Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -251-

Комплексная технология изготовления машиностроительных конструк-

ций предусматривает получение их составных, относительно простых частей

различными, наиболее рациональными для данных условий методами формо-

образования. В качестве составных частей свариваемой конструкции могут

быть применены заготовки, полученные методами литья, прокатки, штам-

повки и т. д. Примером такой конструкции может являться корпус заднего

моста автомобиля, представленного на рис. 8.1

: корпус дифференциала 6 и

крышка

5 корпуса дифференциала выполняют методами литья, кожух 3 –

методом прокатки, корпус подшипника полуосей

1 – методами штамповки,

сборку всей конструкции осуществляют методами контактной стыковой (шов

2) и электродуговой (шов 4) сварки. Исключение из технологического

комплекса хотя бы одного из применяемых методов формообразования

неизбежно приведет к усложнению технологии и удорожанию продукции.

Применение комплексной технологии требует достаточно высокого

уровня развития каждого из способов формообразования, позволяющих

получать отдельные заготовки высокого качества из нужных материалов.

Например, корпус, получаемый литьем, должен быть изготовлен из стали,

обладающей хорошей св

ариваемостью. Штампованные детали желательно

выполнять из материалов того же состава, что и литые, обеспечивая тем

самым достаточно простой процесс сварки однородных материалов.

Крупногабаритные ответственные конструкции большой массы изго-

тавливают из заготовок, полученных прокаткой, соединяя их электродуговой

сваркой. В качестве примера можно рассмотреть стрелу башенного

подъемного крана, секции которой соединены электродуговой сваркой в

защитной ат

мосфере углекислого газа (рис. 8.2

Рис. 8.1. Корпус заднего моста грузового автомобиля:

1 – корпус подшипника;

2 – шов стыковой контактной сварки; 3 – кожух; 4 – шов дуговой сварки;

5 – крышка корпуса дифференциала; 6 – корпус дифференциала

ГЛАВА 8. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -252-

Рис. 8.2. Башенный кран (а) и секция стрелы подъемного башенного крана (б)

Рис. 8.4. Контактная сварка: а – шовная (бензобака); б – точечная (обечайки);

1 − тележка; 2 − механизм шагового поворота; 3 − планшайба торцевого

вращателя;

4 − деталь; 5 − опорные ролики

Рис. 8.3. Цельносварная рама автомобиля-самосвала «БелАЗ»

Сборка секции

стрелы

электродуговой

Схема рас-

положения

шва

1 2

4 5

а б

ГЛАВА 8. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -253-

Рис. 8.5. Кузов автомобиля «ВАЗ-2121»: 1 – корпус; 2 – капот двигателя;

3 – задняя дверь; 4 – багажное отделение; 5 – передняя дверь; 6 – переднее крыло;

7 – боковина; 8 – крыша; 9 – задняя часть корпуса; 10 – основание

Комбинированные способы получения заготовок широко применяются

в автомобилестроении и позволяют изготавливать конструкции повышенной

прочности и жесткости. Цельносварные рамы для сверхтяжелых самосвалов

изготавливают соединением прокатанных профилей электродуговой сваркой

(рис. 8.3

В автомобилестроении применяются комбинированные конструкции,

часто изготовленные из листоштампованных заготовок. Для соединения та-

ГЛАВА 8. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -254-

ких заготовок используют все виды контактной электросварки. На рис. 8.4, а

показана шовная сварка бензобака. На рис. 8.5

показан кузов легкового

автомобиля, полученный соединением штампованных заготовок точечной

контактной сваркой (количество точек колеблется от 6000–10000). Точечная

сварка применяется для изготовления обечаек и корпусов в тракторо-

строении, приборостроении и др.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -255-

Порошковой металлургией называется область техники, охватывающая

совокупность методов изготовления: порошков металлов и сплавов, полуфаб-

рикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками.

Технологический процесс производства изделий методом порошковой

металлургии состоит из следующих основных операций: получение металли-

ческого порошка или смеси порошков разнородных материалов, формование,

спекание и дополнительная обработка спеченных порошковых изделий

(механическая обработка, калибровка, термическая и хи

мико-термическая

обработка и др.). Однако в производственной практике нередко встречаются

отклонения от этой совокупности элементов технологии. Например, процес-

сы формования и спекания можно совместить в одной операции. При этом

использование порошкообразного вещества в качестве исходного и примене-

ние нагрева до температур ниже точки плавления осн

овного компонента

смеси остаются неизменными в любом из вариантов технологии порошковой

металлургии.

Основные направления развития порошковой металлургии связаны

прежде всего с преодолением затруднений в осуществлении процесса литья

тугоплавких редких металлов (вольфрам, молибден, тантал и др.) и с возмож-

ностями производства порошковых материалов и изделий со специфичес-

кими свойствами, не достижимыми другими технологи

ческими способами,

например получение композитов типа: вольфрам – медь, твердых сплавов,

пористых подшипников, фильтров и пр.

Метод порошковой металлургии позволяет изготовлять многие изделия

(например, детали машин и приборов) из обычных материалов и с обычными

свойствами, но с лучшими технико-экономическими показателями производ-

ства по сравнению с изделиями, полученными традиционной технологией.

При изготовлении изделий методом порошковой металлургии потери

материалов состав

ляют до 5–7 %, а при металлообработке литья и даже

проката в стружку теряется до 60–70 %.

Наконец, важным направлением порошковой металлургии является

производство металлических порошков, предназначенных для непосредст-

венного использования (краски, пиротехнические взрывчатые смеси, катали-

заторы, сварочные материалы и др.), в том числе для упрочнения и защиты от

коррозии деталей машин и приборов методами напыления.

Метод получения порошков и природа мат

ериала определяют свойства

порошков:

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК

ЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -256-

химические (содержание компонентов, примесей и загрязнений, пиро-

форность и токсичность);

физические (форма, размер, удельная поверхность, истинная плотность

и микротвердость частиц);

технологические (насыпная плотность, текучесть, формуемость и

прессуемость порошка).

В некоторых случаях необходимо знание и более специфических свойств

порошка, например цвета, блеска, кроющей способности красителя из него и пр.

Очень часто некоторые свойства пор

ошка одного и того же металла

существенно изменяются в зависимости от метода производства. Порошки,

идентичные по химическому составу, могут иметь разные физические

характеристики и резко различаться по технологическим свойствам, что

приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения

порошка в готовые изделия и влияет на их свойства.

Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости

от области их применения, а также свойства самих металлов объясняют

существование большого числа различных методов производства металли-

ческих порошков. Общепринятым является условное деление этих методов

на физико-химические и механические.

К физико-химическим методам относят технологические процессы

производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими

превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по

химическому составу и структуре существенно отличается от исходного

материала. Основными являются методы восстановления металлов,

электролиз и термическая диссоциация карбонилов.

Механические методы обеспечивают превращение исходного матери-

ала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще

всего используют размол твердых материалов в мельницах различных

конструкций и диспергирование расплавов.

Физико-химические способы получения порошков в целом более

универсальны, чем механические. Возможность использования дешевого

сырья (отходы производства в виде окалины, оксидов и т. д.) делает многие

физико-химически

е способы экономичными. Порошки ряда тугоплавких

металлов, а также порошки сплавов и соединений на их основе могут быть

получены только физико-химическими способами.

Выбирая метод получения металлического порошка, учитывают преж-

де всего необходимость обеспечения требований, предъявляемых к конечной

продукции из него, а также экономическую оценку соответствующих техно-

логических процессов − себ

естоимость порошка, размер капиталовложений,

стоимость дальнейшей переработки порошка в изделия.

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК

ЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -257-

Рис. 9.1. Разновидность технологической схемы получения железного порошка

методом восстановления окалины

Механические методы получения порошков могут применяться как

самостоятельные, а также входить в схему производства порошка физико-

химическими методами (рис. 9.1

Диспергирование расплавов – это способ получения металлического

порошка распылением расплавленного металла или сплава струей сжатого

газа, жидкости или механическим путем.

Распылением получаются порошки железа, сталей, чистых металлов, в

том числе легких и тугоплавких, а также сплавов на их основе.

Распыление эффективно для получения порошков многокомпонентных

сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава, оп-

тимальное строение и тонкую структуру каждой частицы. Методы диспер-

гировани

я позволяют увеличить выпуск порошков с контролируемыми

свойствами.

Брикетирование при давлении 15−20 МПа

Восстановление в вертикальной электропечи при 1000−1100 °С

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК

ЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -258-

Рис. 9.2. Распыление жидкого сплава инертным газом

Одним из распространенных способов распыления для многотоннаж-

ного получения порошков быстрорежущих сталей является диспергирование

газом (аргоном, гелием или азотом). Схема с вертикальным расположением

форсунки, где на струю расплавленного металла под углами 60° направлены

потоки подогретого газа с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью,

представлена на рис. 9.2

Полученные порошки подвергаются восстановительному отжигу.

Механические способы получения порошков, основанные на измельче-

нии твердых тел, часто совмещают с приготовлением смесей порошков.

Из методов измельчения наибольшее распространение получили:

•

обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или

опилок;

•

измельчение металлов в паровых, вихревых, центробежных, молот-

ковых и других мельницах.

Фокус

распыления

Жидкий

металл

Газ Газ

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК

ЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -259-

Рис. 9.3. Барабанная шаровая мельница: а – схема устройства;

б – схема перемещения размольных тел и измельчаемого материала

Одним из наиболее распространенных видов размольного оборудова-

ния являются барабанные мельницы. В простейшем конструктивном вари-

анте такая мельница представляет собой вращающийся вокруг горизонталь-

ной оси барабан, внутри которого находится измельчаемый материал и

мелющие тела (рис. 9.3,

а). Мелющие тела чаще всего имеют форму шара и

изготовлены из стали.

Процессы, происходящие в рабочем объеме барабанных мельниц,

сводятся к следующему: мелющие тела поднимаются на некоторую высоту в

направлении вращения барабана, до тех пор пока угол подъема не превысит

угол естественного откоса, после чего шары скатываются или падают вниз и

измельчают материал, истирая и разд

албливая его.

Измельчение может быть мокрым и сухим. Считается, что мокрое измельче-

ние более эффективно и улучшает экологические характеристики оборудования.

Прессование изделий из порошков начинается с приготовления смеси и

включает предварительный отжиг, сортировку порошка по размерам частиц

и смешение порошков разного состава.

Предварительный отжиг порошка способствует восстановлению окси-

дов и снимает наклеп, возникающий при механическом измельчении

исходного материала.

В металлические порошки вводят технологические присадочные мате-

риалы различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеино-

вая ки

слота и др.), облегчающие процесс прессования и способствующие

получению заготовок высокого качества; легкоплавкие материалы, улучшаю-

щие процесс спекания; летучие вещества, обеспечивающие получение

заданной пористости.

иво

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК

ЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -260-

Заготовки из металлических порошков получают прессованием

(холодным, горячим, гидростатическим), прокаткой и др.

Холодное прессование. При холодном прессовании в закрытых пресс-

формах (рис. 9.4,

а) определенное количество подготовленного порошка 3

засыпают в пресс-форму

2 и прессуют пуансоном 1.

Порошковые металлы, в отличие от металлов, полученных традицион-

ными методами, при деформации изменяют не только форму, но и объем.

Обычно при формовании высота заготовки по отношению к высоте

насыпанного порошка уменьшается в 3−4 раза и более.

Прочность получаемой заготовки обеспечивается в основном силами

механического сцепления частиц порошка. С увеличением давления прессо-

вания пр

очность заготовки возрастает. Давление распределяется неравно-

мерно по высоте прессуемой заготовки вследствие влияния трения порошка о

стенки пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной

прочностью и пористостью по высоте.

В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок приме-

няют одно- и двустороннее прессование. Односторонним прессованием

(рис. 9.4,

а) получают заготовки простой формы с отношением высоты к

диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наруж-

ного диаметра к толщине стенки меньше трех. Двустороннее прессование

(рис. 9.4,

б) применяют для формообразования заготовок сложной формы. В

этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности

снижается на 30−40 %. Давление прессования зависит от требуемой плот-

ности, формы прессуемой заготовки, вида прессуемого порошка и других

факторов. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки

раз уменьшить необходимое давление.

а б

Рис. 9.4. Схемы одностороннего (а) и двустороннего (б) холодного прессования:

1 − пуансон; 2 − пресс-форма; 3 − порошок

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и

пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накапливаются