1. Составы и свойства чугуна, а также структура серых и ковких чугунов, область применения. Процесс получения ковкого чугуна, маркировка

1.1 Состав и свойства чугуна

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14%. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5- 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед Другими материалами, среди которых в первую очередь надлежит упомянуть следующие: невысокая стоимость, хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь чувствительностью к концентраторам напряжений. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого литейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. Последнее вместе с хорошими литейными свойствами позволяет оценить чугун как весьма технологичный материал.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П -f- Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П Ч- Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун (в порядке силы действия: С, Si, Ni, Co, Cu ), способствуют графитизации, другие - препятствуют(S, V, Cr, Sn, Mo, Mn). Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, наименьшее - кобальт и медь.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

1.2 Структура серого чугуна

Серый чугун - такое название серые чугуны получили по серому цвету излома в отличие от серебристого цвета излома белых чугунов. Серый цвет излому придает углерод, входящий в состав серого чугуна в свободном состоянии в виде графита. Графит образуется в серых чугунах в результате распада хрупкого цементита. Этот процесс называют графитизацией. Распад цементита вызывают искусственно путем введения кремния или специальной термической обработки белого чугуна.

Структура серых чугунов состоит из металлической основы и несвязанных с нею включений графита. Механические свойства серых чугунов зависят от структуры металлической основы, количества углерода и конфигурации включений графита.

Металлическая основа в серых чугунах состоит из одного феррита, или одного перлита, или их смеси. Наиболее прочным, но в то же время наименее пластичным, является чугун на перлитной основе.

Чугун на ферритной основе обладает наивысшей пластичностью при наименьшей прочности. Структура металлической основы зависит от режима термической обработки или от количества кремния. При увеличении количества вводимого кремния возрастает степень графитизации. При введении около 5% кремния в структуре серого чугуна цементит, полностью отсутствует в металлическая основа состоит из одного феррита. Выплавляют серые чугуны на всех трех металлических основах.

Графитовые включения в чугуне не связаны с металлической основой. Поэтому при увеличении содержания углерода повышается объем графитовых включений, что снижает их прочность. Этим обусловлено сравнительно небольшое содержание углерода (от 3,5 до 4,5%) в передельных коксовых чугунах, применяемых для производства отливок из серых чугунов.

Конфигурация графитовых включений значительно влияет на механические свойства серых чугунов. Наихудшими свойствами обладают чугуны с пластинчатыми включениями графита, наилучшими - с глобулярными (шаровидными) или хлопьевидными включениями, средними - чугуны с точечными включениями графита. Конфигурация включения графита зависит от способа получения серого чугуна.

Серые чугуны с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412--79) выпускают марок от СЧ10 до СЧ45. В марках, буквы означают наименование чугуна, цифры - предел прочности чугуна, Н/мм2, при растяжении. Графитизация в серых чугунах достигается введением в их состав от 1 до 2,9% кремния. При этом образуются пластинчатые графитовые включения.

Для получения более высоких механических свойств производят модификацию серого чугуна. В расплавленный чугун вводят 0,3--0,8% модификаторов, в качестве которых применяют ферросилиций или силикокальций, содержащий 70--65% кремния и 30--35% кальция. При такой модификации графит распределяется в виде точечных включений;

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293--79) -- разновидность серых чугунов, которые получают при модификации их магнием или церием. Графитовые включения в этих чугунах имеют шаровидную форму. Такие чугуны при высоком пределе прочности до 12 МПа обладают и относительно высоким удлинением до 17%. Высокопрочные чугуны выпускают марок от ВЧ38-17 до ВЧ120-2. Буквы означают наименование чугуна, первые две цифры -- предел прочности при растяжении чугуна, кгс/мм2, вторые -- относительное удлинение при растяжении, %.

1.3 Область применения серого чугуна

Серый чугун -- наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) -- имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагрузках и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2--4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугуна -- более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и других нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой. Из серых чугунов изготовляют элементы строительных конструкций, в том числе и таких ответственных, как опорные части железобетонных балок, ферм, башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей метрополитена.

1.4 Структура ковкого чугуна

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215--79) -- разновидность серых чугунов, получаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания белых чугунов при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением. При этом цементит распадается и выделившийся при его распаде графит образует хлопьевидные включения. В зависимости от температуры и длительности выдерживания ковкие чугуны получают на ферритной и ферритно-перлитной основах. Такие чугуны -- наиболее пластичные из всех видов чугуна. Относительное удлинение ферритного ковкого чугуна до 12% при прочности на растяжение 3,7 МПа, а ферритно-перлитного 5% при прочности до 5 МПа. Ковкие чугуны выпускают марок от КЧЗО-6 до КЧ50-5. Расшифровка марки такая же, как и у высокопрочного чугуна.

Ковкий чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого чугуна определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого чугуна в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий чугун. Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий чугун модифицируют Te, В, Mg и другими элементами. Ковкий чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого чугуна высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.

1.5 Характеристика ковкого чугуна

КЧ получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность неметаллической основы структуры чугуна.

Металлическая основа ковкого чугуна (КЧ): феррит и реже перлит. Наибольшая пластичность у ферритного ковкого чугуна.

Химический состав белого чугуна отжигаемого на ковкий чугун (КЧ): 2,5-3,0% С; 0,7-1,5% Si; 0,3-1,0% Mn; ?0,12% S и ?0,18% Р. Такой чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния.

Толщина отливки не более 40-50 мм. Схема отжига приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Отжиг проводят в две стадии.

Исходная структура отливки - белый доэвтектический чугун: П + Л + ЦII.

Отливка упакованная в ящике нагревается и выдерживается при 950-970о (до 1000оС). В этот период протекает I стадия графитизации. Выше линии PSK фазовый состав сплава: А+Ц, цементит при этих температурах распадается диффузионным путем, образуя хлопьевидный графит (углерод отжига).

Затем если отливку охладить несколько ниже линии PSK (эвтектоидный интервал) и сделать длительную выдержку, то цементит вторичный (ЦII) (выделившийся из А) и цементит перлитный также распадется, что приведет к росту хлопьевидных графитных включений (II стадия графитизации). После окончания II стадии графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита.

Излом ферритного чугуна бархатисто черный вследствие большого количества графита.

Если не проводить выдержки ниже эвтектоидной температуры (PSK), то образуется перлитный ковкий чугун со структурой - П+Гр, имеющий светлый (сталистый) излом.

При промежуточной скорости охлаждения и выдержке, структура ковкого чугуна будет - П+ Ф+ Гр.

Ковкий чугун маркируют буквами - КЧ (ГОСТ 12.15) и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении и вторые - относительное удлинение (%).

Отливки из КЧ применяют для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках.

Ковкий чугун на ферритной основе.

КЧ37-12, КЧ35-10;

КЧ37-12 (ув = 370 н/мм2 (МПа), д = 12 %).

Применяют для изготовления деталей работающих при высоких динамических и статистических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т.д.).

КЧ30-6, КЧ33-8 - менее ответственные детали (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты и т.п.).

Твердость ферритного ковкого чугуна - НВ163.

Ковкий чугун на феррито-перлитной основе.

КЧ45-6 (ув = 450 н/мм2 (МПа), д = 6 %).

Применяют для изготовления тонкостенных отливок.

Антифрикционные КЧ на феррито-перлитной основе маркируются: АКЧ-1, АКЧ-2.

Ковкий чугун на перлитной основе.

КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2;

КЧ63-2 (ув = 630 н/мм2 (МПа), д = 2 %).

Применяют для изготовления деталей, которые обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью, хорошими антифрикционными свойствами. Твердость НВ 241-269. Изготавливают: вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д.

2. Физическая сущность процессов сварки. Процесс газовой сварки (схемы, рисунки)

2.1 Физическая сущность процессов сварки

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.). К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

Свариваемость - свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

2.2 Процесс газовой сварки (схемы, рисунки)

Газопламенная обработка металлов - это ряд технологических процессов, связанных с обработкой металлов высокотемпературным газовым пламенем.

Газовая сварка плавлением, при которой нагрев кромок соединяемых частей деталей производится пламенем газов, сжигаемых на выходе из горелки для газовой сварки.

Газовое пламя чаще всего образуется в результате сгорания (окисления) горючих газов технически чистым кислородом (чистота не ниже 98,5%). В качестве горючих газов используют ацетилен, водород, метан, пропан, пропанобутановую смесь, бензин, осветительный керосин.

Рисунок 2. Распределение температуры по оси нормального газового пламени

Газовое сварочное ацетиленокислородное "нормальное" пламя имеет форму, схематически показанную на рисунке 1.

Во внутренней части ядра пламени 1 происходит подогрев газовой смеси, поступающей из сопла до температуры воспламенения. В наружной оболочке ядра происходит частичный распад ацетилена. Выделяющиеся частицы углерода раскалены, ярко светятся, четко выделяя очертания оболочки ядра (температура газов в ядре невелика и не превышает 1500 0С).

Зона 2 является наиболее важной частью сварочного пламени (сварочной зоной). В ней происходит первая стадия сгорания ацетилена за счет кислорода, поступающего в сопло из баллона, в результате чего здесь развивается максимальная температура. Содержащиеся в сварочной зоне газы обладают восстановительными свойствами по отношению к оксидам многих металлов, в том числе и к оксидам железа. Поэтому ее можно назвать восстановительной. Содержание углерода в металле шва изменяется незначительно.

В зоне 3 или факеле пламени протекает догорание газов за счет кислорода воздуха что отражает состав газов в факеле. Содержащиеся в факеле газы и продукты их диссоциации окисляют металлы, т.е. эта зона является окислительной. Вид ацетиленокислородного пламени зависит от соотношения в газовой смеси подаваемой в горелку кислорода и ацетилена называется коэффициентом в.

Рисунок 3. Строение ацетиленокислородного пламени:

При в = 1,1 ... 1,2 пламя нормальное (см. рисунок 1). При увеличении этого соотношения, т.е. относительном увеличении содержания кислорода (окислительное пламя), форма и строение пламени изменяются (рис. 2). При этом реакции окисления ускоряются, а ядро пламени бледнеет, укорачивается и приобретает коническую заостренную форму. В этом случае сварочная зона утрачивает восстановительные свойства и приобретает окислительный характер (содержание углерода в металле шва уменьшается, выжигается). С уменьшением в, т.е. при увеличении содержания ацетилена в газовой смеси реакции окисления замедляются. Ядро удлиняется, и его очертания становятся размытыми. Количество свободного углерода увеличивается, частицы его появляются в сварочной зоне. При большом избытке ацетилена частицы углерода появляются и в факеле пламени. В этом случае сварочная зона становится науглероживающей, т.е. содержание углерода в металле шва повышается.

Пламя заменителей ацетилена принципиально подобно ацетиленокислородному и имеет три зоны. В отличие от углеводородных газов водородно-кислородное пламя светящегося ядра не имеет (нет светящихся частиц углерода).

Одним из важнейших параметров, определяющих тепловые, а значит и технологические свойства пламени, является его температура. Она различна в различных его участках как по длине вдоль его оси (рисунок 1), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. Наивысшая температура наблюдается по оси пламени, достигая максимума в сварочной зоне на расстоянии 2 ... 3 мм от конца ядра. Эта сварочная зона является основной для расплавления металла. С увеличением в максимальная температура возрастает и смещается к мундштуку горелки. Это объясняется увеличением скорости горения смеси при избытке кислорода. При избытке ацетилена (в менее 1) наоборот, максимум температуры удаляется от мундштука и уменьшается по величине.

Горючие газы-заменители ацетилена, дешевле и недефицитны. Однако их теплотворная способность ниже, чем у ацетилена. Максимальные температуры пламени также значительно ниже. Поэтому их используют в ограниченных объемах в технологических процессах, не требующих высокотемпературного пламени (сварка алюминия, магния и их сплавов, свинца, пайка, сварка тонколистовой стали, газовая резка и т.д.). Например, при использовании пропана и пропанобутановых смесей максимальная температура в пламени 2400 ... 2500 0С. Их используют при сварке стали, толщиной до 6 мм, сварке чугуна, некоторых цветных металлов и сплавов, наплавке, газовой резке и т.д.

При использовании водорода максимальная температура в пламени 2100 0С. Нагрев металла пламенем обусловлен лучистым, и в основном конвективным теплообменом между потоком горячих газов и соприкасающейся с ним поверхностью металла. При вертикальном положении от пламени ее растекающийся поток образует на поверхности металла симметричное относительно центра пятно нагрева. При наклоне пламени пятно нагрева вытягивается по направлению оси и сужается с боков. Интенсивность нагрева впереди ядра выше, чем позади его.

Ввод тепла в изделие при газовой сварке происходит по большей площади пятна нагрева. Источник тепла менее сконцентрирован, чем при других способах сварки плавлением. В результате обширной площади разогрева основного металла околошовная зона (зона термического влияния) имеет большие размеры, что приводит к образованию повышенных деформаций сварных соединений (коробление).

При газовой сварке на металл сварочной ванны активно воздействует газовая фаза всего пламени и особенно сварочной зоны, содержащей, в основном, СО + Н2 и частично пары воды, а также СО2, Н2, О2 и N2 и некоторое количество свободного углерода. Состав газовой фазы определяется соотношением кислорода и горючего газа в газовой смеси, температурой пламени и различен в ее различных зонах. От этого зависят металлургические взаимодействия газовой фазы с металлом сварочной ванны. Основные реакции при сварке - это окисление и восстановление. Направление реакции зависит от концентрации кислорода в газовой фазе (окислительное и науглероживающее пламя), температуры взаимодействия и свойств оксида. При сварке сталей основное взаимодействие газовой фазы происходит с железом, т.е. образование его оксидов или восстановление. Элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо (Al, Si, Mn, Cr и т.д.) могут интенсивно окисляться тогда, когда реакций окисления железа не проходит. Они легко окисляются не только в чистом виде, но и находясь в виде легирующих добавок, причем чем их содержание выше, тем окисление интенсивнее. Окисление таких элементов, как Al, Ti, Mg, Si и некоторых других вообще исключить не удается и для уменьшения их угара следует помимо регулирования состава газовой смеси использовать флюсы.

Ввиду относительно невысокого защитного и восстановительного действия пламени раскисление металла в сварочной ванне при сварке сталей достигается введением в нее марганца, кремния и других раскислителей через присадочную проволоку. Их действие основано на образовании жидкотекучих шлаков, способствующих самофлюсованию сварочной ванны. Образующиеся на поверхности сварочной ванны шлаки защищают расплавленный металл от кислорода, водорода и азота, газовой среды пламени и подсасываемого воздуха. Содержащийся в пламени водород может растворяться в расплавленном металле сварочной ванны. При кристаллизации металла часть не успевшего выделиться водорода может образовать поры. Азот, попадающий в расплавленный металл из воздуха образует в нем нитриды. Структурные превращения в металле шва и околошовной зоне при газовой сварке имеют такой же характер, как и при других способах сварки плавлением. Однако вследствие медленного нагрева и охлаждения металл шва имеет более крупнокристаллическую структуру с равновесными неправильной формы зернами. В нем при сварке сталей с содержанием 0,15 ... 0,3 углерода при быстром охлаждении может образовываться видманштеттовая структура. Чем выше скорость охлаждения металла, тем мельче в нем зерно и тем выше механические свойства металла шва. Поэтому сварку следует производить с максимально возможной скоростью.

Зона термического влияния состоит из тех же характерных участков, как и при дуговой сварке. Однако ее ширина значительно больше (до 30 мм при сварке стали больших толщин) и зависит от режима газовой сварки.

В процессе сварки происходит расплавление основного и присадочного металлов. Регулирование степени их расплавления определяется мощностью горелки, толщиной металла и его теплофизическими свойствами. Газовой сваркой выполняют сварные соединения различного типа.

Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или, что лучше, с отбортовкой кромок без присадочного металла.

Металл толщиной 2 ... 5 мм с присадочным металлом сваривают встык без разделки кромок с зазором между кромками.

При сварке металла свыше 5 мм используется V- или Х-образная разделка кромок.

Тавровые и нахлесточные соединения допустимы только для металла толщиной до 3 мм. При большой толщине неравномерный разогрев приводит к существенным деформациям, остаточным напряжениям и возможности образования трещин.

Свариваемые кромки зачищают от загрязнений на 30 ... 50 мм механическими способами или газовым пламенем. Перед сваркой детали сварного соединения закрепляются в сборочно-сварочном приспособлении или собираются с помощью коротких швов прихваток.

Направление движения горелки и наклон ее к поверхности металла оказывает большое влияние на эффективность нагрева металла, производительность сварки и качество шва. Различают два способа сварки: правый и левый (рисунок 3). Внешний вид шва лучше при левом способе сварки, так как сварщик видит процесс образования шва. При толщине металла до 3 мм более производительным является левый способ сварки ввиду предварительного подогрева кромок. Однако при большой толщине металла при сварке с разделкой кромок угол скоса кромок при правом способе сварки на 10 ... 150 меньше, чем при левом. Угол наклона мундштука также может быть на 10 ... 150 меньше. В результате повышается производительность сварки. Тепловое воздействие пламени на металл зависит от угла наклона оси пламени к поверхности металла (рис. 4).

Рисунок 4. Способы перемещения горелки (способы газовой сварки)

Рисунок 4. Применяемые углы наклона горелки в зависимости от толщины металла

БзЮВ процессе сварки горелке сообщаются колебательные движения и конец мундштука описывает зигзагообразный путь. Горелку сварщик держит в правой руке. При использовании присадочного металла присадочный пруток держится в левой руке. Присадочный пруток располагается под углом 45° к поверхности металла. Оплавляемому концу присадочного прутка сообщают зигзагообразные колебания в направлении, противоположном движению мундштука (рисунок 5). Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. При сварке вертикальных швов "на подъем" процесс удобнее вести левым способом, горизонтальных и потолочных -правым способом.

Рисунок 5. Движения горелки и проволоки

а) при сварке стали толщиной более 3 мм в нижнем положении;

б) при сварке угловых валиковых швов;

1 - движение проволоки; 2 - движение горелки; 3 - места задержек движения

При необходимости использования флюса он наносится на свариваемые кромки или вносится в сварочную ванну оплавляемым концом присадочного прутка (налипающим на него при погружении во флюс). Флюсы могут использоваться и в газообразном виде при подаче их в зону сварки с горючим газом.

3. Сущность процесса горячей объемной штамповки, её разновидности (схемы, рисунки). Область применения

Горячая объёмная штамповка. Под объемной штамповкой понимают процесс, при котором металл заготовки деформируется с изменением всех размеров заготовки, принимая форму рабочей поверхности специального инструмента - штампа. Горячую штамповку ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения. Преимущества объемной штамповки перед свободной ковкой - прежде всего в значительно более высокой производительности и точности, размеров, а также в лучшем качестве поверхности изделий. При этом резко сокращается дальнейшая чистовая обработка резанием. Штамповкой получают детали исключительно сложной формы. Однако необходимо учитывать, что штамп годен только для изготовления той поковки, для которой он спроектирован, в отличие от универсального инструмента свободной ковки.

Штампы представляют собой массивные толстостенные детали, в которых выполнены рабочие полости - гравюры, формообразующие поковку. Штамп состоит минимум из двух частей - половин. Поверхность совпадения частей штампа называют поверхностью разъема. Штамп, состоящий из нескольких частей, каждая из которых имеет часть общей гравюры, называют многоразъемным.

Различают открытые и закрытые штампы. В простейшем случае открытый штамп для цилиндрической детали (рис. а) имеет гравюру в одной половине, а вторая половина является плоским бойком. Если объем заготовки в точности равен объему полости гравюры (поковки), то заполнение гравюры будет идеальным (см. рис. б, в). Однако практически трудно получить заготовку точного объема, поэтому ее выполняют несколько большей, чтобы гарантировать заполнение гравюры, как показано на рис. г - е. Избыток металла вытекает в разъем штампа в виде облоя (заусенца). Такую штамповку называют облойной, а штамп - облойным. Облой является отходом и подлежит удалению.

Поковка, упруго разжимая штамп в момент штамповки, сильно охватывается им после снятия нагрузки. Чтоб легче извлечь поковку из штампа, его стенки делают наклонными к разъему. Штамповочный уклон (а) остается в виде напуска на теле поковки.

Закрытые штампы характеризуются тем, что гравюра выполняется в одной из половин штампа, а другая половина входит в первую, запирая ее (см. рис.). В таком штампе весь объем металла заготовки остается в поковке. Выход для облоя не предусмотрен; штамп и штамповку называют безоблойными.

Штампы подвергаются чрезвычайно высоким нагрузкам - механическим и тепловым. При штамповке стали удельные усилия на поверхности гравюры достигают 1 ГН/м2, а температура на контакте с поковкой составляет 700-800 °С, поэтому штампы изготовляют из закаленной и отпущенной штамповой стали, легированной хромом, никелем, вольфрамом, молибденом, ванадием. Стойкость горячих штампов невелика - 3000-10000 шт. поковок. Учитывая высокую стоимость штампа, следует отметить, что горячая штамповка выгодна только для достаточно больших партий деталей (тысяч и десятков тысяч штук).

Штамповку осуществляют на различных машинах: штамповочных молотах, кривошипных горячештамповочных прессах, гидравлических и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных и горизонтально-гибочных машинах, ковочных вальцах и др. Из штамповочных молотов наибольшее применение получили паровоздушные молоты двойного действия и приводные фрикционные молоты простого действия.

Паровоздушные штамповочные молоты имеют аналогичный ковочным молотам принцип действия, отличаясь от них наличием двухстоечной станины непосредственно на шаботе, а также усиленными регулируемыми направляющими для движения бабы, что обеспечивает необходимую точность соударения штампов. Масса падающих частей паровоздушных штамповочных молотов обычно не превышает 20-30 т. Такие молоты - относительно дешевое оборудование.

Приводные фрикционные молоты имеют ряд конструктивных разновидностей. Наибольшее распространение получили фрикционные молоты с доской, масса падающих частей которых до 5 т. Схема фрикционного молота показана на рисунке. Баба 1 прикреплена к деревянной доске 2. Верхняя часть доски входит в зазор между двумя чугунными роликами 3, которые получают вращение от электродвигателя через какую-либо передачу. Ось одного ролика закреплена неподвижно, а ось другого ролика с помощью специального механизма получает возвратно-поступательное движение. Таким образом, подвижный ролик может прижимать доску к ролику с неподвижной осью.

Ролики зажимают доску с силой, достаточной для возникновения силы трения большей, чем масса падающих частей. Поэтому при сведенных роликах доска вместе с бабой перемешаются вверх. Ролики разводятся при подходе доски к крайнему верхнему положению, после чего падающие части ее перемещаются по инерции до крайнего верхнего положения, затем движутся вниз. Молот имеет тормозной механизм с двумя колодками 4, которым штамповщик управляет с помощью педали 5. Когда педаль отпущена, колодки 4 заклинивают доску, и баба может удерживаться на весу. При непрерывно нажатой педали молот автоматически наносит удары через равные промежутки времени.

Производительность фрикционных молотов ниже, чем паровоздушных. Кроме того, их конструкция не позволяет регулировать энергию удара в процессе штамповки, что очень важно, если поковка сложной формы. Поэтому фрикционные молоты получили меньшее распространение, чем паровоздушные.

Как правило, молотовые штампы делают монолитными, с одной поверхностью разъема и без выталкивателей. Обе половины штампа закреплены в подушке и бабе забивными клиньями. Обычная штамповка на молоте - облойная ввиду отсутствия выталкивателей и ведется в несколько ударов.

Когда поковка несложной формы, ее штампуют сразу из проката (квадрат, круг, полоса). Для поковок сложной формы исходную заготовку изготовляют специально, чтобы получить максимальное подобие конфигурации заготовки и поковки. Эти операции выполняют свободной ковкой или штамповкой. Часто применяют многоручьевые штампы, имеющие несколько полостей (ручьев) для последовательной деформации заготовки. Технологией штамповки может предусматриваться последовательное использование ряда штампов, установленных на нескольких молотах или на нескольких различных машинах: например, молотах и прессах, молотах и ковочных вальцах. В многоручьевых штампах, применяемых для получения заготовки, встречаются следующие основные виды ручьев: штамповочные, заготовительные и отрубной (нож).

Штамповочные ручьи бывают окончательными (чистовыми) и предварительными (черновыми). Окончательный ручей, обязательный для любого штампа, предназначен для штамповки уже готовой поковки (с облоем). Деформация в нем невелика, что позволяет повысить точность размеров поковки. Остальные ручьи применяют в различных сочетаниях в зависимости от формы поковки.

Предварительный ручей применяют при штамповке поковок сложной формы для уменьшения износа окончательного ручья. Основная деформация, необходимая для получения конечной формы поковки, происходит в предварительном ручье, повторяющем по форме окончательный ручей, но с большими радиусами закруглений и без канавки для заусенца.

Заготовительные ручьи предназначены для перераспределения массы заготовки по главным осям поковки согласно распределению массы в поковке. К ним относятся формовочный, пережимной, подкатной, протяжной и гибочный ручьи.

· В формовочном ручье заготовке придается форма, приближающаяся к форме поковки в плоскости разъема штампов. При этом площадь поперечного сечения заготовки изменяется незначительно.

· Пережимной ручей предназначен для уширения заготовки без ее заметного удлинения. В формовочный и пережимной ручьи заготовка поступает чаще без предварительной обработки, реже - после протяжного ручья. После обработки в формовочном и пережимном ручьях заготовка попадает в штамповочный ручей (предварительный или окончательный).

· Подкатной ручей позволяет перераспределять объем металла вдоль оси заготовки в соответствии с формой поковки, т.е. увеличивать одни поперечные сечения за счет уменьшения других. Заготовка поступает в подкатной ручей либо без предварительной обработки, либо из протяжного ручья. После каждого удара в подкатном ручье заготовку кантуют. После подкатного ручья заготовка попадает чаще всего в штамповочный ручей, реже - в гибочный или формовочный.

· В протяжном ручье площади поперечных сечений отдельных участков заготовки уменьшаются за счет протяжки. В этом ручье обычно осуществляется первая штамповка, после чего заготовка передается в любой другой ручей.

· Гибочный ручей придает заготовке форму, соответствующую форме поковки в плоскости разъема штампов, путем гиба. Гибочный ручей может применяться в любой последовательности среди заготовительных ручьев.

· Отрубной ручей применяется при штамповке поковки от прутка, т.е. одна заготовка (пруток) служит для последовательной штамповки нескольких поковок. В этом случае готовую поковку отрубают от прутка отрубным ножом.

Типичный многоручьевой штамп для изготовления поковки шатуна показан на рисунке. По оси штампа размещен чистовой ручей 7, справа от него - черновой 2, слева - подкатной 3. В заднем левом углу смонтирован отрубной нож 4. При многоручьевой штамповке экономится металл, повышается точность поковок и стойкость штампов

Многочисленный класс кузнечных машин составляют кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП). Рабочей частью таких прессов служит ползун, совершающий возвратно-поступательное движение (вниз и вверх) при полном повороте кривошипного вала.

Кинематическая схема кривошипного штамповочного пресса показана на рисунке. Электродвигатель 1 передает вращение промежуточному валу 3 через клиноременную передачу 2. Зубчатая передача 4-5 служит для передачи вращения от промежуточного вала 3 кривошипному валу 7. Фрикционная дисковая муфта б с пневматическим зажимом служит для сцепления зубчатого колеса 5 с кривошипным валом 7. Тормоз 8 останавливает кривошипный вал 7 после выключения муфты 6. Ползун 10, связанный с валом 7, с помощью шатуна 9 передает усилие деформации.

Кривошипные горячештамповочные прессы усилием 2-100 МН, позволяющим производить штамповку в открытых штампах, выдавливанием, прошивкой имеют выталкиватели, с помощью которых поковка автоматически извлекается из штампов. В этом их основное преимущество перед молотами. Кроме того, штамповочные уклоны на поковках с прессов в несколько раз меньше, припуски также меньше, поковки легче. Значительно выше точность поковки, особенно по ее высоте в связи с тем, что ползун имеет жесткий ход. Производительность кривошипного пресса в 1,5-3 раза выше производительности молота, так как обработка в одном ручье штампа осуществляется за один ход ползуна, а на молоте - за несколько ударов.

Однако следует учитывать, что штамповка на кривошипном прессе имеет и недостатки. Заготовка должна поступать на пресс очищенной от окалины, а подкатку и протяжку на прессе выполнять трудно и неэффективно: эти операции приходится осуществлять на другой кузнечной машине, например молоте, ковочных вальцах.

Вследствие упругой деформации частей пресса в завершающий момент штамповки верхняя и нижняя половины штампа не соприкасаются, и высота поковки увеличивается за счет упругой деформации. Это учитывается конструкцией и настройкой штампов. Особенно эффективна на КГШП штамповка выдавливанием металла по оси движения инструмента. Отсутствие ударных нагрузок позволяет делать штампы КГШП сборными из вставок, смонтированных в блоках штамподержателей.

Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) - еще более сложное оборудование, чем КГШП, и имеют штампы, состоящие из трех частей: неподвижной матрицы, подвижной матрицы и пуансона с разъемом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Подвижные части машины совершают движение в горизонтальной плоскости. Неподвижная матрица 1 установлена в неподвижной щеке 2, а подвижная матрица 3 - в подвижной щеке 4. Пуансон 5 закреплен на ползуне машины. Пруток 6 вставляют в матрицу 1 и фиксируют упором 7 (рис. а). Рабочий ход начинается с движения щеки 4 с матрицей 3 и ползуна с пуансоном 5. Матрица 3 прижимает пруток к матрице 1, упор 7 автоматически уходит в сторону (рис. б), после чего пуансон 5 начинает высадку части прутка, выступающего за пределы зажимной части матриц. Ползун передвигается на величину хода пуансона до переднего крайнего положения.

В это время металл заполняет формующую полость, находящуюся перед зажимной частью матриц (рис. в). Кроме размещения формующей полости в матрицах, как показано на рисунке, применяют и другой вариант: формующая полость может находиться в пуансоне или в матрицах и пуансоне. Завершающая стадия цикла - движение ползуна в исходное положение, раскрытие матриц и удаление отштампованной заготовки (рис.

г).

На горизонтально-ковочной машине можно выполнять несколько последовательных штамповок в различных ручьях, оси которых расположены горизонтально одна над другой. Привод ползуна - от кривошипно-шатунного механизма, с косым с помощью бокового ползуна и системы рычагов связана подвижная щека. Таким образом, движения ползуна и щеки имеют жесткую связь, т.е. каждому положению ползуна соответствует определенное положение подвижной щеки. Горизонтально-ковочные машины развивают усилие на ползуне до 30 МН. Наиболее эффективно использовать горизонтально-ковочные машины для получения деталей имеющих форму различных тел вращения. Основная операция, при которой достигается максимальная производительность машины (до 900 поковок/ч), - высадка или высадка с прошивкой.

Весьма широко используют ГКМ для изготовления втулок и колец высадкой и прошивкой из прутка (рис.6). Кольцо штампуется из длинного прутка, нагретого с одного конца. В первом переходе пруток 1 зажимается в матрице 2, и высаживается головка пуансоном 3. После раскрытия матрицы в ручье I пруток с высаженной головкой передается в ручей II, где прошивной пуансон 4делает наметку под просечку. Переложив пруток в ручей III просечным пуансоном выбивают пруток из головки, образуя кольцо без отходов.

Гидравлические штамповочные прессы по принципу действия не отличаются от ковочных, но имеют значительно большую мощность, что связано с большей энергоемкостью процесса штамповки. Современные гидравлические штамповочные прессы развивают усилие до 700 МН. Система привода - насос или насос с аккумулятором. Эти прессы предназначены в основном для штамповки в закрытых штампах; с прошивкой и в комбинации с другими операциями; в открытых штампах с образованием заусенца; для протяжки прошивных заготовок через кольца или вращающиеся ролики. Последняя операция является по существу проталкиванием не до конца прошитой заготовки с донышком, в которое упирается пуансон, через волоку.

На рисунке показан процесс штамповки кольца подшипника: а -

поковка; б - штамп; в - технологические переходы при штамповке.

На гидравлических прессах можно штамповать поковки сложной формы в многоручьевых штампах, поэтому они играют важную роль в производстве сложных деталей из алюминиевых сплавов. На гидравлических прессах большой мощности штампуют крупногабаритные поковки из стали, титана и легких сплавов размерами в несколько метров, массой до 1 т. Нагретые стальные заготовки перед штамповкой следует очищать от окалины, так как к качеству поверхности полученных поковок предъявляются повышенные требования.

Винтовые фрикционные прессы сочетают ударное и статическое действие и относятся к машинам промежуточного вида между молотами и прессами. К особым преимуществам этих прессов следует отнести простоту конструкции, наличие выталкивателя и возможность точного дозирования энергии удара регулировкой хода ползуна. Благодаря этому винтовые прессы применяют при производстве точных турбинных лопаток без припусков на механическую обработку.

Прессы выпускают усилием до 20 МН, а в новой модификации с гидравлическим приводом (гидровинтовые прессы) до 40 МН. Традиционная область применения фрикционных прессов - горячая штамповка: высадка крепежных деталей, облойная и безоблойная штамповка, чеканка и калибровка. На прессах успешно штампуют зубчатые шестерни, причем точность штамповки достигает 0,1-0,2 мм.

Горизонтально-гибочные машины (больдозеры) фактически являются горизонтальными прессами с приводом ползуна от кривошипно-шатунного механизма. В стандартных конструкциях усилие на ползуне не превышает 5 МН. В основном на этих машинах производят штамповку гибкой, кроме того, можно пробивать отверстия. Заготовкой служит прокат различных профилей или поковка.

Ковочные вальцы имеют два валка с закрепленными секторными штампами. В момент, когда при вращении валков штампы расходятся, заготовка подается до упора. Когда штампы сходятся, они обжимают заготовку, выталкивая ее при этом на передний стол. На ковочных вальцах производят в основном вытяжку с изменением формы в продольных и поперечных сечениях в зависимости от конструкции ручьев секторных штампов.

На рисунке приведена схема действия ковочных вальцов:

1- секторный штамп; 2- валок; 3 - упор; 4 - передний стол; 5 - задний стол

На вальцах производят готовые изделия и фасонные заготовки для других кузнечно-штамповочных машин. Массовые детали типа цепных звеньев, ключей и т.п. можно изготовлять продольной периодической прокаткой-штамповкой в вальцах: на поверхности валков большого диаметра (около 900 мм) укреплены секторы-штампы с гравюрами, в валки задается полоса или пруток, из которого за один ход формуется полоса с отпечатками гравюр штампов и облоем.

После штамповки заготовку подвергают отделочным операциям: обрезке и зачистке облоя, правке, калибровке.

· Обрезка облоя, образующегося на поковке по линии разъема в открытых штампах, осуществляется в горячем или холодном состоянии в обрезных штампах на обрезных кривошипных прессах. Последние по принципу действия не отличаются от рассмотренных кривошипных штамповочных прессов. Обрезка заключается в проталкивании поковки пуансоном через плотное отверстие с острой кромкой в матрице. При этом облой остается на матрице. Внутренний заусенец, т.е. перемычка, возникающая при наметке отверстий в поковке при штамповке, удаляется пуансоном прошивного штампа. Обрезка наружного облоя и прошивка внутреннего могут быть выполнены за один ход пресса в комбинированном штампе. При штамповке на горизонтально-ковочной машине возникает радиальный облой. Его удаляют в обрезном ручье на самой машине. Для зачистки неровностей, среза облоя и мелких торцовых заусенцев применяют наждачные станки. Штампованные поковки часто нуждаются в правке, так как после обрезки заусенцев может произойти искривление осей и искажение формы.

· Правку средних и крупных поковок ведут в горячем состоянии, а мелкие поковки поддаются правке и в холодном состоянии. Операция правки проводится на штамповочных молотах в специальном правочном штампе или окончательном ручье, а также на кривошипных обрезных прессах. В последнем случае устанавливают правочный штамп рядом с обрезным.

· Калибровкой обеспечиваются точные размеры и масса, а также качество поверхности поковки, что позволяет обойтись без дальнейшей механической обработки калиброванных поверхностей. Иногда после калибровки производят шлифование.

Применяют холодную (чеканку) и горячую калибровку. Чеканка дает большую точность размеров и лучшее качество поверхности, но ее нельзя применять для поковок больших размеров.

Специальная калибровочная машина - это кривошипно-коленный чеканочный пресс, развивающий большое усилие на ползуне при сравнительно малом крутящем моменте на кривошипном валу. Калибровку также осуществляют на кривошипных горячештамповочных прессах, молотах и винтовых фрикционных прессах. Конечно, точность калибровки на таких неспециализированных машинах ниже, и поэтому их используют в основном для горячей калибровки.

Различают плоскостную, объемную и комбинированную холодную калибровку.

Плоскостной калибровкой гарантируется точность размеров между отдельными параллельными плоскостями поковки и улучшается качество поверхности по этим плоскостям.

Объемная калибровка предназначена для улучшения качества поверхности всей поковки с одновременным повышением точности размеров. Штамп для объемной калибровки соответствует конфигурации поковки. Точность объемной калибровки на 30 - 40 % ниже, чем плоскостной. Объемную калибровку применяют также для нагретых поковок; при этом значительно уменьшается усилие калибровки, но ухудшаются качество поверхности и точность размеров.

Комбинированная калибровка - это сочетание объемной и плоскостной калибровок: вначале производят объемную калибровку, а затем плоскостную. При холодной калибровке возникают значительные усилия, вызывающие упругое сжатие штампа. Из-за этого поковка получает выпуклость (чечевичность) торцов. Для компенсации упругого сжатия рабочую поверхность штампа делают выпуклой.

Перед операцией калибровки поверхность поковки должна быть очищена от окалины травлением или дробеструйной и пескоструйной обработкой. Хорошие результаты дает сочетание химической и механической очистки.

Область применения: горячей объемной штамповкой изготовляют заготовки для ответственных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, самолетов, железнодорожных вагонов, станков и т.д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуляев А. П. Металловедение, М., 1986

2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение, М., 1986

3. Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. М.: Машиностроение, 1990