Механическая обработка металлов

Механическая обработка металлов

Широкое применение в промышленности получили различные механические методы разделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. В производстве используются разнообразные станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. Однако при многих достоинствах этого процесса существуют значительные недостатки, связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному криволинейному контуру. С этими задачами прекрасно справляется лазерная резка металлов.
Отжиг - это термообработка, которая устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности и неравновесности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях ( мех. обработка, обработка давлением, литье, сварка ). В зависимости от исходного состояния стали отжигможет включать процессыгомогенизации, рекристаллизациии снятия остаточных напряжений.
Именно об этих способах обработки металлов и пойдет речь в данном реферате.

Гомогенизационный отжиг.
Основной целью гомогенизационного отжига являются - устранение последствий дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая может привести к :
1.Снижению пластичности, за счет выделения неравновесных хрупких фаз.
2.Уменьшению коррозионной стойкости и развитии электрохимической коррозии
внутри сплава.
3.Анизотропии мех. свойств.
4.Снижению температуры солидуса.
5.Уменьшению температуры плавления, из-за которого происходит оплавлениедендритов при дальнейшей обработке.
6.Отсутствию стабильности свойств.
Физико - химической основой гомогенизационного отжига является диффузия в твердом состоянии, по этому отжиг желательно проводить при более высоких температурах, чтобы диффузионные процессы, необходимые для выравнивания состава стали, проходили более полно.
Температура нагрева под отжиг колеблется в пределах (0.85-0.90)Tпл .
Выдержка будет определяться природой ликвирующих элементов . Так как гомогенизация интенсивно протекает в начальный период отжига ( по мере выравнивания состава сплава градиент концентрации dC/dX уменьшается ), то большие времена выдержки не применяются. Однако для некоторых металлов это время составляет десятки или сотни часов. Для уменьшения времени отжига нужно
1. Увеличить температуру
2. Изменить dC/dX, а для этого нужно изменить условия кристаллизации.
3. Загрузить в печь уже нагретые слитки.
Гомогенизирующий отжиг может вызвать ряд негативных побочных явлений:
1. Рост зерна аустенита,следовательно ухудшение мех. свойств .
2. Вторичная пористость и неоднородность .
3. Коагуляция избыточных фаз.
Поэтому гомогенизирующий отжиг является предварительной обработкой, после которой поводят полный отжиг,или обработку давлением, или отпуск при 670-680 градусах, или нормализацию.
Для устранения неоднородностей, вызванных холодной пластической деформациейприменяют дорекристаллизационный и рекристаллизационный отжиг
При холодной деформации происходит:
1.Изменение формы и размеров кристаллов
2.Накопление в металле большого количества избыточной энергии, что в конечном итоге приводит к росту напряжений 1 и 2 родов.
Из-за этого : уменьшаются пластические характеристики, появляется анизотропия механических свойств, увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость.
Все это можно попытаться устранить отжигом.
Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим и упрочняющим.
Смягчающий отжиг используют для повышения пластичности при частичном сохранении деформационного упрочнения. Чаще всего его применяют в качестве окончательной операции, придающей изделию требуемое сочетание прочности и пластичности. Кроме того, можно уменьшить остаточные напряжения, стабилизировать свойства и повысить стойкость ккоррозии. Для выбора режима дорекристаллизационного смягчающего отжига необходимо знать температуру начала рекристаллизации, при данной степени деформации.
Дорекристаллизационный упрочняющий отжиг применяют дляповышения упругих свойств пружин и мембран.Оптимальную температуру подбирают опытным путем.
Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как предварительную операцию перед холодной обработкой давлением,для придания материалу наибольшей пластичности;как промежуточный процесс между операциями холодногодеформирования,для снятия наклепа; и как окончательную термообработку,для придания материалу необходимых свойств.
При выборе режима отжига нужно избегать получения очень крупного зерна и разнозернистости.Скорость нагревачаще всего не имеет значения.
Отжиг, уменьшающий напряжения.
При обработке давлением, литье, сварке, термообработке в изделиях могут возникать внутренние напряжения. В большинстве случаев,они полностью или частично сохраняются в металле после окончания технологического процесса. Поэтому основная цель отжига - полная или частичная релаксация остаточных напряжений.
Причинами возникновения остаточных напряжений являются неодинаковая пластическая деформация или разное изменение удельного объема в различных точках тела, из-за наличия градиента температур по сечению тела.
Напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями : вследствии пластической деформации в условиях когда эти напряжения превысят предел текучести и в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.
Продолжительность отжига устанавливают опытным путем. Определенной температуре отжига в каждом конкретном изделии соответствует свой конечный уровень остаточных напряжений, по достижении которого увеличивать продолжительность отжига практически бесполезно.
Температуру подбирают обычно несколько ниже критической точки Ас1 .
Скорости нагрева и особенно охлаждения при отжиге должны быть небольшими,чтобы не возникли новые внутренние термические напряжения.
Использование отжига лимитируется теми нежелательными структурными и фазовыми изменениями, которые могут произойти при нагреве. Поэтому приходится либо мириться с недостаточно полным снятием остаточных напряженийпри низких температурах, либо идти на компромис, достигая более полного снятия напряжений при некотором ухудшении механических и других свойств.
Отжиг IIрода.
Отжиг второго рода - этотермообработка, которая заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ас1, выдержке и последующем охлаждении. В результатемы получаем почти равновесное структурное состояние стали; в доэвтектоидных сталях - феррит + перлит, в эвтектоидных - перлит и в заэвтектоидных - перлит + вторичный цементит.
После отжига получаем : мелкое зерно, частично или полностью устраненные строчечность, видманштеттову структуру и другие неблагоприятные структуры .
Сталь получается снизкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности.
В промышленности отжиг II рода часто используется в качестве подготовительной и окончательной обработки.
Разновидности отжига II рода различаются способами охлаждения и степенью переохлаждения аустенита, а так же положением температур нагрева относительно критических точек .
Полный отжиг.
Основные цели полного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке ( лить, горячей деформации или сварке ), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик. Вцелом отжиг II рода проводят для приближения системя к равновесию.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на 30-50 С выше температурыАс3(чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева изавершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства . Для доэвтектоидных сталей время нагрева и продолжительность обработки зависят типа печи, способа укладки, типа отжигаемого материала (лист,прокат, ...).Наиболее распространенная скорость нагрева составляет ~ 100 C / ч, а продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловленно необходимостью избежать образования слишком дисперсной ферритно-цементитной структуры и следовательно более высокой твердости. Скоростьохлаждения зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Ее регулируют проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.
При полном отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки Ас3образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую вязкость, пластичность и получение высоких свойств после окончательной обработки.
Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу .Это отжиг на крупное зерно с нагревом до 950-1100 С, который применяют для улучшения обработки резанием мягких низкоуглеродистыхсталей .
Неплный отжиг.
Неполный отжиг доэвтектоидной стали проводят при нагреве до температур выше Ас1, но ниже Ас3. При таких температурах происходит частичная перекристаллизация стали, а именно лишь переход перлита в аустенит . избыточный феррит частично превращается в аустенит и значительная часть его не подвергается перерекристаллизации . Поэтому неполный отжиг не устраняет пороки стали связанные с нежелательными размерами и формой избыточного феррита . Для доэвтектоидной сталинеполный отжиг применяется лишь тогда, когда отсутствует перегрев, ферритная полосчатость, итребуется только снижение твердости и смягчения перед обработкой резанием .


ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛА

В промышленности получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацителено-кислородная резка, плазменная резка проникающая дугой и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но одновременно с этим характеризуются малой производительностью.
В связи с этим возникла производственная необходимость в разработке и промышленном освоении методов резки современных конструкционных материалов, обеспечивающих высокую производительность процесса, точность и качество поверхностей получаемого реза. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.
Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствии этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечиваетсявысокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.
Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности(от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера.Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество теплоты.
Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO2 - лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки еще достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки (в дальнейшем просто лазерной резки) становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

Список литературы.

1. Новиков И.И. Теория термичесеой обработки металлов .М.: Металлургия,1986.
2. Лахтин Ю.М.Металловедение и термическая обработка металлов.
М.: Металлургия, 1993
3. Лившиц Металлография. М.: Металлургия, 1994.