являются бескислородными, их
приготавливают плавлеными, керамическими или в
виде механической смеси на основе компонентов, не
содержащих кислород, главным образом из фторис-
тых и хлористых соединений, и применяют для свар-
ки алюминиевых сплавов, титана и других активных
металлов.
Керамические флюсы изготавливают на основе мра-
мора, плавикового шпата, окислов алюминия, фторидов,
хлоридов. Шлаки керамических флюсов имеют основной
характер, что дает возможность вводить в металл шва
заданное количество легирующих элементов. Керамиче-
ские флюсы применяют при сварке некоторых высоко-
легированных сталей и цветных металлов.
По назначению флюсы подразделяют на три группы:
1) для сварки углеродистых, 2) легированных сталей и
3) цветных металлов. На основные марки плавленых
флюсов существует ГОСТ 9087—69.
Автоматическую сварку под флюсом применяют во
всех отраслях машиностроения и в строительстве преи-
мущественно для выполнения в нижнем положении пря-
молинейных и кольцевых швов. При этом толщина сва-
риваемого металла составляет от 2 до 100 мм. Свари-
вать можно углеродистые и легированные стали,
медные и алюминиевые сплавы.
Полуавтоматическая шланговая сварка. Полуавто-
матическая сварка отличается от автоматической дуго-
вой сварки тем, что при полуавтоматической сварке по-
дача электродной проволоки механизирована, но пере-
мещение ее вдоль свариваемых кромок осуществляют
вручную. Сварочную ванну защищают флюсом или за-
щитным газом.
На рис. 320 представлена схема полуавтоматической
сварки.
Электродная проволока из кассеты 1 по гибкому
шлангу 2 передается подающим механизмам 3 к держа-
1610
телю 4, из которого она поступает в зону сварки. Подвод
сварочного тока к держателю также осуществляется че-
рез гибкий шланг. Токопроводящие провода в гибком
шланге изолированы от электродной проволоки и ток
подводится только к концу электрода через токоподво-
Рис. 320. Схема установки для шланговой полуавтоматической
сварки
дящий мундштук, что обеспечивает возможность исполь-
зования больших плотностей тока. Держатель 4 состоит
из трубчатого мундштука с рукояткой, воронки для
флюса и пусковой кнопки. Если защита сварочной ван-
ны осуществляется газом, то к держателю подводится
шланг для подачи защитного газа.
В комплект установки входят шкаф управления 6 и
источник питания 5. Шланговые полуавтоматы предна-
значены для сварки проволокой диаметром не более 2 мм
токами до 600 А. Сварку проводят при больших плотно-
стях тока со скоростями от 20 до 30 м/ч при толщине
металла от 4 до 12 мм.
Полуавтоматическая шланговая сварка дает возмож-
ность выполнять короткие и криволинейные швы, кото-
рые нецелесообразно или затруднительно сваривать ав-
томатической сваркой.
Сварка в защитных газах
При этом способе зона сварки, сварочная дуга и
электрод защищаются газом, который предохраняет рас-
плавленный металл от воздействия атмосферного воз-
духа. Дугу, свариваемый металл и электрод защищают
неподвижной атмосферой защитного газа (сварка в ка-
мере) (рис. 321, а) или с помощью струи защитного га-
за, подающегося на место сварки специальной горелкой
(рис. 321,6).
К преимуществам дуговой сварки в среде защитных
газов относятся: 1. Высокое качество сварных соедине-
620
ний. 2. Отсутствие необходимости применения флюсов,
а’ следовательно, и последующей очистки швов от шла-
ков. 3. Обеспечение неизменности химического состава
металла шва при сварке в инертных газах. 4. Концен-
трированный нагрев, позволяющий обеспечить малую
Рис. 321. Схема установки для аргоно-дуговой сварки в закрытой кайере («)
и с обдувом аргоном на воздухе (б):
1 — камера с защитным газом; 2 — стол с изделием: 3 — горелка; 4 — газовый
электрический клапан; 5—механизм вращения; 6 — баллон с газом; 7 — ис-
точник тока; S —осциллятор
зону термического влияния и меньшую деформацию из-
делия. 5. Возможность соединения металлов толщиной
от 0,1 до 100 мм. 6. Возможность наблюдений за дугой.
7. Высокая производительность и возможность автома-
тизации процесса. 8. Возможность сварки в любых про-
странственных положениях.
Этот способ сварки может быть использован для сое-
динения углеродистых, низколегированных и высоколе-
гированных сталей, цветных сплавов, химически актив-
ных и тугоплавких металлов. Сварку можно осуществ-
лять неплавящимся и плавящимся электродом.
Наиболее распространенной разновидностью дуговой
сварки в защитных газах является сварка в среде арго-
на, гелия и углекислого газа. Иногда применяют смеси
инертных и активных газов, например аргона с кислоро-
дом, азотом, водородом или углекислым газом.
' Защитный газ выбирают с учетом чувствительности
свариваемых металлов к примесям, содержащимся в
газе.
• При сварке особо ответственных изделий и изделий
из химически активных металлов содержание примесей
в защитном инертном газе не должно превышать 0,02%.
Для других металлов требования к чистоте защитного
621
газа снижаются. При сварке сплавов на основе алюми-
ния и магния суммарное содержание примесей может
составлять от 0,05 до 0,1%, а при сварке низколегиро-
ванных сталей — от 0,1 до 3—5%.
В связи с тем, что гелий в десять раз легче аргона,
расход его при сварке со струйной защитой на 30—40%
больше, чем расход аргона. Напряжение дуги в среде
гелия в 1,5—2 раза выше, чем дуги той же длины, горя-
щей в аргоне, что объясняется более высоким потенциа-
лом ионизации и относительно высокой теплопроводно-
стью гелия. Поэтому при одном и том же токе дуга в гелии
обладает большей тепловой мощностью, чем дуга в ар-
гоне, и проплавляет металл на большую глубину. До-
бавка гелия к аргону повышает стабильность дуги и
увеличивает ее тепловую мощность. Это относится и к
добавкам водорода, способствующим, кроме того, улуч-
шению формирования шва.
В качестве неплавящихся электродов при сварке тон-
кого металла применяют прутки из чистого или из лан-
танированного вольфрама. Небольшие добавки лантана
повышают эмиссионную способность электрода, повы-
шают устойчивость дуги и уменьшают расход воль-
фрама.
Аргоно-дуговая сварка неплавящимся вольфрамо-
вым электродом. Технологические возможности дуги
при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом
зависят от рода тока. Когда применяют дугу постоян-
ного тока прямой полярности (отрицательный полюс
источника питания соединен с вольфрамовым электро-
дом), большая часть теплоты дуги расходуется на рас-
плавление основного металла. Если изменить поляр-
ность дуги, то на вольфраме, являющемся’анодом, вы-
деляется большое количество тепловой энергии, элект-
род сильно разогревается и быстро испаряется. При этом
уменьшается эффективность расплавления основного
металла, а дута становится неустойчивой. Так как это
вызывает необходимость снижать плотность тока, то
сварку дутой обратной полярности неплавящимся элек-
тродом на практике применяют редко.
Однако дуга обратной полярности обладает ценным
свойством — способностью очищать поверхность метал-
ла от окисных и нитридных пленок, а также других по-
верхностных загрязнений. Очищающее действие дуги
обратной полярности заключается в том, что в зоне ка-
622
годного пятна на поверхности изделия благодаря ка-
тодному распылению под действием бомбардировки по-
ложительными ионами разрушается окисная и нитрид-
ная пленка и удаляются другие поверхностные
загрязнения.
Это свойство дуги обратной полярности используют
для сварки на переменном токе неплавящимся электро-
дом сплавов на основе алюминия и магния. Поверхность
этих металлов покрыта тугоплавкой пленкой окислов и
нитридов, которые не расплавляются в процессе сварки
и препятствуют сплавлению кромок свариваемых эле-
ментов. В те полупериоды, когда изделие является ка-
тодом, происходит очистка его поверхности. В следую-
щем полупериоде усиливается расплавление основного
металла и уменьшается нагрев вольфрамового элек-
трода.
После возбуждения дугового разряда осциллятором
последний автоматически выключается и включается
генератор импульсов высокого напряжения (импульсный
стабилизатор), который в момент изменения полярности
подает на дугу импульсы напряжения около 300 В, что
облегчает восстановление дугового разряда.
Сварку неплавящимся электродом конструкционных
и нержавеющих хромоникелевых сталей, а также меди
и медных сплавов, титана, циркония, молибдена, танта-
ла, ниобия и серебра проводят обычно дугой постоянно-
го тока прямой полярности. Для сварки алюминиевых
и магниевых сплавов применяют переменный ток; удов-
летворительные результаты могут быть получены и при
сварке постоянным током обратной полярности. Однако
в связи с необходимостью снижения его величины про-
изводительность процесса существенно снижается.
Сварку в камерах выполняют вручную или автома-
тически. Схема камеры для автоматической сварки при-
ведена на рис. 321, а.
Из камеры 1 предварительно откачивают воздух до
остаточного давления 10~3—10~4 мм рт. ст., а затем ее
заполняют защитным газом. Для облегчения подвода
тока и защитного газа к сварочной горелке 3 она закре-
плена неподвижно. Для сварки кольцевых швов труб
или круговых швов (вварка торцовых заглушек в труб-
ки, донышек в цилиндры и т. д.) внутри камеры устанав-
ливают вращающийся стол 2 или патроны для крепле-
ния и вращения свариваемых деталей. В камере сделаны
«23
окна для наблюдения за дугой и сварочной ванной. За-
щитный газ можно подавать в камеру через сварочную
горелку или через клапан в стенке камеры. Для точной
установки горелки относительно свариваемого изделия
предусмотрено ее перемещение в вертикальном и гори-
зонтальном направлениях.
Для ручной сварки применяют камеры с двумя лю-
ками, в которые вмонтированы резиновые перчатки для
рук сварщика.
При сварке с использованием вольфрамовых элек-
тродов горелками без водяного охлаждения на постоян-
ном токе прямой полярности допустимая величина
тока /—80d. При сварке на переменном токе /=60d,
где / — сила тока, A; d — диаметр вольфрамового элек-
трода, мм.
Если горелка охлаждается водой, то допустимый ток
может быть увеличен на 20—30%. При сварке металла
толщиной 0,1—0,2 мм, силе тока 5—10 А конец вольфра-
мового электрода остро затачивают. К общим указани-
ям по сварке неплавящимся электродом относится не-
обходимость тщательной зачистки свариваемых кромок
от окалины, жиров и прочих загрязнений, которая осу-
ществляется механически или травлением.
Сварку плавящимся электродом в защитных газах
ведут с помощью автоматов и полуавтоматов.
Для сварки обычно применяют дугу постоянного то-
ка обратной полярности в связи с тем, что при сварке
дугой прямой полярности или переменного тока умень-
шается стабильность процесса и наблюдается разбрыз-
гивание расплавленного металла.
Характер переноса металла через дуговой промежу-
ток от электрода в сварочную ванну зависит от состава
металла, защитного газа, величины и направления тока.
При высоких плотностях тока капельный перенос пере-
ходит в струйный. При этом увеличиваются
давление дуги на сварочную ванну и глубина
проплавления основного металла. При струйном перено-
се металла дуга стабильна, кроме того, улучшаются
формирование и качество сварного шва.
Величина критического тока увеличивается с увели-
чением поверхностного натяжения расплавленного ме-
талла. Поверхностное натяжение в свою очередь можно
изменять добавкой к аргону других газов: при добавке
азота или водорода поверхностное натяжение и крити-
624
ческий ток увеличиваются, а при добавке кислорода
уменьшаются.
Одним из основных параметров, который при сварке
плавящимся электродом необходимо поддерживать по-
стоянным, является длина дуги. Дуга наиболее стабиль-
на при питании ее от источников тока с жесткой и воз-
растающей характеристикой.
Сварку плавящимся электродом в углекислом газе
используют для соединения углеродистых и низколеги-
рованных сталей.
Плавящийся электрод представляет собой низколе-
гированную сварочную проволоку сплошного сечения
или порошковую проволоку. Сварку проволокой сплош-
ного сечения ведут главным образом на постоянном токе
обратной полярности, так как при сварке на прямой по-
лярности наряду с отмеченными недостатками наблюда-
ется интенсивное образование пор. При сварке порошко-
вой проволокой можно использовать переменный ток,
так как в ее состав вводят вещества, стабилизирующие
горение дуги. В связи с тем, что при защите зоны дуги
углекислым газом часть его, нагреваясь, диссоциирует
по реакции СОг^СО+О с образованием окиси углеро-
да и кислорода, активно окисляющего металл, в свароч-
ную проволоку вводят раскислители — кремний и мар-
ганец. С использованием проволоки диаметром 0,6—
1,2 мм можно выполнять на полуавтоматах и автоматах
стыковые соединения металла толщиной от 0,8 до 3,0 мм,
кольцевые швы на цилиндрических поверхностях, тавро-
вые и угловые соединения.
Использование полуавтоматической сварки в угле-
кислом газе взамен ручной сварки покрытыми электро-
дами повышает производительность, обеспечивает лучшие
условия труда и снижает требования к квалифика-
ции сварщиков. Повысить производительность полуав-
томатической сварки в углекислом газе можно за счет
применения больших токов при увеличенном расходе
электродной проволоки и использования проволок боль-
шого диаметра.
ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА
При электрошлаковой сварке (рис. 322) расплавле-
ние основного 2 и присадочного 4 металлов осуществля-
ется за счет теплоты, выделяемой при прохождении :
40—481
625
электрического тока через расплавленный флюс 1. Для
электрошлаковой сварки используют плавленые флюсы
типа ФЦ-7, АН-348 и флюсы, содержащие CaF2, А120з.
При сварке легированных сталей применяют флюсы на
основе фтористого кальция. Флюс должен обеспечивать
легкое возбуждение, устойчивость процесса и хорошее
формирование поверх'
о----—к — ности шва. Кроме этого,
Рис. 322. Схема электрошлаковой
сварки
он способствует рафини-
рованию расплавленно-
го металла и защищает
его от окисления возду*
хом (см. раздел I). Об-
разовавшаяся ванна
жидкого металла 5 фор-
мируется специальны-
ми медными кристалли-
заторами 3, которые пе-
ремещаются по мере кри-
сталлизации сварочной
ванны.
Благодаря большому
объему ванны и боль-
шой длительности ее
пребывания
состоянии
всплывание
в жидком
облегчается
неметалли-
ческих включений и га-
зовых пузырей и удаление их из металла шва.
Обычно сварку начинают в прикрепленном к нижней
части стыка стальном или медном кокиле. Для того что-
бы вывести шлаковую ванну и предотвратить образо-
вание усадочных трещин и рыхлость в конце шва, на
изделии устанавливают выходные планки или медные
кокили длиной около 100 мм. Шлаковая ванна является
более распределенным источником тепла, чем электри-
ческая дуга. Расплавление основного металла происхо-
дит одновременно по всему периметру шлаковой ванны.
Кроме того, за счет принудительного формирования шва
можно получить большой объем сварочной ванны. Это
позволяет выполнять вертикальные швы, а также сва-
ривать стыковые соединения металла большой тол-
щины.
626
Электрошлаковую сварку производят одним или не-
сколькими проволочными или пластинчатыми электро-
дами, а также плавящимся мундштуком.
Сварку проволочными электродами применяют для
выполнения прямолинейных и кольцевых швов при тол-
щине металла до 500 мм. При этом используют специ-
альные автоматы, обеспечивающие подачу электродных
проволок и их поперечное перемещение в зазоре. Элек-
тродную проволоку выбирают по ГОСТ 2246—70 в за-
висимости от химического состава свариваемого изде-
лия. В качестве источников тока применяют специаль-
ные трансформаторы с жесткой внешней характеристи-
кой.
Пластинчатые электроды применяют для сварки пря-
молинейных швов небольшой протяженности (до 1,5 м).
В процессе сварки электродная пластина опускается
специальным механизмом. Этим методом сваривают за-
готовку толщиной более 500 мм. Недостатком способа
является необходимость использования мощных источ-
ников питания. На каждый пластинчатый электрод тре-
буется ток в 1500—2000 А.
Сварка плавящимся мундштуком является комбина-
цией процессов сварки проволочными и пластинчатыми
электродами: в зазор между свариваемыми изделиями
вводят мундштук, остающийся в процессе сварки не-
подвижным. Плавящийся мундштук имеет форму и раз-
мер свариваемого сечения. В мундштуке имеются отвер-
стия для направления электродных проволок в зону свар-
ки. Подбирая соответствующий химический состав про-
волоки и плавящегося мундштука, можно обеспечить за-
данный химический состав сварного шва.
Сварку плавящимся мундштуком применяют для вы-
полнения фигурных и криволинейных швов переменного
сечения весьма большой толщины.
Электрошлаковую сварку применяют при изготовле-
нии крупногабаритных конструкций, полых и сплошных
валов, различных сосудов (например, барабанов паро-
вых котлов), корпусных деталей мощных механических
и гидравлических прессов и прокатных станов, тяжелых
балок различного сечения, гидравлических турбин. Кро-
ме того, электрошлаковый процесс применяют для на-
плавочных работ и при переплаве легированной стали.
Затраты на выполнение 1 м шва по сравнению с ав-
томатической дуговой под флюсом примерно в 10 раз
40*
627
меньше за счет повышенной производительности (увели-
чение тока 1,5—2 раза), уменьшения расхода флюса и
упрощения подготовки кромок. Толщина свариваемого
металла практически неограничена.
СВАРКА ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ В ВАКУУМЕ
При электроннолучевой сварке энергию, необходи-
мую для расплавления металла, подводят к детали элек-
тронным лучом. Благодаря бомбардировке поверхности
изделия электронами и переходу их кинетической энер-
гии в тепловую происходит местный нагрев и плавление
материала. При перемещении кромок свариваемых дета-
лей под лучом образуется сварной шов. Можно переме-
щать луч вдоль неподвижных прямолинейных или кри-
волинейных кромок.
Для генерации электронного луча применяют высо-
кое напряжение — от 20 до 150 кВ. Сварку производят
в вакууме порядка 10~4—10~5 мм рт. ст. Величина тока
электронного луча составляет от нескольких миллиам-
пер до нескольких ампер.
На рис. 323 представлена принципиальная схема
электроннолучевой установки. Последняя представляет
собой устройство, с помощью которого получают узкие
электронные пучки с большой плотностью энергии. Тер-
моэлектронная эмиссия обеспечивается накалом воль-
фрамового катода (/), заключенного в кольцеобразный
формирующий электрод (5). Под ним расположен дис-
ковый анод 4 с центральным отверстием. Электрод 3
предназначен для формирования пучка электронов, ре-
гулирования тока электронного луча 2 и его модуляции
путем подачи импульсного управляющего напряжения
от импульсного генератора. Высокое напряжение между
катодом 1 и анодом 4 ускоряет электроны, а магнитное
поле регулировочных катушек 5, питаемых постоянным
током, направляет луч по оси пушки. Диафрагмой б
луч формируется, а магнитной линзой 7 фокусируется
на поверхности детали 8. С помощью отклоняющих ка-
тушек 9 луч можно перемещать по поверхности детали.
Электронный луч может фокусироваться на площади
диаметром до 0,001 см, чем достигается высокая удель-
ная мощность [до (15—50)• 107 Вт/см2]. Обрабатывае-
мую деталь устанавливают на стол 10 и перемещают мо-
торным приводом с равномерной скоростью,
,628
При электроннолучевой сварке обеспечивается высо-
кая концентрация нагрева, температура в пятне нагрева
достигает температуры испарения свариваемого мате-
риала. Это позволяет осуществлять пробивку отверстий
в таких материалах, как сапфир, рубин, алмаз и т. п.
Незначительная ширина зоны теплового воздействия
уменьшает деформацию
деталей.
Благодаря высокой
плотности энергии элек-
тронный луч может обеспе-
чивать глубокое проплав-
ление. Удается получать
сварные швы с отношени-
ем ширины к глубине до
1/20 и менее (рис. 324, а и
б). Как правило, при газо-
вой и дуговой сварке, где на-
грев осуществляется глав-
ным образом теплопереда-
чей от поверхностных слоев,
это отношение лежит в пре-
делах 1: 1 до 1:3. При
электроннолучевой сварке
с глубоким проплавлением
могут быть, например, сва-
Рис. 323. Схема электроннолучевой
установки:
рены одновременно три яс-сварочный ток; ИН — источ-
стыка детали (рис. 324, в). ник накаливания
Электроннолучевую сва-
рку применяют при изготовлении деталей из сталей,
легких сплавов, химически активных металлов (воль-
фрама, тантала, ниобия, циркония, молибдена). Сварку
рис. 324. Типы сварных соединений, выполняемых электроннолучевой сваркой
629
можно выполнять в однородных и разнородных сочета-
ниях металлов и неметаллических материалов со зна-
чительной разницей толщин, температур плавления и
других теплофизических свойств.
ОБРАБОТКА И СВАРКА МАТЕРИАЛОВ
ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ
В качестве источника теплоты для сварки и других
видов обработки материалов (резке, нанесения покры-
тий, термической обработки и т. д.) может быть исполь-
зована плазменная струя — поток ионизированных ча-
Рис. 325. Схемы дуговых плазменных головок
стиц, обладающий большим запасом энергии. Плаз-
менная струя создается в специальных устройствах —
дуговых плазменных головках (рис. 325).
При этом дуговой разряд 4 возбуждается в канале 2
между электродом 1 из вольфрама и соплом 5, охлаж-
даемым водой 3 (рис. 325,а). Канал электрически изо-
лирован от сопла и электрода. Вдоль дуги по каналу
пропускается газ — аргон, гелий, азот, водород и др. Газ
проходит через сопло, сжимая столб дуги, ионизируется
и выходит из сопла в виде яркосветящейся струй 6
(плазмы) с температурой 10 000—30000 К.
Различают дуговые плазменные головки с раздель-
ным соплом и каналом, со струей, выделенной из столба
дуги (см. рис. 325,а), с совмещенным соплом и кана-
лом, со струей, выделенной из столба дуги (рис. 325,6),
630
с совмещенным соплом и каналом, со струей, совпадаю-
щей с токоведущим столбом дуги (рис. 325, в). В первых
двух случаях плазменную струю используют как незави-
симый источник теплоты. Струя, совпадающая с токове-
дущим столбом дуги, используется для обработки толь-
ко электропроводных материалов.
Плазменной струей можно обрабатывать различные
материалы: металлы, полупроводники и диэлектрики.
Этот способ получил производственное применение для
сварки, резки, наплавки, нанесения покрытий и т. д.
Сварку плазменной струёй используют для соедине-
ния металлов и неметаллических материалов. Особенно
эффективно ее применение для тонколистового материа-
ла, включая тугоплавкие металлы и нержавеющие
стали.
Процесс резки осуществляют расплавлением и выду-
ванием расплавленного материала потоком газа; часть
материала испаряется. Плазменной струей можно раз-
резать цветные металлы и сплавы толщиной до 100 мм
и более, высоколегированные стали, тугоплавкие метал-
лы, керамику и т. д. Скорость резания зависит от пара-
метров процесса, толщины и свойства разрезаемого ма-
териала и для алюминия при толщине металла 6—15 мм
достигает нескольких сотен метров в час.
Широко применяют наплавку плазменной струей раз-
личных металлов (например, меди на сталь), а также
карбидов вольфрама и других тугоплавких металлов,
которые подаются в струю в виде порошка мелких фрак-
ций или проволоки. При наплавке плазменной струей
можно получать тонкий наплавленный слой, мало пере-
мешанный с основным металлом.
Наиболее важное применение плазменная струя на-
шла для создания защитных покрытий методом напыле-
ния на изделиях, работающих в агрессивных средах, при
высоких температурах и высоких скоростях газовых по-
токов, а также для изготовления различного рода дета-
лей из тугоплавких материалов. С помощью плазменной
струи могут быть получены покрытия из тугоплавких
металлов, боридов, силицидов, окислов и карбидов, а
также комбинированные покрытия.
Плазменной струей можно испарять материалы. Кон-
денсацией паров материалов, выходящих из плазменной
струи, получают монокристаллы полупроводниковых ма-
териалов и чистых металлов, таких как вольфрам, мо-
631
либден, ниобий и т. д. Плазменную струю можно исполь-
зовать для получения тонких металлических нитей, в том
числе нитей очень высокой прочности. Испарением с по-
следующей конденсацией можно получать мелкодисперс-
ные порошки как металлов, так и их соединений. При-
менение плазменной струи для обработки металлов рас-
смотрено в разделе VI, гл. 11.
ЛАЗЕР —ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СВАРКИ
И ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
Одним из новейших достижений в области сварки
и обработки материалов является применение оптичес-
ких квантовых генераторов — лазеров, дающих световые
лучи с высокой плотностью энергии. Они находят широ-
кое применение для сверхдальней связи, в медицине,
в металлургическом и сварочном производстве, при об-
работке материалов (пробивке отверстий, снятии метал-
ла, калибровке деталей), в химических процессах с
целью получения новых веществ и т. д.
Оптические усилители различают по двум признакам:
длине волны излучения и агрегатному состоянию. При
классификации по первому признаку усилители разделя-
ют на лазеры и мазеры. Первые работают в области ви-
димой части электромагнитного спектра (света), вто-
рые — в области инфракрасного излучения или радио-
частот. По агрегатному состоянию оптические усилители
разделяют на твердые с пульсирующим или непрерыв-
ным излучением и газовые с непрерывным излучением,
жидкостные (в качестве излучателя используют раство-
ры окиси неодима, красители и др.).
Продолжительность импульса — тысячные и миллион-
ные доли секунды. При работе в импульсном режиме
мощность в импульсе достигает нескольких киловатт,
при непрерывном излучении мощность не превышает не-
скольких милливатт. Последнее объясняется главным
образом проблемой охлаждения лазеров.
Лазерная установка состоит из генератора, блока пи-
тания, стола с конденсаторами и стереоскопического
микроскопа.
Генератор предназначен для преобразования энергии,
запасенной в блоке конденсаторов, в узконаправленный,
монохроматический, когерентный световой пучок.
632
Внутри осветительной камеры 1 находится кристалл
рубина 2 (рис. 326,а). Параллельно кристаллу установ-
лена импульсная лампа 3, к которой подведено высокое
напряжение. Внутренняя поверхность камеры отполиро-
вана и является отражателем света. В камеру подается
сжатый воздух для охлаждения кристалла рубина.
Оптическая система, слу-
жащая для формирования и
направления на место сварки
излучения испускаемого кри-
сталлом рубина, состоит из
призмы 4, линзы и сменного
объектива 5. Наведение на ме-
сто сварки (рйс. 326, б) осуще-
ствляется с помощью оптиче-
ского устройства, состоящего
из осветителя 6, призмы 7 и
конденсаторной линзы 8. Луч
света от осветителя проходит
через рубин и оптическую си-
стему генератора, имитируя
прохождение излучения от кри-
сталла. Стереоскопический микроскоп 9 используют для
наблюдения за местом сварки. Затвор 10 служит для
защиты глаз оператора в момент вспышки и приводится
в движение электромагнитом.
на места сварки
Рис. 326. Схемы лазерной
установки
Принцип действия лазеров, в частности н лазера описываемого
типа, объясняется при помощи квантовомеханической модели строе-
ния вещества .
Атомы вещества обладают в устойчивом состоянии минимальны-
ми величинами энергий, соответствующих определенным энергетиче-
ским уровням. Если атом переходит в какое-либо другое энергети-
ческое состояние, например в результате подвода энергии извне, то
такой атом называется возбужденным. В течение определенного вре-
мени атом может находиться в возбужденном состоянии, после чего
переходит на более низкий энергетический уровень или даже в ис-
ходное состояние. Каждый такой переход связан с излучением оп-
ределенного кванта электромагнитной энергии. Каждой разности
энергетических уровней соответствует определенная частота излуче-
нии (цвет в видимой части спектра). Если какой-то определенный
тип атомов совершает переход только между двумя энергетическими
уровнями, то излучение имеет только одну частоту, т. е. является
монохроматичным.
Кристалл лазера (розовый рубин) состоит из кристаллического
окисла алюминия А12О3 с добавкой хрома в соотношении 1000: 1.
Каждый из атомов хрома может иметь три энергетических уровня.
При включении облучающей лампы атомы хрома переходят в воз-
бужденное состояние, а затем, примерно через 0,05 мкс, — в проме-
633
жуточное энергетическое состояние. Освобождающаяся при, этом
часть энергии отдается кристаллической решетке окисла алюминия,
повышая его температуру. Через несколько миллисекунд возбуж-
денные атомы, беспорядочно излучая фотон красного света, могут
возвратиться из промежуточного энергетического состояния в ис-
ходное.
В лазерах первые самопроизвольно излученные фотоны взаимо-
действуют с ранее возбужденными атомами и стимулируют более
быстрый переход последних в исходное состояние с излучением но-
вых фотонов.
Это явление называют индуцированной эмиссией в отли-
чие от так называемой спонтанной эмиссии при флуоресценции.
Поток фотонов, параллельных оси кристалла, отражаясь последова-
тельно от его граней, непрерывно нарастает до тех пор, пока ин-
тенсивность его не станет достаточной, чтобы он смог пройти через
полупрозрачную торцовую грань.
Материалом для твердых лазеров может служить не
только рубин, но и стекло с добавкой неодима, фто-
ристый кальций с добавкой урана, фториды, барий или
кальций и некоторые другие материалы. Для газовых
лазеров используют смесь гелия и неона, аргон, криптон
или ксенон, заключенные в стеклянную герметичную
трубку. Возбуждение газовой среды осуществляется ра-
диочастотным электрическим полем.
Лазер является тепловым источником с примерно
такой же плотностью энергии, как и у электронного лу-
ча. Удельная мощность луча лазера при энергии 1 Дж,
длительности импульса 1 мкм-с и диаметре 0,12 мм рав-
на 9-10е Вт/см2. При уменьшении диаметра луча удель-
ная мощность может быть доведена до 1010 Вт/см2.
Однако коэффициент полезного действия современ-
ных лазерных установок с твердым кристаллом еще ни-
зок и не превышает 2%. В результате охлаждения кри-
сталла до —193ч—-203°С коэффициент, полезного дей-
ствия можно повысить в два-три раза, однако это суще-
ственно не улучшает работу лазера.
Лазер выгодно отличается от электронного луча тем,
что позволяет обрабатывать материалы в любой среде,
передающей лучи света: в вакууме, в атмосфере инерт-
ных газов, на воздухе. Можно обрабатывать детали, по-
мещенные в герметичные стеклянные ампулы или в ка-
меры. В последнем случае луч проникает в камеру через
стеклянное окно.
Луч с помощью зеркал или призм можно напра-
вить в труднодоступные для обработки места изде-
лия. Этот же метод можно использовать для обра-
634
ботки материалов в помещениях с высокой радиоак-
тивностью.
С помощью луча лазера можно получать интенсив-
ные и остронаправленные пучки света и концентриро-
вать энергию на очень малые площадки, равные тысяч-
ным долям миллиметра. Большая плотность мощности,
локальность нагрева, малая зона термического влияния
уменьшают деформацию изделий и позволяют выполнять
сварку вблизи термочувствительных элементов. Наибо-
лее целесообразно применение сварки лазером при по-
лучении микросоединений.
Лазерным лучом можно сваривать самые различные
композиции металлов, используемых в микроэлектрони-
ке: золото — кремний, германий — золото, никель — тан-
тал, медь — алюминий и др. Кроме того, лазер исполь-
зуют для резки кремниевых и германиевых пластин на
отдельные элементы. При резке применяют лазеры не-
прерывного действия. Применение лазеров для обработ-
ки металлов см. в разделе VI, гл. 11.
ГАЗОВАЯ СВАРКА
При газовой сварке металл нагревают высокотемпе-
ратурным газовым пламенем, которое получается при
сгорании горючего газа в атмосфере кислорода.
В качестве горючих газов можно использовать при-
родные газы, водород, пары бензина и керосина, нефтя-
ные газы, ацетилен и др.
Для сварочных работ получил наибольшее примене-
ние ацетилен, С2Н2, так как он обладает наивысшей теп-
лотворной способностью по сравнению с другими горю-
чими газами и дает самую высокую температуру при
сгорании, равную примерно 3200° С.
Ацетилен получают в специальных генераторах из
карбида кальция СаСг при его взаимодействии с водой.
Реакция протекает со значительным выделением тепло-
ты: CaC2-|-2H2O=Ca(OH)24-C2H24-Q. При разложении
1 кг карбида кальция образуется 250—300 л ацетилена.
Ацетилен взрывоопасен и поэтому применение его связа-
но с необходимостью строгого соблюдения правил тех-
ники безопасности. Ацетилен относится к непредельным
углеводородам, он легче воздуха, бесцветен и имеет сла-
бый эфирный запах. При избыточном давлении (свыше
1,75 ат) ацетилен становится взрывоопасным. Он хоро-
635
шо растворяется в ацетоне; в одном объеме ацетона
растворяются 23 объема ацетилена. Этим свойством аце-
тилена пользуются для хранения его в баллонах. Ацети-
леновые баллоны заполняют пористой массой (активи-
рованным углем), пропитанной ацетоном. Ацетилен на-
качивают в баллоны под давлением 15—16 ат и он
растворяется в ацетоне при нормальной температуре.
Рис. 327. Схема устройства и принцип работы ацетиленового генератора тина
ГНВ-1,25 (а), водяного затвора низкого давления (б)
В таком виде его хранение безопасно. Ацетиленовые
баллоны окрашивают в белый цвет.
Сварку проводят при непосредственном питании от
генератора или от ацетиленового баллона.
Ацетиленовые генераторы бывают различных систем
и размеров; их различают по способу взаимодействия
воды и карбида кальция, по давлению выходящего газа,
по производительности.
Генераторы бывают низкого избыточного давления —
от 0,01 до 0,1 ат, среднего — от 0,1 до 1,5 ат и высоко-
го — от 1,5 ат и выше.
Различают генераторы низкой производительности
(до 3 м3/ч), средней (10 м3/ч) и высокой (до 80 м3/ч).
В качестве примера иа рис. 327, а показана схема
устройства и работы передвижного генератора низкого
63в
давления марки ГНВ-1,25, работающего по принципу
«вода на карбид». Корпус генератора 1 разделен на две
части перегородкой 2. В корпусе генератора помещена
реторта 6, которая сообщается с нижней частью корпуса
посредством крана 4 и резинового рукава 5. На корпусе
генератора крепят водяной затвор 9, который соединяют
посредством крана 11, резинового рукава 12 и трубки 13
с газовым пространством генератора.
Перед началом работы в генератор заливают воду при закры-
том кране 4 и открытом кране 11. Водяной затвор через воронку 10
заполняют водой до уровня контрольного крана 8. Корзину 7 загру-
жают карбидом кальция и вставляют в реторту 6. При открывании
крана 4 вода по рукаву 5 поступает в реторту. Образующийся аце-
тилен поступает из реторты 6 по трубке 3 в нижнюю часть генерато-
ра. При этом ацетилен вытесняет воду из нижней части генератора
в верхнюю. Вода поступает в реторту, пока уровень воды в генера-
торе не понизится до уровня крана 4. При дальнейшем поступлении
ацетилена из реторты в газосборник давление в генераторе и реторте
будет повышаться медленнее, так как вода из реторты вытесняется
в конусообразный сосуд 14, открытый сверху. Из генератора аце-
тилен поступает на сварочный пост через трубку 13, рукав 12 и во-
дяной затвор 9.
Ацетилен, получаемый в генераторах, содержит вредные приме-
си; фосфористый и сернистый водород. Очистку ацетилена выполня-
ют специальной очистительной массой (гератоль), состоящей из ин-
фузорной земли, пропитанной раствором натрового хромпика и сер-
ной кислоты. Предохранительный водяной затвор 9 служит для пре-
дотвращения проникновения пламени и кислородно-ацетиленовой сме-
си в ацетиленовый генератор при обратном ударе. Он возникает,
когда скорость истечения газовой смеси становится меньше, чем ско-
рость ее горения, например при неправильной работе с горелкой,
перегреве н засорения ее сопла. Если при обратном ударе пламя или
кислород проникнет в ацетиленовый генератор, то произойдет взрыв.
Принцип действия водяного затвора низкого давления показан на
рис. 327, б. ,
Ацетилен по газоподводящей трубе 1 поступает в затвор, на-
полненный водой до уровня контрольного крана 3, и, пройдя через
слой воды, выходит через кран 2 к горелкам. Разность уровней В
открытой сверху предохранительной трубке 4 н затворе определяет
рабочее давление газа, питающего горелки. При обратном ударе го-
рение распространяется в камеру затвора через кран 2. Давление в
камере повышается и вода вытесняется в газоподводящую трубку 1
и предохранительную 4. Поступление газа от генератора прекраща-
ется. Вследствие понижения уровня воды в затворе нижний конец
предохранительной трубки обнажается, продукты сгорания выходят
в атмосферу н давление сбрасывается. Щиток 5 отражает воду, вы-
брасываемую из затвора, н возвращает ее назад в затвор.
Кислород. Кислород транспортируется к месту по-
требления в стальных баллонах под избыточным давле-
нием 150 ат, окрашенных в голубой цвет.
637
Водяная емкость баллона в среднем 40 л и при дав-
лении 150 ат он вмещает около 6000 л кислорода.
При обращении с кислородным баллоном необходи-
мо соблюдать правила техники безопасности, так как он
взрывоопасен. В цехе баллоны следует жестко закреп-
лять. Нельзя допускать загрязнения баллона, особенно
Рис. 328. Схема кислородного редуктора
обратного действия
его вентиля, маслами и
жирами, которые са-
мовозгораются в кис-
лороде. Баллоны с кис-
лородом не допускает-
ся ставить на расстоя-
нии ближе чем 5 м от
открытых источников
нагрева.
Для снижения дав-
ления газов на выходе
из кислородного и аце-
тиленового баллонов и
поддерживания посто-
янной величины рабо-
чего давления приме-
няют газовые редукто-
ры.
Кислородные ре-
дукторы понижают избыточное давление от 150 до 3—
15 ат, а ацетиленовые — от 16 до 0,2—0,5 ат.
На -рис. 328 показана принципиальная схема редуктора 1 об-
ратного действия. Для снижения давления газа используется клапан
б, управляемой гибкой мембраной 11, на которую с одной стороны
действует сила пружины 9, а с другой — давление газа. При изме-
нении давления газа в рабочей камере 8 редуктора мембрана дефор-
мируется в соответствующую сторону, щиток 12 приподнимает или
©пускает клапан 5, увеличивая или уменьшая площадь проходного
сечения редуцирующего клапана, что в свою очередь приводит к
уменьшению или увеличению давления газа в камере низкого дав-
ления. Открыванию клапана, кроме давления газа, препятствует
пружина 3, расположенная в камере высокого давления 4. Давление
газа на входе в редуктор и в камере низкого давления контролиру-
ется манометрами 2 и 7. На пружину 9 действует регулировочный
винт 10. Для предотвращения повышения рабочего давления в ре-
дукторе имеется предохранительный клапан 6. В редукторе прямого
действия газ до редуцирования действует под клапан, стремясь его
открыть, а в редукторе обратного действия — на клапан, стремясь
его закрыть. Наибольшее применение получили редукторы обратного
действия.
638
Сварочные горелки служат для образования газосва-
рочного пламени. Горелки бывают низкого и среднего
давления. В горелках среднего давления необходимое
смешение газов обеспечивается вследствие достаточно
большого избыточного давления ацетилена, порядка
0,25—0,5 ат. При низком избыточном давлении ацетиле-
на 0,01—0,05 ат используется принудительное засасыва-
ние ацетилена при помощи разрежения, создаваемого
Рис. 329. Принципиальная схема инжекторной горелки
кислородной струей на выходе из инжектора горелки.
Инжекторная горелка получила наибольшее распростра-
нение в промышленности, так как она более безопасна
в работе и может работать на низком и среднем давле-
нии ацетилена. Кислород под давлением 3—4 ат посту-
пает в горелку (рис. 329) и через ниппель, регулировоч-
ный вентиль и трубку 1 подается к инжектору 3. Выходя
с большой скоростью из узкого канала инжекторного
конуса, кислород создает значительное разрежение за
инжектором и засасывает ацетилен, поступающий через
ниппель и вентиль 2, а также ацетиленовые каналы го-
релки в камеру смешения 4, где и образуется горючая
смесь. Далее горючая смесь поступает по наконечнику 5
к мундштуку 6, на выходе из которого при сгорании об-
разует сварочное пламя.
Горелки этого типа имеют сменные наконечники
с различными диаметрами выходных отверстий инжек-
тора и мундштука, что обеспечивает возможность регу-
лирования мощности газосварочного пламени.
Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех основ-
ных зон (рис. 330).
Во внутренней части пламени 1 (ядре) происходит
постепенный нагрев до температуры воспламенения га-
зовой смеси, поступающей из мундштука. В зоне 2 про-
исходит сгорание ацетилена за счет первичного кислоро-
6Й9
Расстояние от мундштука
Рис. 330. Строение ацетилеио-кислород-
ного пламени н распределение темпе-
ратуры по его оси
да, входящего в состав газовой смеси С2Н24-О2ч^2СО4-,
;+Н2. Температура в этой зоне наивысшая. Она называ-
ется сварочной зоной и обладает восстановительными
свойствами. Зона 5, в которой за счет атмосферного кис-
лорода протекает вторая стадия горения ацетилена, на-
зывается факелом: 2СО-{-Н2-Г3/2О2^2СО2+Н2О.
В результате реакции
полного сгорания ацети-
лена образуются углекис-
лый газ и пары воды.
Газовое пламя может
быть нормальным, когда
соотношение газов О2:
:С2Н2«1. Нормальным
пламенем сваривают
большинство сталей. При
увеличении содержания
кислорода О2:С2Н2>1
пламя приобретает голу-
боватый оттенок и имеет
остро очерченное ядро.
Такое пламя является
окислительным и его ис-
пользуют только при
сварке латуни, так как при
таком характере пламени
избыточный кислород образует с цинком тугоплавкие
окислы на поверхности сварочной ванны, пленка кото-
рых препятствует дальнейшему испарению цинка. При
избытке ацетилена С2Н2:О2>1 пламя становится коп-
тящим, удлиняется .и приобретает красноватый-оттенок.
Такое пламя называется науглероживающим и его при-
меняют для сварки чугуна и цветных металлов.
Тепловая мощность газосварочного пламени опреде-
ляется расходом ацетилена (л/ч) и ее подбирают по эм-
пирической формуле Р=А&, где Р — расход ацетилена,
л/ч; б — толщина металла, мм; А — коэффициент, опре-
деляемый опытным путем.
Для углеродистых сталей А —100 л/(ч-мм), для ме-
ди Л = 150 л/(ч-мм), для алюминия Л=75 л/(ч-мм).
Присадочную проволоку для газовой сварки выбира-
ют по ГОСТ 2246—70 в зависимости от состава свари-
ваемого металла.
Существенным' отличием газовой сварки от дуговой
640
является более медленный и равномерный нагрев. Газо-
вую сварку целесообразно применять для соединения
сталей (толщиной от 0,2 до 5 мм), цветных металлов,
для подварки дефектов чугунного литья, для пайки и на-
плавочных работ.
При сварке цветных металлов, например алюминие-
вых и медных сплавов, применяют флюсы. Для сварки
меди и ее сплавов используют кислые флюсы (буру или
буру с борной кислотой). При сварке алюминиевых
сплавов применяют бескислородные флюсы на основе
фтористых, хлористых солей лития, калия, натрия и
кальция. В последнее время для сварки латуней исполь-
зуют газофлюсовую сварку, применяя в качестве флюса
эфир борной кислоты (ВОСНз) и т. п. При помощи спе-
циальной аппаратуры такой флюс подают в ацетилено-
вый канал сварочной горелки. Здесь он сгорает в пламе-
ни и в результате образуется борный ангидрид, связы-
вающий окислы цинка. Таким образом получается слой
шлака, препятствующий дальнейшему выгоранию цинка.
ГАЗОВАЯ РЕЗКА
процесса
резки
Рис. 331. Схема
кислородной
Газовой резкой называется процесс сжигания метал-
ла в струе кислорода и удаления этой струей образую-
щихся окислов.
Сгорание железа в кислороде протекает по реакциям
3Fe-|-2O2^Fe3O4-}-Qi, 2Fe-}-l,5O2—FegOa-j-Qa и Fe-|-
4-0,5 Ог = РеО-]-^з. Процесс резки
(рис. 331) начинается с нагрева ме-
талла 1 в начальной точке реза до
температуры воспламенения данно-
го металла в кислороде.
Нагрев осуществляют подогре-
вающим пламенем 5, которое обра-
зуется при сгорании горючего газа
в кислороде. Когда температура на-
грева металла достигает требуемой
величины, пускают струю режуще-
го кислорода 2.
Режущий кислород попадает на
нагретый металл и зажигает его.
При горении металла выделяется
теплота, которая вместе с подогре-
вающим пламенем разогревает ни-
жележащие слои, и горение распро-
41— 481
641
страняется на всю толщину металла. Образующиеся при
сгорании металла расплавленные окислы 5 увлекаются
струей режущего кислорода и выдуваются из зоны ре-
ва 4. Если перемещать резак по заданной линии с над-
лежащей скоростью, то форма реза будет соответство-
вать заданной конфигурации.
Газовой резке подвергают только те металлы и спла-
вы, которые удовлетворяют следующим условиям:
1) температура плавления металла должна быть выше
температуры его воспламенения в кислороде; 2) темпе-
ратура плавления окислов металла должна быть ниже
температуры плавления металла и температуры, которая
развивается в процессе резки. В противном случае туго-
плавкая пленка окислов будет препятствовать дальней-
шему окислению металла; 3) количество теплоты, выде-
ляющейся при сгорании металла в кислородной струе,
должно быть достаточным для поддержания непрерыв-
ного процесса резки; 4) теплопроводность металла не
должна быть слишком высокой. В противном случае
происходит интенсивный отвод теплоты и процесс резки
будет прерываться; 5) окислы должны легко выдувать-
ся кислородной струей.
Из рассмотренных условий следует, что лучше всего
подвергаются резке железо и малоуглеродистая сталь.
При содержании углерода выше 0,7% процесс газовой
резки затруднен, так как температура воспламенения
металла повышается и достигает значения температуры
плавления. Содержание легирующих примесей в стали
не должно превышать 5%.
Чугуны, медные и алюминиевые сплавы, высоколеги-
рованные хромистые и хромоникелевые стали не подда-
ются нормальному процессу резки. Чугун имеет темпе-
ратуру воспламенения, равную температуре плавления,
а высоколегированные стали и алюминиевые сплавы по-
крыты тугоплавкой пленкой окислов. Медные сплавы
имеют высокую теплопроводность.
Существуют три основных вида резки: разделитель-
ная, поверхностная и резка кислородным копьем. Разде-
лительную резку применяют для раскроя листов, резки
профильного металла, вырезки отверстий, фланцев и фа-
сонных заготовок. Поверхностную резку применяют для
удаления поверхностных дефектов литья, вырезки по-
верхностных канавок и т. д. Резка кислородным копьем
служит для прожигания глубоких отверстий в металле.
642
Резка может быть ручной и машинной. Для ручной
резки применяют универсальный резак типа УР
(рис. 332), имеющий сменные мундштуки.
Конструкция резака отличается от сварочной горелки
тем, что наконечник образует прямой угол со стволом
резака и имеется дополнительная трубка для подачи ре-
Рис. 332. Схема газового ре-
зака типа УР
жущего кислорода через центральное отверстие мунд-
штука.
Машинную резку выполняют на автоматах и полуав-
томатах, имеющих один или несколько резаков, позволя-
ющих проводить резку по сложному контуру.
Газо-кислородная резка находит широкое применение
почти во всех областях металлургической и металлооб-
рабатывающей промышленности.
Для металлов, не поддающихся обычной газовой рез-
ке, например высоколегированных хромистых и хромони-
келевых сталей, чугуна, меди, латуней и бронз, исполь-
зуют кислородно-флюсовую резку.
Процесс кислородно-флюсовой резки осуществляют,
вводя в зону реакции порошкообразные флюсы на же-
лезной основе. При сгорании флюса в кислородной
струе выделяется дополнительное количество теплоты,
повышается температура в зоне реакции, разжижаются
тугоплавкие окисли. В то же время частицы флюса, вы-
ходя из сопла резака с большой скоростью, механически
удаляют с поверхности реза тугоплавкие окислы. При
использовании смеси железного порошка с флюсующи-
ми добавками, кроме чисто термического действия по-
рошка и механического удаления окислов, наблюдается
и флюсование, т. е. перевод тугоплавких окислов в бо-
лее легкоплавкие соединения.
Флюс подают в место реза из специального бункера
в инжектирующее устройство вместе с режущим кисло-
родом через мундштук или по дополнительной трубке.
41
643
Для кислородно-флюсовой резки применяют специаль-
ные установки типа УФР и УРХС.
Кроме газовой резки, в промышленности применяют
плазменно-дуговую резку металлов и неметаллических
материалов, воздушно-дуговую и кислородно-дуговую
резку металлов.
При воздушно-дуговой и кислородно-дуговой резке
металл нагревается, до расплавления теплом дугового
разряда, а для его удаления или сжигания используют
струю воздуха или кислорода. Дуговые процессы осо-
бенно эффективны при резке компактных сечений ма-
лой площади, например отрезке мелких отливок от об-
щей литниковой системы и т. д.
Глава 3
СПОСОБЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ СВАРКА
Процесс электроконтактной сварки заключается в
сближении поверхностей свариваемых заготовок до та-
кого расстояния, при котором начинают действовать си-
лы межатомного сцепления. Для этого свариваемые за-
готовки нагревают до пластиче-
ского состояния или до оплавле-
ния. Нагрев заготовок в машинах
для контактной сварки осуществ-
ляется электрическим током, про-
ходящим через сварочный кон-
такт и части заготовок, прилега-
ющих к сварочному контакту.
Схема одного из способов элект-
роконтактной сварки — стыковой
2L
Рис. 333. Принципиальная
схема контактной сварки
сварки сопротивлением — пока-
зана на рис. 333.
Свариваемые заготовки 1 зажимают в электродах 2
(3 — токоподводяшие провода). Затем заготовки сбли-
жают, сдавливают с усилием Р и пропускают через них
сварочный ток. Количество выделяющейся теплоты по
закону Джоуля — Ленца: Q=0,24l2Rt, где Q — коли-
чество теплоты, выделяющейся. в зоне сварки, кал; I —
сила тока; A; R — полное электрическое сопротивление,
Ом; t — время протекания тока, с.
644
Полное электрическое сопротивление зоны сварки R
состоит из сопротивления сварочного контакта RK, со-
противления выступающих концов заготовок /?д и сопро-
тивления между электродами и заготовками R3: R =
Величина RK значительно превосходит электрическое
сопротивление любого другого участка зоны сварки, по-
этом}' место контакта нагревается наиболее сильно.
Высокое сопротивление сварочного контакта объяс-
няется тем, что при любой обработке торцов заготовок
касание их осуществляется не по всей поверхности,
а только в отдельных точках. При пропускании электри-
ческого тока плотность тока в этих точках контакта бу-
дет максимальной, и металл быстро нагревается до
пластического состояния или оплавления. При непрерыв-
ном сдавливании заготовок площадь контакта увеличи-
вается до тех пор, пока не произойдет полного соприкос-
новения и сварки по всей поверхности. Контактное со-
противление RK зависит от теплофизических свойств
металла, состояния его поверхности и величины давле-
ния. Основными параметрами режима контактной свар-
ки являются время сварки t, плотность тока j и удельное
давление Р.
Контактная сварка классифицируется по способу
питания электроэнергией и по форме сварного соеди-
нения.
По способу питания различают: 1) сварку перемен-
ным током различной частоты; 2) сварку импульсом по-
стоянного тока, когда первичная обмотка сварочного
трансформатора подключается к выпрямительному уст-
ройству. Вследствие индуктивности трансформатора ток
в первичной обмотке нарастает постепенно, в результате
чего во вторичной обмотке индуктируется постепенно
нарастающий импульс сварочного тока; 3) сварку запа-
сенной энергией, накапливаемой в конденсаторах, в маг-
нитном поле специального сварочного трансформатора,
во вращающихся частях генератора или аккумуляторной
батарее. Эта энергия затем непосредственно или через
сварочный трансформатор быстро отдается в сварочную
цепь в виде импульса большой мощности.
По форме сварного соединения, определяющего тип
сварочной машины, различают точечную, шовную, сты-
ковую сварку сопротивлением и оплавлением, рельефную
и Т-образную.
645
Точечная сварка —• вид контактной сварки, при кото-
рой заготовки соединяются в отдельных точках, причем
одновременно могут свариваться одна, две или несколь-
ко точек. Их положение определяется размещением
электродов точечной машины. Точечная сварка может
быть двусторонней (рис. 334, а) и односторонней
Рис. 334. Двусторонняя и односторонняя
точечная сварка
Рис. 335. Цикл контактной
точечной машины:
I — ток, А; Р — усилие сдав-
ливания, кгс/мм2; t—время
сварки, с
(рис. 334,6). При двусторонней сварке необходимый на-
грев осуществляется всем током, протекающим между
электродами, расположенными по обе стороны сваривае-
мых заготовок 1, 2. При односторонней сварке ток рас-
пределяется между верхней 1 и нижней 2 заготовками
и медной подкладкой 5. Нагрев осуществляется током,
протекающим через нижнюю заготовку и медную под-
кладку. Последнюю применяют для увеличения тока,
протекающего через нижнюю заготовку.
Односторонней точечной сваркой можно сваривать
внахлестку две заготовки, двусторонней — две, три и че-
тыре детали, причем во всех случаях образуется общее
литое ядро. Можно сваривать листы одинаковой и не-
одинаковой толщины.
Для правильного формирования сварной точки про-
цесс сварки протекает в определенной последовательно-
сти. Перед сваркой место соединения зачищают или
протравливают до полного удаления окисной пленки.
Перед включением тока заготовки сдавливают для обес-
печения плотного контакта, некоторое время сжатые За-
готовки находятся под током, затем ток выключается
и давление снимается. Один из циклов работы контакт-
ной точечной машины показан на рис. 335. Для улучше-
646
ния структуры сварной точки в некоторых случаях
давление перед выключением увеличивают (проковка
точки).
Параметры режима сварки подбирают в зависимости
от толщины и состава свариваемого металла. Сущест-
венное значение имеет диаметр отпечатка электродов d9,
который определяет диаметр сварной точки tfT> равный
0,9—l,2d3. Диаметр сварной точки зависит от толщины
свариваемого металла и определяется по формуле dT—
=26-|-3 мм, где 6 — толщина одного листа, мм. Точки
ставят друг от -друга на расстоянии, примерно равном
2,5dT.
При близко поставленных точках происходит' шун-
тирование тока, при большом расстоянии между точками
снижается прочность соединения. Точечная сварка мо-
жет быть выполнена на так называемом мягком и жест-
ком режимах. Первый характеризуется большим вре-
менем протекания тока и меньшей его плотностью:
у=80—160 А/мм2; /=0,5—3 с; удельное давление Р—
= 1,5—4 кгс/мм2. При мягком режиме обеспечиваются
более плавный нагрев металла с большой зоной терми-
ческого влияния и сравнительно медленное охлаждение.
На этом режиме целесообразно сваривать углеродистые
и легированные конструкционные стали, склонные к за-
калке. Жесткий режим характеризуется весьма малым
временем протекания тока и большой его плотностью:
у= 120—360 А/мм2; /=0,001—0,01 с; удельное давление
Р=0,5—15 кгс/мм2. При жестком режиме обеспечивает-
ся кратковременный интенсивный нагрев с малой зоной
термического влияния. На этом режиме целесообразно
сваривать металлы небольшой толщины, металлы с вы-
сокой электро- и теплопроводностью, нержавеющие и
жаропрочные сплавы.
Точечную сварку широко используют для штампо-
сварных изделий, соединяя отдельные штампованные де-
тали сварными точками, что упрощает технологию изго-
товления узлов и повышает производительность. Типы
сварных соединений, выполняемых точечной сваркой,
показаны на рис. 336.
Точечную сварку применяют для изготовления изде-
лий из углеродистых и легированных конструкционных,
нержавеющих сталей, алюминия, меди и их сплавов, хи-
мически активных и тугоплавких металлов при толщине
свариваемых деталей от 0,5 до 10 мм.
647
Шовная или роликовая сварка — вид контактной
сварки, при которой между свариваемыми заготовками
образуется прочно-плотный шов, состоящий из ряда
последовательно расположенных и частично перекрыва-
ющих друг друга сварных точек. Шовная сварка, так же
как и точечная, может быть двусторонней (рис. 337, а)
и односторонней (рис. 337, б).
Рис.. 336. Типы сварных соединений,
выполняемых точечкой сваркой
Рис. 337. Принципиальная схема
шовной сварки
Существуют два цикла работы шовной машины: с не-
прерывным включением тока (рис. 338, а) и с прерыви-
стым (рис. 338, б).
Первый цикл предназначен для сварки коротких
швов и для сварки металлов и сплавов, не склонных
к росту зерна и не претерпевающих заметных структур-
ных превращений при перегреве в околошовной зоне
стали. Второй цикл — для сварки длинных швов и свар-
ки металлов и сплавов, для которых опасен перегрев
околошовной зоны (нержавеющие стали, алюминиевые
сплавы). Основные параметры режима шовной сварки
аналогичны точечной, однако в связи с шунтированием
части тока через ранее сваренный участок шва для ка-
чественной сварки деталей той же толщины необходимо
устанавливать общий ток более высоким.
Шовную сварку применяют там, где требуется герме-
тичность соединения} толщина свариваемых металлов
может быть от 0,3 до 3 мм.
Стыковая сварка может быть выполнена сопротивле-
нием и оплавлением.
При сварке сопротивлением (см. рис. 333) образова-
ние сварного соединения происходит за счет совместно-
го пластического деформирования деталей, нагретых
в зоне сварки.
648
Перед сваркой заготовки должны быть очищены от
окисной пленки и торцы их плотно пригнаны друг к дру-
гу с помощью механической обработки.
В начале заготовки сдавливают, а затем включают
ток, при прохождении которого место соединения нагре-
вается до пластического состояния. В процессе нагрева
заготовки продолжают сдавливать, происходит утолще-
1 — ток; Р — усилие сдавливания; t —
время сварки
Рис. 339. Типы сварных соединений,
выполняемых стыковой сваркой ме-
тодом сопротивления
пие стыка, осадка и обеспечивается сварка по всей плос-
кости касания. Типы сварных соединений, выполняемые
стыковой сваркой сопротивлением, представлены на рис.
339. В местах соприкосновения деталей свариваемые се-
чения должны быть одинакового размера (на рис. 339
обведено пунктиром).
Параметрами режима стыковой сварки являются /,
А/мм2; Р, кгс/мм2; t, с. В отличие от точечной и шовной
сварки время протекания сварочного тока определяется
косвенно через величину осадки, которая зависит от
установочной длины L. Установочной длиной L называ-
ют расстояние от торца заготовки до внутреннего края
электрода стыковой машины, измеренное до начала
сварки; зависит от теплофизических свойств металла,
конфигурации стыка и размеров заготовки. При сварке
заготовок одинакового сечения из одного и того же спла-
ва установочные длины свариваемых заготовок равны.
При сварке разнородных сплавов установленные длины
выбирают в зависимости от теплофизических свойств
каждого металла.
Установочную длину для данного сплава выбирают
по специальным таблицам. Так, например, при сварке
низкоуглеродистых сталей установочная длина L= (0,5~
-=-0,7)d, где d — диаметр заготовки.
649
При расчете окончательной длины сваренной детали
припуск на осадку каждой заготовки принимают равным
d0C=L/3.
Стыковую сварку сопротивлением применяют для
углеродистых, легированных сталей и цветных металлов,
главным образом для деталей простых сечений (круга,
квадрата, кольцевого сечения) и тонкостенных трубок
диаметром до 15 мм.
Рис. 340. Типы сварных соедине-
ний, выполняемых стыковой
сваркой методом оплавления
Стыковая сварка оплавле-
нием—вид контактной сварки,
при которой заготовки сбли-
жают до соприкосновения, ког-
да ток уже включен. В резуль-
тате на торцах возникают ду-
говые разряды, которые оплав-
ляют металл. После этого за-
готовки быстро сдавливают
(проводят осадку), расплав-
ленный металл вытесняется из
зазора между ними и образу-
ется сварное соединение по
всей плоскости касания.
Сварку оплавлением мож-
но проводить на тех же машинах, что и сварку сопро-
тивлением или на специализированных машинах, так
как при этом способе можно использовать значительно
меньшие плотности тока.
Некоторые типы сварных соединений, выполняе-
мых стыковой сваркой оплавлением, показаны на
рис. 340.
Стыковой сваркой оплавлением соединяют те же ме-
таллы и сплавы, что и точечной сваркой. Можно свари-
вать разнородные металлы и сплавы, а также детали
с сечениями разных размеров и со сложным профилем.
Максимальная площадь свариваемого сечения
до 10 000 мм2.
Оборудование для контактной сварки. Для сварки
применяют специальные контактные машины, состоящие
из трех основных частей: источника тока, прерывателя
тока и механизма давления.
Источники тока. В качестве источников тока для кон-
тактной сварки используют трансформаторы мощностью
от 0,1 до 1000 кВА,
650
Трансформаторы имеют один или два витка во вто-
ричной обмотке и вторичное напряжение 1—12 В. Мак-
симальная сила сварочного тока достигает сотен тысяч
ампер.
Прерыватели тока. При сварке необходимо периоди-
чески включать и выключать ток. Для этой цели ставят
специальные прерыватели тока. Различают несколько
типов прерывателей: 1) простые асинхронные механичес-
кие контакторы; 2) электромагнитные механические
синхронизированные; 3) электронные (тиратроны и иг-
нитроны).
Механизмы давления. Служат для сжатия заготовок.
Они могут иметь рычажно-педальный, моторно-кулачко-
вый и пневматический или гидравлический привод
давления.
Для точечной сварки применяют точечные машины, которые в
зависимости от толщины свариваемого материала и характера про-
изводства могут быть автоматическими и неавтоматическими. Серий-
ные точечные машины мощностью от 0,1 до 600 кВа подразделяют
на машины малой, средней и большой мощности. По устройству ме-
ханизма давления они могут быть с педальным (ножным), мотор-
но-кулачковым, пневмогидравлическими или пневматическим при-
водами.
По устройству регулятора времени протекания тока различают
машины с механическими, с электромагнитными контакторами и с
электронными прерывателями. Машины мощностью до 10 кВА типа
МТ-601 рассчитаны на сварку деталей из низкоуглеродистой стали
с суммарной толщиной до 2+2 мм. Для автоматической сварки ме-
талла толщиной свыше 2+2 мм применяют машины мощностью до
75 кВА типа МТ-1209. Они имеют полностью автоматизированное
управление, осуществляемое -системой электронных регуляторов
времени. Для сварки металла, имеющего большую толщину (свыше
8+8 мм), выпускают точечные машины мощностью 300 и 400 кВА
типа МТП-400, имеющие пневматические механизмы сжатия и элек-
тронные регуляторы времени.
Для шовной сварки применяют машины мощностью от 25 до
200 кВА типа МШГ-1001; МШГ-100 и т. д. В зависимости от спосо-
ба шовной сварки (непрерывное включение тока или прерывистое)
машины снабжают соответственно механическими или электронны-
ми прерывателями. Механизмы давления могут иметь педальный
или пневматический привод.
Для стыковой сварки выпускают стыковые машины малой и
средней мощности. В машинах малой мощности типа МСР-25 сжатие
заготовок и сварку производят при помощи механических приспособ-
лений вручную; в машинах большой мощности типа МСГА-300 сжа-
тие заготовки и осадку производят автоматически с помощью пнев-
матических или гидравлических устройств. К первой группе серий-
ных машин относят маломощные стыковые машины настольного ти-
па для сварки мелких заготовок методом сопротивления. Для свар-
ки массивных сечений методом оплавления с подогревом выпускают
651
стыковые машины мощностью до 500 кВА с электромоторными или
гидравлическими механизмами осадки.
Сварка аккумулированной энергией. Сущность свар-
ки аккумулированной энергией заключается в том, что
кратковременные сварочные операции осуществляются
за счет энергии, запасенной в соответствующем приемни-
ке, непрерывно заряжающемся и периодически разря-
жающемся на сварку.
Рис. 341. Принципиальная схема конденсаторной сварки с разрядом конден-
саторов па изделие (а) н с разрядом конденсаторов на первичную обмотку
сварочного трансформатора (б):
ЭТ —зарядный трансформатор;: В — выпрямитель тока; С — конденсатор; П —
переключатель; и —изделие; СТ — сварочный трансформатор; Э — электроды
Существуют четыре способа сварки аккумулирован-
ной энергией: 1) электростатическая или конденсатор-
ная; 2) электромагнитная; 3) инерционная; 4) аккуму-
ляторная.
Наибольшее практическое применение получила
конденсаторная сварка, остальные три способа пока не
получили промышленного распространения.
При конденсаторной сварке энергия от питающей
сети накапливается в батарее конденсаторов, а затем
запасенная энергия за короткий интервал времени расхо-
дуется на сварку. Существуют две основных разновид-
ности конденсаторной сварки: 1) с непосредственным
разрядом конденсаторов на изделие (рис. 341, а);
2) с разрядом конденсаторов на первичную обмотку
сварочного трансформатора (рис. 341,6). Установки
с прямым разрядом конденсаторов на изделие приме-
няют для стыковой сварки проволок и тонких стержней.
Этим способом можно соединять между собой детали
разной толщины и разнородных металлов. Второй спо-
соб с разрядом конденсатора на первичную обмотку сва-
652
рочного трансформатора предназначается для точечной
и шовной сварки.
Преимуществом конденсаторной сварки является
незначительная потребляемая мощность из сети и равно-
мерная загрузка сети. Потребляемая мощность 0,1—
0,2 кВА, продолжительность кратковременного импульса
сварочного тока — тысячные доли секунды. Конденса-
торной сваркой можно соединять различные металлы.
Число сочетаний металлов исчисляется десятками:
вольфрам — никель, молибден — никель, алюминий —
медь, медь — константан и т. д. Диапазон свариваемых
толщин находится в пределах от нескольких микрон до
нескольких миллиметров. Детали могут иметь самую
разнообразную форму. Конденсаторную сварку исполь-
зуют при производстве электроизмерительных и авиаци-
онных приборов, часовых механизмов, фотоаппаратов,
оптических приборов, радиоламп радиоприемников, те-
левизоров и т. д.
ХОЛОДНАЯ СВАРКА
Соединение при холодной сварке получают за счет
пластической деформации металла в месте сварки при
нормальной и даже при отрицательных температурах.
Рис. 342. Принципиальная схема холодной сварки
Пластическая деформация обеспечивает очистку и вы-
равнивание свариваемых поверхностей, а также созда-
ние активных центров; контактирующие поверхности
сближаются на расстояние действия межатомных сил и,
таким образом, возникают прочные металлические свя-
зи. Холодной сваркой могут быть выполнены соединения
встык, внахлестку, а также полые заготовки по контуру.
653
В качестве примера на рис. 342, а приведена схема хо-
лодной точечной сварки. Заготовки 1 с тщательно очи-
щенной от жировых пленок поверхностью места -сварки
2 помещают между соосно расположенными пуансона-
ми 3, состоящими из рабочих выступов и опорной части.
При приложении соответствующего усилия Р рабочие
выступы вдавливаются в металл, осуществляя требуемую
для сварки пластическую деформацию. Прочность
соединения определяется остаточной толщиной металла
в месте пластической деформации (рис. 342). Форма
сваренной точки зависит от формы выступа пуансона.
Внахлестку сваривают листовой материал толщиной от
0,2 до 15 мм. Соединение выполняют в виде отдельных
точек или непрерывного шва. Величину удельного
давления выбирают в зависимости от состава и толщины
свариваемого металла и она может составлять от 15 до
100 кгс/мм2. Непрерывное соединение замкнутого или
разомкнутого контура может быть получено за счет де-
формации одновременно по всей длине или за счет про-
катывания роликами. При холодной сварке место соеди-
нения получается чистым и не требует дальнейшей ме-
ханической обработки.
Холодную сварку применяют для соединения
достаточно пластичных материалов, в первую очередь
алюминиевых и медных сплавов в однородных и разно-
родных сочетаниях, а также железа Армко, свинца, оло-
ва, цинка, золота, серебра, кадмия, никеля и других
пластичных металлов.
Холодную сварку широко применяют в электротех-
нической и приборостроительной промышленностях-.
Оборудованием для холодной сварки служат гидравли-
ческие, рычажные и эксцентриковые прессы.
ТЕРМОКОМПРЕССИОННАЯ СВАРКА
Термокомпрессионная сварка является разновид-
ностью прессовой сварки. Особенность процесса заклю-
чается в соединении металлов с металлами и неметалла-
ми в твердом состоянии при относительно невысоких
температурах, давлении и нагреве до температуры обра-
зования эвтектики соединяемых металлов. Сварку
осуществляют за счет направленной пластической дефор-
мации. Основными параметрами являются усилие сжа-
тия, температура нагрева и продолжительность выдерж-
654
ки. В качестве оборудования используют рабочий сто-
лик и рабочий инструмент — пуансон. Необходимый
нагрев при сварке можно выполнять за счет нагрева
рабочего инструмента или столика. Перед сваркой не-
обходима весьма тщательная подготовка места соедине-
ния (травление, зачистка, обезжиривание). Процесс
сварки проводят в защитной атмосфере (осушенном
азоте, аргоне, газе «Формир», представляющем собой
смесь аргона с 10% водорода). Флюсов и припоев не
требуется. Количество сочетаний свариваемых материа-
лов ограничено. Хорошо свариваются металлы, обла-
дающие взаимной диффузией в твердом состоянии и
образующие твердые растворы (Ag—Au; Au — Си).
Удовлетворительной свариваемостью обладают мате-
риалы, образующие между собой низкотемпературные
эвтектики (А1 — Si; Au — Si). Этот метод применяют при
производстве миниатюрной радиоэлектронной аппара-
туры, например полупроводниковых приборов, при
соединении мягких высокоэлектропроводных материа-
лов в виде круглых и плоских проводников с электро-
проводными тонкими пленками, напыленными на хруп-
кие диэлектрические подложки и т. п.
СВАРКА УЛЬТРАЗВУКОМ
При сварке ультразвуком получение неразъемного
соединения происходит за счет совместного воздействия
на свариваемые детали ультразвуковых колебаний
с частотой от 15 до 70 кГц и небольших сдавливающих
усилий. В месте контакта создаются сдвиговые деформа-
ции, обеспечивающие разрушение тонких пленок на
соединяемых поверхностях и местный нагрев. При дости-
жении определенной температуры и под воздействием
сжимающих усилий материал пластически деформиру-
ется. При сближении поверхностей на расстояние дейст-
вия межатомных сил между ними возникает прочная
связь и образуется сварное соединение. Температура в
зоне образования соединения не превышает нескольких
сотен градусов1.
Ультразвуком хорошо свариваются медь, алюминий
и многие другие пластичные материалы.
1 Например, 200—300° С при сварке алюминия, 600° С прп свар-
ке меди.
655
Перспективно применение ультразвуковой сварки для
соединения металла в разнородных сочетаниях: алю-
миния с нержавеющей сталью, алюминия с медью
и т. д.
Основным достоинством ультразвуковой сварки яв-
ляется возможность соединять тонкие листы и фольгу
с деталями большой толщины, например приваривать
тонкие спиральные ребра к стержням, топкие гофриро-
ванные листы к толстым основаниям, сваривать тонко-
стенные детали приборов и т. п. Технология сварки упро-
щается благодаря тому, что нет необходимости в тща-
тельной зачистке свариваемых поверхностей — обычно
достаточно только обезжиривания. Возможна сварка
ультразвуком изделий с окисными пленками (анодиро-
ванный алюминий) или с покрытиями без предваритель-
ной очистки.
Кроме соединения металлов, ультразвуковые коле-
бания применяют для сварки пластмасс: винипласта,
полиэтилена, капрона, нейлона и органического стекла
толщиной от 0,5 до 10 мм. Установки для сварки этих
материалов характеризуются тем, что в месте сварки
создаются не касательные напряжения, обусловленные
трением свариваемых поверхностей, а нормальные, пер-
пендикулярные к поверхности. Частота колебаний при
сварке пластмасс равна 18—25 кГц.
В настоящее время ультразвуковая сварка находит
применение в электронной технике, в приборостроении
и радиоэлектронной промышленности, в авиа- и автомо-
билестроении для приварки тонких элементов к несущим
конструкциям, в точном машиностроении, в электротех-
нической и других отраслях промышленности, а также
в медицине.
Одййм из достоинств ультразвуковой сварки является
простота изготовления изделий и невысокая стоимость
сварочных машин. Для получения ультразвуковых ко-
лебаний используют магнитострикционный эффект, со-
стоящий в изменении размеров некоторых металлов,
сплавов и керамических материалов под действием пе-
ременного магнитного поля. Магнитострикционный
преобразователь 1 выполняют в виде пакета штампован-
ных пластин из магнитострикционных материалов (рис.
343), например чистого никеля или железокобальтовых
сплавов толщиной 0,1—0,22 мм с размещенной на нем
обмоткой.
656
При включении ультразвукового генератора 5 в па-
кете 1 возбуждается магнитное поле, которое вызывает
колебания размеров сердечника с той же частотой.
Колебания передаются через трансформатор про-
дольных колебаний, присоединяемый к магнитострикци-
онному преобразователю пайкой твердым припоем.
Преобразователь 1 питается током высокой частоты от
Рис. 343. Принципиальная
схема ультразвуковой свар-
ка
специального генератора 5. Передача нагрузки и вибра-
ции свариваемых поверхностей осуществляется через
волновод и сварочный наконечник 2. Усилие, необходи-
мое для сжатия деталей 3, создается гидравлической
пневматической или механической системами 4. По
сравнению с контактными сварочными машинами маши-
ны для ультразвуковой сварки обладают относительно
небольшой мощностью. Это связано с тем, что расход
энергии при ультразвуковой сварке составляет не более
10% от расхода энергии при контактной сварке.
Возможность разрушения окисных поверхностных
пленок ультразвуком используют и для пайки металлов.
При этом нет необходимости во флюсах, которые.ис-
пользуют для удаления окислов с поверхности металлов,
что упрощает технологию и улучшает санитарные
условия.
ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА В ВАКУУМЕ
При диффузионной сварке соединение образуется
в результате взаимной диффузии атомов в поверхност-
ных слоях контактирующих материалов, находящихся
в твердом состоянии. Температура нагрева при сварке
близка к температуре рекристаллизации более легкоплав-
кого материала.
42—481
657
Диффузионную сварку обычно проводят в вакууме
при остаточном давлении 10~3—10~s мм рт. ст. Свари-
ваемые детали 4 (рис. 344) устанавливают внутри
охлаждаемой металлической камеры 3 и нагревают
вольфрамовым или молибденовым нагревателем 1 или
с помощью индуктора.
Нагрев в вакууме способствует очистке поверхностей
деталей. После достижения требуемой температуры
к деталям прикладывают с по-
Рис. 344. Принципиальная
схема диффузионной сварки
в вакууме
мощью механического, гидравли-
ческого или пневматического
устройства 2 сжимающее давле-
ние 0,1—2 кгс/см2, которое под-
держивают постоянным от не-
скольких минут до десятков
минут. Это увеличивает площадь
контакта между предварительно
очищенными свариваемыми по-
верхностями деталей. Для полу-
чения соединения хорошего ка-
чества нагрев деталей по всему
сечению должен быть равномер-
ным, а их поверхности должны быть обработаны с вы-
сокой степенью чистоты и очищены от окислов и загряз-
нений.
К достоинствам диффузионной сварки следует отнести
возможность создания соединений материалов с сущест-
венно различающимися свойствами.
Можно соединять детали не только по плоским, но и
по рельефным поверхностям, например коническим, сфе-
рическим либо другой сложной формы. После сварки не
требуется механической обработки для удаления шлака,
грата или окалины.
В том случае, когда диффузионным методом сваривают одно-
родные материалы (например, сталь со сталью, алюминий с алюми-
нием, полупроводниковые элементы одинакового состава и т. п.),
образовавшиеся соединения не уступают по физико-механическим
свойствам соединяемым материалам. Однако в том случае, когда
свариваются разнородные материалы, не обладающие взаимной рас-
творимостью, в месте стыка образуется хрупкая прослойка интерме-
таллических соединений, значительно снижающая прочность соеди-
нения. В этом случае применяют промежуточные прокладки из
третьего, специально подобранного материала, способного образовы-
вать твердые растворы с свариваемыми материалами. Такие расса-
сывающиеся прокладки используют и при сварке материалов с рез-
ко различающимися коэффициентами линейного расширения.
658
Диффузионной сваркой можно сваривать различные
материалы и их самые разнообразные сочетания в соеди-
нениях. Удается сваривать сталь с алюминием, чугуном,
вольфрамом, титаном и металлокерамикой, серебро с не-
ржавеющей сталью, платину с титаном, стекло и кера-
мику с металлом и т. д. Разработана технология сварки
графита и окиси бериллия со сталью, нитрида бора
с ниобием и других материалов.
Диффузионную сварку применяют в электронной
технике и радиоэлектронике, в приборостроении и тек-
стильном машиностроении, инструментальной промыш-
ленности и т. д.
Разработано более тридцати типов универсальных и
специализированных сварочных установок (СДВУ),
предназначенных для индивидуального, серийного и мас-
сового производства.
СВАРКА ВЗРЫВОМ
Способ сварки взрывом позволяет получать соедине-
ния на большой площади в течение очень короткого вре-
мени и не требует сложного оборудования.
На рис. 345 пока-
зана схема сварки
взрывом двух пластин
1 и 2. Их располагают
под углом друг к другу
на расстоянии h над
вершиной угла. На
пластину 2 укладыва-
ют взрывчатое вещест-
во 3 и устанавливают
детонатор 4. При взры-
ве метаемая пластина 2
Рис. 345. Принципиальная схема процесса
сварки взрывом
движется по направлению к не-
подвижной пластине 1 со скоростью до 2 км/с.
В каждый данный момент времени происходит по-
следовательное соударение пластин; вершина угла,
образованного пластинами, перемещается вдоль соеди-
няемых поверхностей. При этом соударении двух поверх-
ностей из вершины угла выдуваются окисные пленки и
другие загрязнения. В результате соударения пластин
происходит течение металла в их поверхностных слоях.
Поверхности сближаются до расстояния действия меж-
атомных сил и происходит схватывание заготовок по всей
площади соединения.
42*
659
Продолжительность процессов сварки взрывом не
превышает нескольких микросекунд. Этого времени не-
достаточно для протекания диффузионных процессов,
поэтому в соединениях разнородных металлов не обра-
зуются промежуточные химические соединения.
Сварка взрывом может быть использована для изго-
товления биметалла, для плакирования поверхностей
деталей из конструкционных сталей металлами с осо-
быми свойствами, при восстановлении изношенных по-
верхностей, для соединения заготовок деталей из разно-
родных металлов.
Перспективным является сочетание сварки взрывом
с ковкой и штамповкой.
СВАРКА ТРЕНИЕМ
Еще одним способом сварки металлов в пластическом
состоянии является сварка трением.
При использовании этого способа металл нагревает-
ся в зоне сварки до температуры пластического состоя-
ния за счет взаимного перемещения (трения) соединяе-
мых поверхностей. После достижения требуемой темпе-
ратуры трение, прекращают и, прикладывая осевое
усилие, осуществляют совместное пластическое дефор-
мирование кромок свариваемых деталей. Схема взаим-
ного перемещения деталей зависит от их габаритов и
формы свариваемого сечения.
При сварке деталей ограниченной длины вращают
одну из них или обе (рис. 346, а, б). При сварке длинных
изделий, когда их вращение затруднительно, возможно
применение промежуточной вставки (рис. 346, в). Если
поперечное сечение деталей отличается от круга, то при-
меняют возвратно-поступательное движение сваривае-
мых поверхностей (рис. 346,а).
Основными параметрами сварки трением являются
скорость вращения и величина осевого усилия сжатия.
Параметры режима устанавливают экспериментально
в зависимости от состава свариваемого металла, площа-
ди сечения и конфигурации заготовок. Сваркой трением
можно соединять однородные и разнородные металлы и
сплавы. При этом получают соединение с достаточно
высокими механическими свойствами.
Другими преимуществами являются:
1) малое потребление энергии;
660
2) высокая производительность;
3) сравнительная простота конструкции сварочных
швов.
Для сварки трением создано специальное оборудова-
ние, рассчитанное на работу при больших скоростях вра-
щения и больших осевых усилиях. Сварку трением при-
Рис. 346. Принципиальная схема сварки трением
меняют при изготовлении составного режущего
инструмента, различных валов, для соединения штоков
с поршнями и т. д.
ГАЗОПРЕССОВАЯ СВАРКА
Процесс газопрессовой сварки заключается в нагреве
свариваемых заготовок ацетилено-кислородным пламе-
нем до пластического состояния или до оплавления и
последующем их сдавливании. Соответственно имеются
два способа газопрессовой сварки: сварка в пластичес-
ком состоянии и сварка оплавлением.
Процесс сварки в пластическом состоянии заключа-
ется в том, что свариваемые заготовки зажимают в за-
хватах станка, центрируют, сжимают силой Р и уста-
навливают многопламенную горелку (рис. 347, а, б).
Зажженную горелку перемещают на стык (рис. 347, в)
и нагревают место соединения до пластического состоя-
ния, причем для устранения перегрева металла горелке
придают колебательные движения. Затем прикладывают
осевое усилие F (рис. 347, а), под давлением которого
нагретый металл пластически деформируется и образу-
ется сварное соединение (рис. 347, д).
При газопрессовой сварке оплавлением свариваемые
заготовки зажимают в захватах станка, концы их нагре-
вают до оплавления, а затем осуществляют сдавливание.
661
Расплавленный металл выдавливается из стыка и про-
исходит сварка.
Основными параметрами режима сварки являются
температура нагрева (1200—1300° С), мощность пламе-
ни горелки (1,5—2 л/ч на 1 мм2 сечения) и давление
1,5—2,5 кгс/мм2.
Газопрессовая сварка обеспечивает удовлетворитель-
ное качество соединения. Кроме того, отпадает необхо-
Рис. 347. Схема процесса газопрессовой сварки
димость в мощных источниках электроэнергии, а в ка*
честве горючих газов можно использовать природные
газы. Газопрессовая сварка возможна в полевых уело*
виях.
Однако по сравнению с контактной сваркой газопрес*
совая имеет более низкую производительность и более
высокую стоимость, поэтому этот процесс применяют
ограниченно. Кроме того, возможно образование неодно*
родного металла шва по сечению. Возможно ее приме*
некие при изготовлении деталей подвижного железно*
дорожного состава, упряжных крюков, ’буферных
стержней, труб разных сечений и т. д.
НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ
И ЖАРОПРОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НАПЛАВКОЙ
Наплавочные работы применяют для создания на
деталях поверхностных слоев с требуемыми свойствами,
а также для восстановления исходных размеров изно-
шенных деталей. Например, наплавку используют для
изготовления деталей из конструкционных, сравнитель*
но дешевых сталей, на рабочие поверхности которых
662
наплавляют износостойкий, жаростойкий или другой
специальный сплав.
При наплавочных работах, как правило, необходимо
получать минимальное проплавление основного металла
и минимальное перемешивание основного и наплавлен-
ного металлов для того, чтобы сохранить механические
свойства наплавляемого слоя.
В то же время наплавленный металл должен прочно
соединяться с металлом основы и не должен содержать
пор, шлаковых включений, раковин, трещин и других
дефектов.
Для наплавочных работ создано большое количество
различных сплавов, которые можно разделить на сле-
дующие основные группы: 1) стали (углеродистые, мар-
ганцовистые, хромомарганцовистые, хромистые, высоко-
хромистые, хромоникелевые, высоковольфрамовые и мо-
либденовые); 2) сплавы на основе железа (высокохро-
мистые чугуны, сплавы с бором и хромом, сплавы с ко-
бальтом, молибденом или вольфрамом); 3) сплавы на
основе никеля и кобальта; 4) сплавы на основе меди;
5) карбидные сплавы (с карбидом вольфрама или хро-
ма). Разработано около 70 марок электродов, кроме
того, можно применять электроды общего назначения.
К специальным наплавочным электродам относятся элек-
троды типа ЭН 15ГЗ-25; ЭН60Х2СМ-50; ЭН70Х18Н-25;
ЭНУ30Х28С4НЧ-50 (ГОСТ 10051—75).
Карбидные сплавы делятся на: Г) литые или стелли-
ты; 2) порошкообразные или зернистые; 3) керамичес-
кие или спеченные; 4) плавленые карбиды.
К литым сплавам относятся сормайт (2,5% С;
2,8% Si; 25% Сг; 3,5% Ni), ВК-3 (1,7% С; 28% Сг;
4% W; 58% Со), сплав, содержащий 3,8% С; 28% С;
30% Ni; 18% Со и др. Литые сплавы обычно выпускают
в виде стержней различного диаметра и применяют
главным образом для наплавки изнашивающихся рабо-
чих поверхностей, например штампов, матриц и пуансо-
нов, а также машин и механизмов, работающих в усло-
виях трения.
Из литых сплавов изготавливают специальные
электроды для наплавочных работ.
Порошкообразные или зернистые сплавы выпускают
в виде порошка или крупки с величиной зерна 1—3 мм.
Зернистые сплавы представляют собой механическую
смесь различных составляющих. К зернистым сплавам
663
относятся сталинит (8% С; 13% Мп; 3% Si; 18% Сг и
др.), вокар (9,5% С; 85% W и др.). Эти сплавы применя-
ют при наплавке зубьев экскаваторов, шеек камнедро-
билок, козырьков ковшей землечерпалок и других де-
талей машин. Зернистые сплавы используют в виде при-
садочного порошка или как наполнитель трубчатого
электрода.
Керамические сплавы выпускают в виде пластинок и
применяют главным образом для оснащения режущего
инструмента. Основой этих сплавов являются карбиды
вольфрама и титана. Пластинки керамических сплавов
закрепляют на державках с помощью пайки.
Плавленые карбиды выпускают в виде кусков
с острыми гранями. Они имеют очень большую твердость
и высокую температуру плавления (около 3000° С) и их
применяют для оснащения бурового инструмента. Куски
сплава вваривают в углубления на поверхности детали
таким образом, чтобы режущая грань сплава выступала
над поверхностью. Пространство между кусочками спла-
ва заполняется наплавкой другого твердого сплава, ли-
того или зернообразного. В процессе работы инструмента
промежуточный твердый сплав изнашивается быстрее и
режущая грань плавленых карбидов все больше высту-
пает над поверхностью и режет горную породу.
Наплавка может быть осуществлена различными
способами. Чаще всего для наплавки применяют различ-
ные виды электродуговой сварки.
Ручная дуговая наплавка штучными электродами.
Этот способ является наиболее распространенным спо-
собом благодаря простоте и возможности наплавки де-
тали любой формы. При этом способе используют
электроды требуемого состава диаметром от 3 до 6 мм.
Наплавку ведут короткой дугой на минимальном токе.
Для повышения производительности можно при-
менять наплавку пучком электродов и трехфазной
дугой.
Наплавка под флюсом. Ее применяют как однодуго-
вую, так и многодуговую, когда один рабочий управляет
одновременно несколькими аппаратами, каждый из ко-
торых наплавляет определенный участок изделия.
Может быть применена многоэлектродная наплавка,
когда плавятся одновременно несколько электродных
проволок, подключенных к одному полюсу источника
тока и расположенных поперек оси наплавляемого ва-
664
лика. Под флюсом создается одна общая сварочная
ванна. Для увеличения ширины наплавляемого валика
применяют также наплавку ленточным электродом.
Вместо проволоки можно использовать в качестве
присадки крупнозернистый порошок требуемого состава,
который подается в зону наплавки перед дугой.
Вибродуговая наплавка. Ее применяют главным
образом для восстановления быстроизнашивающихся
наружных цилиндрических поверхностей деталей ста-
ночного и металлургического оборудования. Наплавляют
детали диаметром от 8—10 мм и выше.
Сущность процесса заключается в том, что на вра-
щающуюся деталь наплавляют металл с помощью спе-
циальной головки, обеспечивающей подачу и вибрацию
электродной проволоки с частотой до 100 раз в секунду.
В зоны наплавки и дуги подается эмульсия (раствор
кальцинированной соды или технического глицерина)
для охлаждения детали и частичной защиты наплавлен-
ного металла от воздуха. В настоящее время применяют
вибродуговую наплавку под флюсом, главным образом
деталей больших сечений, в этом случае обеспечивается
меньшая скорость охлаждения металла шва.
Наплавка токами высокой частоты. При этом способе
используют индукционный нагрев токами высокой
частоты изделия с нанесенным предварительно приса-
дочным металлом в виде смеси порошков, литого кольца
или прессованного брикета.
Электрошлаковую наплавку применяют тогда, когда
необходимо наплавить большое количество металла, на-
пример для наплавки больших поверхностей различными
износостойкими сплавами, а также сплавами с особыми
свойствами. В качестве присадочного металла наряду
с проволочными и пластинчатыми электродами могут
быть использованы электроды сложной формы.
Дуговая наплавка неплавящимся электродом —
угольным или вольфрамовым. Более совершенна наплав-
ка вольфрамовым электродом в аргоне. При этом спо-
собе используют горелки для сварки неплавящимся
электродом и литые присадочные прутки, обычно из
сплавов на основе никеля или кобальта. При этом мож-
но получать очень малую глубину проплавления и на-
плавлять тонкие слои.
Наплавка плазменной дугой. Присадочный металл
можно подавать в дугу в виде проволоки или порошка.
665
Плазменная наплавка с вдуванием порошка может
обеспечить нанесение тугоплавкого тонкого плотного
слоя (0,3 мм), а также более легкоплавкого, чем основ-
ной металл.
Кроме перечисленных способов наплавки, существу-
ет еще много разновидностей наплавки с использованием
других источников теплоты: газовым пламенем, плавя-
щим электродом в защитном газе, порошковой проволо-
кой, лежачим пластинчатым электродом и т. д.
Глава 4
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТАЛИ,
ЧУГУНА И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Способность металлов и сплавов образовывать при
сварке неразъемное соединение за счет образования ме-
таллической связи определяется их основными физичес-
кими, химическими и физико-химическими свойствами
и называется физической или принципиальной сварива-
емостью. Совокупность технологических характеристик
основного металла, определяющих его реакцию на изме-
нения, происходящие при сварке, и его способность об-
разовывать сварное соединение с требуемыми свойства-
ми, называют технологической свариваемостью.
Считают, что все металлы и сплавы могут образовы-
вать при сварке плавлением сварные соединения удов-
летворительного качества. Разница между металлом с
хорошей и плохой свариваемостью заключается в том,
что при сварке последних необходима более сложная
технология сварки (предварительный подогрев, после-
дующая термическая обработка, сварка в вакууме
и т. д.).
В процессе сварки в результате нагрева и охлажде-
ния происходят изменения структуры и свойств в участ-
ках основного металла, прилегающих к шву. Вся зона
основного металла, в которой в результате нагрева и
охлаждения происходит изменение структуры и свойств,
называется зоной термического влияния. Ширина ее ог-
раничивается участком с температурой около 100иС,
В зависимости от способа сварки она может быть очень
666
малой (до 1 мм) или до 40—50 мм. Строение зоны тер-
мического влияния для конструкционной стали показано
на рис. 348.
Участок полного расплавления металла (металл
шва) при остывании имеет крупнозернистую литую
структуру, участок неполного расплавления металла
Рис. 348. Строение зоны термического влияния сварного шва при дуговой
сварке низкоуглеродистой стали
является переходным от наплавленного металла к ос-
новному и называется зоной сплавления.
Участок перегрева нагревается до 1100—1300°С и
характеризуется крупным зерном. Зона сплавления и
зона крупного зерна называются околошовной зоной.
В этой зоне в результате нагрева и охлаждения наиболее
резко изменяются структура и свойства основного ме-
талла, 'определяющие свариваемость, снижается пла-
стичность и ударная вязкость.
Участок нормализации нагревается выше критичес-
кой точки Ас3 и характеризуется измельчением зерна и
повышением механических свойств.
Участок неполной перекристаллизации характеризу-
ется нагревом от точки Ас^ до точки Ас3. Структурные
667
изменения в этом участке влияют на свойства сварных
соединений меньше, чем изменения в околошовной зоне.
Если до сварки металл подвергался холодной пласти-
ческой деформации, то на участках при нагреве выше
500° С может происходить рекристаллизация. При нагре-
ве ниже 500° С возможно старение стали, что сопровож-
дается резким снижением вязкости.
Вследствие неравномерного нагрева деталей в шве
и зоне термического влияния возникают значительные
растягивающие напряжения.
При кристаллизации металла шва под влиянием рас-
тягивающих напряжений могут образовываться кристал-
лизационные (горячие) трещины нарушающие сплош-
ность сечения и вызывающие брак конструкции. Опреде-
ление стойкости металла шва против возникновения
кристаллизационных горячих трещин является первым
видом испытания свариваемости. В зонах закалки металл
имеет пониженную пластичность и могут образовывать-
ся околошовные холодные трещины. Испытание метал-
ла околошовной зоны, шва и сварного соединения в це-
лом на склонность к образованию холодных трещин яв-
ляется вторым видом испытания свариваемости.
В результате реакций, протекающих в сварочной ван-
не, и применения дополнительного присадочного метал-
ла химический состав металла шва может отличаться от
химического состава основного металла. Поэтому в ис-
пытания на свариваемость включают испытания меха-
нических свойств металла шва и сварного соединения.
Горячие или кристаллизационные трещины образуются главным
образом в металле сварного шва в процессе его кристаллизации во
время пребывания в температурном интервале кристаллизации
(7лик Т СОЛ ), когда возникающие внутренние напряжения достаточ-
ны, чтобы вызвать разрушение по границам зерен. Горячие трещины
наблюдаются при сварке высоколегированных сталей, алюминиевых
и медных сплавов.
Качественную оценку сопротивляемости образованию горячих
трещин при сварке проводят по результатам сварки жестких образ-
цов (технологических проб).
Количественную оценку сопротивляемости горячим трещинам
проводят на специальной испытательной машине. При испытании об-
разцов кристаллизующаяся сварочная ванна подвергается деформа-
ции растяжения. Скорость растяжёния, вызывающая образование
горячих трещин, называется критической и является количественной
оценкой сопротивляемости металла шва образованию трещин.
Холодные трещины по границам зерен и в зерне возникают в
зоне термического влияния и шве после полного затвердевания свар-
ного шва или последующего вылеживания сварной конструкции.
668
На склонность к образованию холодных трещин оказывают
влияние водород, попадающий из флюсов или атмосферы в металл
шва; структурное состояние металла, жесткость сварной конструк-
ции, а также инородные включения и поры в металле.
Наиболее простым способом определения склонности к образо-
ванию холодных трещин являются специальные технологические
пробы.
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ
И УСТРАНЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
Сварочные напряжения возникают вследствие нерав-
номерного нагрева, тепловой усадки швов, структурных
изменений металла шва и околошовной зоны и т.д. Из-
менения формы и размеров сварной конструкции, яв-
Рис. 349. Виды сварочных деформаций:
а — пластины при сварке: б—пластины после охлаждения; е—искажение
формы стальной конструкции при несимметричном положении шва
ляющихся результатом наличия внутренних напряжений,
называют сварочными деформациями. При сварке ма-
лопластичных или склонных к закалке сплавов свароч-
ные напряжения могут вызывать появление трещин.
При симметричном расположении шва относительно
центра тяжести сечения свариваемого изделия (на
рис. 349, а, б сплошной линией показано исходное состоя-
ние пластин) происходят уменьшение его размеров, про-
дольная (6Ат/2) и поперечная (6бт/2) деформации. При
несимметричном положении шва (рис. 349, в) наблюда-
ется искажение формы сварной конструкции (изгиб, уг-
ловая деформация). В процессе проектирования и про-
изводства сварной конструкции можно предусмотреть
ряд мер, уменьшающих сварочные деформации. Меро-
669
приятия по уменьшению сварочных деформаций можно
разделить на конструктивные и технологические.
К конструктивным мероприятиям относятся:
1) уменьшение объема наплавленного металла и зоны
разогрева, достигаемое правильным конструированием,
уменьшением числа и протяженности швов, уменьшени-
Рис. 350. Порядок наложения швов, уменьшающий сварочные дефор-
мации:
а — сварка тонких листов; б — сварка длинных швов; в — многослой-
ная сварка; а —каскадная сварка
ем сечения разделки кромок благодаря уменьшению уг-
лов скоса; 2) рациональное расположение сварных
швов, достигаемое расположением швов симметрично
относительно центра тяжести сечения, максимальное
приближение швов к центру тяжести сечения.
К технологическим (рис. 350) мероприятиям относят-
ся: 1) применение сварочных источников теплоты с повы-
шенной концентрацией энергии, а также сварка на малых
погонных энергиях; 2) искусственное охлаждение; 3) при-
менение специальных приемов сварки (обратно ступен-
чатого способа сварки (см. рис, 350, а), многослойной и
670
каскадной сварки); 4) увеличение жесткости конструк-
ции, применение жесткого закрепления элементов конст-
рукций в кондукторах, постановка ребер жесткости,
предварительная прихватка и т. д.; 5) обратный прогиб
конструкции; 6) горячая и холодная правка после
сварки.
Уменьшение сварочных напряжений достигается:
1) устранением скоплений и пересечений сварных швов;
2) обеспечением свободного перемещения элементов при
сварке; 3) высоким отпуском после сварки; 4) проковкой
сварных швов и околошовной зоны; 5) прокаткой свар-
ного шва и околошовной зоны.
СВАРКА УГЛЕРОДИСТЫХ
И СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ'
Сварка низкоуглеродистых конструкционных сталей.
Низкоуглеродистые стали обладают хорошей сваривае-
мостью. Сварные соединения низкоуглеродистых сталей,
выполненные всеми способами сварки плавлением, обла-
дают удовлетворительной стойкостью против образова-
ния кристаллизационных трещин. Состав металла шва
незначительно отличается от основного металла. При
правильно выбранной технологии сварное соединение
имеет прочность такую же, как основной металл.
Конструкции из низкоуглеродистой стали большой
толщины в некоторых случаях после сварки подвергают
термической обработке: высокому отпуску для снятия
напряжений или нормализации для выравнивания
свойств и улучшения структуры отдельных участков
сварного соединения.
Для изготовления конструкций из низкоуглеродистых
сталей целесообразно использовать в зависимости от
толщины металла, типа соединения, пространственного
положения и условий эксплуатации следующие способы
сварки.
Покрытыми электродами сваривают стыковые и угло-
вые швы металла толщиной от 2 до 40 мм в любом прост-
ранственном положении.
Автоматическую сварку под флюсом преимуществен-
но в нижнем положении применяют для стыковых и угло-
вых швов большой протяженности при толщине металла
от 2 до 50 мм,
071
Сварку в защитных газах можно проводить плавя-
щимся и неплавящимся электродом вручную, автоматами
и полуавтоматами в любых пространственных положени-
ях. Толщина свариваемых изделий от 3 до 10 мм.
Электрошлаковую сварку применяют для выполнения
стыковых швов металла толщиной от 40 до 1000 мм.
Контактную сварку — точечную и шовную-применя-
ют для изготовления листовых конструкций с толщиной
листов до 5 мм. Для стыковых соединений труб, стерж-
ней, проволок диаметром от 0,1 до 100 мм используют
стыковую контактную сварку.
Сварка конструкционных среднеуглеродистых, леги-
рованных сталей. Свариваемость сталей ухудшается с
увеличением содержания углерода. Содержание углеро-
да больше 0,3% вызывает склонность сталей к закалке и
образованию холодных трещин в свариваемом соедине-
нии и пор в металле шва. Во избежание образования пор
и трещин при ручной сварке применяют электроды с
фтористокальциевым покрытием (с малым содержанием
водорода) типов Э-55; Э-85, а также предварительный
подогрев и последующий высокотемпературный отпуск.
Для изготовления сварных изделий из сталей типа
25ХГСА и ЗОХГСА с пределом прочности НО—
130 кгс/мм2 применяют термическую обработку (закалку
и отпуск). Изделия больших габаритов можно изготавли-
вать из предварительно термически обработанных эле-
ментов. Для сварки сталей 25ХГСА и ЗОХГСА использу-
ют все виды сварки.
Сварка теплоустойчивых сталей. Теплоустойчивые
стали типа 12МХ, 15ХМ, 20ХМ и т. д., используемые при
изготовлении деталей паровых котлов, турбин и т. п.,
склонны к образованию холодных трещин в околошовной
зоне; поэтому перед сваркой рекомендуются местный по-
догрев изделий до 200—300° С и последующая тер-
мическая обработка для снятия остаточных напря-
жений.
Для сварки теплоустойчивых сталей широко исполь-
зуют: ручную дуговую сварку электродами с покрытием
основного типа (фтористокальциевым); автоматическую
под флюсом (флюсы основного типа, АН-22, ФЦ-11);
полуавтоматическую сварку в углекислом газе (для свар-
ки паропроводов); аргоно-дуговую сварку вольфрамо-
вым электродом; контактную стыковую с непрерывным
оплавлением, Способ сварки выбирают в зависимости от
672
толщины материала, типа соединения, формы сварного
узла и эксплуатационных требований.
Сварка аустенитных хромоникелевых сталей. При
сварке аустенитных хромоникелевых, коррозионноустой-
чивых (нержавеющих) сталей 12Х18Н9, 08Х18Н10 и др.
возможно выпадение карбидов хрома по границам зерен
при длительном пребывании металла в зоне температур
от 500 до 800° Сив связи с этим возникновение склон-
ности к межкристаллитной коррозии (МКК). Для пре-
дупреждения этой коррозии в стали, а также в покры-
тия электродов вводят небольшие добавки титана или
ниобия (см. разд. II, гл. 11). Кроме того, эти стали име-
ют малую теплопроводность и большое электросопротив-
ление, что приводит к значительному короблению дета-
лей. Поэтому процесс сварки необходимо проводить при
малых энергиях на 1 м длины шва. Хромоникелевые
аустенитные стали относятся к удовлетворительно сва-
риваемым сталям. Их можно сваривать ручной дуговой
сваркой аустенитными электродами типа ЭА-1 со спе-
циальными основными покрытиями. Сварку обычно вы-
полняют на постоянном токе обратной полярности.
При сварке швов большой, протяженности целесооб-
разно применять автоматическую сварку под флюсом.
Для сварки под флюсом применяют специальную аусте-
нитную электродную проволоку, согласно ГОСТ 2246—75,
и флюсы с основным характером шлака.
Для изделий, имеющих небольшую толщину, приме-
няют аргоно-дуговую сварку вольфрамовым электродом.
Возможно также применение плазменной струи. Для
особо ответственных изделий применяют электроннолуче-
вую сварку. В этом случае сварные соединения характе-
ризуются повышенной стойкостью против коррозии.
Для изделий, имеющих большую толщину, возможно
применение электрошлаковой сварки с обязательной по-
следующей термической обработкой после сварки. Для
электрошлаковой сварки используются флюсы типа
АНФ-С и т. п. Аустенитные хромоникелевые стали хоро-
шо свариваются контактной сваркой при жестких
режимах.
Жаростойкие (окалиностойкие) стали, например,
10Х23Н18, 09Х14Н16Б и др., имеют низкую теплопровод-
ность, склонны к МКК и образованию горячих трещин.
Их сваривают главным образом ручной дуговой сваркой,
причем с обязательным применением специальной сва-
43—481
673
рочной проволоки (Св-Х25Н15 и Св-Х25Н15В), основных
электродных покрытий с добавлением титана и ниобия.
Сварку проводят при небольших токах и пониженном
напряжении. Целесообразно применение подогрева
до 300° С.
Сварка высокохромистых сталей. К этой многочислен-
ной группе относятся высокохромистые нержавеющие
стали ферритного (08X13, 15Х25Т), мартенситно-феррит-
ного (12X13) и мартенситного (20X13, 30X13) классов.
Некоторые из них (15Х25Т, 15X28) являются и жаростой-
кими (см. раздел II, гл. 11),
При сварке сталей мартенсито-ферритного и мартен-
ситного классов основная трудность заключается в за-
калке шва и околошовной зоны. Эти стали склонны к
образованию холодных трещин. Для предупреждения тре-
щин эти стали сваривают с подогревом до 200—300° С.
При сварке стали 15X28 и др. возможно выпадение
карбидов хрома; эти стали имеют повышенную склон-
ность к образованию трещин, окислению хрома и образо-
ванию грубых вязких шлаков, затрудняющих сварку.
Сварку следует выполнять при малых энергиях на 1 м
длины шва валиками малого сечения. При этом необхо-
димо вводить в сталь и наплавленный металл сильные
карбидообразователи (титан и ниобий). После сварки
для выравнивания содержания хрома в зернах и на их
границах следует проводить отжиг.
Сварка серого чугуна
Сварку чугуна применяют для устранения различных
дефектов литья при ремонте чугунных изделий, а также
при изготовлении сварно-литых чугунных деталей и тру-
бопроводов. Чугун относится к ограниченно свариваемым
сплавам, так как оно обладает низкой пластичностью и
склонен к отбеливанию при быстром охлаждении. Трещи-
ны возникают в процессе сварки, а также при остывании
сварного соединения, когда возникают напряжения рас-
тяжения. Возможность образования трещин резко умень-
шается, если свариваемая деталь предварительно нагрета
до 350—600° С. Интенсивное газовыделение из сварочной
ванны, которое продолжается, и на стадии кристаллиза-
ции может приводить к образованию пор в металле шва.
Чтобы в процессе сварки обеспечить возможность полу-
чения структуры серого чугуна, в металл шва и около-
шовной зоны вводят графитизаторы (кремний, углерод,
674
алюминий, медь, никель и др.). Самым сильным графи-
тизатором является кремний, который способствует вы-
делению углерода в свободном состоянии в виде графита.
Углерод и алюминий повышают температуру сварочной
ванны, раскисляют расплавленный металл и способству-
ют увеличению числа центров кристаллизации.
Эти элементы вводят в сварочную ванну через элек-
трод, который отливают с повышенным содержанием
кремния и углерода. Алюминий вводят в виде порошка.
Для сварки серого чугуна применяют горячий способ
с предварительным подогревом изделия и холодный спо-
соб — без подогрева изделия.
Горячую сварку чугуна выполняют с полным или
местным предварительным нагревом изделия до 400—
650° С в стационарных и временных печах или горнах.
Перед сваркой в деталях вырубают дефектные места и
разделывают кромки, которые затем заформовывают с
помощью графитовых пластин и кварцевого песка, заме-
шанного на жидком стекле.
При ручной дуговой сварке используют чугунные
электроды диаметром 8—25 мм с покрытиями. После
сварки сварные изделия охлаждают вместе с печью. При
сварке угольной дугой применяют чугунный присадочный
стержень и флюс в виде технической прокаленной 'буры.
В результате горячей сварки чугуна получается свар-
ное соединение хорошего качества, без твердых отбе-
ленных участков. Этот процесс является трудоемким,
поэтому его применяют только для ответственных
изделий.
Холодную сварку чугуна выполняют без предвари-
тельного нагрева изделия стальными электродами и
электродами из цветных металлов. При сварке сталь-
ными электродами лучшие результаты дают электроды
с покрытием основного типа УОНИ-13/55. Можно так-
же применять любые качественные электроды и элек-
троды с тонким ионизирующим покрытием.
Для получения более надежного соединения чугуна
или чугуна со сталью в разделанные кромки ввертывают
стальные шпильки на резьбе. Процесс начинается с коль-
цевой обварки шпилек и облицовки поверхности кромок
стальными электродами, после чего выполняют разделку.
Сварку проводят при небольших энергиях на 1 м длины
шва электродами малых диаметров. Этот способ не
исключает возникновения отбеленных и закалочных
43*
675
структур, но он прост и при его применении получается
хорошо обрабатываемая наплавка.
Сварка электродами из цветных металлов. Применя-
ют медножелезные (70% Си, 30% Fe), железоникелевые
(40% Ni, 60% Fe) и медноникелевые (30% Сц, 70% Ni)
электроды. Медножелезные электроды изготавливают в
виде: 1) медного стержня с железной оплеткой; 2) мед-
ного стержня в железной трубке; 3) электрода из биме-
таллической проволоки; 4) пучка из медных и стальных
стержней. Электроды имеют шлако- и газообразующие
или стабилизирующие покрытия. Медноникелевые и же-
лезоникелевые электроды изготавливают с покрытием
основного типа. Сварку этими электродами проводят на
постоянном токе обратной полярности. Применение мед-
ножелезных и медноникелевых электродов позволяет
получить легкообрабатываемый шов. Электроды из цвет-
ных металлов применяют для заварки небольших тре-
щин и раковин. Прочность сварного соединения состав-
ляет 70—80% от прочности основного металла.
Газовую сварку применяют для устранения литейных
дефектов и при сложных ремонтных работах на ответст-
венных изделиях. Разделку кромок под сварку выполня-
ют пламенем сварочной горелки. Механическим воздейст-
вием чугунного прутка и газовым дутьем пламени выби-
рают фаску вдоль трещины.
В процессе выплавки дефекта происходит -подогрев
кромок, замедляющий охлаждение чугуна и устраняю-
щий возможность отбеливания. Заварку выполняют чу-
гунным присадочным стержнем с применением порош-
кообразного или газового флюса.
Низкотемпературную газовую сварку-пайку чугуна
применяют для исправления различных дефектов чугун-
ного литья и трещин. Основной металл не расплавляет-
ся, присадочным металлом служит чугунный стержень.
При этом способе на подогретое до 730—740° G место
сварки наносят специальный флюс в виде пасты. Паста
обрабатывает поверхность чугуна, очищает ее от окис-
лов и обеспечивает возможность соединения основного
металла с расплавленным присадочным металлом, так-
же обрабатываемым этой пастой. При этом способе не
образуются твердые закаленные зоны и трещины, свар-
ное соединение хорошо обрабатывается,
676
СВАРКА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Сварка меди и ее сплавов. Медь обладает высокой
теплопроводностью и электропроводностью. В расплав-
ленном состоянии она активно поглощает кислород с
образованием закиси меди Си2О. Закись меди образует
с медью легкоплавкую эвтектику (Си2О—Си), которая
располагается по границам зерен и является причиной
склонности меди к горячим трещинам. Расплавленная
медь интенсивно поглощает водород. Закись меди и во-
дород при охлаждении образуют пары воды, которые в
замкнутом пространстве создают большое давление и
вызывают образование значительного количества пор1.
Медь содержит вредные примеси — свинец, сурьму,
мышьяк и висмут, которые значительно ухудшают сва-
риваемость. Для раскисления меди и удаления закиси
меди применяют вещества, активно реагирующие с кис-
лородом — алюминий, кремний, фосфор. Чтобы не про-
исходило окисления в процессе сварки, используют раз-
личные покрытия, флюсы или проводят сварку в защит-
ной среде (аргона, гелия или азота). По окончании
сварки рекомендуется быстрое охлаждение изделия в
в воде или проковка и прокатка швов для улучшения
пластических свойств сварного соединения.
Для сварки меди применяют следующие способы:
газовую, угольным электродом, покрытыми металличе-
скими электродами, автоматическую под флюсом уголь-
ным электродом, под плавлеными и керамическими флю-
сами, в защитных газах и др.
При газовой сварке меди используют флюсы (буру,
борную кислоту, борный ангидрид). Флюсы наносят в
виде порошка или пасты на предварительно нагретый
металл. В качестве присадочного металла применяют
медные прутки с добавками олова, кремния, фосфора,
как раскислителей. Сварку проводят восстановитель-
ным пламенем. При ручной дуговой сварке покрытыми
электродами применяют специальные покрытия, обес-
печивающие хорошие прочностные свойства сварных
соединений, но состав шва существенно отличается от
основного металла за счет легирования компонентами
электродного покрытия и электродного металла, что при-
водит к изменению теплофизических свойств металла
шва.
1 Так называемая «водородная болезнь».
677
Автоматическую сварку под флюсом угольным элек-
тродом осуществляют под плавленым флюсом, причем
присадочный металл в виде полосы, а также ленты ла-
туни или томпака закладывают в разделку и засыпают
флюсом. Для сварки используют постоянный ток обрат-
ной полярности. Цинк, входящий в состав присадочно-
го металла, является раскислителем металла шва.
Автоматическую сварку под флюсом плавящимся
электродом проводят медной проволокой под бескисло-
родным флюсом АН-М на постоянном токе обратной по-
лярности.
Автоматическая сварка под специальными керамиче-
скими флюсами обеспечивает требуемые механические и
физические свойства.
Применение керамического флюса дает возможность
вводить в сварочную ванну модификаторы, позволяющие
регулировать процессы кристаллизации и физические
свойства наплавленного металла. Хорошие результаты
дает способ сварки в защитных газах (аргоне, гелии),
особенно при сварке изделия малых толщин. Сварку
проводят вольфрамовым электродом на постоянном токе
прямой полярности. В качестве присадочного металла
применяют прутки из меди, содержащей кремний, олово,
марганец.
Сварка латуней1. При сварке латуней возникают те
же трудности, что и при сварке меди с дополнительной
возможностью испарения цинка из сплава, которое при-
водит к появлению пор в швах и образованию вредных
паров цинка. Для сварки латуни применяют те же спо-
собы, что и для меди, однако используют ряд приемов,
уменьшающих испарение цинка. Так, например, газовую
сварку латуни проводят с газовым флюсом (пары борсо-
держащих жидкостей), который подается вместе с аце-
тиленом. Возможна также газовая сварка латуни окис-
лительным пламенем. Хорошие результаты можно полу-
чить при сварке в защитных газах, контактной сварке и
автоматической под керамическим флюсом.
Сварка бронз1 2. Сварку бронз применяют главным об-
разом при заварке дефектов литья, при изготовлеиии-
1 Простые латуни — сплавы меди с цинком (до 40% Zn); в слож-
ные латуни, кроме меди и цинка, вводят добавки свинца, железа и
т. д. (см. разд. II, гл. 14, а также разд. III, гл. 3).
2 Сплавы на основе меди с оловом, алюминием, цинком и дру-
гими компонентами (см. разд. II, гл. 14, а также разд. III, гл. 3).
678
изделий сложных конфигураций из отдельных бронзовых
отливок при ремонтных работах.
При сварке бронзы возникают те же трудности, что и
при сварке меди. Кроме того, возможно выгорание леги-
рующих элементов. Применяют те же способы, что и при
сварке меди, только электродным материалом обычно
служит проволока того же состава, что и свариваемый
металл. Наиболее хорошие результаты обеспечивает ав-
томатическая сварка плавящимся электродом под кера-
мическим флюсом.
Сварка алюминия и его сплавов *. Основная трудность
при сварке алюминия и его сплавов заключается в нали-
чии на поверхности тугоплавкой окисной пленки А120з с
температурой плавления 2050° С (в то время как сам
алюминий плавится при 660° С). При нагреве и расплав-
лении алюминий не изменяет цвета, поэтому на глаз
контролировать степень его нагрева трудно. При 400—
500° С прочность алюминия резко уменьшается и деталь
может разрушиться под действием собственной массы.
Поэтому сварку алюминия необходимо проводить на
подкладках.
В процессе сварки пленка окислов покрывает капли
расплавленного металла и препятствует сплавлению их
с основным металлом. Поэтому при любом способе свар-
ки окисную пленку необходимо предварительно удалять.
Окисную пленку удаляют механически, травлением,
применением специальных бескислородных флюсов или
покрытий. Флюсы и покрытия при сварке алюминия со-
ставляют на основе галлоидных соединений (LiCl, LiF,
NaCl, КС1 и т. д.).
Основными способами сварки алюминия и его спла-
вов являются аргоно-дуговая сварка вольфрамовым
электродом на переменном токе и контактная сварка.
Применяют также автоматическую сварку плавящимся
электродом в защитных газах и под бескислородным
флюсом, а также электрошлаковую и газовую сварку.
Сплавы, термически не упрочняемые АМц, АМгЗ и
т. д., легко свариваются при соблюдении требуемой тех-
нологии. При сварке термически упрочняемых сплавов
типа дуралюмина происходит местный перегрев металла,
вызывающий резкое снижение механических свойств.
1 Разд. II, гл. 14.
671
Сварка тугоплавких металлов и их сплавов. К туго-
плавким металлам, используемым в сварных конструк-
циях, относятся титан, цирконий, ванадий, ниобий, тан-
тал, молибден, вольфрам и др. К трудностям сварки
этих металлов и их сплавов относятся: 1) высокая хи-
мическая активность по отношению к атмосферным га-
зам как в расплавленном состоянии, так и в твердом
при повышенных температурах; 2) склонность к обра-
зованию пор; 3) склонность к образованию трещин.
Чувствительность тугоплавких металлов и их сплавов
к термическому циклу сварки, склонность к образованию
пор и трещин зависят от композиции сплава, содержа-
ния примесей в исходном материале, качества защиты
металла шва и технологических режимов сварки.
Для соединения тугоплавких металлов и их сплавов
преимущественно применяют сварку плавлением: дуго-
вую в инертных газах (в камерах и со струйной за-
щитой), под бескислородным флюсом (для тита-
на), электроннолучевую, лазером. Для некоторых
изделий применяют следующие способы сварки
давлением: диффузионную в вакууме и защитных
газах, взрывом, контактную. По свариваемости и тех-
нологии сварки тугоплавкие металлы можно разде-
лить на две группы. К первой группе относятся титан,
цирконий, ниобий, ванадий, тантал, ко второй — молиб-
ден, вольфрам. Металлы и сплавы первой группы обла-
дают хорошей стойкостью против образования горячих
трещин, но склонны к образованию холодных трещин.
Склонность этих металлов к холодным трещинам связана
с водородом, который охрупчивает металл в результате
гидридного превращения при содержании его выше пре-
дельной растворимости. Кроме того, охрупчивание метал-
ла происходит также при насыщении кислородом, азо-
том, углеродом и теплофизическом воздействии сварки,
вызывающем перегрев, укрупнение зерна и выпадение
хрупких фаз по границам зерен.
Металлы и сплавы второй группы весьма склонны к
образованию горячих трещин из-за малой деформацион-
ной способности, повышенной чувствительности к эле-
ментам внедрения и теплофизическому воздействию
процесса сварки.
Основными способами получения сварных соедине-
ний, стойких против образования трещин, являются:
1) высокое качество исходных материалов (основного и
680
присадочного материала, защитных материалов); 2) при-
менение технологии сварки, гарантирующей минималь-
ное насыщение примесями металла шва; 3) рациональ-
ное конструирование сварных узлов; 4) применение
специальных технологических приемов, например для
металлов второй группы подогрев в процессе сварки.
Из всех тугоплавких материалов самое широкое при-
менение в промышленности получил титан него сплавы.
Сварку титана и его сплавов проводят в атмосфере за-
щитных газов с дополнительной газовой защитой корня
шва и еще не остывшего участка шва до 400° С. Перед
сваркой проволоку подвергают вакуумному отжигу. Для
сварки титана больших толщин применяют автоматиче-
скую сварку под специальным бескислородным флюсом
(АНТ-1; ПНТ-3 и т. д.). Защита обратной стороны осу-
ществляется применением остающейся или флюсомедной
подкладки или флюсовой подушки. При этом используют
постоянный ток обратной полярности. Кроме того, для
сварки титана и его сплавов можно применять и другие
способы сварки: вакуумно-дуговую, электроннолучевую,
диффузионную и т. п.
Глава 5
ПАЙКА
Пайкой называется процесс соединения металлов в
твердом состоянии с введением в зазор между ними
расплавленного присадочного металла (припоя), име-
ющего температуру плавления меньше температуры
плавления основного металла. При пайке основной ме-
талл не расплавляется. Образование соединения без
расплавления кромок основного металла обеспечивает
возможность распая паяемых заготовок.
По прочности паяные соединения уступают сварным.
Паять можно углеродистые и легированные стали всех
марок, твердые сплавы, цветные металлы, серые и ков-
кие чугуны. При пайке металлы соединяются в резуль-
тате смачивания и растекания жидкого припоя по
нагретым поверхностям и затвердевания его после ох-
лаждения. Прочность сцепления припоя с соединяемы-
ми поверхностями зависит от физико-химических и
диффузионных процессов, протекающих между припоем
и основным металлом.
’681
Диффузионные процессы зависят от качества подго-
товки поверхностей, наличия на ней окислов или за-
грязнений, а также от температуры и времени пайки.
По особенностям процесса и технологии, согласно
ГОСТ 17349—71, пайка определяется рядом факторов:
особенностью заполнения зазора, способом удаления
окисной пленки, способом подвода энергии к месту
пайки, механизмом формирования паяного шва. В про-
цессе пайки реализуются различные технологические
способы или их сочетания. По условию заполнения за-
зора припоем пайку можно разделить на капиллярную,
когда расплавленный припой заполняет паяльный за-
зор и удерживается в нем под действием капиллярных
сил, и некапиллярную.
По механизму образования шва капиллярная пайка
подразделяется на пайку с готовым припоем, когда за-
твердевание шва происходит при охлаждении; контакт-
но-реактивную пайку; реактивно-флюсовую; диффузи-
онную. При контактно-реактивной пайке припой обра-
зуется в результате контактно-реактивного плавления
соединяемых материалов, промежуточных покрытий
или прокладок. При реактивно-флюсовой пайке припой
образуется в результате реакции вытеснения между ме-
таллом и флюсом (например, 3ZnC12-i-2Al=2AlCl3+
+3Zn). При диффузионной пайке соединение образует-
ся за счет взаимной диффузии компонентов припоя и
паяемых материалов, причем возможно образование в
шве твердого раствора или тугоплавких хрупких ин-
терметаллидов. К некапиллярным способам пайки от-
носятся пайко-сварка (рис. 351,а), при которой произ-
водится разделка соединяемых кромок и сварко-пайка
(рис. 351,6), при которой соединение разнородных ма-
териалов происходит с применением местного нагрева,
причем более легкоплавкий материал выполняет роль
припоя.
Наибольшее распространение в промышленности по-
лучила капиллярная пайка с готовым припоем и пай-
ко-сварка.
Припой должен хорошо растворять основной ме-
талл, обладать смачивающей способностью и быть де-
шевым и недефицитным. Припои представляют собой
сплавы цветных металлов сложного состава. Различа-
ют высокотемпературные (твердые) и низкотемператур-
ные (мягкие) припои, Высокотемпературные припои
682
имеют температуру плавления выше 500° С и предел
прочности от 6 до 50 кгс/мм2, а низкотемпературные
припои — температуру плавления ниже 4ОО6'С и предел
прочности до 7 кгс/мм2. Припои изготавливают в виде
прутков, проволок, листов, полос, спиралей, колец, дис-
ков, зерен и т. д.
Флюсы служат для растворения и удаления окислов
и загрязнений с поверхности металла, защиты его от
Рис. 351. Схема образования швов при пайкосварке
соединения при
(в); втавр (г);
окисления, улучшения смачиваемости и растекания
припоев.
Температура плавления флюса должна быть ниже
температуры плавления припоя. Флюсы выпускают в
виде порошков, паст, в жидком виде.
На рис. 352 показаны основные типы
пайке: внахлестку (а); встык (б)- вскос
в угол (<?); соприкасаю-
щийся (е).
Величина зазора меж*
ду соединяемыми кром-
ками должна быть малой
для того, чтобы улучшить
затекание припоя под
действием капиллярных
сил и увеличить проч-
ность соединения. Для
серебряных припоев ре-
комендуется зазор от
0,05—0,08 мм, а для ме-
ди — не более 0,012 мм.
Для хорошего смачива-
ния поверхности осу-
ществляют механическую
Рис. 352, Типы паяных соединений
. 683
очистку и обезжиривание, горячей щелочью, трихлорэти-
леном, четыреххлористым углеродом.
Пайка высокотемпературными припоями. К этим
припоям относятся медные, медноцинковые, меднонике-
левые и серебряные. При пайке используют флюс: бу-
ру (Na2B4O7) и борную кислоту (Na2BO3), хлористый
цинк (ZnCU), фтористый калий (KF) и другие галоид-
ные соли щелочных металлов.
Для пайки нержавеющей стали применяют смесь из
равных частей буры и борной кислоты, замешанных в
водном растворе хлористого цинка. При пайке серого и
ковкого чугуна для выжигания графита и увеличения
площади чистой металлической поверхности во флюсы
вводят сильные окислители, например хлорат калия,
перекись марганца, окислы железа и т. д.
Пайку низкотемпературными припоями используют
почти для всех металлов. Эти припои состоят в основ-
ном из олова.
Применяют также легкоплавкие припои, содержа-
щие висмут, кадмий и безоловяиистые припои на осно-
ве свинца, сурьмы. Припои изготавливают в виде
прутков, болванок, проволоки, трубок, заполненных
флюсом, порошка и пасты из порошка припоя с флю-
сом. Поверхности спая очищают механическим и хими-
ческим способами. В качестве флюсов применяют сла-
бодействующие кислоты, органические и неорганичес-
кие вещества, например канифоль, стеарин, соляную
кислоту, хлористый цинк, нашатырь, фосфорную кисло-
ту. Используют также раствор хлористого цинка с до-
бавкой хлористого аммония. Приготавливают специ-
альную паяльную кислоту или паяльную жидкость (рас-
твор хлористого цинка в технической соляной кислоте).
По окончании пайки флюсы удаляют с поверхности ме-
талла.
По способу нагрева различают следующие способы
пайки.
Пайку газовым пламенем осуществляют нагревом
кромок изделия до плавления припоя и флюса и приме-
няют в основном для соединения деталей высокотемпе-
ратурными припоями. Для получения газового пламени
применяют сварочные или специальные горелки и па-
яльные лампы. В качестве горючих газов применяют
ацетилен, природные газы, водород, пары керосина и
т.д. При газовой пайке припой можно расположить за-
684
ранее у паяемого места или вводить в процессе пайки
вручную. Применяют серебряные, медноцинковые, фос-
фористомедные и бронзовые припои. Перед лайкой на
место пайки наносят флюс в виде жидкой пасты, разве-
денный водой или спиртом. Конец прутка также покры-
вают флюсом.
Пайка в печах. Пайку проводят в специальных пе-
чах с электрическим обогревом. Существуют три спосо-
ба пайки в печах: 1) с применением твердых флюсов;
2) в вакууме; 3) в газовой среде. В первом случае со-
бранное изделие с припоем, заложенным заранее в
шов и нанесенным на место пайки флюсом, помещают
в печь. Здесь изделие нагревается до температуры пай-
ки. Во втором случае собранное изделие нагревается в
вакуумной камере, благодаря чему металл не окисляет-
ся. В третьем случае используют активные или инерт-
ные газы: водород, диссоциированный аммиак и др.
Пайка погружением. Проводят в ваннах с расплав-
ленными солями. На поверхность, подлежащую пайке,
предварительно очищенную от грязи и жира, наносят
флюс, между кромками или около места соединения
размещается припой, затем деталь скрепляют и погру-
жают в ванну. Соляная ванна предохраняет место пай-
ки от окисления. Этот способ пайки используют для из-
готовления деталей из стали, твердых сплавов, меди,
медных и алюминиевых сплавов.
Пайка погружением в металлические ванны. Дета-
ли, нагретые до 550° С, погружают в ванну с расплав-
ленным припоем, покрытым флюсом. Неспаиваемые по-
верхности предохраняют от контакта с припоем специ-
альной обмазкой из графита с добавками небольшого
количества извести.
Пайка бегущей волной припоя является разновид-
ностью пайки погружением в металлические ванны.
При этом способе расплавленный припой подается на-
сосом и образует волну над уровнем расплава. Паяе-
м'ая деталь перемещается в горизонтальном направле-
нии и в момент касания волны происходит пайка.
Пайку бегущей волной применяют главным образом
радиоэлектронной промышленности при производстве
печатных схем.
Пайка токами высокой частоты или индукционная
пайка. Нагреваемый участок паяемого изделия поме-
щают внутрь катушки-индуктора. Через индуктор про-
685
пускают ток высокой частоты. В результате место пай-
ки нагревается до температуры пайки. Предохранение
изделия от окисления достигается за счет помещения
изделия в процессе нагрева в вакуум или в защитную
среду. Иногда применяют флюсы. Индуктор имеет вид
петли или спирали из технической меди. Форма и раз-
меры индуктора зависят от конструкции паяемого из-
делия.
Электрическая контактная пайка. Для нагрева мес-
та пайки используют обычные контактные сварочные
машины. Подготовленный к пайке узел зажимают меж-
ду электродами машины, затем включают ток и прово-
дят пайку. После нагрева изделие некоторое время вы-
держивают под давлением до остывания припоя. Пай-
ку применяют для соединения мелких деталей в массо-
вом производстве.
Пайка нагретым инструментом. Применяют для
пайки низкотемпературными припоями. Паяльником
нагревают детали в месте пайки и расплавляют припой
и флюс.
Пайка с нагревом кварцевыми лампами. Детали,
подлежащие пайке, помещают в специальный контей-
нер, в котором создают вакуум, затем его заполняют
аргоном. Контейнер обогревают кварцевыми лампами.
После окончания обогрева кварцевые лампы отводят и
вынимают запаянные детали.
Экзофлюсовая пайка. Применяют для пайки нержа-
веющих сталей. На очищенное место соединения нано-
сят тонкий порошкообразный слой флюса. Соединяемые
поверхности совмещают, на противоположные стороны
заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь
состоит из разных компонентов, которые укладывают в
форме пасты или брикетов толщиной в несколько мил-
лиметров. Собранную конструкцию устанавливают в
приспособление и вносят в специальную печь, где осу-
ществляют зажигание экзотермической смеси при
500° С. В результате экзотермических реакций смеси
температура на поверхности металла повышается и
происходит расплавление припоя.
Пайка с наложением упругих колебаний. Для пай-
ки используют упругие колебания — низкочастотные и
ультразвуковые. Для создания низкочастотных колеба-
ний применяют электромагнитные вибраторы, которые
жестко соединяют с приспособлениями. В приспособлен
686
ниях зажаты детали, подлежащие пайке. Частота коле-
баний около 100 Гц. При использовании высокочастот-
ных ультразвуковых колебаний разрушается поверхно-
стная окисная пленка. Это особенно важно при пайке
алюминиевых и магниевых сплавов.
Глава 6
КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Качество сварных соединений оценивают с помощью
разрушающих и неразрушающих методов контроля.
Контроль качества сварки начинается с проверки
исходных материалов, оборудования, квалификации
сварщиков, технологического процесса и т. п. и закан-
чивается проверкой качества готового изделия.
Дефекты сварных соединений могут быть наружны-
ми или поверхностными и внутренними.
К наружным дефектам относятся: дефекты формы
швов, подрезы, кратеры, прожоги.
Дефектом формы швов считается несоответствие
геометрических размеров шва заданным размерам из-
за нарушения технологии сварки.
Подрезы представляют собой углубления в основ-
ном металле, расположенные по краям шва. Они обра-
зуются при сварке на повышенных напряжениях. Под-
резы уменьшают рабочее сечение шва и могут быть
причиной разрушения шва из-за появления трещин у
края подреза (рис. 353,а).
Кратеры — углубления в конце шва, образуются при
обрывах дуги, они уменьшают рабочее сечение шва и
снижают его прочность.
Прожоги образуются при большой энергии на 1 м
длины шва.
Поверхностные дефекты выявляются главным обра-
зом внешним осмотром и могут быть исправлены под-
варкой.
К внутренним дефектам относятся: газовые поры,
шлаковые включения, металлические включения, не-
провары, трещины, несплавления.
Газовые поры (рис. 353, б) возникают в металле шва
при перенасыщении сварочной ванны газами, вследст-
вие загрязненности кромок изделия, влажности обмаз-
687
ки и флюсов, влаги в защитных газах и т. п. Поры сни-
жают прочность и плотность швов.
Шлаковые включения (рис. 353, в) образуются в ре-
зультате окисления компонентов сплава в процессе рас-
плавления, а также попадания частиц окалины, окис-
лов, флюса и т. д. в жидкий металл при его затвердева-
нии. Шлаковые включения ослабляют рабочее сечение
шва и снижают прочность соединения.
Непровары (рис. 353, г) представляют собой не-
сплошности на границе между основным и наплавлен-
ным металлом или незаполненные металлом полости в
сечении шва. Непровары образуются при загрязнении
кромок, неправильной подготовке кромок, неправильном
режиме сверки. Непровары снижают прочность сварно-
го соединения за счет ослабления рабочего сечения
шва.
Трещины (рис. 353, е) —самый опасный из дефектов
сварных швов. Они могут быть микро- и макроскопиче-
скими, а в зависимости от происхождения горячими и
холодными.
Трещины бывают продольные и поперечные и распо-
лагаются в металле шва или в зоне термического влия-
ния. Трещины в сварных соединениях образуются под
действием сварочных напряжений, превышающих пре-
дел прочности металла.
Несплавление (рис. 353, <Э)—это появление не-
сплошности на свариваемых поверхностях или кромках
материалов.
Все указанные дефекты встречаются главным обра-
зом при сварке плавлением. При сварке давлением и
пайке возникают типичные дефекты: пережог металла,
непровар, несплавление, пористость, кольцевые и про-
дольные трещины.
688
Методы разрушающего контроля. Разрушающие ис-
пытания проводят обычно на контрольных образцах,
реже на моделях и на самих изделиях. Контрольные об-
разцы сваривают из того же материала и по той же
технологии, что и сварные соединения изделий. К раз-
рушающим методам контроля относятся: механические
испытания; металлографические исследования; химиче-
ский анализ; коррозионные испытания; исследования на
свариваемость. Эти испытания позволяют получить чис-
ловые данные, характеризующие прочность, качество и
надежность соединений.
Механические испытания соединений и металла шва
проводят на растяжение, изгиб, сплющивание и т. п. По
характеру нагрузки предусматривают статистические,
динамические и усталостные испытания.
Металлографические исследования проводят на мик-
ро- и макрошлифах, вырезанных из сварного соедине-
ния. На микрошлифах определяют микроструктуру шва
и околошовной зоны, размеры зерна, а также выявляют
микроскопические трещины и поры.
На макрошлифах выявляют границы шва и зоны
термического влияния, макроскопическое строение свар^
ного шва, размеры и направление кристаллитов, а так-
же дефекты в сварном шве.1
Химический анализ проводят для контроля состава
основного металла шва и сварочных материалов (элек-
тродной проволоки или наплавленного металла). Про-
бы отбирают в виде стружки.
Коррозионные испытания проводят для определения
коррозионной стойкости сварного соединения при ра-
боте в различных средах. Испытания проводят на об-
щую и межкристаллитную коррозию.
К неразрушающим методам контроля относят: кон-
троль на непроницаемость (керосином, сжатым возду-
хом, вакуумированием, гидравлическими течеискателя-
ми), магнитный и электромагнитный, люминисцентный;
радиационный, ультразвуковой и магнитографический.
: Испытание швов керосином проводят на открытых
сосудах: резервуарах, цистернах и т. п. Способ основан
на высокой проникающей способности керосина. Швы
покрывают меловой обмазкой с внешней стороны.
1 Несплавленне, непровары, неметаллические включения, газовые
поры и трещины.
44—481
68»
С внутренней стороны швы смачивают керосином. Де-
фекты выявляются со стороны окрашенной мелом в ви-
де ржавых полос и пятен.
Испытание сжатым воздухом. Эти испытания прово-
дят для контроля общей герметичности сосудов. Негер-
метичность определяют по спаду давления при выдерж-
ке в течение 10—100 ч. Испытательное давление выбира-
ют равным 1—1,2 от рабочего.
Испытание мыльной пеной. Изделие наполняют воз-
духом или азотом, с наружной стороны обмазывают
мыльной пеной. Дефекты выявляют по появлению пу-
зырьков. Можно вместо мыльных растворов применить
специальные массы.
Способ погружения. Изделие наполняют воздухом до
избыточного давления (0,3—3 ат) и погружают в воду.
Негерметичность определяют по выходящим пузырькам
воздуха.
Способ вакуумирования. На изделие накладывают
камеру с прозрачным верхом. Перед установкой камеры
шов смачивают мыльным раствором. В камере создают
вакуум 0,1—0,6 ат. Дефекты выявляются в виде пу-
зырьков.
Гидравлические испытания. Эти испытания позволя-
ют определить плотность и прочность сварных швов.
Испытания проводят с полным или частичным заливом
водой, с полным заливом и дополнительным давлением
от напорной трубки, с полным заливом и созданием
давления около 1,5—2 от рабочего. Изделие выдержи-
вают требуемое время, затем осматривают. Течи выяв-
ляют в виде струек и потений. Для повышения чувстви-
тельности контроля используют водяные растворы, об-
ладающие повышенной проникающей способностью,
а также растворы с радиоактивными добавками. В этом
случае радиационные индикаторы выявляют мелкие
течки.
Испытание течеискателями. Применяют гелиевые
или галоидные течеискатели — при применении гели-
евых течеискателей внутри испытуемого изделия созда-
ют вакуум, а снаружи сварные швы обдувают смесью
воздуха с гелием. При наличии неплотностей гелий про-
никает внутрь сосуда, а затем поступает в течеискатель,
где имеется специальная аппаратура для его обнаруже-
ния. При применении галлоидных течеискателей внутри
испытуемого сосуда создают избыточное давление и
690
вводят галоидный газ. Газ проникает через неплотности
в шве, отсасывается снаружи сосуда и поступает в
специальную аппаратуру. По наличию галоидного газа
определяют неплотность шва.
Радиационные методы контроля (рентгеновскими и
у-лучами). Сущность контроля рентгеновскими и у-лу-
чами заключается в том, что они по-разному поглощают-
ся при прохождении через дефектные и бездефектные
участки сварных швов. Существуют четыре способа фик-
сации выявления лучами дефектов сварки: 1) флюоро-
скопический— рассмотрение дефектов на экране; 2) рас-
смотрение дефектов на экране электронного оптического
преобразователя; 3) фотографический с фиксацией де-
фектов на фотопленке; 4) ионизационный. Наиболее рас-
пространенным является фотографический. Рентгенов-
ские лучи, проходя через испытываемый сварной шов,
будут частично поглощаться и действовать на находя-
щуюся за ним фотопленку, экран или ионизационную
камеру. Дефектные места видны как почернения раз-
личной величины и формы соответственно характеру
дефекта. В промышленности для просвечивания изделий
применяют серийные рентгеновские аппараты типа РУП.
Магнитные методы контроля сварных соединений.
При сварке ферромагнитных магнитопроводящих ме-
таллов можно намагнитить сварные швы. Если в таком
сварном шве на пути магнитного потока встретится тре-
щина, разъединяющая металл газовым зазором, то она
нарушает закономерность прохождения магнитного по-
тока вследствие различной магнитной проницаемости
металла в трещине. Там, где над дефектом образовался
поток рассеяния, магнитные силовые линии огибают
дефект, выходят наружу и идут обратно в изделие,
в результате чего возникают разноименные полюсы.
Задачей магнитного метода контроля является улавли-
вание образовавшихся за дефектами магнитных потоков
рассеяния. В намагниченном металле дефекты, вызвав-
шие образование потоков рассеяния, выявляют магнит-
ным порошком или индукционными искателями.
Люминесцентный метод контроля применяют для
выявления поверхностных дефектов, главным образом
трещин в сварных швах на немагнитных материалах:
нержавеющих и жаропрочных сталях, алюминиевых и
магнитных сплавах. Метод основан на свойстве некото-
рых жидкостей флюоресцировать — светиться под дей-
44*
691
ствием ультрафиолетовых лучей. Флюоресцирующий со-
став проникает в невидимые глазом мелкие трещины в
сварном шве и при облучении ультрафиолетовыми лу-
чами люминисцирующая жидкость светится ярким жел-
то-зеленым светом.
Ультразвуковая дефектоскопия сварных швов.
Ультразвуковая дефектоскопия заключается в том, что
электрические колебания, превращенные в механи-
ческие при помощи пьезоэлемента кварцевой пластин-
ки, подаются на сварной шов. Дефекты шва являются
препятствием для колебаний с ультразвуковой частотой.
Они рассеивают и отражают эти колебания, которые
принимаются этим же или другим пьезоэлементом, прев-
ращаются в электрические, усиливаются и передаются
на катодную трубку, где их можно наблюдать в виде
импульсов различной величины. При помощи ультра-
звука можно выявлять в шве трещины, непровар, поры
самых малых размеров. По принципу отражения уль-
тразвуковых волн работают ультразвуковые дефекто-
скопы УЗО-7, УДМ-1М; УДМ-3, с помощью которых
можно обнаружить дефекты, расположенные на глубине
1—2500 мм под поверхностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Гельман А. С. Основы сварки давлением. М., «Машиностро-
ение», 1970. 312 с. с ил.
Евсеев Г. Б., Глизманенко Д. А. Оборудование и технология га-
зопламенной обработки металлов и неметаллических материалов. М.,
Машгиз, 1974. 312 с. с ил.
Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Расчет проекти-
рования и изготовления сварных конструкций. М., «Высшая школа»,
1971. 760 с. с ил
Ольшанский Н. А., Николаев Г. А. Специальные методы сварки.
М., «Машиностроение», 1975. 232 с. с ил.
Справочник по сварке. Т. I—IV. М., Машгиз, 1961—1970. 416 с.
с ил. Технология конструкционных материалов. М., «Машинострое-
ние», 1977. 664 с. с ил. Авт.: А. М. Дальский, И. А. Арутюнова,
Т. М. Барсукова и др.
Теоретические основы сварки. М., «Высшая школа», 1970. 592 с.
с ил. Авт.: В. В. Фролов, В. А. Винокуров, И. А. Арутюнова и др.
Технология электрической сварки металлов и. сплавов плавле-
нием. М., Машгиз, 1974. 763 с. с ил. Авт.: С. И. Островская,
Б. Е. Патон, Г. Е. Левков и др.
Шоршоров М. X., Чернышева Т. А., Красовский А. И. Испыта-
ния металлов на свариваемость. М., «Металлургия», 1972. 240 с. с ил.
Лашко Н. Ф„ Лашко С. В. Вопросы теории и технологии пайки.
248 с. с ил. Контроль качества сварки. М., Машгиз, 1975. 328 с. с ил.
692
Раздел VI
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
Обработка металлов и других конструкционных ма-
териалов резанием на металлорежущих станках — весь-
ма распространенный производственный процесс, назна-
чением которого является придание заготовкам с по-
мощью режущего инструмента правильной геометричес-
кой формы, требуемых размеров и чистоты поверхности.
На большинстве машиностроительных заводов тру-
доемкость обработки резанием составляет 45—60% от
общей трудоемкости изготовления машин, и поэтому
совершенствование технологии резания металлов явля-
ется актуальной народнохозяйственной задачей.
Изучение закономерностей явлений, связанных с ре-
занием металлов, конструкцией режущих инструментов и
металлорежущих станков, необходимо не только для
сознательного управления процессами резания, но и для
проектирования более совершенных технологических
процессов изготовления деталей машин и приборов.
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Виды обработки металлов резанием различаются
между собой конструкцией используемого режущего ин-
струмента и характером относительных движений, со-
вершаемых инструментом и обрабатываемой заготовкой
на металлорежущем станке (табл. 20).
Общие понятия и определения рассмотрены на при-
мере точения.
Поверхности заготовки и координатные плоскости.
На обрабатываемой заготовке при снятии с нее струж-
ки (рис. 354) различают обрабатываемую поверхность,
с которой срезается стружка; обработанную поверхность,
с которой срезана стружка; поверхность резания, обра-
зованную главным режущим лезвием резца
693
ХАРАКТЕР ДВИЖЕНИЙ ПРИ НЕКОТОРЫХ СПОСОБАХ ОБРАБОТКИ
ТАБЛИЦА 20
Наименование режущего инст- румента Характер движения Траектория относительного движения
Способ обработки режущего инструмента обрабатываемой заготовки
Точение (токарный станок) Проходной ре- зец Поступательное прямолиней- ное, параллельно оси заготовки Вращательное Винтовая ли- ния
Точение (токарный станок) Отрезной резец Поступательное прямолиней- ное, перпендикулярно оси за- готовки Вращательное Архимедова спираль
Строгание (продольно- строгальный станок) Строгальный резец Неподвижен в процессе реза- ния. Периодическая поступа- тельная подача Прямолиней- ное, возвратно- поступаТеЛьное Прямая линия
Протягивание (протяжной станок) Протяжка Прямолинейное поступатель- ное Неподвижна Прямая линия
Сверление, зенкерование, развертывание (сверлиль- ный станок) Сверло, зеИКер развертка Вращательное и поступатель- ное Неподвижна Винтовая ли- ния
Сверление (токарный ста- нок) Сверло Поступательное Вращательное Винтовая ли- ния
Фрезерование (фрезерный станок) Фреза Вращательное Поступатель- ное Циклоида
За координатные плоскости принимают плоскость
резания 4, касательную к поверхности резания и прохо-
дящую через главное режущее лезвие резца, и основную
плоскость 5, параллельную направлениям продольной и
поперечной подач.
Элементы режущей части и геометрия (углы) резца.
Резец (рис. 355) состоит из стержня /, служащего для
Рис, 354. Координатные
плоскости и поверхности об-
рабатываемой заготовки:
1 — обрабатываемая поверх-
ность; 2 — обработанная по-
верхность; 3 — поверхность
резания; 4 — плоскость реза-
ния; 5 — основная плос-
кость; S пр — продольная по-
дача
закрепления его в резцедержателе станка, и режущей
части // (головки).
Различают следующие эле-
менты режущей части резца:
передняя поверхность, по кото-
рой сходит стружка; главная
задняя поверхность, которая
обращена к поверхности реза-
ния; вспомогательная задняя
поверхность, обращенная к об-
работанной поверхности заго-
товки; главное режущее лез-
вие, образованное пересечени-
ем передней и главной задней
поверхностей (оно совершает
основную работу резания);
вспомогательное режущее лез-
вие, образованное пересечени-
ем передней и вспомогатель-
ной задней поверхности.
Вершина резца — точка пс-
Рис. 355. Части и элементы
токарного прямого проход-
ного резца:
/ — передняя поверхность;
2 — вершина резца; 3—вспо-
могательное режущее лез-
вие; 4 — вспомогательная
задняя поверхность; 5 —
главная задняя поверхность;
6 — главное режущее лезвие
695
ресечения режущих лезвий. Для увеличения износостой-
кости резца и повышения чистоты обработанной
поверхности вершину его закругляют дугой окружности
или срезают прямолинейным переходным лезвием.
Углы резца определяют взаимное расположение по-
верхностей его режущей части, а также остроту режу-
Рис. 356. Углы заточки резца::
а~ главные углы; б —углы в плане; в —угол наклона главного режущего
лезвия
щего клина, форму поперечного сечения срезаемого
слоя.
Главные углы резца (рис. 356, а) рассматривают в ,
главной секущей плоскости А, которая проходит перпен-
дикулярно к проекции главного режущего лезвия на
основную плоскость.
Главным передним углом у называется угол между
передней поверхностью резца и плоскостью, перпенди-
кулярной к плоскости резания. Его назначение заклю-
чается в управлении степенью деформации срезаемого-
слоя металла.
Главным задним углом а называется угол между
главной задней поверхностью резца и плоскостью реза-
ния; он. служит для уменьшения трения между главной
696
задней поверхностью резца и поверхностью резания
заготовки.
Углом заострения 0 называется угол между перед-
ней и главной задней поверхностями резца. Угол 0 на
чертеже обычно не обозначают, так как его величину
определяют из выражения 0=90°—(а°+уо).
Углом резания 6 называется угол между плоскостью
резания и передней поверхностью резца. Значение угла
б определяют из выражения 6=90°—у°.
Если б<90°, то угол у положительный, если б>90°,
то угол у отрицательный и обозначается со знаком
«минус».
Вспомогательные углы резца щ и yi измеряют во
вспомогательной секущей плоскости, перпендикулярной
проекции вспомогательного режущего лезвия на основ-
ную плоскость.
Углы резца в плане измеряют в основной плоскости
(рис. 356, б).
Главным углом в плане <р называется угол между
проекцией главного режущего лезвия на основную пло-
скость и направлением продольной подачи. От его вели-
чины зависит форма поперечного сечения срезаемого
слоя, чистота обработанной поверхности, износ инстру-
мента.
Вспомогательным углом в плане <pi называется угол
между проекцией вспомогательного режущего лезвия на
основную плоскость и направлением, обратным направ-
лению продольной подачи. Он оказывает влияние на
.чистоту обработанной поверхности.
Угол в плане при вершине резца е измеряют между
проекциями режущих лезвий на основную плоскость.
Его величину определяют из выражения е=180°—(<р°+
+<Р1 )•
Угол наклона главного режущего лезвия К (рис.
356, в), измеряемый в плоскости резания между глав-
ным режущим лезвием резца и линией, проведенной
через вершину резца параллельно основной плоскости,
может быть положительным, отрицательным и равным
0. Угол 7 определяет положение передней поверхности
резца в пространстве и влияет на направление схода
стружки.
Режим резания и размеры срезаемого слоя (рис.
357). На металлорежущем станке обычно совершаются
два рабочих движения: главное движение, которое опре-
697
деляет скорость деформирования металла и отделения
стружки, а также движение подачи, которое обеспечи-
вает непрерывность процесса резания.
В случае токарной обработки главное движение —
вращение заготовки, а движение подачи — поступатель-
ное перемещение резца.
Скорость резания v (м/мин) — это скорость переме-
щения точки режущего лезвия инструмента относитель-
но обрабатываемой поверх-
ности заготовки в направле-
нии главного движения. Ее
определяют по формуле v =
=л£)и/1000. Здесь D — диа-
метр заготовки, мм (по
обрабатываемой поверхно-
сти) ; п — число оборотов
заготовки в мин.
Подача S (мм/об) —это
перемещение инструмента
в направлении движения
подачи за один оборот за-
готовки.
Различают также минут-
ную подачу SNwa—Sn — пе-
ремещение инструмента за
Рис. 357. Элементы резания и гео- ОДНу МИНуту.
метрия срезаемого слоя Глубина реЗаНЫЯ t
(мм) — расстояние между
обрабатываемой и обработанной поверхностями, изме-
ренное в направлении, перпендикулярном к последней,
за один проход: t=(D—d)/2, где d— диаметр заготовки
по обработанной поверхности, мм. Величины X и t опре-
деляют номинальную площадь поперечного сечения сре-
заемого слоя металла f—tS.
Объем металла, срезаемый за одну минуту: G = vSt.
Основное (технологическое) время обработки поверх-
ности заготовки определяют из выражения T^—LhlnSt.
Здесь L — путь перемещения инструмента при обработ-
ке поверхности заготовки за один проход; h — при-
пуск на сторону. Отношение hjt=i — число прохо-
дов.
Толщиной срезаемого металла а называется расстоя-
ние между двумя последовательными положениями
главного режущего лезвия инструмента за время одного
698
полного оборота заготовки. Ширина срезаемого слоя b —
расстояние между обрабатываемой и обработанной по-
верхностями, измеренное по поверхности резания. Тол-
щина а и ширина b срезаемого слоя могут быть выра-
жены через S и t (см. рис. 357): a==Ssin<p; b—t/sintp.
Тогда площадь поперечного сечения срезаемого слоя
равна f=tS=^ab мм2.
Приведенные соотношения показывают, что при не-
изменных t и S можно изменять форму поперечного се-
чения срезаемого слоя металла за счет изменения вели*
чины главного угла в плане.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
Закономерности, связывающие физические явления,
составляющие процесс резания металлов, с условиями
резания, определяют необходимую основу для конструи-
рования станков, инструментов и приспособлений, а
также создания более совершенных методов обра-
ботки.
Исходя из анализа физического механизма процесса
резания металлов определяют оптимальные режимы ре-
зания, т. е. такое сочетание глубины резания, подачи и
скорости резания, при заданном виде материала заго-
товки и технических условиях на обрабатываемую де-
таль, при котором максимально используются режущие
свойства инструмента и возможности станка и оснастки.
Оптимальные условия резания обеспечивают получе-
ние наибольшей производительности труда или наимень-
шей себестоимости операции изготовления детали.
Явления пластической деформации при резании ме-
таллов. При внедрении режущей части инструмента в
обрабатываемый материал под действием внешней си-
лы впереди него возникает упруго- и пластически дефор-
мированный объем — зона опережающей деформации,
или зона стружкообразования, которая охватывает как
срезаемый слой, так и часть материала под обработан-
ной поверхностью.
Зона стружкообразования ОАВО (рис. 358) имеет
форму клина с вершиной на режущем лезвии инстру-
мента. Ее нижняя граница — вогнутая кривая ОА, вдоль
которой происходят первые сдвиговые деформации.
Верхняя граница — выпуклая кривая ВО — конечная
граница зоны стружкообразования.
«99
Рис. 358. Схематическое изображение
зоны стружкообразованпя
упрочненного в результате
Левее линии ОА находится еще недеформированный
материал срезаемого слоя, а правее линии ОВ— де-
формированный металл с наибольшей степенью пласти-
ческой деформации, свойственной образовавшейся
стружке.
Таким .образом, проходя через зону ОАВО, зерна
металла срезаемого слоя претерпевают все большую
степень деформации.
Полагают, что дефор-
мированное состояние
в зоне стружкообразова-
нпя является плоским, и
срезаемый слой в процес-
се резания претерпевает
деформацию сдвига. Зона
ОАВО состоит из поверх-
ностей, на каждой из ко-
торых сдвигающие напря-
жения равны пределу
текучести материала, уже
предшествующей деформа-
ции. Линия ОВ представляет собой поверхность, на ко-
торой осуществляется окончательная сдвиговая дефор-
мация.
Под действием сил трения зерна металла в прирез-
цовом слое стружки / (см. рис. 358) продолжают де-
формироваться при движении стружки по передней по-
верхности инструмента после выхода их из зоны опере-
жающей деформации. Степень деформации в этой зоне,
как правило, значительно больше средней деформации
стружки.
Лишь при больших передних углах и малых толщи-
нах срезаемого слоя и при использовании смазывающе-
охлаждающих жидкостей (СОЖ), когда снижается
интенсивность трения, степень деформации по сечению
стружки практически одинакова.
При инженерных расчетах полагают, что сдвиговые
деформации локализуются в очень тонком слое, и се-
мейство поверхностей скольжения в зоне ОАВО можно
заменить единственной плоскостью ОЕ, называемой ус-
ловной плоскостью сдвига. Она наклонена к направле-
нию движения под углом р, называемым углом сдвига.
При таком допущении процесс превращения срезае-
мого слоя в стружку можно представить как процесс
700
последовательных сдвигов тонких слоев обрабатывае-
мого материала вдоль условной плоскости сдвига.
Поэтому процесс стружкообразования должен под-
чиняться закономерностям простого сдвига, и образова-
ние стружки начнется в том случае, когда сдвигающее
напряжение на условной плоскости сдвига т^тТ) где
тт — предел текучести обрабатываемого материала на
сдвиг.
Величина угла сдвига 0 может служить мерой сте-
пени пластической деформации срезаемого слоя и за-
висит от условий резания. Он увеличивается с ростом
сопротивления сдвигу обрабатываемого материала в
зоне стружкообразования, переднего угла, скорости ре-
зания, толщины срезаемого слоя. С увеличением угла 0
степень пластической деформации уменьшается.
Таким образом, для того, чтобы уменьшить степень
пластической деформации срезаемого слоя — удельную
работу, затрачиваемую на процесс резания при задан-
ном обрабатываемом материале, следует увеличивать
скорость резания, толщину срезаемого слоя и передний
угол инструмента.
Зона опережающей деформации проникает за ли-
нию среза XX, что приводит к пластической деформа-
ции слоя металла II под обработанной поверхностью
(см. рис. 358).
Процесс образования элемента стружки можно, раз-
делить на три этапа. На первом этапе происходит уп-
ругая и пластическая деформация; будущий элемент
стружки упрочняется в зоне стружкообразования. На
втором этапе элемент стружки сдвигается по плоскости
сдвига. Это происходит в тот момент, когда напряже-
ние в срезаемом слое превышает сопротивление сдвигу.
Третий этап заключается в дополнительной пластиче-
ской деформации образовавшегося элемента стружки
при его движении по передней поверхности инструмен-
та. В зависимости от свойств обрабатываемого матери-
ала и условий резания образуются три вида стружек.
Сливная стружка (рис. 359, а) имеет вид сплошной
ленты с гладкой внутренней (прирезцовой) и шерохо-
ватой внешней поверхностями. На поверхности стружки
не видно границ между элементами стружки.
Суставчатая стружка (стружка скалывания) (см.
рис. 359, б) образуется при обработке менее пластич-
ных, твердых материалов. Прирезцовая поверхность
701
стружки в этом случае также гладкая, а на внешней
поверхности видны зазубрины. Стружка состоит из
элементов, границы между которыми отчетливо видны.
Однако элементы стружки не потеряли связь между
собой.
Стружка надлома (элементная) образуется при об-
работке хрупких материалов и состоит из отдельных
элементов случайной фор-
мы, не связанных между
собой (см. рис. 359, в).
Сливную и суставчатую
стружку называют струж-
ками сдвига, так как их
образование связано с на-
пряжениями сдвига. Струж-
ку надлома иногда называ-
ют стружкой отрыва, так
как ее образование вызвано
напряжениями растяжения.
Следует иметь в виду, что, изменяя условия резания,
можно для одного и того же материала получить раз-
ные виды стружек, так как свойства обрабатываемого
материала (пластичность, твердость, вязкость) сущест-
венно изменяются от условий нагружения в процессе
резания. Можно, например, получить суставчатую и
даже сливную стружку при обработке хрупкого чугуна.
При обработке пластичных материалов с уменьшением
переднего утла и скорости резания и с увеличением
толщины срезаемого слоя стружка от сливной перехо-
дит к суставчатой.
Вид срезаемой стружки может служить косвенной
характеристикой работы, затраченной на процесс ре-
зания.
Больше работы затрачивается на образование су-
ставчатой стружки, так как она претерпевает наиболь-
шую степень пластической деформации. При ее образо-
вании имеют место практически все - этапы процесса
образования элемента стружки. Меньше работы затра-
чивается на образование сливной стружки, так как при
ее образовании отсутствует второй этап в образований
элемента стружки; элементы не успевают сформиро-
ваться. Еще меньше работы затрачивается на образова-
ние стружки надлома, так как она образуется при не-
значительной степени пластической деформации.
702
Сливная стружка часто навивается на резец и обра-
батываемую деталь, что затрудняет ее удаление из зо-
ны резания. Иногда для ломки стружки применяют
специальные стружколомные устройства.
Процесс стружкообразования сопровождается таки-
ми явлениями, как усадка стружки, нарост на инстру-
менте и упрочнение поверхностного слоя, которые
происходят в результате пластической деформации
срезаемого слоя и тонкого слоя материала под обрабо-
танной поверхностью.
Усадка стружки состоит в изменении формы струж-
ки в результате пластической деформации срезаемого
слоя.
Затормаживаясь под действием сил трения, возникающих при
движении стружки по передней поверхности, стружка становится
короче пути, пройденного резцом для ее срезания, а поперечное се-
чение ее увеличивается. Степень усадки стружки оценивается коэф-
фициентом усадки, который представляет собой отношение перво-
начальных размеров срезаемого слоя к размерам уже срезанной
стружки. Так как объем срезаемого слоя практически не изменяется
в процессе стружкообразования, считают, что ее усадка по длине
(укорочение) равна увеличению поперечного сечения. Степень усад-
ки стружки больше у пластичных материалов, она уменьшается с
ростом переднего угла, толщины срезаемого слоя и скорости резания.
Следует отметить, что увеличение толщины срезае-
Рис. 360. Схема образования
нароста
мого слоя и скорости резания не только ускоряет про-
цесс резания, но и снижает удельную работу резания
металла, так как около 90% работы резания расходу-
ется на пластическое деформирование металла.
Нарост. При обработке пластичных материалов в
определенном диапазоне скоростей резания на перед-
ней поверхности инструмента вблизи режущего лезвия
появляется нарост в виде бугорка
клиновидной формы (рис. 360).
Он представляет собой упрочнен-
ную часть обрабатываемого ма-
териала, претерпевшего большие
пластические деформации и
«приваренного» к резцу. Твер-
дость нароста близка к твердости
закаленной инструментальной
стали и он способен резать ме-
талл, из которого образовался.
Нарост является как бы
новым элементом режущего
703
инструмента, прочно связанным с ним, который изменя-
ет условия резания вследствие уменьшения угла реза-
ния. Угол резания с наростом 6Н меньше угла резания
б у резца без нароста, что способствует снижению на-
грузки на резец. Кроме того, нарост защищает участок
передней поверхности вблизи режущего лезвия от
истирающего действия со стороны сходящей стружки.
Участок контакта стружки с передней поверхностью ин-
струмента переносится на более прочный участок режу-
щего клина. Поэтому при черновой обработке, когда
требования к чистоте обработанной поверхности неве-
лики, а нагрузка на режущий инструмент значительна,
нарост, уменьшающий силы резания и интенсивность
износа инструмента, оказывает благоприятное влияние
на продолжительность работы резца.
Однако чаще всего и особенно при чистовой обра-
ботке нарост оказывает неблагоприятное влияние на
весь процесс резания. Нарост не удерживается посто-
янно на передней поверхности инструмента, а периоди-
чески, с большой частотой, полностью или частично
разрушается. Часть его уходит со стружкой, увеличи-
вая износ резца, а другая часть — с обработанной по-
верхностью, что увеличивает ее шероховатость.
При недостаточно жесткой системе станок — инст-
румент — заготовка периодические изменения величины
угла резания при образовании и срыве нароста могут
быть источником возникновения вибраций.
На образование нароста и его размеры большое влияние ока-
зывают вид и механические свойства обрабатываемого материала.
Установлено, что размеры нароста при обработке металлов возрас-
тают при уменьшении твердости и повышении пластичности.
На размеры нароста существенно влияет величина скорости ре-
зания, так как последняя в основном определяет температуру ре-
зания. С увеличением скорости резания до некоторого критического
значения нароет появляется и растет, а с дальнейшим увеличением
скорости резания он начинает уменьшаться и превращается в тонкий
слой, параллельный передней поверхности резца.
При наиболее распространенных условиях резания нарост имеет
максимальную величину при таких значениях скорости резания, ког-
да температура иа площадке контакта между стружкой и передней
поверхностью инструмента составляет приблизительно 300 °C и ис-
чезает при контактных температурах приблизительно 600 °C. Умень-
шение нароста при контактных температурах более 300 °C объясня-
ется значительным снижением сопротивления материала нароста
пластическому сдвигу.
С увеличением толщины срезаемого слоя и угла резания нарост
увеличивается; меньше становятся и скорости резания, при- которых
величина нароста достигает максимума и при которых ,ои исчезает.
704
Применением смазывающе-охлаждающих жидко-
стей и тщательной доводкой рабочих поверхностей ин-
струмента можно снизить вероятность появления на-
роста.
Упрочнение поверхностного слоя. Физико-механиче-
ские свойства поверхностного слоя под обработанной
поверхностью существенно влияют на эксплуатацион-
ные качества деталей машин.
Важнейшими показателями состояния поверхностно-
го, слоя являются степень наклепа и толщина накле-
панного слоя, а также величина, знак и глубина зоны
остаточных напряжений. Тонкий поверхностный слой
обрабатываемой заготовки деформируется в зоне
стружкообразования. Дополнительная деформация это-
го слоя происходит в результате «обкатки» закруглен-
ным лезвием режущего инструмента и эффекта упруго-
го восстановления металла под задней поверхностью.
В результате упруго-пластической деформации обра-
ботанной поверхности образуется тонкий слой упроч-
ненного (наклепанного) металла толщиной Дн, твер-
дость которого в 1,5—2 раза больше, чем твердость
исходного металла. Степень наклепа характеризуется
величиной 100%, где НИМ и Нм — значения
Им
микротвердости наклепанного и ненаклепанного метал-
ла соответственно.
Изменение степени наклепа с увеличением расстоя-
ния Д от обработанной поверхности показано на
рис. 361, а.
Степень наклепа и толщина наклепанного слоя на-
ходятся в прямой зависимости от степени деформации
срезаемого слоя и действующих сил резания.
Поэтому они увеличиваются с ростом угла резания и толщины
срезаемого слоя. Так, при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮ
(ЭИ437) увеличение подачи от 0,05 до 0,6 мм/об увеличило глубину
наклепа от 0,09 до 0,155 мм, а степень наклепа — от 23 до 37%.
Увеличение угла резания от 60' до 150° увеличило глубину наклепа
от 0,1 до 0,24 мм, а степень иаклепа от 35 до 42%. С увеличением
скорости резания растет температура резания, снижается степень
пластической деформации, и поэтому глубина и степень наклепа
уменьшаются.
В результате упруго-пластического деформирования
металла в слое под обработанной поверхностью возни-
кают остаточные напряжения, величина и знак кото-
рых зависят от силового поля, создаваемого силами
45—481
705
резания, нагрева материала обрабатываемой детали и
структурных превращений.
На рис. 361, б приведена эпюра остаточных напряже-
ний, возникающих при обработке большинства пла-
стичных материалов.
В очень тонком слое 0,001—0,004 мм (зона I) дей-
ствуют сжимающие напряжения. Протяженность этой
зоны и величина сжимающих остаточных напряжений
Рис. 361. Схема к определению толщины наклепанного слоя Дн и степени
наклепа (а) и эпюра остаточных напряжений в зависимости от расстояния
Д от обработанной поверхности
возрастают с увеличением угла резания, толщины сре-
заемого слоя, уменьшением заднего угла и скорости
резания. При шлифовании зона I отсутствует. В зоне
II действуют растягивающие напряжения. Ее протя-
женность обычно почти в 10 раз больше протяженности
зоны I, и поэтому состояние поверхностного слоя опре-
деляют величина и характер напряжений в зоне II.
В зоне /// действуют сжимающие напряжения.
Остаточные растягивающие напряжения в поверх-
ностном слое обработанной детали снижают усталост-
ную прочность, способствуют образованию микротре-
щин.
Поэтому для получения поверхностного слоя с вы-
сокими эксплуатационными свойствами необходима
дополнительная чистовая обработка. Изменяя условия
резания, можно снизить протяженность и величину
растягивающих остаточных напряжений в зоне II.
При увеличении скорости резания абсолютная вели-
чина остаточных напряжений увеличивается, но вели-
чина зон уменьшается. С увеличением подачи растет
706
величина растягивающих напряжений и протяженность
зоны //. С увеличением угла резания величина растя-
гивающих напряжений уменьшается, а при больших
углах резания (6—105—115°) они переходят в сжима-
ющие, увеличивая зону /. .
С увеличением износа инструмента растет величина
растягивающих остаточных напряжений и зона II.
В некоторых случаях, при достаточно жесткой системе
Рис. 362. Расположение очагов
образования теплоты и ее рас-
пределение
станок — инструмент — заготовка, берут большой угол
резания и задний угол и малые скорости резания; тог-
да протяженность зоны / увеличивается, и величина
остаточных напряжений сжатия возрастает. В этом слу~
чае усталостная прочность металла увеличивается и
можно исключить применение таких упрочняющих опе-
раций, как обдувка дробью, накатка роликом.
Теплота резания. При резании металлов около 95%
механической работы деформации и трения переходит
в теплоту. Полагают, что до 5% работы резания пере-
ходит в скрытую энергию искажения кристаллической
решетки обрабатываемого материала.
Количество теплоты, выделяющейся в процессе ре-
зания, можно определить из выражения QzzAIE—
=Pzvl^2T ккал/мин, где А — работа резания; Pz —
сила резания, кгс; v — скорость резания, м/мин; Е —
механический эквивалент теплоты.
Очагами выделения теплоты в процессе резания яв-
ляются зоны: стружкообразования; контакта стружки
с передней поверхностью инструмента; контакта задней
поверхности инструмента с заготовкой (рис. 362).
Выделяющаяся теплота распределяется между
стружкой, заготовкой и инструментом. Небольшая
часть теплоты уходит в окружающую среду путем луче-
45*
707
испускания и конвекции в случае применения смазыва*
юще-охлаждающих жидкостей.
Распределение теплоты между стружкой, деталью и
резцом зависит в основном от свойств обрабатываемого
материала, скорости резания и толщины срезаемого
слоя. Например, при обработке стали в стружку ухо-
дит до 80% теплоты. С увеличением скорости резания
и толщины срезаемого слоя доля теплоты, уходящей
со стружкой, увеличивается. Хотя в резец уходит не-
большая часть теплоты, температура режущих лезвий
достигает 800—1000° С, так как режущая часть инстру-
мента непрерывно находится в зоне резания, а тепло-
проводность инструментальных материалов мала.
Распределение теплоты имеет большое практическое
значение. Чем больше теплоты уйдет со стружкой, тем
меньше попадет в заготовку, тем менее вероятны теп-
ловые деформации, влияющие на точность размеров и
форму изготовленной детали и меньше вероятность
структурных превращений в поверхностном слое обра-
ботанной детали. Чем меньше теплоты попадет в ин-
струмент, тем меньше будет интенсивность его износа.
Температура резания — средняя температура на
поверхностях контакта инструмента со стружкой и за-
готовкой. С увеличением количества выделяющейся
теплоты температура резания повышается, а с улучше-
нием отвода теплоты снижается. При прочих равных ус-
ловиях температура резания возрастает с увеличением
прочности и твердости обрабатываемого материала и
уменьшается с увеличением теплопроводности обраба-
тываемого материала инструмента, а также с примене-
нием сож.
Большое влияние на температуру резания оказыва-
ют параметры режима резания: скорость резания, по-
дача и глубина резания.
Значительнее всего температура резания повышает-
ся с увеличением скорости резания, меньше — с увели-
чением подачи и еще меньше — глубины резания. Если
полагать, что температура резания оказывает решаю-
щее влияние на износ инструмента, для его снижения
при заданном объеме срезаемого слоя выгоднее увели-
чивать глубину резания, затем подачу и в последнюю
очередь скорость резания.
Большое влияние на температуру резания оказыва-
ет применение смазывающе-охлаждающих жидкостей
708
и других средств снижения температуры резания (твер-
дые смазки, среды с температурой ниже 0°С). Они
оказывают на процесс резания следующие воздействия:
1) охлаждающее — отвод теплоты; 2) смазывающее—»
снижение сил внешнего трения; 3) моющее — удаление
стружки и продуктов износа инструмента из зоны ре-
зания.
Наилучшее охлаждающее действие оказывают вод-
ные жидкости — вода с добавками 1—5% кальциниро-
ванной соды, буры, нитрита натрия и др. Эти добавки
улучшают смачиваемость водой металлических поверх-
ностей и способствуют образованию окисных пленок,
защищающих от коррозии.
В качестве присадок используют также поверхност-
но активные вещества: хозяйственное, калийное и нат-
ровое мыла, улучшающие смазочные свойства жидко-
стей.
Масляные эмульсии — растворы в воде 1,5—10%
эмульсолов — минеральных масел с различными добав-
ками. Для предотвращения слияния капель масла в
сплошной слой в эмульсию добавляют третий компо-
нент — эмульгаторы.
При применении эмульсий достигаются как охлаж-
дающее, так и смазывающее действия, хотя охлаждаю-
щее действие их меньше, чем у водных растворов, а
смазывающее меньше, чем у масел. Чем выше содер-
жание эмульсола, тем выше смазывающее действие и
ниже охлаждающее.
Масляные жидкости — чаще всего минеральные мас-
ла с добавкой до 30% растительных масел, их смазоч-
ное действие значительно повышается. Такие смеси
называют компаундированными .
Значительно чаще для улучшения смазывающего
действия минеральные масла активируют такими при-
садками, как олеиновая кислота, сера, керосин и др.
Охлаждающее действие масляных жидкостей относи-
тельно низкое.
При разных методах обработки применяют разные СОЖ. Для
черновых операций и шлифования, когда главным является отвод
теплоты, применяют водные растворы. При черновой обработке вы-
сокопрочных сталей, когда велики контактные напряжения иа пе-
редней поверхности инструмента, применяют эмульсии. При черно-
вой обработке иа малых скоростях резания (например, иа автомати-
ческих станках), когда температура резания невелика, применяют
масляные жидкости. При чистовой фасонной обработке, когда по-
709
верхности трения инструмента с заготовкой велики (резьбонареза-
нис, развертывание, протягивание, зубонарезание и др.), при малых
скоростях резания применяют масляные жидкости. При чистовой
обработке с высокими скоростями резания применяют 5—10%-ные
масляные эмульсии .
Эффективность воздействия СОЖ на процесс реза-
ния зависит от способа подвода ее в зону резания. Наи-
более простой способ подвода СОЖ — полив свободно
падающей струей (рис. 363, а) — малоэффективен, так
как жидкость не попадает на контактные поверхности
Рис. 363. Схема подвода СОЖ в зову резания поливом (а)
и распыленной струей (б)
инструмента. При большом расходе жидкостей — до
12 л/мин — в теплообмене участвует лишь небольшая
ее часть.
Более совершенный способ — подвод жидкости под
давлением до 15—20 атм — особенно эффективен в слу-
чае сверления или расточки глубоких отверстий. При
этом способе достигается надежное удаление из зоны
резания стружки и продуктов износа инструмента. До-
полнительный эффект заключается в проникновении
СОЖ на поверхности контакта инструмента со струж-
кой и заготовкой и в снижении расхода жидкости.
Охлаждение распыленной жидкостью, которая, вы-
ходя из сопла малого диаметра, образует направлен-
ную струю капель жидкости с воздухом, обладающую
высокой скоростью и кинетической энергией, способст-
вует значительному улучшению теплообмена (см.
рис. 363, б). Стойкость режущего инструмента при ис-
пользовании высоконапорной или распыленной струи в
3—4 раза больше, чем при использовании полива сво-
бодно падающей жидкостью.
Силы резания. Сопротивление металла резанию пре-
одолевается силой резания. Работа силы резания за-
710
трачивается на упруго-пластическую деформацию ме-
талла и отрыв элемента стружки от -основной массы
металла, а также на преодоление трения на контакт*
ных поверхностях режущего инструмента.
В общем случае сила резания является равнодейст-
вующей сил нормального давления и сил трения, при-
ложенных к рабочим поверхностям инструмента.
Для решения практических задач равнодействую-
щую силу резания Р заменяют ее составляющими, как
это показано на рис. 364 для случая точения. Направле-
ние составляющих сил совпадает с движениями, совер-
шаемыми на станке.
Сила Рг — главная со-
ставляющая сила реза-
ния — направлена по
касательной к поверх-
ности резания в на-
правлении главного
-движения. Ее называ-
ют вертикальной или
тангенциальной силой.
По величине силы
Pz определяют эффек-
тивную мощность ре-
зания и крутящий мо-
мент на обрабатывае-
мой заготовке: NPe3 —
Рис. 364. Силы резания при точении
= Pzv/60 • 102
кВт,
Л1рез = PzD/2 кгс-мм,
где D — диаметр обрабатываемой заготовки. Момент
резания воспринимается механизмом главного враща-
тельного движения станка и используется при расчете
этого механизма на прочность.
Сила Ру — радиальная составляющая силы резания,
направлена перпендикулярно оси обрабатываемой за-
готовки.
Сила Рх — осевая составляющая силы резания — на-
правлена параллельно оси заготовки. Она нагружает
механизмы продольной подачи — коробку подач и фар-
тук станка.
Силы резания существенно зависят от условий ре-
зания и физико-механических свойств обрабатываемого
материала. На практике их определяют в каждом от-
дельном случае экспериментально,
711
Большое влияние иа силы резания оказывают размеры среза-
емого слоя, определяемые подачей и глубиной резания; с их увели-
чением силы резания возрастают.
Силы резания зависят также от геометрии режущей части ин-
струмента. С увеличением угла резания 6 всё три составляющие си-
лы возрастают. Более интенсивно растут силы Ру и Рх. С увеличе-
нием главного угла в плане <р до 60’ Сила резания Pz уменьшается,
а при дальнейшем увеличении его несколько возрастает. Сила Рх
растет, а сила Pv уменьшается с увеличением главного угла в пла-
не <р. Силы Pz и Ру возрастают с увеличением радиуса закругления
режущего лезвия. По мере износа резца силы резания возрастают,
Особенно силы Ру И Рх. Применение смазывающе-охлаждающих
жидкостей позволяет уменьшить значение силы резаиия иа 15—30%.
Для определения величины сил резания используются экспери-
ментальные формулы вида
где Ср — удельная сила резания, зависящая от механических свойств
обрабатываемого и инструментального материалов. Коэффициенты
Кц , , Кд, и Кг учитывают изменение условий резания в сравне-
нии с заданными при определении Ср. Значения Ср, показателей
степени Хр и Ур и коэффициентов Ku, Kg н т. д. приводятся в
справочниках.
Износ инструмента. Износостойкость режущей части
инструмента характеризуется его способностью сопро-
тивляться микроскопическим разрушениям на поверх-
ностях контакта со стружкой и заготовкой.
Контактное нагружение рабочей поверхности инстру-
мента создает сложное напряженное состояние, способ-
ствующее протеканию пластической деформации в по-
верхностных микрообъемах даже у прочных и. твердых
материалов режущих инструментов. Пластическая де-
формация является основным, первичным процессом
изнашивания режущего инструмента. Одним из средств
повышения его износостойкости является повышение
сопротивления пластическим деформациям путем уве-
личения твердости материала режущей части инстру-
мента.
В зависимости от преобладающего вида износа к
свойствам материала инструмента предъявляют раз-
личные требования. Эти требования в ряде случаев
противоречивы и поэтому трудно создать материал ин-
струмента, который удовлетворял бы всем требованиям,
предъявляемым к режущему инструменту.
Различают следующие основные виды износа.
Абразивный износ — механическое истирание, цара-
пание инструмента твердыми частицами обрабатывае-
те
мого материала, которые часто обладают твердостью,
соизмеримой с твердостью материала инструмента.
Этот вид износа преобладает при относительно не-
больших скоростях резания и при обработке хрупких
материалов и происходит, как правило, по задней по-
верхности инструмента. Высоким сопротивлением аб-
разивному износу обладают ванадиевые быстрорежу-
щие стали, твердые сплавы с малым содержанием
кобальта, минерало-керамические твердые сплавы. Ис-
тирающая способность углеродистых сталей растет с
увеличением содержания углерода, а легированных
сталей — с увеличением содержания карбидов хрома,
вольфрама, марганца и т. д.; чугунов — при увеличении
содержания в структуре цементита, фосфидов и т. д.
Адгезионный износ — результат непрерывно проте-
кающих процессов схватывания (холодного сварива-
ния) материала стружки и инструмента на выступаю-
щих участках площади контакта между ними и после-
дующего отрыва мельчайших частиц материала инстру-
мента, уносимых со стружкой.
Материал инструмента более прочен в сравнении с обрабатыва-
емым материалом, поэтому разрушение чаще всего происходит в об-
рабатываемом материале под поверхностью контакта. Однако вслед-
ствие периодически повторяющихся схватывания и разрушения ад-
гезионных связей на одних и тех участках контактной поверхности
режущего инструмента возникают усталостные явления, и тогда ве-
роятно вырывание частиц материала инструмента.
Интенсивность адгезионного износа существенно зависит от со-
отношения твердости материала инструмента и обрабатываемого ма-
териала в горячем состоянии. Чем меньше это соотношение, тем
больше интенсивность адгезионного износа. Поэтому с увеличением
скорости резаиия и, следовательно, температуры резания, когда
твердость материала инструмента снижается в меньшей степени, чем
твердость обрабатываемого материала, интенсивность адгезионного
износа может уменьшаться.
Высоким сопротивлением адгезионному износу об-
ладают более теплостойкие инструментальные материа-
лы, у которых снижение твердости наступает при более
высоких температурах резания, а также материалы ин-
струментов, обладающие высокой циклической прочно-
стью.
Значительное снижение интенсивности адгезионного
износа достигается применением СОЖ с активными до-
бавками, когда на контактной поверхности появляются
прочные пленки, препятствующие схватыванию.
713
Диффузионный износ наблюдается при температу*
рах контактной поверхности инструмента 900—1100° С,
при этом происходит взаимная диффузия материала
инструмента и обрабатываемого материала. Инструмен-
ты из углеродистых, легированных и быстрорежущих
сталей не подвергаются диффузионному износу, так как
их теплостойкость ниже температуры начала диффузи-
онного растворения.
В твердых сплавах типа ВК в результате диффузии
карбиды вольфрама обезуглероживаются, твердость
материала инструмента снижается, что способствует ус-
корению абразивного и адгезионного износа.
Твердые сплавы группы ТК и ТТК изнашиваются
меньше при высоких температурах, чем сплавы группы
ВК, так как они содержат сложные карбиды, которые
при более высоких температурах в меньшей степени
подвергаются обезуглероживанию.
Окислительный износ. При температурах резания
700—800° С кислород воздуха вступает в химическую
реакцию с кобальтовой связкой твердого сплава и кар-
бидами WC и TiC.
Вследствие значительной пористости твердых спла-
вов окислительным процессам подвергаются не только
контактные поверхности, но и зерна, лежащие на глу-
бине. Продуктами окислительного процесса кобальто-
вой связки являются окислы СоО4 и СоО, а карбидов—
WO3 и ТЮг, твердость которых в 40—60 раз меньше
твердости твердых сплавов. В результате окислительно-
го процесса нарушается монолитность сплава, ослабля-
ются связи между зернами и создаются благоприятные
условия для их вырывания силами трения. Интенсив-
ность и скорость окисления увеличиваются с повыше-
нием содержания кобальта.
Хрупкий (скачкообразный) износ заключается в
скалывании, выкрашивании макрочастиц инструмен-
тального материала. Этот вид износа наблюдается при
прерывистых процессах резания, когда циклически по-
вторяющиеся «пики» температур и контактных напря-
жений создают динамическую нагрузку на инструмент.
Износ протекает либо только по задней поверхно-
сти инструмента (рис. 365,а), либо одновременно по
задней и передней поверхностям (рис. 365,6). В первом
случае — на задней поверхности режущего лезвия — по-
является площадка с глубокими канавками, располо-
714
СЛу-
Рис. 365. Износ токарного
резца
и своевременной смены
женными перпендикулярно к режущему лезвию; коли-
чественно величина износа оценивается максимальной
высотой площадки hs. Во втором случае к износу по
задней поверхности добавляется износ по передней по-
верхности, на которой образуется углубление (лунка)
и фаска. Мерой износа по передней поверхности
жит максимальная глубина лунки ал,
При окончательной чи-
стовой обработке различают
также радиальный или раз-
мерный износ, в результате
которого вершина резца
смещается в направлении,
перпендикулярном к обра-
ботанной поверхности, и
размер обработанной дета-
• ли изменяется (см. рис.
365, а).
Для оценки степени износа
инструмента после затупления за критерий износа при-
нимают чаще всего его величину по задней грани.
Оптимальной величиной износа считают такую ве-
личину h3, при которой суммарный период стойкости
достигает максимума, а шероховатость поверхности и
отклонения размеров детали от заданных не выходит
за пределы, указанные на чертеже детали.
Стойкость инструмента. Время непрерывной работы
инструмента на постоянных режимах резания до задан-
ной (оптимальной) величины износа называют перио-
дом стойкости Т.
Период стойкости инструмента зависит от материала
инструмента, режима термообработки, геометрии и ка-
чества заточки, а также от условий резания.
При прочих равных условиях период стойкости ин-
струмента уменьшается с увеличением скорости реза-
ния v, подачи S и глубины резания
Т=С!уп^Чщ,
где С — постоянная величина, характеризующая влия-
ние всех прочих параметров на период стойкости; н>-
>П1>п2 — показатели относительной стойкости.
Величина периода стойкости оказывает существен-
ное влияние на производительность процесса, себестои-
мость операции, поэтому в каждом случае обработки
отыскивается оптимальный период стойкости.
715
Связь между периодом стойкости и скоростью реза-
ния выражается зависимостью T=A/vn, где А — посто-
янная величина, зависящая от свойств обрабатываемого
материала, геометрии и материала инструмента, глуби-
ны резания и других факторов; п — показатель относи-
тельной стойкости или чувствительность инструмента
к изменению скорости резания. С увеличением скорости
резания сокращается основное технологическое время,
но уменьшается период стойкости, и поэтому необходи-
мо чаще менять износившийся инструмент, возрастают
расходы на инструмент. Оптимальный период стойко-
сти выбирается из условий минимальной себестоимости
операции и наибольшей производительности.
ВЫБОР РЕЖИМА РЕЗАНИЯ
После того как определены оптимальная геометрия
инструмента и его материал, выбирают режим резания.
Величины v, S и t назначают такими, чтобы наиболее
полно использовать режущие свойства инструмента и
возможности металлорежущего станка.
Вначале задаются глубиной резания, так как она
меньше всего влияет на стойкость инструмента. При вы-
боре глубины резания стремятся снять припуск на об-
работку за один проход, оставляя лишь небольшую часть
его для последующей чистовой обработки.
Далее выбирают подачу, также стремясь принять ее
возможно большей с учетом технологических ограниче-
ний: чистоты обработанной поверхности, прочности и
жесткости заготовки и инструмента.
При принятых глубине резания и подаче, заданной
стойкости и прочих условиях резания определяют ско-
рость резания по расчетным эмпирическим формулам.
Скорость резания, оказывающую наибольшее влияние
на стойкость инструмента, выбирают такой, чтобы стой-
кость инструмента была близка к оптимальной. По по-
лученному значению скорости резания определяют не-
обходимое число оборотов шпинделя станка.
Производительность процесса резания зависит от ско-
рости резания, подачи, глубины резания. Увеличение
глубины резания ограничено припуском на обработку,
который по мере совершенствования заготовительных
операций непрерывно уменьшается. Увеличение подачи
716
ограничено требованиями к точности формы и размеров
изделия, чистоты обработанной поверхности.
С увеличением скорости резания точность формы и
чистота обработанной поверхности улучшаются, но рез-
ко снижается стойкость инструмента.
Чтобы стойкость инструмента оставалась неизменной
при увеличении скорости резания, используют современ-
ные износостойкие материалы, применяют режущий ин-
струмент с оптимальной геометрией, а также эффектив-
ные сож.
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ИНСТРУМЕНТА
Материалы для режущего инструмента должны об-
ладать высокой твердостью и износостойкостью; доста-
точной прочностью и вязкостью (для инструмента удар-
ного действия); высокой красностойкостью — способно-
стью сохранять большую твердость при высоких темпе-
ратурах нагрева. Материалы для изготовления режущих
инструментов должны по возможности содержать наи-
меньшее количество дефицитных легирующих элементов.
В зависимости от свойств обрабатываемого материа-
ла, условий нагружения инструмента, требований к ка-
честву обрабатываемой поверхности и точности разме-
ров обрабатываемой детали реализуются те или иные
свойства материала режущего инструмента.
При черновой обработке материал инструмента дол-
жен иметь в первую очередь высокую прочность и до-
статочную вязкость. При чистовой окончательной обра-
ботке— главным образом износостойкость. При обра-
ботке высоколегированных (жаропрочных, нержаве-
ющих) сталей и сплавов — теплостойкость.
Подробные сведения об инструментальных материа-
лах изложены в разд. II. Ниже излагаются лишь приме-
ры выбора материала инструмента в зависимости от ус-
ловий резания.
Углеродистые инструментальные стали (У9, У9А,
У10А и др.) обладают достаточно высокой твердостью,
механической прочностью, дешевы, хорошо обрабатыва-
ются.
Их основной недостаток — низкая теплостойкость,
при температуре резания 200—250° С они теряют свои
режущие способности. Поэтому из этих сталей изготав-
ливают главным образом ручные (слесарные) инстру-
717
менты и ручные развертки, метчики и плашки, напиль-
ники и др.
Легированные инструментальные стали, например
ХВ5, ХВГ, 9ХС, обладают несколько более высокой твер-
достью в сравнении с углеродистыми сталями. Несколь-
ко выше их теплостойкость (250—300°С), и поэтому они
используются для изготовления инструментов, работа-
ющих при относительно небольших скоростях резания.
Так, сталь ХВ5, обладающая высокой размерной
стойкостью, применяется для изготовления разверток,
фасонных резцов.
Инструменты, изготовленные из стали ХВГ, мало
деформируются при закалке и хорошо правятся, поэто-
му эту сталь чаше всего используют при изготовлении
протяжек, имеющих большую длину при относительно
небольшом диаметре.
Сталь 9ХС обладает относительно большей проч-
ностью благодаря равномерному распределению карби-
дов (карбидная однородность), что делает ее пригодной
для изготовления сверл, разверток, метчиков малых раз-
меров.
При резании на высоких скоростях применяют высо-
колегированные инструментальные быстрорежущие ста-
ли, которые обладают более высокой твердостью, проч-
ностью и главным образом теплостойкостью (600—
650° С) в сравнении с углеродистыми и легированными
инструментальными сталями. Они разделяются на нес-
колько групп.
Вольфрамовые быстрорежущие стали: Р18, Р12, Р9.
Наиболее теплостойкая из них — Р18, она достаточно
универсальна, но в связи с высоким процентом содер-
жания вольфрама применяется ограниченно.
В сталях Р9 и Р12 уменьшение количества вольфра-
ма компенсируется увеличением содержания ванадия.
Они дешевле, чем сталь Р18, однако хуже шлифуются.
Эти стали используются для изготовления фасонных рез-
цов, фрез, сверл и других инструментов, работающих
при сравнительно высоких скоростях резания.
Однако более радикальным средством экономии
вольфрама явилось применение вольфрамомолибдено-
вых сталей.
Вольфрамомолибденовые стали (Р6М.5, Р9М.4) имеют
более высокую прочность, чем сталь Р18; с успехом заме-
няют ее при изготовлении инструментов, работающих
718
при невысоких скоростях резания, но при значительных
переменных нагрузках, при обработке прочных и твер-
дых материалов (фрезы, зуборезный инструмент,
сверла).
Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4)
имеют повышенную износостойкость при истирании.
Они заменяют стали вольфрамовой группы для инстру-
мента, имеющего большие поверхности контакта с заго-
товкой, а также для обработки материалов с твердыми
включениями при относительно небольших скоростях ре-
зания и сечениях срезаемого слоя. Ванадиевые быстро-
режущие стали применяют для изготовления разверток,
метчиков; их недостаток — низкая шлифуемость.
Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9КЮ)
обладают относительно высокой теплостойкостью и теп-
лопроводностью, что делает их особо пригодными при
резании высоколегированных жаропрочных и нержаве-
ющих сталей. Эти стали дороже рассмотренных выше
быстрорежущих сталей, однако их применение в
некоторых случаях позволяет существенно снизить се-
бестоимость обработки, повысить производительность.
Относительно невысокая прочность ограничивает приме-
нение кобальтовых сталей непрерывными процессами
резания (точение, растачивание, сверление при неболь-
ших сечениях среза).
Особенно эффективно применение вольфрамомолиб-
деновых сталей с добавлением кобальта) (Р6М.5К8,
Р6М.5К5, Р9М4К8). Добавление кобальта увеличивает
их теплостойкость, что в сочетании с высокой прочностью
позволяет увеличить стойкость таких дорогих инструмен-
тов, как червячные модульные фрезы и шлицевые фре-
зы в несколько раз.
При точении высоколегированных сталей резцами из
стали Р6М5К8 стойкость повышается в 2—3 раза по
сравнению с резцами из стали Р18.
Для ответственных операций, когда требуется высо-
кая размерная стойкость, при резании труднообрабаты-
ваемых сталей применяют высокопроизводительные быст-
рорежущие стали, например Р18Ф2К8М, Р12Ф2К8М.
Твердые спеченные металлокерамические сплавы на
основе карбидов вольфрама (WC), карбидов титана
(TiC) и карбидов тантала (ТаС) находят широкое
применение для изготовления режущих инструмен-
тов.
719
При выборе марки твердого сплава также исходят
из условий резания. Так, при черновой обработке и пре-
рывистом резании чугуна выбирают сплавы вольфрамо-
кобальтовой группы (ВК8, ВК10М), обладающие высо-
кой эксплуатационной прочностью, а при окончательной
чистовой обработке — сплавы ВКЗ, ВКЗМ, ВК6М. При
черновой обработке сталей используют сплавы титано-
вольфрамовой и титано-тантало-вольфрамовой группы
(Т5КЮ, ТТ7К12), а при чистовой обработке — сплавы
Т15К6, Т30К4, ТТ8КЮ, ТТ8К6.
Успешно применяются в последние годы для чисто-
вой обработки минералокерамические твердые сплавы,
например оксидно-карбидная керамика. Инструментами,
оснащенными пластинками из этих материалов, успеш-
но обрабатывают, например, отбеленный чугун.
В случае чистовой обработки изделий из легких цвет-
ных металлов и сплавов, пластмасс, полупроводниковых
материалов большой эффект в повышении точности и
чистоты обработанной поверхности, увеличении произво-
дительности достигается при использовании инструмен-
тов, оснащенных алмазами.
При обработке закаленных и весьма прочных сталей
используют инструменты, оснащенные кубическим нит-
ридом бора (КНБ — эльбор). Только с появлением этого
материала удалось успешно обрабатывать точением де-
тали из сталей с HRCG2—63, например сталь ШХ15.
ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ИНСТРУМЕНТА
Форма режущей части инструмента не только обес-
печивает его механическую прочность, теплостойкость,
но и влияет на условия процесса резания: степень плас-
тической деформации срезаемого слоя, количество обра-
зующейся теплоты, условия ее отвода, силы резания.
Геометрические параметры часто оказывают противо-
речивое действие на процесс резания. Так, уменьшение
переднего узла делает режущую часть резца более проч-
ной, но, с другой стороны, увеличивает силы резания, так
как затрудняется процесс образования стружки, выделя-
ется большое количество теплоты, интенсивность износа
резца возрастает, стойкость снижается. Увеличение пе-
реднего угла облегчает процесс резания, но ухудшает ус-
ловия отвода тепла, уменьшает прочность его режущей
части, стойкость резца также уменьшается.
720
Несколько иначе влияет на стойкость режущего ин-
струмента главный угол в плане <р, с его увеличением
стойкость значительно снижается. Так, если у резца уве-
личить главный угол в плане от 30 до 60°, стойкость
твердосплавных инструментов уменьшается приблизи-
тельно в пять раз.
Однако работа с малыми углами в плане возможна
только при достаточно жесткой системе станок — инстру-
мент— деталь, так как с уменьшением этого угла воз-
растают силы Pz и Ру, изгибающие резец и заготовку, по-
вышается вероятность возникновения вибраций.
В качестве примера влияния геометрии на стойкость
инструмента можно привести случай растачивания от-
верстий в деталях из твердых сталей (HRC 56—58).
Резцы оснащались твердым сплавом ТТ8К6. Уменьшение
переднего угла от +10° до —5° привело к увеличению
стойкости резца в 1,7—3,0 раза. Уменьшение заднего
угла от 10 до 5° позволило увеличить стойкость резца в
3—4 раза.
Увеличение угла в плане от 45 до 60° привело
к увеличению стойкости резца в 1,5—2 раза. В данном
случае решающим является фактор снижения сил реза-
ния, увеличение которых вызывает вибрацию резца, так
как при растачивании резец крепится консольно и не об-
ладает достаточной жесткостью.
При точении массивных валков из отбеленного чугуна
уменьшением угла в плане от 45 до 15° удалось сокра-
тить время обработки в 5 раз за счет увеличения подачи
при неизменной толщине срезаемого слоя. Увеличение
заднего угла от 5 до 10° в этом случае повысило стой-
кость резца в несколько раз. Это объясняется особеннос-
тями процесса резания чугуна, когда преобладает из-
нос — истирание по задней грани. Увеличение заднего
угла снижает интенсивность износа.
ТОЧНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
И КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Долговечность и надежность работы деталей и узлов
машин в значительной степени зависят от точности раз-
меров и формы деталей машин, качества обработанных
поверхностей.
Под точностью изготовления деталей машин понима-
ют степень соответствия действительных размеров дета-
46—481
721
ли ее конструктивным (номинальным) размерам, задан-
ным на чертеже. Точность размеров обработанной дета-
ли определяется допусками, т. е. крайними предельно
допустимыми размерами. В машиностроении применя-
ют десять классов точности: 1, 2, 2а, 3, За, 4, 5, 7, 8, 9.
Самым высоким является 1-й класс точности. Каждый
класс точности характеризуется определенными допус-
ками для вала и отверстия и обеспечивается различны-
ми способами обработки:
1 — тонким шлифованием, полированием, притиркой
и доводкой;
2 и 2а — чистовым шлифованием, алмазным точением
и расточкой, развертыванием;
3 и За — чистовым шлифованием и точением, тонким
фрезерованием и строганием;
4 — чистовым точением, строганием, фрезерованием и
сверлением;
5 — получистовым точением, строганием, фрезерова-
нием, сверлением;
7 ,8 и 9 — литьем, ковкой и штамповкой, прокаткой,
грубой обдиркой на станках; применяют для свободных
размеров деталей и заготовок с соответствующими при-
пусками на последующую чистовую обработку на стан-
ках.
Неточность геометрической формы обработанной по-
верхности (конусообразность, овальность, неплоскост-
ность и т. д.) должна укладываться в допуск на размер в
соответствии с классом точности изготовления деталей,
что оговаривают в технических требованиях.
Увеличение требований к точности изготовления де-
талей машин должно быть обоснованным, так как при-
водит к увеличению затрат в производстве.
Оценка точности формы и размеров обработанной де-
тали существенно зависит от степени точности измере-
ний. Наибольшая цена деления измерительного инстру-
мента должна быть, по крайней мере, в три раза мень-
ше допуска на размер. Все измерения следует произво-
дить при одинаковой температуре и одинаковом давле-
нии измерительного элемента на деталь.
Качество обработанной поверхности оценивается сле-
дующими характеристиками: шероховатость (микрогео-
метрия), упрочнение (наклеп) поверхностного слоя (глу-
бина и степень), остаточные напряжения (глубина их
проникновения, знак и величина).
722
Степень упрочнения и глубина его проникновения,
величина и знак остаточных напряжений оговариваются
в технических условиях на изготовление ответственных
деталей машин.
Чаще всего качество поверхности характеризуется ее
шероховатостью, которая сравнительно легко поддается
непосредственным измерениям. Шероховатостью поверх-
ности называется совокупность неровностей с относи-
Рис. 366. Схема к оценке шероховатостей
тельно малыми шагами, образующих рельеф поверхнос-
ти детали на определенной ее длине (базовой длине).
Под волнистостью поверхности понимают совокуп-
ность периодически чередующихся неровностей с отно-
сительно большим шагом, превышающим принимаемую
при измерении шероховатостей базовую длину. Волнис-
тость занимает промежуточное положение между шеро-
ховатостью и погрешностями формы (макрогеометрией)
поверхности.
Критерием для разграничивания шероховатости и
волнистости служит отношение шага I к высоте неров-
ностей Н.
Для шероховатостей — это ////=50; для волнистос-
ти ////=50-4-1000.
При оценке шероховатостей принимается во внима-
ние не только высота и форма неровностей, но и харак-
тер их расположения на обработанной поверхности.
По ГОСТ 2789—73 для количественной оценки шеро-
ховатости предусмотрено шесть параметров (рис. 366).
1. Среднее арифметическое отклонение профиля Rn
определяется из абсолютных значений отклонений h от
46*
723
п
средней линии: /?0«[ £ (/1г)]/л, где п — число измерен-
ных неровностей. Средняя линия делит суммарную пло-
щадь неровностей так, что сумма площадок выше и ни-
же ее равны.
2. Высота неровностей профиля Rz по десяти точ-
кам—это среднее расстояние между пятью высшими и
пятью низшими:
П — (^1 ~т~ ~Ь » • "Ь М — (^2 ~Н /14 ~Н ‘ • 4~ hjQ)
г 5
3. Наибольшая высота неровностей 7?тах.
4. Средний шаг неровностей Sm
II
Sm' —
'mi‘
5. Средний шаг неровностей по вершинам S =
п
6. Относительная длина профиля tp — отношение
опорной длины профиля т] к базовой длине /:
п
tP = (П/О Ю0%, где Т1т=
i=l
величина b измеряется на расстоянии р от наибольшего
выступа.
По ГОСТ 2789—73 установлены 14 классов шерохова-
тости, из которых 1-му классу соответствует самая шеро-
-ховатая (грубая) поверхность.
Классы шероховатостей можно условно разделить на
четыре группы.
Первая группа (1—3-й классы)—грубые поверхнос-
ти получающиеся при черновом точении, сверлении, фре-
зеровании, строгании.
Вторая группа (4—6-й классы) — поверхности, полу-
чаемые при получистовой обработке.
Третья группа (7—9-й классы) — чистовые поверх-
ности, получаемые после отделочных операций (тонко-
го точения и растачивания, развертывания, протягива-
ния, шлифования, пластического деформирования).
Четвертая группа (10-14-й классы) —поверхности,
обработанные доводочными инструментами (притирка,
724
хонингование, суперфиниширование, алмазное выгла-
живание и др.).
Повышение качества обработанной поверхности.
Причиной образования шероховатостей на обработанной
поверхности является прежде всего сложное относитель-
ное движение инструмента и заготовки, а также наличие
углов в плане у режущего инструмента. В результате на
обработанной поверхности остаются шероховатости, ве-
личина и форма которых зависят от условий резания.
Для того чтобы с ростом подачи высота шерохова-
тостей не увеличивалась, необходимо либо увеличивать
радиус закругления вершины резца, либо уменьшить уг-
лы резца в плане.
В практике применяют резцы с большими радиусами
закругления или углами в плане, равными нулю.
При сравнительно жесткой системе станок — инстру-
мент — приспособление — деталь использование таких
резцов позволяет увеличивать подачу в несколько раз
без существенного увеличения высоты шерохова-
тостей.
Применение широких резцов с <р=0° при окончатель-
ной обработке прокатных валков на Уралмашзаводе по-
зволило увеличить подачу в 10—20 раз.
Обработка резанием нержавеющих, жаропрочных,
износостойких сталей и сплавов вызывает большие за-
труднения.
Для облегчения процесса резания в этих случаях,
кроме традиционных средств улучшения обрабатывае-
мости— выбора оптимального материала и геометрии
режущей части инструмента, параметров режима реза-
ния, применения СОЖ, используются дополнительные
средства улучшения обрабатываемости.
Термическая обработка — отжиг или отпуск, снижая
твердость и прочность, улучшают обрабатываемость ма-
териалов.
Для улучшения обрабатываемости некоторых нержа-
веющих сталей используют микролегирование сталей и
сплавов редкоземельными элементами, такими как се-
лен, теллур или свинец.
Обрабатываемость прочных сталей можно улучшить
дополнительным подогревом зоны резания. При этом
облегчается процесс пластической деформации, улучша-
ются условия трения на режущих поверхностях инстру-
мента.
725
Чаще всего используют электрические методы подо-
грева: индукционный — токами высокой или промышлен-
ной частоты и электроконтактный.
При электроконтактном подогреве к заготовке и ин-
струменту подводят переменный ток низкого напряжения
и большой силы (до 50—100 А на 1 мм длины режуще-
го лезвия). Локальный подогрев металла перед режу-
щим лезвием инструмента на небольшую глубину осо-
бенно удобен при чистовой обработке, так как он не из-
меняет свойств металла.
При предварительной черновой обработке применя-
ют подогрев газовой горелкой, плазменной струей. В пос-
леднем случае металл не только подогревается, но и час-
тично выплавляется и выдувается из зоны резания.
Глава 2
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Металлорежущие станки делят на группы в зависи-
мости от вида технологических операций, выполняемых
на них.
В СССР принята система, по которой все станки раз-
делены на девять групп: 1) токарные; 2) сверлильные
и расточные; 3) шлифовальные, полировальные и дово-
дочные; 4) комбинированные; 5) зубо-и резьбообрабаты-
вающие; 6) фрезерные; 7) строгальные, долбежные и
протяжные; 8) разрезные и 9) разные.
В обозначении модели станка первая цифра обозна-
чает номер группы в той последовательности, как они
перечислены. Так, токарные станки имеют в обозначении
модели первую цифру 1, а фрезерные 6.
Каждая группа станков разделена на девять типов,
каждый из которых объединяет станки по их назначению,
степени автоматизации, компоновке, например верти-
кально-сверлильные, радиально-сверлильные, горизон-
тально-расточные.
Вторая цифра модели станка обозначает номер типа.
Следующие две или одна цифра обозначает одну их
технических характеристик станка.
726
Буква после первой цифры или в конце обозначения
модели указывает на модернизацию или модификацию
базовой модели станка. Так, например, модель 1К62 оз-
начает, что это токарно-винторезный станок с высотой
центров 200 мм, модернизированный.
ПРИВОДЫ СТАНКОВ
Приводом станка называют механизм, передающий
движение от электродвигателя к исполнительным
органам станка. Различают приводы главного дви-
жения, движения подачи и вспомогательных дви-
жений.
В металлорежущих станках главное движение пере-
дается от электродвигателя с помощью коробки скорос-
тей, позволяющей изменять числа оборотов шпинделя
или двойных ходов стола. Как правило, коробки скорост-
тей обеспечивают ступенчатое регулирование чисел обо-
ротов. В некоторых случаях находят применение приво-
ды бесступенчатого регулирования: фрикционные, элект-
рические, гидравлические. Они позволяют установить
любое заданное число оборотов шпинделя станка в опре-
деленных пределах.
Привод подачи, как правило, осуществляется от како-
го-либо звена главного движения, а иногда (фрезерные
станки) от отдельного электродвигателя.
Изменение величины и направления подачи осущест-
вляется с помощью коробки подач, сменных зубчатых ко-
лес, реверсивных механизмов.
КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА
И ПЕРЕДАЧИ СТАНКОВ
Кинематические цепи станка служат для передачи и
преобразования движений и состоят из отдельных звень-
ев кинематических пар (винта с гайкой, рейки с зубча-
тым колесом и т. д.).
Кинематическая схема станка — это условное изо-
бражение кинематических цепей его в плоскости черте-
жа. На схеме показывают, в какой последовательности
расположены кинематические пары, взаимосвязь отдель-
ных элементов и механизмов станка, а также данные об
электродвигателе, диаметре шкивов, числах зубьев зуб-
чатых колес и др. С помощью кинематической схемы
727
можно делать расчеты по настройке кинематических це-
пей станка. Для электрических, гидравлических и пнев«
матических цепей устройств дополнительно составляют
электрические, гидравлические и пневматические схемы.
В качестве примера на рис. 367 показана кинемати-
ческая схема станка модели 1К62.
Кинематическая цепь главного движения связыва-
ет вал электродвигателя со шпинделем станка.
Движение от асинхронного короткозамкнутого флан-
цевого электродвигателя N=2G кВт (п=1450 об/мин)
передается пятью клиновыми ремнями через шкивы
142—254 (цифры на схеме у шкивов и зубчатых колес
обозначают диаметры шкивов и числа зубьев колес) ва-
лу I коробки скоростей. Два (левый и правый) много-
дисковых фрикциона, управляемых муфтой ЛК, служат
соответственно для включения прямого и обратного вра-
щения шпинделя. При левом положении муфты М\ пере-
ключение подвижного двойного блока Б1 на валу II и
тройного блока Б% на валу III позволяет получить на пос-
леднем шесть различных чисел оборотов. Их можно не-
посредственно передать шпинделю станка вал VI, если
блок Б$ смещен влево и сцепляются зубчатые колеса
65—43, либо через перебор, когда блок Б& смещен впра-
во. При этом движение от вала /// передается валу V
через подвижные блоки Б3 и Б4 и далее шпинделю стан-
ка через блок Б3, зубчатые колеса 27—54. При различ-
ных положениях блоков Б3 и Б4 получают три различ-
ных передаточных отношения 1, */4, Vie- Если учесть, что
на валу III можно получить шесть различных чисел обо-
ротов, то через перебор шпиндель получает 18 различ-
ных чисел оборотов, а всего двадцать четыре в диапа-
зоне от 12,5 до 2000 об/мин.
Движение подачи передается от шпинделя станка че-
рез блок Б6 (при его левом положении) и зубчатые коле-
са 60—60 валу VII. Если блок Б6 переместить в правое
положение, движение передается от шпинделя по цепи
главного движения через перебор и от вала III переда-
ется валу VII парой зубчатых колес 45—45. В этом слу-
чае в зависимости от передаточного отношения перебора
величина подачи и шаг резьбы увеличивается в 2; 8 и
32 раза.
Для изменения направления движения резца при на-
резании резьбы применяют реверсивный механизм, по-
зволяющий получить две скорости правого вращения
728
56 395! 65 45
Рис. 367. Кинематическая" схема токарно-винторезного станка
при крайнем левом и среднем положениях блока Б1 и од-
ну скорость левого вращения при правом положении
блока Бт.
Коробке подач движение передается от вала VIII че-
рез гитару со сменными блоками зубчатых колес С\ и С2.
Обычно (в положении, показанном на схеме) движение
передается через зубчатые колеса 42—95—50. Для на-
резания модульных, торцовых и особо точных резьб ис-
пользуют другие наборы сменных колес.
От коробки подач движение передается ходовому
винту для нарезания резьб или ходовому валику для ме-
ханических подач.
От ходового винта через гайку, закрепленную в фар-
туке станка, суппорт получает движение-для нарезания
резьбы.
От ходового валика через механизм фартука станка
движение передается реечному зубчатому колесу, кото-
рое катится по неподвижно закрепленной на станине
станка рейке и сообщает суппорту механическое движе-
ние подачи.
Для ускоренного перемещения суппорта используют
вспомогательный электродвигатель.
Станок имеет 48 продольных подач — от 0,075 до
4,46 мм/об и столько же поперечных — от 0,038 до 2,23
мм/об и позволяет нарезать практически все виды
резьб.
Передачей называется механизм, передающий движе-
ние от одного элемента кинематической цепи станка к
другому или преобразующий один вид движения в дру-
гой.
В металлорежущих станках применяют ременные пе-
редачи с плоскими и клиновидными ремнями, цепные пе-
редачи с цепью и двумя звездочками, зубчатые с цилин-
дрическими колесами, когда оси их параллельны, и кони-
ческими или винтовыми, если оси их перекрещиваются,
и др.
Для получения больших передаточных отношений ис-
пользуют червячные передачи, которые состоят из чер-
вяка и червячного колеса. Передаточное отношение чер-
вячной передачи равно i=K/Z, (К—число заходов чер-
вяка; Z — число зубьев червячного колеса).
Для преобразования вращательного движения в по-
ступательное применяют реечные, винтовые, кривошип-
но-шатунные и кулисные передачи и механизмы.
730
Если число зубьев реечного колеса равно 1 и модуль
его т мм, то за п оборотов колеса рейка пройдет путь
S=nmZn мм.
Для винтовой передачи за п оборотов винта с шагом
t мм гайка пройдет путь S=tn мм.
Количественно передача характеризуется передаточ-
ным отношением.
Передаточным отношением называется число, пока*
Бывающее, во сколько раз число оборотов ведомого вала
больше или меньше числа оборотов ведущего вала: t=>
=ndfit.
Передаточное отношение можно также выразить че-
рез отношение чисел зубьев колес или диаметры шкивов
кинематической пары:
i === Mg/zij Z-ilZ^= rfi/rfg,
где Zx и dr — число зубьев зубчатого колеса или диа-
метр шкива ведущего звена; Z2 и d2 — то же, для ведо-
мого звена.
Глава 3
ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК
НА СТАНКАХ ТОКАРНОЙ ГРУППЫ
Токарные станки получили наибольшее распростра-
некие и составляют около 50% станочного парка маши-
ностроительных заводов. Они предназначены для обра-
ботки наружных и внутренних поверхностей тел враще-
ния (цилиндрических, конических, фасонных), для обра-
ботки плоских поверхностей (подрезки торцов) и наре-
зания резьбы.
На станках этой группы основным инструментом яв-
ляются резцы. Для обработки отверстий используются
также сверла, зенкеры, развертки. Для нарезания резь-
бы применяют метчики и плашки. У всех станков токар-
ной группы различают два движения: вращательное дви-
жение заготовки (движение резания) и поступательное
движение инструмента (движение подачи), обеспечива-
ющее непрерывность процесса резания.
В зависимости от конфигурации и размеров загото-
вок, характера производства различают следующие ти-
пы станков токарной группы:
731
,1. Токарные и токарно-винторезные станки для всех
основных токарных работ в условиях единичного и мел-
косерийного производства.
2. Карусельные и лобовые станки для обработки за-
готовок больших размеров.
3. Револьверные станки, токарные и токарно-револь-
верные автоматы и полуавтоматы для обработки заго-
товок сложной конфигурации в крупносерийном и мас-
совом производстве.
4. Многорезцовые токарные станки для обработки
заготовок одновременно несколькими резцами в крупно-
серийном и массовом производстве.
ТОКАРНО-ВИНТОРЕЗНЫЕ СТАНКИ
Общий вид универсального токарно-винторезного
станка 1К62 показан на рис. 368. Станок состоит из сле-
дующих узлов.
Рис. 368. Токарно-винторезный станок 1К62
Станина VIII, на которой смонтированы прочие узлы
станка, установлена на передней I и задней VI тумбах,
которые крепятся к фундаменту.
По направляющим станины перемещаются салазки
суппорта IV и задняя бабка V.
Передняя (шпиндельная) бабка II с коробкой ско-
ростей крепится на левом конце станины и служит для
закрепления заготовки и придания ей вращательного
движения с различными числами оборотов.
732
Шпиндель III—это последний в скоростной кинема-
тической цепи вал коробки скоростей. Передний конец
его имеет коническое отверстие, в которое устанавлива-
ют центр (для работы в центрах), и резьбу на наружной
поверхности, на которую навинчивают кулачковый или
поводковый патрон для закрепления обрабатываемых
заготовок.
Шпиндель изготавливают полым для размещения в
нем обрабатываемого прутка.
Коробку подач IX крепят к лицевой стороне стани-
ны. Она обеспечивает получение необходимой величины
подачи или шага нарезаемой резьбы.
Суппорт IV служит для сообщения резцу движения
,подачи. Нижняя часть суппорта, называемая продоль-
ными салазками или кареткой, движется по направля-
ющим станины при продольной подаче. На ней распо-
ложены поперечные салазки, которые перемещаются
перпендикулярно оси вращения заготовки при попереч-
ной подаче. На поперечных салазках расположен верх-
ний поворотный суппорт с резцедержателем.
Фартук VII крепят к каретке суппорта. В нем распо-
ложен механизм, при помощи которого вращательное
движение, передаваемое от шпинделя к ходовому вали-
ку или ходовому винту, преобразуется в поступательное
прямолинейное (продольное или поперечное) движение
суппорта. В нем монтируются устройства для включе-
ния поперечной или продольной подачи, движения для
нарезания резьбы, а также ускоренного перемещения
суппорта.
Задняя бабка V служит для поддержания обрабаты-
ваемой заготовки при работе в центрах. Используется
также для закрепления сверл, зенкеров и других инст-
рументов для обработки отверстий. Для этого в пиноли
задней бабки имеется конусное отверстие. Достоинст-
вом станка 1К62 является наличие у задней бабки уст-
ройства— сцепки для соединения ее с суппортом и осу-
ществления механической подачи.
Станок управляется рукоятками, для изменения чис-
ла оборотов шпинделя 1, 3 для реверсирования шпинде-
ля при нарезании резьбы 2, для включения фрикцион-
ной муфты 6, для ручной продольной и поперечной подач
5, 4, для изменения величины подач 7, 8.
Наладка и настройка токарного станка. Наладкой
станка называют все подготовительные работы, связан-
733
Рис. 369. Приспособления и принадлежно-
сти токарных станков
ные с выполнением заданной операции (установка ин-
струментов, приспособлений, заготовки и др.).
, Резцы крепят в резцедержателе так, чтобы их верши-
на находилась на высоте оси заготовки (линии центров
станка), а вылет составлял не более чем 1,5 высоты
стержня-державки.
Заготовки закрепляют с помощью универсальных и
специальных приспособлений (рис. 369).
На рис. 369, а по-
казан пример обработ-
ки длинного (нежест-
кого) гладкого вала в
центрах с помощью
поводкового патрона и
хомутика, закреплен-
ного на заготовке. Для
увеличения жесткости
вал опирается на лю-
нет.
Рассмотрим конст-
рукции центров. Про-
стой упорный центр
(см. рис. 369, б) ис-
пользуется при нали-
чии в торце заготовки
центрового отверстия;
обратный (см. рис.
369, в) — если центро-
вого гнезда нет, риф-
леный и грибок (см.
рис. 369, г) предназна-
чены для закрепления
полых заготовок.
Тонкостенные заготовки закрепляют на разжимных
оправках (см. рис. 369, д). При высоких скоростях реза-
ния используют вращающиеся центры и центры с нако-
нечником из твердого сплава.
Если у заготовки требуется обработать отверстие или
если она короткая, ее закрепляют в патроне, уста-
новленном на переднем конце шпинделя (см. рис.
369, е).
Трехкулачковый самоцентрирующий патрон (см.
рис. 369, е) имеет три кулачка, которые одновременно
перемещаются по радиальным пазам, что позволяет не
734
только зажимать, но и центрировать заготовки цилин-
дрической формы.
Четырехкулачковый патрон (см. рис. 369, ж) поз-
воляет закреплять и центрировать заготовки несиммет-
ричной формы. Каждый кулачок перемещается незави-
симо.
При наружной обработке тяжелых и длинных заго-
товок их закрепляют одним концом в патроне, а другой
конец поддерживается центром, установленным в пино-
ли задней бабки.
На токарном станке отверстия можно обрабатывать
также сверлами, зенкерами, развертками, установлен-
ными в пиноли задней бабки, с ручной или с механичес-
кой подачей.
Настройка станка заключается в приведении его ки-
нематических цепей в соответствии с заданным режимом
резания.
Токарные работы разделяются на черновые, при ко-
торых удаляют основную часть припуска, и чистовые,
которые придают заготовке окончательную форму, раз-
меры и чистоту поверхности.
Наиболее часто на токарных станках проводят рабо-
ты, схемы которых показаны на рис. 370.
Обтачивание (рис. 370, а) — обработка наружных
цилиндрических поверхностей черновыми проходными
прямыми 1, 2, отогнутыми 3, 4, правыми 1, 3 или левыми
2, 4 резцами, чистовыми прямыми 5, отогнутыми 6 и ши-
рокими 7 резцами.
Подрезание торца (см. рис. 370, б) выполняют про-
ходным упорным 1, проходным отогнутым резцом 2 или
подрезными резцами 3, 4.
Чаще всего торцовые поверхности подрезают, от пе-
риферии к центру. При подрезании буртиков и уступов
проходным и упорным резцом работают как с продоль-
ной, так и с поперечной подачей.
При подрезании правого торца заготовки исполь-
зуют срезанный центр.
Отрезание выполняют отрезным резцом (см. рис,
370, в). Он имеет длинную узкую головку для того, что-
бы экономить металл по ширине резца. Однако с умень-
шением ширины режущей части снижается жесткость и
прочность резца. Для заготовок диаметром 30—50 мм
ширина режущей части резца составляет 3—5 мм,
735
Рис. 370. Токарные резцы и схемы обработки поверхностей на токарно-винто-
резном станке
Для лучшего отвода стружки на передней поверхнос->
ти резца затачивается лунка. Для уменьшения трения
на боковых сторонах затачивают вспомогательные углы
в плане,
736
. Отверстия большого диаметра, ступенчатые, сквоз-
ные IJ глухие обрабатывают растачиванием (см. рис.
370, г) расточными резцами.
Фасонные поверхности обрабатывают специальными
фасонными резцами (см. рис. 370, д) с поперечной пода-
чей суппорта. Фасонные поверхности обрабатывают так-
же с помощью копировальных механических или гидрав-
лических устройств.
Обработку длинных и пологих наружных конусов с
уклоном до 8° (см. рис. 370, е) осуществляют смещением
задней бабки в поперечном направлении,величина сме-
щения определяется из выражения h= (D—d)L/2l.
Для обработки коротких наружных и внутренних ко-
нусов (см. рис. 370, ж) используют поворот верхней ча-
сти суппорта на угол а, величину этого угла определяют
из выражения
СС с=и arctg [(£> — d)/2l],
Нарезание резьбы проводят резьбовыми наружными
г/ или внутренними 2 резцами (см. рис. 370, з). Угол в
плане при вершине резьбового резца должен соответст-
вовать углу профиля нарезаемой резьбы. Винтовую ка-
навку прорезают за несколько проходов.
Подача резца на глубину резания осуществляется
либо перпендикулярно оси изделия при чистовой обра-
ботке, либо параллельно правому режущему лезвию рез-
ца при повороте резцедержателя на половину угла в
плане при вершине резца при черновой обработке.
При нарезании стандартных резьб станок настраива-
ют с помощью коробки подач. Для нарезания точных и
нестандартных резьб используют набор сменных зубча-
тых колес.
Настройка станка на нарезание резьбы и заключает-
ся в обеспечении условия, при котором за один оборот
шпинделя суппорт с резьбовым резцом перемещается на
величину, равную шагу нарезаемой резьбы.
ТОКАРНО-РЕВОЛЬВЕРНЫЕ СТАНКИ
Эти станки отличаются от универсальных, токарно-
вииторезных тем, что имеют вместо задней бабки про-
дольный суппорт с револьверной головкой, в которой в
определенной последовательности закрепляют различ-
ные инструменты, Станки предназначены для обработки
47—481
737
заготовок сравнительно сложной формы при использо-
вании большого количества инструментов. Можно обра-
батывать детали из пруткового проката, а также литые,
кованые и штампованные заготовки.
Благодаря большой степени механизации вспомога-
тельных движений, снижению затрат времени на смену
инструмента, одновременной работе нескольких инстру-
Рис. 371. Токарно-револьверный станок
ментов револьверные станки более производительны, чем
токарные, однако сложность наладки оправдывает их
использование лишь в серийном производстве.
По конструкции револьверные станки подразделяют
на две группы: с вертикальной осью револьверной го-
ловки, чаще всего шестигранной, и с горизонтальной
осью, как правило, с круглой головкой.
Общий вид токарно-револьверного станка с верти-
кальной осью револьверной головки показан на рис. 371.
Поворотная револьверная головка 1 смонтирована на
продольном суппорте и вместе с ним совершает поступа-
тельное движение, ускоренное для подвода и отвода ин-
струмента, и рабочее движение подачи в процессе ре-
зания.
После окончания обработки одним инструментом ре-
вольверная головка вместе с продольным суппортом воз-
вращается в исходное положение и поворачивается для
включения в работу следующего инструмента. Станок
снабжен настраиваемыми упорами, которые ограничива-
ют перемещение продольного суппорта с револьверной
' головкой и поперечного суппорта 2,
738
На рис. 372 показан пример наладки револьверного
станка 1П365 на изготовление детали за две установки,
т. е. сначала обрабатывают часть поверхностей, а затем
заготовку закрепляют за обработанную часть и обраба-
тывают остальные поверхности.
Установка А. Заготовку закрепляют в трехкулачковом патроне
по цилиндрической поверхности ступицы.
Переход 1. Подрезание торца проходным отогнутым резцом с
поперечного суппорта.
Переход 2. Зацентровка заготовки специальным сверлом, за-
крепленным в приспособлении на 1-й грани револьверной головки.
Переход 3. Сверление отверстия сверлом со 2-й грани револь-
верной головки.
Рис. 372. Схема наладки токарно-револьверного станка
Переход 4. С 3-й грани револьверной головки с помощью спе-
циального приспособления осуществляют рассверление отверстия,
обтачивание наружной поверхности ступицы и снятие фаски.
Переход 5 и 6. С помощью поперечного суппорта поочередно
подрезается торец фланца и растачивается внутренняя фаска. После
перехода 6 деталь снимается.
Установка Б. Заготовку закрепляют в патроне по обработанной
поверхности ступицы.
Переход 7. Черновое подрезание торца проходным резцом с
поперечного суппорта.
Переход 8. Этим же резцом обтачивают наружную поверх-
ность.
Переход 9. Зенкерование отверстия с 4-й грани револьверной го-
ловки.
Переход 10. Чистовое подрезание торца с поперечного суппорта.
Переход 11. С помощью специального приспособления, установ-
ленного на 5-й грани револьверной головки, растачивают канавку.
47* 739
Переход 12. Предварительное развертывание отверстия разверт-
кой, закрепленной на 6-й грани револьверной головки.
Переход 13. С помощью развертки, закрепленной в поворотном
приспособлении на 1-й грани револьверной головки, — чистовое раз-
вертывание.
Переход 14. Снятие фаски специальным резцом, закрепленным в
поперечном суппорте.
ТОКАРНО-КАРУСЕЛЬНЫЕ СТАНКИ
Токарно-карусельные станки предназначены для об-
работки крупногабаритных заготовок типа маховиков
шкивов, дисков, у которых отношение высоты к диамет-
ру не превышает 0,4—0,7. Карусельные станки с план-
Рис. 373. Двухстоечный токарно-кару-
сельный станок
Рис. 374. Схема обработки на то-
карно-карусельном станке
шайбой диаметром до 1,6 м выпускают одностоечными
и двухстоечными, если диаметр планшайбы больше 2 м.
На рис. 373 показан общий вид двухстоечного токар-
но-карусельного станка. Станок состоит из планшайбы
12, смонтированной на станине 1, и стоек 2, соединенных
между собой поперечиной 6. По вертикальным направ-
ляющим стоек перемещается траверса 3. Движение тра-
версы— установочное Sy, т. е. ее устанавливают в зави-
симости от высоты заготовки. На траверсе установлены
верхний суппорт 5 с коробкой подач 4 и револьверный
суппорт 7 с револьверной головкой 8 и коробкой подач
9. Коробки подач имеют независимый привод. На правой
стойке установлен боковой суппорт 10 с коробкой подач
11. Каждый из суппортов имеет вертикальную SB и го-
ризонтальную подачу Sr.
740
Левый (верхний) суппорт можно поворачивать, уста-
навливая его под углом к вертикальной плоскости.
На рис. 374 показана схема обработки большого зуб-
чатого колеса на двухстоечном токарно-карусельном
станке с использованием верхнего суппорта для подрез-
ки торца, револьверного суппорта для расточки отвер-
стия и бокового суппорта для обточки наружной поверх-
ности. При работе на карусельных станках заготовки
можно обрабатывать одновременно несколькими резца-
ми, что позволяет существенно повысить производитель-
ность труда.
МНОГОРЕЗЦОВЫЕ ТОКАРНЫЕ
ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЕ СТАНКИ
Эти станки используются чаще всего для обработки
деталей типа ступенчатых валов. Они отличаются от
обычных токарно-винторезных станков наличием не-
скольких суппортов и специальных резцедержателей,
Рис. 375. Общий вид многорезцово-
го токарного полуавтомата
Рис. 376. Схема наладки многорезцо-
вого полуавтомата на обработку вал*
шестерни
позволяющих проводить обработку одновременно не-
сколькими резцами. Наладку резцов производят так,
чтобы каждый резец обрабатывал определенный участок
заготовки. Одновременная параллельная и последова-
тельная работа резцов значительно ускоряет процесс
обработки. Этому способствует также работа станка по
полуавтоматическому циклу, так как у него автоматизи-
рованы все главные и вспомогательные движения.
На рис. 375 показан общий вид многорезцового то-
карного полуавтомата. На продольных направляющих
741
станины смонтирован верхний суппорт 4, который осу-
ществляет поперечное перемещение резцов Sn и устано-
вочное продольное перемещение Sy.
Нижний суппорт 1 осуществляет продольное переме-
щение резцов Snp и установочное поперечное перемеще-
ние. Заготовка закрепляется в центрах: переднем, кото-
рый устанавливается в шпинделе коробки скоростей 2,
Рис. 377. Схема наладки много-
резцового полуавтомата на об-
работку ступеньчатого валика
размещенной в передней бабке 3, и заднем, установлен-
ном в пиноли задней бабки 5. Крутящий момент заго-
товке передает закрепленный на переднем конце шпин-
деля зажимной патрон.
Типовая схема обработки вала-шестерни на много-
резцовом станке показана на рис. 376. В заднем суппорте
закреплены резцы, работающие с поперечной подачей:
резцы 1, 3 и 4 подрезают торцы, резец 2 методом вреза-
ния обтачивает фасонную поверхность на заднем торце
зубчатого венца, резцы 6 и 7 обтачивают фаски, а резец
5 прорезает канавку.
В переднем суппорте закреплены резцы 8—14, кото-
рые обтачивают соответствующие цилиндрические участ-
ки валика. Резец 15 закреплен в отдельном резцедержа-
теле и с помощью копира обтачивает коническую по-
верхность венца шестерни. Все резцы одновременно
заканчивают работу, после чего суппорты отводят от
заготовки и станок останавливают. Наладка станка
заключается в установке резцов по эталону готовой де-
тали или шаблону. Расстояние между резцами и их вы-
лет настраиваются так, чтобы каждый резец обрабаты-
вал свой участок цилиндрической поверхности.
Для сокращения времени обработки подвод резцов
осуществляется методом врезания либо одновременным
действием поперечной и продольной подачи (косым
врезанием), либо одной поперечной подачей. В этом
случае, как показано на рис. 377, порезные резцы, закре-
пленные на заднем суппорте, предварительйр прорезают
742
канавки, в которые попадают резцы переднего суппорта.
На рисунке показано положение резцов в момент
окончания работы.
ТОКАРНЫЕ ОДНОШПИНДЕЛЬНЫЕ АВТОМАТЫ
Автоматом называют станок, в котором автоматизи-
рованы все основные и вспомогательные движения, не-
обходимые для выполнения цикла обработки заготовки,
а также выдача готовой детали, загрузка и закрепление
заготовки, пуск станка для
повторения цикла.
Обслуживание автомата
заключается в подаче прутков
обрабатываемого материала
к загрузочному устройству,
а также контроле готовых
деталей.
Автоматы разделяют по ко-
личеству шпинделей на од-
ношпиндельные и многошпин-
дельные, по расположению
осей шпинделей — на верти-
Рис. 378. Общий вид одкошпин-
дельного токарного автомата
кальные н горизонтальные, по технологическому назна-
чению — на фасонно-отрезные, фасонно-продольные и
револьверные.
На рис. 378 показан общий вид одношпиндельного
токарно-револьверного автомата. Шпиндельная бабка 2
имеет устройство для подачи и зажима заготовки, чаще
всего с помощью цангового патрона. На станине 1 и
шпиндельной бабке смонтированы поперечные суппор-
ты 3. На револьверном суппорте 5 смонтирована револь-
верная головка 4 с горизонтальной осью вращения.
Распределительный вал 6 с кулачками для подачи суп-
портов и барабанами для вспомогательных движений
Рис. 379. Принципиальные схемы работы одношпнндельных автоматов
743
смонтирован в подшипниках на передней стенке станины.
Он управляет включением, выключением и изменением
скоростей вращения заготовки и перемещением суппор-
тов.
Инструменты, закрепленные в револьверной головке,
совершают вместе с ней продольное перемещение и по-
очередно вступают в работу: обтачивают наружные ци-
линдрические поверхности, обрабатывают отверстия,
нарезают резьбу. Инструменты, установленные на попе-
речных суппортах, совершают поперечную подачу и об-
рабатывают фасонные поверхности, подрезают торцы,
снимают фаски, отрезают готовую деталь от прутка.
На рис. 379 показаны принципиальные схемы рабо-
ты одношпиндельных автоматов.
На фасонно-отрезном автомате (см. рис. 379, а) рез-
цами, установленными на поперечных суппортах, обта-
чивают фасонные поверхности и отрезают деталь от
прутка. Наибольший диаметр заготовки 15 мм.
У фасонно-продольного автомата (см. 379,6) имеет-
ся поперечное движение суппортов, а в продольном на-
правлении движется шпиндель или вся шпиндельная
бабка. Сочетание поперечного и продольного перемеще-
ний позволяет обрабатывать конические и фасонные по-
верхности без применения фасонных резцов. На этих
автоматах из прутка изготавливают длинные детали
малого диаметра. Для повышения жесткости пруток
опирается на люнет. На револьверном автомате (см.
рис. 379, в) используют инструменты, закрепленные на
двух-трех поперечных суппортах и в револьверной го-
ловке, совершающей продольное перемещение.
Эти автоматы сочетают достоинства револьверных
станков и автоматов, что делает их весьма производи-
тельными и универсальными. На них как из прутка, так
и из штучных заготовок можно изготавливать детали
сложной формы.
Относительная сложность наладки и настройки ог-
раничивает применение автоматов крупносерийным и
массовым производством,
ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК
НА СВЕРЛИЛЬНЫХ
И РАСТОЧНЫХ СТАНКАХ
На сверлильных станках проводят сверление, зенке-
рование, развертывание, нарезание резбы и другие виды
обработки отверстий. При обработке инструментам при-
дается главное вращательное движение (движение ре-
зания) и осевое перемещение (подача).
ВИДЫ РАБОТ, РЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ
Сверление — процесс образования отверстия в сплош-
ном материале. На рис. 380 показана конструкция и ге-
ометрия режущей части спирального сверла.
Рис. 380, Спиральное сверло и
геометрия режущей части
Основные части сверла (см. рис. 380,о): рабочая
часть I, которая делится на режущую или заборную
часть II, совершающую основную работу резания, и цен-
трирующую часть III, шейка — выточка IV для выхода
шлифовального круга, хвостовик V, как правило, кони-
ческий с лапкой VI служит для закрепления сверла в
шпинделе станка. Диаметр сверла несколько уменьша-
745
ется к хвостовику для снижения трения сверла о стенки
отверстия.
Режущая часть сверла состоит из следующих эле-
ментов (см. рис. 380,6): винтовой канавки 1 для отвода
стружки, дно которой является передней поверхностью,
главного режущего лезвия 2, ленточки 3, направляющей
сверло в отверстие, главной задней поверхности 4, по-
перечного режущего лезвия 5.
Геометрия режущих лезвий сверла • показана на
рис. 380,в. Задний угол а измеряется в секущей плоско-
сти АА, параллельной оси сверла. Для компенсации из-
менений, происходящих в процессе резания, задний угол
затачивают переменным — большим у центра и меньшим
на периферии. Передний угол у измеряют в секущей
плоскости ББ, перпендикулярной к главному режущему
лезвию сверла. Угол наклона винтовой канавки сверла
«о измеряют между касательной к винтовой поверхности
и образующей цилиндра. В силу особенностей конструк-
ции сверла угол со и передний угол у не постоянны. Они
уменьшаются от периферии к центру сверла. Угол при
вершине сверла 2 ср (угол заборного конуса) образован
главными режущими лезвиями. Как видно в сечении ВВ,
у поперечного режущего лезвия передний угол у отри-
цательный. Поэтому поперечное режущее лезвие рабо-
тает в трудных условиях, оно скользит по поверхности и
пластически деформирует металл, а не режет его.
Элементы режима резания и размеры срезаемого
слоя показаны на рис. 380, г. Скорость резания (м/мин)
при сверлении определяют из выражения
v — ndn/1000,
где d — наружный диаметр сверла, мм; п — число оборо-
тов сверла в 1 мин.
Глубина резания: t^d)2 при сверлении в сплошном
металле и t— (d—d0)/2 при рассверливании отверстия,
где d0—диаметр рассверливаемого отверстия.
Сверление глубоких отверстий, глубина которых
больше трех диаметров, обычными спиральными свер-
лами связано с рядом затруднений; ухудшается отвод
стружки и тепла, уменьшается жесткость сверла. Нали-
чие поперечного лезвия даже при идеальной заточке
сверла приводит к отклонению сверла оси заготовки.
Поэтому глубокие отверстия сверлят специальными
сверлами*
746
Для сверления точных отверстий диаметром до 25 мм
применяют так называемые ружейные сверла с одним
режущим лезвием (рис. 381). Для направления и облег-
чения внедрения сверла в металл вершина его смещена
относительно оси на величину приблизительно 0,15<Д
Охлаждающую жидкость подают под давлением 20—
25 атм по внутреннему
отверстию А к режущей
части сверла; она не
только отводит теплоту,
но и способствует удале-
нию стружки вместе
с жидкостью по наруж*
ной канавке В.
Для сверления отвер-
стий диаметром 30—
80 мм применяют одно-
лезвийные сверла (см.
рис. 382, а), оснащенные
твердосплавными плас-
тинками.
Охлаждающая жид-
кость подается в зону
резания в зазор между
стенками отверстия и
сверлом и отводится
вместе со стружкой через
внутренний канал сверла.
Сквозные отверстия
диаметром больше 80 мм
сверлят кольцевыми
сверлами, состоящими из
полого корпуса с винто-
выми канавками (см.
рис. 382,6). На его торцовой части закреплены режущие
пластинки, ширина которых больше толщины стенок
корпуса. Они вырезают в заготовке кольцевую канавку,
равную их ширине, и после сверления остается цилинд-
рический стержень. Таким образом, преимущество коль-
цевых сверл состоит в том, что разрушается значительно
меньшая часть металла, чем при сплошном сверлении.
Охлаждающая жидкость подводится через внутреннюю
полость корпуса сверла, а отводится вместе со стружкой
по винтовым канавкам,
Рис. 381. Сверло для глубокого
сверления отверстий малого диа-
метра
Рис. 382. Сверло для глубокого сверле-
ния отверстий диаметром 30—80 мм (а)
и диаметром >80 мм (б):
/ — твердосплавная пластинка; 2 — на-
правляющая колодка; 3 — внутренний
канал; 4 — режущая пластинка; 5 —
винтовая канавка
747
Зенкерование— процесс обработки отверстий, полу-
ченных литьем, ковкой, штамповкой или предварительно
просверленных. Целью зенкерования является улучше-
ние чистоты обработанной поверхности, повышение точ-
ности, а также подготовка отверстия к последующему
развертыванию. Зенкер имеет те же конструктивные
элементы, что и сверло. Отличие заключается в том, что
Рис. 383. Инструменты для обработки отверстий
у него нет поперечного лезвия, а режущих лезвий не два,
а три или четыре.
По типу крепления зенкеры различают на хвостовые
(рис. 383, а) и насадные (рис. 383,6); последние при-
меняют для отверстий больших диаметров и чаще всего
оснащают твердосплавными пластинками. По виду об-
рабатываемых поверхностей зенкеры могут быть цилин-
дрическими, коническими или комбинированными.
Развертывание — процесс окончательной обработки
отверстия после растачивания или зенкерования, для
чего оставляют очень небольшой припуск (0,1—0,3 мм).
Развертывание обеспечивает высокую точность разме-
ров (2—3-й класс) и чистоту поверхности отверстий
(7—9-й класс). Для повышения точности размеров от-
верстий припуск снимают последовательно двумя — тре-
мя развертками, Более высокую размерную стойкость
748
имеют развертки, оснащенные твердосплавными пла-
стинками.
Различают развертки ручные и машинные, хвостовые
и насадные, цилиндрические и конические. Машинные
цилиндрические развертки: хвостовая показана на
рис. 383, в и насадная на рис. 383, г.
Рабочая часть развертки имеет заборный конус и
калибрующую часть, за которой имеется участок с об-
ратным конусом для уменьшения трения.
Развертки изготавливают как с прямыми, так и с
винтовыми зубьями. Последние используют для обработ-
ки вязких материалов и легких сплавов, а также для
обработки отверстий, имеющих продольные канавки,
пазы, выемки.
Нарезание резьбы в отверстиях на сверлильных стан-
ках проводят машинными метчиками.
Метчик имеет форму винта с вырезанными продоль-
ными или винтовыми канавками, которые образуют ре-
жущие лезвия (см. рис. 383, д).
Получая вращательное движение от шпинделя стан-
ка, метчик ввинчивается в отверстие и прорезает на по-
верхности его винтовую канавку, профиль которой со-
ответствует профилю резьбы метчика. Чтобы метчик мог
нарезать резьбу полного профиля за один или два про-
хода, у него заточен заборный конус, благодаря которо-
му зубья на режущей части постепенно прорезают ка-
навку резьбы. Калибрующая часть окончательно форми-
рует профиль резьбы.
ВЕРТИКАЛЬНО-СВЕРЛИЛЬНЫЙ СТАНОК
МОДЕЛИ 2А160
Основные узлы станка (рис. 384): фундаментная
плита 1, на которой смонтирована колонна или станина
2. На верхней части станины размещены коробка ско-
ростей 3 и электродвигатель 4.
На вертикальных направляющих колонны установле-
на шпиндельная бабка 5, в которой размещен механизм
подачи, осуществляющий механическое вертикальное
перемещение шпинделя 6 с инструментом. Ручное пере-
мещение шпинделя осуществляют штурвалом.
Заготовки и приспособления устанавливают на столе
7, который может перемещаться по вертикальным на-
правляющим колонны,
749
. На станке можно сверлить отверстия диаметром до
50 мм и глубиной до 300 мм, зенкеровать и развертывать
отверстия и нарезать в них резьбу. Главное движение
передается шпинделю от электродвигателя через короб-
ку скоростей, позволяющую получать 12 чисел оборотов
шпинделя от 32 до 1400 об/мин.
Рис. 384. Вертикально-
Сверлильный станок мо-
дели 2А150
Коробка подач обеспечивает де-
вять подач от 0,125 до 2,14 мм/об.
На станке предусмотрен механизм,
обеспечивающий сверление отвер-
стий на заданную глубину с автома-
тическим отключением подачи.
РАДИАЛЬНО-СВЕРЛИЛЬНЫЙ СТАНОК
МОДЕЛИ 2А53
Эти станки используют для об-
работки отверстий в крупногаба-
ритных и тяжелых заготовках, уста-
новка и перемещение которых на
столе вертикально-сверлильных
станков затруднительны или невоз-
можны.
Заготовка, закрепленная на сто-
ле радиально-свер л ильного станка,
остается неподвижной, а шпиндель
со сверлом перемещается относи-
тельно нее и устанавливается в лю-
бом необходимом положении.
Основные узлы станка показаны на рис. 385.
На фундаментальной плите 1 установлена круглая
тумба 2 с неподвижной колонной, на которую надета
гильза 3, имеющая возможность поворачиваться вокруг
колонны.
На гильзе закреплена траверса, перемещающаяся в
вертикальном направлении с помощью вспомогательно-
го электродвигателя и винта 4. Поворот колонны с тра-
версой осуществляется механически или вручную.
Траверса 5 имеет горизонтальные направляющие, по
которым перемещается шпиндельная бабка 6 с короб-
кой скоростей, коробкой подач и шпинделем 7.
Обрабатываемую заготовку устанавливают либо на
фундаментной плите, либо на столе станка 8,
750
Благодаря тому, что
шпиндельная бабка со
шпинделем может пере-
мещаться в горизонталь-
ном направлении вдоль
траверсы, а также вместе
с ней вокруг колонны,
создается возможность
обработки отверстий, рас-
положенных в любых ме-
стах заготовки.
Для фиксации шпин-
дельной головки при
сверлении закрепляют
гильзу на колонне, тра-<
версу на гильзе и шпин*
дельную головку на тра«
верее.
Рис. 385. Радиально-сверлильный ста-
нок модели 2А53
ГОРИЗОНТАЛЬНО-РАСТОЧНЫЙ СТАНОК
МОДЕЛИ 262Г
Расточные станки предназначены для сверления,
зенкерования, развертывания и растачивания отверстий
резцами в крупных тяжелых заготовках. На этих стан-
ках можно также с помощью резцов и наборов фрез об-
рабатывать торцовые плоскости.
Основные узлы станка модели 262Г показаны на
рис. 386. На станине 1 справа установлена передняя
стойка 2, на вертикальных направляющих которой смон-
тирована шпиндельная бабка 3 с коробкой скоростей и
коробкой подач. На шпиндельной бабке смонтирована
планшайба 4 с радиальным суппортом, несущим резец.
Внутри шпаншайбы смонтирован расточный шпиндель,
в коническое отверстие которого вставляется борштанга.
Левый конец ее удерживается в люнете 5 задней стой-
ки 6. Люнет расположен соосно со шпинделем и может
перемещаться в вертикальном направлении синхронно со
шпиндельной бабкой.
Для установки и закрепления заготовок служит
стол 7. Он перемещается с помощью продольных 8 и по-
перечных 9 салазок. Верхняя часть стола поворотная.
При растачивании коротких отверстий подача сообща-
ется шпинделю, При обработке длинных и соосных от-
751
верстий с помощью борштанги подача, как правило,
сообщается столу в продольном направлении. При фре-
зеровании торцовых плоскостей подача сообщается столу
в поперечном направлении или шпиндельной бабке в
вертикальном направлении.
При подрезании торцов с помощью радиального суп-
порта движение резания сообщается планшайбе, пере-
Рис. 386. Горизонтально-расточный станок модели 262Г
мещение суппорта в радиальном направлении (в ради-
альных направляющих планшайбы) служит движением
подачи.
При нарезании резьбы шпинделю сообщается за один
его оборот осевое перемещение, равное шагу нарезае-
мой рзьбы.
НАЛАДКА СТАНКОВ
Режущие инструменты с коническим хвостовиком
(сверла, зенкеры, развертки) закрепляют в шпинделе
станка либо непосредственно (рис. 387,а), либо через
переходную втулку (рис. 387,6), если размер конуса
хвостовика инструмента меньше конусного отверстия
шпинделя, а также с помощью патронов.
На рис. 387,в показан быстросменный патрон, поз-
воляющий сменить инструмент на ходу станка. Для за-
крепления заготовок применяют универсальные приспо-
752
собления типа машинных тисков, угольников, кронштей-
нов и др.
Для увеличения производительности труда и повы-
шения точности обработки применяют кондукторы. Они
служат для направления сверл, зенкеров и разверток
при помощи сменных направляющих кондукторных вту-
лок, изготовленных из инструментальной стали. Поло-
жение втулок в кондук-
торе определяет место
отверстий в обрабатывае-
мой заготовке. Примене-
ние кондукторов позволя-
ет обрабатывать заготов-
ки без разметки.
Для одновременной
обработки нескольких
отверстий на одношпин-
дельном вертикально-
сверлильном станке при-
меняют многошпиндель-
ные головки. В массовом
и крупносерийном произ-
водстве применяют для
этих целей специальные
многошпиндельные полу-
автоматы,
Рнс. 387. Способы закрепления инст-
рументов в шпинделе сверлильного
станка
Глава 5
ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК
НА ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ
Фрезерование — высокопроизводительный процесс
обработки плоскостей, фасонных и винтовых поверхно-
стей многолезвийными инструментами — фрезами.
ДВИЖЕНИЕ РЕЗАНИЯ И РЕЖИМ ОБРАБОТКИ
При фрезеровании инструмент совершает главное
вращательное движение резания (рис. 388,а). Поступа-
тельное движение подачи имеет заготовка, закрепленная
на столе станка. Относительное движение режущих эле-
ментов происходит по циклоиде, а поперечное сечение
срезаемого слоя изменяется за время цикла работы зуба
48—481
75«
фрезы. Процесс резания для каждого зуба фрезы пре-
рывистый, что приводит к циклическим сменам контакт-
ных и термических напряжений.
Скорость резания (м/мин) определяют из выражения
у=лДн/1000, где D — наружный диаметр фрезы, мм;
п — число ее оборотов в мин. Подача S —величина пе-
ремещения заготовки относительно вращающейся фре-
Рис. 388. Схема работы цилиндрической фрезы и элементы резания
зы. Различают: Sz — подачу на зуб — перемещение изде-
лия за время поворота фрезы на угол между двумя со-
седними зубьями; S0—SzZ— подачу на оборот или пе-
ремещение изделия за один оборот фрезы, где Z — число
зубьев фрезы; SMIIH=SzZn — минутную подачу или пере-
мещение изделия за одну минуту; t — глубину резания —-
расстояние между обрабатываемой и обработанной по-
верхностями, измеренное в направлении, перпендикуляр-
ном оси вращения фрезы. Ширину фрезерования В из-
меряют в направлении, параллельном оси вращения
фрезы.
Полным или наибольшим углом контакта ф (см.
рис. 388,6) называют центральный угол между радиу-
сами, проведенными в точки входа и выхода зуба фрезы
754
из контакта с заготовкой. Толщина срезаемого слоя для
одного зуба фрезы является переменной величиной и
измеряется на продолжении радиуса как расстояние
между двумя последовательными положениями зуба
фрезы.
При работе цилиндрической фрезой в зависимости от
направлений вращения фрезы и подачи заготовки раз-
личают встречное фрезерование, когда движение подачи
направлено навстречу вращательному движению фрезы
(рис. 388,в), и попутное (рис. 388,г), при котором на-
правление вращения фрезы совпадает с направлением
подачи. При встречном фрезеровании нагрузка на зуб
возрастает постепенно; его применяют при черновой об-
работке заготовок с литейной коркой, окалиной. Недо-
статком этого способа является проскальзывание зуба
фрезы на участке врезания, что ухудшает чистоту обра-
ботанной поверхности и ускоряет износ зубьев. Кроме
того, фреза стремится
оторвать заготовку от
стола, поэтому требу-
ется более жесткое
крепление ее к столу.
Попутное фрезеро-
вание, как правило,
используется при чис-
товом фрезеровании,
так как в этом случае
лучше условия вреза-
ния, изделие прижима-
ется к столу, но требу-
ются специальные
устройства для выбор-
ки зазоров в механиз-
ме подачи стола.
РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
Фрезы классифици-
руют по их технологи-
ческому назначению,
положению оси отно-
сительно обрабатывае-
Рис. 389. Фрезы и схемы об-
работки поверхностей заго-
товок на фрезерных станках
мой поверхности заго-
товки, способу закреп-
48=
' 755
ления на станке, расположению зубьев относительно оси
вращения фрезы, форме режущего лезвия.
Наиболее распространенные типы фрез и схемы об-
работки поверхностей заготовок на горизонтально- и
вертикально-фрезерных станках показаны на рис. 389:
цилиндрические (а); торцовые (б) для обработки пло-
скостей; дисковые (в — д);
Рис. 390. Элементы и геометрия ре-
жущей части зуба цилиндрических
фрез:
1 — отверстие со шпоночным пазом
для закрепления фрезы на оправ-
ке: 2— зуб фрезы; 3 — канавка;
4 — передняя поверхность; S — зад-
няя поверхность; 6 — режущее лез-
вие; 7 — шпоночный паз
отрезные, прорезные для об-
работки уступов, пазов, раз-
резания; концевые фрезы
(е, ж) для обработки усту-
пов, плоскостей, пазов;
угловые фрезы (з) для
обработки канавок углового
профиля; фасонные фрезы
(и, к) для обработки фасон-
ных поверхностей.
Элементы фрезы и гео-
метрия ее режущих лезвий
показаны на примере насад-
ной прямозубой цилиндри-
ческой фрезы (рис. 390, а).
Фрезы изготавливают с
остроконечными (рис.
(390, б) и затылованными
(рис. 390, в) зубьями. У по-
следних спинка зуба — зад-
няя поверхность — описыва-
ется по сложной кривой. Это делают для того, чтобы со-
хранить фасонный профиль режущих лезвий при после-
дующих переточках фрезы. Переточку затылованных
фрез проводят по передней поверхности. Однако в связи
с тем, что износ зубьев фрез преобладает по задней по-
верхности, при переточках снимают значительный слой
материала инструмента, что делает эти фрезы менее
долговечными.
ФРЕЗЕРНЫЕ СТАНКИ
Фрезерные станки разделяют на станки общего наз-
начения и специальные. К фрезерным станкам общего
назначения относят наиболее распространенные консоль-
ные, которые в свою очередь делят на горизонтально- и
вертикально-фрезерные в зависимости от положения
оси вращения шпинделя.
756
Горизонтально-фрезерный станок называют универ-
сальным, если продольный стол можно повернуть отно-
сительно вертикальной оси; его называют широкоуни-
версальным, если он имеет дополнительную фрезерную
Головку, шпиндель которой можно установить под уг-
лом относительно вертикальной оси.
Универсальный горизонтально-фрезерный станок
6М82. Предназначен для фрезерования относительно
Рис. 392. Общий вид вертикаль-
но-фрезерного станка
Рис. 391. Горизонтально-фрезерный станок
модели 6М82
небольших заготовок цилиндрическими, дисковыми, уг-
ловыми и фасонными фрезами в единичном и серийном
производстве. Наличие поворотного стола позволяет
фрезеровать винтовые канавки и поверхности с помощью
делительной головки.
Общий вид станка показан на рис. 391. На фунда-
ментной плите 1 закреплена станина 2. Внутри станины
расположен электродвигатель 3, который через коробку
скоростей 4 передает главное вращательное движение
шпинделю станка.
На вертикальных направляющих станины установле-
на консоль 10, которая может перемещаться в верти-
кальной плоскости и жестко закрепляться на направ-
ляющих.
: 757
На горизонтальных направляющих консоли установ-
лены поперечные салазки 11, поворотная плита 9, а в
направляющих поворотной плиты продольный стол 8.
Привод подачи размещен в консоли и состоит из элек-
тродвигателя 12 и коробки подач 18.
Для поддержания свободного (правого) конца опра-
вок служит подшипник подвески 5, которая установлена
в направляющих хобота 6, закрепленного на верхней
Рис. 393. Виды фрезерных станков:
й — бесконсольного вертикально-фрезер него; б — продольно-фрезерного; в
карусельно-фрезерного; г — барабанно-фрезерного
758
части станины. Хобот поддерживается двумя кронштей-
нами 7, нижние концы которых связаны с консолью.
На рис. 392 показан общий вид вертикально-фрезер-
ного станка.
К станкам общего назначения относят также бескон-
сольно-вертикальные фрезерные станки (рис. 393,а).
Стол станка имеет два взаимно перпендикулярных на-
правления движения, которые могут совершаться как с
рабочей подачей, так и в режиме установочных быстрых
ходов. Вертикальное перемещение совершает шпиндель-
ная бабка и может поворачиваться в вертикальной
плоскости для обработки наклонных плоскостей с попе-
речной подачей. Кроме того, шпиндель совершает осе-
вое перемещение.
Эти станки более жесткие и производительные, чем
консольные, однако они менее удобны в обслуживании.
На рис. 393, б показан продольно-фрезерный станок
общего назначения. Стол монтируется на станине и име-
ет только продольное перемещение. Поперечное и вер-
тикальное перемещения совершают шпиндельные бабки,
расположенные на траверсе и на вертикальных
стойках.
Эти станки предназначены для обработки плоскостей
крупных заготовок. Наиболее распространенным видом
обработки является работа с продольной подачей стола
при неподвижных шпиндельных бабках. При этом можно
обрабатывать заготовку одновременно с трех сто-
рон. Шпиндели станка имеют индивидуальные при-
воды.
Предусматривается также и обработка неподвижной
детали с подачей шпиндельных бабок по вертикальным
направляющим стоек и горизонтальным направляющим
траверсы.
Траверса имеет установочное перемещение в верти-
кальной плоскости. Во время работы она неподвижна.
На рис. 393, в, г показаны схемы карусельно-фрезер-
ного и барабано-фрезерного специальных станков. На
этих станках торцовыми фрезами обрабатывают плоские
поверхности заготовок в массовом и крупносерийном
производстве.
Заготовки в специальных приспособлениях крепят
на столе или барабане, которые медленно вращаются,
совершая круговое движение подачи. Обычно в этих слу-
чаях совмещаются черновая и чистовая обработки, Вы*
759
сокая производительность станков обеспечивается их
непрерывным действием, так как установка и снятие де-
тали осуществляются без остановки станка.
ВИДЫ ФРЕЗЕРНЫХ РАБОТ
Горизонтальные плоские поверхности фрезеруют на
горизонтально- и вертикально-фрезерных станках ци-
линдрическими и торцовыми фрезами.
Рис. 394. Схемы фрезерования плоских поверхностей
При обработке широких заготовок более производи-
тельно работают торцовые фрезы. При больших диа-
метрах эти фрезы изготавливают сборными — со встав-
ными зубьями, чаще всего твердосплавными.
Вертикальные поверхности фрезеруют на горизон-
тально-фрезерных станках дисковыми дву- и трехсто-
ронними фрезами (рис. 394,а), на продольно-фрезер-
ных станках — торцовыми фрезами (рис. 394, б), а также
концевыми фрезами на вертикально-фрезерных станках
(рис. 394,в).
Наклонные поверхности фрезеруют на горизонталь-
но-фрезерных станках угловыми фрезами (рис. 394, е)
либо торцовыми фрезами на вертикально-фрезерных й
продольно-фрезерных станках с повернутым шпинделем
!(рис. 394, д).
Уступы, пазы и канавки фрезеруют на вертикально-
фрезерных станках концевыми фрезами или на горизон-
760
тально-фрезерных станках дисковыми дву- и трехсто-
ронними фрезами. Фасонные поверхности фрезеруют на
горизонтально-фрезерных станках специальными фасон-
ными фрезами или наборами стандартных фрез
(рис. 394, е).
Обрезные работы и прорезание шлицев (канавок) в
головках винтов и в гайках проводят тонкими диско-
выми' фрезами.
ФРЕЗЕРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДЕЛИТЕЛЬНЫХ ГОЛОВОК
Делительные головки применяют для периодического
поворота обрабатываемой заготовки на любые равные
и неравные части окружности, что позволяет фрезеро-
вать зубчатые колеса с прямыми зубьями, шестигран-
ники, шлицевые валики и т. п.
Рис. 395. Обработка заготовок с помощью делительной головки
761
Их используют также для передачи непрерывного
вращательного движения заготовке, согласованного с
подачей стола так, что на наружных поверхностях за-
готовок образуются винтовые канавки или винтовые
поверхности.
Если шпиндель делительной головки повернуть от-
носительно стола в вертикальной плоскости, то можно
обрабатывать конические зубчатые колеса, цилиндриче-
ские зубчатые колеса больших диаметров, конические
развертки.
На рис. 395, а показана схема обработки зубчатого
колеса с использованием делительной головки. Заготов-
ка 1 закреплена на оправке в центрах шпинделя дели-
тельной головки 2 и задней бабки 3. Прорезание впади-
ны колеса проводят дисковой модульной фрезой, кото-
рая совершает главное вращательное движение резания,
а стол совершает движение подачи. После обработки
очередной впадины между зубьями стол возвращают в
исходное положение, а заготовку с помощью делитель-
ной головки поворачивают на угол, соответствующий
шагу зубьев зубчатого колеса.
Поворот заготовки, соединенной с помощью повод-
кового патрона со шпинделем 4, совершают рукояткой'
5, положение которой фиксируется в одном из концен-
трически расположенных отверстий лимба (диска) 6, в
которое вводится пружинный фиксатор. В комплекте к
головке есть несколько таких дисков с различным коли-
чеством отверстий.
На рис. 395, б показана схема фрезерования винтовой
канавки с помощью делительной головки.
Заготовка 1, установленная в центрах делительной
головки 2 и задней бабки 3, вместе со столом 4 повора-
чивается на угол р, равный углу наклона винтовой ка-
навки. Заготовке сообщается непрерывное вращательное
движение от шпинделя делительной головки, соединен-
ного с винтом продольной подачи стола сменными коле-
сами. Общее передаточное отношение сменных зубчатых
колес определяют из условия, чтобы за время одного
полного оборота заготовки относительно ее оси стол
станка, на котором закреплена заготовка, переместился
на величину шага фрезеруемой винтовой канавки.
Глава 6
ЗУБОНАРЕЗАНИЕ
МЕТОДЫ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ЗУБЬЕВ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Различают два основных метода профилирования
боковых поверхностей зубьев зубчатых колес: метод ко-
пирования и метод обкатки (огибания).
Метод копирования заключается в прорезании впа-
дины фасонным инструментом, форма режущих лезвий
которого соответствует очертанию впадины между двумя
соседними зубьями зубчатого колеса. В качестве приме-
ра на рис. 396, а показано фрезерование впадины дйско-
Рис. 396. Схема фрезерования зубьев зубчатых колес методом копирования
вой модульной фрезой на горизонтально-фрезерном
станке, а на рис. 396, б — пальцевой модульной фрезой
на вертикально-фрезерном станке.
Недостатками метода копирования являются: огра-
ниченное количество фрез в комплекте, тогда как для
каждого модуля необходимо иметь от 8 до 26 фрез в
зависимости от требований к точности профиля и числа
зубьев нарезаемого колеса; искажение профиля зуба
при нарезании косозубых колес; низкая производитель-
ность в связи с периодическим возвратом заготовки в
исходное положение и делительным движением.
Этот метод используют для нарезания зубчатых ко-
лес в единичном производстве, а также для нарезания
Крупномодульных целее или колес большого диаметра,
763
Метод обкатки (огибания). При нарезании зубчатых
колес этим методом профиль режущих лезвий инстру-
мента не совпадает с профилем нарезаемых зубьев ко-
леса, а отвечает профилю зубьев некоторого зубчатого
колеса или рейки, называемых производящим колесом
или рейкой, с которыми нарезаемое колесо находится в
зацеплении.
В результате согласованных движений инструмента и
заготовки на последней нарезаются зубья с профилем
огибающей кривой к ряду последовательных положений
режущих лезвий инструмента. Чем больше этих относи-
тельных положений режущих лезвий приходится на об-
разование профиля, тем ближе профиль нарезаемого
колеса соответствует теоретическому.
Метод огибания по сравнению с методом копирования
имеет следующие преимущества:
1. Одним и тем же инструментом данного модуля
можно нарезать зубчатые колеса с любым числом зубьев.
2. Обеспечивается более высокая точность и чистота
поверхности зубьев нарезаемого колеса.
3. Достигается более высокая производительность
обработки благодаря непрерывности процесса резания и
участию в работе одновременно большого количества ре-
жущих лезвий.
4. Возможна' автоматизация процесса.
Нарезание зубьев по методу обкатки цилиндрических
зубчатых колес с прямыми или косыми зубьями произ-
водят либо методом зубофрезерования червячными мо-
дульными фрезами, либо методом зубодолбления зубо-
резными долбяками.
Конические зубчатые колеса изготавливают на зубо-
строгальных станках.
ЗУБОФРЕЗЕРНЫЕ СТАНКИ
Зубофрезерные станки предназначены для нарезания
цилиндрических зубчатых колес с прямыми и косыми
Зубьями, а также червячных зубчатых колес методом
обкатки (огибания) червячными модульными фрезами.
Работа зубофрезерных станков основана на принципе
воспроизведения в процессе резания относительных дви-
жений элементов червячной передачи, в которой червя-
ком является червячная модульная фреза, а червячным
колесом — нарезаемая заготовка,
764
Согласование движений фрезы и заготовки заключа-
ется в том, что за один оборот однозаходной фрезы виток
ее перемещается относительно нарезаемого колеса на
один шаг, и поэтому последнее должно также повернуть-
ся на один шаг.
Принципиальная схема указанного согласования дви-
жения показана на рис. 397. Заготовка 2 через стол
станка жестко связана с де-
лительным червячным коле-
сом 1, которое получает
вращение от червяка 5, свя-
занного с червячной фрезой
3 сменными колесами 4.
Червячная фреза соверша-
ет главное вращательное
движение резания. При вра-
щении заготовки, согласо-
ванном с вращением фрезы,
осуществляется формирова-
ние боковых ПОверХНОСТеЙРис. 397. Принципиальная схема на-
- г . стройки зубофрезериого станка
зубьев колеса зубьями фре-
зы (рис. 398,а).
Рис. 398. Схема нарезания зубчатых
колес червячной модульной фрезой
765
На рис. 398 показаны также схемы нарезания пря-
мозубого (б), косозубого (в) и червячного колеса (г).
Для образования профиля по длине зуба при нареза-
нии цилиндрических прямозубых и косозубых (винто-
вых) колес фрезе сообщается поступательное движение
вертикальной подачи вдоль оси нарезаемой заготовки.
При нарезании червячных колес заготовка имеет гори-
зонтальное движение подачи.
Изменяя профиль червячной фрезы, на зубофрезер-
ных станках можно обрабатывать шлицевые валы, хра-
повые колеса, зубья звездочек цепных передач.
ЗУБОДОЛБЕЖНЫЕ СТАНКИ
Зубодолбежные станки предназначены для нареза-
ния цилиндрических прямозубых колес наружного и
внутреннего зацепления зуборезными долбяками. При
наличии дополнительных устройств на станках можно
нарезать колеса с винтовыми (косыми) зубьями.
Обкатка (огибание) в случае использования долбяка
заключается в том, что в процессе обработки воспроиз-
водится зацепление двух цилиндрических зубчатых ко-
лес, одно из которых является режущим инструмен-
том— долбяком, а второе — заготовкой. Долбяку и
заготовке сообщается движение обкатки, соответствую-
щее вращению двух зубчатых колес, находящихся в за-
цеплении, скорости которых согласованы так, что за
время поворота долбяка на один зуб нарезаемое колесо
повернется также на один зуб.
Одновременно для осуществления процесса резания
инструменту — долбяку — сообщается прямолинейное
возвратно-поступательное движение вдоль оси заго-
товки.
На рис. 399 показаны схемы нарезания зубчатых
колес на зубодолбежном станке: нарезание зубчатого
колеса внутреннего зацепления (а), нарезание цилин-
дрического прямозубого колеса (б), нарезание зубчатого
сектора (в), нарезание блока зубчатых колес (г).
Зубодолбежный станок модели 514 (рис. 400). Основ-
ные узлы станка: нижняя 1 и верхняя 2 станины, на ко-
торых смонтированы шпиндельная головка 7 и криво-
шипно-шатунный механизм 3 привода шпинделя с дол-
бяком, механизм радиальной подачи 9 шпиндельной го-
ловки и стол станка 12, на котором крепят заготовку,
766
Показаны также рукоятка ручного перемещения
шпиндельной головки 4, рукоятка ручного поворота дол-
бяка и заготовки 5, рычаг для реверсирования вращения
долбяка и заготовки 6, кнопочная станция 8, рычаг
включения радиальной подачи долбяка 10, рукоятка
Рнс. 399. Схемы нарезания зубчатых колес зуборезным долбяком
ручного поворота кулачка радиальной подачи долбя-
ка 11.
Главное движение резания — прямолинейное воз-
вратно-поступательное движение шпинделя с долбяком;
вниз — рабочий ход, вверх — холостой ход. Это движе-
ние осуществляется от двигателя через клиноременную
767
передачу, коробку скоростей, кривошипно-шатунный ме-
ханизм, зубчатый сектор и кольцевую рейку, располо-
женную на шпинделе (штосселе). Шпиндель имеет че-
тыре числа двойных ходов в минуту в пределах от 125 до
359 дв. ход/мин.
Рис. 400. Зубодолбежный станок модели 614
Делительная цепь станка согласовывает вращение
долбяка и нарезаемого колеса; цепь круговых подач
связывает вращение долбяка с его возвратно-поступа-
тельным движением. Круговая подача изменяется в пре-
делах от 0,14 до 0,44 мм/дв. ход.
Цепь радиальных подач связывает вращение спе-
циального кулачка с возвратно-поступательным движе-
нием долбяка. Заданную величину радиальной подачи
получают через ряд постоянных передач и гитару смен-
ных колес,
768
Специальный кулачок позволяет выключать ради-
альную подачу после достижения долбяком заданной
глубины резания, после чего заготовка делает один пол-
ный оборот, в течение которого нарезаются зубья на
заготовке.
В зависимости от величины модуля нарезаемого ко-
леса обработку ведут за один, два и три прохода.
ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК
НА СТРОГАЛЬНЫХ СТАНКАХ
Строганием называют метод обработки плоских и
фасонных поверхностей, канавок, пазов, выемок различ-
ных профилей при прямолинейном возвратно-поступа-
тельном движении инструмента или заготовки.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
Процесс резания при строгании прерывистый. Резец
совершает поочередно рабочий и холостой ход, что сни-
жает производительность обработки по сравнению с
фрезерованием. Динамическая нагрузка на инструмент
ограничивает величину скоростей резания. Увеличение
скоростей резания ограничено также возникновением
Рис. 401. Схемы процессов резания при строгании (а) и долб-
лении (б)
49—481
769
значительных нагрузок на узлы станка в момент ревер-
сирования движения.
Скоростью резания при строгании является скорость
рабочего хода, при которой происходит процесс резания.
В зависимости от конструкции станка она может быть
постоянной или переменной. Прерывистое движение
подачи на каждый двойной ход имеет стол с заготовкой
или резец.
Разновидностью строгальных станков являются дол-
бежные станки, у которых главное движение совершает-
ся в вертикальной плоскости. На этих станках обраба-
тывают шпоночные пазы, канавки, фасонные поверх-
ности. Схемы процесса резания на строгальном и дол-
бежном станках показаны на рис' 401.
СТРОГАЛЬНЫЕ СТАНКИ
К строгальным станкам относятся поперечно-стро-
гальные, продольно-строгальные и долбежные станки.
Кроме того, имеются специализированные станки, на-
пример кромко-строгальные, фасонно-строгальные и др.
Поперечно-строгальные станки в зависимости от
конструкции привода механизма главного движения де-
лят на кулисные, шестеренчатые (реечные), гидравли-
ческие и кривошипные.
Продольно-строгальные станки делят на одностоеч-
ные и двухстоечные.
Поперечно-строгальный станок модели 736 (рис. 402)
предназначен для обработки плоских, фасонных поверх-
ностей и пазов у заготовок малых и средних размеров в
условиях единичного и мелкосерийного производства,
чаще всего в инструментальных и ремонтных цехах.
Главное возвратно-поступательное движение реза-
ния совершает ползун 2, который перемещается по верх-
ним направляющим станины 1. Ползун получает движе-
ние от электродвигателя мощностью 3,5 кВт через ко-
робку скоростей с шестью ступенями чисел оборотов и
кулисный механизм, преобразующий вращательное дви-
жение в возвратно-поступательное движение ползуна с
резцом. Длина хода ползуна и его положение относи-
тельно стола (заготовки) регулируются. Ползун имеет
числа двойных ходов от 10,5 до 59 дв. ход/мин.
Скорость резания — переменная. Она изменяется от
нуля до максимума и затем снова до нуля в конце каж-
дого хода.
770
Среднюю рабочую скорость резца (м/мин) опреде-
ляют по формуле
vrt = Ln (1 + zn)/1000,
где L — величина хода ползуна, мм; п — число двойных
ходов ползуна в минуту; т — отношение скорости рабо-
Рис. 402. Поперечно-строгальный станок модели 736
чего хода ползуна к скорости холостого хода. Для по-
перечно-строгальных станков т»0,75.
На левом торце ползуна установлен суппорт 3 (см.
рис. 402). Суппорт можно перемещать вручную в вер-
тикальной плоскости. При обработке наклонных пло-
скостей суппорт поворачивают на угол наклона пло-
скости.
Резцедержатель крепится на откидной планке, кото-
рая позволяет резцу отклоняться при обратном холостом
ходе, что уменьшает его износ по задней поверхности.
На вертикальных направляющих станины установ-
лена поперечина (траверса) 6, по которой в горизонт
тальной плоскости перемещается (движение подачи)
стол 4. Движение подачи осуществляется периодически
в конце каждого холостого хода, когда резец выходит
49*
771
из контакта с заготовкой. Это движение передается от
вала кулисной передачи через зубчатую передачу, кри-
вошипно-шатунный механизм 7, храповой механизм,
винт поперечной подачи столу с заготовкой.
Рис. 403. Принципиальные
схемы продольно-строгаль-
ных станков
В зависимости от настройки храпового механизма по-
лучают необходимую величину подачи.
Стол 4 имеет Т-образные пазы, в которых устанавли-
вают поворотные тиски или другие устройства для за-
крепления заготовок.
Для большей жесткости стол дополнительно закреп-
ляют стойкой 5, связанной с фундаментной плитой.
Продольно-строгальные станки предназначены для
черновой и чистовой обработки крупных деталей.
Для этих станков характерно возвратно-поступа-
тельное прямолинейное движение стола — главное дви-
жение резания. Скорость стола во время рабочего хода
постоянна. Как правило, станки имеют несколько суп-
портов, которые совершают прерывистое поперечное пе-
ремещение — подачу.
На рис. 403 показаны принципиальные схемы про-
дольно-строгальных станков, которые могут быть двух-
стоечными (а) и одностоечными (б)
Глава 8
ПРОТЯГИВАНИЕ
Протягивание — высокопроизводительный метод об-
работки внутренних и наружных поверхностей много-
лезвийными инструментами — протяжками. Широко
применяют на заводах массового и крупносерийного
производства.
772
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПРОТЯГИВАНИЯ
Протягивание осуществляется при прямолинейном
поступательном главном движении резания. Протяжку
(прошивка) — это стержень, на котором расположен ряд
зубьев, имеющих режущие лезвия.
Рис. 404. Схемы работы протяжек
Схемы работы протяжек показаны на рис. 404. Каж-
дый последующий зуб протяжки имеет превышение над
предыдущим (подъем на зуб Sz). Общий припуск А сре-
зается одновременно многими зубьями (см. рис. 404, а)
за один (редко два-три) рабочий ход инструмента.
Протяжку протягивают через предварительно подго-
товленное отверстие, как показано на рис. 404, б, и тело
ее работает на растяжение. Прошивку проталкива-
ют через отверстие (рис. 404, в) и она работает на сжа-
тие. Ее длина ограничена во избежание продольного из-
гиба.
Протяжки работают по разным схемам срезания
припуска.
Профильная схема резания предусматривает сня-
тие каждым зубом протяжки стружки по всему пе-
риметру обрабатываемой поверхности. Стружка получа-
ется тонкая и широкая, плохо размещается в стружеч-
ной канавке.
773
При работе по прогрессивной схеме резания срезае-
мый слой разделяется по периметру между зубьями
нескольких секций, срезающих стружку относительно
большой толщины, но небольшой ширины, что облегча-
ет резание. Протяжки обладают большей стойкостью,
Рис. 405. Конструкция цилиндрической (с) и шпоночной (б) протяжек
однако конструкция и изготовление их сложнее,
чем протяжек, работающих по профильной схеме реза-
ния.
В зависимости от формы обрабатываемого отверстия
или наружной поверхности различают протяжки круг-
лые, шлицевые, шестигранные, шпоночные и др.
На рис. 405 показаны протяжки для обработки круг-
лого отверстия и шпоночных канавок. Хвостовик 1 слу-
жит для закрепления протяжки в патроне протяжного
станка. Передняя направляющая часть 2 служит для
центрирования заготовки относительно оси протяжки
и направления протяжки в начале резания. По сво-
ей форме и размерам направляющая часть соответству-
ет подготовленному под протягивание отверстию в за-
готовке.
На режущей части 3 размеры каждого следующего
зуба (или группа зубьев) больше предыдущего на ве-
личину, определяющую толщину срезаемого слоя (по-
дача на зуб).
Калибрующая часть 4 протяжки служит для окон-
чательной отделки обрабатываемой поверхности. По
размеру и форме зубья на калибрующей части одинако-
вы и соответствуют последнему зубу режущей части,
они служат также запасом на переточку, после которой
774
часть из них переходит в режущие зубья. Задняя направ-
ляющая часть 5 предохраняет протяжку от перекоса при
выходе из обработанного отверстия последнего калиб-
рующего зуба.
Скорость резания при протягивании составляет от 8
до 12 м/мин.
Подача на зуб, или толщина срезаемого слоя, выби-
рается в зависимости от условий протягивания и колеб-
лется от 0,02 до 0,2 мм.
Ширина срезаемого слоя равна периметру режущей
части; для круглой протяжки она равна длине окруж-
ности зуба.
ПРОТЯЖНЫЕ СТАНКИ
Протягивание проводят на горизонтальных и верти-
кальных протяжных станках. Более распространены го-
ризонтальные протяжные станки, служащие, как пра-
Рис. 406. Горизонтально-протяжной станок модели 75 ЮМ
вило, для обработки отверстий. Вертикально-протяжные
станки применяют в основном для наружного протяги-
вания.
В большинстве случаев протяжные станки имеют
только одно главное движение—-поступательное пря-
молинейное. Иногда, например при наружном протяги-
вании тел вращения, заготовка имеет медленное враще-
ние— круговую подачу, а протяжка — движение реза-
ния.
Общий вид горизонтально-протяжного станка модели
7510М показан на рис. 406.
Станок предназначен для обработки отверстий, а при
использовании специальных приспособлений — коротких
наружных фасонных поверхностей в условиях крупносе-
рийного и массового производства.
775
Основными узлами станка являются: тумба верх-
няя станина с ползуном (кареткой) 2, нижняя станина 3,
рабочий цилиндр со штоком 6, золотниковое устройство
4, привод станка с насосной станцией 5.
Имеется рукоятка 8 для управления золотником, а
также рукоятки 7 для изменения скорости протягивания.
Глава 9
ШЛИФОВАНИЕ
Шлифование — весьма распространенный отделоч-
ный метод обработки, позволяющий достичь высокой
точности и чистоты обработанной поверхности.
В массовом и крупносерийном производстве шлифо-
вальные станки составляют 25—30% от общего количе-
ства металлорежущих станков.
Во многих случаях шлифование является практиче-
ски единственной операцией, например обработка твер-
дых материалов и закаленных сталей, удаление припу-
сков с чугунных и стальных отливок при работе по
корке, зачистка проката, окончательная обработка за-
готовок с минимальным припуском на механическую
обработку без предварительной обработки лезвийным
инструментом.
Шлифование обеспечивает точность обработки в
пределах 2—1-го классов точности, чистоту поверхно-
стей —в пределах 7—10-го классов чистоты.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
ПРИ ШЛИФОВАНИИ
При шлифовании удаление припуска с заготовки
осуществляют абразивные зерна, соединенные связкой
так, что между ними имеется пространство для разме-
щения мелких частиц удаляемого материала.
Для шлифования характерны высокие скорости ре-
зания и малые Сечения срезаемого слоя металла. При
высоких скоростях резания стойкость режущих граней
зерен мала, однако ввиду периодического вступления в
работу новых зерен стойкость круга в целом достаточно
велика. Каждое зерно срезает очень тонкую стружку,
но, так как одновременно в работе принимает участие
776
большое количество зерен, а скорость резания велика,
в единицу времени срезается большое количество ме-
талла.
Режущие способности шлифовального круга опреде-
ляются .свойствами материала абразивных зерен, каче-
ством связующего материала и структурой абразивного
инструмента.
Абразивные материалы. От этих материалов требу-
ются высокая твердость и прочность, теплостойкость,
острота зерен, экономичность.
Электрокорунд (AI2O3) — продукт плавки в электро-
печах пород, содержащих окись алюминия. После плав-
ки блоки размельчают до размеров от нескольких мик-
рон до 1—2 мм. Различают электрокорунд нормальный
(89—95% Л120з), электрокорунд белый (95—98%
А120з) и монокорунд (98—99% А12О3). Чем выше со-
держание А120з, тем прочнее, тверже зерна, тем они
острее.
Электрокорундовые круги используют для шлифо-
вания закаленных сталей.
Карбид кремния (SiC) получают сплавлением по-
род, содержащих кремнезем и углерод, при весьма вы-
сокой температуре. При шлифовании используют кар-
бид кремния зеленый (98—98,5% SiC) и черный (97%
SiC). Теплостойкость, твердость и острота зерен у кар-
бида кремния выше, чем у корунда.
Карбид бора (В4С) — химическое соединение бора
с углеродом — имеет очень высокую твердость. Исполь-
зуют в виде паст, главным образом для полирования и
доводки.
Абразивные зерна имеют различную зернистость.
Согласно ГОСТ 3647—71, величину зерен определяют
в сотых долях миллиметра и обозначают определенным
номером зернистости. Абразивные материалы делят на
зерна (200—16) и порошки (12—3).
Для полировальных паст, полотен, лент, а также
брусков используют микропорошки (М40—М5), размер
зерен которых измеряют в микронах.
Связка. Режущая способность шлифовального круга
зависит не только от материала зерен, но и от связую-
щего материала.
Основное назначение связки — закрепление абра-
зивных зерен в инструменте и обеспечение высокой
прочности круга. Связка также должна быть водостой-
777
кой, теплостойкой, устойчивой к агрессивным средам
и дешевой. При неправильном выборе связки зерна не
будут работать эффективно из-за разрушения связки и
выпадения еще неизношенных зерен из рабочей поверх-
ности круга.
В зависимости от сочетания пары абразивное зер-
но— связка прочность их соединения может быть раз-
личной.
Различают связки неорганического и органического
происхождения.
К неорганическим связкам относится прежде всего
керамическая. Ее достоинства: теплостойкость, водо-
стойкость, стойкость к агрессивным средам. Недостат-
ки: относительно высокая хрупкость, чувствительность
к ударам. Обычный состав керамических связок: огне-
упорная глина, полевой шпат, кварц, тальк, жидкое
стекло и др.
Органические связки. Наиболее распространена ор-
ганическая связка — бакелитовая, основой которой яв-
ляется фенолформальдегидная смола. Круги на основе
бакелитовой связки прессуют в формах, после чего на-
гревают для отверждения смолы. Особое достоинство
ее — эластичность. Круги на бакелитовой связке успеш-
но применяют при обдирочном и отделочном шлифова-
нии, особенно при отрезании, фасонном шлифовании и
шлифовании узких пазов и канавок.
Недостатки: относительно невысокая теплостойкость.
При температуре 200—250° С прочность сцепления с
зерном уменьшается. Эти связки менее стойки к агрес-
сивным охлаждающим жидкостям. Для повышения
прочности круга применяют текстолитовые прокладки,
а иногда и металлические кольца.
Твердость круга. Под твердостью шлифовального
круга понимают способность связки удерживать зерно
от вырывания его внешней силой.
ГОСТом предусмотрены семь классов твердости
шлифовальных кругов: мягкие Ml, М2, М3; среднемяг-
кие СМ1, СМ2; средние Cl, С2; среднетвердые СТ1,
СТ2, СТЗ; твердые TI, Т2; весьма твердые ВТ1, ВТ2;
чрезвычайно твердые ЧТ1, ЧТ2.
Шлифовальный круг выбран правильно, если в про-
цессе шлифования заготовки происходит его самозата-
чивание. Если выбран слишком твердый круг, то он
засаливается, если слишком мягкий, то он будет ин-
778
тенсивно изнашиваться (осыпаться) и быстро потеряет
свою форму. Обычно для мягких материалов выбирают
твердый круг, а для твердых материалов — мягкий
круг.
Структура круга. Количественное соотношение объ-
емов зерна, связки и пор характеризуется номером
структуры, с увеличением которого плотность круга
уменьшается. По структуре различают круги: плотной
структуры 0—3 (60—56% зерен), среднеплотной струк-
туры 4—6 (54—48% зерен), открытой структуры 7—12
(38—46% зерен).
Круги различают по форме на плоские прямого
профиля, чашечные, тарельчатые, дисковые и др. Ха-
рактеристика круга маркируется на его торце, напри-
мер Э40СМ2К5 означает, что круг из электрокорунда,
зернистость круга 40, твердость СМ2, связка керамиче-
ская К, структура 5.
ВИДЫ ШЛИФОВАНИЯ, РЕЖИМ РЕЗАНИЯ
Наиболее распространено круглое внешнее шлифо-
вание в центрах.
Шлифование с продольной подачей (рис. 407,а).
Шлифовальный круг вращается с окружной скоростью
vK (м/с), которая является скоростью резания и опреде-
ляется по формуле
,, лОк пк
Vr — ----- «
60-1000
где £)к — диаметр круга, мм; пк — число оборотов круга
в минуту.
Скорость вращения (м/мин) заготовок определяется
из формулы
лС3 п3
V, = —1-а-,
3 1000
где £)3 — диаметр обрабатываемой заготовки, мм; п3 —
число оборотов заготовки в минуту, об/мин.
Вращение заготовки является Крутовой подачей.
Круг или заготовка совершает возвратно-поступатель-
ное продольное перемещение вдоль оси — продольную
подачу (Snp), которая измеряется в миллиметрах на
один оборот заготовки или в долях ширины круга (В).
779
760
Рис. 407. Схемы шлифования поверхностей заготовок на шлифовальных станках
Перемещение круга в направлении, перпендикуляр-
ном его оси, является поперечной подачей, имеет пре-
рывистый характер и происходит в конце .одного или
нескольких ходов продольной подачи.
Шлифование с поперечной подачей или врезное шли-
фование (рис. 407,6). Такое шлифование применяют
для обработки заготовок относительно небольшой дли-
ны, фасонных .с заправкой круга по заданному профи-
лю. В отличие от предыдущего метода продольной по-
дачи нет, а поперечная подача непрерывная.
Глубинное шлифование (рис. 407,в). Шлифоваль-
ный круг устанавливают сразу на полную глубину
шлифования. Обрабатывают за один или два продоль-
ных хода круга (стола). Глубина шлифования до 0,1—
0,4 мм. Продольная подача мала: 5цр=14-5 мм/об.
Круг заправляют на конус, что облегчает процесс
резаиия. Глубинное шлифование используют для обра-
ботки коротких и жестких заготовок.
Бесцентровое шлифование (см. рис. 407,г). Это
шлифование используют в массовом и крупносерийном
производстве. Заготовку не крепят в центрах, а про-
пускают между двумя кругами, опирая ее на упор.
Шлифующий круг совершает работу резания — сня-
тие стружки, а ведущий сообщает заготовке вращение
и продольное поступательное перемещение, для чего он
повернут под углом а к оси заготовки. Чтобы сохра-
нить способность ведущего круга вращать и переме-
щать заготовку, ему придают форму гиперболоида
вращения.
Круглое внутреннее шлифование. При обычном вну-
треннем круглом шлифовании (см. рис. 407, д) все дви-
жения заготовки и круга такие же, как и при наруж-
ном шлифовании с продольной подачей. Диаметр круга
выбирают в зависимости от диаметра Do шлифуемого
отверстия: Пк— (0,84-0,9)Do.
При шлифовании отверстий в крупных тяжелых заго-
товках применяют внутреннее планетарное шлифование
(см. рис, 407, е). В этом случае заготовка неподвижна,
а круг вращается относительно своей оси и оси шлифуе-
мого отверстия (планетарное движение), а также со-
вершает продольную и поперечную подачу.
Плоское шлифование осуществляется на станках с
прямоугольным столом периферией плоского круга
прямого профиля (см. рис. 407, ж) или торцом чашеч-
781
иого круга (см. рис. 407, з), а также на станках с круг-
лым столом, работающих по принципу карусельных
станков, периферией круга (см. рис. 407, и) или торцом
круга (см. рис. 407,к).
Скоростное шлифование при скоростях круга 50—
100 м/с позволяет улучшить чистоту обработанной по-
верхности, а при неизменной чистоте поверхности повы-
шает производительность обработки.
Так, если увеличить скорость круга ок в два раза
по сравнению с обычным шлифованием, т. е. до 60 м/с,
то при сохранении той же чистоты обработанной по-
верхности можно увеличить окружную скорость заго-
товки о3 в четыре раза и соответственно уменьшить тех-
нологическое время обработки.
Для скоростного шлифования применяют специаль-
ные круги с повышенным сопротивлением разрыву от
действия центробежных сил, как правило, высокопори-
стые круги, имеющие небольшую массу.
АЛМАЗНОЕ ШЛИФОВАНИЕ
Особенностью шлифования являются значительные
контактные напряжения до 10 000 кгс/мм2 и. температу-
ры до 1000° С, которые возникают из-за неблагоприят-
ной формы абразивных зерен (большие углы резания)
и весьма неблагоприятного соотношения между толщи-
ной среза на одно зерно и радиусом закругления режу-
щего лезвия. В результате значительная часть зерен не
режет, а проскальзывает. Этому способствует также и
хаотическое расположение зерен в массе круга, они не
заполняют всей поверхности круга и не лежат в одной
плоскости.
Высокие напряжения и температуры возникают
лишь в очень тонких поверхностных слоях обрабатывае-
мой заготовки и резко уменьшаются в направлении,
йбрмальном к шлифуемой поверхности. В поверхност-
ном слое обрабатываемой детали происходят структур-
ные превращения, появляются значительные временные
и остаточные напряжения. Шлифование, как прави-
ло, — окончательная чистовая операция и дефекты в
поверхностном слое готовых изделий оказывают суще-
ственное влияние на их эксплуатационные свойства.
Пороки шлифования можно существенно снизить,
применяя алмазное шлифование.
782
Алмазное шлифование получило широкое распрост-
ранение в связи с появлением синтетических алмазов.
Алмаз обладает твердостью в 2,5 раза больше, чем
твердость карбида бора и карбида кремния, а радиус
закругления режущего лезвия в шесть раз меньше. Ал-
маз отличается также малым коэффициентом линейного
расширения и высокой теплопроводностью.
Алмазное зерно способно срезать тончайшие струж-
ки с минимальной нагрузкой на зерно.
Механизм резания при шлифовании алмазным кру-
гом характеризуется суммарным взаимодействием ал-
мазного зерна и связки с обрабатываемым мате-
риалом.
Связка алмазных кругов. Круги на бакелитовой
связке обеспечивают высокую чистоту обработанной
поверхности заготовки за счет полирующего действий
самой связки, а также уменьшения сил резания й тем-
пературы. Эластичность связки позволяет зерну не-
сколько вдавливаться в массу круга, что снижает износ
его и улучшает чистоту поверхности.
Металлическая связка, делается, как правило, на
меднооловянной основе, обладает высокой прочностью
и износостойкостью. Круги на этой связке отличаются
долговечностью, хорошо сохраняют свою геометриче-
скую форму. Применяют их главным образом для опе-
раций предварительного шлифования, съема больших
припусков, а также фасонного шлифования.
Металлическая связка прочно удерживает алмазные
зерна, поэтому обеспечивает меньший расход алмазов.
Однако силы и температура резания увеличива-
ются. Наблюдается склонность к засаливанию и
адгезии, что ухудшает чистоту обработанной поверх-
ности.
Концентрация характеризует объемное содержание
алмазов в алмазоносном слое. За 100%-иую концентра-
цию принимают содержание 4,39 карата алмазов в
1 см3 алмазоносного слоя, или 0,878 мг на 1 мм3. Раз-
личают круги 25, 50, 100, 150, 200%-ной концент-
рации.
Алмазное шлифование используют чаще всего при
шлифовании (заточке) твердосплавных инструментов и
при отделочных операциях. В последние годы наряду
с синтетическим алмазом нашел применение кубиче-
ский нитрид бора (эльбор). При прочих равных свойст-
783
вах эльбор восполняет существенный недостаток алма-
за, его относительно низкую теплостойкость. У алмаза
она составляет приблизительно 800° С, а у эльбора до
1400° С.
ШЛИФОВАЛЬНЫЕ СТАНКИ
Шлифовальные станки общего назначения разделя-
ются на круглошлифовальные (центровые и бесцентро-
вые), внутришлифовальные, плоскошлифовальные, резь-
бошлифовальные, зубошлифовальные, заточные и др.
Рис. 408. Круглошлифовальный станок 3155
Круглошлифовальный станок модели3155 (рис. 408).
Предназначен для шлифования в центрах цилиндриче-
ских, конических, фасонных и плоских торцовых поверх-
ностей заготовок.
Максимальные размеры обрабатываемых заготовок:
диаметр 200 мм, длина 750 мм. Узлы станка: передняя
бабка I, задняя бабка II, шлифовальная бабка III, ста-
нина IV, гидропривод стола с панелью V, стол с пово-
ротной плитой VI.
Органы управления станком: маховичок ручного пе-
ремещения шлифовальной бабки 1, рукоятки управле-
ния гидроприводом 2, маховичок ручного продольного
перемещения стола 3, кнопочная станция 4. .
784
Движение продольной подачи осуществляется от
гидропривода со скоростью от 0,1 до 10 м/мин. По-
перечная подача шлифовальной бабки происходит так-
же от гидропривода в пределах от 0,01 до 0,03 мм иа
один или несколько ходов стола.
Главное вращательное движение шлифовального
круга осуществляется от электродвигателя через клино-
Рис. 409. Плоскошлифовальный станок модели ЗБ722
ременную передачу. Круг имеет постоянное число обо-
ротов 1000 об/мин.
• Вращение обрабатываемой заготовки происходит от
другого электродвигателя через ременные передачи на
шпиндель, который имеет числа оборотов от 75 до
300 об/мин.
Плоскошлифовальный станок модели ЗБ722
(рис. 409). По направляющим станины / станка с по-
мощью гидропривода возвратно-поступательно переме-
щается стол 2 с магнитной плитой 5, на которой уста-
навливают обрабатываемую заготовку. На боковой по-
верхности стола установлены упоры 4, которые через
рычаг 5 реверсируют движение стола. Скорость движе-
50—481
785
ния стола регулируется в пределах от 2 до 40 м/мин.
На станине установлена колонна 6, по вертикаль-
ным направляющим которой перемещается каретка со
шлифовальной бабкой 7, на шпинделе которой уста-
новлен шлифовальный круг 8. Вертикальное перемеще-
ние каретки со шлифовальной бабкой для установки
глубины резания может быть ручным или автомати-
ческим.
Рис. 410. Принципиальная схема плос-
кошлифовального стайка с круглым
столом
Поперечную подачу
имеет шлифовальная
бабка, которая переме-
щается вручную или ме-
ханически со скоростью
от 0,5 до 30 мм за каж-
дый ход стола.
Вращение шлифо-
вального шпинделя осу-
ществляется электродви-
гателем.
Плоскошлифовальный
станок с круглым столом,
работающий торцом ча-
шечного круга, показан
на рис. 410.
На направляющих станины 1 перемещаются салаз-
ки 2 с круглым вращающимся столом 3. На станине
установлена колонна 5, по направляющим которой пе-
ремещается в вертикальной плоскости, шпиндельная
бабка 4. На шпинделе крепят чашечный, чаще всего
сборный, шлифовальный круг. Вертикальная подача
осуществляется от специального привода с храповым
устройством. Станок имеет устройство для быстрого
перемещения шпиндельной бабки.
Глава 10
ОТДЕЛОЧНАЯ ОБРАБОТКА
ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВОК
При изготовлении деталей современных машин, ра-
ботающих с большими скоростями и значительными на-
грузками, к качеству обработки их поверхностей, точно-
сти формы и размеров предъявляют высокие требова-
786
ния, которые нельзя удовлетворить методами обработки,
описанными выше.
Общим для отделочных операций является тща-
тельная предварительная обработка заготовок перед
отделкой, так как отделкой можно обеспечить высокое
качество поверхности только при малых сечениях сре-
за, когда сила и температура резания невелики.
Наибольшее распространение получили следующие
методы отделочной обработки заготовок: тонкое обта-
чивание; растачивание и фрезерование; тонкое шлифо-
вание; хонингование; суперфиниширование; притирка
(доводка); шлифование и полирование абразивной
лентой.
ТОНКОЕ ТОЧЕНИЕ
Особенностью процесса являются большие скорости
резания и малые сечения срезаемого слоя. Наилучшим
материалом режущей части резцов для тонкого точения
и растачивания заготовок из цветных металлов и спла-
вов, неметаллических материалов в условиях серийного
и массового производства являются алмазы, обладаю-
щие высокой размерной стойкостью. Применение их
особенно выгодно там, где обрабатывают заготовки из
материалов, имеющих повышенные абразивные свой-
ства (фибра, резина, изоляционные материалы). Хруп-
кость и склонность к диффузии ограничивают примене-
ние алмазов при обработке заготовок из стали и чу-
гуна.
Для отделочной обработки заготовок из черных ме-
таллов применяют резцы, оснащенные твердым спла-
вом. В последнее время для тонкого точения и раста-
чивания сталей высокой твердости применяют резцы,
оснащенные кубическим нитридом бора.
Для тонкого точения и растачивания применяют
станки, обладающие высокой жесткостью и точностью.
Для достижения высокого качества поверхности и
точности размеров большое значение имеет тщатель-
ность доводки режущих поверхностей инструмента. При
растачивании глубоких отверстий или при повышен-
ных требованиях к их точности обработку проводят за
два прохода. При тонком точении высота шероховато-
стей находится в пределах 8—9-го классов чистоты.
Структура поверхностного слоя значительно лучше, чем
при шлифовании. Точность обработки лежит в преде-
лах 2-го и даже 1-го классов точности.
SO* 787
ТОНКОЕ ШЛИФОВАНИЕ
Его назначение — обработка наружных и внутрен-
них цилиндрических поверхностей при высоких требо-
ваниях к точности размеров и формы с одновременным
требованием высокой чистоты поверхностей. Тонкое
Шлифование обеспечивает точность размеров по 1-му
классу точности, а шероховатость поверхности — в пре-
делах 10-го класса чистоты.
Высокая точность достигается за счет срезания
очень тонких стружек (~5 мкм) мягкими, высокопори-
стыми кругами зернистостью 25—12 на керамической
связке при высокой жесткости и точности механизмов
поперечной подачи шлифовальных станков. Обрабаты-
вают валы диаметром от 7 до 150 мм при длине до
200—300 мм, отверстия диаметром 6—100 мм. Припуск
на шлифование составляет 5—10 мкм.
Часто последние проходы выполняют методом выха-
живания, т. е. без подачи шлифовального круга на
глубину резания. Таким образом компенсируются по-
грешности механизма подачи и упругие деформации.
Можно повысить точность и снизить шероховатость
обработанной поверхности, если вместо шлифования
периферией круга применять тонкое шлифование тор-
цом круга. В этом случае ось шлифовального круга рас-
полагают несколько выше оси обрабатываемой заготов-
ки и перпендикулярно к ней.
ХОНИНГОВАНИЕ
Метод отделочной обработки поверхностей загото-
вок абразивными брусками, совершающими сложное
движение по отношению к обрабатываемой поверх-
ности.
Хонингование применяют чаще всего при обработке
сквозных цилиндрических отверстий; при этом исправ-
ляют в определенных пределах погрешности формы
обрабатываемого отверстия в заготовке.
Инструмент—хонинговальная головка (рис. 411, а) —
представляет собой жесткий корпус, в пазах которого
параллельно его оси размещены абразивные бруски 1,
закрепленные в колодках 2, которые удерживаются в
корпусе браслетными пружинами 4. Бруски могут пере-
788
мещаться в радиальном направлении с помощью кону-
сов 3 для регулирования размера (диаметра) инстру-
мента. .
Количество брусков в хонинговальной головке выби-
рают в зависимости от диаметра отверстия кратным
числу три. Для обработки глубоких отверстий применяв
ют многорядное расположение брусков.
Рис. 411. Схема обработки цилиндрического отверстия хонингова-
нием
Для предварительного хонингования используют
бруски зернистостью 6—4, для окончательного М28—
М14. При обработке стали применяют бруски из белого
электрокорунда, при обработке чугуна — из карбида
кремния. Бруски с зернами синтетического алмаза
позволяют существенно повысить качество обрабатыва-
емой поверхности.
Очень перспективно применение эластичных алмаз-
ных брусков, которые состоят из двух слоев: алмазонос-
ного— эластичного (резина Р1) и металлического ос-
нования.
Особенность процесса заключается в автоматиче-
ском поддержании глубины внедрения алмазных зерен
в обрабатываемую поверхность заготовки. Эластичный
подслой обеспечивает полнее прилегание поверхностей
брусков к обрабатываемой поверхности. Поэтому вся
рабочая поверхность брусков участвует в работе с са-
мого начала. Сокращаются период приработки и про-
должительность обработки. Высота шероховатостей
снижается до 13-го класса чистоты, повышается точ-
ность формы и размеров обрабатываемого отверстия.
При обработке хонинговальной головке, шарнирно
соединенной со шпинделем станка, сообщаются два
движения; вращательное со скоростью v0 и возвратно-
поступательное (вдоль оси заготовки) со скоростью ип.
789
Траектория абразивного зерна относительно обраба-
тываемой поверхности представляет собой винтовую
линию, правую при движении хонинговальной головки
вверх и левую при движении вниз. В результате на об-
работанной поверхности появляется сетка винтовых
рисок (см. рис. 411,6), что повышает эксплуатационные
свойства обработанной поверхности. Для уменьшения
высоты шероховатостей скорости v0 и ип выбирают та-
кими, чтобы после каждого двойного хода брусок по-
падал в новое положение. Расстояние между последо-
вательными положениями бруска называют перекры-
тием.
Для обработки отверстия по всей длине заготовки
необходимо, чтобы бруски имели некоторый перебег,
т. е. выходили из обрабатываемого отверстия на вели-
чину 15—20 мм за каждый торец заготовки.
Хонингование проводят с обильным охлаждением
керосином или смесью керосина с веретенным маслом.
Для получения более высокой точности и снижения
высоты шероховатостей обработанной поверхности хо-
нингование ведут в несколько переходов, применяя все
более мелкозернистые бруски.
Если припуск под окончательную обработку умень-
шить до 0,05—0,012 мм, то можно получить высоту ше-
роховатости, соответствующую 12-му и даже 13-му
классу чистоты.
Хонингование проводят на специальных вертикаль-
но-хонинговальных станках при обработке отверстий
глубиной др 12 м. Для хонингования глубоких отвер-
стий глубиной до 5 м (при 6 <85 мм) используют гори-
зонтально-хонингов альные станки.
СУПЕРФИНИШИРОВАНИЕ
Суперфиниширование — тонкая отделочная обработ-
ка заготовок мелкозернистыми абразивными брусками,
совершающими сложное движение относительно обра-
батываемой поверхности. Чаще всего его используют
для обработки наружных цилиндрических поверхностей.
Особенностью процесса суперфиниширования явля-
ется незначительное давление бруска на обрабатывае-
мую поверхность (0,5—3 кгс/см2).
Бруски прижимаются к обрабатываемой поверхно-
сти заготовки пружинами, поэтому суперфиниширова-
790
ние не обеспечивает исправления формы отверстия пос-
ле предшествующей операции.
Как показано на рис. 412, а, рабочие движения
складываются из вращения заготовки у3, колебатель-
ных осциллирующих движений брусков ДЗщ, малой
амплитуды (3—5 мм) и продольного перемещения
головки с брусками вдоль обрабатываемой заготов-
ки Snp.
Л-4
Рис. 412. Схема обработки наружной цилиндрической поверхности суперфи-
нишированием
При суперфинишировании смазывающе-охлаждаю-
щая жидкость не только смывает продукты износа, но и
образует масляную пленку, оказывающую существенное
влияние на интенсивность съема металла.
Процесс резания происходит с постепенным сниже-
нием съема металла и сводится практически к удале-
нию шероховатостей, образованных на обработанной
поверхности от предшествующей операции. В начале
обработки, когда бруски опираются на выступы неров-
ностей, давления будут большими. Масляная пленка
прорывается, и абразивные зерна интенсивно срезают
микронеровности. По мере срезания выступов шерохо-
ватостей площадь контакта брусков с поверхностью
обрабатываемой заготовки увеличивается, давление
уменьшается и масляная пленка препятствует срезанию
металла. Интенсивность съема металла постепенно
уменьшается и затем прекращается, когда давление
недостаточно, чтобы прорвать масляную пленку. Такой
механизм процесса резания позволяет довести высоту
шероховатости до 14-го класса чистоты.
На рис. 412,6 показан характер обрабатываемой
поверхности в начале и конце процесса. Суперфиниши-
рование проводят на специальных станках или с по-
мощью приспособлений на универсальных токарных,
расточных, карусельных и других станках.
791
ПРИТИРКА
Притирку применяют для окончательной отделочной
обработки цилиндрических, конических, плоских, шаро-
вых и других поверхностей, а также резьб и зубьев
Зубчатых колес. Эта обработка обеспечивает чистоту
поверхности, соответствующую 12—13-му классам чис-
тоты, и точность в пределах 2-го и даже 1-го классов
точности.
Притирку проводят абразивными зернами с по-
мощью инструмента — притира — двумя способами:
связанным абразивом, предварительно шаржирован-
ным в притир, и свободным абразивом, который
в виде смеси с жидкостью (суспензии) подается в
рабочую зону или наносится на притир в виде
пасты.
В процессе притирки происходит совместное химико-
механическое воздействие на обрабатываемую поверх-
ность заготовки: срезание тонких стружек и удаление
окисных и адсорбированных пленок, образующихся на
обрабатываемой поверхности в результате взаимодей-
ствия ее с химически активными веществами. Жидкости
служат также для подвода и равномерного распределе-
ния абразивных зерен на поверхности притира, смазы-
вают и охлаждают притир и обрабатываемую заготов-
ку, удаляют отходы.
Большое влияние на интенсивность притирки оказы-
вает вязкость жидкости. Чаще всего используют масло,
керосин, вазелин. В качестве абразивных материалов
используют электрокорунд, карбид кремния, карбид
бора, окись хрома, синтетические алмазы.
Притиры для доводки заготовок из закаленной ста-
ли изготавливают из серого перлитного чугуна, для
цветных металлов и сплавов — из оптического стекла.
Притир должен быть изготовлен очень точно, так как
в большинстве случаев он копирует форму обрабаты-
ваемой поверхности.
Процесс доводки может быть ручной и механичес-
кий. Ручной процесс применяют в мелкосерийном про-
изводстве или когда сложная форма заготовки затруд-
няет механическую притирку. Механическая притирка
на специальных доводочных станках повышает произ-
водительность процесса и обеспечивает получение более
высокого качества поверхности.
792
Основная особенность доводочных станков — слож-
ные относительные рабочие движения притира и заго-
товки, при которых абразивное зерно с каждым ходом
притира относительно заготовки проходит по новой
траектории.
ЛЕНТОЧНОЕ ШЛИФОВАНИЕ И ПОЛИРОВАНИЕ
Осуществляют с помощью бесконечных абразивных
лент, натянутых на вращающиеся (ведущий и ведомый)
ролики. Наиболее распространенные схемы обработки
заготовок представлены на рис. 413.
Рис. 413. Схемы ленточного шлифования и полирования поверх*
ностей заготовок
При обработке свободной лентой (рис. 413, а) заго-
товку прижимают к рабочей поверхности ленты. Этот
способ обработки применяют в тех случаях, когда не
требуется высокой точности формы детали или когда
она имеет очень сложную форму.
Обработку с опорной плитой (копиром) (рис. 413, б)
используют, когда требуется высокая точность формы.
Заготовка опирается через ленту на опорную плиту.
В случае, если она имеет сложный контур (лопатки
турбин, бочкообразные ролики подшипников качения),
вместо плиты устанавливают специальный копир.
793
На рис. 413, в показано шлифование (полирование)
плоских заготовок (листов). Их закрепляют на столе,
совершающем возвратно-поступательное движение.
Схема бесцентрового шлифования (полирования)
заготовок цилиндрической формы показана на рис.
413, г.
Для внутреннего шлифования (полирования) заго-
товок большой длины (трубы) применяют схему обра-
ботки, показанную на рис. 413, д. Абразивную ленту
вводят в отверстие обрабатываемой заготовки, а затем
сшивают или склеивают. Она прижимается к обраба-
тываемой поверхности заготовки разжимной оправкой,
закрепленной на штоке и совершающей возвратно-по-
ступательное движение вдоль оси заготовки. Заготов-
ка вращается вокруг своей оси.
Абразивные ленты изготавливают на тканевой, бу-
мажной, нейлоновой и других основах. Бумажные лен-
ты используют для работы без охлаждения. Абразив-
ные зерна закрепляют на ленте специальными клеями
или связками из резины или синтетических смол.
Большое влияние на эффективность процесса ока-
зывают конструкция и материал опорных плит и копи-
ров. Они должны быть очень точно изготовлены и обла-
дать большой износостойкостью. Обычно их изготавли-
вают из стали ШХ15.
Преимущества ленточного шлифования (полирова-
ния) по сравнению с обработкой шлифовальными кру-
гами состоят в высокой производительности процесса,
относительной простоте обработки фасонных поверхно-
стей, плавной работе ленты, не требующей балансиров-
ки, относительной простоте ленточно-шлифовальных
станков.
К недостаткам следует отнести трудность исправле-
ния погрешностей формы деталей после предыдущих
операций и трудность обработки мест резких пере-
ходов.
ОТДЕЛОЧНАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВОК
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Эта обработка заключается в сглаживании неровно-
стей и упрочнении предварительно обработанной по-
верхности заготовки за счет пластического деформиро-
вания материала. Возникающие при пластическом де-
794
формировании остаточные напряжения сжатия упроч-
няют поверхностный слой, увеличивают усталостную
прочность и износостойкость, уменьшают влияние кон-
центрации местных напряжений.
Обкатывание и раскатывание поверхностей загото-
вок роликами и шариками. На рис. 414, а, б приведены
Рис. 414. Схемы обкатывания и раскатывания поверхностей заготовок
схемы обкатывания роликом наружных цилиндрической
и радиусной поверхностей (инструмент — обкатка), а
на рис. 414,6 — раскатывание цилиндрического отвер-
стия (инструмент — раскатка). Иногда вместо ролика
используют пружинящий шарик, что дает возможность
обрабатывать плоские поверхности, зубья, резьбовые
поверхности, беговые дорожки колец подшипников ка-
чения и т. д. (см. рис. 414,г).
При обработке заготовок недостаточной жесткости,
а также при обкатке (раскатке) заготовок с большими
усилиями применяют многороликовые или многошари-
ковые обкатки и раскатки.
Более равномерно сглаживает обработанную поверх-
ность подпружиненный инструмент. Преимущество ша-
рика перед роликом заключается в отсутствии про-
795
скальзывания его относительно поверхности заготовки,
что отрицательно влияет на качество обработки.
На эффективность процесса значительное влияние
оказывают физико-механические свойства обрабатывае-
мого материала, качество обработки поверхности на
предшествующих операциях, число проходов, режим
обработки и конструкция инструмента.
Наибольшее влияние на производительность процес-
са и качество обработанной поверхности оказывает ве-
личина давления рабочего инструмента, которая зави-
сит от свойств обрабатываемого материала, размеров
отверстия, диаметра обрабатывающих ролика или ша-
рика.
Для повышения стойкости инструмента, улучшения
качества поверхности и снижения эффективной мощно-
сти применяют минеральные масла (трансформаторное,
веретенное) с добавлением поверхностно активных ве-
ществ.
796
Обкатывание и раскатывание поверхностей загото-
вок проводят на универсальных металлорежущих стан-
ках.
Калибрование (дорнирование) отверстий заключает-
ся в проталкивании (протягивании) инструмента опре-
деленной формы сквозь отверстие, имеющее несколько
меньшие размеры, чем инструмент. При этом поверхно-
стный слой обрабаты-
ваемого отверстия
пластически дефор-
мируется. Калиброва-
ние отверстий отлича-
ется от раскатывания
большими давления-
ми и степенью дефор-
мации. Инструментом
служат дорны, шари-
ки и специальные про-
тяжки и прошивки.
На рис. 415, а, б
показано протягивание
Рис. 416. Схема ротационного упрочнения
поверхности вала
и прошивание отверстий Дорна-
ми, обработка отверстия выглаживающей протяжкой
(в), комбинированной протяжкой (г), у которой часть
зубьев — режущие, а часть — выглаживающие.
Калиброванием можно получить отверстие до 2-го
и даже 1-го класса точности и 9—10-й класс чистоты,
повысить усталостную прочность и износостойкость об-
работанных поверхностей. Инструмент должен обладать
высокой твердостью и износостойкостью. Его изготав-
ливают из инструментальных сталей или из твердых
сплавов.
Процесс калибрования проводят с обильной смаз-
кой. При обработке стали применяют • минеральные
масла с добавками поверхностно активных веществ,
при обработке чугуна — керосин.
Динамическое упрочнение поверхностей заготовок
осуществляется с целью повышения поверхностной
твердости и усталостной прочности заготовки и осно-
вано на ударном воздействии упрочняющего инструмен-
та об обрабатываемую поверхность. Наиболее часто
применяют дробеструйную обработку, ротационные ша-
риковые упрочнители.
Дробеструйную обработку применяют для заготовок
сложной формы — на обрабатываемую поверхность за-
797
гбтовки, помещенную в специальную камеру, с большой
скоростью направляется поток стальной дроби. Удары
дроби вызывают в поверхностном слое заготовки не-
равномерную (по сечению) пластическую деформацию,
в результате чего в поверхностном слое возникают зна-
чительные напряжения сжатия, что повышает усталост-
ную прочность материала заготовки. Исходная шеро-
ховатость при этом не улучшается. Большой эффект
достигается при дробеструйной обработке таких дета-
лей, как рессорные листы, пружины, лопатки турбин.
Обработка ротационными шариковыми (роликовы-
ми) упрочнителями основана на принципе динамическо-
го удара шариков (роликов) об обрабатываемую по-
верхность, для чего используют центробежную силу
шариков, свободно сидящих в отверстиях быстро вра-
щающегося диска. Схема устройства приведена на
рис. 416,
Глава II
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ
Эти способы обработки основаны на непосредствен-
ном использовании для технологических целей элект-
рической, химической, звуковой, световой и других ви-
дов энергии.
Они обладают рядом преимуществ по сравнению е
обработкой заготовок резанием:
1. Возможность обработки твердых и прочных ма-
териалов, часто не поддающихся обработке другими
методами. Для электрофизических и электрохимиче-
ских методов требуется лишь, чтобы обрабатываемый
материал был токопроводящим.
2. Сравнительно простая кинематика устройств
(станков), позволяющая легко автоматизировать регу-
лирование процесса.
3. Значительное снижение силового воздействия на
заготовку.
ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА
Электроискровая обработка, впервые предложенная
Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко, основана на ис-
пользовании явления электроэрозии — направленного
798
разрушения металла под действием импульсных искро-
вых электрических разрядов между электродами.
Обычно используют простейшую релаксационную
схему, которая состоит'из источника постоянного тока,
переменного балластного сопротивления (7?) и пере-
менной емкости — конденсаторной батареи (С), которая
включена параллельно электродам. Схема обеспечива-
ет получение энергии большой мощности от весьма ма-
ломощных источников тока
и позволяет легко регулиро-
вать по величине импульсы
тока в зависимости от тре-
буемой точности и чистоты
обрабатываемой поверхно-
сти. Общая емкость батареи
конденсаторов составляет
приблизительно 500 мкФ
и состоит из нескольких
групп для регулирования
режима.
На рис. 417 приведена
принципиальная схема „ „
v г* г* , Рис. 417. Принципиальная схема
ЭЛбКТрОИСКрОВОИ ООрЗООТКИ. электроискровой обработки
Обрабатываемую заго-
товку — анод — закрепляют
через изоляционную прокладку на столике 1, который
имеет установочное вертикальное перемещение. Заго-
товку и инструмент 3 помещают в ванну 2 с диэлектри-
ческой жидкостью (керосином, минеральным маслом),
необходимой для защиты инструмента от налипания
на него частиц металла и уменьшения мощности искро-
вых разрядов на боковых стенках обрабатываемого от-
верстия.
Инструмент — катод из латуни или медно-графит-
ной смеси — закрепляют в шпинделе 4 установки. Спе-
циальное реле поддерживает при заданном напряже-
нии постоянное расстояние между электродами и по
мере съема металла автоматически перемещает шпин-
дель вместе с закрепленным в нем инструментом, обес-
печивая вертикальную подачу. Необходимость приме-
нения реле объясняется тем, что процесс разрушения
металла начинается с искрового разряда на участке,
где расстояние между электродами кратчайшее. После
разрушения этого участка разряд наступает на сосед-
789
нем участке и т. д. Такой последовательный съем ме-
талла с поверхности обрабатываемой заготовки — ано-
да— происходит до тех пор, пока напряжение окажет-
ся недостаточным для возникновения разрядов и
процесс автоматически прекратится. Для его возобнов-
ления необходимо сближение электродов.
Точность и чистота обработанной поверхности зави-
сят от мощности импульсных разрядов и их длитель-
ности по времени. Чем меньше энергия импульсов и
больше частота разрядов, тем более чистой получается
обработанная поверхность. При черновом режиме (50—
3000 имп/с) достигается 3—4-й класс чистоты, при чис-
товом (до 10 000 имп/с) 6—8-й класс чистоты.
Современные станки для электроискровой обработ-
ки позволяют обрабатывать отверстия диаметром до
0,15 мм с точностью до 0,01 мм.
Недостатком электроискрового способа обработки
являются относительно невысокая производительность
труда и недостаточная точность формы и размеров об-
работанной детали.
Электроимпулъсная обработка—разновидность элек-'
троэрозионной обработки.
Процесс обработки проводят в ванне с диэлектриче-
ской жидкостью. Между инструментом-анодом и заго-
товкой — катодом происходят импульсные дуговые
электрические разряды, мощность и длительность кото-
рых значительно выше, чем при электроискровой обра-
ботке. В качестве источников тока используют машин-
ные генераторы.
Производительность процесса и чистота обработан-
ной поверхности зависят от мощности электрических
импульсов. При предварительной обработке заготовок
применяют длительные импульсные разряды большой
мощности, а при окончательной обработке — импульсы
Высокой частоты и малой мощности. В первом случае
Производительность процесса значительно выше, чем
при электроискровой обработке. Износ электрода-инст-
румента при электроимпульсной обработке меньше, чем
при электроискровой.
АНОДНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Основана на комбинированном электрохимическом
(электролиз) и электротермическом (электроэрозия)
800
разрушении металлов и других токопроводящих мате-
риалов.
Зазор между инструментом-катодом и заготовкой-
анодом заполняют электролитом. Иногда' заготовку
помещают в ванну с элект-
ролитом. При прохождении
постоянного тока на обра-
батываемой поверхности за-
готовки появляется пленка,
Рис. 419. Схемы электроконтактной
обработки:
в — отрезка; б — кольцевое сверле-
ние; в —фасонная обработка
Рис. 418. Схемы анодно-механической
обработки:
а — разрезка заготовки; б — шлифова-
ние токопроводящим шлифованным
кругом; в — шлифование неметалличе-
ской лентой; / — обрабатываемая де-
таль; 2 — режущий диск; 3 — шлифо-
вальный диск; 4 — неметаллическая
лента; 5 — токопроводящий прижим
не проводящая электрический ток; процесс анодного
растворения заготовки прекращается. Для его продол-
жения пленку удаляют перемещением инструмента.
Электротермическое (электроэрозионное) разруше-
ние происходит при возбуждении искровых разрядов
между участками заготовки и инструментом, где пленка
51—481
801
удалена. Электрические разряды создают высокую тем-
пературу, происходит процесс электроэрозии металла и
на поверхности заготовки образуется впадина. Разряд
на этом участке прекращается и возбуждается на со-
седних участках.
При черновой обработке, когда требуется лишь вы-
сокая производительность процесса по съему металла,
должен преобладать электротермический процесс. При
чистовой обработке должен преобладать электрохими-
ческий процесс анодного растворения и механического
удаления анодной пленки инструментом. Чистота обра-
ботанной поверхности достигает 8—10-го класса чисто-
ты, однако производительность процесса мала.
На рис. 418 показаны схемы анодно-механической
обработки.
. ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ОБРАБОТКА
При этом способе обработки разрушение металла
происходит под действием электродуговых разрядов
при быстроперемещающемся инструменте без примене-
ния электролита. Типовые схемы электроконтактной
обработки приведены на рис. 419.
Прохождение электрического тока высокой плотно-
сти по замкнутой цепи сопровождается выделением
тепла в местах соприкосновения инструмента с заготов-
кой за счет высокого контактного сопротивления, что
приводит к резкому повышению температуры заготов-
ки. Металл заготовки расплавляется и удаляется быст-
ро вращающимся инструментом. Инструмент имеет от-
носительно низкую температуру благодаря большой
скорости вращения (30—80 м/с) и применению охлаж-
дения. Для лучшего удаления частиц расплавленного
металла используют струю сжатого воздуха.
Электроконтактную обработку применяют для про-
шивания отверстий металлической трубкой, прорезания
пазов вращающимся диском, для сглаживания шерохо-
ватостей поверхности металлических изделий и другой
черновой обработки.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Ультразвуковая обработка основана на явлении
магнитострикции, т. е. изменении размеров ферромаг-
нитного сердечника, помещенного в магнитное поле, из-
меняющееся с ультразвуковой частотой (15—20 кГц),
802
Рис. 420. Схема ультразву-
ковой обработки
Схема ультразвуковой обработки отверстия показа*
на на рис. 420.
При появлении магнитного поля сердечник 1 умень-
шается в размерах поперечного сечения и удлиняется.
Для увеличения амплитуды колебаний его торца сер-
дечник соединяют с концентратором колебаний 2, что
позволяет получить амплитуду колебаний пуансона-
инструмента 3 в пределах 0,02—0,06 мм. Заготовку 4
помещают в ванну, куда подает-
ся абразивная суспензия (абра-
зивный материал и вода). Энер-
гия колебательного движения
пуансона-инструмента переда-
ется абразивным частицам, кото-
рые имеют скорость 40—50 м/с.
Встречая на своем пути обраба-
тываемую поверхность заготовки,
абразивные частицы скалывают
и срезают элементарные объемы
материала заготовки.
Прокачивание суспензии на-
сосом способствует удалению
продуктов разрушения и поступ-
лению в зону обработки свежего
абразива.
Сердечник охлаждается про-
точной водой.
Производительность процесса
ботки зависит от амплитуды и частоты колебаний, раз-
мера абразивных зерен, концентрации суспензии и дру-
гих параметров.
Ультразвуковую обработку применяют, например,
для прошивания отверстий в заготовках из твердых и
хрупких материалов, требующих высокой чистоты по-
верхности, точности формы и размеров.
Наиболее эффективно обрабатываются хрупкие ма-
териалы: стекло, керамику, алмаз, германий, фарфор
и др.
Несколько хуже обрабатываются металлокерамиче-
ские твердые сплавы, стали высокой твердости, при
обработке которых происходят микропластические де-
формации.
Ультразвуковой метод обработки позволяет полу-
чить изделия с чистотой обработанной поверхности по
ультразвуковой обра-
51*
803
6—8-му классу чистоты и с точностью по 2—3-му клас-
су точности.
Ультразвуковую обработку применяют также для
интенсификации процессов травления, удаления окали-
ны, жировых и масляных пленок и т. д.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Метод обработки основан на анодном растворении
металла при пропускании через раствор электролита
постоянного электрического тока.
Электрохимическое травление (рис. 421). Использу-
ют для очистки поверхности металлов от окислов,
Рис. 421. Схемы электрохимической обработки
ржавчины, жировых пленок и других загрязнений
(рис. 421,а).
В ванну 1, заполненную электролитом, помещают
обрабатываемую заготовку — анод 2 и катоды 3. В ка-
честве электролита используют растворы кислот или
щелочей, нагретые до 60—80° С.
Электрохимическое полирование. Струя электролита
1 протекает с большой скоростью в зазоре между ка-
тодом 2 и обрабатываемой деталью — анодом 3 и при
пропускании тока большой плотности интенсивно, рас-
творяет выступы (гребешки) на обрабатываемой по-
верхности (см. рис. 421,6),
804
Преимущественное разрушение гребешков происхо-
дит благодаря более высокой плотности тока на их вер-
шинах. Кроме того, во впадинах образуется пленка из
продуктов растворения, которая защищает их от дей-
ствия тока. Интенсивность съема металла составляет
3—10 мкм/мин. Продолжительность обработки 4—
10 мин.
Процесс полирования состоит из следующих этапов:
1) предварительного шлифования; 2) химического трав-
ления; ' 3) собственно полирования; 4) промывания в
холодной воде; 5) промывания в щелочи для оконча-
тельного удаления кислоты; 6) промывания в проточ-
ной воде; 7) протирки и сушки. Состав электролита:
фосфорная или серная кислота, хромовый ангидрид
и др.
Электрополирование применяют для заготовок из
черных и цветных металлов, а также для окончатель-
ной отделки поверхностей режущих и измерительных
инструментов.
Этот способ обработки улучшает чистоту поверхно-
сти, повышает коррозионную стойкость, усталостную
прочность. Полированная поверхность имеет большую
отражательную способность, поэтому этот процесс часто
называют глянцеванием.
Точность размеров соответствует 2—3-му классу
точности, а чистота поверхности 10—12-му классу чис-
тоты.
На рис. 421, в показана схема процесса непрерывно-
го электрополирования проволоки и ленты.
Электрохимическая размерная обработка
Заключается в направленном анодном растворении
металла при высоких плотностях тока. В качестве при-
мера на рис. 421, г приведена схема электрохимическо-
го прошивания отверстия в заготовке 1. Проточный
электролит поступает через трубчатый катод 2, запол-
няет полость 3 под прижимом 4 и откачивается для по-
вторного использования. Высокая плотность тока и
большая скорость потока электролита интенсифицируют
процесс растворения; скорость съема металла достига-
ет 500—200 мкм/мин.
Электрохимическую размерную обработку применя-
ют для высокопрочных, труднообрабатываемых матери-
алов, нежестких тонкостенных изделий, обеспечивая
высокое качество обработанной поверхности.
805
ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Лучевые методы обработки основаны на снятии об-
рабатываемого материала под воздействием лучей,
имеющих чрезвычайно высокую плотность энергии. Уда-
ление материала осуществляется преобразованием лу-
чевой энергии в теплоту непосредственно в зоне реза-
ния. Физический смысл процессов и установки для их
осуществления изложены в разделе V (см. гл. 2).
К лучевым методам обработки относится резание
электронным, ионным, световым и плазменным лу-
чами.
Электроннолучевая обработка выполняется фокуси-
рованным пучком электронов, испаряющих металл.
Отличительными особенностями размерного элект-
роннолучевого резания по сравнению со сваркой элект-
ронным лучом является острая фокусировка луча с
повышенной плотностью энергии и импульсная его по-
дача.
Режимы резания электронным лучом определяются
плотностью тока в луче, величиной ускоряющего напря-
жения, плотностью тока в фокальном пятне на заготов-
ке, скоростью перемещения луча по заготовке, частотой
повторения и длительностью импульса.
За основной параметр, характеризующий электрон-
нолучевую обрабатываемость металлов, можно принять
произведение теплопроводности металла на температу-
ру его плавления, которая определяет размеры участка,
расплавляемого электронным лучом.
Достоинства электроннолучевой обработки: возмож-
ность обработки сверхпрочных материалов, получение
глухих и сквозных отверстий очень малых размеров, из-
готовление прецизионных деталей для электронной про-
мышленности. Этот способ обработки применяют, на-
пример, для сверления отверстий диаметром 5—10 мкм.
Недостаток — сложность и высокая стоимость обору-
дования, ограничение габаритов обрабатываемых де-
талей.
Ионнолучевая обработка основана на использовании
явления катодного распыления, возникающего при тле-
ющем газовом разряде.
Электроны, эмиттируемые катодом, ионизируют мо-
лекулы газа. Ионы ускоряются сильным электрическим
полем и фокусируются в узком конусе, вершина кото-
806
рого совпадает с поверхностью обрабатываемой детали.
Этот способ применяют для прошивки отверстий от
5 мкм и больше в тонком листовом материале, а также
для сверления отверстий в алмазах. Время на ионную
обработку относительно больше, чем при других луче-
вых методах обработки, но энергии затрачивается
меньше.
Светолучевая (лазерная) обработка. Для резания
применяют узкий направленный пучок видимого света
с высокой плотностью тепловой энергии, получаемый в
лазерах — оптических квантовых генераторах. Поэтому
этот способ иногда называют лазерной обработкой.
Обрабатываемость материалов световым лучом оп-
ределяется теплофизическими свойствами материалов
(температурой плавления и кипения, теплоемкостью,
теплопроводностью), а также их отражательной спо-
собностью. Для уменьшения отражения луча от поверх-
ности ее делают матовой.
Этот способ обработки применяется для получения
отверстий малого диаметра, резки материалов высокой
прочности по заданному контуру, прорезки пазов и
щелей шириной в несколько микрометров.
В сравнении с другими лучевыми методами светолу-
чевая обработка обладает высокой производительно-
стью— до 100 мм3/мкм и особенно эффективна при из-
готовлении алмазных фильер, тончайших сеток, сит и
т. и. На специальных станках с программным управле-
нием можно сверлить десятки отверстий в минуту.
Достоинства этого метода в сравнении с электронно-
лучевой: удобство обслуживания, отсутствие вакуумных
систем, большая удельная мощность. Недостаток —
крайне малый КПД (не более 1%) и наличие сложной
системы охлаждения.
Плазменно-лучевая обработка используется чаще
всего для разрезания относительно толстых листов из
алюминиевых сплавов (до 125 мм), нержавеющих ста-
лей (до 100 мм). Скорость резки составляет 15—75м/ч.
Плазменная струя используется при предварительном
черновом точении прочных материалов, в особенности
литых заготовок с труднообрабатываемой коркой зна-
чительной толщины. Плазменная горелка устанавлива-
ется под углом 40—60° к поверхности вращающейся
детали, струя плазмы расплавляет и выдувает расплав-
ленный металл. Если совместить процесс плазменного
807
точения с обычной обработкой резцом можно наряду с
высоким удельным съемом металла получить сравни-
тельно чисто обработанную поверхность.
Глава 12
СТАНКИ С ЧИСЛОВЫМ
ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Автоматизация — одно из основных направлений со-
вершенствования металлообработки — повышения ско-
рости процессов и производительности труда, улучше-
ния качества продукции, снижения брака и т. п.
Сущность автоматизации состоит в использовании тех-
нических средств для оперативного управления работой
металлорежущих станков без участия человека.
В металлорежущих станках давно применяют авто-
матизацию работы отдельных механизмов, например
Включение и выключение подачи, подвод и отвод частей
станка и т. п. Созданы автоматические станки, где авто-
матизированы все рабочие и вспомогательные движе-
ния, все большее распространение получают автомати-
ческие линии для обработки конкретных деталей.
Условием частичной или полной автоматизации яв-
ляется управление станка по заданной программе, ко-
торая содержится в различных механических устройст-
вах—программоносителях. Например, в токарно-револь-
верном автомате модели ТА136 (с. 743) программа
.задается формой, положением кулачков и скоростью
вращения распределительного вала. Программное уп-
равление осуществляется также копировальными и
другими устройствами.
Одной из наиболее прогрессивных является система
числового программного управления.
Программа задается с помощью чисел (координат) <
и записывается условным кодом на перфорированной
карте или ленте, магнитной или киноленте. Такая про-
грамма вводится в считывающее устройство станка и
далее преобразуется в командные импульсы, воздейст-
вующие через управляющие механизмы на исполни-
тельные органы станка, например суппорт токарного
станка, стол фрезерного станка, заставляя их переме-
808
щаться с заданным направлением, величиной и скоро-
стью.
Появление и широкое распространение таких стан-
ков связано прежде всего с необходимостью повышения
производительности труда в мелкосерийном и единич-
ном производстве, когда использование обычных авто-
матических станков нецелесообразно в связи с высокой
трудоемкостью перена-
ладки станка. У станков
с программным управле-
нием программоноситель
не связан с конструкцией
станка и поэтому они
легко и быстро перенала-
живаются.
ДП
Рис. 422. Структура системы програм-
много управления станками с ЧПУ
В условиях массового
и крупносерийного производства использование-таких
станков связано с тем, что специальные станки быстро
морально устаревают, а для проектирования и изготов-
ления новых станков требуется продолжительное время.
При изготовлении деталей сложной формы (лопат-
ки турбин, крылья самолетов и др.) станки с про-
граммным управлением вытесняют копировальные стан-
ки, для которых изготовление копиров при переналадке
является технически сложным.
Опыт, накопленный в СССР и за рубежом, показал,
что один станок с программным управлением заменяет
3—8 обычных станков, сроки подготовки производства
сокращаются в 1,5—2 раза.
В самом общем виде система программного управ-
ления у таких станков составляется из элементов-
блоков, как показана на рис. 422.
Блок для ввода и чтения программы (ВП) состоит
из устройств для перемещения программоносителя, счи-
тывания закодированных управляющих (электрических,
световых, магнитных и др.) сигналов и передачи их в
блок управления.
Устройство для перемещения программоносителя
представляет собой лентопротяжные механизмы для
магнитных, перфорированных и кинолент, или магазин
для перфорированных карт.
Считывающее устройство, как правило, аналогично
устройству, на котором записывается программа.
809
При протягивании намагниченной ленты относи-
тельно считывающей головки силовые магнитные линии
ферромагнитного слоя будут замыкаться через сердеч-
ники магнитной головки и создавать в ее обмотке пере-
менный ток, поступающий в управляющее устройство
станка.
Программы с перфорированных карт и лент, а так-
же с кинолент считываются чаще всего с помощью фо-
тоэлектрических устройств. Луч света от лампы через
отверстие в перфорированной карте (ленте) или через
светлые участки на киноленте попадает на фотосопро-
тивление и возбуждает в нем ток, который направля-
ется в блок управления.
Блок, управления (БУ), или преобразующее устрой-
ство, предназначен для усиления и преобразования сиг-
налов, полученных из блока ввода программы в элект-
рические командные импульсы или потенциалы, кото-
рые передаются в блок управления приводами или ис-
полнительный орган.
Исполнительный орган (ИО) подключает рабочий
орган станка к источнику движения — реализует ко-
мандные импульсы, а также может выполнять другие
функции автоматического управления.
Рабочий орган станка (РО)—управляемый узел
станка: суппорт токарного станка, стол фрезерного
станка и т. п., реализующий командные воздейст-
вия.
В систему программного управления включается
также датчик перемещения (ДП), который фиксирует
фактическое перемещение рабочего органа станка и пе-
редает информации в блок управления по принципу
обратной связи.
Суммирующее или сравнивающее устройство в бло-
ке управления при несогласованности сигналов про-
граммы и датчика перемещений подают сигнал, коррек-
тирующий движение рабочего органа.
Системы числового программного управления по
технологическому назначению или по виду управления
движениями могут быть позиционными, прямоугольны-
ми и функциональными.
Позиционные (координатные) системы позволяют
устанавливать инструмент в отдельных точках на
поверхности заготовки, обеспечивая в соответствии с
заданной программой определенное положение рабочего
810
органа. Эти системы применяют для управления вспо-
могательными и холостыми движениями координатно-
расточных и сверлильных станков, а также установоч-
ных движений любых станков.
Прямоугольные системы применяются для обработ-
ки ступенчатых валиков на токарных станках, прямо-
угольных контуров на фрезерных станках и т. п. Одним
из примеров являются системы с линейным перемеще-
нием инструмента в направлении подачи по прямой с
постоянной или переменной скоростью в строгальных,
токарно-револьверных станках.
Функциональные (непрерывные) системы обеспечи-
вают движение инструмента относительно заготовки по
любой заданной траектории для обработки фасонных по-
верхностей на фрезерных, токарных и других станках.
В открытых системах поток информации имеет толь-
ко одно направление от блока ввода программы к ра-
бочему органу. В замкнутых системах добавляется по-
ток информации по линии обратной связи о фактичес-
ком перемещении инструмента для выработки
корректирующих командных сигналов.
В самонастраивающихся (адаптивных) системах до-
бавляется еще информация о факторах случайного ха-
рактера: изменении свойств обрабатываемого материа-
ла, колебаниях температуры резания и т. п. для коррек-
тирования процесса обработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Технология конструкционных материалов. М., «Машинострое-
ние», 1977. 664 с. с ил. Авт.: А. М. Далъский, И. А. Арутюнова,
Т. М. Барсукова и др.
Подурнев В. И. Резание труднообрабатываемых материалов. М.,
«Высшая школа», 1974. 587 с. с ил.
Технология металлов и других конструкционных материалов. Л.,
«Машиностроение», 1972. 520 с. с ил. Авт.: К. М. Скобников,
Н. А. Глазков, Л. В. Петраш. Справочная книга по отделочным опе-
рациям в машиностроении. Л., «Машиностроение», 1966. 504 с. с ил.
Кувшинский В. В. Чистовая абразивная обработка. Свердловск,
УПИ. 1970. 66 с. с ил.
Бобров В. Ф. Основы теории резания металлов. М., «Машино-
строение», 1975. 344 с. с ил.
Раздел VII
ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Глава 1
ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Производство полимеров с высокими физико-химиче-
скими, механическими и технологическими свойствами
способствует широкому внедрению этих перспективных
материалов во многие отрасли техники, способствует
совершенствованию конструкций, снижению себестои-
мости продукции, повышению производительности
труда.
Бурное развитие производства полимеров определя-
ется неограниченными запасами сырья, легкостью пере-
работки в изделия комплексом ценных свойств.
СТРУКТУРА ВЫСОКОПОЛИМЕРОВ
Пластические массы или просто пластмассы (ПМ) —
это материалы на основе природных или синтетических
высокомолекулярных соединений. Высокомолекулярные
соединения являются смесью полимеров с различным
молекулярным весом, относящихся к одному гомоголо-
гическому ряду.
Химическое строение, молекулярный вес, структура
цепи и взаимное расположение молекул определяют
свойства высокомолекулярных соединений.
Макромолекулы высокомолекулярных соединений
могут иметь линейную, разветвленную или пространст-
венную структуру (рис. 423).
Макромолекулы линейных полимеров представляют
собой цепи, имеющие длину, в сотни и тысячи раз
превышающую размеры поперечного сечения.
При разветвленной структуре полимера макромоле-
кулы имеют боковые ответвления, длина и число кото-
рых могут быть различными.
8(2
Линейные и разветвленные полимеры построены из
отдельных макромолекул, связанных между собой меж-
молекулярными силами, величина которых в значитель-
ной степени определяет технические свойства вещества.
Такие полимеры эластичны, плавятся или размягчаются
при нагреве и при охлаждении снова переходят в твер-
дое состояние. Линейные и разветвленные полимеры
являются основой тер-
мопластичных пластмасс
(термопластов).
Пространственные
(сшитые, сетчатые)
структуры получаются
либо сшивкой отдельных
линейных цепей полиме-
ров, либо в результате
поликонденсации и поли-
меризации. При частом
Рис. 423. Структура полимеров:
а — линейная; б — разветвленная; в —
пространственная
расположении попереч-
ных связей полимер становится полностью неплавким и
нерастворимым. При редких связях возможно некоторое
набухание под воздействием растворителя и незначи-
тельное размягчение при нагреве. Полимеры, способные
образовывать пространственные структуры, являются
основой термореактивных пластмасс (реактопластов).
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ И АМОРФНОЕ СТРОЕНИЕ
ПОЛИМЕРОВ
Каждая молекула полимера является длинной
цепью, состоящей из отдельных звеньев, однотипных по
химическому составу и строению (гомополимер) или
разнотипных (сополимер). В зависимости от степени
упорядочения и плотности взаимного расположения це-
пей и звеньев полимер может находиться в частично
кристаллическом и в полностью аморфном состояниях.
Кристаллические полимеры имеют участки молекул
разрыхленной упаковки, которые составляют его
аморфную фазу.
Кристаллическая фаза оказывает большое влияние
на физико-механические свойства. При переходе поли-
мера из аморфного в кристаллическое состояние повы-
шается прочность на разрыв, твердость, теплостой-
кость. Кристаллическая структура увеличивает межмо-
813
лекулярное взаимодействие, снижая гибкость молекул,
увеличивает температуру перехода в вязко-текучее со-
стояние.
Отношение объема всех кристаллических областей
полимера к общему объему называется степенью кри-
сталличности. Степень кристалличности может быть бо-
лее 90%. Высокую степень кристалличности (60—
80%) имеют фторопласты, полипропилен, полиэтилен
высокой плотности (ВП), поликарбонаты. Поливинил-
хлорид, полиэфиры, полиамиды и полиэтилен низкой
плотности имеют меньшую степень кристалличности..
Аморфная фаза уменьшает жесткость системы, де-
лает ее эластичной. Это используют в некоторых техно-
логических процессах для повышения эластичности из-
делий, проводя «закалку» полимера быстрым охлажде-
нием расплава и, таким образом, искусственно
затрудняют кристаллизацию.
Кристаллизация расплава полимера происходит при
температуре несколько ниже температуры плавления
(Гил). При охлаждении тепловая энергия движения
цепных молекул и их звеньев уменьшается и происхо-
дит закрепление молекул и их звеньев в некотором
упорядоченном положении. При кристаллизации резко
изменяется удельный объем вещества и ряд других
свойств.
Способность полимера к кристаллизации опреде-
ляется его химическим строением, структурой цепи и ее
гибкостью.
Аморфное твердое состояние полимера имеет фикси-
рованное, но разрыхленное расположение макромоле-
кул, несколько большую (по сравнению с кристалличе-
скими полимерами), но ограниченную подвижность
звеньев, которая обусловливает упругие деформации.
Такое состояние полимеров иногда называют стеклооб-
разным, а переход в это состояние — стеклованием.
Температура, при которой вязкость полимера дости-
гает 1013 П, является температурой стеклования. Прак-
тически стеклование протекает постепенно, в интервале
температур. Для большинства полимеров этот интер-
вал составляет 15—25° С. Температура стеклования
определяет морозостойкость и теплостойкость поли-
меров.
Температура стеклования всегда ниже температуры
кристаллизации. При быстром охлаждении кристалли-
814
ТАБЛИЦА 21
ТЕМПЕРАТУРЫ ФАЗОВЫХ И АГРЕГАТНЫХ ПЕРЕХОДОВ
Термопласт Фазовое состояние при ком- натной темпера- туре Средний молеку- лярный вес Температура, °C
стекло- вания плавле- ния текучести
Полиэтилен НП. . , . ск 30000 —70 107 по
Полиэтилен ВП. , . . вк 300 000 —60 125 140
Фторопласт-4 .... вк — —120 327 360
Винипласт (А) .... А 300 000 —70 — 180
Полистирол (А) . . . Полиметил метакр илат А 300000 80 — 150
(органическое стекло СТ-1) А 250000 105 — 180
Полиамид 6 ск 12 000 50 220 225
Примечание. СК — средняя степень кристалличности; ВК — высокая
степень кристалличности; А — аморфное состояние
зующегося в нормальных условиях полимера до тем*
пературы стеклования получают аморфные полимеры.
В табл. 22 приведены температуры фазовых и агре-
гатных переходов для некоторых термопластов
Физические состояния полимеров
Полимеры могут находиться в двух агрегатных со-
стояниях: твердом (кристаллическом или аморфном) и
жидком (вязко-текучем). В парообразное состояние по-
лимеры не переходят, так как давление паров полиме-
ров незначительное и при нагреве выше определенных
температур они разлагаются.
Твердые аморфные полимеры переходят в жидкое
состояние через промежуточное — высокоэластичное со-
стояние. Высокоэластичное состояние наступает при
нагреве выше температур стеклования. Оно характери-
зуется подвижностью участков цепи (звеньев или групп
звеньев) при отсутствии перемещения цепи в целом.
Так как кристаллические полимеры имеют объемы
с аморфной фазой, то и их переход в жидкое состояние
происходит через зону высокоэластичного состояния.
При повышении температуры увеличивающаяся
энергия теплового движения макромолекул превышает
815
силы межмолекулярного взаимодействия и твердый по-
лимер переходит в жидкое (вязко-текучее) состояние.
Так как в вязко-текучем состоянии макромолекулы име-
ют возможность свободно перемещаться при действии
незначительного усилия и без нарушения химических
связей, то это состояние полимеров имеет большое
практическое значение для
Температура
Рис. 424. Термомеханнческая кривая
аморфного полимера:
I — зона стеклообразного состояния;
II — зона высокоэластичного состоя-
ния; III — зона вязко-текучего состоя-
ния
технологических процессов
переработки пластмасс
в изделия.
Технология перера-
ботки пластмасс в изде-
лия учитывает зависи-
мость деформации от тем-
пературы и физическое
состояние полимера. Эти
зависимости носят назва-
ние термомеханических
кривых. На рис. 424 при-
ведена типичная термо-
механическая кривая для
аморфного полимера.
Деформация при тем-
пературах ниже темпера-
туры стеклования (Тс) мала и резко увеличивается при
переходе в высокоэластичное состояние. При температу-
рах выше температуры текучести (Гт) полимер стано-
вится вязко-текучим или пластическим.
Термомеханические кривые для кристаллических по-
лимеров будут отличаться от соответствующих кривых
аморфных полимеров. Так, например, кристаллические
низкомолекулярные полимеры практически не имеют
зоны высокоэластичного состояния и из твердого со-
стояния переходят при нагреве непосредственно в вяз-
ко-текучее.
СТАРЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ
С течением времени (при эксплуатации и хранении)
в высокомолекулярных соединениях (пластмассах) на-
блюдается необратимое изменение их строения и
свойств. Старение является результатом сложных хи-
мических и физических процессов, происходящих под
воздействием тепла, света, влаги, кислорода и других
факторов, вызывающих деструкцию, т, е. разрушение
связей в структуре полимера,
816
Механическая деструкция наступает при концентра-
ции механической энергии на отдельных участках цепи
макромолекул, например при действии ультразвуковых
колебаний, тонком помоле и т. д.
Термическая деструкция зависит от структуры по-
лимера и приводит к его распаду на исходные мономе-
ры. Поэтому такую деструкцию называют деполимери-
зацией. Ее можно использовать для восстановления мо-
номеров из отходов производства.
Химическая деструкция для многих полимеров воз-
никает под влиянием кислорода воздуха и может уско-
ряться под действием света.
В результате старения свойства пластмасс, как пра-
вило, ухудшаются: снижается прочность и эластичность,
повышается жесткость и хрупкость.
Для замедления процесса старения в пластмассы до-
бавляют различные стабилизаторы, которые уменьша-
ют действие того или иного фактора, например амины
предохраняют полимеры от окисления; сажа, поглощая
свет, является светостабилизатором и т. д.
ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Простые пластмассы состоят только из одного по-
лимера и в этом случае понятия «пластмасса» и «поли-
мер» совпадают (например, полиэтилен, фторопласты и
др.). Сложные пластмассы — композиции, в состав ко-
торых входит полимер как связующее вещество, а так-
же наполнители, пластификаторы и другие вещества
(например, стеклотекстолиты, фенопласты и др.).
Наполнители (40—70% по массе) применяют для
улучшения физико-механических свойств пластмасс.
Как правило, наполнители дешевле полимеров, и по-
этому стоимость пластмасс снижается.
Твердые наполнители: 1) порошкообразные — дре-
весная мука, кварцевый порошок и т. п.; 2) волокни-
стые— стекловолокна, асбестовое волокно и т, п.;
3) листовые — бумага, хлопчатобумажные ткани, стек-
лоткани, асботкани и т. д. Для получения пено-.и поро-
пластов применяют газообразные наполнители (азот,
аммиак и др.). . .
Пластификаторы (10—20% по массе), например.ка-
сторовое масло, дибутил фталаты и др., вводят для по-
52—481 „ «17
вышения пластичности и облегчения переработки пласт-
масс в изделия. Пластификаторы также снижают Тс,
Т-г, в некоторых случаях повышают морозостойкость,
снижают водопоглощение пластмасс.
Отвердители (небольшие добавки) применяют для
ускорения отверждения термореактивных полимеров, а
Также для перевода некоторых термопластичных поли-
меров в термореактивное состояние.
Смазывающие вещества — олеиновая или стеарино-
вая кислоты и т. п. Их вводят для уменьшения прили-
паемости пластмасс к поверхности форм при изготов-
лении изделий.
Красители — охру, крон и т. п. используют для соот-
ветствующей окраски пластмасс.
Стабилизаторы — специальные добавки для замед-
ления процессов старения пластмасс были рассмотрены
ранее.
В зависимости от условий отверждения, особенно
поведения при нагреве, полимеры и соответствующие
им пластмассы подразделяют на термореактивные и
термопластичные.
Термореактивные пластмассы (полимеры)—реак-
топласты при отверждении, образуя пространственную
структуру макромолекул, претерпевают необратимые из-
менения и переходят в твердое, неплавкое и нераствори-
мое состояние. Отверждение может происходить при
нагреве до 150—300° С (выше 7Т) в течение определен-
ного времени, под давлением или без давления, при
невысоком нагреве до 60—70° С или без нагрева, в при-
сутствии добавок отвердителей. Некоторые реактопла-
сты выпускают в виде жидких веществ, что удобно для
пропитки тканевых и волокнистых наполнителей. Наи-
более распространенные термореактивные полимеры:
фенолоформальдегидные, эпоксидные, кремнийоргани-
ческие, полиэфирные.
Термопластические пластмассы (полимеры)термо-
пласты, при нагреве переходят в пластичное или вязко-
текучее состояние. Эти пластмассы отверждаются при
охлаждении. При повторном нагреве они снова размяг-
чаются и т. д., допуская возможность многократного
повторного формования изделий.
Важнейшие термопласты: полиэтилен, полистирол,
полиамиды, фторопласты, поливинилхлорид, органичес-
кое стекло.
818
Пластмассы классифицируют и по другим различным
признакам. Часто пластмассы подразделяют по назна-
чению: на конструкционные, электротехнические, хими-
чески стойкие и др. Четко подразделить пластмассы по
этому признаку нельзя. Многие пластмассы обладают
комплексом ценных технических свойств и могут при-
меняться Для изделий различного назначения. Практи-
чески удобной является классификация пластмасс по
виду наполнителя; различают пластмассы слоистые, с
порошкообразным наполнителем, газонаполненные и т.д,
СЛОИСТЫЕ ПЛАСТМАССЫ
Слоистые пластмассы — материалы, армированные
параллельно расположенными слоями листового напол-
нителя: бумаги, ткани и т. п. (табл. 22). Наибольшую
прочность имеют стеклотекстолиты, наиболее высокую
теплостойкость — асботекстолиты. В качестве связующе-
го применяют термореактивные полимеры — фенолофор-
мальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические, по-
лиэфирные и другие смолы. Наиболее распространенны-
ми и дешевыми являются фенолоформальдегидные
смолы. Они имеют хорошую адгезию к большинству
наполнителей, термостойки, но требуют сравнительно
высоких давлений при формировании изделий. Кремний-
органические смолы имеют хорошую водостойкость,
термостойкость, обеспечивают повышенные диэлектриче-
ские свойства; их высокий коэффициент линейного рас-
ширения снижает механические свойства материала.
Слоистые пластмассы применяют как конструкцион-
ные, электротехнические и поделочные материалы. Ме-
ханические свойства определяются в основном, видом и
количеством наполнителя. Конструкционные пластмас-
сы содержат меньше полимерного связующего, так как
с увеличением его содержания механические свойства
материалов снижаются.
Наиболее распространенными слоистыми пластмас-
сами являются гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, ас-
ботекстолит, древеснослоистые пластики (ДСП).
Гетинакс. В этой пластмассе наполнитель — парал-
лельно уложенные слои бумаги, связующее — феноло-
формальдегидные или другие смолы (полимеры).
Гетинакс имеет хорошие электроизоляционные свой-
ства и довольно высокую механическую прочность. На-
52* 819
ТАБЛИЦА 22
О ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ ПЛАСТМАСС КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Материал Состав Плот- Предел прочности, кгс/мм2 гая я вяз* /см2 'О к 8° го S - F. к о. ₽ й> • -4*0 О кеч Чр. о ь- к «ю Удельное объемное со- противление, Омсм к о
наполнитель смола, % ность, г/см2 при рас- тяжении при изгибе при сжатии д5 .S Г S “° ° S ГО О О с и Д опуса рабоча перату] Водопо щеиие 20° С а % (не Пробна напряж кВ/мм
Гетинакс Бумага 40—60 1,3— 1,40 8—10 8—14 — 10—20 120—140 0,5—4.0 ЮЮ—ЮМ 25—30
Текстолит Ткань хлоп- чатобумаж- ная н дру- гая 45—60 1,3— 1,45 5—12 10—15 15—25 20—40 80—130 0,8—1,6 108—Ю1» 2,0—' 6,5
Древесносло- истый пла- стик (ДСП) Древесный шпон 20—25 1,30— 1,35 15—30 10—25 10—15 20—80 120—150 0,5—5,0 ЮН—101® 20—35
Стекло- текстолит Стеклянная ткань 30—45 1,60— 1,85 20—45 12—50 25—40 60— 300 150—250* 0,8—2,5 Ю®—1014 20—30
СВАМ 10:1 Стеклошпон 20—30 1,9— 2,0 85—90 >70 >40 400—500 150—250 — 101» 35
Асботексто- лит Асбестовая ткань 25—35 1,3— 1,5 5—8 7—15 20—35 20—35 250—350* 0,3—0,5 108—101° 0,5— 5,0
Примечание. Значения предела прочности прн растяжении указаны по основе, при сжатии — перпендикулярно слоям на-
полнителя.
• При кратковременном воздействии выдерживают температуру более 3000“ С.
иболее широко его применяют в электро- и радиотехни-
ке для изготовления панелей, щитков, печатных схем
и т. п. При использовании высокопрочной бумаги гети-
накс можно использовать как поделочный (конструк-
ционный) материал для корпусов приборов и других
малонагруженных изделий. Декоративный гетинакс в
виде листов, лицевая поверхность которых облицована
декоративной бумагой и пропитана бесцветными лака-
ми, устойчив к действию воды, многих пищевых и хими-
ческих продуктов. Его применяют для внутренней обли-
цовки вагонов, кабин самолетов, кают судов, стен, две-
рей и т. п.
Текстолит — слоистый пластик, в котором в качестве
наполнителя использованы бязь, миткаль и другие тка-
ни, а в качестве связующего — фенолоформальдегидная
или другие термореактивные смолы. По назначению тек-
столиты подразделяют на конструкционные (поделоч-
ные), электротехнические и специальные.
Текстолит конструкционного назначения, например
марки ПТК (плиточный текстолит конструкционный),
имеет предел прочности при растяжении не ниже
10 кгс/мм2. Текстолит имеет в паре со сталью низкий
коэффициент трения и высокую износоустойчивость. Его
широко применяют для бесшумных зубчатых и червяч-
ных колес, подшипников скольжения и т. п. Особо высо-
кие антифрикционные свойства имеет специальный гра-
фитизированный текстолит (вкладыши подшипников
прокатных станов, центробежных насосов и т. д.).
Электротехнический текстолит имеет пониженную
прочность (ов=44-6 кгс/мм2), но хорошие диэлектриче-
ские свойства. Из него делают панели, приборные щит-
ки и другие электротехнические изделия.
Древеснослоистые (ДСП) получают в виде листов и
плит горячим прессованием тонких листов древесного
шпона, пропитанных феноло- или крезольноформальде-
гидными смолами. В зависимости от направления воло-
кон древесины в листах прессуемого пакета можно
получать анизотропные материалы, свойства которых не-
одинаковы в различных направлениях. Древеснослои-
стые пластики имеют высокую механическую прочность,
их широко применяют как конструкционные материалы
для изготовления частей автомобилей, вагонов, лодок,
деталей машин, шкивов. ДСП применяют также в каче-
стве электроизоляционного материала для различных
821
панелей электротехнических приборов. Благодаря хоро-
шим антифрикционным свойствам из ДСП изготавлива-
ют зубчатые колеса, вкладыши подшипников.
Недостаток древеснослоистых пластиков — чувстви-
тельность к воздействию влаги; они гигроскопичны, раз-
бухают и механические свойства значительно понижа-
ются.
Асботекстолит является слоистым пластиком, состо-
ящим из асбестовой ткани и различных термореактив-
ных смол. Асботекстолит, особенно на кремнийоргани-
ческом связующем, имеет высокую термостойкость и его
применяют в качестве теплозащитного и теплоизоляци-
онного материала. Он выдерживает температуру 250—
350° С длительно и более 3000°С кратковременно.
Асботекстолит обладает хорошими фрикционными
свойствами и его широко используют для изготовления
тормозных колодок, фрикционных дисков и т. п. В асбо-
гетинаксе. в качестве наполнителя применяют листовой
асбест; его свойства аналогичны свойствам асботексто-
лита.
Асбопластики используют также в качестве электро-
изоляционного материала для клиньев роторов турбоге-
нераторов и других деталей, которые должны иметь
высокую теплостойкость при сравнительно невысоких
электроизоляционных свойствах.
Стеклотекстолиты. В этих пластмассах в качестве на-
полнителя используют стеклоткань, в качестве связую-
щих — термореактивные фенолоформальдегидные, крем-
нийорганические и другие смолы. Для изготовления
элементарного стекловолокна, обычно диаметром 5—20
мкм, широко используют бесщелочное алюмоборосили-
катное стекло, содержащее минимальное количество
влагорастворимых окислов щелочных металлов (NagO,
К2О). Волокна покрывают замасливателем, придающим
им гибкость и играющим роль технологического смазы-
вающего вещества при последующем скручивании нитей
из волокон и прядении тканей из нитей. Отношение
прочности — волокно : нить : ткань составляет 1 :0,7:
: 0,6, т. е. наименьшая прочность волокон в тканях, где
они находятся в изогнутом состоянии и нагружены не-
равномерно. При различных способах ткацкого пряде-
ния изгиб волокон неодинаков и прочность стеклотканей
различна (наибольшая при сатиновом, наименьшая —
при полотняном переплетении). Стеклотекстолиты —
822
анизотропные материалы. Прочность вдоль основы
(продольные нити) больше, чем по утку (поперечные
нити). Например, в широко применяемом стеклотексто-
лите КАСТ предел прочности при растяжении по основе
около 32 кгс/мм2, по утку около 20 кгс/мм2.
Стеклотекстолиты имеют высокую прочность, хоро-
шую химическую стойкость, обладают негорючестью и
незагниваемостью. Наиболее высокие механические
свойства имеют стеклотекстолиты на эпоксидных связу-
ющих, наиболее высокую теплостойкость и морозостой-
кость— на фенолоформальдегидном связующем.
Стеклотекстолит конструкционного назначения ис-
пользуют для высокопрочных изделий (трубы, емкости,
кабины автомобилей и т. п.). Все стеклотекстолиты име-
ют хорошие электроизолирующие свойства и их приме-
няют для электро-, радиотехнических изделий: панелей,
щитков, корпусов приборов.
Стекловолокнистые материалы отличаются от стек-
лотекстолитов тем, что в качестве наполнителя исполь-
зуют стеклянные волокна.
Стекловолокнит марки АГ-4В получают горячим
прессованием из спутанного волокна, марки АГ-4С
(С — соломка)—из склеенных в пряди однонаправлен-
ных стеклянных нитей. Связующим служит фенолофор-
мальдегидная смола. Эти материалы имеют высокие
механические и технологические свойства, сравнительно
мало анизотропны и находят применение для сильно
нагруженных изделий.
Стекловолокнистый анизотропный материал — СВАМ
имеет наполнитель в виде стеклошпона — листов из од-
нонаправленных стеклянных волокон, склеенных смолой
(изготавливают намоткой на оправку). Листы стекло-
шпона собирают в пакет и подвергают горячему прессо-
ванию. Механические свойства СВАМ зависят от соот-
ношения между продольными и поперечными слоями.
При соотношении 1 :1 продольная прочность ов=
==50 кгс/мм2; при 10 :1 ор=90-4-95 кгс/мм2. По сравнению
с другими пластмассами и всеми конструкционными
металлическими материалами СВАМ имеет наиболее
высокую удельную прочность.
ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ — ПРЕССПОРОШКИ
И ПРЕССМАТЕРИАЛЫ
Пресспорошками называют композиционные пласт-
массы с порошкообразными органическими или мине-
ральными наполнителями (древесная мука, порошок
кварца и т. д.). Прессматериалы — пластмассы с волок-
нистыми наполнителями (хлопковые очесы, асбестовые
волокна и т. д.). Минеральные наполнители придают
пластмассам химическую стойкость, водостойкость, по-
вышенные электроизолирующие свойства. В качестве
связующих применяют полимеры на основе фенолоаль-
дегидных, фенолоформальдегидных, карбамидных, крем-
нийорганических, эпоксидных и других смол с различ-
ными наполнителями.
Эту большую группу материалов можно подразделить
в зависимости от области применения на материалы:
общетехнического назначения, электроизоляционные,
электроустановочные (жаростойкие), влагохимстойкие,
специального назначения (фрикционные, антифрикцион-
ные, рентгеностойкие и т. д.).
Полуфабрикаты термореактивных пластмасс выпу-
скают в виде твердосыпучих прессматериалов (пресспо-
рошков, волокнистых и крошкообразных материалов,
гранулированных смесей). При изготовлении деталей
методом литья применяют полуфабрикаты в виде раз-
личных вязко-текучих композиций, заливочных и формо-
вочных масс.
Из композиционных термореактивных пластмасс из-
готавливают корпуса приборов, панели, рукоятки, дета-
ли зажигания автотракторного электрооборудования,
платы печатных схем, электроизоляционные детали, резь-
бовые соединения, технические детали с повышенными
водостойкостью и химической стойкостью, подшипники
скольжения, тормозные колодки и диски, аппаратуру
теплообменников, детали насосов, краны, трубы, зубча-
тые колеса, изделия бытового назначения и т. д.
Физико-механические свойства типичных композици-
онных термореактивных пластмасс приведены в табл. 23,
824
ТАБЛИЦА 23
СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПЛАСТМАСС — ПРЕССПОРОШКОВ
Марка материала Наполнитель Плотность, г/см3 Ов, кгс/мм* Твердость, НВ Теплостой- кость по Мартенсу, СС Удельное объемное сопротивле- ние, Ом’СМ. Пробивное напряже- ние, кВ/мм
при растя- жении при сжатии
Фенопласты
Общетехнического назначения
К-17-2, К-119-2 И др. Древесная мука .3 | 3—6 15—16 20—40 125 1 101® 10—11
Электроизоляционные, влагохимостойкие
ФКП-1; ФКП-2 Древесная мука, минераль- ные порошки и их смеси 1.3—1,4 3—5 15—20 20—35 125 5-10х2 10—12
К-21-22 Древесная мука 1,3—1,4 3—5 16—20 30—35 120 5-Ю12 13—15
К-214-52 Минеральный порошок 1,8 5 16 30—32 120 5-Ю13—10х4 12—20
Электроустановочные жаростойкие
К-18-56, К-18-22 Мнкроасбест и другие 1,75 3 10 30—50 145 1011 10—11
С высокими фрнкцнонн ими свойствами
ФК-24А Минеральный • порошок 2,4 2,3 10 30 — 1 —
Аминопласты
Аминопласты А, Б Целлюлоза ’ " i ;; 1,4—1,5 4—5 12—19 30—40 100—120 1011 12—13
Прессматериал Органические и мине- 1,6—1,8 — 15 — >150 - 101° 12
К-76-562 ральные порошки
На кремнийорганической смоле, жаростойкие до 250— 350° С
КМК-9 Кварцевая мука 1,8—2,1 — 7—9 21—28 >200 10м 15—25
g КПЖ-9 сл Асбест 1,8—2,0 1,5 1—2 25 >300 10*1 2—3
ТЕРМОПЛАСТЫ ЛИТЬЕВЫЕ, ПЛЕНОЧНЫЕ
И ЛИСТОВЫЕ
К ним относятся полиэтилен, поливинилхлорид, фто-
ропласты, полистирол, полиметакрилаты и т. д. (табл. 24).
Полиэтилен является полимером аморфнокристалли-
ческого строения. Молекулярная масса полиэтилена ко-
леблется в различных пределах в зависимости от техно-
логии получения. Различают полиэтилен высокого давле-
ния (ПВД) и низкого давления (ПНД).
ПНД отличается от ПВД несколько большей плотно-
стью и прочностью. Полиэтилен химически стоек к
щелочам, многим кислотам, маслам, бензину. Он имеет
отличные диэлектрические свойства и широко применя-
ется как высокочастотный диэлектрик. Из полиэтилена
изготавливают катушки и другие электро- и радиотехни-
ческие детали, изоляцию кабелей, химически стойкие
емкости, трубы в химической промышленности, защитные
от коррозии пленки и покрытия. Полиэтилен имеет невы-
сокую прочность, его морозостойкость до —60° С.
Поливинилхлорид относится к группе аморфных по-
лимеров. Пластифицированный поливинилхлорид назы-
вают пластикатом, непластифицированный, твердый лис-
товой материал — винипластом.
Поливинилхлорид является хорошим низкочастотным
диэлектриком. Он стоек к щелочам, кислотам, смазкам
и бензину. Диапазон рабочих температур составляет от
—40 до +60° С.
Во все композиции на основе поливинилхлорида вво-
дят стабилизирующие вещества для защиты от действия
тепла и света в процессе переработки, а также при
эксплуатации. Винипласт применяют для изготовления
труб, деталей химического оборудования, фланцев, муфт,
деталей насосов, вентиляторов, а также используют как
электроизолирующий материал. Пластикаты применяют
для изоляции и оболочек проводов и кабелей, для про-
изводства медицинских изделий, в строительной промыш-
ленности. Пасты из поливинилхлорида с пластификато-
ром используют для защиты металлов от коррозии.
Фторопласты — это фторсодержащие полимеры ви-
иильного типа. Наиболее распространенными материала-
ми из этой группы являются фторопласт-3 и фторопласт-4.
Фторопласты имеют высокую степень кристалличности
(93—97%). Фторопласт-3 при нагреве выше 210° С пере-
826
ТАБЛИЦА 24
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И СВОЙСТВА ТЕРМОПЛАСТОВ
Материал Плотность, г/см3 Ов при растяже- нии, кгс/мм2 Относи- тельное удлинение при раз- рыве, % Рабочая температура, °C Удельное электриче- ское сопротивление Диэлек- трическая проницае- мость при 106, Гц Пробивное напряже- ние, кВ/мм
поверхно- стное, Ом объемное, Ом-см
Полиэтилев ПНД . . . 0,9—0,95 2—4 200—900 —60-S-+100 14014 1-Ю1? 2,3—2,4 45—60
Фторопласт-4 .... 2,15—2,35 2—3 250—300 —2694-4-250 Ы01’ ю18 1,9—2,2 35—40
Полистирол эмульсион- ный 1,05—1,1 34 2—5 —40-4-4-60 — 1015—ю1? 2,3—2,7 18—20
Полиамиды (капрон, нейлон) 1,1—1,3 5—7 100—150 —45-4-4-150 — 1011—1012 3,8—4,2* 15—20
Поливинилхлорид (вини- пласт) 1,4 4—5 10—30 —40-:-4-60 — 2-1014 3—4* 15—20
Полиметилметакрилат (органическое стекло) . 1,2 5—7 2—4 —180 4-4-80 — 1013 3* 13—15
св • При 50 Гс
к>
ходит в вязко-текучее состояние, а при 310—315° С раз*
латается. Фторопласт-4 при нагреве выше 327° С перехо-
дит в аморфное состояние. При быстром охлаждении в
этих материалах понижается степень кристалличности,
т. е. происходит «закалка».
Фторопласт-4 имеет уникальное сочетание свойств.
Он исключительно устойчив почти во всех агрессивных
средах, является одним из наиболее качественных высо-
кочастотных диэлектриков, может применяться в диапа-
зоне температур от —269 до +250° С, имеет хорошие ан-
тифрикционные свойства. Недостатки фторопласта-4:
склонность к хладнотекучести (при напряжениях 0,3—
0,5 кгс/мм2), технологические затруднения при перера-
ботке, высокая стоимость. Фторопласт-3 уступает по
свойствам фторопласту-4, но более технологичен.
Изделия из фторопластов широко применяют в авиа-
строении, электротехнической промышленности, в радио-
технике, химической промышленности.
Полистирол и сополимеры стирола получили широкое
распространение в промышленности благодаря высоким
диэлектрическим свойствам, отсутствию хладотекучести,
высокому коэффициенту лучепреломления, хорошим
технологическим свойствам.
Полистирол водостоек и химически стоек в растворах
многих щёлочей и кислот, но набухает в смазках и топли-
ве. Его можно применять при температурах от —40 до
,4-60° С.
В зависимости от метода изготовления полистиролы
подразделяют на блочный, эмульсионный и суспензион-
ный. Сополимеры стирола менее склонны к растрескива-
нию и более прочны. Полистирол используют для изго-
товления деталей в электро- и радиотехнической про-
мышленности, различных сосудов, аккумуляторных
баков, щелевых фильтров в авто- и самолетостроении.
Полиамиды нейлон, капрон и др. являются продуктом
поликонденсации аминокислот или диаминов с дикарбо-
новыми кислотами, а также полимеризации лактамов.
Практическое применение получили только полиамиды
с молекулярной массой выше 20000.
Эти пластмассы имеют сравнительно высокую проч-
ность, низкий коэффициент трения, хорошо сопротивля-
ются абразивному износу. Их применяют для изготовле-
ния подшипников, зубчатых колес, кулачков и т. п.
Капрон и нейлон стойки в воде, смазках, топливе, щело-
628
чах, разбавленных кислотах. Из этих пластмасс делают
иегниющие сети, парашютную ткань, канаты и т. д.
Органическое стекло — термопласт на основе слож-
ных эфиров акриловой и метакриловой кислот; наиболее
широко применяют полиметилметакрилат. Органическое
стекло оптически прозрачно, пропускает до 75% ультра-
фиолетовых лучей1, является атмосферостойким. Недо-
статком его является невысокая твердость. При нагреве
до 80° С органическое стекло начинает размягчаться,
Его широко применяют для остекления самолетов, зда-
ний, в светотехнических устройствах, предохранитель-
ных щитках приборов и машин,
ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ
Это — легкие материалы, имеющие пористую струк-
туру, напоминающую застывшую пену. Различают пено-
пласты с замкнутыми или изолированными ячейками
(порами) и поропласты с открыто-пористой структурой,
когда ячейки сообщаются между собой и с окружающей
средой. Широкое применение получили пенопласты на
основе полистирола, поливинилхлорида, полиуретана,
фенольных смол.
Основные свойства пенопластов; очень небольшая
плотность от 0,025 до 0,5 г/см3 (иногда до 0,6—0,7 г/см3);
высокие звукопоглощающие и теплоизолирующие свойст-
ва. Например, для пенополивинилхлорида с у=0,05-~
4-0,1 г/см3 коэффициент теплопроводности Л=
=0,03 ккал/(м-ч-°С), т. е. примерно в три-пять раз
меньше, чем у стеклотекстолитов, в 3000 раз меньше,
чем у железа.
Некоторые пенопласты обладают высокими демпфи-
рующими и амортизационными свойствами.
Пенопласты используют как тепло- и звукоизоляцион-
ные материалы, для амортизационных прокладок, изго-
товления плавучих и труднозатопляемых средств, пред-
метов обихода. Заполнение пенопластами полых деталей
и конструкций увеличивает их устойчивость и жесткость,
повышает вибрационную и усталостную прочность.
Высокой удельной прочностью и жесткостью облада-
ют армированные пенопласты — конструкционные мате-
1 Обычное оконное стекло около 3%.
829
риалы, состоящие из чередующихся слоев пенопласта и
листовой металлической, стеклопластиковой или другой
армировки.
Глава 2
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ПЛАСТМАСС
Технология изготовления деталей из пластмасс имеет
ряд специфических особенностей, связанных с природой
материала. В ряде случаев в технологическом процессе
получения изделий одновременно проходят процессы
формообразования и процессы получения пластмассы
как конструкционного материала.
В настоящее время в промышленности применяют
большое количество методов изготовления деталей из
пластмасс. Выбор метода переработки зависит от при-
роды материала, от желаемых показателей физико-меха-
нических, диэлектрических, оптических и других свойств
изделия. Пластмассы могут находиться в вязко-текучем,
высокоэластичном и в твердом состояниях, поэтому целе-
сообразно рассмотреть методы переработки пластмасс в
изделия, классифицируя их по физическому состоянию
материала на стадии формообразования изделия и физи-
ческой характеристики процесса.
ПЕРЕРАБОТКА ПЛАСТМАСС
В ВЯЗКО-ТЕКУЧЕМ СОСТОЯНИИ
Методы переработки пластмасс в вязко-текучем со-
стоянии требуют, как правило, при формообразовании
изделий одновременного действия тепла и давления.
К этим методам относятся прессование, литье под дав-
лением, экструзия, каландрирование и т. д.
Прямое (компрессионное) горячее прессование. Такое
прессование заключается в непосредственном приложе-
нии внешнего давления к прессматериалу, находящемуся
в нагретой замкнутой прессформе (рис. 425). Прессмате-
риал под влиянием температуры и давления переходит в
вязко-текучее состояние и заполняет полость прессфор-
мы. После отверждения и снятия давления готовое изде-
лие извлекают из прессформы.
Для получения деталей из термореактивных пласт-
масс необходимо определенное давление при одновре-
830
менном нагреве прессматериала до вязко-текучего
состояния. Отверждение является результатом реакции
полимеризации. Для изготовления деталей из термопла-
стичных пластмасс требуются не только давление и пред-
варительный нагрев, но и последующее охлаждение
в прессформе до отверждения. Обычно прямое прессова-
ние применяют для изготовления деталей простой кон-
фигурации из термореак-
тивных пластмасс. Г 7
Прессматериал приме-
няют в виде порошка, гра-
нул или таблеток. Дозиров-
ку проводят по массе, объе-
му или поштучно. При-
менение предварительно
отформованных холодным
прессованием таблеток
упрощает и ускоряет дози-
ровку, позволяет проводить
предварительный подогрев,
ускоряет удаление летучих
веществ. Предварительный
подогрев осуществляют то-
ками высокой частоты. При
этом за счет уменьшения
Рис. • 425. Прессформа для ком*
прессионного прессования
времени окончательного на-
грева в прессформе съем деталей с каждого пресса уве-
личивается на 20—90%.
Инструментом при компрессионном прессовании яв-
ляется прессформа (см. рис. 425), состоящая из матри-
цы 1, заключенной в обойму 6 пуансона 7, нагреватель-
ного элемента 5 с изоляцией 4. Прессформы могут быть
одногнездовыми (для изготовления одной детали) или
многогнездовыми, если позволяют усилие пресса и раз-
меры деталей.
Перед загрузкой прессматериала прессформы тща-
тельно очищают, смазывают и, если необходимо, устанав-
ливают металлическую арматуру. Давление увеличивают
постепенно, доводя до требуемой величины в зависимости
от марки прессматериала. В процессе прессования необ-
ходимо поддерживать максимальную равномерную темпе-
ратуру. Это достигается автоматическими терморегуля-
торами с точностью регулирования ±5° С, Прессматери-
331
ал из вязко-текучего состояния, удобного для прессова-
ния, постепенно переходит в твердое.
При нагреве и сжатии из прессматериала выделяются
летучие вещества и влага, которые могут образовывать
в изделии вздутия, трещины и газовые пузыри. Поэтому
сразу же после смыкания прессформы проводят подпрес-
совку: поднимают пуансон на 2—4 с, давая выход лету-
чим веществам и влаге. Эту операцию повторяют два-три
раза.
Для прохождения полимеризации, предупреждения
появления рыхлостей и придания необходимых физико-
механических свойств прессматериал выдерживают опре-
деленное время под давлением в прессформе. Выдержка
является наиболее продолжительной операцией во всем
технологическом цикле. Применение выносных пресс-
форм с замком, разработанных под руководством проф.
А. И. Зимина, в несколько раз увеличивает интенсивность
работы прессов, сокращая простой машины во время
выдержки, повышает производительность труда.
После выдержки давление снимают и готовую деталь
3 с помощью выталкивателя 2 извлекают из прессформы.
При необходимости проводят отделочные операции: за-
чистку, снятие местных заусенцев и т. д.
Прямое прессование используют и для некоторых
видов термопластичных пластмасс.
Приведенная схема прессформы с электрическим по-
догревом не может быть применена для изготовления
деталей из термопластичных пластмасс, так как невоз-
можно осуществить охлаждение необходимое для отвер-
ждения. Поэтому в случае изготовления деталей из тер-
мопластичных пластмасс в качестве теплоносителя при-
меняют пар, а в момент охлаждения по трубам
направляется вода.
Технологические параметры прессования (давление,
температура нагрева материала, продолжительность вы-
держки) зависят от марки перерабатываемого ма-
териала.
Для прямого прессования применяют специализиро-
ванные гидравлические прессы.
Литьевое прессование. При. литьевом прессовании
перевод прессматериала в вязко-текучее состояние осу-
ществляется в отдельной камере, вне формующей поло-
сти матрицы (рис. 426). При этом пуансон 1 применяют
не для формования детали, а для выдавливания пресс-
832
материала из загрузочной камеры 2 прессформы 3 в ра-
бочую полость 5 через литник 4. При литьевом прессова-
нии давление в рабочей полости значительно выше, чем
при прямом, и составляет 1500—2000 кгс/см2.
Литьевое прессование имеет ряд преимуществ перед
прямым прессованием: не происходит смещения и дефор-
мации металлической
арматуры; равномерно
прогретый прессматери-
ал, обладающий хорошей
текучестью, позволяет по-
лучать детали с глубоки-
ми отверстиями и различ-
ной толщиной стенок;
уменьшаются напря-
жения и деформации;
Рис. 427. Этажный пресс для пласт-
масс:
1 — верхняя неподвижная плита;
2 — рабочие плиты; 3 колонны;
4 — нижняя плита; 5 — подвижный
стол; 6 — рабочий плунжер; 7 —
вспомогательные плунжеры; 8 — ци-
линдры вспомогательных плунже-
ров; 9 — рабочий цилиндр
Рис. 426. Схема литьевого прес-
сования
сокращается цикл изготовления деталей.
Но при литьевом прессовании увеличивается расход
материала.
Литьевое прессование применяют для изготовления
деталей сложной конфигурации с глубокими отверстиями
и полостями из высокопластичных термореактивных
пластмасс.
Для литьевого прессования применяют специальные
гидравлические прессы с двумя рабочими плунжерами.
53—481
833
удаление детали осуществляется после разъема пресс-
формы с помощью выталкивателя 6.
Прессование листов и плит из слоистых пластмасс.
(гетинакса, текстолита, стекловолокнита и т. д.)
Листы бумаги или слои ткани, пропитанные смолами
и высушенные, укладывают на металлические пластины
в виде пакета. Несколько пакетов, изолированных друг
Рис. 428. Схемы литья под давлением на машинах без предварительной пла-
стификации (а) и с предварительной пластификацией (б)
от друга металлическими полированными листами со спе-
циальной смазкой, устанавливают на плиты этажного
пресса (рис. 427).
Для подогрева прессуемого материала пар подают в
паровые рубашки рабочих плит пресса. После поджатия
пакетов вспомогательными плунжерами пресса посте-
пенно повышают давление до необходимой величины.
Смола под действием температуры и давления плавит-
ся и склеивает в сплошной лист или плиту отдельные
слои ткани. Одновременно в результате химических ре-
акций происходит отверждение смолы.
После выдержки под давлением пакеты охлаждаются
водой до 30—40° С, поступающей по трубам к рабочим
плитам пресса. Пресс разгружают, пакеты отделяют от
прокладочных пластин. Обрезку кромок осуществляют
на дисковых пилах или ножницах.
Технологический режим прессования (температура
нагрева, давления, продолжительность выдержки и т. д.)
зависит от применяемых связующих материалов и напол-
нителей, от толщины прессуемых листов.
Литье под давлением. Применяют для получения из-
делий из термопластичных пластмасс на специальных
литьевых машинах — термопластоавтоматах.
На рис. 428 приведены принципиальные схемы литья
под давлением. Гранулированное сырье из бункера 7 по-
834
дается плунжером 6 в цилиндр 5, где происходит пласти-
фикация материала с помощью электронагревателя 4.
Прессующий поршень 8 подает порцию сырья в зону на-
грева и порцию пластифицированного материала через
сопло 3 и литниковые каналы в рабочую полость пресс-
формы 1 для формирования детали 2.
Предварительная пластификация материала в отдель-
ном нагревательном цилиндре и его перемешивание с
помощью шнека 9 повышают однородность материала,
заливаемого в прессформу, и улучшают качество изделий.
Конечное давление на пластифицированную массу
материала зависит от вязкости массы и составляет 500—
2500 кгс/см2.
Методом литья под давлением можно получать изде-
лия сложной формы, с разной толщиной стенок, с ребра-
ми жесткости, с резьбами и т. д.
Литье под давлением является высокопроизводитель-
• ным технологическим процессом, позволяющим при-
менять комплексную механизацию и автоматиза-
цию.
Литьевой способ (свободное литье). Это способ, при
котором заполнение формы и отверждение происходят
без давления, его можно применять для полимеров, обла-
дающих высокой жидкотекучестью, например органичес-
кого стекла и др.
Свободное литье термопластов похоже на обычное
литье металлов. При этом способе из-за отсутствия дав-
ления могут образовываться раковины, пустоты, пузыри.
Центробежное литье. Применяют для получения из
термопластичных материалов крупногабаритных отли-
вок, имеющих форму тел вращения (трубы, втулки, зуб-
чатые колеса, шкивы и т. д.). В основном центробежным
литьем перерабатывают полиамидные смолы.
Исходный материал плавят в плавителе — дозаторе,
установленном на специальной машине для центробеж-
ного литья. Расплавленную массу определенными пор-
циями подают в металлическую форму, закрепленную в
патроне или'на планшайбе машины. Форма получает
вращение и расплавленная масса под действием центро-
бежных сил прижимается к внутренней поверхности фор-
мы и затвердевает. Центробежные силы не только фор-
муют деталь, но и уплотняют ее, перемещают высокомо-
лекулярные фр акции полимера к внутренней поверхности,
что приводит к улучшению механических свойств,
53*
835
На физико-механические свойства полиамидов в
расплавленном состоянии оказывает отрицательное влия-
ние кислород воздуха. Для устранения этого применяют
вакуумное центробежное литье.
Некоторые полимеры (на основе эпоксидных смол)
при центробежном литье формуют на опорной жидкости.
Во вращающуюся форму заливают опорную жидкость
с высокой плотностью (растворы азотнокислого аммония
или легкоплавкие металлические сплавы и ртуть).
Полимерный материал, имеющий меньшую плотность, не
может соприкасаться с внутренней поверхностью формы
и «плавает» на поверхности опорной жидкости. Этим
способом можно получать весьма тонкие оболочки.
Центробежное литье дает возможность получать
изделия различных габаритов. Технологическая оснастка
проста и имеет незначительные эксплуатационные рас-
ходы.
Экструзию, или непрерывное выдавливание, применя-
ют для получения труб, лент, различных профилей из
термопластичных и термореактивных пластмасс, для
нанесения защитных оболочек на провода и т. д.
Экструзионное формование проводят на специальных
машинах — экструдерах (червячных прессах). Пресспо-
рошок, поступающий из бункера в рабочий цилиндр,
продвигается шнеком через несколько зон обогрева и его
доводят до пластифицированного состояния, а затем
выдавливают через отверстие в мундштуке и охлаждают
в специальных устройствах.
Тонкие пленки из полиэтилена, полипропилена и дру-
гих материалов изготавливают раздувом трубной заго-
товки, полученной с экструдера со специальной экстру-'
знойной головкой. Заготовку пленки диаметром 100—900
мм и толщиной 0,2—0,5 мм раздувают воздухом, пода-
ваемым под давлением через экструзионную головку ди-
аметром до 0,2—2 м. Затем после охлаждения разрезают
и сматывают в рулон. Этим методом можно получать
пленки с толщиной 40—200 мкм.
Пленки можно получать также методом каландрова-
ния. Размягченный термопластичный материал пропу-
скают между валками, в результате чего образуется бес-
конечная лента. Для получения тонких пленок с точными
размерами по толщине применяют многовалковые калан-
дры. Каландрованием изготавливают пленки толщиной
0,05—1,0 мм со скоростью до 180 м/мин.
836
Целлулоидную кино- и фотопленку, целлофан, полиа-
мидные пленки и др. изготавливают способом полива.
На движущуюся ленту конвейера через щелевидную
фильеру подают полимер, растворенный в органичес-
ком растворителе. В специальной камере растворитель
испаряется, а остающаяся полимерная пленка сматыва-
ется в рулоны.
ПЕРЕРАБОТКА ПЛАСТМАСС
В ВЫСОКОЭЛАСТИЧНОМ СОСТОЯНИИ
Методы получения изделий из пластмасс в высоко-
эластичном состоянии применяют в основном для формо-
изменения листовой или трубной заготовки. Для
перехода листового материала в высокоэластичное со-
стояние применяют ’ предварительный нагрев, а для
формообразования изделия — давление, зависящее от
природы и толщины материала. К этим методам относят
пневматическую формовку (формовку сжатым воздухом
и вакуумирование), формоизменяющую штамповку и
комбинированные методы.
Технологические процессы пневматической формовки
широко применяют для изготовления крупногабаритных
изделий.
Пневматическая формовка через протяжное кольцо.
Такую формовку осуществляют деформированием заго-
товки сжатым воздухом или инертным газом.
Заготовку, нагретую в термостате до требуемой тем-
пературы, укладывают на подогретое опорное кольцо и
зажимают. В камере создают избыточное давление подо-
гретым сжатым воздухом. После формования готовую
деталь выдерживают под давлением до отверждения.
Глубину формовки контролируют автоматически.
Пневматическую формовку проводят на простой тех-
нологической оснастке и ее можно использовать для из-
готовления разнообразных, но простых по форме деталей.
Вакуумная формовка в жесткие формы. Применяют
при изготовлении деталей сложной пространственной
формы, которые не могут быть получены свободной фор-
мовкой. При этом методе деталь формуется до упора,
т. е. до соприкосновения с жесткой формой (рис. 429, а).
Различают два способа вакуумной формовки в жест-
кие формы: негативный, при котором заготовка втягива-
ется в углубление формы, и позитивный, при котором
заготовка формуется по поверхности выпуклой формы.
53а—481
837
Негативный способ обычно применяют при изготовлении
изделий с небольшой глубиной вытяжки.
В результате неравномерного напряженного состоя-
ния, возникающего при формовке, получаемые изделия
имеют неравномерную толщину стенки. В начальный
момент формовки образуется сфера, которая на отдель-
ных участках контактирует с формой. В местах контакта
Рис. 429, Схема вакуумного
(а) и пневматического (б)
формования в жесткие фор-
мы:
I — матрица; 2 — формуемое
изделие; 3 — сжатый воздух;
4 — атмосферный воздух
происходит охлаждение материала, в результате чего
снижается пластичность.
Пневматическая формовка в жесткие формы
(рис. 429, б). Применяют для изготовления крупногаба-
ритных деталей из листовых термопластов при избыточ-
ном давлении (1—26 кгс/см2) сжатого воздуха.
В начальной стадии процесса нагретая листовая за-
готовка предварительно формуется под низким давлени-
ем для обеспечения герметизации. Затем проводят окон-
чательное формование при требуемом давлении. Отфор-
мованную заготовку охлаждают в форме под давлением.
Разновидностью этого способа является выдувание
полых изделий для получения различных емкостей быто-
вого и технического назначения из полиэтилена, винипла-
ста и других материалов.
Пневматическая футеровка труб пластмассами. Тру-
бы, работающие в агрессивных средах, изготавливают
из нержавеющей стали. При этом толщина стенок трубы
определяется не условиями жесткости и механической
прочности, а условиями длительности работы в корроди-
рующей среде. При замене металлических труб пласт-
массовыми последние вынуждены изготавливать тоже
толстостенными, но с учетом условий жесткости и проч-
ности. Применение металлических труб, футерованных
пластмассой, значительно сокращает расход материалов,
838
В этом случае тонкостенную металлическую трубу
с достаточной прочностью и жесткостью футеруют
тонкостенной трубой из химически стойких пласт-
масс.
Наиболее экономичным способом футеровки является
пневматический. Холодную пластмассовую трубу встав-
ляют с зазором внутрь металлической трубы и нагрева-
ют до размягчения. Через штуцеры, установленные в
заглушках, подают сжатый воздух под давлением, обес-
печивающим раздув пластмассовой трубы до плотного
контакта с металлическим основанием.
Технологические процессы, при которых листовая
заготовка из термопластичного или слоистого материала
в высокоэластичном состоянии формуется с примене-
нием жестких штампов, составляют группу технологиче-
ских процессов формоизменяющей штамповки. Этими
методами изготавливают разнообразные изделия незамк-
нутой пространственной формы. К этим технологическим
процессам относят формовку между жестким пуансоном
и матрицей, формовку эластичным пуансоном, формовку
между жестким пуансоном и прижимной рамкой, фор-
мовку через протяжное кольцо, гибку, отбортовку,
тиснение.
Перед формовкой листы очищают от защитных покры-
тий (бумаги или специального состава), промывают и
высушивают. Для нагрева применяют электрические на-
гревательные шкафы или инфракрасные нагреватели.
Необходимо обеспечить равномерность нагрева, иначе
в процессе формовки из-за неодинаковой пластичности
могут появиться трещины и разрывы. Оптимальная тем-
пература нагрева для различных материалов различна.
Следует учитывать, что особенно опасен перегрев загото-
вок, так как он приводит к разложению материала или
потере прочностных свойств.
Формовка в закрытых штампах. Применяют при из-
готовлении деталей типа козырьков, обтекателей, стекол
кабин и т. д.
Для получения деталей из органического стекла при-
меняют штампы из дерева или песчано-клеевой массы.
Рабочие поверхности пуансона и матрицы оклеивают
замшей или байкой, _ чтобы не поцарапать заго-
товку.
Давление при формовке не должно превышать опре-
деленных значений, так как это может привести к ухуд-
53а* 839
шению оптических свойств. Детали выдерживают под
давлением до 40—45° С. Этим способом можно изготав-
ливать детали с двойной кривизной.
Формовка эластичным пуансоном. Применяют при
изготовлении деталей с небольшим углублением и четким
рельефом. На рис. 430 изображен штамп для формовки
эластичным пуансоном. Давление через обойму 4 переда-
ется на эластичный пуансон 3, который деформирует в
Рис. 430. Схема формовки эластич-
ным пуансоном
Рис. 431. Схема формовки
через протяжное кольцо пе-
ред вытяжкой (а) и в конце
вытяжки (б):
1 •— пуансон; 2 — заготовка;
3, 4 — нижнее и верхнее
кольца
матрице 2 предварительно нагретую заготовку 1. Преи-
мущество этого способа в простоте оснастки и четкости
получаемого рельефа.
Вытяжка жестким пуансоном через протяжную мат-
рицу (рис. 431). Применяют для получения изделий типа
тел вращения. Коэффициентом вытяжки является отно-
шение высоты детали к диаметру.
Гибкой изготавливают простые по форме детали,
имеющие большое отношение радиусов гибки к толщине
материала или диаметру труб.
Из слоистых пластмасс гибкой получают изделия с
толщиной материала до 2—3 мм. Способность пластмасс
к гибке определяет наполнитель.
Перед гибкой слоистые пластмассы предварительно
подвергают нагреву. Гибку проводят на гидравлических
или фрикционных прессах при давлении 0,4—5 кгс/см2 с
840
применением простых приспособлений из металла, дере-
ва, специальных пластмасс и других материалов.
После гибки детали необходимо оставлять на некото-
рое время в шаблонах под давлением для уменьшения
угла пружинения.
При изготовлении гибких изделий из термопластов
особого внимания требует термический режим. Недогрев
материала приводит к возникновению значительных
напряжений, появлению трещин, разрывов. Перегрев
приводит к вспучиванию, образованию газовых пузырей,
так как смолы разлагаются, выделяя летучие ве-
щества.
При гибке термопластов не требуется большого дав-
ления. Например при 110—115° С органическое стекло
гнется уже под действием собственной массы и пуансон
выполняет лишь роль калибрующего инструмента.
Отбортовка листовых пластмасс аналогична отбор-
товке металлов и ее применяют для подготовки кромок
отверстий к сварке с трубами, патрубками и т, д.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИИ
ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ
Технология формования изделий из стеклопласти-
ков имеет ряд особенностей, связанных с видом напол-
нителя, условиями отверждения, размерами и конфигу-
рацией изделия.
Контактный способ формования. Применяют для
изготовления корпусных крупногабаритных деталей из
стеклоткани, стеклошпона и стекломатов. Раскроенные
куски стеклонаполнителя укладывают на форму-шаб-
лон. Формы-шаблоны изготавливают из металла, цемен-
та, гипса, дерева и Ьмазывают во избежание прилипа-
ния поливиниловым спиртом, смешанным с глицерином
и водой. После прикатки валиками на первый слой
наполнителя наносят смолу, затем накладывают по-
следующие слои до получения требуемой толщины де-
тали. В качестве связующих веществ используют смолы
холодного отверждения или с подогревом до невысо-
ких температур. Смолы с высокой температурой от-
верждения и смолы с испаряемыми растворителями
применять не рекомендуется, так как это приводит к
образованию пузырей, вздутий и других дефектов.
841
После нанесения необходимого количества слоев
отформованное изделие выдерживают в течение 10—
12 ч при 18—20° С на шаблоне. Последующую обработ-
ку (прессование и т. д.) проводят после дополнитель-
ной выдержки в течение четырех-пяти суток.
Вихревое напыление. Применяют для изготовления
крупногабаритных корпусных деталей (кузова авто-
машин, корпуса лодок), емкостей, аппаратуры для хи-
мической промышленности и крупногабаритных соору-
жений (плавательные бассейны, корпуса речных и мор-
ских барж и т. д.).
Стекловолокно и полиэфирные смолы холодного от-
верждения наносят на форму-шаблон специальным
пульверизатором. Стекловолокно смачивается поли-
эфирной смолой в вихревом потоке. Масса, нанесенная
на шаблон, уплотняется роликами и отвердевает при
комнатной температуре в течение 0,5—8 ч в зависимо-
сти от рецептуры. Время отверждения можно сокра-
тить, повысив температуру до 40—60° С.
При вихревом формовании наполнителем является
стеклянная ровница (стекложгут из крученых нитей).
Напыление осуществляют специальным пульвериза-
тором с двумя соплами, через которые сжатым возду-
хом под давлением 4 атм выбрасываются два факела
смолы, фокусирующиеся на определенном расстоянии.
Ровницу разрезают специальным резаком на куски раз-
мером 10—100 мм и она выбрасывается в сферу факе-
лов сжатым воздухом. Производительность пульвериза-
торов 70—200 кг стеклопласта в 1 ч.
Форму-шаблон перед напылением покрывают разде-
лительным слоем из пленки, воска или специальных
составов.
Вихревое напыление рентабельно для производства
крупногабаритных деталей, так как отходы при после-
формовочной обрезке для малогабаритных деталей со-
ставляют 25—50%, а для крупногабаритных деталей
2%.
Прессование с предварительным формованием
(рис. 432) применяют для изготовления средних и круп-
ногабаритных деталей с тонкими стенками. Для предва-
рительного формования изготавливают легкую каркас-
1 ную форму 1 и обтягивают металлической сеткой.
Форму устанавливают на стол 3 в камере 2. Вен-
тилятор 4, создавая разрежение в камере, засасывает
842
Рис. 432. Схема установки для предвари-
тельного формования крупногабаритных
изделий из стеклопластиков
в камеру рубленую ровницу от резака 5. Реверсивное
вращение стола позволяет получить требуемую толщи-
ну и равномерность покрытия формы стекловолокном.
Стекловолокно опрыскивают эмульсией полиэфирной
смолы через пульверизатор 6 и подсушивают потоком
горячего воздуха (100—200°С). Отформованную в кй-
мере заготовку уста-
навливают в прессфор-
ме, заливают поли-
эфирной смолой и по-
дают давление. Смола
отверждается при тем-
пературе 125° С и дав-
лении до 7 кгс/см2.
Этим методом мож-
но формовать тонко-
стенные изделия из
низкотекучих стекло-
пластов, так как пред-
варительное сухое
формование не требу-
ет высоких показателей текучести материала.
Стирометод. Применяют^для изготовления из стекло-
пластиков крупногабаритных деталей с замкнутым по-
лым профилем. Основой изделия является хлорвинило-
вый шланг (рис. 433, а) и стекломатик (рис. 433,6),
наворачиваемый на шланг в виде рукава (рис. 433,в),
или цельный рукав (рис. 433,г), сплетенный из стекло-
Рис. 433. Схема изготовления замкнутого полою изделия из стеклопластика
спирометодом
843
волокна. Подготовленную заготовку укладывают в,
прессформу 1 и закрывают плитой 2. Прессформа и
плита обогреваются паром. Заготовка нагревается до.
100—120° С. В результате нагрева давление среды
внутри заготовки увеличивается на 0,3—0,5 атм и на-
гретая заготовка растягивается по полости прессформы.
В свободное пространство между чехлом и оформляю-
щими стенками вакуумом засасывается по трубопрово-
ду 8 полиэфирная смола с наполнителем (древесная
мука, каолин и др.), отвердителем и ускорителем от-
верждения.
Стирометодом можно получать полые диски, колон-
ки, кронштейны, цельнопрессованные оконные рамы и
т. д., которые имеют высокую прочность.
ОБРАБОТКА ПЛАСТМАСС
В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ
Пластмассы в твердом состоянии (без нагрева) под-
вергают в основном двум видам обработки: раздели-
тельной штамповке и обработке резанием.
Разделительная штамповка. Этим способом получа-
ют разнообразные изделия из листовых материалов для
радиотехнических, электронных и других приборов.
Листовые пластмассы раскраивают ножницами раз-
личных конструкций или распиливают специальными
пилами с применением особых фрез и карборундовых
абразивных кругов. Фрезами и абразивными кругами
режут толстолистовые материалы (5^2,5 мм). Листы
толщиной до 2,5 мм раскраивают ножницами и разрез-
ными штампами.
Технология вырубки, пробивки, зачистки и других
разделительных операций отличается от технологии
резки металлических материалов.
Как правило, при резке материалов повышенной и
средней хрупкости (органическое стекло, текстолит и
др.) для уменьшения дефектов и улучшения поверхно-
сти среза применяют специальную форму режущих кро-
мок ножа и сильный прижим материала по контуру
среза.
Специальная форма режущих кромок (заостренный
передний угол) позволяет концентрировать давление на
небольшой площади, уменьшая тем самым возможности
появления трещин. Чтобы получить качественную по-
844
верхность, детали вырубают с припуском для зачистки
поверхности среза в специальных зачистных штампах.
Мягкие и упругие волокнистые материалы разреза-
ют на деревянных или фибровых подкладках с помощью
контурных ножей (просечек), имеющих конфигурацию,
соответствующую форме вырубаемой детали. При этом
нож должен входить в материал до соприкосновения с
подкладкой.
Обработка пластмасс резанием. Применяют для про-
ведения отделочных и доводочных операций после пред-
варительного формования и для изготовления машино-
и приборостроительных деталей из заготовок. В еди-
ничном и мелкосерийном производстве экономически
нецелесообразно применять методы прессования, литья
и другие ввиду высокой стоимости и сложности изго-
товления прессформ. В этом случае заготовкой для ме-
ханической обработки является листовой или прутко-
вый материал. Одиако в тех случаях, когда это возмож-
но, следует избегать или уменьшать механическую
обработку, так как нарушается поверхностная смоляная
пленка. Это приводит к уменьшению предела прочно-
сти, увеличению способности водо- и маслопогло-
щения.
При прессовании, литье и других методах формова-
ния наблюдаются значительные колебания усадки ма-
териалов, что снижает получаемую точность размеров.
Поэтому для получения высокого класса точности не-
обходимо в ряде случаев применять механическую об-
работку. Кроме того, методами резания удаляют лит-
никовую систему, зачищают заусенцы, получают от-
верстия малых диаметров, мелкие резьбы и т. д.
Особенности физико-механических свойств пласт-
масс и специфика их строения существенно влияют на
технологию обработки, конструкцию режущего инстру-
мента и приспособлений.
Низкая теплопроводность пластмасс приводит к
концентрации тепла, выделяющегося при резании. В ре-
зультате этого происходит интенсивный нагрев инстру-
мента, размягчение и оплавление деталей из термопла-
стов, обугливание и прижоги реактопластов.
Процесс стружкообразования при обработке пласт-
масс зависит от природы и физико-механических
свойств пластмасс, геометрии инструмента и режимов
резания,
845
Смолы, входящие в состав пластмасс, при нагреве
размягчаются и обволакивают рабочую поверхность
инструмента, что затрудняет отвод стружки и ухудша-
ет качество получаемой поверхности.
При обработке пластмасс, имеющих в составе на-
полнителя кварцевый порошок и стекловолокно, в
стружке образуются высокоабразивные частицы, что
приводит к быстрому износу режущего инструмента.
При обработке стеклопластиков образуется тонкая
пыль, загрязняющая и изнашивающая станки, а также
загрязняющая атмосферу цеха.
Пластмассы при обработке с малыми скоростями и
большими глубинами резания ведут себя как хрупкое
тело: появляются трещины, сколы.
Большое разнообразие полимерных материалов
обусловливает значительное колебание оптимальных
режимов резания и геометрии инструмента.
Наибольшую производительность и наибольшую
стойкость обеспечивает инструмент из твердых спла-
вов, несколько меньшую — инструмент из быстрорежу-
щей стали и еще более низкую — инструмент из угле-
родистых инструментальных сталей.
Задний угол а выбирают равным 12—20°, т. е. не-
сколько больший, чем при обработке металлов. Это
улучшает условия резания и повышает стойкость инст-
румента.
Вследствие низкого сопротивления срезу передний
угол выбирают значительно большим (15—20°), чем при
резании металлов.
Канавки для отвода стружки делают более емкими
и полируют во избежание прилипания стружки.
При обработке отверстий и получении резьб следу-
ет применять инструмент несколько большего диаметра
(на 0,04—0,1 мм) для компенсации усадки.
Обработку пластмасс можно проводить на обычном
металлорежущем и деревообрабатывающем оборудо-
вании.
Точение. Точением хорошо обрабатывают винипласт,
органическое стекло, полиэтилен, фторопласты, слоис-
тые пластики. Для точения используют универсальные
быстроходные металлорежущие станки, токарные и ре-
вольверные. Режущий инструмент изготавливают из
твердых сплавов (ВК6, ВК8), быстрорежущих сталей
(Р9, Р18) и реже из углеродистых (У10А, У12А). Гео-
846
метрия заточки резцов для обработки термопластов
(Л) и реактопластов пластмасс (В) следующая:
а в
..................... 15—20° 10—20°
а............. <20° 10—20°
Для всех случаев X — 0°; <р — 45°.
Глубину резания и подачу выбирают в зависимости
от припусков на обработку и требуемой чистоты по-
верхности. Точение проводят на больших скоростях, но
с небольшой подачей. Припуск снимают за один-два
прохода. На второй проход рекомендуется оставлять
припуск не более 0,5—1,0 мм.
Твердосплавной инструмент допускает скорости ре-
зания в два-три раза выше, чем инструмент из быстро-
режущей стали.
Возможное образование сколов предупреждается
фаской со стороны входа инструмента или обработкой
деталей, собранных в пакет.
При обработке термопластов охлаждение проводят
эмульсией или водой, а при обработке термореактив-
ных пластмасс — сжатым воздухом.
Фрезерование. Применяют для изготовления дета-
лей из блочных термопластов и слоистых пластмасс,
удаления литников, получения сложных контуров дета-
ли после прессования или литья, получения пазов раз-
личной конфигурации, зубонарезания и т. д.
Для фрезерования используют быстроходные ме-
талле- и деревообрабатывающие станки, а при массо-
вом производстве экономически целесообразно приме-
нять специальные фрезерные станки.
При фрезеровании на обрабатываемой поверхности
могут появляться задиры, трещины и прижоги, возмож-
но отслаивание материала, скалывание кромок и обла-
мывание краев листа. Учитывая это, во избежание по-
явления брака необходимо соблюдать ряд правил:
1) для предотвращения выкрашивания и обламывания
толщина кромки изделия должна быть не менее 0,1 мм;
2) при фрезеровании слоистых пластмасс следует при-
менять попутное фрезерование; 3) фрезеруемую деталь
необходимо плотно прижимать к опорной базе и жестко
закреплять на станке и в приспособлении; 4) обраба-
тываемый участок должен иметь плотный контакт по
всей поверхности с опорной поверхностью приспособ-
847
ления; 5) фрезерование пластмасс лучше всего прово-
дить фрезами со спиральным зубом. Угол наклона зуба
20—55° к оси фрезы.
Конструкцию фрезы и геометрию, заточки режущих
лезвий выбирают в зависимости от обрабатываемого
материала, конструкции детали и режима резания. Для
фрезерования термопластов фрезы изготавливают из
углеродистой стали, а для термореактивных пласт-
масс— из быстрорежущей стали или с пластинками
твердого сплава. Углы заточки: у=104-25°; а=154-30°.
При фрезеровании пазов необходимо затачивать режу-
щие лезвия и торец инструмента для предотвращения
подгорания или сплавления обрабатываемых слоев ма-
териала детали.
Фрезерование проводят в два прохода с глубиной
резания менее 3 мм, оставляя на чистовой проход
0,5 мм.
При . фрезеровании для охлаждения инструмента
применяют сжатый воздух, а для некоторых видов
термопластов допускается применение эмульсии.
Сверление. При сверлении отверстий в пластмассо-
вых деталях большое значение имеет правильный выбор
конструкции и геометрии сверл, режимов резания, спо-
собов охлаждения инструмента и зоны обработки.
Для сверления пластмасс применяют спиральные
специальные и перовые сверла.
При получении отверстий в термопластах стандарт-
ными сверлами (рис. 434, а) возможно их заедание. .Во
избежание этого необходимо применять следующую
геометрию сверл: угол при вершине 2Ф около 70°, зад-
ний угол а=44-8°, угол наклона канавки со = 154-17°«
Кроме того, такой угол наклона канавки снижает на-
грев детали и обеспечивает хороший отвод стружки.
При получении отверстий в термореактивных пласт-
массах и листовых слоистых пластиках желательно
применять сверла из быстрорежущей стали (рис.434,б).
Геометрия сверл в этом случае должна быть: 2<р =
=50—60°, 0 = 144-16°, со = 1О°. Стружечная канавка
должна быть широкой и глубокой.
Наилучшее качество обработки получается при при-
менении перовых сверл, и спиральных сверл с широ-
кой, хорошо полированной канавкой.
При сверлении глубоких отверстий (рис. 434, в) во
избежание поожога следует периодически вынимать
848
инструмент, охлаждать его й очищать от стружки. Ох-
лаждение проводят сжатым воздухом, а для стеклотек-
столитов и фенопластов возможно применение 5%-ного
раствора эмульсола в воде.
Отверстия с диаметром больше 6—9 мм
за два прохода: предварительное сверление
от окончательного
на диаметр не менее 0,5
Нарезание резьбы.
Наружные и внутренние
резьбы нарезают в пла-
стмассовых заготовках
(стержневых, листовых,
блочных) и в готовых де-
талях, полученных фор-
мованием. Наружные
получают
проводят
размера.
50-60
б
Рис. 434. Конструкция сверл для об-
работки пластмасс
резьбы нарезают резца-
ми, плашками, фрезами,
внутренние — азотиро-
ванными или хромированными метчиками.
Резьбы большого и среднего диаметра нарезают на
токарно-винторезных станках со смазывающе-охлажда-
ющей жидкостью из смеси парафинового масла (60%)
и керосина (40%). Режимы резания аналогичны режи-
мам для латуни и стали, но глубина резания должна
быть меньше 0,1—0,2 мм. С увеличением глубины ре-
зания возможно выкрашивание или появление трещин
на деталях малой толщины.
Для нарезания внутренней резьбы применяют стан-
дартные метчики из быстрорежущей стали с отрица-
тельным передним углом у——(5-4-10°). Такой угол
уменьшает заедание метчика при вывертывании. Реко-
мендуется применять комплект из двух-трех метчиков и
метчики с резьбой через шаг. Чтобы получить чистую
и гладкую поверхность, следует чаще очищать метчик
от стружки и смазывать маслом или пчелиным
воском.
При нарезании резьбы в деталях из наполненных
термопластов и слоистых пластмасс наблюдается усад-
ка на 0,05—0,15 мм. В соответствии с этим диаметр
метчика должен быть больше номинального диаметра
резьбы на величину усадки.
’ В слоистых пластиках резьбу следует нарезать пер-
пендикулярно слоям, иначе возможно расслаивание.
Шлифование. Шлифование изделий из термореак-
849
тивных пластмасс осуществляют абразивными кругами
с мягкой связкой зернистостью 30—40. Для удаления
грата и заусенцев, для получения более чистой поверх-
ности после шлифования абразивными кругами приме-
няют обработку наждачными полотнами или наждач-
ной бумагой.
Шлифование изделий из термопластичных пласт-
масс проводят фланелевыми или суконными кругами
с пастой из отмученной пемзы с водой. Органическое
стекло шлифуют специальными пастами или наждач-
ной бумагой с зернистостью абразива 150—250.
Чистота обработанной поверхности зависит от тол-
щины снимаемой стружки, материала инструмента, ре-
жима обработки и т. д. Глубину резания (поперечную
подачу) выбирают для чернового шлифования в пре-
делах /=0,07-7-0,2 мм, а для чистового шлифования
/=0,01-7-0,05 мм. Зернистость абразива для черновой и
чистовой обработки должна составлять соответственно
16—40 и 80—140. Шлифование, проводят с высокими
Скоростями, равными 20—40 м/с, так как при меньших
скоростях шкурки быстро замасливаются. Во избежа-
ние прижогов материала продолжительность контакта
детали с кругом должна быть минимальной (не более
1,0—1,5 с).
Полирование. Пластмассовые детали подвергают
полированию для удаления следов зачистки или меха-
нической обработки (рисок, царапин), выведения мато-
вых пятен, придания поверхностям гладкого блестяще-
го вида. При полировании снимают очень тонкий слой
пластмассы. В промышленности наибольшее распрост-
ранение получило полирование в галтовочных бараба-
нах и на полировальных станках специальными кру-
гами.
Для мелких деталей применяют полирование в гал-
товочных барабанах. В галтовочный барабан загружа-
ют хорошо очищенные от загрязнений пластмассовые
детали и полировальный состав. При сухом способе
полировальным составом является пемза тонкого помо-
ла или опилки с мелом, пропитанные машинным и ва-
зелиновым маслами. Процесс полирования продолжа-
ется 2—3 ч при скорости вращения барабана
20—80 об/мин. Детали отделяют от полировально-
го состава на ситах, промывают и сушат. При мокром
способе полировальный состав состоит из пемзы тон-
650
кого помола с водой (100 г пемзы на 10 л воды). Про-
цесс протекает более интенсивно, продолжается 1—2 ч,
при этом снимается больший припуск.
Полирование проводят на полировальных станках
хлопчатобумажными, байковыми и суконными кругами,
а окончательное полирование — кругами из бязи, байки
или муслина. На предварительных операциях применя-
ют пасту ГОИ для термореактивных пластмасс и
ВИАМ-2 для термопластичных. Матерчатые круги име-
ют диаметр 200—400 мм и толщину 60—100 мм. При
полировании реактопластов скорость вращения полиро-
вального круга составляет 1500—2000 об/мин, а для
термопластов 1000—1500 об/мин (для предупреждения
сильного нагрева деталей).
При полировании на станках во избежание пере-
грева, прижога и изменения цвета поверхности детали
нельзя допускать сильного прижима детали к кругу,
СВАРКА И СКЛЕИВАНИЕ ПЛАСТМАСС
Неразъемные соединения из пластмасс получают
сваркой и склеиванием. Образование неразъемного
соединения является результатом взаимной диффузии
молекул полимера в контактирующих поверхностях или
химической реакции присоединения.
Прочность сварного соединения зависит от состоя-
ния поверхности сварного шва, прочности свариваемо-
го материала, прочности присадочного материала и
конструкции сварного соединения. Зачистка и зашли-
фовка шва может снизить прочность соединения на
25—30%.
В настоящее время применяют сварку с примене-
нием теплоносителя (сварка нагретым газом, нагретым
инструментом, нагретым присадочным материалом), с
нагревом токами высокой частоты, трением, ультра-
звуком, с помощью инфракрасного излучения и химиче-
скую сварку.
Сварка нагретым воздухом или газом является про-
стым и наиболее распространенным методом. Сварку
проводят с применением присадочного материала или
без него (рис. 435).
При сварке с присадочным материалом (рис. 435, а)
свариваемые поверхности деталей I и присадочный
пруток 3 нагревают до вязко-текучего состояния струей
851
нагретого воздуха или газа, выходящего из сопла спе-
циального сварочного пистолета 2. Для получения не-
разъемного соединения в большинстве случаев доста-
точно небольшое прижатие свариваемых материалов.
Качество сварного шва будет зависеть от теплового
режима, сечения присадочного прутка, скорости уклад-
ки присадочного прутка, угла его наклона и т. п.
Рис. 435. Схема сварки листов из термопласта нагретым газом с присадоч-
ным (а) и без присадочного материала (б)
Если нельзя допускать окисления свариваемых ма-
териалов, то в качестве теплоносителей применяют
азот или углекислый газ.
Сварку с присадочным материалом применяют для
соединения труб, изготовления фасонных деталей, ем-
костей, химической аппаратуры и т. д.
Этот способ сварки имеет низкую производитель-
ность, неэкономичен и дает резкие колебания прочности
соединения.
Сварка нагретым газом без присадочного материала
(рис. 435,6) позволяет резко повысить скорость про-
цесса, улучшить прочностные характеристики соедине-
ния. Но при этом способе свариваемые изделия должны
иметь одинаковую толщину во всех сечениях сварного
шва.
Сварочный пистолет 2 устанавливают в створ сва-
риваемых изделий 1 таким образом, чтобы газовая
струя направлялась на срезание кромки шва. Давление
сварки осуществляют двумя парами прижимных роли-
ков. Скорость сварки зависит от толщины листов и до-
стигает 4,2—5,6 мм/с,
852
Сварка нагретым инструментом является наиболее
универсальным способом и имеет несколько разновид-
ностей в зависимости от применяемой оснастки.
На рис. 436 представлена схема роликовой кон-
тактно-тепловой сварки. Соединяемые детали 1 нагре-
ваются от соприкосновения с инструментом — роликами
2 и сжимаются под действием силы Р, Такой способ
Рис. 437. Схема прессового (а) и роликового
(б) методов высокочастотной сварки
Рис. 436. Схема роликовой
контактно-тепловой сварки
используют при сварке швов значительной протяженно-
сти. Для сварки коротких и фасонных швов используют
электронагреватели типа паяльников, электроутюгов.
На прочность получаемого соединения оказывают зна-
чительное влияние температура, давление и время
сварки.
Сварку нагретым инструментом применяют в основ-
ном для жестких термопластов: полиметилметакрилата,
полистирола, поливинилхлорида, полиамида и некото-
рых пленочных материалов (полиэтилена, полипропи-
лена и др.).
Сварку полиэтиленовой пленки толщиной от 25 до
100 мкм проводят через прокладку из целлофана или
фторопласта на специальных машинах.
Сварка с нагревом токами высокой частоты основа-
на на преобразовании электрической энергии в тепло-
вую непосредственно внутри материала. При этом до-
стигается равномерность нагрева и не происходит пере-
грева поверхности. Этот метод сварки наиболее
желателен для таких материалов, как поливинилхлорид,
который при других способах сварки ввиду перегрева
поверхности теряет в соединении 40—60% прочности.
54-481
853
На рис. 437 представлены схемы прессового и роли-
кового методов высокочастотной сварки.
Сварка токами высокой частоты характеризуется
высокой производительностью, экономичностью и хоро-
шим качеством соединения. Изделия можно сваривать
толщиной до 5 мм.
Сварка трением основана на превращении механи-
ческой энергии в тепловую (рис, 438). Так как термо-
Рис. 438. Принципиальные
схемы сварки треиием с ис-
пользованием вращения од-
ной детали (а), двух дета-
лей (б) и вставки (в)
Рис. 439. Схема ультразву-
ковой сварки пластмасс
пласты имеют низкую теплопроводность, то при свар-
ке трением выделяющееся тепло в основном концент-
рируется около контактирующих поверхностей.
Сварку трением можно осуществить вращением
свариваемых деталей, вибрацией и вращательно-вибра-
ционным движением свариваемых деталей. Наибольшее
распространение получила сварка вращением.
Качество получаемого соединения зависит от скоро-
сти вращения, давления и продолжительности контакта.
Сварку трением применяют для сваривания изделий
из твердых термопластов, для деталей, имеющих форму
тел вращения.
Сварка ультразвуком основана на нагреве контак-
тирующих поверхностей при превращении энергии ульт-
развуковых колебаний в тепловую энергию.
При сварке ультразвуком (рис. 439) изделие 3 за-
жимается с некоторым усилием между волноводом 2
и отражателем 4. Сварка происходит при подаче токов
высокой частоты (более 20000 Гц) на обмотку магни-
864
тострикционного вибратора 1, соединенного с волново-
дом. Продолжительность процесса сварки зависит от
толщины и свойств свариваемого изделия.
Сварка ультразвуком имеет ряд преимуществ перед
другими методами сварки: 1) разогрев материала про-
исходит только на контактирующих поверхностях, что
исключает возможность перегрева; 2) сварку можно
осуществлять в труднодоступных местах, так как ульт-
развуковые колебания можно подводить на значитель-
ные расстояния от места сваривания; 3) на поверхно-
сти не остается следов инструмента.
Сварка полимеров с помощью инфракрасного (ИК)
излучения является универсальной. Она основана на
превращении лучистой энергии в тепловую внутри ма-
териала. ИК-лучи могут отражаться, преломляться и
поглощаться. Преобладание того или иного явления за-
висит от длины волны излучения. Если частота ИК-из-
лучения совпадает с собственной частотой колебаний
элементарных частиц вещества, то происходит резо-
нансное поглощение. Энергетическое распределение по-
глощения зависит от типа материала и состояния его
поверхности.
Степень поглощения ИК-излучения определяется ко-
эффициентом поглощения: отношением поглощенной
энергии ко всему количеству энергии излучения, пада-
ющей на тело. Полимерные материалы в большинстве
случаев поглощают ПК-излучение с длиной волны более
3 мкм.
В качестве источников ИК-излучения используют
кварцевые излучатели, силитовые стержни и никель-
хромовые сплавы.
На рис. 440 показаны принципиальные схемы свар-
ки с помощью инфракрасного излучения внахлестку и
торцового соединения. Для сварки внахлестку (рис.
440, а) листы 1 укладывают на подложку 2, изготов-
ленную из материала, поглощающего ИК-лучи. При-
жимное устройство 3 фиксирует материал в натянутом
состоянии и ограничивает зону нагрева. Нагрев осуще-
ствляют от источника ИК-лучей 4. Тепловое расшире-
ние и размягчение материала приводят к его растяже-
нию в месте контакта. В результате листы давят друг
на друга и осуществляется их сварка. При этом спосо-
бе из-за местного утонения материала и недостаточно
плотного контакта снижается качество сварного шва.
Б4* 855
Для улучшения качества шва и для обеспечения плот-
ного контакта применяют эластичную подложку
(рис. 440,6) из микропористой резины или эластичного
пенополиуретана. Для получения длинных швов пере-
мещают свариваемое изделие или источник излучения.
Толщина свариваемого соединения, режим сварки
зависят от условий ПК-излучения, материала заготовок.
Так, например, при использовании в качестве источника
а
Рис. 440. Схема сварки ИК-излучевнем прв создания давления:
а — в результате натяжения материала; б — за счет упругой подложки
ИК-лучей силитового стержня, нагретого до 1200° С,
предельная толщина сварки полиэтилена низкой плот-
ности при одностороннем подходе с использованием
микропористой подложки составляет 1,5—2,0 мм при
продолжительности сварки 2—4 с.
Относительная прочность сварных соединений при
испытании на расслаивание в среднем составляет 75—
85%.
Склеивание пластмассовых изделий получило в про-
мышленности широкое распространение благодаря вы-
сокой технологичности, прочности и экономичности.
Склеиванием можно получать соединения пластмасс
между собой (однородных и неоднородных по химиче-
ской природе), соединения пластмасс с металлом, ре-
зиной, деревом, кожей и т. д.
Термореактивные пластмассы склеивают клеями
(ВИАМ, Б-3, КМ и др.), в которых фенолформальде-
гидная или меламиноформальдегидная смолы находятся
в термореактивной стадии. После нанесения клея на
склеиваемые поверхности и их сжатия смола должна пе-
рейти в термостабильное состояние. При комнатной
температуре отверждение может продолжаться не-
сколько месяцев. Поэтому в клей добавляют специ-
656
альные отвердители и склеенные изделия выдерживают
при повышенной температуре.
Склеивание изделий из термопластичных пласт-
масс осуществляют специальными клеями или раство-
рителями в зависимости от материала. Так, например,
оргстекло склеивают дихлорэтаном, полистирол — бен-
золом, винипласт—хлористым метиленом, ацетоном или
дихлорэтаном и т, д. Растворитель, вызывая местное
набухание материала, придает ему клейкость.
При склеивании растворителем возникают значи-
тельные напряжения в слоях материала, непосредствен-
но соприкасающихся с клеевым швом,
Процесс склеивания состоит из ряда последователь-
ных операций: подготовки поверхностей соединяемых
деталей, нанесения клея, сборки соединения и запрес-
совки, выдержки под давлением при заданной темпера-
туре.
Клеи с малой концентрацией клеевого вещества
(клей типа БФ) наносят на поверхность в несколько
слоев, а пленочные клеи (ВК-32-200, МПФ-1 и др.)
наносят на подслой из жидкотекучих композиций.
При запрессовке необходимо обеспечить равномер-
ную по всей площади заданную толщину клеевого шва,
без пустот, пузырей и неплотностей. Давление запрес-
совки зависит от технологической вязкости клея и тол?
щины материала. Для малотекучих клеев (БФ-2, БФ-4,
ВК-32-200) давление запрессовки равно б-—20 кгс/см2, i
для высокотекучих клеев (ВК-32-ЭМ, ВЛ-4 и др.) 0,5—<
3 кгс/см2.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
КОНСТРУИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ из пластмасс
При проектировании деталей, изготовляемых мето,
дом прессования, необходимо учитывать следующее.
Желательная толщина стенок и сечений должна состав-
лять 2—5 мм, минимальная 0,5— 1 мм, максимальная
15—20 мм. При этом разностенность при прессовании не
должна превышать отношения 1:3, а при литьевых спо-
собах 1:6.
В местах сопряжения поверхностей желательно пре-
дусматривать радиусы переходов (галтели), так как
острые углы прицодат к образованию трещин
.(рис, 441,/, 2).
857
Утолщенные фланцы (рис. 441,3) приводят к боль-
шой разностенности и, кроме того, требуют продолжи-
тельной выдержки при прессовании изделия. В этих
случаях желательно облегчение фланца за счет измене-
ния конструкции (введение выемок, углублений). Ком-
пенсация прочности при этом достигается ребрами
жесткости.
Рис. 441. Примеры нетехнологичной (о) и технологичной (б) конструкций де-
талей, изготовляемых прессованием
Не следует допускать острых краев детали ввиду их
недостаточной прочности (рис. 441,4).
Детали с боковыми выступами следует конструиро-
вать, чтобы обеспечить их свободный выем из прессфор-
мы (рис. 441, 5). Применение сложных разъемных пресс-
форм значительно усложняет технологию и увеличи-
вает стоимость изделий.
Слишком толстые стенки в деталях нежелательны
из-за увеличенного расхода материала, большой продол-
жительности выдержки, повышенного брака по порис-
тости, газовым пузырям и т. д. Лучше уменьшить тол-
щину стенки и ввести ребра жесткости (рис. 441,6).
При прессовании можно получить резьбовые отвер-
стия с глубиной не более трех диаметров. Резьбы полу-
чают любого профиля при шаге не менее 0,7 мм.
858
Металлическую арматуру следует располагать по
центру детали или равномерно. В противном случае в
результате неравномерной усадки неизбежны деформа-
ции и коробления.
Не следует располагать арматуру перпендикулярно
направлению прессования во избежание деформирования
арматуры, а также усложнения технологической ос-
настки.
Рис. 442. Примеры установки металлической арматуры:
а — консольная боковая; б, в — предотвращение образования подушки; е—«
клеммная; д — стержневая; е — кольцевая наружная
При прессовании над арматурой должна быть про-
слойка материала достаточной толщины, иначе может
образоваться «подушка»—сильное уплотнение массы
над арматурой (рис. 442).
Боковая арматура значительной длины должна иметь
при прессовании дополнительную опору для устранения
возможного прогиба.
При прессовании и литьевых методах на наружных и
внутренних поверхностях необходимо предусматривать
уклоны для облегчения выема деталей из прессформ.
При конструировании сварных фланцевых соединений
следует руководствоваться следующим: 1) толщина
фланца, выбранная расчетным способом, должна обес-
печивать сплошной сварной шов по всей толщине флан-
ца; 2) под сварку не рекомендуется односторонняя раз-
делка фланца во избежание коробления из-за усадочных
напряжений в сварном шве; 3) если по условиям жест-
859
кости или прочности толщина фланца должна быть
больше 30 мм, то желательно применять ребра жестко-
сти или металлическое армирование.
Оценка экономической эффективности
применения пластмасс
При расчете экономической эффективности необхо-
димо сравнивать калькуляции себестоимости деталей в
обычном и в пластмассовом исполнении, т. е. с учетом
затрат на материалы, заработную плату, электроэнер-
гию, текущий ремонт, износ инструментов, амортизацию
основных фондов и др. Так как при замене обычных ма-
териалов на пластмассы затраты на материал и зара-
ботную плату имеют наибольшее значение в калькуля-
ции, то в инженерной практике расчета экономической
эффективности применения пластмасс в машинострое-
нии в настоящее время сравнивают расходы на матери-
ал и заработную плату. Расчет производят по формуле
= (Ят Ст + tT Зт) — (НП СП + tn Зп),
где Э1—экономия средств при изготовлении и эксплуа-
тации с учетом сроков службы деталей, руб.; Ят, Нп —
норма расхода обычного материала и пластической мас-
сы, кг; Ст, Сп— цена 1 кг обычного материала и пласт-
массы, руб.; tT, tn— трудоемкость изготовления детали
из обычного материала и пластмассы, чел.-ч; Зт, Зп —
стоимость 1 чел.-ч при изготовлении детали из обычного
материала и пластмассы, руб.; Кд— коэффициент долго-
вечности пластмассовых деталей (Кд=Тп{Т\).
Здесь 7Т, ТП—срок службы детали в обычном и в пласт-
массовом исполнении.
При расчете экономической эффективности по наз-
ванной формуле учитывается экономия как в процессе
изготовления, так и частично в процессе эксплуатации
за счет введения коэффициента долговечности. При эк-
сплуатации деталей или оборудования из полимерных
материалов экономия средств может достигаться не
только за счет повышения сроков службы, но и за счет
изменения других показателей. Например, в случае при-
менения некоторых стеклопластиковых деталей легковых
автомобилей снижается расход бензина и износ шин.
Вместе с тем для организации выпуска пластмассовых
деталей необходимы определенные капиталовложения,
860
например средства на приобретение оборудования и т. д.
С учетом сказанного экономическая эффективность в
результате применения пластмасс определяется по фор-
муле
Э = (Э1 + Э2)~ЕкК,
где Э1—экономия средств при изготовлении и эксплуа-
тации с учетом сроков службы деталей, руб.; Э2 —
возможная дополнительная экономия средств в эксплуа-
тации, руб.; £н—нормативный коэффициент эффектив-
ности капитальных вложений; Д’ — капитальные вложе-
ния, руб.
Глава 3
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
РЕЗИНОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
В современном машиностроении используют большое
количество резиновых изделий. Резина как конструкци-
онный материал обладает рядом важных технических
свойств: высокой эластичностью, высоким сопро-
тивлением разрыву, износу, газо- и водонепроницаемо-
стью, химической стойкостью, ценными электротехниче-
скими свойствами, малой плотностью и т. д. Резиновые
технические изделия применяют для: 1) оснащения
движущихся устройств (приводные ремни, транспортер-
ные ленты и т. д.); 2) подачи воды, жидкого топлива,
кислот, масел, пара и воздуха (рукава напорные и вса-
сывающие); 3) уплотнения неподвижных и подвижных
контактов (сальники, манжеты, клапаны, мембраны,
прокладочные кольца, шнуры, пластины); 4) амортиза-
ции (резиновые подвески, опоры, подшипники, аморти-
заторы и буфера); 5) электроизоляции (детали слабо-
точной и высокочастотной аппаратуры, изоляционные
трубки, изоляционная лента, поделочный эбонит); 6) за-
щиты химической аппаратуры, изготовления воздухо- и
водоплавательных средств, строительных конструкций
и т. д.
КЛАССИФИКАЦИЯ И СОСТАВ РЕЗИНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В зависимости от назначения и требуемых эксплуа-
тационных свойств резины делят на две большие груп-
пы: общего назначения — резины, используемые в
861
производстве шин, ремней, рукавов, амортизаторов
и т. д., и специальные — резины (морозо- и теплостой-
кие, маслостойкие, газонепроницаемые, электротехниче-
ские, стойкие к радиации и т. д.).
Резины также подразделяют на мягкие (для изго-
товления шин, прокладок и других технических изделий),
жесткие или эбонитовые (для электротехнических дета-
лей и химически стойких элементов), пористые или губ-
чатые (для амортизаторов, сидений и т. д.), пастообраз-
ные (для герметизации и уплотнения).
Резиновые материалы классифицируют по виду
сырья, по технологическим методам переработки и т. д.
Резина является сложной смесью различных компо-
нентов (ингредиентов). К ним относятся каучук, вулка-
низирующие вещества, ускорители вулканизации, акти-
ваторы ускорителя, наполнители, противостарители,
смягчители и красители.
Основой резиновых смесей является натуральный
или искусственный каучук. Каучук подвергается вулка-
низации— горячей или холодной обработке для прида-
ния материалу требуемой прочности, упругости и т. д.
В качестве вулканизирующего вещества в каучук вводят
2—3% S. Так.как вулканизация является длительным
процессом, то для его ускорения'вводят 0,5—1,5% уско-
рителей вулканизации (окись магния, окись цинка и др.).
Активаторами ускорителя являются цинковые белила
и др.
Для уменьшения расхода каучука и придания необ-
ходимых физико-механических свойств резиновым изде-
лиям в композицию вводят наполнители. Наполнители
подразделяют на порошкообразные и ткани. К порошко-
образным наполнителям относятся сажа, каолин, угле-
кислый марганец, мел, тальк, сернокислый барий и др.
Тканевыми силовыми наполнителями являются корд,
бельтинг и разнообразные рукавные ткани.
При окислении каучука резины стареют, теряют
эластичность, становятся хрупкими. Поэтому в состав
резиновых смесей вводят противостарители: вазелин,
воск, парафин и др. Для облегчения совмещения каучу-
ка с порошкообразным наполнителем и для придания
необходимой мягкости добавляют мягчители: стеарино-
вую и олеиновые кислоты, канифоль, парафин, сосновую
смолу. Для придания нужного цвета в состав резин вво-
дят красители: охру, ультрамарин и др.
862
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ
Основными операциями в технологии приготовления
резиновых смесей являются подготовка ингредиентов, их
смешивание и получение полуфабрикатов определенной
формы
Производство резиновых смесей с порошкообразным
наполнителем. Каучук нарезают на куски и пластифи-
цируют с помощью многократного пропуска через спе-
циальные вальцы, подогреваемые до 40—50° С. В ре-
зультате получают однородную пластическую массу,
обладающую способностью хорошо смешиваться с ос-
тальными ингредиентами.
Пластифицированный каучук смешивают на вальцах
или в смесителях с порошкообразным наполнителем и
другими ингредиентами. Первым в каучук вводят про-
тивостаритель, последним серу или ускоритель вулкани-
зации. Полученную в результате смешивания массу под-
вергают каландрированию.
Каландрирование резиновых смесей проводят на спе-
циальных машинах (каландрах) для получения сырой
резины в виде листов или лент определенной толщины.
По конструкции каландры похожи на рабочую трехвал-
ковую клеть листопрокатных станов. Верхний и средний
валки каландра подогреваются до 60—95° С, а нижний
охлаждается до 15° С. Резиновая масса направляется в
зазор между верхней парой валков; нагреваясь на них,
она обволакивает средний валок и втягивается в зазор
между средним и нижним валком. Выходящую с каланд-
ра листовую резину накладывают на прокладочную
ткань, предупреждающую от слипания, и наматывают
на деревянные барабаны. В таком виде сырая каланд-
рованная резина может сохраняться при температуре
5—20° С до трех месяцев. Каландрованная резина в
дальнейшем подвергается формованию.
Производство резиновых материалов с тканевым на-
полнителем. Лдя получения прорезиненных тканей в
зависимости от назначения применяют легкие или утя-
желенные хлопчатобумажные или льняные ткани и
шелк.
Прорезинивание проводят методами пропитывания и
промазывания тканей резиновыми смесями без напол-
нителя или с порошкообразным наполнителем. Пропитку
663
осуществляют на клеепропиточных машинах резино-
вым клеем или раствором резиновой смеси в органиче-
ском растворителе (бензине, дихлорэтане и др.). Про-
питанная ткань проходит сушку в камерах, а затем под-
вергается вулканизации.
Ткань промазывают на промазочных каландрах. При
этом пластифицированная резиновая масса провальцо-
вывается на каландре и втирается в непрерывно движу-
щуюся ткань. Толщина резиновой пленки на ткани ре-
гулируется зазором между валками каландра. Получен-
ную ткань отправляют на вулканизацию.
Производство эбонитовых смесей. Эбонит получают
смешением каучука со значительным количеством серы
(до 40—50% от массы каучука) с последующим нагре-
вом. Смешение проводят на вальцах или в смесителях.
В качестве наполнителя применяют эбонитовую пыль —
размельченные отходы производства. Полученную эбо-
нитовую смесь перерабатывают в листовой или профиль-
ный материал, формуют и подвергают вулканизации.
Эбонит обладает высокой химической стойкостью,
хорошими диэлектрическими свойствами, легко обраба-
тывается, но имеет низкую температуростойкость. Его
применяют для производства корпусов и пластин акку-
муляторов, деталей слаботочной аппаратуры, в химиче-
ском машиностроении и т. д.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ РЕЗИНЫ
Формообразование резиновых технических изделий
проводят различными методами: шприцеванием, горя-
чим и холодным прессованием, литьем под давлением
и т. д. Каждый метод имеет свои технологические воз-
можности и его применяют для получения определенно-
го типа изделий.
Производство изделий из листовой резины. Сырая
листовая резина, получаемая с каландров после смеше-
ния ингредиентов, и прорезиненная ткань, обработанная
на клеепропиточных машинах, становятся конструкци-
онным материалом только после процесса вулканизации.
Вулканизация — это процесс обработки отформован-
ной сырой резиновой смеси серой, металлическим нат-
рием или диаминобензолом. Различают горячую и хо-
лодную вулканизацию. При горячей вулканизации рези-
864
новую смесь выдерживают при температуре 130—160° С
под давлением 1—4 атм. Вулканизаторы, находящиеся
в резиновой смеси, взаимодействуют с макромолекула-
ми каучука и образуют межмолекулярные связи. При
этом теряется пластичность каучука, изделия приобре-
тают повышенную механическую прочность, упругость
и износостойкость. Для вулканизации применяют спе-
циальные вулканизационные котлы, автоклавы, прессы.
При холодной вулканизации каучук обрабатывают рас-
твором полухлористой серы. В результате изделия ста-
новятся прочными и эластичными.
Готовая листовая резина и прорезиненная ткань по-
ступают на раскрой или штамповку. Для раскроя при-
меняют дисковые, клинковые и циркульные ножи,
а в массовом производстве — резательные машины ро-
торного типа.
Сложные фасонные заготовки вырубают штанцевы-
ми ножами или вырезают по закройным шаблонам.
Штанцевый нож представляет собой рамку соответству-
ющей конфигурации, изготовленную из стальной поло-
сы. Высота штанца составляет 40—80 мм, толщина 4—
5 мм, нижний край с наружной
стороны остро отточен. Вырубку
проводят на специальных прес-
сах, подкладывая под резину де-
ревянные или гуттаперчевые про-
кладки. Вырубку можно прово-
дить и в металлических штампах,
Производство резиновых про-
филей. Резиновые шнуры, поло-
сы, трубки и другие профили по-
лучают шприцеванием —выдав-
ливанием сырой резиновой мас-
сы на червячном прессе через
специальную матрицу. Червяч-
ный винт и рабочий цилиндр
пресса обогревают паром, а из-
делие, выходящее из матрицы,
во избежание деформации ох-
лаждают в воде. Профили имеют
сечение, несколько большее, чем
отверстие в матрице, из-за упру-
гих свойств и дают усадку по
длине,
Рис. 443. Схема литья рези-
ны под давлением:
1 — нижняя крышка; 2—
форма; 3 — верхняя крышка;
4— нижняя часть напорной
камеры; 5 — напорная каме-
ра; 6 — шток; 7 — траверса
пресса; 8 — сердечник формы
865
Отформованные профили подвергают вулканизации.
Прессование. При прессовании сырую резиновую
смесь или прорезиненную ткань совместно (если необ-
ходимо) с армирующими материалами укладывают в
нагретую прессформу, устанавливают на гидравличе-
ский пресс и подают давление 20—100 кгс/см2. Процесс
горячего прессования сопровождается вулканизацией.
При холодном прессовании отформованное изделие по-
догревают и направляют в вулканизационные котлы.
Методом прессования изготавливают клиновидные
ремни, уплотнительные кольца, муфты и т. д.
Литье под давлением. Схема литья под давлением
резиновых изделий представлена на рис. 443. Разогре-
тая сырая резиновая смесь из напорной камеры 5 вы-
давливается штоком 6 через литниковые каналы в фор-
му 2.
Количество отливок зависит от количества гнезд и
емкости формы.
Так как резиновая смесь подается под давлением при
температуре 80—100° С, то одновременно происходит
вулканизация.
При литье под давлением сокращается число подго-
товительных операций (отсутствует каландрирование,
резка и т. д.). Этим способом производят изделия слож-
ной формы и крупногабаритные изделия.
Глава 4
ПРОИЗВОДСТВО ДЕТАЛЕЙ
ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Производство деталей из металлических порошков
относится к отрасли техники, называемой металлокера-
микой или порошковой металлургией. Методы порошко-
вой металлургии позволяют получать материалы и де-
тали, обладающие высокой жаропрочностью, износо-
стойкостью, твердостью, заданными стабильными
магнитными свойствами. При этом порошковая метал-
лургия позволяет получать большую экономию металла
и значительно снижать себестоимость изделий. Напри-
мер, при изготовлении ряда деталей методами литья с
последующей механической обработкой отходы металла
составляют до 60—80%, а при получении деталей мето-
866
дами порошковой металлургии отходы металла могут
составить 2—5%.
Порошковая металлургия позволяет получать метал-
локерамические материалы с особыми физико-химиче-
скими, механическими и технологическими свойствами,
которые невозможно получить методами литья, обработ-
ки давлением.
Технология получения металлокерамических мате-
риалов и деталей состоит из ряда последовательных опе-
раций: получение металлических порошков, формование,
спекание, отделочные операции.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Исходные материалы и метод получения порошков
оказывают влияние на химический состав, размеры и
форму получаемых металлических порошков. Порошки
из одного материала, но полученные разными методами,
будут иметь резкое различие в технологических, физи-
ко-химических и механических свойствах. Поэтому при
выборе метода получения металлического порошка сле-
дует учитывать не только стоимость производства, но и
соответствие порошка условиям его дальнейшей пере-
работки и свойствам получаемого изделия.
Существуют механические и физико-химические мето-
ды получения металлических порошков (табл. 25).
При получении порошков механическими методами
исходный материал измельчают без изменения химиче-
ского состава. Получение металлических порошков ме-
ханическими методами сопряжено с их загрязнением.
При физико-химических методах получения металли-
ческих порошков изменяется химический состав сырья
или его агрегатное состояние. Получение металлических
порошков восстановлением из окислов является наибо-
лее распространенным, высокопроизводительным и эко-
номичным методом.
К основным технологическим свойствам металличе-
ских порошков относятся насыпная масса, текучесть и
прессуемость.
Насыпная масса является объемной характеристикой
и определяется массой единицы объема свободно на-
сыпанного порошка в граммах на сантиметр кубический.
Постоянство насыпной массы обеспечивает постоянную
усадку при спекании. Насыпная масса одного и того же
867
8
Таблица 25
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ
Метод Характеристика метода Материалы Форма и размеры частиц, мкм Примечание
Размол в шаро- вых мельницах Размол в вихре- вых мельницах Виброизмельчеиие Грануляция Восстановление нз окислов Электролиз Карбонильный Восстановление гйдратом кальция Диаметр барабана 250— 1500 мм, скорость вра- щения 30—120 об/мин Скорость вращения про- пеллеров 3000 об/мнн 1400—1500 колебаний в минуту Заливка в воду тонкой струей Ф Восстановители твердые (углерод, магний) в га- зообразные (водород, окись углерода) Осаждение порошка при электролизе солей ме- таллов При 200—300° С распа- дается на порошок и окись углерода Механические методь Черные и цветные металлы Железо, медь, алюминий, сереб- ро, губчатый ти- тан и их сплавы Хрупкие карбиды, окислы металлов, керамика и др. Чугун, медь и др. изико-химические мет Железо, воль- фрам, титан, мо- либден, 1 никель, кобальт и др. Чистые и редкие металлы Железо (магнит- ное) , никель, ко- бальт Хром <1 Неправильный многогранник, 100—1000 Тарельчатые пла- стинки с зазуб- ренными краями, 50—200 Неправильный многогранник, 20—60 Сфероид, 100— 3000 оды Неправильный многогранник, 50—200 Дендрит, 1—100 Сфероид, 1—800 Дендрит, 8—20 Порошки загрязняются продуктами истирания шаров Можно размалывать от- ходы металлообрабаты- вающей промышленно- сти Применяют для спека- ния пористых изделий Наиболее дешевый ме- тод. Получающаяся ме- таллическая губка раз- малывается Можно получать чистые порошки из. загрязненно- го сырья Известь вымывается во- дой
порошка металла будет различной в зависимости от
способа получения. Для изготовления конструкционных
деталей следует применять порошки с большой насып-
ной массой, а для высокопористых изделий — с малой.
Текучесть металлических порошков характеризует
скорость прохождения порошка через отверстие опреде-
ленного диаметра. Текучесть оказывает большое влия-
ние на равномерность заполнения прессформы, на ско-
рость уплотнения при прессовании. Текучесть ухудшает-
ся с уменьшением частиц порошка.
Прессуемость металлических порошков — их способ-
ность уплотняться, приобретать и удерживать нужную
форму при действии сжимающих усилий.
МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ
Холодное прессование. Наиболее распространенным
способом формования металлокерамических деталей яв-
ляется холодное прессование смеси порошков с последу-
ющим спеканием. Прессование состоит из ряда опера-
ций: приготовления шихты, дозировки и засыпки шихты
в прессформу, прессования, выпрессовки.
Приготовление шихты состоит из очистки порошков,
от примесей, классификации, смешивания и гранулиро-
вания. Качество подготовки шихты влияет на механиче-
ские свойства готовых деталей. Дозировку шихты в
прессформы осуществляют по массе или по объему.
Холодное прессование подразделяют на односторон-
нее и двустороннее.
Одностороннее прессование (рис. 444,а). Применя-
ют для изготовления сплошных деталей простой конфи-
гурации с отношением высоты к диаметру меньше двух,
а при прессовании втулок с отношением высоты к тол-
щине стенки — меньше трех.
Под влиянием давления частицы порошка перерас-
пределяются, образуя плотную упаковку, деформируют-
ся упруго и в конечный момент уплотнение происходит
за счет пластической деформации частиц или их хруп-
кого разрушения. Эти явления частично перекрывают
друг друга и могут протекать одновременно. Давление
по высоте прессуемой Детали становится неравномерным
ввиду влияния сил трения порошка о стенку прессформы,
Неравномерное распределение давления приводит к не*
869
равномерной плотности детали и, следовательно, к ухуд-
шению ее качества. Чем больше отношение высоты к
диаметру, тем больше будет колебание плотности.
Двустороннее прессование (рис. 44-1,6). Такое прес-
сование осуществляют взаимным движением навстречу
друг другу двух пуансонов. Этот метод позволяет полу-
чать детали с отношением высоты к диаметру больше
Рис. 444. Схема холодного прессо-
вания:
/ — пуансон; 2 — металлический по-
рошок; 3 — прессформа
Рис. 445. Схема мундштучно-
го прессования:
/ — пуансон; 2 — контейнер;
3 — матрица
двух, так как увеличивается равномерность распределе-
ния плотности по высоте прессовки. При двустороннем
прессовании для достижения одинаковой средней плот-
ности требуется усилие на 30—40% меньше, чем при
одностороннем прессовании.
При прессовании деталей сложной формы с перемен-
ным сечением по высоте необходимо обеспечить равно-
мерное обжатие порошка по всему объему. Это достига-
ется применением нескольких пуансонов с независимым
перемещением.
Гидростатическое прессование. Применяют для полу-
чения металлокерамических заготовок простой формы.
Металлический порошок, заключенный в эластичную
резиновую или металлическую оболочку, подвергают
всестороннему обжатию жидкостью в специальных уста-
новках. Прочность и плотность получаемых изделий за-
висят от давления прессования (10000—30 000 кгс/см2).
870
Установки для гидростатического прессования отлича-
ются простотой конструкции и отсутствием дорогостоя-
щих прессформ. Этим методом можно получать матери-
алы с высокой равномерно распределенной плотностью,
а также заготовки и детали больших габаритов. При из-
готовлении деталей определенной формы необходимо
применять дополнительную механическую обработку.
Мундштучное прессование. Применяют для получе-
ния металлокерамических изделий с большим отношени-
ем длины к диаметру (рис. 445). При мундштучном прес-
совании в шихту добавляют до 10% пластификатора
(парафина). Форма изделия задается формой матрицы
и может быть любой сложности. Полые профили полу-
чают с применением иглы. Изделия, полученные этим
способом, имеют равномерную плотность.
Для прессования металлокерамических деталей при-
меняют механические (эксцентриковые, кривошипные,
кулачковые) и гидравлические прессы. Для повышения
производительности целесообразно применять много-
гнездовые прессформы, позволяющие формовать одно-
временно несколько деталей.
Прокатка металлических порошков. Методом про-
катки получают спрессованную ленту, которую подвер-
гают спеканию. Металлические порошки прокатывают в
вертикальном и горизонтальном направлениях. При про-
катке в вертикальном направлении (рис. 446, а) над вал-
ками 3 устанавливают бункер 1, который предохраняет
порошок 2 от просыпания. В бункере создается столб
порошка высотой, необходимой для непрерывного поступ-
ления порошка под действием собственной массы в очаг
деформации. Очаг деформации определяется углом за-
хвата валков 3. При прокатке в горизонтальном направ-
лении (рис. 446, б) применяют наклонный желоб или при-
нудительную подачу порошка шнековым механизмом.
Объем порошка при прокатке уменьшается в не-
сколько раз. Плотность получаемой ленты зависит от
величины и соотношения диаметра валков, угла захвата
и толщины прокатываемой ленты. Обычно отношение
диаметра валков к толщине прокатываемой ленты вы-
бирают в пределах от 100 :1 до 300:1. Скорость прокат-
ки металлических порошков намного меньше скорости
прокатки металлов. Ее величина ограничивается сыпу-
честью порошка, т. е. линейная скорость поверхности
валков должна быть меньше скорости перемещения по-
871
рошка из бункера в зазор между валками. Поэтому ста-
ны для прокатки металлических порошков имеют очень
низкое число оборотов рабочих валков: 0,33—30 об/мин.
Для заключительных отделочных операций применяют
только двухвалковые и четырехвалковые станы.
Прокаткой можно получать двух- и трехслойные лен-
ты по схеме, приведенной на рис. 446, в. В настоящее
время методом прокатки металлических порошков по-
Рис. 446. Схема прокатки
металлических порошков
лучают ленты толщиной 0,025—3,0 мм и шириной
300 мм.
Прокатка’ металлокерамических материалов являет-
ся перспективным методом порошковой металлургии.
Перед обычным прессованием она имеет ряд преиму-
ществ: 1) отсутствие дорогостоящих прессформ; 2) воз-
можность получения изделий относительно больших га-
баритов при малой толщине и более однородных по плот-
ности; 3) более высокая производительность; 4) не-
большая мощность прокатных станов.
Спекание. После холодного прессования, прокатки
и т. д. полученные материалы, заготовки и детали обла-
дают невысокой прочностью. Для повышения прочно-
сти проводят термическую операцию — спекание. Тем-
пература спекания составляет 2/з от температуры плав-
ления металла порошка для однокомпонентной системы
или ниже температуры плавления основного металла
для многокомпонентной структуры. При спекании про-
ходят сложные физико-химические процессы — восста-
новление поверхностных окислов, диффузия, рекристал-
лизация и др.
Технология спекания влияет на прочность и плот-
ность изделий. Увеличение времени и температуры до
определенного предела приводит к возрастанию прочно-
сти и плотности в результате активизации процессов об-
разования контактных поверхностей. Но с увеличением
температуры и времени увеличивается интенсивность
872
роста зерен, что может привести к снижению механиче-
ских свойств изделия. При спекании происходит усадка,
величина которой зависит от дисперсности, порошка,
температуры и времени спекания. Спекание снимает ос-
таточные напряжения, изменяет физические свойства и
улучшает механические свойства изделий.
Различают спекание в твердой и жидкой фазах. Пос-
леднее возможно только при многокомпонентных систе-
мах, когда один или несколько компонентов переходят в
жидкое состояния. Спекание с жидкой фазой позволяет
получать более плотные изделия за счет активизации
капиллярных сил, приводящих к затягиванию пор.
В промышленности большее распространение полу-
чил процесс спекания в твердой фазе, когда спекание
отдельных элементарных кристаллов происходит за
счет диффузии в твердом состоянии.
Для спекания применяют пламенные или электриче-
ские печи. Спекание проводят в вакууме или в защитной
атмосфере из водорода, окиси азота с водородом, водя-
ного газа, генераторного газа и т. д.
Так как при спекании возможно коробление, то тон-
кие и плоские детали спекают под давлением. Получен-
ный брак (низкая прочность, окисление) исправляют
повторным спеканием.
Горячее прессование заключается в совмещении опе-
раций прессования порошка и спекания. Повышенная
температура порошка позволяет применять значительно
меньшие усилия, чем при холодном прессовании. Дета-
ли, полученные горячим прессованием, имеют хорошую
однородность, более высокие прочность и плотность.
Горячее прессование применяют для изготовления
деталей из твердых сплавов и специальных жаропрочных
материалов, а также для деталей с большой разницей
диаметральных размеров и толщины.
При горячем прессовании применяют графитовые
или угольные прессформы, реже стальные. Нагрев по-
рошка и прессформы осуществляют индукционным и
электроконтактным методами.
Несмотря на большие преимущества горячего прес-
сования, применение его ограничено рядом недостатков:
1) графитовые и угольные прессформы имеют низкую
стойкость (четыре-пять прессовок) и оказывают наугле-
роживающее действие; 2) высокая температура процес-
са вызывает трудности в выборе материала для пресс-
55—481
873
форм, значительно усложняет их конструкцию; 3) воз-
никают большие трудности при создании защитной
атмосферы; 4) горячее прессование по сравнению с хо-
лодным прессованием малопроизводительно.
ОТДЕЛОЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ
При необходимости спеченные металлокерамические
изделия подвергают отделочным операциям: калибро-
ванию, обработке резанием, термической и химико-тер-
мической обработке, повторному прессованию.
При калибровании спеченное изделие продавливают
через определенное отверстие в стальных прессформах
специальной конструкции. При этом происходит не толь-
ко уточнение размеров, но и полировка поверхности и
некоторое снижение пористости.
Механической обработке подвергают заготовки для
получения деталей сложных форм (твердосплавные
вставки и матрицы штампов, волоки и т. д.), для наре-
зания наружных и внутренних резьб, для получения ма-
лых по диаметру, но глубоких отверстий и т. д.
Особенности механической обработки связаны с
остаточной пористостью материалов, высокой твердо-
стью и возможностью расслоения. Электроискровой и
электроимпульсный методы применяют для получения
деталей сложной формы. Черновое шлифование, резку и
заточку твердосплавного режущего инструмента прово-
дят зеленым карборундом. Чистовое шлифование и иног-
да резку осуществляют алмазными кругами. Твердо-
сплавным режущим инструментом обрабатывают мяг-
кие металлокерамические материалы и детали из них.
Химико-термическую обработку металлокерамичес-
ких изделий (азотирование, хромирование, цианирова-
ние и т. д.) проводят так же, как и для металлов. Но
обработка происходит более активно ввиду наличия по-
ристости и, следовательно, более развитой поверхности.
Повторное прессование применяют для получения
деталей сложной формы. В этом случае при первом
прессовании получаю^ приближенную форму и размеры,
а при втором прессовании достигают заданных размеров
и Формы,
874
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
К пористым относятся металлокерамические матери-
алы, имеющие остаточную пористость в пределах 15—
50%. В эту группу входят антифрикционные материалы,
фильтры и «потеющие» материалы и др.
Антифрикционные материалы имеют в своем составе
графит или другие компоненты, выполняющие роль
смазки. Поры заполняются маслом или пластмассой
фторопластом. В СССР выпускают бронзографитовые
и железографитовые металлокерамические изделия. Брон-
зографит по микроструктуре представляет собой зерна
твердого раствора олова в меди с включением графита
и пор, заполненных смазкой. Железографит может иметь
ферритную, перлитную и цементитную структуру.
Антифрикционные металлокерамические материалы
используют для изготовления подшипниковых втулок,
применяемых в различных отраслях промышленности
(автомобильной, станкостроительной, авиационной
и т. д.).
Фильтры изготавливают из порошков железа, брон-
зы, никеля, нержавеющей стали и других материалов.
Пористость фильтров не менее 40—5О°/о. Фильтры при-
меняют для очистки топлива в двигателях самолетов,
автомобилей, тракторов и т. д., для очистки воздуха и
различных жидкостей.
•Потеющие металлокерамические материалы предназ-
начены для охлаждения за счет испарения хладагента
через поры. Их изготавливают из порошков нержавею-
щей стали, никеля, вольфрама, титана и т. д.
Фрикционные металлокерамические материалы. Эти
материалы представляют собой сложные по химическо-
му составу композиции на основе меди или железа.
В состав фрикционных материалов входят ком-
поненты, служащие в качестве смазки и предохра-
няющие материал от износа (свинец, графит, различные
сульфиды и сернокислые соли), компоненты,'придающие
материалу высокие фрикционные свойства (асбест, квар-
цевый песок, различные окислы, тугоплавкие соедине-
ния и т. д.).
Фрикционные металлокерамические материалы имеют
повышенную хрупкость и низкую прочность. Поэтому
изделия из них, как правило, состоят из стальной осно-
вы с нанесенным на иее слоем фрикционной металлоке-
55*
875
рамики. Фрикционные металлокерамические материалы
применяют в самолетостроении, автомобилестроении,
экскаваторостроении и т. д., в тормозных узлах и узлах
сцепления. Методами порошковой металлургии изготав-
ливают также некоторые магнитокерамическиё матери-
алы (ферриты, магнитодиэлектрики и др.), электрокон-
тактные и т. п.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К ДЕТАЛЯМ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫМ МЕТОДАМИ
ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Технология производства металлокерамических де-
талей, как и любая другая, предъявляет к конструкции
деталей требования, связанные с особенностью приме-
няемых материалов и спецификой технологии.
При конструировании металлокерамических деталей
необходимо руководствоваться следующим (рис. 447):
Рис. 447. Примеры нетехнологнчной (а) и технологичной (б) конструкций ме-
таллокерамических деталей
876
1. Нельзя допускать резких изменений толщины де-
тали 1.
2. Нельзя допускать узких и длинных выступов 2, узких
и длинных выемок 3, обратной конусности 4, острых уг-
лов 5.
3. Сопрягающиеся поверхности должны иметь радиу-
сы перехода не менее 0,25 мм.
4. Следует избегать радиальных канавок 6, выемок
и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прес-
сования 7. При необходимости следует получать их при
последующей обработке резанием.
5. В зависимости от удобства прессования необходи-
мо углубление и пазы заменять выступами 8 и, наобо-
рот, выступы заменять углублениями 9,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бобрынин Б. И. Технология штамповки неметаллических мате-
риалов. М., Машгиз, 1962. 240 с. с ил.
Бокин М. Н., Цыплаков О. Г. Расчет и конструирование дета-
лей из пластмасс. М., «Машиностроение», 1966. 174 с. с ил.
Брацыхин Е. А., Миндин С. С., Стрельцов К. Н. Переработка
пластических масс и изделия. М., «Химия», 1966. 389 с. с нл.
Веденеев Н. П., Волченков Л. И., Новгородов А. С. Твердосплав-
ная технологическая оснастка. М., Машгиз, 1961. 1120 с. с ил.
Веселов В. А. Оборудование для переработки пластических масс
в изделия. М., Машгиз, 1961. 210 с. с ил.
Вязников Н. Ф., Ермаков С. С. Металлокерамические материалы
и изделия. М., «Машиностроение», 1967. 224 с. с ил.
Григорьев Г. П., Ляндзберг Г. Я-, Сирота А. Г. Полимерные ма-
териалы. М., «Высшая школа», 1966. 260 с. с ил.
Кипарисов О. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. М.,
«Металлургия», 1972. 527 с. с ил.
Николаев Г. А., Ольшанский Н. А. Новые методы сварки метал-
лов и пластмасс. М., «Машиностроение», 1966. 168 с. с ил.
Типикин В. Ф., Лейбензон Л. М., Новак В. М. Гидравлические
прессы для неметаллических материалов. М., «Машиностроение»,
1969. 165 с. с ил.
Тростянская Е. Б., Комаров Г. В., Шишкин В. А. Сварка пласт-
масс. М„ «Машиностроение», 1967. 251 с. с ил.
Химическое нефтеперерабатывающее и полимерное машиностро-
ение. Итоги науки и техники (сер. «Машиностроение»). М., ВИНИТИ,
1971. 122 с. с ил.
ПРИЛОЖЕНИЯ1
ТАБЛИЦА 1
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРЫХ ЧУГУНОВ (ГОСТ 1412-70)
Марка чугуна Предел проч- ности при растяжении, не менее, кгс/мм2 Предел проч- ности при изгибе не менее, кгс/мм2 Стрела про- гиба при рас- стоянии меж- ду опорами 300 мм Твердость НВ
СЧ12-28 12 28 2 143—229
СЧ 15-32 15 32 2,5 163—229
СЧ 18-35 18 36 2,5 170—229
СЧ21-40 21 40 3 170—241
СЧ24-44 24 44 3 170—241
СЧ28-48 28 48 3 170—241
СЧ32-52 32 52 3 187—255
СЧ36-56 36 56 3 197—269
СЧ40-60 40 60 3,5 207—269
СЧ44-64 44 64 3,5 229—289
ТАБЛИЦА 2
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ (ГОСТ 7293-70)
Марка чугуна Предел прочности при рас- тяжении, кгс/мм2 Условный предел теку- чести при растяжении, кгс/мм2 Относи- тельное удлине- ние, % Ударная вязкость, кгс-м-см2 Твердость, НВ
не менее
ВЧ38-17 38 24 17 6,0 140-170
ВЧ42-12 42 28 12 4,0 140—200
ВЧ45-5 45 33 5 3,0 160—220
ВЧ50-2 50 38 2 2,0 80—160
ВЧ30-2 60 40 2 2,0 200—280
ВЧ70-3 70 40 3 3,0 . 229—275
ВЧ80-3 80 50 3 2,0 220—300
ВЧ100-4 100 70 4 3,0 302—369
ВЧ 120-4 120 90 4 3,0 302—369
ТАБЛИЦА 3
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОВКИХ ЧУГУНОВ (ГОСТ 1215—59)
Марка (ел ности енее), мм2 О) я is? 3? - JO с Марка ;ел ности енее), мм2 % * •ЭИ ЭИИЭН1 эон -И3( J3 h- «Оф
чугуна Пре; проч (не м кгс/1 о л ® S 5 о GJ Я Ф Оа X ф QO о «•чю чугуна Пред проч (не м кгс/: О £ 5 ч 5ф ф А ф Ч х ф О. Ф ФСО Ч ° ЬОчэ
Ферритных Перлитных
КЧ37-12 37 12 163 КЧ45-6 45 6 241
КЧ35-10 35 10 163 КЧЗО-4 50 4 241
КЧ38-8 33 3 163 КЧ56-4 56 4 269
КЧЗО-6 30 163 K4j0-3 60 3 269
КЧ63-2 63 2 269
1 В приложениях приведены справочные данные о составе, свойствах и
применении наиболее распространенных сплавов.
878
ТАБЛИЦА 4
УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА (ГОСТ 380-71)
Стали группы А Стали группы Б
марка стали <JB, кгс/мм2 <JT, кгс/мм2 не менее i б, % марка стали С. % Мп, % примерное назначение
СтО >31 — 23 БСтО 0,23 Настилы, ограждения
Ст1кп 31—40 35 БСт1кп 0,06—0,12 0,25—0,50 Элементы строительных конструкций неот- ветственного назначения; трубы, заклепки,
Ст1пс 32—42 —— 34 БСт1пс 0,06—0,12 0,25—0,50
Ст1сп 32—42 — 34 БСт1сп 0,06—0,12 0,25—0,50 анкерные болты
Ст2кп 33—42 22 33 БСт2кп 0,09—0,15 0,25—0,50
Ст2пс 34—44 23 32 БСт2пс 0,09—0,15 0,25—0,50
Ст2сп 34—44 23 32 БСт2сп 0,09—0,15 0,25—0,50 Листы для холодной штамповки
СтЗкп 37—47 I 24 27 БСтЗкп 0,14—0,22 0,30—0,60 Балки, листы для строительных конст-
СтЗпс 38—49 25 26 Б СтЗпс 0,14—0,22 0,40—0,65 рукций, листы для холодной штамповки,
СтЗсп 38—49 25 26 Б СтЗсп 0,14—0,22 0,40—0,65 трубы, крюкн, рычаги, шайбы» гайки
Ст4кп 41—52 26 25 БСт4кп 0,18—0,27 0,40—0,70
Ст4пс 42—54 27 24 БСт4пс 0,18—0,27 0,40—0,70
Ст4сп 42—54 27 24. БСт4сп 0.18—0,27 0,40—0,70
Ст5пс 50—64 29 20 Б Стбпс 0,28—0,37 0,50—0,80 Оси, валы, рычаги, тяги, стяжные кольца, детали сельскохозяйственного машнно-
Стбсп 50—64 29 20 Б Стбсп 0,28—0,37 0.50—0,80
Стбпс >60 32 15 Б Стбпс 0,38—0,49 0,50—0,80 строения повышенной прочности
Стбсп >60 32 15 БСтосп 0,38—0,49 0.50—0,80
Примечания. 1. Химический состав сталей марок СтО—Стб группы А не регламентируется; ориентировочный состав —
как у сталей группы Б. Содержание кремния в сталях кипящих (кп) 0,07%, полу спокойных (пс) 0,05—0,17%, в спокойных
БСт1сп—БСт4сп 0,12—0,30%; в Стбсп, Стбсп 0,15—0.35%. В сталях марок БСт1—БСтб <0,05% S и <0,04% Р; БСтО <0,06% S и
<0,07% Р.
2. Механические свойства сталей марок Ст1—Стб приведены для образцов из листа толщиной до 20 мм. Для образцов из ли-
ста толщни 20—40 мм значения от на 1 кгс/мм2 и б на 1% меньше, для образцов нз листа толщиной 40—100 мм от на
2 кгс/мм2. б на 3% меньше, чем для образцов нз листа толщиной до 20 мм.
ТАБЛИЦА 5
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ (КОНСТРУКЦИОННЫЕ) СТАЛИ: УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ
(ГОСТ 1050—74) И ЛЕГИРОВАННЫЕ (ГОСТ 4543—71)
Марка стали Химический состав, % Примерное назначение
С Мп S1 Сг N1
1 2 3 4 5 6 7
Используемые без термической обработки
08кп 0,05—0,11 0,25—0,40 <0,03 <0,10 <0,25 Листы, штампуемые в холодном состоянии:
Юки 0,07—0,14 0,25—0,50 <0,07 <0,15 <0,25 для глубокой штамповки, сложной гибки пред-
15кп 0,12—0,19 0,25—0,50 <0,07 <0,25 <0,25 почтительнее кипящие стали
08 0,05—0,12 0,35—0,65 0,17—0,37 <0,10 <0.25
10 0,07—0,12 0,35—0,05 0,17—0,37 <0,15 <0,25
45 0,42—0,50 0,50—0,80
55 0,52—0.60 0,50—0,80
60 . 0,57—0,65 0,50—0,80
45Х 0,41—0,49 0,50—0,80
50Х 0,46—0,54 0,50—0,80
Применяемые для поверхностной закалки ТВЧ
0.17—0,37 <0,25 <0,25 Оси, валы, шестерни, коленчатые и распреде-
0,17—0,37 <0,25 <0,25 лительные валы, шпиндели
0,17—0,37 <0,25 <0,25
0,17—0,37 0,8—1,1 <0.30
0,17—0,37 0,8—1,1 <0,30
Улучшаемые прокаливающиеся полностью в деталях диаметром до 12—15 мм
30 0,27—0,35 0,50—0,80 0,17—0,37 <0,25 <0.25
35 0,32—0,40 0,50—0,80 0,17—0,37 <0,25 <0,25
40 0,37—0,40 0.50—0,80 0,17—0,37 <0,25 <0,25
45 0,42—0,50 0,50—0,80 0,17—0.37 <0,25 <0,25
50 0,46—0,55 -0,50—0.80 0,17—0,37 <0,25 <0,25
55 0,52—0.60 0.50—0.80 0.17—0,37 <0,25 <0.25
Оси, валы, штоки, шестерни, шпиндели: с уве-
личением углерода прочность повышается
Продолжение табл. 5
Марка стали Химический состав, % Примерное назначение
С Мп Si Сг N1
1 2 3 4 5 6 7
Прокаливающиеся полностью в деталях диаметром до 25—35 мм
СЮ СЮ **— 35Г2 35Х 40Х' 0,31—0,39 0,31—0.39 0,36—0.44 1,4 —1,8 0,50—0,8 0,50—0,8 0,17—0,37 0,17—0,37 • 0,17—0,37 0,30 0,8—1,1 0,8-1,1 «0.30 <0.30 <0,30 Оси, валы, шестерни, коленчатые и распреде- лительные валы, пальцы, штоки, шатуны
45Х 40ХС 40ХФА 0,41—0.49 0,37—0.45 0.37—0,44 0,5—0,8 0,3—0,8 0,5—0.8 0,17—0,37 1,2—1,6 1,2—1,6 0.8—1.1 1.3—1.6 0,8—1.1 <0,30 <0,30 <0,30 То же. ио для более сильно нагруженных деталей
25ХГСА ЗОХГТ ЗОХГС 35ХГСА 40ХМН ЗОХНЗА 30ХН2БФ 38ХНЗМФ Прим и 0,035% Р 2. В ст 0,5—0,8% 0,22—0,28 0,24—0.32 0,28—0,35 0,32—0,39 0,37—0,44 0,27—0,33 0.27—0,34 ' 0,30—0,42 е ч а и и е: 1. ’ ; в высококачес али 40ХФА сох V, 0.15—0,30% 0,8—1,1 0,8—1,1 0,8—1,1 0,8—1,1 0,5—0,8 0,3—0,6 0.3—0,6 0,3—0,6 3 углеродистых твенных сталях хержнтся 0,10— V: в стали 38 0,9—1,2 0,17—0,37 Прокали 0,9—1,2 1.1—1.4 0,17—0,37 Прокалив 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 сталях содерз (с буквой А) 0,18% V; в ста ХНЗМФ 035—0 0,8—1,1 1,0—1,3 бающиеся до 0,8—1,1 1,1—1,4 0,6—0,9 ающиеся до 73 0.6—0,9 0,6—0.9 1,2—1,5 •кится ие боле содержится ме ли ЗОХГТ 0,06- .45% Мо, 0.1— «0,30 <0,30 40—50 (75 мм «0,30 «0,30 1,25—1,65 —1О0 (120 мм 2,75—3,15 2,0—2,4 3,0—3,4 0,04% S и нее 0,030% S -0,12% Ti; в 0,2% V. Оси, валы, рычаги, толкатели Оси, валы, лопатки компрессорных машин, рычаги, толкатели. Клапаны, шатуны, шестерни высокой проч- ности ) Коленчатые валы, шатуны, шпиндели, роторы и диски турбин и другие детали ответствен' кого назначения ),035% Р, в легированных — не более С,035% S 0,025% Р. стали 40ХМН 045—0,25% Мо; в стали 30ХН2ВФ
ТАБЛИЦА 6
НЕКОТОРЫЕ ЦЕМЕНТИРУЕМЫЕ И АЗОТИРУЕМЫЕ СТАЛИ: УГЛЕРОДИСТЫЕ (ГОСТ 1050—74)»
ЛЕГИРОВАННЫЕ (ГОСТ 4543—71)
Марка стали Химический состав, % Механические свойства Примерное назначение
С Мп Сг Ni твердость HRC V кгс °н' кгс-м
мм2 см2
Цемент уемые стал и
10 0,07—0,13 0,35—0,65 <0,25 <0,25 60—62 42 — Малой а груженные детали с невысокой
15 0,12—0,19 0,35—0,65 <0.25 С0.25 60—62 45 — прочностью и вязкостью в сердцевине
20 0,17—0,24 0,35—0,65 <0,25 <0,25 60—62 47 —
15Х 0.12—0,18 0,40—0,70 0,7—1,0 <0,35 58—62 75 10 Детали с повышенной прочностью и
20ХН 0,16—0,23 0,30—0,60 0,45—0,75 1,0—1,4 58—62 85 9 высокой вязкостью в сердцевине
12ХНЗ 0,09—0,16 0,30—0,60 0,6—0,9 2,75—3,15 58—62 120 10 Детали более крупного сечения с вы-
20ХНР 0,16—0,23 0.30—0,60 0,7—1,1 0,8—1,1 58—62 130 9 сокой прочностью и вязкостью в серд-
18ХГТ 0.17—0,23 0,8—1,1 1,0—1,3 — 58—62 130 8 цевнне То же. при меньшей вязкости в серд-
ЗОХГТ 0.24—0,32 0.8—1,1 1,0—1,3 — 58—62 150 7 цевине
Аз этируемые стали
38ХМЮА 0,35—0,42 0,3—0.6 1,35—1,65 . 60—71 — Гильзы цилиндров двигателей, колен-
40ХНМА 0,37—0,44 0,5—0,8 0,6—0.9 1,25—1,65 56—60 — чатые валы, пальцы, шпиндели стан-
34XH3M 0,30—0,40 0,5—0,8 0,7—1,2 2,75—3,25 56—60 — — ков, шестерни, втулки и др.
Примечания: 1. Во всех сталях содержится 0,17—0,37% S1. В углеродистых сталях содержится <0,040% S; <0,035% Р;
в легированных сталях <0,035% S и <0,035% Р; в сталях 38ХМЮА и 40ХНМА <0,030% S и <0,030% Р.
2. В стали 20ХНР содержится 0,001—0,005% В; в сталях 18ХГТ и ЗОХГТ 0,03—0,09% Ti; в стали 38ХМЮА 0,7—1,1% А1; в стали
40ХНМА 0,15—0,25% Мо; в стали 34XH3M 0.25—0,40% Мо.
3. Механические свойства цементируемых сталей даны после закалки и низкого отпуска (150—200° С). Для сталей 10, 15,
20 ан колеблется в широких пределах; для сталей 38ХМЮА, 40ХНМА, 34XH3MA механические свойства зависят от температуры
отпуска и сечения детали.
ТАБЛИЦА 7
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ (РЕССОРНО-ПРУЖИННЫЕ) СТАЛИ (ГОСТ 14959—69)
Марки ста’ли Химический состав, % Темпера- тура отпуска, °C Механические свойства Примерное назначение
С Мп Si кгс/мм2 °в- кгс/мм2
65 70 75 0,62—0,70 0,67—0,75 0,72—0,80 орр ел ел ел 1 ! L р р р со оо со 0,17—0,37 0,17—0,37 0,17—0,37 380 320 380 80 85 90 100 105 ПО Различные пружины механизмов н машин
50CI 55С2 60С2 70СЗА 0,45—0,55 0,52-0,60 0,57—0.65 0,66—0,74 0,6—0,9 0,6—0,9 0,6—0,9 0,6—0,9 1,5—2,0 1,5—2,0 1,5—2,0 1.5—2,0 460 400 460 460 120 150 140 160 130 170 160 180 Пружины и рессоры в авто-, тракторо-, станко- строении, железнодорожном транспорте Тяжелонагруженные пружины
60С2ХФА 65С2ВА 70С2ХА 0,56—0,64 0,61—0,69 0,65—0,75 0.4—0,7 0.7—1,0 0,4—0,6 00 OS « сч 1 1 1 •spin •sP 410 420 420 170 170 170 190 190 190 Ответственные и тяжелонагруженные пружины и рессоры Пружины часовых механизмов и приборов
65Г 50ХГ 60СГ 0,62—0,70 0,46—0,54 0,55—0,65 0,9—1,2 0.7—1,0 0,8—1,0 0,17—0,37 0,17—0,37 1,3—1,8 480 420 460 85 130 140 105 150 160 Пружины, рессоры автомобилей
50ХФА 60С2Н2А 0,46—0,54 0,56—0,64 0.5—0.8 0,4—0.7 0,17—0,37 1.4—1,8 475 420 160 160 170 175 Рессоры, клапанные и другие пружины автомо- билей Крупные особо ответственные пружины и рессоры
СЮ СЮ СО Примечания: 1. В большинстве сталей содержание фосфора не превышает 0,030—0,035%, серы 0.030—0,035%; в сталях 50С2, 55С2. 60С2, 50ХГ S<0,04%; Р<0.04%; в сталях 65, 70, 75 S<0,04%. 2. В стали 60С2ХФА содержится 0,9—1,1% Сг, 0,1—0.2% V; в стали 65С2ВА 0,8—1,2% W; в стали 70С2ХА 0,2—0,4% Сг; в стали 50ХГ 0,9—1,2% Сг; в стали 50ХФА—0,8—1,1 % Сг; 0,1—0,2% V; в стали 60С2Н2А 1,4—1,7% Ni.
ТАБЛИЦА 8
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ (ГОСТ 19287—73)
Марка сТалн Химический состав, % Механические свойства
С st Мп Сг <тЕ, кгс/мм2 я Я £ еГ 1«. %
09Г2 <0,12 0,2—0,4 1,45—1,75 <0,3 47 34 21
14Г2 0,12—0,18 0,2—0,4 1,2—1,6 <0,3 50 35 23
17ГС 0,12—0,18 0,4—0,6 1,1—1,4 <0,3 50 34 23
14ХГС 0,11—0,17 0,4-0,7 0,9—1,3 0,5—0,8 52 36 20
10ХНСНД** <0,12 0,8—1,1 0,5—0,8 0,6—0,9 54 40 19
15ХСНД*8 0,12—0,18 0,4—0,7 0,4—0,7 0,6—0,9 50 35 21
10Г2С1 <0,2 0.8—1,1 1,3—1,65 <0,3 51 36 21
15Г2СФ*3 0,12—0,18 0,4—0,7 1,2—1,6 <0,3 58 42 19
Примечание. Содержание серы и фосфора во всех сталях не превы-
шает 0,035% каждого элемента, а никеля и меди — 0,30% каждого элемента.
♦* Содержит 0.5—0,8% Ni; 0,4—0,65% Си.
*2 Содержит 0,3—0,6% Ni; 0,2—0,4% Си.
*8 Содержит 0,05—0,10% V.
ТАБЛИЦА 9
УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ (ГОСТ 1435-74)
Марка стали С, % Темпера - Тура отпуска tf °C Твер- дость ИКС Назначение
У7, У7А У8, У8А 0,65—0,74 0,75—0,84 280—300 280—300 56—58 56—58 Зубила, клейма, ножни- цы, инструменты для об- работки дерева, штампы
У 9—У9А У10, У10А УН—УНА 0,85—0,94 0,95—1,04 1,05—1,14 180—200 180—200 180—200 60—62 60—62 60—62 Метчики, сверла, ножов- ки, развертки, резцы для обработки мягких мате- риалов
У12—У12А У13—У13А 1,15—1,24 1,25—1,35 160—180 160—180 62—64 62—64 Напильники, бритвы, граверный инструмент и т. п.
Примечание. Содержание постоянных примесей: <0,30—0,35% SI;
<0,35—0.40% Мп; в сталях У7—У13 <0,03% S; <0,03% Р; в сталях У7А—
У13А <0,02% S; <0,02% Р.
884
НЕКОТОРЫЕ МАРКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ И БЫСТРОРЕЖУЩИХ ТАБЛИЦА 10 СТАЛЕЙ
Марка Химический состав, % Темпера- Твердость, НВ Примерное назначение
стали С 1 Мп ] S1 | Сг | W | V тура от- пуска, °C
ХВ5 1,25—1.50 <0.3 <0,3 Легированы. 0,40—0,7 ле стали (ГС 4,5—5,5 >СТ 5950—7$ 0.15—0,30 ) 100-120 65—66 ! Граверный инструмент» резцы
X 9ХС ХГСВФ 0,95—1.10 0,85—0,95 0,95—1,02 <0,4 0.3—0,6 0.7—1,0 <0,35 1,2—1,6 0,7—1,0 1,3—1,6 0,95—1,25 0.6—1,0 0,8—1,1 0.08—0,15 150—200 140—180 140—160 61—64 62—65 61—63 Напильники, резцы Напильники, инструмент для легких условий ре- зания
хг* ХВГ* Р18 PI2 Р9 Р6М5 1,3—1,5 0,9—1,0 0,7—0.8 0,8—0,9 0.85—0.95 0,80—0.88 0.45—0,7 0,8-1,0 <0.35 <0.35 1.3—1,6 0,9—1,2 Быстрорея 3,8—4,4 3,1—3,6 3,5—4,4 3,8—4,4 1,2—1.6 'сущие стали 17—18,5 12,0—13,0 8,5—10,0 5,5—6,5 (19265—73) 1.0—1,4 1,5—1,9 2,0—2,6 1,7—2,1 150—200 140—160 560 560 560 550 61—64 62—65 63—65 63—65 63—65 63—65 Протяжки, зенкеры, раз* вертки Теплостойкость до 620е С. Фрезы, сверла, метчики, протяжки, зенкеры
Р14Ф4 1,2—1,3 — — 4.0—4,6 13—14,5 3,4—4,1 570 64—66 Развертки, зенкеры, про- тяжки повышенной стой- кости
Р10К5Ф5 P8M4R8 Прим <0,035% Р жит 1,0% 1,45—1,55 1,0—1,1 е ч а н и я: ] . 2. Стали Р Мо н 5,0—6,0 . В быстр< 18, Р9, Р14< % Со; Р8М4 режущих Х>4 содержа К8 3,8—4,3^ 4.0—4,6 3,0—3,6 ггалях сод ер т до 1,0% М Мо и 7,5—£ 10—11,5 8,5—9,5 жание норм о; сталь Р12 ,5% Со. 3. Л 4,3—5,1 2,1—2.5 альных пр >0,5% Мо; 1ля быстро. 570 550 имесей: < сталь Р6М )ежущих ст 64—67 65—68 0,4% Мп, 5 5,0—5,5% алей отпус Повышенная теплостой- . кость (635—640° С). Реза- ние нержавеющих, жаро- прочных сталей, конст- рукционных сталей с HR С 35—45 <0,5% Si, <0,03% S, Мо. Сталь Р10К5Ф5 содер- < повторяют два-три раза.
Малод ефор м иру ющиеся ста ли при з акал ке.
си
ТАБЛИЦА 11
НЕКОТОРЫЕ СПЕЧЕННЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ (ГОСТ 3882-74)
Марка ! сплава { Состав, % Твердость HRC Примерное назначение
вкз 97% WC; 3% Со 76 Чистовое точение чугу- на; обработка стекла, пластмасс, резины
ВК6 94% WC; 6% Со 73 Чистовое и черновое не- прерывное точение чугу- на, цветных металлов
ВК6М*1 94% WC; 6% Со 76 Обработка аустенитных сталей
ВК6В*а 94% WC; 6% Со 71 Бурение горных пород
ВК8 32% WC; 8% Со 71 Черновое точение, стро- гание, фрезерование чу- гунов
ВК15 85% WC; 15%Со 68 Бурение горных пород, обработка гранита, во- лочение стали
Т30К4 66% WC; 30% TiC; 4% Со 80 Точение с малым сечени- ем среза, развертывание
Т15К6 79% WC; 15% TiC; 6% Со 76 Чистовое точение, фре- зерование
Т5К12 83% WC; 5% TiC; 12% Со 70 Тяжелое черновое точе- ние, строгание
ТТ7К12 81% WC; 7% TiC и ТаС; 12% Со 70 Точение, строгание при больших нагрузках
Буква М — обозначает мелкозернистый.
*2 Буква В (в конце) обозначает крупнозернистый.
886
ТАБЛИЦА 12
СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ МАРОК ВЫСОКОХРОМИСТЫХ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ
(НЕРЖАВЕЮЩИХ) СТАЛЕЙ (ГОСТ 5632-72)
Марка стали Класс Тип стали (Сг, %) С, % Сг. % <ТВ, кгс/мм2 Примерное назначение
08X13 ф <0,08 12—14 45 Изделия, устойчивые к слабоагрессивным
12X13 М—Ф 0,09—0,15 12—14 60 средам (атмосфера, растворы солей и др.)
20X13 м 13 0,16—0,25 12—14 85
30X13 м 0,26—0,35 12—14 160 Хирургический, мерительный инструмент,
40X13 м 13 0,36—0,45 12—14 — пружины, иглы
12X17 ф <0,12 16—18 45 Оборудование химической, пищевой, легкой
17 промышленности
08X17Т ф <0,08 16—18 45 То же, но и для сварных конструкций
15Х25Т ф 25—28 <0,15 24—27 45 То же, для сильно агрессивных сред,
15X28 ф 25—28 <0,15 27—30 45 15Х25Т для сварных конструкций
Примечания: 1. Классы сталей: Ф — ферритный, М—Ф—мартенсито-ферритный, М — мартенситный. 2. Большинство ста-
лей содержит <0,8% Мп, <0,8% Si; в сталях 15Х25Т, 15X28 ~ 1% Si. Во всех сталях < 0,025% S, <0,030—0,035% Р. В стали
08Х17Т содержится 0,4—0,8% Т1, в стали I5X25T 0,75—0,9% Ti. 3. Стали 08X13, 12X13, 20X13 используются и как жаропрочные;
0° стали 12X13, 12X17—как жаростойкие; стали 08Х17Т, 15Х25Т, 15X28 — преимущественно как жаростойкие.
ТАБЛИЦА 13
СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ КОРРОЗИОННОСТОИКИХ (НЕРЖАВЕЮЩИХ)
СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО, АУСТЕНИТО-ФЕРРИТНОГО И АУСТЕНИТО-МАРТЕНСИТНОГО
КЛАССОВ (ГОСТ 6632—72)
Марка стали Тип Химический состав, % Примерное назначение
С Сг N1 другие элементы
1 2 3 4 5 6 7
Стали аустенитного класса
12Х18Н9 17Х18Н9 18—9 <0,12 0,13—0,21 17—19 17—19 00 00 ъ° —
04Х18Н10 08Х18Н10 12Х18Н10Т 12Х18Н10Е 18—10 <0,04 <0,08 <0,12 <0,12 17—19 17—19 17—19 17—19 9—11 9—11 9-11 9—11 0,6—0,7 Ti Селей 0,18—0,35 Различные детали, трубы, баки, конструкции, устойчивые к морской воде, растворам азотной и орга- нических кислот, слабых щелочей. Стали 04Х18Н10, 03Х18НП устойчи- вы к азотной кислоте и азотио- кислотиым средам. Для сварных конструкций рекомен- дуются стали с титаном или нио- бием
03Х18Н11 06Х18Н11 18—11 <0,03 17—19 10,5—12,5 10—12 —
03Х18Н12 08Х18Н12Т 12Х18Н12Т 08Х18Н12Е 18—12 <0,03 <0,08 <0,12 <0,08 17—19 17—19 17—19 17—19 11,5—13 11—13 П—13 11—13 <0,4Мп; <0,4Si 0,5—0,6Ti 0.6—0.7Т1 0,8—l.lNb
ОЗХ16Н15МЗБ 03Х17Н14М2 08Х17Н13М2Т 10X17H13M3T Сг—Nt—Мо <0,03 <0,03 <0,08 <0,10 15—17 16—18 16—18 16—18 14—16 13—15 12—14 12—14 2,5—3,0Мо; 0,25—0,5Nb 2,0—2.8Мо 2—ЗМо; 0,4—0.7Т1; 3—4Мо; 0,5—0.7Т1 Детали сварные, аппаратура для кипящей серной и фосфорной кис- лоты
56-481
Продолжение табл. 13
Марка стали Тип Химический состав % Примерное назначение
С Сг N1 другие элементы
1 2 3 4 5 6 . 7
1ОХ14Г14НЗ 10Х14Г12Н4Т Сг—Ni—Мп 0,09—0,14 <0,10 12,5—14 13—15 2,8—3,5 2,8—4,5 13—15Mn; <0,7St 0,5—0,6Ti 13—15Mn Изделия, работающие в слабоаг- рессивных средах, стиральные ма- шины и т. п.
10Х14АГ15 15Х17АГ14 Сг—Мп—А <0,10 <0,15 13—15 16—18 <0,6 14,5—16.5Mn 0.15—0.25N 13,5—15,5Мп 0,25—0.37N
Стали аустенито-ферритного класса
08Х22Н6Т <0,08 21—23 5,3—6,3 <0,8Мп 0,4—0.65Т1
12X21Н5Т 21—5 0,09—0.14 20—22 .4,8—5,8 <0,8Мп 0,25—2,50Ti
08Х21Н6М2Т <0,08 20—22 5,5-6,5 <0,8Мп 0,20—0.40Т1
Стали аустенито-мартенситного класса
Изделия и сварная аппаратура в
химической, пищевой промышлен-
ности
07Х16Н6
09Х15Н8Ю
0,05—0.09
<0,8Мп
<0,8Мп
0,7—1.3А1
Аппаратура для растворов солей
уксусной кислоты
Примечания: 1. Почти все стали содержат ^2% Мп, ^0.8% Si, «£0,02% S, ^0,035% Р.
2. Стали 12Х18Н9 и 08Х18Н10 используют так же, как и жаростойкие; стали 12XI8H10T и 12Х18Н12Т используют так же, как а
Jg жаростойкие и жаропрочные.
<е . ____ '
§ ТАБЛИЦА 14
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ, МАКСИМАЛЬНАЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПРИМЕНЕНИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ
\ III ал/
Марка стали или сплава zmax' °С Примерное назначение Марка стали или сплава W °с Примерное назначение
08X13, 12X13, 20X13 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т 45Х14Н12В2М 500 600 650 Лопатки паровых турбин, клапаны, трубы, болты Детали выхлопных систем, трубы Трубы, клапаны моторов 10Х11Н20ТЗР ХН77ТНР ХН70ВМ-ТЮФ ХН60Ю 700 750 850 1200 Детали турбин Диски, лопатки турбин Лопатки турбин Детали газопроводных систем, ап- паратура
ТАБЛИЦА 15
СОСТАВ, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ МАРОК ЛАТУНЕЙ (ГОСТ 15527—70, ГОСТ 17711—72)
Наименование латуни Марка латуни Химический состав, % Механические свойства Примерное назначение
Си другие элементы1 СТВ' игс/мм2 6, %. твердость ЯД
Обрабатываемые давлением (деформируемые)
Томпак Полутомпак Л96 Л90 95—97 88—91 — 24 26 45 50 50 53 Листы, ленты, трубки ради- аторов, проволока, проклад- ки
Латунь Л80 79—81 — 32 52 53 Листы для холодной штам-
Л68 67—70 — 32 55 55 повки, глубокой вытяжки.
Л62 62—63 36 50 56 прокладки, втулки, сильфо- ны
СП о Оловянистая, (морская) Алюминиевая ЛО70-1 ЛА77-2 69—71 76—79 1,0—l,5Sn 1,75—2,5 Al 35 40 60 55 60 60 Коррозионностойкие конден- саторные трубы
Свинцовистая, (автоматная) ЛС59-1 57—60 0,8—1,9 Pb 40 45 90 Листы, прутки
Алюмипиево- железнстая ЛАЖ60-1-1 58—61 0,75—1,5 Al 0,75—1,5 Fe Jlwrei мые 45 26 95 Тяжело нагруженные ЛИ, трубы в моторо- и строении дета- судо-
Свинцовистая Алюминиево- железистая ЛС591Л ЛАЖ60-1-1Л 57—60 58—61 0,8—1,1 РЬ 0,75—1,5 А1 0,75—1,5 Fe 30—35 38—48 15—20 18—20 70—80 70—90 Подшипники, втулки, арма- тура
Кремнистая ЛК80-ЗЛ 79—81 2,5—4,0 Si 25—30 10—15 50—60 Арматура, детали, работаю- щие в морской воде
Марганцево- железистая ЛМ52-4-1 50-55 4,0—5,0 Мп; 0,5—1,5 Fe 45—50 12—15 100—120 > Арматура, авиадетали
Алюминиево- железистом ар- ганцевистая ЛАЖМц66-6-3-2 65—68 5,0—7,0 Al; 2,0—4,0 Fe; 1.5—2,5 Мп 60—70 5—8 115—150 Зубчатые и червячные коле- са гайки нажимных винтов
Примечая и е. Механические свойства л итейных латуней существенн э зависят от способа лит ья.
Остальное цннк.
ТАБЛИЦА 16
СОСТАВ, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ МАРОК БРОНЗ
Наименование бронзы Марка бронзы Химический состав, % (остальное—медь) Механи1 ств- кгс/мм2 веские с с, % войства твердость НВ Примерное назначение
Обрабатываемые давлением (деформируемые)
Оловянисто- БрОФ4-0,25 3,5—4,55 Sn; 0,25—0,30 Р 35 50 65 Листы, ленты, антифрнкци-
фосфористые БрОФб.5-0,15 6,0—7,05 Sn; 0,1—0,25 Р 40 60 70 онные детали, мембраны, пружины в электротехнике
Оловяиисто- БрОЦ4-3 3,5—4,0 Sn; 2,7—3,3 Zn 35 40 60 Пружины, контакты в элект-
цинковая 4—6 Al 60 70 ротехннке
Алюминиевая БрА5 40 «Ленты
Алюминиево- БрАЖ9-4 8—10 Al; 2—4 Fe 60 40 120 Шестерни, червяки, втулки.
железистая 140—160 арматура
Алюминиево- БрАЖНЮ-4-4 9,5—11,0 Al; 3,5-5,5 Fe; 65 40 Шестерни, червяки, втулки.
железистонике- 3,5——5,5 Ni работающие при больших
левая БрБ2 1,8—2,lBe ; 0,2—0,5 NI давлениях и трении
Бериллиевая 125 3 370 Высокопрочные пружины, контакты
Литейные
Оловянистые БрОЮ БрОЦС5-5-5 9—11,5 Sn 4,0—6,0 Sn; 4,0—6,0 Zn; 25-35 5—10 70—110 Подшипники, сложное от- ветственное литье
15—18 45-6 60-70 Шестерни, водяная и паро- вая арматура, антифрикци- онные детали
БрОЦС4-4-17 4,0—6,0 Pb 3,5-5,OSn; 14,0—20,0 Pb;
15—17 5—6 60—70
2,0—6,0 Zn
БрОЦСНЗ-7-5-1 2,5—4,OSn; 0,5—2,0 Ni; 18—21 5—8 60—70 Шестерни, арматура, рабо-
6,0—9,5 Zn; 3,0—6,0 Pb таюшая в морской воде нли под большим давлением па-
Свинцовистая Алюминиево- железистая БрСЗО БрАЖ9-4л 27—33 Pb 8—10 Al; 2—4 Fe 6—8 40—50 4—6 8—10 25—30 80—100 ра Вкладыши подшипников- Арматура/ подшипники, кор- пуса насосов
Примечание. Механические свойства литейных бронз изменяются в зависимости от способа литья.
ТАБЛИЦА 17
СОСТАВ, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ (ГОСТ 4784—74)
Марка стали Химический состав, % Механические свойства Примерное назначение
Си Mg Мп другие элементы ав- кгс/мм2 6. % твердость НВ
Сплавы, не упрочняемые термической обработкой (7И)
А ДОС — — — Примеси 5—6 30—40 15—20 Трубы, прокладки, мембраны
<0.30
АМц — — 1,0—1,6 — 12—14 22—25 30—35 Слабонагруженные сварные емкости.
масло- н бензопроводы
АМгЗ — 3,2—3,8 0,3—0,6 — 20—25 12—22 45—50 Сварные емкости, конструкции средней
прочности
АМгб — 5,8—6,8 0.5—0,8 0,02—0,10 Ti 32—35 15—22 70—80 Сварные емкости более нагруженные
Сплавы, упрочняемые термической обработкой (Т1)
Д16* 3,8—4,9 1,2—1,8 0,3—0,9 — 42—45 12—18 95—105 Лонжероны, стрингеры, обшивка
Д20 6,0—7,0 — 0,4—0,8 0.1—0,2 Т1 37—42 12—20 80—90 То же для сварных конструкций
Д18* 2,2—3,0 0,2—0,5 — — 25—30 25—30 65—70 Сплав для заклепок
В95 1,4—2,0 1,8—2,8 0,2—0,6 5—7 Zn 58—65 6—12 140—150 Высоконагруженные шпангауты, стрин-
0,1—0,25 Сг геры, обшивка
АК4 1,9—2,5 t,4—1,8 — 0,8—1,1 N1 38—41 5—10 90—100 Штампованные, кованые детали тепло-
0,5—1,281 прочность до 200—300” С
0.8—1,3 Fe
АД8 3,9—4,8 0,4—0,8 0,4—1,0 0,6—1,2 Si - 45—48 8—10 100—120 Высоконагруженные кованые, штампо-
ванные детали
Примечания: 1. Виды термической обработки: М— отжиг; Т1 — закалка и искусственное старение.
2. Сплавы АМц, АМгЗ, АМгб, Д20 хорошо свариваются точечной, шовной, аргоно* дуговой и другими способами сварки: Д16,
В95 — только точечной» сваркой на жестких режимах.
S * Термическая обработка Т — закалка и естественное старение. ОЗ
ТАБЛИЦА 18
СОСТАВ И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МАРОК ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ (ГОСТ 2685—75)
Марка сплава Химический состав, % Способ ЛНТЬЯ Вид тер- мической обработки Механические свойства
S1 Си Mg другие легирую- щие элементы ав- кгс/мм2 б, % твердость НВ
АЛ4 8,5-10.5 — 0,17—0,3 0,2—0,5 Мп 3, О, В. к, д ЗМ, ОМ, ВМ Т6 15 23 2 3 50 70
АЛ9 6,0—8,0 0.2—0,4 3, о, в, к ЗМ, ом. вм Тб 16 23 2 1 50 70
АЛ8 9,5—11,5 0,05—0,15 Ti 3, о. в, к Т4 29 9 60
АЛ27-1 9,5—11,5 0,05—0,15 Ti 0,05—0,20 Zr 0,05—0,15 Be 3, О, к, д Т4 35 15 75
АЛ19 — 4,5—5,3 — 0,6—1,0 Мп 0,15—0,30 Ti 3, о, в, к Т4 Т5 30 34 38 4 70 90
АЛ1 3,75—4,5 1,25—1,75 3, о, в, к Т5 21 0,5 45
АЛ20 1,5—2,0 3,5—4,5 0,7—1,2 0,15—0,30 Мп; 1,21—1,7 Fe; 0,15—0,25 Сг; 0,05—0,10 Ti 3, О, В, к Т5 25 1 65
Примечания: 1. В графе способы литья буквы указывают: 3 —литье в землю (песчано-глинистые формы); О —в оболоч-
ковые формы; В — по выплавляемым моделям; К — в кокиль; Д — под давлением; буква М обозначает, что сплав при литье под-
вергается модифицированию.
2. Условные обозначения видов термической обработки: Т4— закалка; Т5 — закалка и частичное старение; Тб —закалка и пол-
ное старение до максимальной твердости.
ТАБЛИЦА 19
состав, свойства и назначение Некоторых марок магниевых сплавов (гост 14957—76, гост 2856—68)
Марка сплава Химический состав, % Механические свойства Примерное назначение
Мп Zn Al Другие элементы % кгс/мм2 б. %
Деформируемые сплавы
МА1 1,3—2,5 — — — 24 4 Сварные бензо-, маслопроводы, по- ковки
МА2 0,15—0,50 0,2—0,8 3,0—4,0 —* 27 17 Штампованные, кованые детали для работы до 200° С
МА5* 0,15—0,50 0,2—0,8 7,8—9,2 — 32 14 Нагруженные детали машин
МАП* 1,5—2,5 — 2,5—4,0 Nd; 0,1—0,25 Ni 28 10 Детали машин, работающие при температуре до 250° С
МА14» — 5,0—6,0 0,3—0,9 Zr 35 9 Нагруженные детали машин
Литейные сплавы
Мл2 1,0—2,0 — — — 10 4 Слабонагруженные детали неслож- ной формы
МлЗ Мл5* 0,15—0,50 0,15—0,50 0,5—1,5 0,2—0,8 2,5—3,5 7,5—9,0 18 25 8 6 Арматура, детали корпусов, насо- сов повышенной герметичности Высоконагруженные детали слож- ной формы Детали, работающие при темпера- туре ^250° С То же
МлЮ* Мл12* — 0,1—0,7 4,0—5,0 •— 0,4—1,0 Zr; 2,2—2,8 Nd 0,6—1,1 Zr 22 27 5 6
Примечание. Механические свойства деформируемых сплавов даны для горячепрессова иного состояния, литейных спла-
вов — для литого состояния.
се> * Механические свойства после закалки и старения.
ТАБЛИЦА 20
СОСТАВ, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ МАРОК ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ (ГОСТ 19807—74)
Марка сплава Химический состав, % Термическая обработка Механические свойства Примерное назначение
0В, кгс/ммЕ С. % твердость НВ
ВТ* *1 ВТ1« — 25—30 Отжиг I 45—60 а-сплавы, не упрочняемые т< 50—60 20—25 ?рмической 130 180—210 обработкой Листы, прутки, штампованные кон- струкции, емкости, аппаратура хи- мической промышленности
ВТ5 ВТ5-1 5 А1 5 А1; 2,5 Sn Отжиг 70—95 75—95 10—15 10—15 240—300 240—300 Листы, прутки, трубы, поковки
(а4-Р) -сплавы, не упрочняемые термической обработкой
ВТ4 ВТ4 ЗА1; 1,5 Мп 4,5-6 А1; 1,5 Мп Отжиг 70—90 85—105 12—20 15—22 200—240 260—320 Листы, прутки, трубы, поковки
(а+Р)-сплавб1, упрочняемые термической обработкой
ВТ6 ВТ14 6А1; 4 V 4 А!; 1 V; ЗМ6 Закалка и искус- ственное старение 105—115 130—140 10—12 6—10 : 300—320 340—370 Листы, прутки, высокоиагруженные сварные конструкции
$~сплав, упрочняемый термической обработкой
ВТ15 ЗА1; 9Мо; И Сг j Закалка и искус- ственное старение 130—150 4—6 Листы, прутки, высокоца груженные сварные конструкции
Примечание. Для всех сплавов приведено среднее "содержание легирующих элементов
.« Особо чистый (иодадный), примесей <0,1%.
•2 Технически чистый, примесей <0,2—0,5%.
Таблица 21
ХАРАКТЕРНЫЕ ПЛАСТМАССЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Материал °в- кгс/мм2 Плот- ность, г/см3 Другие свойства Назначение
Гетииакс 8—10 1,3 —1,4 Хорошие электроизоляционные свойства Панели, щитки, корпуса прибо- ров
Текстолит: 5—12 1,3 —1,45 Ннзкнй коэффициент трення, хо- рошая износоустойчивость; хорошие электроизоляционные свойства Бесшумные шестерни, червячные колеса, подшипники, вкладыши. Приборные щиткн, панели
Древеснослоистый пластик (ДСП) 15—30 1,30—1,35 То же Зубчатые колеса, подшипники, детали автомобилей, вагонов, ло- док, авиационных конструкций; па- нели электротехнических приборов
Стеклотексто л ит 20—45 1,6 —1,85 Хорошая химическая стойкость, негорючесть, хорошие электроизо- ляционные свойства Трубы, емкости, части автомоби- лей; панели, корпуса приборов
Асботекстолит 5—8 1,3 —1,5 Высокая теплостойкость, хорошие фрикционные свойства Тормозные колодки, фрикционные диски, теплозащитные и теплоизо- ляционные покрытия и прокладки
Полиэтилен ПНД 2—4 0,9 —0,95 Химически стоек к щелочам, мас- лам, бензину; отличные диэлектри- ческие свойства Электро- и радиодетали, изоля- ция, химически стойкие трубы, ем- кости, защитные покрытия
Фторопласт-4 2—3 2,15—2,35 Химически стоек почти во всех агрессивных средах; высокие ди- электрические свойства. Морозо- стойкость до минус 269° С Химически стойкие трубы, клапа- ны, детали иасосов, электро- и ра- диодетали
Полиамиды (капрон, нейлон) 5-7 1,1 —1,3 Низкий коэффициент трения, хо- рошая стойкость в воде, топливе, щелочах Подшипники, зубчатые передачи, кулачки, негниющие канаты, ткани
Полиметилметакрилат (органиче- ское стекло) 5—7 1,2 Оптически прозрачно, хорошая атмосферостойкость; рабочая тем- пература до 80° С Светотехнические устройства, отепление зданий, самолетов
Таблица 22
ПРИМЕРНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ЖАРОСТОЙКИХ (ОКАЛИНОСТОЙКИХ)
СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ (ГОСТ 5632-72)
Сталь Рекомендуемая максимальная температура применения, °C Температура начала интенсив- ного окалино- образования в воздушной среде, °? с Назначение
Высокохромистые стали
12X13 700 800 Детали турбин, трубы, детали кот- лов
08X17Т 800 900 Теплообменники, трубы, оборудование кухонь
12X17 850 950 То же
15Х25Т 1000 1050 Аппаратура, дета- ли, трубы пиролиз- ных установок
15X28 1050 1100—1150 То же
Хромоникелевые стали
12Х18Н9 800 850 Трубы, детали печ- ной арматуры, теп- лообменники
12Х18Н10Т 800 850 То же
12Х18Н12Т 800 850 Трубы, устойчивые в науглероживающей среде
Никелевые сплавы
ХН60Ю 1200 1250 Детали газопровод- ных систем, аппара- тура
ХН60ВТ 1000 1100 ; Листовые детали двигателя
Примечания: 1. Химический состав высокохромистых сталей см. при-
ложение, табл. 12; хромоникелевых сталей см. приложение, табл. 13. 2. Хи-
мический состав (%) сплава ХН60ВТ: =^0,1 С; 23,5—26,5 Сг; 0,3—0,7 Tl; N1—
основа, 3. Химический состав (%) сплава ХН60Ю: ^0,1 С; 15,0—18,0 Сг; 55,0—
58,0 N1; 2,6—3,5 А1. 4. Все высокохромистые стали устойчивы, а хромоникеле-
вые неустойчивы в серусодержащих средах.
898
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автоматы одношпиндельные
токарные 743
Агломерация 25
Азотирование 271
Алитирование 274
Аллотропия 117
Алюминий 95, 363, 679
Анализ макроструктурный 138
— микроструктурный 139
Асботекстолнт 822
Аустенит 206, 220
Ацетилен 635
Байкова А. А, принцип 32
Бейнит 235, 295
Блюм 515
Борирование 275
Бочвара А. А. зависимость 201
Бронза 360, 377, 448, 678
Бюргерса вектор 127
Вагранка 442
Вакансии 121
Валки 505
Возврат 197, 498
Волоки 481
Волочение 481, 553, 586
Вулканизация 864
Выдавливание 573
Выносливость 190
Выпрямители сварочные 608
Вырубка 574
Высадка 568
Вытяжка 491, 575
Вязкость 181, 186
Газ доменный 20, 38
— коксовый 19
— природный 19 23, 53
Генераторы ацетиленовые 636
— сварочные 607
Гетинакс 819
Гиббса закон 148
Гибка 575, 840
Глинозем 96
Глубина резания 698
Горелки сварочные 639
Границы зерен 128, 196
Дегазация стали вакуумная 76
Деформация 167
— пластическая 123, 169, 498,
699
— упругая 168 Двойникование 171 Диаграммы изотермического
превращения аустенита 231,
238
— состояния 147—163, 165,
207, 215
Дислокации 123, 171, 182, 196
— плотность 126
Доломит 102
Дуплекс-процесс 60
Дутье 31, 58
— кислородное 43
Жаропрочность 339
Жаростойкость 338
Железо техническое 14
Жесткость конструкции 279
Жидкотекучесть 438
Закалка стали 224, 253
Зародыш критического разме-
ра 132
Зенкерование 748
Зерно 120, 201, 229
Изготовление форм:
безопочное 422
в кессонах 427
— опоках 421
— стержнях 425
Изложницы 71
Износ инструмента 712
Инвар 355
Калибрование отверстий 797
Калибровка профиля 506
Калибры 506
— ромбические 513
Кантователи 546
Ковка свободная 482, 565
Ковш сталеразливочный 71
Кокс 18, 23
Конвертор кислородный 42, 50
Контроль сварных соединений
687—692
Коробление 437
Коррозия 323, 333
Кремний 283, 298
Кристаллическая решетка 112,
118
Курнакова закон 163
899
Лазер 632
Латунь 358, 448, 678
Легирующие элементы 217,
256, 284
Ледебурит 208
Ликвация 138, 290, 438
Лйквидус (точка, линия) 152,
207
Литье:
вакуумным всасыванием 466
й кокиль 466
-* формы оболочковые 456
выжиманием 476
полунепрерывное 475
под давлением 469, 834
по выплавляемым моделям
462
центробежное 473, 835
Магнезит 102
Магний 101, 371
Мазут 19, 53
Маркировка сталей 282
Мартенсит 238—243
Материалы абразивные 777
— жаропрочные 372
— магнитномягкие 350
— металлокерамические 875
— огнеупорные 20
— резиновые 861—864
Медь 84, 357
’Метод копирования 763
— Обкатки 764
— получения металлических
порошков 867
— термического анализа 141
Модифицирование 134, 305,
446, 453
Молоты 487
гидравлические 581
паровоздушные штамповое
ные 580
Мультипликаторы 584
Нагрев металла 500
Наклеп 196
Наплавка 664
Напряжения главные 495
— остаточные 191
— сварочные 669
Нарезание резьбы 749, 849
Нарост стружки 703
Никель 91, 294
Нимоник 347
Нихром 347
Ножницы 536
Нормализация 252
Обжатие относительное 489
Обкатывание 795
Обработка:
анодно-механическая 801
плазменная 630
резанием пластмасс 845
светолучевая 807
Термическая 248
термомеханическая 222, 277,
295
химико-термическая 225, 266
холодом 265
электроимпульсная 800
электроискровая 801
электроконтактная 802
Огнеупорность 20
Окатыши 27
Опока литейная 410
Одинга И. А. схема 177
Отдых 197
Отжиг 203, 223, 249
Отпуск 224, 244, 262
Отпускная хрупкость 264
Пайка 681—687
Переплав вакуумно-дуговой
82
— плазменно-дуговой 84
— электрошлаковый 80
Перлит 208, 233
Перитектика 158
Пескометы 420
Печи:
двухваниые 59
доменные 29
дуговые сталеплавильные 64
индукционные 449
— сталеплавильные 68
камерные 501
методические 502
электрические сопротивле-
ния 503
Плавка в вакуумных печах 82
Пластичность 175, 390, 499
Пластмассы 812, 817
газонаполненные 829
термореактивные 824
Плита модельная 410
Ползучесть 342
Полиамиды 828
Поливинилхлорид 826
Полигонизация 129, 197
900
Поликристалл 120, 133, 171
Полирование 7S3, 805, 850
Полистирол 828
Полиэтилен 815, 826
Порошки металлические 866
Правило отрезков 153
— фаз 148
Превращение аллотропическое
119, 162
Прессование 576
гидростатическое 870
горячее пластмасс 83
литьевое 832
— труб 578
Прессуемость порошков 869
Пресс-форма 322
Прессы гидравлические 582
— механические 585
Припой 682
Припылы 403
Притирка 792
Проволока присадочная 611
Прокаливаемость 254, 294, 314
Прокатка бесшовных труб 548
— винтовая 486, 560
< — колес 562
— поперечная 478, 558
— шаров 560
Протяжка 568, 576, 774
Процесс бессемеровский 49
— мартеновский 51, 54, 57, 60
— пирометаллургический 17
— томасовский 49
Прочность 172, 176, 280, 390
Прошивка 546, 569
Развертывание 748
Разливка стали 72
непрерывная 73
в инертной атмосфере 76
Разрушение 181
Раковины газовые 435
— песчаные 436
— усадочные 435
Раскисление стали 47, 57
Растворы твердые 144, 159,
219
Рафинирование алюминия 100
меди 89
— никеля 94
— стали 56
— титановой губки 107
Регенераторы 52
Резина 862
Резка газовая 641
Резцы токарные 736
Рекристаллизация 199
Рольганги 540
Руды железные 17, 22
— комплексные 17
— марганцевые 22
— медные 84
— - медно-никелевые 94
— обогащение 24, 105
Сварка:
автоматическая 617
аргоно-дуговая 622
в защитных газах 620
взрывом 659
газовая 635
газопрессовая 661
давлением 596, 644
диффузионная 657
дуговая 598, 608, 615
печная 554
пластмасс 851
сталей 671
трением 660
ультразвуком 655
холодная 653
цветных металлов н спла-
вов 677
чугуна 674
электронным лучом 597, 628
электрошлаковая 625
Свариваемость 666
Сверла 745
Сверхпластичность 203
Сера 283, 304
Силицирование 275
Силумины 371
Силы резания 710
Сильхром 345
Синеломкость 344
Склеивание пластмасс 856
Скорость закалки критическая
239
— резания 698
Слиток стальной 135
Смеси облицовочные 393
— стержневые 396
— формовочные 389, 397
Соединения сварные 609
— химические 146
Сопротивление деформации
истинное 494
Солидус (точка, линия) 152,
207
Сорбит отпуска 246
901
Сортамент прокатного стана
503
Спекание 872
Сплавы:
алюминиевые 365, 369, 383,
453
жаропрочные 346
кобальтовые 348
магниевые 373, 454
медные 357, 383
никелевые 347
твердые 318, 720
титановые 107, 375, 383
Стали:
автоматные 302
быстрорежущие 315, 719
жаропрочные 343
жаростойкие 338
износостойкие 300
инструментальные 311, 717
кипящие 48, 287
конструкционные 282, 293
мартенситностареющие 296
нержавеющие 326, 329
полуспокойные 48
спокойные 48, 137
строительные 301
углеродистые 58, 282
цементуемые 291
шарикоподшипниковые 299,
328
штамповые 320
Стан:
автоматический 549
волочильный 588
двухвалковый 484
листовой 525
многоклетевой 530, 552
проволочный 524
прокатный 483
рельсо-балочный 520
трубопрокатный 547
четырехвалковый 485, 529
Станки:
долбежные 766
протяжные 775
сверлильные 749
строгальные 770
токарно-карусельные 740
токарно-револьверные 737
токарные 732
фрезерные 756
шлифовальные 784
Старение металлов 366
— полимеров 816
Стекло органическое 829
Стеклопластики 822
Стержень литейный 428
Стойкость инструмента 715
Стружка надлома 702
— скалывания 701
— сливная 701
Структура 129, 139, 233, 286
Схемы напряженного состоя-
ния 497
Текстолит 821
Твердость 178, 317
Текстура 195
Текучесть 174, 390
Температура кристаллизации
132
— плавления сплавов 151, 201
— резания 708
— стеклования 816
Теплотворность топлива 18
Термопласты 826
Титан 104, 374
Точение пластмасс 846
— тонкое 787
Трансформаторы сварочные
606
Трещины 436
Троостит 298
Угол захвата 490
Улучшение 263
Уплотнение формовочной сме-
си:
встряхиванием 419
пескометом 420
прессованием 417
Упрочнение 266, 276, 797
Усадка стружки 703
— объемная 135
Условие захвата 490
Усталость 188
Факторы, влияющие на пластич-
ное и хрупкое состояние 183—
186
Фаза 137
Феррит 206, 219
Феррованадий 108
Ферромагнетизм 119
Ферросплавы доменные 38
Флокены 291
Формовка вакуумная 837
— в кессонах 427
— машинная 417
902
— оболочковая 456
— ручная 415
Фосфор 283, 305
Фрактография 140
Фрезерование 753, 847
Френкеля Я. И. механизм 122
Хонингование 788
Хромирование 275
Цементация 267
Цементит 206
Цианирование 273
Чугун 14, 21
белый 213, 303
высокопрочный 306, 441
ковкий 308, 441
легированный 335, 440
передельный 37
серый 303, 305, 439
Шероховатость 723
Шихта металлическая 44
Шлак доменный 23, 27, 38
Шлифование 776, 788, 849
Штамповка:
в закрытых штампах 571
— открытых штампах 570
листовая 573
объемная 571
разделительная пластмасс
844
Штейн 88, 92
Эвтектика 151
Экстраплоскость 123
Экструзия 836
Электроды 611
Электролизер 98, 103
Энергия активации 241
— свободная 248
Ящик стержневой 41-0
ИБ Ns 1369
Борис Валентинович КНОРОЗОВ,
Людмила Федоровна УСОВА,
Андрей Владимирович ТРЕТЬЯКОВ,
Ирина Александровна АРУТЮНОВА,
Семен Павлович ШАБАШОВ
и Валентин Константинович ЕФРЕМОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
МЕТАЛЛОВ
(2-е издание)
Под редакцией Б. В. КНОРОЗОВА
Редакторы издательства А, Ф. АЛЕХИН. Э. М. ЩЕРБИНИНА,
А. В. САВЕНКОВ
Художественный редактор Г. А. ЖЕГИН
Технический редактор Н. А. СПЕРАНСКАЯ
Корректоры В. Б. ЛЕВИН, К. В. ШИН .
Переплет художника Е. Н. ЩЕГЛОВОЙ
Сдано в набор 24.02.78. Подписано в печать 22.05.78. Т-07994. Формат бумаги
84Х108|/з2. Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать высо-
кая. Усл. печ. Л. 47,46. Уч.-изд. л. 50,69. Тираж 103 000 (1-й завод 1—40 000 экз.)«
Заказ № 481. Цена 2 р. 80 к. Изд. № 3601.
Издательство «Металлургия», 119034, Москва, Г-34.
2-й Обыденский пер., д. 14
Владимирская типография «Союзполнграфпрома»
при Государственном комитете СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли
600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7