Виды обработки металлов давлением. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

Обработка металлов давлением

Физико-химические основы обработки давлением. Сущность обработки металлов давлением. Виды обработки металлов давлением. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла.

Сущность обработки металлов давлением.

Обработка металлов давлением основана на их способности в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.

Упругая, деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг друга на величины, большие межатомных расстояний, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.

Для начала перехода атомов в новые положения равновесия необходима определенная величина действующих напряжений, зависящая от межатомных сил и характера взаимного расположения атомов (типа кристаллической решетки, наличия и расположения примесей, формы и размеров зерен поликристалла и т. д.).

Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения равновесия, могут уравновешиваться только силами межатомных взаимодействий. Поэтому под нагрузкой при пластическом деформировании, деформация состоит из упругой и пластической составляющих, причем упругая составляющая исчезает при разгрузке (при снятии деформирующих сил), а пластическая составляющая приводит к остаточному изменению формы и размеров тела.

Скольжение одной части кристаллической решетки относительно другой происходит по плоскостям наиболее плотного размещения атомов (плоскостям скольжения). В реальных металлах кристаллическая решетка имеет линейные дефекты (дислокации), перемещение которых облегчает скольжение.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начаться разрушение металла.

На величину пластической деформации, которую можно достичь без разрушения (предельная деформация), оказывают влияние многие факторы, основные из которых — механические свойства металла (сплава), температурно-скоростные условия деформирования и схема напряженного состояния. Наибольшая предельная деформация достигается при отсутствии растягивающих напряжений и увеличении сжимающих. В этих условиях (схема неравномерного всестороннего сжатия) даже хрупкие материалы типа мрамора могут получать пластические деформации.

Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с обработкой резанием — возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т. д.) при наименьшей их массе.

Виды обработки металлов давлением

Процессы обработки металлов давлением по назначению подразделяют на два вида:

для получения заготовок постоянного поперечного сечения. по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей только обработкой резанием или с использованием предварительного пластического формоизменения, основными разновидностями таких процессов являются прокатка, прессование и волочение;

для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближенно формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества; основными разновидностями таких процессов являются ковка и штамповка.

Листовой штамповкой получают плоские и пространственные полые детали из заготовок, у которых толщина значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса). Обычно заготовка деформируется с помощью пуансона и матрицы.

Виды обработки металлов давлением. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис. 1 а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен).

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). В этом случае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет дополнительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов, в твердом металле без фазовых превращений из множества центров растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформированные зерна.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен деформированных, вытянутых, происходящее при определенных температурах, называется рекристаллизацией. Для чистых металлов рекристаллизация начинается при абсолютной температуре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления металла. Рекристаллизация протекает с определенной скоростью, причем время, требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура нагрева деформированной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации, наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе) форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются, но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения возникают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций при пластическом деформировании и т. д. Остаточные напряжения создают системы взаимно уравновешивающихся сил и находятся в заготовке, не нагруженной внешними силами. Снятие остаточных напряжений при возврате почти не изменяет механических свойств металла, но влияет на некоторые его физико-химические свойства. Так, например, в результате возврата значительно повышается электрическая проводимость, сопротивление коррозии холоднодеформированного металла.

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.

Рис. 1. Схема изменения микроструктуры металла при деформации: а-холодной; б- горячей

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис.1 б).

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

Если металл по окончании деформации имеет структуру, не полностью рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая деформация называется неполной горячей деформацией. Неполная горячая деформация приводит к получению неоднородной структуры, снижению механических свойств и пластичности, поэтому обычно нежелательна.

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование).

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров. Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах.

Исходной заготовкой для начальных процессов обработки металлов давлением (прокатки, прессования) является слиток. Кристаллическое строение слитка неоднородно (кристаллиты различных размеров и форм). Кроме того, в нем имеется пористость, газовые пузыри и т. п. Обработка давлением слитка при нагреве его до достаточно высоких температур приводит к деформации кристаллитов и частичной заварке пор и раковин. Таким образом, при обработке давлением слитка может увеличиться и плотность металла.

В результате деформации кристаллитов и последующей рекристаллизации металл получает мелкозернистое строение, т. е. размеры зерен после рекристаллизации исчисляются в сотых или десятых долях миллиметра, причем эти размеры примерно одинаковы по, всем направлениям (равноосная структура).

Полученная в результате обработки давлением литого металла волокнистая макроструктура не может быть разрушена ни термической обработкой, ни последующей обработкой давлением. Последняя в зависимости от характера деформирования может изменить лишь направление и форму волокон микроструктуры.

Металл с явно выраженной волокнистой макроструктурой характеризуется анизотропией механических свойств. При этом характеристики прочности (предел текучести, временное сопротивление и др.).в разных направлениях отличаются незначительно, а характеристики пластичности (относительное удлинение, ударная вязкость и др.) вдоль волокон выше, чем поперек их.

Так как направление волокон зависит от характера деформирования заготовки, то в готовой детали желательно получить такое расположение волокон, при котором она имела бы наилучшие свойства. При этом общие рекомендации следующие; необходимо, чтобы наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе работы, были направлены вдоль волокон, а если какой-либо элемент этой детали работает на срез, то желательно, чтобы перерезывающие силы действовали поперек волокон.

Нагрев металла перед обработкой давлением. Термический режим. Нагревательные устройства. Ковка. Основные операции ковки и применяемый инструмент. Оборудование. Технологический процесс. Технологические особенности ковки высоколегированных сталей и цветных металлов. Механизация ковки.

Термический режим.

При нагреве металла с повышением температуры уменьшается его временное сопротивление, а относительное удлинение увеличивается. Таким образом, при деформировании стали, нагретой, например, до температуры 1200 ºС, можно достичь большего формоизменения при меньшем приложенном усилии, чем при деформировании ненагретой стали. Все металлы и сплавь имеют тенденцию к увеличению пластичности и уменьшению сопротивления деформированию при повышении температуры в случае выполнения ряда требований, предъявляемых к процессу нагрева. Так, каждый металл должен быть нагрет до вполне определенной максимальной температуры. Если нагреть, например, сталь до температуры, близкой к температуре плавления, наступает пережог, выражающийся в появлении хрупкой пленки между зернами металла вследствие окисления их границ. При этом происходит полная потеря пластичности. Пережог исправить нельзя, пережженный металл может быть отправлен только на переплавку.

Ниже температуры пережога находится зона перегрева. Явление перегрева заключается в резком росте размеров зерен. Вследствие того, что крупнозернистой первичной кристаллизации (аустенит), как правило, соответствует крупнозернистая вторичная кристаллизация (феррит + перлит или перлит + цементит), механические свойства изделия, полученного обработкой давлением из перегретой заготовки, оказываются низкими. Брак по перегреву в большинстве случаев можно исправить отжигом. Однако для некоторых сталей (например, хромоникелевых) исправление перегретого металла сопряжено со значительными трудностями, и простой отжиг оказывается недостаточным.

Максимальную температуру нагрева, т. е. температуру начала горячей обработки давлением, следует назначать такой, чтобы не было пережога и перегрева. В процессе обработки нагретый металл обычно остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом и окружающей средой. Заканчивать горячую обработку давлением следует также при вполне определенной температуре, ниже которой пластичность вследствие упрочнения (рекристаллизация не успевает произойти) падает и в изделии возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформирование нецелесообразно (особенно для сплавов, не имеющих фазовых превращений). В этом случае после деформирования зерна успевают вырасти и получается крупнозернистая структура, характеризующаяся низкими механическими свойствами.

Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Например, алюминиевый сплав АК4 470 — 350 ºС; медный сплав БрАЖМц 900 — 750 ºС; титановый сплав ВТ8 1100 — 900 ºС. Для углеродистых сталей температурный интервал нагрева определяют по диаграмме состояния железо-цементит в зависимости от содержания углерода. Например, для стали 45 температурный интервал 1200 — 750 ºС, а для стали У10 1100 — 850 ºС.

Наибольшее время требуется для нагрева крупных заготовок из высоколегированных сталей из-за их низкой теплопроводности. Например, время нагрева слитка массой ~40 т из легированной стали составляет более 24 ч.

Однако с увеличением времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, в результате на поверхности, например, стальной заготовки образуется окалина — слой, состоящий из оксидов железа: Fe О ,Fe O , FеО. Кроме потерь металла с окалиной, последняя, вдавливаясь в поверхность заготовки при деформировании, вызывает необходимость увеличения припусков на механическую обработку, Окалина увеличивает износ деформирующего инструмента, так как ее твердость значительно больше твердости горячего металла.

При высоких температурах на поверхности стальной заготовки интенсивно окисляется не только железо, но и углерод: происходит так называемое обезуглероживание. Толщина обезуглероженного слоя в отдельных случаях достигает 1,5 — 2 мм.

Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной или восстановительной атмосфере.