«Ответы на вопросы материаловедению»

Вопрос 1. Штамповка

ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА 

ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА 

Объемная штамповка – процесс изготовления поковок в штампах, когда течение металла в стороны при деформировании ограничено поверхностями отдельных частей штампа. Рабочая полость штампа при замыкании его составных частей в конце штамповки (ручей) соответствует форме поковки. 

Преимущества объемной штамповки перед свободной ковкой: 

большая производительность;

большая однородность и точность поковок;

возможность получения поковок сложной формы без напусков;

высокое качество поверхности;

уменьшение расхода материала. Недостатки объемной штамповки:

сложность и дороговизна штампа;

ограниченность массы поковок (0,3+100 кг, в отдельных случаях до 3 т) из-за повышенных усилий деформирования.

Различают объемную штамповку на молоте в открытых и в закрытых штампах. В открытых штампах между подвижной и неподвижной частями штампа имеется зазор – заусеночная    (облойная)    канавка, куда течет избыточный металл заготовки. Образующийся при этом заусенец (облой) затем обрезается.

В закрытых штампах деформирование металла протекает в закрытой полости без образования заусенца. В этом случае расход металла меньше, однако предъявляются повышенные требования к точности объема заготовки. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную структуру, так как волокна металла обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. В закрытом штампе металл деформируется при больших напряжениях, чем в открытом. Это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.

Штамповка на молоте может осуществляться в одноручьевых или многоручьевых штампах. Одноручьевые штампы применяют для получения поковок несложной конфигурации, когда форма и размеры штампа соответствуют готовой горячей поковке. В многоручьевых штампах изготовляют сложные формы. Многоручьевые штампы состоят:

из заготовительных  ручьев:  протяжных,  пережимных, гибочных, подкатных и т.д., они предназначаются для подготовки изделия к последующей штамповке;

из штамповочных ручьев: черновых и чистовых, в которых производится окончательное формирование поковки.

Штампы для горячей штамповки на прессах имеют ряд особенностей, так как характер деформации металла при штамповке на прессе отличается от такового на молоте. При штамповке на прессах форма поковки изменяется постепенно за несколько переходов:

сначала в заготовительных ручьях (для осадки, гибки и т.д.), где заготовка осаживается и ее объем перераспределяется в соответствии с формой поковки;

затем в штамповочных ручьях (черновом и чистовом), в которых получают готовую поковку.

Для горячей штамповки применяют круглый, квадратный, прямоугольный, фасонный и периодический прокат и другие заготовки. Применение периодического проката особенно выгодно в крупносерийном производстве, так как при этом отпадают заготовительные переходы и экономится металл.

Технологический процесс изготовления поковок горячей объемной штамповкой состоит обычно из следующих этапов: 1) отрезка проката на мерные заготовки; 2) нагрев; 3) штамповка; 4) обрезка облоя и пробивка пленок; 5) правка; 6) термическая обработка; 7) очистка поковок от окалины; 8) калибровка; 9) контроль готовых поковок.

Обрезка облоя и пробивка пленок также производятся с помощью штампов (холодная объемная штамповка). Правка нужна, чтобы устранить искривления осей и искажения поперечных сечений, возникающих при затруднительном извлечении поковок из штампов. Очистка поковок от окалины облегчает работу режущего инструмента при последующей обработке резанием и контроль поверхности поковок. Очистку осуществляют: во вращающихся барабанах с наклонной осью вращения; дробью (дробеструйная очистка) или травлением. Калибровка поковок повышает точность размеров всей поковки или ее отдельных участков. Плоскостную калибровку (получение точных вертикальных размеров, ограниченных горизонтальными плоскостями) проводят в холодном состоянии на кривошипно-коленных прессах. Объемную калибровку проводят в штампах с ручьями, соответствующими конфигурации поковки.

ХОЛОДНАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА

Холодная объемная штамповка – объемная штамповка без предварительного нагрева заготовки. Она позволяет почти полностью исключить последующую обработку резанием и обеспечивает уменьшение трудоемкости изготовления деталей на 30×80 % и повышение коэффициента использования металла до 50%. При холодной высадке коэффициент использования металла достигает 95%.

Холодная штамповка характеризуется высокой производительностью, повышенной точностью и хорошим качеством поверхности. Она применяется для изготовления стандартных и нестандартных деталей, например, болтов, винтов, заклепок, фасонных гаек, шариков, роликов, колец подшипников качения, поршневых пальцев, зубчатых колес, корпусов свечей зажигания автомобилей, корпусов часов и т.д.

Операции холодной штамповки подразделяют на разделительные (отрезка, обрезка и др.) и формообразующие (открытая и закрытая осадка; высадка; прямое, обратное и иное выдавливание).

При         прямом         выдавливании металл вытекает через отверстие в неподвижной матрице. Удаляют деталь из матрицы с помощью выталкивателя. Таким способом получают детали типа стержней с утолщениями и труб с фланцами (болты, клапаны и т.п.).

При обратном выдавливании направление движения пуансона противоположно течению металла. Таким способом получают полые детали с дном (корпусы труб, тубы, стаканы и т.п.).

При        боковом        выдавливании течение  металла  по  направлению не совпадает с движением пуансона. Таким образом получают детали типа тройников, крестовин и т.п.

При комбинированном выдавливании с одновременным течением по нескольким направлениям изготавливают, например, обратным выдавливанием чашеобразные части детали, а прямым – стержни, отходящие от донной части.

Холодную высадку выполняют на специальных холодновысадочных автоматах. Ее применяют при изготовлении болтов, гаек, шпилек, винтов, шурупов, заклепок, гвоздей, спиц и др. Исходной заготовкой служат проволока или прутки. Холодную высадку производят за 1, 2, 3 и более переходов (ударов) в зависимости от формы высаживаемой части и ее размеров.

ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА

Листовой штамповкой изготовляют разнообразные плоские и пространственные детали массой от долей грамма и размерами в доли миллиметра (например, секундная стрелка ручных часов) до деталей в десятки килограммов и размерами в несколько метров (например, части корпуса автомобиля, обшивка самолета, ракеты). При листовой штамповке заготовка обычно испытывает значительные пластические деформации, что вынуждает предъявлять к ее материалу высокие требования.

В качестве исходных заготовок при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу, ленту, свернутую в рулон. Из материалов чаще всего применяют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь с содержанием меди более 60%, алюминий и его сплавы, магниевые, титановые и иные сплавы. Листовая сталь, используемая для глубокой вытяжки и сложных формоизменений, должна иметь отношение σ_0,2/ σ_в≤ 0,65.

Толщина заготовки – обычно не более 10 мм, в редких случаях – более 20 мм. При изготовлении деталей из заготовок толщиной более 20 мм используют горячую листовую штамповку, нагревая металл до ковочных температур. Холодная листовая штамповка получила более широкое применение.

Технологические операции листовой штамповки можно разделить на две группы: разделительные (отрезка, вырубка, пробивка, обрезка, надрезка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, отбортовка, закатка, обжим, чеканка, калибровка, формовка и др.).

Вопрос 2. Сплавы железа с углеродом. Классификация сплавов по содержанию углерода. Их структуры в затвердевшем состоянии

Согласно диаграмме состояния железо – цементит в результате первичной кристаллизации у сплавов, содержащих менее 2,14% углерода, получается структура аустенита, а у сплавов, содержащих более 2,14% углерода, структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом.

Это различие в структуре при высоких температурах создает существенное различие в технологических и механических свойствах сплавов. Присутствие эвтектики в высокоуглеродистых сплавах делает их нековкими, но позволяет применять в качестве литейных материалов, так как эти сплавы имеют низкую температуру плавления.

Низкоуглеродистые сплавы не содержат хрупкой структурной составляющей – ледебурита после затвердевания и при высоком нагреве обладают высокой пластичностью. Поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.

Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями.

Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Методы широкого производства стали были открыты в середине XIX в. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов.

Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, можно получать стали с различными свойствами и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3–0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С).

Главным элементом стали является углерод, и это единственная примесь, которая специально вводится в сталь. С повышением содержания углерода прочность стали существенно возрастает из-за увеличения количества цементита в фазовом составе стали.

К низкоуглеродистым относятся стали, содержащие до 0,25%С. Это достаточно мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горячем состоянии стали.

Среднеуглеродистые стали содержат 0,3–0,6%С. Они обладают хорошими прочностными свойствами при небольшой пластичности и вязкости. Стали с таким содержанием углерода являются широко распространенным конструкционным материалом для деталей, работающих в условиях обычных силовых нагрузок.

Высокоуглеродистые стали содержат свыше 0,6%С (до 1,3–1,4 %), за счет чего они обладают высокой твердостью и очень низкой пластичностью и вязкостью. При содержании углерода больше 1,3% в стали значительно возрастает хрупкость и использование ее становится очень ограниченным.

Стали с содержанием углерода более 0,7% в основном используются в штампово-инструментальном производстве холодного и горячего деформирования. Кроме того, из этих сталей изготавливают еще режущий и мерительный инструменты, применяемые в различных областях народного хозяйства.

Увеличение количества углерода соответственно увеличивает и количество цементита в стали, который отличается высокой твердостью и хрупкостью. Значит, можно сказать, что с повышением содержания углерода увеличиваются прочность и твердость, а пластичность и вязкость снижаются (рис.).

Кроме снижения ударной вязкости углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние.

Каждая одна хладноломкость десятая процента углерода повышает температуру перехода приблизительно на 20°С. При содержании углерода 0,4% порог хладноломкости равен 0°С. При большей концентрации углерода температура хрупкости достигает 20°С: сталь становится менее используемой в работе.

Особенно сильно сказывается влияние углерода при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление легированных сталей резко увеличивается с ростом углерода и достигает максимального значения при 0,4% С (рис. ).

Как видно из рис., при большем содержании углерода σ_в теряет стабильность из-за хрупкого разрушения стали. В этих сталях может быть достаточно высокое содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по массовым технологиям. Эти стали относятся к дешевым материалам, но при этом в них сочетаются неплохие механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, в чем они превосходят даже легированные стали (при одинаковом содержании углерода). Углеродистые стали, в отличие от легированных, менее технологичны при термической обработке. Также необходимо отметить, что у этих сталей очень небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что сужает резко размер деталей, которые можно упрочнить термической обработкой. Габаритные детали изготавливают из сталей без термической обработки – в горячекатаном или нормализованном состоянии, что увеличивает металлоемкость конструкций.

Вопрос 3. Материалы с особыми физическими свойствами

Сюда относятся различные материалы. Рассмотрим некоторые из них.

МАГНИТОТВЕРДЫЕ И МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы широко применяются в технике как концентраторы, проводники и источники магнитного поля. Они являются основой современных электрогенераторов и электродвигателей, трансформаторов, различных типов аппаратов и приборов автоматики, вычислительной и измерительной техники, электромагнитов и дросселей, постоянных магнитов и т.д.

Магнитные материалы подразделяются на две большие группы: магнитомягкие, используемые в основном в качестве проводников магнитного потока, и магнитотвердые – как источники магнитного потока.

Магнитомягкие материалы имеют высокое значение начальной относительной магнитной проницаемости, способны намагничиваться до насыщения даже в слабых полях, т.е. обладают малой коэрцитивной силой и имеют малые потери при перемагничивании вдоль направления магнитопроводов.

Магнитомягкие материалы используются в основном для изготовления магнитопроводов переменного магнитного поля. Применяются в электроэнергетике, электромашине- и моторостроении, в электро- и радиотехнической промышленности, измерительной и вычислительной технике, системах автоматики и телемеханики. К магнитомягким относят металлические материалы: ферромагнитное чистое железо, низкоуглеродистые электротехнические стали (нелегированные и кремнистые), магнитомягкие сплавы на железной и железоникелевой основе, в том числе аморфные металлические сплавы; магнитомягкие ферриты – комплексные оксиды переходных металлов, содержащие группу Ре₂0₃; магнитодиэлектрики – композиты на основе порошка магнитомягкого ферро- или ферри-магнетика в диэлектрической матрице.

Такие материалы (технически чистое железо, электротехнические стали, магнитомягкие сплавы) должны обеспечивать:

• хорошую магнитную связь между элементами устройств;

• значительный магнитный поток при минимальном использовании магнитного материала;

• минимальные потери на перемагничивание. Приведенные выше требования выполняются:

• выбором рабочей точки, соответствующей максимальной магнитной проницаемости;

• использованием материалов с большой индукцией насыщения, основным компонентом которых является железо;

• выбором материалов с соответствующим комплексом значений различных магнитных свойств.

Сплавы железа с никелем, с кобальтом и с никелем и кобальтом обладают при определенных составах исключительно высокими магнитными свойствами, недостижимыми в других сплавах. Эти свойства еще больше повышаются при дополнительном легировании такими элементами, как молибден, хром, кремний, медь, ванадий и титан. Высокие магнитные свойства этих сплавов обусловлены тем, что при определенных химических составах достигаются минимальные значения константы магнитной анизотропии и константы магнитострикции и, следовательно, максимальное значение магнитной проницаемости.

МАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ.

В 1979-1986 гг. отечественными учеными М.А. Савченко и А.В. Стефановичем была предсказана высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) сложных соединений оксидов металлов. В 1986-1987 гг. она была открыта экспериментально Дж. Беднорцем и К. Мюллером. Высокотемпературные сверхпроводники получают как в виде монокристаллов, так и в виде керамики. Кристаллическая структура большинства ВТСП-материалов имеет в своей основе структуру типа перовскита, и их элементарная ячейка соответствует, как правило, орторомбической или тетрагональной симметрии.

Выше точки сверхпроводящего перехода зависимость электросопротивления от температуры близка к линейной, что характерно для металлов. Отличие состоит в том, что величина электросопротивления в нормальной фазе на три порядка выше, чем у хороших металлов. Это указывает на то, что в ВТСП-материалах электрон-фононное взаимодействие

Кроме того, высокотемпературные сверхпроводники обладают низкой технологичностью (зернистостью структуры, гранулярностью и, как результат, высокой механической хрупкостью). Это делает пока невозможным использование данных материалов в сильноточной электронике, но их использование в микроэлектронике вполне актуально.

АМОРФНЫЕ СПЛАВЫ

Электросопротивление аморфных сплавов сильно отличается от электросопротивления кристаллических сплавов, несмотря на то что концентрация электронов проводимости в аморфных сплавах относительно высокая. У аморфных сплавов оно гораздо выше, причем изменение электрического сопротивления при переходе от жидкого к аморфному состоянию происходит непрерывно. Кроме того, оно очень мало изменяется с температурой. Это изменение может быть даже отрицательным, вплоть до температуры кристаллизации, что характерно для аморфных тройных и бинарных сплавов, содержащих элементы из начала и конца ряда переходных металлов.

Увеличение электрического сопротивления в аморфных сплавах по сравнению с кристаллическими фазами того же химического состава связано с непериодичностью их структуры, что приводит к дополнительному рассеянию носителей заряда.

Аморфные сплавы имеют превосходные характеристики прочности и пластичности, поэтому они интересны в качестве сверхпроводников, соединяющих в себе высокую критическую температуру и хорошие механические характеристики.

Аморфные металлические сплавы относятся к сверхпроводникам 2-го рода. Так как в аморфных сплавах нет дальнего порядка, их сверхпроводимость существенно зависит от величины напряженности магнитного поля и плотности электрического тока.

Сверхпроводящие материалы, часто применяемые в агрегатах ядерного синтеза, подвергаются довольно сильному облучению, следовательно, для них важна стойкость к нему. Сверхпроводящие аморфные сплавы более устойчивы к облучению, чем кристаллические: их электрическое сопротивление после облучения практически не меняется. Кроме того, сверхпроводимость и пластичность аморфных сплавов могут повышаться после него.