УМКДП 5В071000 Технологические процессы производства материалов

         1. Рабочая учебная программа

 

         1.1 Сведения о преподавателе и контактная информация

         Шарая Ольга Александровна, к.т.н., доцент

Куликов Виталий Юрьевич, преподаватель

Кафедра МЛП и КМ находится в главном корпусе КарГТУ, аудитория 313, контактный телефон 8-(7212)-56-59-35 доб. 124, факс___, электронный адрес mlpikm@mail.ru.

 

         1.2 Трудоемкость дисциплины

Семестр	Количество кредитов	Вид занятий					Количество часов СРС	Общее количество часов	Форма контроля
		Количество контактных часов			количество часов СРСП	всего часов
		лекции	практические занятия	лабораторные занятия
*7/8/ 6/3	3/3/3/3	30/12/ 10/10	15/6/6/6	–	45/-/-/-	90/18/ 16/16	45/117/ 119/119	135/135/ 135/135	экзамен

* очное/заочное полное/заочное сокращенное/второе высшее

 

         1.3 Характеристика дисциплины

Дисциплина «Технологические процессы производства материалов» является профильной для современных специалистов. Промышленность основывается на использовании методов производства материалов, выработанных рядом поколений. Современному обществу требуются технологии получения материалов, способные коренным образом изменить всю структуру производства, а, возможно, и социальные условия жизни человечества. Задел этому призвана дать данная дисциплина.

 

         1.4 Цель дисциплины

Целью изучения данной дисциплины является необходимость научить будущих специалистов выбирать и оптимизировать технологические процессы получения материалов с оптимальным составом для заготовок и готовых деталей с заранее заданными физико-механическими свойствами.

 

         1.5 Задача дисциплины

Задачи дисциплины следующие: дать будущим специалистам знаний по разработке и совершенствованию технологических методов получения материалов, обеспечивающих высокое качество продукции, экономию материала, высокую производительность труда.

 

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

 

иметь представление о: перспективах производства материалов, получения материалов для заготовок способами обработки давлением, сварочного производства, литейного производства и обработка металлов на металлорежущих станках.

 

знать:

основные сведения о технологических процессах производства материалов; производство черных и цветных металлов, основы литейного производства, обработки металлов давлением, сварочного производства и механической обработки.

 

уметь:

работать со спецлитературой и справочниками; прослеживать химические процессы при производстве материалов; легировать и модифицировать материалы.

 

приобрести практические навыки:

по разработке технологических процессов производства различных деталей литьем и обработкой давлением.

 

1.6 Пререквизиты

Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин (с указанием разделов (тем)):

 

Дисциплина	Наименование разделов (тем)
1 Химия	Периодическая система Д.И.Менделеева. Химические свойства  металлов. Окислительно-восстановительные  реакции.
2 Физика	Строение и физические свойства металлов. Механика. Электромагнетизм.
3 Начертательная геометрия и инженерная графика	Разрезы, сечения, аксонометрия.
4 Механические свойства материалов	Полный курс

 

1.7 Постреквизиты

Знания, полученные при изучении дисциплины «Технологические процессы производства материалов» используются при освоении дисциплин «Технологическое оборудование производства материалов», «Проектирование производства», при выполнении выпускной работы.

 

 

1.8 Содержание дисциплины

 

1.8.1 Содержание дисциплины по видам занятий и их трудоемкость

 

Наименование раздела (темы)	Трудоемкость дисциплины
	лекции	практические	лабораторные	СРПС	СРС
1 Общая характеристика материалов, вопросы выбора оптимальных составов	2/1/1/1	—	—	2/-/-/-	2/8/8/8
2 Производство черных металлов	4/2/1/1	3/1/1/1	—	6/-/-/-	6/15/16/16
3 Производство алюминия	2/1/1/1	—	—	4/-/-/-	4/8/8/8
4 Производство магния	2/1/1/1	—	—	4/-/-/-	4/8/8/8
5 Производство титана	2/1/1/1	—	—	4/-/-/-	4/8/8/8
6 Производство меди	2/1/1/1	—	—	4/-/-/-	4/8/8/8
7 Производство отливок	4/1/1/1	4/2/2/2	—	6/-/-/-	6/16/16/16
8 Технологический процесс получения заготовок методами пластической деформации	4/2/1/1	4/2/2/2	—	6/-/-/-	6/16/16/16
9 Технологический процесс получения неразъемных соединений методом сварки	4/1/1/1	4/1/1/1	—	5/-/-/-	5/15/16/16
10 Состав и классификация пластмасс	4/1/1/1	—	—	4/-/-/-	4/15/15/15
Итого	30/12/ 10/10	15/6/6/6	—	45/-/-/-	45/117/ 119/119

 

         1.9 Список основной литературы

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Фетисов Г.П., Карпман В.М., Матюнин В.С. и др. Материаловедение и технология металлов / М.: Высшая школа, 2001.

4. Титов Н.Д. и др. Технология литейного производства. – М.: машиностроение, 1988.

5. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.

6. Смолькин А.А., Исагулов А.З., Егоров В.В. Технология металлов и металловедение с тестовыми заданиями. Алматы: Гылым, 2000.

7. Технология обработки конструкционных материалов: Учебник для вузов / Под ред. П.Г. Петрухи.- М.: Высшая школа, 1991.

 

         1.10 Список дополнительной литературы

         8. Дорофеев Ю.Г., Мариненко Л.Г., Устименко В.И. Конструкционные порошковые материалы и изделия. М.: Металлургия, 1986.

9. Емельянова А.П. Технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1979.

10. Марочник сталей и сплавов / Под ред. Зубченко А.С. М.: Машиностроение, 2003.

 

1.11 Критерии оценки знаний студентов  

Экзаменационная оценка по дисциплине определяется как сумма максимальных показателей успеваемости по рубежным контролям (до 60 %) и итоговой аттестации (экзамену) (до 40 %) и составляет значение до 100 % в соответствии с таблицей.

 

Оценка по буквенной системе	Баллы	%-ное содержание	Оценка по традиционной системе
А цифровой эквивалент	4,0	95-100	Отлично
А-	3,67	90-94
В+	3,33	85-89	Хорошо
В	3,0	80-84
В-	2,67	75-89
С+	2,33	70-74	Удовлетворительно
С	2,0	65-69
С-	1,67	60-64
D+	1,33	55-59
D	1,0	50-54
F	0	30-49	Неудовлетворительно
Z	0	0-29

 

Оценка «А» (отлично) выставляется в том случае, если студент в течение семестра показал отличные знания по всем программным вопросам дисциплины, а также по темам самостоятельной работы, регулярно сдавал рубежные задания, проявлял самостоятельность в изучении теоретических и прикладных вопросов по основной программе изучаемой дисциплины, а также по внепрограммным вопросам.

Оценка «А-» (отлично) предполагает отличное знание основных законов и процессов, понятий, способность к обобщению теоретических вопросов дисциплины, регулярную сдачу рубежных заданий по аудиторной и самостоятельной работе.

Оценка «В+» (хорошо) выставляется в том случае, если студент показал хорошие и отличные знания по вопросам дисциплины, регулярно сдавал семестровые задания в основном на «отлично» и некоторые на «хорошо».

Оценка «В» (хорошо) выставляется в том случае, если студент показал хорошие знания по вопросам, раскрывающим основное содержание конкретной темы дисциплины, а также темы самостоятельной работы, регулярно сдавал семестровые задания на «хорошо» и «отлично».

Оценка «В-»(хорошо) выставляется студенту в том случае, если он хорошо ориентируется в теоретических и прикладных вопросах дисциплины как по аудиторным, так и по темам СРС, но нерегулярно сдавал в семестре рубежные задания и имел случаи пересдачи семестровых заданий по дисциплине.

Оценка «С+» (удовлетворительно) выставляется студенту в том случае, если он владеет вопросами понятийного характера по всем видам аудиторных занятий и СРС, может раскрыть содержание отдельных модулей дисциплины, сдает на «хорошо» и «удовлетворительно» семестровые задания.

Оценка «С» (удовлетворительно) выставляется студенту в том случае, если он владеет вопросами понятийного характера по всем видам аудиторных занятий и СРС, может раскрыть содержание отдельных модулей дисциплины, сдает на «удовлетворительно» семестровые задания.

Оценка «С-» (удовлетворительно) выставляется студенту в том случае, если студент в течение семестра регулярно сдавал семестровые задания, но по вопросам аудиторных занятий и СРС владеет только общими понятиями и может объяснить только отдельные закономерности и их понимание в рамках конкретной темы.

Оценка «D+» (удовлетворительно) выставляется студенту в том случае, если он нерегулярно сдавал семестровые задания, по вопросам аудиторных занятий и СРС владеет только общими понятиями и может объяснить только отдельные закономерности и их понимание в рамках конкретной темы.

Оценка «D» (удовлетворительно) выставляется студенту в том случае, если он нерегулярно сдавал семестровые задания, по вопросам аудиторных занятий и СРС владеет минимальным объемом знаний, а также допускал пропуски занятий.

Оценка «F» (неудовлетворительно) выставляется тогда, когда студент практически не владеет минимальным теоретическим и практическим материалом аудиторных занятий и СРС по дисциплине, нерегулярно посещает занятия и не сдает вовремя семестровые задания.

Оценка «Z» (неудовлетворительно) выставляется тогда, когда студент не владеет минимальным теоретическим и практическим материалом аудиторных занятий и СРС по дисциплине, пропустил более половины занятий и не представил вовремя семестровые задания.

Рубежный контроль проводится на 7,14-й неделях обучения и складывается исходя из следующих видов контроля:

 

 

1.12 Политика и процедуры

При изучении дисциплины «Технологические процессы производства материалов» прошу соблюдать следующие правила:

1. Не опаздывать на занятия.

2. Не пропускать занятия без уважительной причины.

3. Отключать сотовые телефоны во время занятий, соблюдать тишину и порядок.

4. Активно участвовать в учебном процессе.

5. Своевременно оформлять и защищать лабораторные работы

6. Быть терпимыми, открытыми, откровенными и доброжелательными к сокурсникам и преподавателям.

 

1.13 Учебно-методическая обеспеченность дисциплины

 

Ф.И.О. автора	Наименование учебно-методической литературы	Издательство, год издания	Количество экземпляров
			в библиотеке	на кафедре
Основная литература
Дальский А.М.	Технология конструкционных материалов	М.: Машиностроение1990, 2002.	230	10
Дриц М.Е., Москалев М.А.	Технология конструкционных материалов и материаловедение	М.: Высшая школа, 1990	120	5
Фетисов Г.П., Карпман В.М., Матюнин В.С. и др.	Материаловедение и технология металлов	М.: Высшая школа, 2001.	30	2
Титов Н.Д. и др.	Технология литейного производства	М.: машиностроение, 1988.	60	10
Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М.	Общая металлургия	М.: Металлургия, 1979.	100	5
Смолькин А.А., Исагулов А.З., Егоров В.В.	Технология металлов и металловедение с тестовыми заданиями.	Алматы: Гылым, 2000	50	20
Под ред. П.Г. Петрухи	Технология обработки конструкционных материалов	Высшая школа,1991	10	—
Дополнительная литература
Емельянова А.П.	Технология литейной формы.	М.: Машиностроение, 1979.	80	5
Под ред. Зубченко А.С.	Марочник сталей и сплавов	М.: Машиностроение, 2003.	—	—

 

         2 График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

 

Вид контроля	Цель и содержание задания	Рекомендуемая литература	Продолжительность выполнения	Форма контроля	Срок сдачи
1	2	3	4	5	6
Выполнение практической работы № 1	Ознакомиться с технологией выбора материалов для получения дали с заданными свойствами и химическим составом	[1], [2], [4]	3 недели	Текущий	3-я неделя
Выполнение практической работы № 2	Ознакомиться с технологией изготовления поковки	[1], [2], [3]	4 недели	Текущий	7-я неделя
Письменный опрос № 2	Закрепление теоретических знаний и практических навыков	[1], [2], [3], [5], конспект лекций	1 контактный час	Рубежный	7-я неделя
Отчет о СРС (тема 1)	Самостоятельное изучение производства черных и цветных материалов	[1-9]	7 недель	Рубежный	7-я неделя
Выполнение практической работы № 3	Ознакомиться с технологией изготовления отливки	[1], [2], [7]	4 недели	Текущий	11-ая неделя
Выполнение практической работы № 4	Ознакомиться с технологией изготовления сварных заготовок	[1], [2], [7]	3 недели	Текущий	14-ая неделя
Отчет о СРС (тема 2)	Самостоятельное изучение специальных способов производства сварных, литых заготовок, поковок и неметаллических материалов	[1-9]	7 недель	Рубежный	14-ая неделя
Письменный опрос № 2	Закрепление теоретических знаний и практических навыков	[1], [2], [6], конспект лекций	1 контактный час	Рубежный	14-ая неделя
Экзамен	Проверка усвоения материала дисциплины	Весь перечень основной и дополнительной литературы	2 контактных часа	Итоговый	В период сессии

 

3 Конспект лекций

 

Раздел 1 Общие сведения

Тема 1 Общая характеристика материалов, вопросы выбора оптимальных составов (2 часа)

         План лекции

1. Основные физико-механические свойства стали.

2. Основные физико-механические свойства чугуна.

3. Основные физико-механические свойства алюминия.

4. Основные физико-механические свойства меди.

5. Антифрикционные материалы.

6. Фрикционные материалы.

 

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них – сталь и чугун представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Железо – металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55, 85; атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% железа, а технические сорта 99,8…99,9% железа. Температура плавления железа 1539° С. Железо известно в двух полиморфных модификациях: альфа и гамма. Альфа-железо существует при температурах ниже 910°С и выше 1392°С. Для интервала температур 1392…1539°С α–железо нередко обозначают как σ-железо. Кристаллическая решетка α-железо – объемноцентрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768°С α-железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А₂.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов термической обработки.

Кристаллическая решетка γ-железа – гранецентрирванный куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910°С. Углерод является неметаллическим элементом 2 периода 4 группы Периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см, атомная масса 12,011, температура плавления 3500°С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

Алюминий – элемент 3 группы Периодической системы элементов, порядковый номер 13, атомная масса 26,98. Температура плавления 660°С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку с а=0,40412 нм. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность 2,7 г/см³, против 7,8 г/см³ для железа и 8,9 г/см³ для меди. Алюминий обладает высокой электропроводностью, составляющей 65% от электропроводности меди. Теплопроводность составляет 238,3 Вт/(м К). В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999% Аl), высокой чистоты А995 (99,995% Al), A99 (99,99% Al), A97 (99,97% Al), A95 (99,95% Аl) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99,0% А1).

Технический алюминий изготавливается в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов, маркируется АД и АД1. В качестве примесей в алюминий присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn, Ti. Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: σ_в=50 МПа, σ_0,2=15МПа.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки А₂О₃. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость. δ=50% и технического алюминия (АДМ) σ_в=80 МПа, σ_0,2=30 МПа, δ=35%. Модуль нормальной упругости Е=7 ГПа. Холодная пластическая деформация повышает б_в технического алюминия (АДН) до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6%.

Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:

1) деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т.д.), а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки. Деформируемые сплавы, по способности упрочняться термической обработкой, делят на сплавы, неупрочняемые термической обработкой;

2) литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья.

Сплавы АЛ8 и АЛ27 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере. Сплавы применяют в судостроении и авиации.

Медь – проводниковый материал. Наиболее чистая бескислородная медь имеет суммарное содержание примесей 0,01 %, М00б – 0,03 % и Ml – 0,1 %.

Наиболее вредная примесь в меди – кислород. Помимо ухудшения проводимости кислород при отжиге полуфабрикатов и изделий из чистой меди в водороде вызывает растрескивание и потерю прочности, поэтому содержании кислорода в меди строго ограничено. Наибольшей электрической проводимостью обладает бескислородная медь М00б.

В качестве легирующих элементов широко применяют хром, марганец, кремний, никель, молибден, ванадий, вольфрам и другие элементы. Легирующие элементы вводят в сталь в разных количествах и различных сочетаниях.

Такие элементы как марганец и кремний, являющиеся постоянными примесями стали, считают легирующими только в том случае, если их количество превышает требуемое по технологии выплавки.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали многообразно. Оно начинает проявляться уже при выплавке стали. Поэтому влияние легирования и технологии производства стали на её свойства взаимно связаны. На практике наиболее часто сталь раскисляют с помощью марганца, кремния и алюминия.

В легированных сталях элементами, измельчающими зерно и снижающими скорость его роста при нагреве стали, могут быть ванадий, хром, титан и др. Например, для получения мелкозернистой стали достаточно ввести только 0,06…0,08 % Аl, тогда как содержание ванадия для получения такого зерна аустенита должно быть не менее 0,5 %.

Влияние хрома на измельчение зерна стали оказывается ещё слабее (его содержание в стали не менее 5…6 %). В настоящее время при производстве стали в качестве модификатора и десульфураторов начали широко применять редкоземельные металлы. Их вводят в жидкую сталь в виде лигатур, содержащих церий, лантан, неодим и др.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами – марганцем, хромом и бором, а также никелем и молибденом. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения пркаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а ухудшить механические свойства стали. При этом повышается порог хладноломкости и уменьшается запас вязкости.

Для получения требуемой прочности твердости легированные стали подвергают отпуску при более высокой температуре, чем углеродистые. Это позволяет не только полностью снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.

Углерод, азот и бор, имеющие малые по сравнению с железом атомные радиусы, образуют с железом твёрдые растворы внедрения. Другие легирующие элементы образуют с железом твёрдые растворы замещения.

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы, небольших габаритов.

Основные служебные свойства подшипникового материала – антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность – способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали – стального или чугунного вала.

Металлические материалы. Они предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной плёнки.

К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди – бронзы и латуни. Твёрдые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость.

Баббиты – мягкие антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. Их применяют только для тонкого покрытия рабочей поверхности опоры скольжения.

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловянистые и оловянисто-цинково-свинцовистые бронзы. Бронзы широко используют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твёрдыми смазочными материалами.

Латуни используют в качестве заменителей бронз для опор трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные латуни применяют при малых скоростях скольжения и невысоких нагрузках. Используют для опор трения приборов.

К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза БрС30 с 30 % РЬ и алюминиевые сплавы с оловом. Антифрикционные свойства сплавов достаточно высокие, особенно у алюминиевых сплавов. Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при больших скоростях скольжения и высоком давлении.

Алюминиевый сплав А09-2 применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу – для наплавки на стальную ленту.

Также сюда относятся серые чугуны, роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твёрдость была ниже твёрдости стальной цапфы.

Неметаллические материалы. Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы – термореактивные и термопластичные (полимеры). Из термореактивных пластмасс используют текстолит. Из него изготавливают подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Из полимеров наиболее широко применяют полиамиды. Достоинством полимеров – низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость.

Комбинированные материалы, состоят из нескольких металлов и неметаллов, имеющих благоприятные для работы подшипника свойства. Существуют подшипники двух типов.

1. Самосмазывающиеся подшипники получают методом порошковой металлургии из материалов различной комбинации: железо-графит, железо-медь (2…3 %) – графит или бронза-графит. Такие подшипники работают при небольших скоростях скольжения, отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных для смазки местах.

1. 2.  Металлофторопластовые подшипники изготовляют из металлофторопластовой ленты в виде свёртных втулок методом точной штамповки. Такие подшипники применяют в машиностроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Минералы. Естественные (агат), искусственные (рубин, корунд) минералы или их заменители – ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяют для миниатюрных подшипников скольжения – камневых опор. Камневые опоры используют в прецизионных приборах – часах, гироскопах, тахометрах и т.д. главное достоинство таких опор – низкий и стабильный момент трения. Постоянство момента трения обусловлено высокой износостойкостью минералов, способных из-за высокой твёрдости выдерживать громадные контактные давления.

Фрикционные материалы применяют в тормозных устройствах и механизмах, передающих крутящий момент. Они работают в тяжелых условиях изнашивания – при высоких давлениях (до 6 МПа), скоростях скольжения (до 40 м/с) и температуре мгновенно возрастающей до 1000° С. Для выполнения своих функций фрикционные материалы должны иметь высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость и достаточную прочность. Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченные материалы. Их производят в виде пластин или накладок, которые прикрепляют к стальным деталям, например дискам трения. Неметаллические материалы применяют при лёгких (t_nped<1200°C, Р_max<0,8МПа) и средних (t_пред=400 °С, Р_max<1,5 МПа) режимах трения. Из них преимущественно используют абсофрикционные материалы, связующего (смолы, каучука), наполнителя и специальных добавок. Основным наполнителем является асбест, который придаёт материалу теплостойкость, повышает коэффициент трения и сопротивление схватыванию. К нему добавляют металлы (Сu, Al, Pb, латунь) в виде стружки или проволоки для повышения теплопроводности; графит для затруднения схватывания; оксиды или соли металлов для увеличения коэффициента трения.

Недостатком неметаллических материалов является невысокая теплопроводность, из-за чего возможны перегрев и разрушение материала.

Металлические спеченные материалы применяют при тяжелых режимах трения (t_пред=1200°С, Р_max<6,0 МПа). Их производят на основе железа и меди. Кроме основы и металлических компонентов (Sn, Pb, Ni и др.), обеспечивающих прочность, хорошую теплопроводность и износостойкость, эти материалы содержат неметаллические добавки – асбест, графит, оксид кремния, барит.

Материалы на основе железа из-за высокой теплостойкости используют в узлах трения без смазочного материала, а на основе меди – при смазывании маслом.

 

         Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Марочник сталей и сплавов / под ред. Зубченко А.С. М.: Машиностроение, 2003.

 

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1, 2, 10]

1. Износостойкие материалы

2. Выбор материалов для деталей транспортных устройств

3. Значение производства материалов в развитии машиностроения.

4. Материалы с особыми технологическими свойствами.

 

Раздел 2 Производство черных металлов

Тема 1 Производство чугуна (2 часа)

         План лекции

1. Современное металлургическое производство и его продукция.

2. Материалы для производства металлов и сплавов.

3. Производство чугуна.

4. Выплавка чугуна в домнах.

 

Современное металлургическое производство и его продукция

Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает:

– шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

– горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке;

– коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов);

– энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов;

– доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей;

– заводы для производства ферросплавов;

– сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);

– прокатные цехи (слиток в сортовой прокат).

Основная продукция чёрной металлургии:

– чугуны: передельный, используемый для передела на сталь, и литейный, для производства фасонных отливок;

– железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

– ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;

– стальные слитки для производства проката,

– стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, дисков (кузнечные слитки).

Основная продукция цветной металлургии:

– слитки цветных металлов для производства проката;

– слитки для изготовления отливок на машиностроительных заводах;

– лигатуры – сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;

– слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники.

 

Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Промышленная руда – горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30…60 % для железа, 3..5% для меди, 0,005…0,02 % для молибдена).

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.

В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают – удаляют часть пустой породы.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называется шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды, и основным, если в его составе больше основных оксидов.

Вводят в виде агломерата и окатышей.

Топливо – в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 ⁰С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80…88 % углерода, 8…12 % золы, 2…5 % влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25…60 мм. Это прочное неспекающееся топливо, служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.

Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на группы: кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич), основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич), нейтральные (шамотный кирпич).

Взаимодействие основных огнеупорных материалов и кислых шлаков, и наоборот, может привести к разрушению печи.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

 

Производство чугуна.

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся:

– магнитный железняк с содержанием железа 55…60 %, месторождения – Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА);

– красный железняк с содержанием железа 55…60 % , месторождения – Кривой Рог, КМА;

– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃ * 3H₂O и Fe₂O₃ * H₂O) c содержанием железа 37…55 % – Керчь.

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца (10…82%), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Марганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов и др.

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известняк или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и, так как в шлак должны входить основные оксиды, которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна.

Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

а) промывка – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы;

б) гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются;

в) магнитная сепарация – измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40…50 %), известняка (15…20 %), возврата мелкого агломерата (20…30 %), коксовой мелочи (4…6 %), влаги (6…9 %), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300…1500 ⁰С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный агломерат,

При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200…1350 ⁰С.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса – известняка в доменную печь при плавке.

 

Выплавка чугуна.

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.

Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определённого химического состава.
2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нём золы кокса и удаление его из печи.

Устройство и работа доменной печи.

Доменная печь (рисунок 2.1) имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15.

 

Рисунок 2.1 – Устройство доменной печи

 

В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объём был заполнен.

Полезный объем печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании.

Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м³.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 ⁰С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

 

Тема 2 Производство стали (2 часа)

План лекции

1. Основные материалы для производства стали.

2. Три этапа выплавки стали.

3. Производство стали в мартеновских печах и конвертерах.

4. Производство стали в электропечах.

 

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора.

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака. Для повышения содержания в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым.

Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объёму ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам, а также газы, проникающие в пузырьки. Всё это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап – основной в процессе выплавки стали.

Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида, который растворяется также в основном шлаке.

Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа, при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа, вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1 (рисунок 2.2).

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.

 

Рисунок 2.2 – Схема мартеновской печи

 

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 ⁰C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 ⁰C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 ⁰C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор.

Охлаждённые газы покидают печь через дымовую трубу 8.

После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 ⁰C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

– скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

– скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

 

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом.

Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 ⁰ для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рисунке 2.2.

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.

Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рисунок 2.3, а, заливают чугун при температуре 1250…1400 ⁰C (рисунок 2.3.б).

После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рисунок 2.3.в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через не¨ подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 ⁰C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

 

Рисунок 2.3 – Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

 

Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рисунок 2.3, г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рисунок 2.3, д).

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Плавка в конвертерах вместимостью 130…300 т заканчивается через 25…30 минут.

 

Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1, 2, 4]

1. Строение стального слитка.

2. Удаление стали из фосфора.

3. Агломерация.

4. Брикетирование.

 

Раздел 3 Производство алюминия

Тема 1 Технология производство алюминия (1 час)

 План лекции

1. Минералы, содержащие алюминий.

2. Получение глинозема.

3. Подготовка боксита.

4. Электролитическое рафинирование.

 

По распространенности в природе алюминий (δ=2,7 г/см³, t_пл=660ºС) занимает первое место среди всех металлов (около 8% в составе земной коры). Его содержат примерно 250 минералов, однако для получения алюминия в настоящее время используют лишь некоторые горные породы, богатые глиноземом Аl₂О₃, переработка которых позволяет получать металл наиболее простыми и экономически выгодными способами. К числу таких горных пород — промышленных алюминиевых руд — относятся бокситы, алуниты и нефелины. Основой алюминиевой руды являются бокситы. Алюминиево-рудными минералами в бокситах являются гидраты окиси алюминия: АО(ОН) и Аl(ОН)₃. Содержание глинозема Аl₂О₃ в бокситах в пересчете из гидратов составляет от 30 до 70%. Обычными примесями являются кремнезем SiO₂: (2-20%), окись железа Fе₂О₃ (2-50%) и окись титана ТiО₂ (до 10%). Качество боксита тем выше, чем больше в нем содержание глинозема и меньше содержание кремнезема. В Казахстане огромные залежи высококачественных бокситов находятся в Кустанайской области. В меньшей мере при производстве алюминия используются нефелины (К, Na)О·Аl₂О₃·2SiО₂ и алуниты K₂SО₄·Аl₂(SО₄)₃· 4Аl(ОН)₃. Способы восстановления алюминия непосредственно из бокситов и других руд еще не разработаны. Современное производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозема Аl₂О₃ из бокситов и получения металлического алюминия путем электролиза расплавленного глинозема. Глинозем получают щелочными, электротермическими и другими способами. Наиболее распространенным является щелочной способ, включающий следующие основные операции: подготовку боксита — его сушку и измельчение в порошок в шаровых мельницах; выщелачивание боксита — химическое разложение концентрированным раствором щелочи NaOH. Для этого измельченный боксит загружается в автоклавы с раствором NaOH (300 г/л), создавая пульпу. Автоклавы представляют собой герметические стальные сосуды цилиндрической формы диаметром около 2 м и высотой 10-12 м. Для нагрева и перемешивания пульпы используется перегретый пар. Выщелачивание проводится при температуре 150-250ºС и давлении 0,5-1 МН/м² (5-10 атм).

Образующийся алюминат натрия хорошо растворяется в воде и переходит в раствор. Окислы железа, титана и другие примеси боксита, не растворяющиеся в щелочах, выпадают в осадок (красный шлам). Кремнезем SiО₂ выпадает в осадок лишь частично, образуя нерастворимое соединение – силикоалюминат натрия Na₂О·Al₂О₃·2SiО₂·2Н₂О. Часть кремния в виде силиката натрия Na₂SiО₃ переходит в раствор и загрязняет его. Полученный раствор разбавляется водой и отфильтровывается для удаления осадка. Гидроокись алюминия А1(ОН)₃ получается путем разложения алюмината натрия NaAlО₂. Эта операция — так называемое выкручивание (декомпозиция) — проводится в стальных емкостях (декомпостерах) путем медленного перемешивания алюминатного раствора при постепенном понижении температуры от 60 до 30ºС. Для ускорения процесса в раствор добавляется некоторое количество гидроокиси алюминия, играющей роль центров кристаллизации (затравки).

Образующаяся гидроокись алюминия выпадает в осадок в виде белых хлопьев. Кальцинирование, т. е. обезвоживание, гидроокиси алюминия достигается путем прокаливания до 1200ºС в трубчатых вращающихся печах. В результате получается глинозем.

Выход глинозема составляет около 85% от его содержания в боксите. Потери связаны с образованием силикоалюмината натрия при выщелачивании боксита. Поэтому щелочным способом перерабатываются бокситы с небольшим содержанием кремнезема. При большом содержании SiО₂ и FeO бокситы перерабатывают электротермическим способом. В электропечи плавится шихта, состоящая из боксита, железной руды, бариевых солей, кокса и т. д. Продуктами плавки являются ферросилиций и шлак, содержащий Аl₂О₃·ВаО. Измельченный в порошок шлак обрабатывается раствором соды Nа₂СО₃ и получается алюминат натрия в растворе. Затем глинозем Аl₂О₃ выделяется так же, как при щелочном способе. Металлический алюминий получают путём электролиза из расплава, состоящего из глинозема Аl₂О₃ (8—10%) и криолита – фторида алюминия и натрия Nа₃·АlF₆ (Схема). К аноду подводится постоянный ток напряжением 4-4,5В; величина тока составляет от 40 000 до 150 000 А. При электролизе в расплавленном электролите происходит диссоциация молекул криолита и глинозема. На катоде разряжаются только катионы алюминия, и, таким образом, для получения металлического алюминия практически расходуется только глинозем. По мере обеднения электролита глиноземом его периодически догружают в ванну. Признаком обеднения электролита служит так называемый анодный эффект, выражающийся в увеличении напряжения с 4-4,5 до 25-30 В. Расплавленный алюминий постепенно скапливается на дне ванны и периодически удаляется при помощи сифонов и вакуумных ковшей или другими способами. Полученный электролизом первичный алюминий содержит примеси (железо, кремний, частицы глинозема и т. п.), ухудшающие его свойства, и поэтому подвергается рафинированию. Рафинирование хлором заключается в продувке расплавленного алюминия при 700-750ºС газообразным хлором в течение 10-15мнн. Образующийся при этом хлористый алюминий АlСl₃ находится в парообразном состоянии. Выделяясь из металла, он обеспечивает его очистку от растворенных газов и примесей. Этому способствует также отстаивание расплавленного алюминия в ковше или в электрической печи при 690-750ºС в течение 30-45 мин. После рафинирования хлором и отстаивания получают алюминий чистотой 99,5 – 99,85%.

Для получения алюминия более высокой чистоты применяют электролитическое рафинирование. Оно осуществляется в электролитической ванне, подина которой является анодом. Угольные катоды располагаются в верхней части установки. Рафинируемый алюминий сплавляется с медью. Образовавшийся жидкий сплав располагается внизу (плотность 3,5 г/см³). Поверх него находится слой расплавленного электролита, состоящего из BaCl₃, AlF₃, 3NaF (плотность 3 г/см³). При пропускании тока происходит анодное растворение алюминия и его выделение из сплава. В расплавленном состоянии он всплывает, образуя верхний слой (плотность 2,7 г/см³). При этом способе рафинирования чистота алюминия доводится до 99,99%. Рафинированный алюминий разливается в небольшие слитки (алюминиевые чушки) и направляется на дальнейшую переработку.

 

         Тема 2 Производство алюминиевых сплавов (1 час)

План лекции.

1. Подготовка исходных материалов к плавке.

2. Дуралюмины.

3. Ковочные сплавы.

4. Литейные алюминиевые сплавы.

 

Алюминиевые сплавы, содержащие медь, магний и другие элементы, наиболее часто выплавляются в 20-40 т печах, отапливаемых газообразным топливом. Футеровка печей (включая свод) выполняется из магнезита; плавка ведется 5-8 ч при 850-950ºС. Основную массу шихты составляют алюминиевые чушки, а также отходы алюминиевых сплавов – стружка, бракованные слитки, лом и т. п. Стружка обычно предварительно переплавляется в специальных печах, используя затем или жидкий расплав, или небольшие слитки (чушки). Необходимые легирующие элементы вводятся по расчету шихты с учетом их содержания в используемых отходах алюминиевых сплавов. При этом более легкоплавкие легирующие элементы, например магний, добавляется в виде чистых металлов. Тугоплавкие по отношению к алюминию элементы, например никель, вводятся в виде лигатур. Лигатурами называются сплавы, специально предназначенные для легирования и содержащие тугоплавкий элемент; эти сплавы имеют относительно невысокую температуру плавления. Шихтовые материалы загружаются в печь мульдами при помощи завалочных машин. На подине располагается мелкая шихта, магний (в чушках), затем крупногабаритная шихта, сверху – лигатура. Плавление сопровождается окислением алюминия и других элементов.

Дуралюмины – это сплавы алюминия с медью (2,2-4,8% Сu), магнием (0,4-2,4% Mg) и марганцем (0,4-0,8% Мn). Эти сплавы являются широко распространенными алюминиевыми термически упрочняемыми сплавами. Марки этих сплавов обозначают буквой Д и цифрами, которые являются условными номерами сплавов, на­пример Д1, Д6, Д16 и т. д. Дуралюмин повышенного качества (более чистый по примесям, с более узкими пределами содержания легиру­ющих элементов) обозначается буквой А, например, Д16А. Сплавы типа дуралюмин имеют невысокую коррозионную стой­кость. Основным способом защиты листов дуралюмина от коррозии является плакирование. Плакирование заключается в том, что на обе поверхности листа из дуралюмина наносится тонкий защитный слой из чистого алюминия, имеющего высокую коррозионную стойкость. Толщина этого слоя составляет 3-5% от толщины листа. Сплав В95 относится к числу наиболее прочных алюминиевых сплавов (2% Сu; 2,5% Mg; 0,5% Mn; 6% Zn; 0,15% Сr, 0,5% Si; 0,5% Fe). Высокие прочностные свойства указанного сплава полу­чаются в основном за счет легирования цинком и магнием. Марганец и хром также способствуют повышению прочности и, кроме того, повышают коррозионную стойкость. Свойства термически обработанного сплава В95 следующие: σ=600-650 МН/м² (60-65 кгс/мм²), б =8-10%, твердость 150-170 НВ. Этот сплав при­меняется для изготовления высоконагруженных деталей и силовых элементов конструкций летательных аппаратов. Состав деформируемых алюминиевых сплавов приведен в ГОСТ 4784-65.

Ковочные сплавы. В эту группу входят алюминиевые сплавы, из которых изготавливаются детали методами горячей обработки дав­лением -ковкой, штамповкой и т. д. Сплавы обозначаются бук­вами АК и цифрой, обозначающей просто номер сплава: АК1, АК5 и т. д. Рассмотрим применение этих сплавов в зависимости от температурных условий работы: до 100ºС используются сплавы АК1, АК5, АК6, АК8; при­мерно до 300ºС — сплавы АКЗ и АК4, которые называются жаропроч­ными. По составу первая группа сплавов близка к дуралюминам, в состав второй группы сплавов дополнительно вводится никель и титан, например АК4 (1,9-2,5% Сu; 1,4-1,8% Mg; 0,8-1,3% Ni; 0,8-1,3% Fe; 0,02-0,10% Ti). Жаропрочные алюминиевые спла­вы обладают способностью сохра­нять механические свойства при повышенных температурах, жаро­стойкостью  против окисляющего воздействия горячих газов и малым коэффициентом термического расши­рения.

Литейные алюминиевые сплавы. Наиболее распространенными литей­ными алюминиевыми  сплавами являются сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами. Кремний имеет плотность (удельный вес) 2,4 г/см³, поэтому его добавка не увеличивает массы алюминиевых сплавов. Силумины маркируют буквами АЛ и порядковой цифрой, не отражающей ни состава, ни свойств сплава: АЛ2, АЛЗ, АЛ13 и т. д. Химический состав силуминов приведен в ГОСТ 2685-63. Силумины широко применяются для изготовления литых деталей приборов, корпусов турбонасосных агрегатов и других мало- и средненагруженных деталей, в том числе и тонкостенных отливок сложной формы.

 

Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1, 2, 4]

1. Получение глинозема по способу Байера.

2. Марки алюминия и алюминиевых сплавов по ГОСТу.

3. Получение материалов на основе алюминий-кремний.

4. Получение материалов на основе алюминий-магний.

5. Получение материалов на основе алюминий-медь.

 

Раздел 4 Производство магния

Тема 1 Производство магния (2 часа)

План лекции.

1. Минералы магния.

2. Стадии обезвоживания карналлита.

3. Электролиз хлористого магния.

4. Другие способы получения магния.

 

Магний, занимающий среди металлов шестое место по распространению, является самым легким конструкционным металлом – его плотность ρ=1,7г/см³ , t_пл=650ºС. Он входит в состав очень многих минералов. В качестве сырья для получения магния используется карналлит, магнезит и доломит. Карналлит-двойной хлорид магния и калия MgСl₂-KCl·6H₂O, содержащий 8,8% Mg-является основным сырьем для получения магния в промышленности. Магнезит – карбонат магния MgCO₃, содержащий 28,8% Mg. После обжига он содержит 85-90% MgO. Примесями являются СаО,  SiO₂ и т. д. Доломит  двойной карбонат магния и кальция MgCO·3CaCO₃ содержит 13,2% Mg. После обжига в нем содержится 35-40% MgO,  52-58% CaO, SiO₂ и другие примеси. Магнезит и доломит широко применяются в металлургии в качестве основных огнеупорных материалов. Огромное количество магния содержится в морской воде в виде бишофита MgCl₂·бН₂О. Магний получают двумя основными способами: электролитическим и термическим. Электролитический способ – наиболее распространенный и состоит из двух основных процессов: получения хлористого магния MgCl₂ из исходного сырья и получения магния из MgCl₂ путем элек­тролиза. Карналлит измельчается и выщелачивается горячей водой. При после­дующем охлаждении раствора до 20ºС из него выпадают кристаллы так называемого искусственного карналлита MgCl₂·КСl·6Н₂O, содержащего 37% гидратной воды. Первая стадия обезвоживания карналлита достигается обжигом в кипящем слое. Обезвоженный карналлит содержит до 3-4% влаги. Для окончательного удаления влаги он расплавляется в электрической печи сопротивления и отстаивается расплав при 840-860ºС в миксерах, снабженных электронагревом. Безводный карналлит, содержащий около 50% MgCl₂, а также около 45%  КСl и другие примеси, направляется на электролиз. Магнезит и доломит обжигается при 800-900ºС и получается окись магния.

Обожженные материалы подвергаются хлорированию в присутствии углерода при 800-900ºС в электрических дуговых печах для образования хлористого магния.

Расплавленный хлористый магний в ковшах направляется на электролиз. Электролиз хлористого магния проводится в специальных ваннах (электролизерах) с шамотной футеровкой (схема). На 1 т металлического магния расходуется около 4,5 т хлористого магния или 10 т карналлита и выделяется 2,9 т хлора. Расход электроэнергии составляет 15000-17000 кВт·ч. Электролитический способ получения магния является очень трудоемким и требует большого расхода электроэнергии. Поэтому магний получают также термическими способами путем восстановления из обожженного магнезита или доломита. При силикотермическом способе восстановителем служит кремний. В качестве шихты используется обожженный доломит MgO·CaO и 75%-ный ферросилиций. Процесс проводится в стальных ретортах под вакуумом при температуре 1100-1200ºС. Пары магния направляются в водоохлаждаемый конденсатор, на стенках которого происходит выделение и затвердевание магния. Для получения 1 т магния расходуется около 7-8 т доломита и 1,5 т 75%-ного ферросилиция. При карбиднотермнческом способе в качестве шихтовых материа­лов используется обожженный магнезит MgO и карбид кальция СаС₂. Процесс проводится примерно при тех же условиях, что и при силикотермическом способе.

Пары магния направляются в конденсатор. Магний можно также по­лучать углетермическим способом из брикетов, состоящих из порош­кообразного магнезита и нефтяного кокса. Процесс осуществляется в герметизированной электродуговой печи в атмосфере водорода. Разработаны и получили некоторое применение также способы получения магния из морской воды. Первичный магний, полученный путем электролиза или термическими способами, содержит до 2-3% примесей и подвергается рафинированию. Рафинирование переплавкой ведется в стальных тиглях, нагреваемых в печах сопротивления, путем выдержки металла при 710-720ºС под специальным флюсом (борная кислота и др.). При разливке в изложницы для получения чушек струя жидкого магния для предохранения от окисления опыляется порошком серы. Чистота металла составляет 98,9%. Более совершенным является рафинирование магния возгонкой. В стальных роторах при температуре 600ºС и небольшом остаточном давлении магний испаряется и выделяется в зоне конденсации. Этим способом получают магний чистотой 99,9%.

Сплавы на основе магния

Ввиду низких механических характеристик магний не применяется в чистом виде для изготовления деталей – для этой цели используются магниевые сплавы. К существенным недостаткам магниевых сплавов относится их малая коррозионная стойкость. Положительным качеством является их отличная обрабатываемость режущим инструментом с получением чистой поверх­ности. Большинство магниевых сплавов хорошо сваривается. За счет низкой плотности (удельного веса) они обладают удовлетворительной удельной прочностью. Их широко применять в тех случаях, когда масса изделий имеет большое значение. Детали из магниевых сплавов изготавливаются  обработкой давлением (прокаткой, штамповкой, прессованием), а также литьем. В соответствии с этим магниевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Марки деформируемых магниевых сплавов обозначаются буквами МА и порядковым номером. В таблице 4.1 приведен химический состав некоторых наиболее распространенных в промышленности марок деформируемых магниевых сплавов, а также литейных сплавов.

 

Таблица 4.1 – Химический состав некоторых магниевых сплавов

Марка сплава	Аl, %	Mn, %%	Zn, %	Марка сплава	Al, %	Mn, %	Zn, %
МА1 МА2 МА2-1	— 3,5 4-5	2,0 0,3 0,4-0,8	— 0,5 0,8-1,5	МА8 МЛ5 МЛ6	— 7,5-9 9,0-10,2	1,5-2,5 0,15-0,5 0,1-0,5	— 0,2-0,8 0,6-1,2

 

Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.

 

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1, 2, 4]

1. Модифицирование магниевых сплавов.

2. Марки магния и магниевых сплавов по ГОСТу.

3. Рафинирование магниевых сплавов.

4. Обработка магниевых сплавов инертными газами.

5. Рафинирование магниевых сплавов от металлических примесей.

6. Термическая обработка магниевых сплавов.

 

Раздел 5 Производство титана

Тема 1 Общие сведения (1 час)

План лекции.

1. Титаносодержащие минералы.

2. Магнийтермический способ.

3. Получение титановых слитков.

4. Другие способы получения титана.

 

Титан по распространению в природе занимает четвертое место среди металлов (около 1 %) и входит в состав более чем 70 минералов. К основным промышленным титансодержащим минералам относятся рутил (90%-100% ТО₂) и ильменит TiO₂·FeO (60% TiO₂). Ильменит входит в состав титаномагнетитов- его смеси с магнитным железняком; они содержат до 20% TiO₂. К титановым рудам относятся также сфен СаО·SiО₂·ТiО₂ (32-42% ТiО₂) и перовскит СаО·ТiО₂ (60% ТiО₂). Производство титана является технически очень сложным и нача­лось около двадцати лет назад. Двуокись титана TiO₂ -химически прочное соединение. Металлический титан обладает большой активностью. Он бурно реагирует с азотом при температуре 500-600ºС и кислородом воздуха при 1200-1300 ºС, поглощает водород, взаимодействует с углеродом и т. д. Наиболее широкое распространение получил магнийтермический способ, при котором двуокись титана сначала переводится в четыреххлористый титан TiСl₄, а затем восстанавливается титан металлическим магнием. Магнийтермический способ состоит из следующих основных операций. Обогащение титановых руд. Титаномагнетиты и другие бедные руды обогащаются электромагнитным способом и получается ильменитовый концентрат, содержащий до 50% TiO₂ и около 45% Fе₃О₄ и FeО. Для удаления Fе₃О₄ и FeО  проводится плавка в электродуговой печи. Концентрат в смеси с древесным углем и добавками спрессовывается в брикеты. В результате плавки при 1600-1800ºС железо восста­навливается и науглероживается, что приводит к образованию побочного продукта -чугуна. Двуокись титана переходит в шлак. Порошко­образный шлак, содержащий до 85% TiО₂, смешивается с древесным углем и добавками. Из этой смеси прессованием с последующим спека­нием (700-800ºС) изготавливаются брикеты, направляемые на хлорирование. Такие же брикеты делаются и при использовании рутила или рутиловых концентратов. Получение четыреххлористого титана TiСl₄. Он получается в герметизированных электрических печах (схема), в которых получают четыреххлористый титан. При этом образуются и побочные продукты  FeСI₂, СaСI₂ и другие хлориды. Титан восстанавливается магнием. Восстановленный титан выделяется на стенках реактора, образуя губчатую массу (титановая губка), пропитанную магнием и хлористым магнием. Расплав хлористого магния (со дна стакана) периодически удаляется через трубку и сливной желоб. Губчатая масса титана содержит около 55-60% Ti, 25-30% Mg, 10-15% MgСl₂. Ее рафинирование проводится в электрических печах сопротивления методом вакуумной дистилляции (сепарация). После установки контейнера с рафинируемой губчатой массой титана в печном пространстве создается вакуум 1,3 Па (10^{-3 мм} рт. ст.) и температура повышается до 900-950ºС. Примеси титановой губки Mg и MgCl₂ расплавляются и частично испаряются; в нижней части уста­новки их пары конденсируются и затвердевают.

Получение титановых слитков. Титановые слитки получаются переплавкой титановой губки в вакуумных электрических дуговых печах. Расходуемый электрод изготавливается прессованием из измельченной титановой губки. Электрическая дуга горит между расходуемым электродом и ванной расплавленного металла, постепенно заполняющего изложницу, затвердевающего и образующего слиток. Наличие вакуума предохраняет металл от окисления и способ­ствует его очистке от поглощенных газов и примесей. Для получения слитков может быть также использована дробленая титановая губка, загружаемая в печь дозатором. В этом случае дуга горит между расплавленным металлом и графитовым электродом, поднимаемым по мере заполнения изложницы металлом. Для обеспечения высокого качества слитков плавка повторяется два раза. При второй плавке расходуемым электродом служит слиток, полученный при первой плавке. Титановые сплавы выплавляются в электрических дуговых вакуумных печах, аналогичных применяемым для переплавки титановой губки. В качестве шихтовых материалов используется титановая губка, а также алюминий, марганец, молибден и другие легирующие добавки (в соответствии с заданным химическим составом сплава). Из измельченной шихты прессованием при 280-330ºС изготавливается переплавляемый (расходуемый) электрод. Плавка ведется в вакууме или в атмосфере аргона. Перед началом плавки на поддон в качестве затравки насыпается слой стружки из сплава такого же состава. Для более равномерного распределения легирующих элементов в сплаве полученный слиток переплавляется вторично. Существуют и другие способы получения титана.

Натриетермический способ отличается тем, что титан из ТiСl₄ восстанавливается металлическим натрием. Этот процесс проводится при относительно невысокой температуре, и титан в меньшей степени загрязняется примесями. Вместе с тем натриетермический способ более технически сложен и дорог, чем магнийтермический.

Кальциегидридный способ основан на том, что при взаимодействии двуокиси титана ТО₂  с гидридом кальция СаН₂ образуется гидрид титана TiH₂, из которого затем выделяется металлический титан. Недостаток этого способа состоит в том, что получаемый титан сильно загрязнен примесями.

Иодидный способ применяется для получения небольших количеств титана очень высокой чистоты (до 0,05% примесей). Он основан на термической диссоциации (разложении) четырехиодистого титана TiI₄. Процесс проводится в небольших стеклянных или металлических ретортах в глубоком вакууме. Разложение ТiI₄ ® Ti + 2I₂ происходит на раскаленной вольфрамовой или титановой проволоке, нагретой до 1300-1400ºС пропусканием через нее электрического тока. Выделяющийся титан осаждается на проволоке, постепенно утолщая ее и превращая в пруток. Этот способ является очень дорогим и малопроизводительным.

 

Тема 2 Титан и его сплавы (1 час)

План лекции.

1. Физико-механические свойства титана.

2. Преимущества титановых сплавов.

3. Состав некоторых титановых сплавов.

 

Плотность (удельный вес) титана составляет 4,5 г/см³. Темпера­тура плавления титана зависит от степени его чистоты, поэтому она колеблется от 1660 до 1680ºС Еще существеннее наличие примесей влияет на механические свойства титана. Титан имеет низкую теплопроводность (λ = 107 Вт/(м·град) (15 ккал/(м·ч·град)]. При нормальной температуре он обладает высокой коррозионной стойкостью во многих сильных химических средах, нередко превосходящей стойкость хромоникелевых сталей, но при нагреве выше 500ºС становится очень активным элементом. При высокой температуре титан либо растворяет почти все соприкасающиеся с ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титановые сплавы по сравнению с другими сплавами имеют ряд преимуществ (таблица 5.1):

1. Сочетание высокой прочности (σ_в = 800-1500 МН/м² (80-150 кгс/мм²) с хорошей пластичностью (δ = 12-25%).

 

Таблица 5.1 – Химический состав (%) и свойства некоторых титановых сплавов

Марка сплава	AI	Mn	V	σв ,МН/м2 (кгс/мм2)	δ,%
Иодидный титан	—	—	—	200-300 (20-30)	50-60
Технический титан ВТ1	—	—	—	500-600 (50-60)	20-30
ВТ5	4 — 4,5	—	—	800-950 (80-95)	12-25
ОТ4	2 — 3,5	1 — 2	—	700-850 (70-85)	15-40
ВТ6	5-6,5	—	3,5-4,5	900-1000 (90-100)	8-13
ВТ14 (отожж.)	3,5-4,5	—	0,7-1,5	900-1100 (90-110)	12-15

 

2. Малую плотность (удельный вес). Как следствие этого, титановые сплавы имеют наиболее высокую удельную прочность по сравнению с другими металлами и сплавами. Для легированных сталей отношение σ_в /γ = 18-22, для алюминиевых сплавов -до 20-25, а для титановых сплавов 25-30 и даже 40 (ВТ14).

3. Относительно хорошая жаропрочность. Их можно использовать до 600 -700ºС. Сплав ВТ-20 (6% AI; 2% Zr; 1% Мо; 1% V) при 500ºС имеет σ_в =700 МН/м² (70кгс/мм²). Сталь Х14Н18В2БР при 600º С имеет σ_в= 450 МН/м² (45 кгс/мм²).

4. Высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах (например, НNО₃ всех концентраций при комнатной, а также повышенной температуре, 10%-ном NaOH до температур кипения и т.д.). Не рекомендуется применять титановые сплавы для работы в средах HCI и HF.

 

Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1, 2, 4]

1. Литье титановых сплавов.

2. Марки титана и титановых сплавов по ГОСТу.

3. Рафинирование титановых сплавов.

4. Обработка титановых сплавов инертными газами.

5 Плавка титана в печах.

 

 

Раздел 6 Производство меди

         Тема 1 Производство меди (2 часа)

План лекции.

1. Общие сведения о меди.

2. Медные руды.

3. Способы производства меди.

4. Рафинирование меди.

 

         Производство меди

Медь – один их важнейших металлов. По электропроводности она несколько уступает лишь серебру и является главным проводниковым материалом в электро- и радиотехнике, потребляющих 40-50% всей меди. Почти во всех областях машиностроения используются медные сплавы-латуни и бронзы. Медь как легирующий элемент входит в состав многих алюминиевых и других сплавов. Медь -пластичный металл. Плотность меди ρ=8,9 г/см³, t_пл=1083ºС, δ=≈50%.

         Медные руды. Медь встречается в природе главным образом в виде сернистых соединений CuS, Cu₂S в составе сульфидных руд, реже в виде окисных соединений Cu₂О, углекислых соединений CuСО₃, Cu(ОН)₂ и самородной металлической меди. Самыми распространенными сульфидными рудами являются медный колчедан, медный блеск и др. Все медные руды являются бедными и обычно содержат 1-2%, иногда меньше 1% меди. Пустая порода, как правило, состоит из песчаников, глины, известняка, сульфидов железа и др. Многие руды являются комплексными — полиметаллическими и содержат, кроме меди, никель, цинк, свинец, серебро и другие ценные элементы в виде окислов и соединений.

         Способы производства меди. Медь получают двумя способами: пирометаллургическим и гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ заключается в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми растворами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора. Этот способ не получил широкого распространения в промышленности. Пирометаллургический способ заключается в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает следующие основные операции: обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт-штейн, выплавку из штейна черновой меди, ее рафинирование, т.е. ее очистку от примесей.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим.

Гидрометаллургический способ – получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора.

Получение меди пирометаллургическим способом состоит из обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Обогащение медных руд производится методом флотации и окислительного обжига.

Метод флотации основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы. Позволяет получать медный концентрат, содержащий 10…35 % меди.

Медные руды и концентраты, содержащие большие количества серы, подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700…800 ⁰C в присутствии кислорода воздуха сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое против исходного. Обжигают только бедные (с содержанием меди 8…25 %) концентраты, а богатые (25…35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа . Штейн содержит 20…50 % меди, 20…40 % железа, 22…25 % серы, около 8 % кислорода и примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 ⁰C.

Полученный медный штейн, с целью окисления сульфидов и железа, подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций без подачи топлива. Температура в конвертере составляет 1200…1300?C. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4…99,4 % меди, 0,01…0,04 % железа, 0,02…0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей, проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование.

Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем медь, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99…99,5%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,95% Cu).

Электролиз проводят в ваннах, где анод изготавливают из меди огневого рафинирования, а катод – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор.

При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди, осаждаясь на них слоем чистой меди.

Примеси осаждаются на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения металлов.

Катоды выгружают через 5…12 дней, когда их масса достигнет 60…90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Медь по чистоте подразделяется на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).

 

Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.

 

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1, 2, 5, 8]

1. Особенности плавления медных сплавов в различных печах.

2. Плавка латуни.

3. Плавка бронз.

4. Марки меди и медных сплавов по ГОСТу.

5. Литье медных сплавов.

6. Термическая обработка медных сплавов.

 

Раздел 7 Производство отливок

         Тема 1 Изготовление отливок в песчано-глинистых формах (1 час)

План лекции

1. Сущность литья в разовые формы.

2. Элементы литейной формы.

3. Типы литниковых систем.

 

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм.

Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рисунок 7.1.

 

 

Рисунок 7.1 – Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах

 

Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Литейная форма для получения отливок в песчаных формах представлена на рисунке 7.2.

Литейная форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются в опоках 7, 8 – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Полуформы ориентируют с помощью штырей 10, которые вставляют в отверстия ручек опок 11.

Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 3, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки).

Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему.

Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы.

Основными элементами являются: литниковая чаша 5, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 6 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 12, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 13 – один или несколько, через которые расплавленный металл подводится в полость литейной формы.

Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее затвердевании служат прибыли или выпор 4. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 9.

 

Рисунок 7.2 – Литейная форма

 

Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на: нижнюю, верхнюю, боковую.

 

Тема 2 Приготовление формовочных и стержневых смесей (1 час)

План лекции

1. Компоненты для формовочных и стержневых смесей.

2. Свойства смесей.

3. Приготовление формовочных смесей.

 

Для приготовления смесей используются природные и искусственные материалы.

Песок – основной компонент формовочных и стержневых смесей.

Обычно используется кварцевый или цирконовый песок из кремнезема.   Глина является связующим веществом, обеспечивающим прочность и пластичность, обладающим термической устойчивостью. Широко применяют бентонитовые или каолиновые глины.

Для предотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок используют противопригарные материалы: для сырых форм – припылы; для сухих форм – краски.

В качестве припылов используют: для чугунных отливок – смесь оксида магния, древесного угля, порошкообразного графита; для стальных отливок – смесь оксида магния и огнеупорной глины, пылевидный кварц.

Противопригарные краски представляют собой водные суспензии этих материалов с добавками связующих.

Смеси должны обладать рядом свойств.

Прочность – способность смеси обеспечивать сохранность формы без разрушения при изготовлении и эксплуатации.

Поверхностная прочность (осыпаемость) – сопротивление истирающему действию струи металла при заливке,

Пластичность – способность воспринимать очертание модели и сохранять полученную форму,

Податливость – способность смеси сокращаться в объеме под действием усадки сплава.

Текучесть – способность смеси обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика.

Термохимическая устойчивость или непригарность – способность выдерживать высокую температуру сплава без оплавления или химического с ним взаимодействия.

Негигроскопичность – способность после сушки не поглощать влагу из воздуха.

Долговечность – способность сохранять свои свойства при многократном использовании.

По характеру использования различают облицовочные, наполнительные и единые смеси.

Облицовочная – используется для изготовления рабочего слоя формы. Содержит повышенное количество исходных формовочных материалов и имеет высокие физико- механические свойства.

Наполнительная – используется для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной смеси. Приготавливается путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формовочных материалов.

Облицовочная и наполнительная смеси необходимы для изготовления крупных и сложных отливок.

Единая – применяется одновременно в качестве облицовочной и наполнительной. Используют при машинной формовке и на автоматических линиях в серийном и массовом производстве. Изготавливается из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей связующей способностью для обеспечения долговечности.

 

Приготовление формовочных смесей

Сначала подготавливают песок, глину и другие исходные материалы. Песок сушат и просеивают. Глину сушат, размельчают, размалывают в шаровых мельницах или бегунах и просеивают. Аналогично получают угольный порошок.

Подготавливают оборотную смесь. Оборотную смесь после выбивки из опок разминают на гладких валках, очищают от металлических частиц в магнитном сепараторе и просеивают.

Приготовление формовочной смеси включает несколько операций: перемешивание компонентов смеси, увлажнение и разрыхление.

Перемешивание осуществляется в смесителях-бегунах с вертикальными или горизонтальными катками. Песок, глину, воду и другие составляющие загружают при помощи дозатора, перемешивание осуществляется под действием катков и плужков, подающих смесь под катки.

Готовая смесь выдерживается в бункерах-отстойниках в течение 2…5 часов, для распределения влаги и образования водных оболочек вокруг глинистых частиц.

Готовую смесь разрыхляют в специальных устройствах и подают на формовку.

 

Стержневая смесь

Стержневые смеси соответствуют условиям технологического процесса изготовления литейных стержней, которые испытывают тепловые и механические воздействия. Они должны иметь боле высокие огнеупорность, газопроницаемость, податливость, легко выбиваться из отливки.

Огнеупорность – способность смеси и формы сопротивляться растяжению или расплавлению под действием температуры расплавленного металла.

Газопроницаемость – способность смеси пропускать через себя газы (песок способствует ее повышению).

В зависимости от способа изготовления стержней смеси разделяют: на смеси с отвердением стержней тепловой сушкой в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие; жидкие холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом.

Приготовление стержневых смесей осуществляется перемешиванием компонентов в течение 5…12 минут с последующим выстаиванием в бункерах.

В современном литейном производстве изготовление смесей осуществляется на автоматических участках.

 

Тема 3 Изготовление литейных форм (1 час)

План лекции

1. Модельный комплект.

2. Элементы модельного комплекта.

3. Изготовление литейных форм.

4. Ручная и машинная формовка.

 

Модельный комплект – приспособления, включающие литейную модель, модели литниковой системы, стержневые ящики, модельные плиты, контрольные и сборочные шаблоны.

Литейная модель – приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток, соответствующий конфигурации и размерам отливки.

Применяют модели разъемные и неразъемные, деревянные, металлические и пластмассовые.

Размеры модели больше размеров отливки на величину линейной усадки сплава.

Модели деревянные (сосна, бук, ясень), лучше изготавливать не из целого куска, а склеивать из отдельных брусочков с разным направлением волокон, для предотвращения коробления.

Достоинства: дешевизна, простота изготовления, малый вес. Недостаток: недолговечность.

Для лучшего удаления модели из формы ее окрашивают: чугун – красный, сталь – синий.

Металлические модели характеризуются большей долговечностью, точностью и чистой рабочей поверхностью. Изготавливаются из алюминиевых сплавов – легкие, не окисляются, хорошо обрабатываются. Для уменьшения массы модели делают пустотелыми с ребрами жесткости.

Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги при эксплуатации и хранении, не подвергаются короблению, имеют малую массу.

Стержневой ящик – формообразующее изделие, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очертаний из стержневой смеси. Обеспечивают равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Изготавливают из тех же материалов, что и модели. Могут быть разъемными и неразъемными (вытряхными), а иногда с нагревателями.

Изготовление стержней может осуществляться в ручную и на специальных стержневых машинах.

Модельные плиты формируют разъем литейной формы, на них закрепляют части модели. Используют для изготовления опочных и безопочных полуформ.

Для машинной формовки применяют координатные модельные плиты и плиты со сменными вкладышами (металлическая рамка плюс металлические или деревянные вкладыши).

 

Изготовление литейных форм

Основными операциями изготовления литейных форм являются: уплотнение формовочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности; устройство вентиляционных каналов для вывода газов из полости формы; извлечение модели из формы; отделка и сборка формы.

Формы изготавливаются вручную, на формовочных машинах и на автоматических линиях.

Ручная формовка применяется для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного производства, в ремонтном производстве, для крупных отливок массой 200…300 тонн.

Приемы ручной формовки: в парных опоках по разъемной модели; формовка шаблонами; формовка в кессонах.

Формовка шаблонами применяется для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения в единичном производстве

Шаблон – профильная доска. Изготовление формы для шлаковой чаши (рисунок 7.3, а.) показано на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 – Шаблонная формовка

 

В уплотненной формовочной смеси вращением шаблона 1, закрепленного на шпинделе 2 при помощи серьги 3, оформляют наружную поверхность отливки (рисунок 7.3, в.) и используют ее как модель для формовки в опоке верхней полуформы 6 (рисунок 7.3, г). Снимают серьгу с шаблоном, плоскость разъема покрывают разделительным слоем сухого кварцевого песка, устанавливают модели литниковой системы, опоку, засыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Затем снимают верхнюю полуформу. В подпятник 7 устанавливают шпиндель с шаблоном 4, которым оформляют нижнюю полуформу, сжимая слой смеси, равный толщине стенки отливки (рисунок 7.3, д). Снимают шаблон, удаляют шпиндель, отделывают болван и устанавливают верхнюю полуформу (рисунок 7.3, е). В готовую литейную форму заливают расплавленный металл

Формовка в кессонах.

Формовкой в кессонах получают крупные отливки массой до 200 тонн.

Кессон – железобетонная яма, расположенная ниже уровня пола цеха, водонепроницаемая для грунтовых вод.

Механизированный кессон имеет две подвижные и две неподвижные стенки из чугунных плит. Дно из полых плит, которые можно продувать (для ускорения охлаждения отливок) и кессона. Кессон имеет механизм для передвижения стенок и приспособлен для установки и закрепления верхней полуформы.

 

Машинная формовка

Используется в массовом и серийном производстве, а также для мелких серий и отдельных отливок.

Повышается производительность труда, улучшается качество форм и отливок, снижается брак, облегчаются условия работы.

По характеру уплотнения различают машины: прессовые, встряхивающие и другие.

Уплотнение прессованием может осуществляться по различным схемам, выбор которой зависит от размеров формы моделей, степени и равномерности уплотнения и других условий.

В машинах с верхним уплотнением (рисунок 7.4, а) уплотняющее давление действует сверху. Используют наполнительную рамку.

При подаче сжатого воздуха в нижнюю часть цилиндра 1 прессовый поршень 2, стол 3 с прикрепленной к нему модельной плитой 4 с моделью поднимается. Прессовая колодка 7, закрепленная на траверсе 8 входит в наполнительную рамку 6 и уплотняет формовочную смесь в опоке 5. После прессования стол с модельной оснасткой опускают в исходное положение.

 

а – прессованием; б — встряхиванием

Рисунок 7.4 – Схемы способов уплотнения литейных форм при машинной формовке

 

У машин с нижним прессованием формовочная смесь уплотняется самой моделью и модельной плитой.

Уплотнение встряхиванием происходит в результате многократно повторяющихся встряхиваний (рисунок 7.4, б).

Под действием сжатого воздуха, подаваемого в нижнюю часть цилиндра 1, встряхивающий поршень 2 и стол с закрепленной на нем модельной плитой 4 с моделью поднимается на 30…100 мм до выпускного отверстия, затем падает. Формовочная смесь в опоке 5 и наполнительной рамке 6 уплотняется в результате появления инерционных сил. Способ характеризуется неравномерностью уплотнения, уплотнение верхних слоев достигается допрессовкой.

Уплотнение пескометом осуществляется рабочим органом пескомета – метательной головкой. Формовочная смесь подается в головку непрерывно. Пескомет обеспечивает засыпку смеси и ее уплотнение. При вращении ковша (1000…1500 мин^–1) формовочная смесь выбрасывается в опоку со скоростью 30…60 м/с. Метательная головка может перемещаться над опокой. Пескомет – высокопроизводительная формовочная машина, его применяют при изготовлении крупных отливок в опоках и кессонах.

 

Тема 4 Получение отливок специальными способами литья (1 час)

План лекции

1. Литье в оболочковые формы.

2. Литье по выплавляемым моделям.

3. Литье в кокиль.

4. Изготовление отливок центробежным литье.

5. Литье под давлением.

6. Непрерывное литье.

 

         Специальные способы литья

В современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие.

Эти способы позволяют получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключают ее, что обеспечивает высокую производительность труда. Каждый специальный способ литья имеет свои особенности, определяющие области применения.

          Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы – процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, изготовленных по горячей модельной оснастке из специальных песчано-смоляных смесей.

Формовочную смесь приготовляют из мелкого кварцевого песка с добавлением термореактивных связующих материалов.

Технологические операции формовки при литье в оболочковые формы представлены на рисунке 7.5.

Металлическую модельную плиту 1 с моделью нагревают в печи до 200…250 ⁰C.

Затем плиту 1 закрепляют на опрокидывающемся бункере 2 с формовочной смесью 3 (рисунок 7.5, а) и поворачивают на 180 ⁰ (рисунок 7.5, б). Формовочную смесь выдерживают на плите 10…30 секунд. Под действием теплоты, исходящей от модельной плиты, термореактивная смола в приграничном слое расплавляется, склеивает песчинки и отвердевает с образованием песчано-смоляной оболочки 4, толщиной 5…15 мм.     Бункер возвращается в исходное положение (рисунок 7.5, в), излишки формовочной смеси осыпаются с оболочки. Модельная плита с полутвердой оболочкой 4 снимается с бункера и прокаливается в печи при температуре 300…350 ?C, при этом смола переходит в твердое необратимое состояние. Твердая оболочка снимается с модели с помощью выталкивателей 5 (рисунок 7.5, г). Аналогичным образом получают вторую полуформу.

Для получения формы полуформы склеивают или соединяют другими способами (при помощи скоб).

 

Рисунок 7.5 – Технологические операции формовки при литье в оболочковые формы

 

Собранные формы небольших размеров с горизонтальной плоскостью разъема укладывают на слой песка. Формы с вертикальной плоскостью разъема 6 и крупные формы для предохранения от коробления и преждевременного разрушения устанавливают в контейнеры 7 и засыпают чугунной дробью 8 (рисунок 7.5, д).

Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометрическую точность отливок, малую шероховатость поверхностей, снижает расход формовочных материалов (высокая прочность оболочек позволяет изготавливать формы тонкостенными) и объем механической обработки, является высокопроизводительным процессом.

В оболочковых формах изготавливают отливки массой 0,2…100 кг с толщиной стенки 3…15 мм из всех литейных сплавов для приборов, автомобилей, металлорежущих станков.

 

Литье по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям – процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, рабочая полость которых образуется благодаря удалению (вытеканию) легкоплавкого материала модели при ее предварительном нагревании.

Технологические операции процесса литья по выплавляемым моделям представлены на рисунке 7.6.

Выплавляемые модели изготавливают в пресс-формах 1 (рисунок 7.6, а) из модельных составов, включающих парафин, воск, стеарин, жирные кислоты. Состав хорошо заполняет полость пресс-формы, дает четкий отпечаток. После затвердевания модельного состава пресс-форма раскрывается и модель 2 (рисунок 7.6, б) выталкивается в холодную воду.

 

Рисунок 7.6 – Технологические операции процесса литья по выплавляемым моделям

 

Затем модели собираются в модельные блоки 3 (рисунок 7.6, в) с общей литниковой системой припаиванием, приклеиванием или механическим креплением. В один блок объединяют 2…100 моделей.

Формы изготавливают многократным погружением модельного блока 3 в специальную жидкую огнеупорную смесь 5, налитую в емкость 4 (рисунок 7.6, г) с последующей обсыпкой кварцевым песком. Затем модельные блоки сушат на воздухе или в среде аммиака. Обычно наносят 3…5 слоев огнеупорного покрытия с последующей сушкой каждого слоя.

Модели из форм удаляют, погружая в горячую воду или с помощью нагретого пара. После удаления модельного состава тонкостенные литейные формы устанавливаются в опоке, засыпаются кварцевым песком, а затем прокаливают в печи в течение 6…8 часов при температуре 850…950 ⁰C для удаления остатков модельного состава, испарения воды (рисунок 7.6, д)

Заливку форм по выплавляемым моделям производят сразу же после прокалки в нагретом состоянии. Заливка может быть свободной, под действием центробежных сил, в вакууме и т.д.

После затвердевания залитого металла и охлаждения отливок форма разрушается, отливки отделяют от литников механическими методами, направляют на химическую очистку, промывают и подвергают термической обработке.

Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение точных и сложных отливок из различных сплавов массой 0,02…15 кг с толщиной стенки 0,5…5 мм.

Недостатком является сложность и длительность процесса производства отливок, применение специальной дорогостоящей оснастки.

Литьем по выплавляемым моделям изготавливают детали для приборостроительной, авиационной и другой отраслевой промышленности. Используют при литье жаропрочных труднообрабатываемых сплавов (лопатки турбин), коррозионно-стойких сталей, углеродистых сталей в массовом производстве (автомобильная промышленность).

Технологический процесс автоматизирован и механизирован.

 

Литье в металлические формы

Литье в металлические формы (кокили) получило большое распространение. Этим способом получают более 40% всех отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, отливки из чугуна и стали.

Литье в кокиль – изготовление отливок из расплавленного металла в металлических формах-кокилях.

Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю, что обеспечивает более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаных формах.

Схема получения отливок в кокиле представлена на рисунке 7.7.

Рабочую поверхность кокиля с вертикальной плоскостью разъема, состоящую из поддона 1, двух симметричных полуформ 2 и 3 и металлического стержня 4, предварительно нагретую до 150…180 ⁰C покрывают из пульверизатора 5 слоем огнеупорного покрытия (рисунок 7.7, а) толщиной 0,3…0,8 мм. Покрытие предохраняет рабочую поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой.

Покрытия приготовляют из огнеупорных материалов (тальк, мел, графит), связующего материала (жидкое стекло) и воды.

Затем с помощью манипулятора устанавливают песчаный стержень 6, с помощью которого в отливке выполняется полость (рисунок 7.7, б).

Половинки кокиля соединяют и заливают расплав. После затвердевания отливки 7 (рисунок 7.7, в) и охлаждения ее до температуры выбивки кокиль раскрывают (рисунок 7.7, г) и протягивают вниз металлический стержень 4. Отливка 7 удаляется манипулятором из кокиля (рисунок 7.7, д).

Отливки простой конфигурации изготовляют в неразъемных кокилях, несложные отливки с небольшими выступами и впадинами на наружной поверхности – в кокилях с вертикальным разъемом. Крупные, простые по конфигурации отливки получают в кокилях с горизонтальным разъемом. При изготовлении сложных отливок применяют кокили с комбинированным разъемом.

Расплавленный металл в форму подводят сверху, снизу (сифоном), сбоку. Для удаления воздуха и газов по плоскости разъема прорезают вентиляционные каналы.

Все операции технологического процесса литья в кокиль механизированы и автоматизированы. Используют однопозиционные и многопозиционные автоматические кокильные машины.

Литье в кокиль применяют в массовом и серийном производствах для изготовления отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов с толщиной стенки 3…100 мм, массой от нескольких граммов до нескольких сотен килограммов.

 

Рисунок 7.7 – Технологические операции изготовления отливки в кокиль

 

Литье в кокиль позволяет сократить или избежать расхода формовочных и стержневых смесей, трудоемких операций формовки и выбивки форм, повысить точность размеров и снизить шероховатость поверхности, улучшить механические свойства.

Недостатки кокильного литья: высокая трудоемкость изготовления кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления сложных по конфигурации отливок.

 

Изготовление отливок центробежным литьем

При центробежном литье сплав заливается во вращающиеся формы. Формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.

Центробежным литьем изготовляют отливки в металлических, песчаных, оболочковых формах и формах для литья по выплавляемым моделям на центробежных машинах с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Металлические формы изложницы изготовляют из чугуна и стали. Толщина изложницы в 1,5…2 раза больше толщины отливки. В процессе литья изложницы снаружи охлаждают водой или воздухом.

На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащитные покрытия для увеличения срока их службы. Перед работой изложницы нагревают до 200 ⁰C.

Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем представлены на рисунке 7.8.

Рисунок 7.8 – Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем

 

При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси (рисунок 7.8, а) металл из ковша 4 заливают во вращающуюся форму 2, укрепленную на шпинделе 1, который вращается от электродвигателя.

Под действием центробежных сил металл прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания отливки. После остановки формы отливка 3 извлекается.

Отливки имеют разностенность по высоте – более толстое сечение в нижней части. Применяют для получения отливок небольшой высоты – коротких втулок, колец, фланцев.

При получении отливок типа тел вращения большой длины (трубы, втулки) на машинах с горизонтальной осью вращения (рисунок 7.8, б) изложницу 2 устанавливают на опорные ролики 7 и закрывают кожухом 6. Изложница приводится в движение электродвигателем 1. Расплавленный металл из ковша 4 заливают через желоб 3, который в процессе заливки металла перемещается, что обеспечивает получение равностенной отливки 5. Для образования раструба трубы используют песчаный или оболочковый стержень 8. После затвердевания металла готовую отливку извлекают специальным приспособлением.

Центробежным литьем изготавливают отливки из чугуна, стали, сплавов титана, алюминия, магния и цинка (трубы, втулки, кольца, подшипники качения, бандажи железнодорожных и трамвайных вагонов).

Масса отливок от нескольких килограммов до 45 тонн. Толщина стенок от нескольких миллиметров до 350 мм. Центробежным литьем можно получить тонкостенные отливки из сплавов с низкой текучестью, что невозможно сделать при других способах литья.

Недостаток: наличие усадочной пористости, ликватов и неметаллических включений на внутренних поверхностях; возможность появления дефектов в виде продольных и поперечных трещин, газовых пузырей.

Преимущества – получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней, экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы, возможность получения двухслойных заготовок, что получается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь – чугун, чугун – бронза).

Используют автоматические и многопозиционные карусельные машины с управлением от ЭВМ.

 

Литье под давлением

Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением.

Отливки получают на машины литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования. В машинах с холодной камерой прессования камеры прессования располагаются либо горизонтально, либо вертикально.

На машинах с горизонтальной холодной камерой прессования (рисунок 7.9) расплавленный металл заливают в камеру прессования 4 (рисунок 7.9, а). Затем металл плунжером 5, под давлением 40…100 МПа, подается в полость пресс-формы (рисунок 7.9, б), состоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полуформ. Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается, стержень 2 извлекается (рисунок 7.9, в) и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы.

 

Рисунок 7.9 – Технологические операции изготовления отливок на машинах с горизонтальной холодной камерой прессования

 

Перед заливкой пресс-форму нагревают до 120…320 ⁰C. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и смазывают специальными материалами для предупреждения приваривания отливки. Воздух и газы удаляются через каналы, расположенные в плоскости разъема пресс-формы или вакуумированием рабочей полости перед заливкой металла. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг.

На машинах с горячей камерой прессования (рисунок 7.10) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстие перекрывается, сплав под давлением 10…30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла сливаются в камеру прессования, а отливка удаляется из пресс-формы выталкивателями 6.

Получают отливки из цинковых и магниевых сплавов массой от нескольких граммов до 25 кг.

 

Рисунок 7.10 – Схема изготовления отливки на машинах с горячей камерой прессования

 

При литье под давлением температура заливки сплава выбирается на 10…20 ⁰C выше температуры плавления.

Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном производствах отливок с минимальной толщиной стенок 0,8 мм, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности, за счет тщательного полирования рабочей полости пресс-формы, без механической обработки или с минимальными припусками, с высокой производительностью процесса.

Недостатки: высокая стоимость пресс-формы и оборудования, ограниченность габаритных размеров и массы отливок, наличие воздушной пористости в массивных частях отливки.

 

Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Емельянова А.П. Технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1979.

4. Смолькин А.А., Исагулов А.З., Егоров В.В. Технология металлов и металловедение с тестовыми заданиями. Алматы: Гылым, 2000.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2, 3, 4) [1, 2, 4, 9]

1. Литейные и технологические свойства сплавов.

2. Виды брака отливок и меры его предупреждения.

3. Изготовление отливок литьем в жидкостекольные формы.

4. Особенности изготовления отливок из цветных сплавов.

5. Литее по газифицируемым моделям.

6. Литье по замороженным моделям.

7. Непрерывное литье.

8. Особенности технологии изготовления отливок из белого чугуна.

9. Особенности технологии изготовления отливок из стали.

10. Особенности технологии изготовления отливок из алюминия.

11. Особенности технологии изготовления отливок из меди.

12. Особенности технологии изготовления отливок из титана.

 

 

Раздел 8 Технологический процесс получения заготовок методами пластической деформации

Тема 1 Виды и основы обработки металлов давлением (1 час)

План лекции

1. Общие сведения.

2. Классификация процессов обработки давлением.

3. Характеристики деформаций.

4. Состав и структура металла.

5. Характер напряженного состояния.

6. Неравномерность деформации.

 

Технология обработки давлением. Общие сведения

Обработкой давлением называются процессы получения заготовок или деталей машин силовым воздействием инструмента на исходную заготовку из исходного материала.

Пластическое деформирование при обработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии.

Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла, надежность работы изделия.

Высокая производительность обработки давлением, низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов.

 

Классификация процессов обработки давлением

Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемным телом, прутком, листом.

По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:

– для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование;

– для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовых деталей, требующих механической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки являются:

– сжатие между плоскостями инструмента – ковка;

– ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка;

– затекание металла в полость инструмента – штамповка;

– выдавливание металла из полости инструмента – прессование;

– вытягивание металла из полости инструмента – волочение.

Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. Губкиным С.И. предложено различать виды деформации и, соответственно, виды обработки давлением.

Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.

Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростью деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.

При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность упрочнения снижается.

При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.

Холодная и горячая деформации не связаны с деформацией с нагревом или без нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой точки зрения горячей деформацией.

 

Закономерности обработки давлением. Характеристики деформаций 

Процессам обработки металлов давлением присущи определенные закономерности.

Закон постоянства объема. Пластическая деформация практически не влияет на плотность металла, поэтому действует закон постоянства объема: объем тела при его пластической деформации остается неизменным.

Закон применяется для расчетов объема и размеров исходной заготовки, необходимой для получения поковки с заданными размерами, а также переходов и изменения размеров заготовки в процессе деформирования.

Закон подобия. При осуществлении в одинаковых условиях одних и тех же процессов пластического деформирования геометрически подобных тел из одинакового материала отношение усилий деформирования равно квадрату, а отношение затраченных работ – кубу отношений соответствующих линейных размеров. Этот закон, основанный на принципе моделирования, используется для приближенного определения усилий деформирования и затрачиваемой работы.

Закон наименьшего сопротивления. В случае возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях, каждая точка перемещается в направлении наименьшего сопротивления.

Закон позволяет учесть предпочтительное направление течения металла, определить, какая часть полости штампа заполнится быстрее, какие размеры и форму будет иметь поперечное сечение заготовки в результате ее обработки давлением.

По этому закону, при наличии трения на контактной поверхности, заготовка прямоугольного сечения при осадке будет приобретать округлую форму, имеющую наименьший периметр при данной площади.

В этом случае направлением наименьшего сопротивления является кратчайшая нормаль к периметру сечения.

 

Технологические свойства

При выборе металла или сплава для изготовления изделия различными способами обработки давлением учитывается способность материала к данному методу обработки.

Ковкость – свойство металла изменять свою форму под действием ударов или давления, не разрушаясь.

Степень ковкости зависит от многих параметров. Наиболее существенным из них является пластичность, характеризующая способность материала деформироваться без разрушения. Чем выше пластичность материала, тем большую степень суммарного обжатия он выдерживает.

В условиях обработки металлов давлением на пластичность влияют многие факторы: состав и структура деформируемого металла, характер напряженного состояния при деформации, неравномерность деформации, скорость деформации, температура деформации и др. Изменяя те или иные факторы, можно изменять пластичность.

Состав и структура металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Характер напряженного состояния. Один и тот же материал проявляет различную пластичность при изменении схемы напряженного состояния. Еще в 1912 году немецкий ученый Карман осаживал образцы из мрамора и песчаника, помещенные в толстостенный цилиндр, в который нагнетался глицерин под давлением до 170 МН/м². Деформация происходила при схеме всестороннего сжатия. В результате остаточная деформация образцов составила 9 %, в дальнейшем удалось достигнуть деформации в 78 %. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Появление в схеме растягивающих напряжений снижает пластичность. Самая низкая пластичность наблюдается при схеме всестороннего растяжения.

Неравномерность деформации. Чем больше неравномерность деформации, тем ниже пластичность. Неравномерность деформации вызывает появление дополнительных напряжений. Растягивающие напряжения всегда снижают пластичность и способствуют хрупкому разрушению. Кроме того, неравномерность напряженного состояния понижает механическую прочность материала, так как напряжения от внешней нагрузки суммируется с остаточными растягивающими напряжениями, то разрушение наступает при меньшей нагрузке.

Скорость деформации. С повышением скорости деформации в условиях горячей деформации пластичность снижается. Имеющаяся неравномерность деформации вызывает дополнительные напряжения, которые снимаются только в том случае, если скорость разупрочняющих процессов не меньше скорости деформации.

Влияние температуры. Качественная зависимость пластичности от температуры представлена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Влияние температуры на пластичность сталей

 

Влияние температуры неоднозначно. Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, с повышением температуры, становятся более пластичными (1). Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии (2). Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически не зависит от температуры (3) . Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности (4). Техническое железо в интервале 800…1000 ⁰С характеризуется понижением пластических свойств (5). При температурах, близких к температуре плавления пластичность резко снижается из-за возможного перегрева и пережога.

 

Тема 2 Прокатка. Прессование. Волочение (1 час)

         План лекции

1. Прокат и его производство.

2. Способы прокатки.

3. Поперечная прокатка.

4. Поперечно-винтовая прокатка.

5. Прессование.

6. Волочение.

 

Прокат и его производство

Прокатка – это способ обработки пластическим деформированием – наиболее распространённый. Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства.

Сущность процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися валками, при этом, она уменьшается в своем поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма поперечного сечения называется профилем.

Процесс прокатки обеспечивается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым заготовка перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. В момент захвата металла со стороны каждого валка действуют на металл две силы: нормальная сила и касательная сила трения (рисунок 8.2).

Угол α– угол захвата, дуга, по которой валок соприкасается с прокатываемым металлом – дуга захвата, а объём металла между дугами захвата – очаг деформации.

Для захвата металла валками необходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.

Коэффициент трения можно увеличить применением насечки на валках.

 

Рисунок 8.2 – Схема сил, действующих при прокатке

 

Площадь поперечного сечения заготовки всегда уменьшается. Поэтому для определения деформации (особенно когда обжатие по сечению различно) используют показатель, называемый вытяжкой (коэффициентом вытяжки).

 

Способы прокатки

Когда требуется высокая прочность и пластичность, применяют заготовки из сортового или специального проката. В процессе прокатки литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего повышается плотность материала за счет залечивания литейных дефектов, пористости, микротрещин. Это придает заготовкам из проката высокую прочность и герметичность при небольшой их толщине.

Существуют три основных способа прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно – винтовая (рисунок 8.3).

При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рисунок 8.3, а). Заготовка втягивается в зазор между валками за счет сил трения. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат.

Поперечная прокатка (рисунок 8.3, б). Оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.

 

 

а – продольная; б – поперечная; в – поперечно – винтовая

Рисунок 8.3 – Схемы основных видов прокатки

 

В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары, оси, шестерни.

Поперечно – винтовая прокатка (рисунок 8.3, в). Валки, вращающиеся в одну сторону, установлены под углом друг другу. Прокатываемый металл получает ещё и поступательное движение. В результате сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелых трубных заготовок.

В качестве инструмента для прокатки применяют валки прокатные, конструкция которых представлена на рисунке 8.4. В зависимости от прокатываемого профиля валки могут быть гладкими (рисунок 8.4, а), применяемыми для прокатки листов, лент и т.п. и калиброванными (ручьевыми) (рисунок 8.4, б) для получения сортового проката.

Ручей – профиль на боковой поверхности валка. Промежутки между ручьями называются буртами. Совокупность двух ручьев образует полость, называемую калибром, каждая пара валков образует несколько калибров. Система последовательно расположенных калибров, обеспечивающая получение требуемого профиля заданных размеров называется калибровкой.

Рисунок 8.4 – Прокатные валки: а – гладкий; б – калиброванный

 

Валки состоят из рабочей части – бочки 1, шеек 2 и трефы 3.

Шейки валков вращаются в подшипниках, которые, у одного из валков, могут перемещаться специальным нажимным механизмом для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения осей.

Трефа предназначена для соединения валка с муфтой или шпинделем.

Прессование

Прессование – вид обработки давлением, при котором металл выдавливается из замкнутой полости через отверстие в матрице, соответствующее сечению прессуемого профиля.

Это современный способ получения различных профильных заготовок: прутков диаметром 3…250 мм, труб диаметром 20…400 мм с толщиной стенки 1,5…15 мм, профилей сложного сечения сплошных и полых с площадью поперечного сечения до 500 см².

Впервые метод был научно обоснован академиком Курнаковым Н.С. в 1813 году и применялся главным образом для получения прутков и труб из оловянисто-свинцовых сплавов. В настоящее время в качестве исходной заготовки используют слитки или прокат из углеродистых и легированных сталей, а также из цветных металлов и сплавов на их основе (медь, алюминий, магний, титан, цинк, никель, цирконий, уран, торий).

Технологический процесс прессования включает операции:

• подготовка заготовки к прессованию (разрезка, предварительное обтачивание на станке, так как качество поверхности заготовки оказывает влияние на качество и точность профиля);
• нагрев заготовки с последующей очисткой от окалины;
• укладка заготовки в контейнер;
• непосредственно процесс прессования;
• отделка изделия (отделение пресс-остатка, разрезка).

Прессование производится на гидравлических прессах с вертикальным или горизонтальным расположением плунжера, мощностью до 10 000 т.

Применяются две метода прессования: прямой и обратный (рисунок 8.5.)

При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении. При прямом прессовании требуется прикладывать значительно большее усилие, так как часть его затрачивается на преодоление трения при перемещении металла заготовки внутри контейнера. Пресс-остаток составляет 18…20 % от массы заготовки (в некоторых случаях – 30…40 %). Но процесс характеризуется более высоким качеством поверхности, схема прессования более простая.

При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение металла из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансона, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей. Обратное прессование требует меньших усилий, пресс-остаток составляет 5…6 %. Однако меньшая деформация приводит к тому, что прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Конструктивная схема более сложная

Процесс прессования характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом вытяжки, степенью деформации и скоростью истечения металла из очка матрицы.

 

1 – готовый пруток; 2 – матрица; 3 – заготовка; 4 – пуансон

Рисунок 8.5 – Схема прессования прутка прямым (а) и обратным (б) методом

 

При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию и имеет очень высокую пластичность.

К основным преимуществам процесса относятся:

• возможность обработки металлов, которые из-за низкой пластичности другими методами обработать невозможно;
• возможность получения практически любого профиля поперечного сечения;
• получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы;
• высокая производительность, до 2…3 м/мин.

Недостатки процесса:

• повышенный расход металла на единицу изделия из-за потерь в виде пресс-остатка;
• появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических свойств по длине и поперечному сечению изделия;
• высокая стоимость и низкая стойкость прессового инструмента;
• высокая энергоемкость.

 

Волочение

Сущность процесса волочения заключается в протягивании заготовок через сужающееся отверстие (фильеру) в инструменте, называемом волокой. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля. Схема волочения представлена на рисунок 8.6.

Волочением получают проволоку диаметром 0,002…4 мм, прутки и профили фасонного сечения, тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемых изделий. Волочение чаще выполняют при комнатной температуре, когда пластическую деформацию сопровождает наклеп, это используют для повышения механических характеристик металла, например, предел прочности возрастает в 1,5…2 раза.

 

Рисунок 8.6 – Схема волочения

 

Исходным материалом может быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали различного химического состава, цветные металлы и сплавы, в том числе и драгоценные.

Основной инструмент при волочении – волоки различной конструкции. Волока работает в сложных условиях: большое напряжение сочетается с износом при протягивании, поэтому их изготавливают из твердых сплавов. Для получения особо точных профилей волоки изготавливают из алмаза. Конструкция инструмента представлена на рисунке 8.7.

Рисунок 8.7 – Общий вид волоки

 

Волока 1 закрепляется в обойме 2. Волоки имеют сложную конфигурацию, ее составными частями являются: заборная часть I, включающая входной конус и смазочную часть; деформирующая часть II с углом в вершине (6…18⁰ – для прутков, 10…24⁰ – для труб); цилиндрический калибрующий поясок III длиной 0,4…1 мм; выходной конус IV.

Технологический процесс волочения включает операции:

• предварительный отжиг заготовок для получения мелкозернистой структуры металла и повышения его пластичности;
• травление заготовок в подогретом растворе серной кислоты для удаления окалины с последующей промывкой, после удаления окалины на поверхность наносят подсмазочный слой путем омеднения, фосфотирования, известкования, к слою хорошо прилипает смазка и коэффициент трения значительно снижается;
• волочение, заготовку последовательно протягивают через ряд постепенно уменьшающихся отверстий;
• отжиг для устранения наклепа: после 70…85 % обжатия для стали и 99 % обжатия для цветных металлов;
• отделка готовой продукции (обрезка концов, правка, резка на мерные длины и др.)

 

Тема 3 Ковка. Штамповка (2 часа)

План лекции

1. Ковка. Общие сведения.

2. Операции ковки.

3. Штамповка. Общие сведения

4. Формообразование при горячей объемной штамповке.

5. Холодная штамповка.

6. Операции листовой штамповки.

 

Ковка

Ковка – способ обработки давлением, при котором деформирование нагретого (реже холодного) металла осуществляется или многократными ударами молота или однократным давлением пресса.

Формообразование при ковке происходит за счет пластического течения металла в направлениях, перпендикулярных к движению деформирующего инструмента. При свободной ковке течение металла ограничено частично, трением на контактной поверхности деформируемый металл – поверхность инструмента: бойков плоских или фигурных, подкладных штампов.

Ковкой получают разнообразные поковки массой до 300 т.

Первичной заготовкой для поковок являются:

• слитки, для изготовления массивных крупногабаритных поковок;
• прокат сортовой горячекатаный простого профиля (круг, квадрат).

Ковка может производиться в горячем и холодном состоянии.

Холодной ковке поддаются драгоценные металлы – золото, серебро; а также медь. Технологический процесс холодной ковки состоит из двух чередующихся операций: деформации металла и рекристаллизационного отжига. В современных условиях холодная ковка встречается редко, в основном в ювелирном производстве.

Горячая ковка применяется для изготовления различных изделий, а также инструментов: чеканов, зубил, молотков и т.п.

Материалом для горячей ковки являются малоуглеродистые стали, углеродистые инструментальные и некоторые легированные стали. Каждая марка стали имеет определенный интервал температур начала и конца ковки, зависящий от состава и структуры обрабатываемого металла.

Операции ковки

Различают ковку предварительную и окончательную. Предварительная (или черновая) ковка представляет собой кузнечную операцию обработки слитка для подготовки его к дальнейшей деформации прокаткой, прессованием и т.п. Окончательная (чистовая ковка) охватывает все методы кузнечной обработки, с помощью которых изделию придают окончательную форму.

 

Предварительные операции

Биллетирование – превращение слитка в болванку или заготовку: включает сбивку ребер и устранение конусности.

Обжатие при биллетировании составляет 5…20 %. Проковка слитка предназначена для обжатия металла в углах слитка с целью предварительного деформирования литой структуры – дендритов, которые имеют стыки в этих углах. Биллетирование способствует заварке воздушных пузырей и других подкорковых дефектов литой структуры, созданию пластичного поверхностного слоя металла, благоприятно влияющего на дальнейшую деформацию. После биллетирования производят обрубку донной части слитка.

Рубка – применяется для отделения от основной заготовки негодных частей или для разделения заготовки на части.

Рубка производится в холодном и горячем состоянии. В холодном состоянии рубят тонкие и узкие полосы и прутки сечением 15…20 мм. Более толстые заготовки нагревают.

 

Основные операции

Осадка – операция обработки давлением, в результате которой уменьшается высота и одновременно увеличиваются поперечные размеры заготовок (рисунок 8.8, а).

 

Рисунок 8.8 – Схемы осадки и ее разновидностей

Осадку применяют для получения формы поковки, с целью уменьшения глубины прошивки, для обеспечения соответствующего расположения волокон в будущей детали (при изготовлении шестерней обеспечивается повышенная прочность зубьев в результате радиального расположения волокон), как контрольную операцию (из-за значительной деформации по периметру на боковой поверхности вскрываются дефекты).

При выполнении осадки требуется, чтобы инструмент перекрывал заготовку. Вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, это характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям.

Осадке подвергают заготовки, для которых высота не превышает 2,5…3 диаметра. В противном случае возможен или продольный изгиб заготовки, или образование седлообразности.

Разновидностями осадки являются высадка и осадка разгонкой торца.

Высадка – кузнечная операция, заключающаяся в деформировании части заготовки (концевой части или середины).

Для проведения операции используют местный нагрев, например, в середине заготовки (рисунок 8.8, б), или ограничивают деформацию на части заготовки кольцевым инструментом (рисунок 8.8, в).

Осадка разгонкой торца позволяет уменьшить высоту и увеличить площадь ранее осаженной заготовки (рисунок 8.8, г). Локализация деформации позволяет уменьшить усилие осадки.

Протяжка (вытяжка) – кузнечная операция, в результате которой происходит увеличение длины заготовки за счет уменьшения площади ее поперечного сечения.

Разновидностями протяжки являются разгонка, протяжка с оправкой, раскатка на оправке.

Разгонка (расплющивание) – операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины (рисунок 8.8, в).

Прошивка – операция получения в заготовке сквозных или глухих отверстий за счет вытеснения металла (рисунок 8.8).

Гибка – операция придания заготовке или ее части изогнутой формы по заданному контуру (рисунок 8.8, в).

Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в месте изгиба (утяжка). Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Для избежания этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления. Радиус в месте изгиба не должен быть меньше полутора толщин заготовки.

Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны.

Скручивание – операция, заключающаяся в повороте одной части поковки вокруг общей оси по отношению к другой ее части под определенным углом.

Объемной штамповкой называют процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем, принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют его в соответствии с заданной чертежом конфигурацией.

Применение объемной штамповки оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки.

Объемную штамповку осуществляют при разных температурах исходной заготовки и, в соответствии с температурой, делят на холодную и горячую. Наиболее широкое распространение получила горячая объемная штамповка (ГОШ), которую ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения.

Исходным материалом для горячей объемной штамповки являются сортовой прокат, прессованные прутки, литая заготовка, в крупносерийном производстве – периодический прокат, что обеспечивает сокращение подготовительных операций.

 

Формообразование при горячей объемной штамповке

Основная операция ГОШ может быть выполнена за один или несколько переходов. При каждом переходе формообразование осуществляется специальной рабочей полостью штампа – ручьем (гравюрой). Переходы и ручьи делятся на две группы: заготовительные и штамповочные. Схема технологического процесса получения сложной заготовки в нескольких ручьях представлена на рисунке 8.9.

 

1 – черновой ручей; 2 – подкатной ручей; 3 – протяжной ручей; 4 – чистовой ручей,

5 – гибочный ручей

Рисунок 8.9 – Стадии получения сложной поковки в нескольких ручьях

 

Заготовительные ручьи предназначены для фасонирования в штампах.

Фасонирование – перераспределение металла заготовки с целью придания ей формы, обеспечивающей последующую штамповку с малым отходом металла.

К заготовительным ручьям относятся протяжной, подкатной, гибочный и пережимной, а также площадка для осадки.

Протяжной ручей предназначен для увеличения длины отдельных участков заготовки за счет уменьшения площади их поперечного сечения, выполняемого воздействием частых слабых ударов с кантованием заготовки.

Подкатной ручей служит для местного увеличения сечения заготовки (набора металла) за счет уменьшения сечения рядом лежащих участков, то есть для распределения объема металла вдоль оси заготовки в соответствии с распределением его в поковке. Переход осуществляется за несколько ударов с кантованием.

Пережимной ручей предназначен для уменьшения вертикального размера заготовки в местах, требующих уширения. Выполняется за 1…3 удара.

Гибочный ручей применяют только при штамповке поковок, имеющих изогнутую ось. Служит для придания заготовке формы поковки в плоскости разъема. Из гибочного ручья в следующий заготовку передают с поворотом на 90 ⁰.

При штамповке поковок, имеющих в плане форму окружности или близкую к ней, часто применяют осадку исходной заготовки до требуемых размеров по высоте и диаметру. Для этого на плоскости штампа предусматривают площадку для осадки.

Штамповочные ручьи предназначены для получения готовой поковки. К штамповочным ручьям относятся черновой (предварительный) и чистовой (окончательный).

Черновой ручей предназначен для максимального приближения формы заготовки к форме поковки сложной конфигурации. Глубина ручья несколько больше, а поперечные размеры меньше, чем у чистового ручья (чтобы заготовка свободно укладывалась в чистовой ручей). Радиусы скругления и уклоны увеличиваются. В открытых штампах черновой ручей не имеет облойной канавки. Применяется для снижения износа чистового ручья, но может отсутствовать.

Чистовой ручей служит для получения готовой поковки, имеет размеры «горячей поковки», то есть больше, чем у холодной поковки, на величину усадки. В открытых штампах по периметру ручья предусмотрена облойная канавка, для приема избыточного металла. Чистовой ручей расположен в центре штампа, так как в нем возникают наибольшие усилия при штамповке.

Технологический процесс ГОШ отличается значительным разнообразием и определяется выбором самого изделия и применяемым оборудованием.

Технологический процесс зависит от формы поковки. По форме в плане поковки делятся на две группы: диски и поковки удлиненной формы.

К первой группе относятся круглые или квадратные поковки, имеющие сравнительно небольшую длину: шестерни, диски, фланцы, ступицы, крышки и др. Штамповка таких поковок производится осадкой в торец исходной заготовки с применением только штамповочных переходов.

Ко второй группе относятся поковки удлиненной формы: валы, рычаги, шатуны и др. Штамповка таких поковок производится протяжкой исходной заготовки (плашмя). Перед окончательной штамповкой таких поковок в штамповочных ручьях требуется фасонирование исходной заготовки в заготовительных ручьях штампа, свободной ковкой или на ковочных вальцах.

Так как характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа, то этот признак можно считать основным для классификации способов штамповки. В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах (рисунок 8.10).

 

1 – облойная канавка

Рисунок 8.10 – Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах

 

Штамповка в открытых штампах (рисунок 8.10, а) характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла – облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высокие требования к точности заготовок по массе. Штамповкой в открытых штампах можно получить поковки всех типов.

Штамповка в закрытых штампах (рисунок 8.10, б) характеризуется тем, что полость штампа в процесс деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа постоянный и небольшой, образование в нем облоя не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя – выступ (на прессах), или верхняя – полость, а нижняя – выступ (на молотах). Закрытый штамп может иметь две взаимно перпендикулярные плоскости разъема (рисунок 8.10, в).

При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность.

Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах – уменьшение расхода металла из-за отсутствия облоя. Поковки имеют более благоприятную структуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. Металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжимающих напряжениях, это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.

Холодная штамповка производится в штампах без нагрева заготовок и сопровождается деформационным упрочнением металла.

Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения высококачественных заготовок небольших и точных из стали и цветных металлов. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости изготовления изделий. Возможность осуществления холодной штамповки и качество заготовок определяются качеством исходного материала. Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок: удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов.

Процессы холодной штамповки часто выполняют за несколько технологических переходов, постепенно приближая форму и размеры заготовок к форме и размерам готовых изделий и осуществляя промежуточный отжиг для снятия наклепа и восстановления пластических свойств металла. В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов холодную штамповку делят на объемную и листовую.

 

Объемная холодная штамповка

Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах. Основными ее разновидностями являются: высадка, выдавливание, объемная формовка, чеканка.

Высадка – образование на заготовке местных утолщений требуемой формы в результате осадки ее конца.

Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка из черных или цветных металлов. Высадкой изготавливают стандартные и специальные крепежные изделия, кулачки, валы-шестерни, детали электронной аппаратуры, электрические контакты и т.д.

Выдавливание – формообразование сплошных или полых изделий, благодаря пластическому течению металла из замкнутого объема через отверстия соответствующей формы.

Особенностью процесса является образование в очаге деформации схемы трехосного неравномерного сжатия, повышающего технологическую пластичность материала.

Объемная формовка – формообразование изделий путем заполнения металлом полости штампа.

Объемной формовкой изготавливают пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Холодная объемная формовка требует значительных удельных усилий вследствие высокого сопротивления металла деформированию в условиях холодной деформации и упрочнения металла в процессе деформации. Упрочнение сопровождается снижением пластичности металла. Для облегчения процесса деформирования оформление детали расчленяется на переходы, между которыми заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Каждый переход осуществляют в специальном штампе, а между переходами обрезают облой для уменьшения усилия деформирования и повышения точности размеров деталей.

Заготовкой служит полоса или пруток, причем процесс штамповки может осуществляться непосредственно в полосе или прутке или из штучных заготовок.

В качестве оборудования используют прессы, однопозиционные и многопозиционные автоматы.

Чеканка – образование рельефных изображений на деформируемом материале.

Чеканка осуществляется в закрытых штампах на чеканочных фрикционных и гидравлических прессах.

При холодной штамповке коэффициент использования материала достигает 95 %. При холодном деформировании формируется благоприятная ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках. Это позволяет получать конструкции с меньшими размерами и металлоемкостью, чем у конструкций, полученных обработкой резанием, не снижая при этом их надежность. Но для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что делает целесообразным ее применение только в массовом и крупносерийном производствах.

 

Листовая штамповка

Листовая штамповка – один из видов холодной обработки давлением, при котором листовой материал деформируется в холодном или подогретом состоянии.

Листовой штамповкой изготавливаются разнообразные плоские и пространственные детали – от мелких, массой от долей грамма и размерами в доли миллиметра (секундная стрелка часов), до средних (металлическая посуда, крышки, кронштейны) и крупных (облицовочные детали автомобилей).

Толщина заготовки при листовой штамповке обычно не более 10 мм, но иногда может превышать 20 мм, в этом случае штамповка осуществляется с предварительным подогревом до ковочных температур.

При листовой штамповке используют: низкоуглеродистые стали, пластичные легированные стали, цветные металлы и сплавы на их основе, драгоценные металлы, а также неметаллические материалы: органическое стекло, фетр, целлулоид, текстолит, войлок и др.

Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно, автомобилестроении, ракетостроении, самолетостроении, приборостроении, электротехнической промышленности.

Основные преимущества листовой штамповки:

• возможность изготовления прочных легких и жестких тонкостенных деталей простой и сложной формы, получить которые другими способами невозможно или затруднительно;
• высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить механическую обработку;
• сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность (30 000…40 000 деталей в смену с одной машины);
• хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически выгодна и в массовом, и в мелкосерийном производствах.

Холодная листовая штамповка заключается в выполнении в определенной последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам придают форму и размеры детали.

Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающий характерное изменение формы определенного участка заготовки.

Различают разделительные операции, в которых этап пластического деформирования обязательно завершается разрушением, и формообразующие операции, в которых заготовка не должна разрушаться в процессе деформирования. При проектировании технологического процесса изготовления деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор наиболее рациональных операций и последовательности их применения, позволяющих получить детали с заданными эксплуатационными свойствами при минимальной себестоимости и хороших условиях труда.

Все операции выполняются при помощи специальных инструментов – штампов, которые имеют различные конструкции в зависимости от назначения. Штампы состоят из рабочих элементов – матрицы и пуансона, и вспомогательных частей – прижимов, направляющих, ограничителей и т.д. Пуансон вдавливается в деформируемый металл или охватывается им, а матрица охватывает изменяющую форму заготовку и пуансон.

 

Рекомендуемая литература

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3.  Прейс Г.А. и др. Технология конструкционных материалов. Киев: Высшая школа, 1991.

4. Фетисов Г.П., Карпман В.М., Матюнин В.С. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высшая школа, 2001.

5. Смолькин А.А., Исагулов А.З., Егоров В.В. Технология металлов и металловедение с тестовыми заданиями. Алматы: Гылым, 2000.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2, 3) [1, 2, 4, 6]

1. Оборудование и инструмент, применяемые при прокатке.

2. Оборудование и инструмент, применяемые при прессовании.

3. Оборудование и инструмент, применяемые при волочении.

4. Оборудование и инструмент, применяемые при ковке.

5. Оборудование и инструмент, применяемые при штамповке.

6. Механизация и автоматизация процессов горячей объемной штамповки.

7. Особенности обработки давлением цветных металлов.

 

         Раздел 9 Технологический процесс получения неразъемных соединений методом сварки

         Тема 1 Термический класс сварки (2 часа)

План лекции

1. Сварка. Общие сведения

2.  Ручная дуговая сварка.

3. Автоматическая дуговая сварка.

4. Флюсы. Дуговая сварка в защитных газах.

5. Плазменная сварка.

6. Электрошлаковая сварка.

 

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений в результате возникновения атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластическом деформировании.

Сварные соединения можно получать двумя принципиально разными путями: сваркой плавлением и сваркой давлением.

При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между деталями создают, оплавляя их примыкающие кромки, так, чтобы получилась смачивающая их, общая ванна. Эта ванна затвердевает при охлаждении и соединяет детали в одно целое. Как правило, в жидкую ванну вводят дополнительный металл, чтобы полностью заполнить зазор между деталями, но возможна сварка и без него.

При сварке давлением обязательным является совместная пластическая деформация деталей сжатием зоны соединения. Этим обеспечивается очистка свариваемых поверхностей от пленок загрязнений, изменение их рельефа и образование атомно-молекулярных связей. Пластической деформации обычно предшествует нагрев, так как с ростом температуры уменьшается значение деформации, необходимой для сварки и повышается пластичность металла.

Нагрев свариваемых деталей осуществляется разными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, пропусканием тока, лазером и т.д. По-разному обеспечиваются защита зоны сварки от воздействия воздуха и ее принудительная деформация.

Существует множество технологических процессов сварки (более 70).

Сварка является наиболее важным способом получения неразъемных соединений из различных материалов, свариваются металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы, разнородные материалы. Сварка применяется во всех областях техники.

 

Сварка плавлением

Дуговая сварка

Источником теплоты является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой.

Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров.

В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие разновидности дуговой сварки (рисунок 9.1):

• сварка неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рисунок 9.1, а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3, либо с применением присадочного металла 4;
• сварка плавящимся электродом (металлическим) 1 дугой прямого действия с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом (рисунок 9.1, б);
• сварка косвенной дугой 5, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги (рисунок 9.1, в);
• сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между каждым электродом и основным металлом (рисунок 9.1, г).

 

Рисунок 9.1 – Схемы дуговой сварки

 

Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

Ручная дуговая сварка.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают вручную в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рисунок 9.2) дуга 8 горит между стержнем 7 электрода и основным металлом 1.

Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак образует твердую шлаковую корку 2.

 

Рисунок 9.2 – Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом

 

Ручная сварка позволяет выполнять швы в любых пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном, вертикальном, потолочном. Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при выполнении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.

Оборудование для ручной сварки: источник питания дуги, электрододержатель, гибкие провода, защитная маска или щиток.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для сварки используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.

Схема автоматической дуговой сварки под флюсом представлена на рисунке 9.3.

Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса плавится и образуется жидкий шлак 4, защищающий жидкий металл от воздуха. Качество защиты лучше, чем при ручной дуговой сварке. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу с помощью механизма подачи 2. Ток к электроду подводят через токопровод 1.

 

Рисунок 9.3 – Схема автоматической дуговой сварки под флюсом

 

Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.

Преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной: повышение производительности процесса сварки в 5…20 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

Флюсы. Применяемые флюсы различают по назначению.

Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предназначены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые получают путем сплавления марганцевой руды, кремнезема и плавикового шпата в электропечах.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Для этого применяют керамические низкокремнистые, безкремнистые и фторидные флюсы, которые изготавливают из порошкообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокаливания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочно-земельных металлов.

Дуговая сварка в защитных газах.

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа (инертного – аргон, гелий; активного – углекислый газ, азот, водород).

Сварку в инертных газах можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.

В качестве неплавящегося электрода применяется пруток вольфрама, а в качестве плавящегося – проволока из основного металла или близкого ему по химическому составу. Область применения аргонодуговой сварки охватывает широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов). Аргонодуговую сварку применяют для легированных и высоколегированных сталей, цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов.

Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Защита сварочной ванны осуществляется углекислым газом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород, который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца. Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность.

Основной недостаток – разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40% времени сварки).

 

Плазменная сварка

Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой направленный поток частиц или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10000…20000⁰С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.

Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги и плазменную дугу, в которых дуга прямого действия совмещена с плазменной струей.

Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, и ее применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропроводящих материалов, для напыления тугоплавки материалов.

Плазменная дуга обладает большой тепловой мощностью, имеет более широкое применение: для сварки высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама. Плазменную дугу применяют для резки материалов (меди, алюминия), наплавки тугоплавких материалов на поверхность.

Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без разделки кромок и применения присадочного материала. Так как плазменная дуга обладает высокой стабильностью, то обеспечивается повышенное качество сварных швов. Это позволяет выполнять микроплазменную сварку металла толщиной 0,025…0,8 мм.

Недостаток плазменной сварки – недолговечность горелок.

 

Электрошлаковая сварка.

Сущность процесса заключается в том, что тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее тока (рисунок 9.4).

 

Рисунок 9.4 – Схема электрошлаковой сварки

 

Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении. В замкнутое пространство между водоохлаждаемыми медными ползунами 4 и вертикально установленными кромками изделий засыпают флюс и подают электродную проволоку 7 при помощи специального механизма подачи 6.

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак 5. Шлак шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя через шлак, разогревает его, это приводит к расплавлению кромок основного металла и электрода. Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну 8, выжимая шлак вверх, и затвердевает.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва – непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества: возможна сварка металла любой толщины (с 16 мм). Заготовки с толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка, при толщине более 150 мм используются нескольких проволок. Есть опыт сварки толщиной до 2 м.

Недостаток способа – образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций; станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т.п.

 

Лучевые способы сварки.

 Электронно-лучевая сварка.

Сущность процесса состоит в том, что свариваемые детали, собранные без зазора, помещают в вакуумную камеру и подают на них электродный луч – пучок электронов, движущихся с большой скоростью. При соударении с изделием электроны тормозятся, их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и расплавляет металл. Температура в месте соударения достигает 5000…6000 ⁰С. Перемещая электронный луч вдоль стыка, получают сварной шов.

Схема установка для электронно-лучевой сварки представлена на рисунке 9.5.

 

Рисунок 9.5 – Схема установки для электронно-дуговой сварки

 

Электроны, испускаемые катодом 1 электронной пушки, формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20…150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность луча. Ток электронного луча невелик – от нескольких миллиампер до единиц ампер.

Процессу электронно-лучевой сварки присущи две характерные особенности:

• сварка протекает в вакууме, обеспечивается получение зеркально чистой поверхности и дегазация расплавленного металла;
• интенсивность нагрева очень велика, что обеспечивает быстрое плавление и затвердевание металла. Шов получается мелкозернистый с высокими механическими свойствами, с минимальной шириной, что позволяет сваривать сплавы, чувствительные к нагреву.

Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких, химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, молибденовых, ниобиевых, циркониевых), а также алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавления. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.

Лазерная сварка.

Лазерная сварка – способ сварки плавлением, при которых металл нагревают излучением лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя. Оно возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел на более низкие энергетические уровни.

Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча.

Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла до плавления. Интенсивный сосредоточенный нагрев обуславливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения после прекращения воздействия луча. Это позволяет свести к минимуму ширину околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.

Механизм процессов при лазерной сварке схож с электронно-лучевой сваркой, но не обязательно вакуумировать изделие.

Лазером сваривают преимущественно толщины до 1 мм, так как коэффициент полезного действия преобразования энергии в лазерное излучение довольно низкий.

 

Газовая сварка

При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рисунок 9.6).

Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Мощность пламени регулируют сменой наконечников горелки.

 

Рисунок 9.6 – Схема газовой сварки

 

Нагрев заготовки осуществляется более плавно, чем при дуговой сварке, поэтому газовую сварку применяют для сварки металла малой толщины (0,2…3 мм), легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали, латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла снижается производительность и увеличивается деформация.

 

         Тема 2 Термомеханический класс сварки. Пайка металлов и сплавов (2 часа)

План лекции

1. Контактная сварка. Общие сведения.

2. Стыковая, точечная и шовная контактная сварка.

3. Диффузионная сварка.

4. Сварка трением.

5. Сварка взрывом.

6. Пайка.

 

Сварка давлением

Сущность получения неразъемного сварного соединения двух заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых соединяемых поверхностей на расстояния (2…4)×10^–10 см, при которых возникают межатомные силы притяжения.

Необходимым условием получения качественного соединения в твердом состоянии являются хорошая очистка и подготовка поверхностей и наличие сдвиговых пластичных деформаций в зоне соединения в момент сварки.

 

Контактная сварка

Сварные соединения получаются в результате нагрева деталей проходящим через них током и последующей пластической деформации зоны соединения.

Сварка осуществляется на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов зажатия заготовок и давления.

К деталям с помощью электродов подводят ток небольшого напряжения (3…8 В) и большой силы (до нескольких десятков кА). Большая часть тепла выделяется в зоне контакта деталей.

По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на точечную, шовную, стыковую. Схемы контактной сварки представлены на рисунке 9.7.

а – стыковой; б – точечной; в – шовной

Рисунок 9.7 – Схемы контактной сварки:

 Стыковая контактная сварка (рисунок 9.7, а) – способ соединения деталей по всей плоскости их касания.

Свариваемые заготовки 1 плотно зажимают в неподвижном 2 и подвижном 3 токоподводах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора 4. Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверхности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается ток. Поверхность контакта заготовок разогревается до требуемой температуры, ток отключается, производится сдавливание заготовок – осадка.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления с последующей осадкой – сваркой оплавлением. В результате пластической деформации и быстрой рекристаллизации в зоне образуются рекристаллизованные зерна из материала обеих деталей.

Сварка применяется для соединения встык деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т.п.

Точечная сварка (рисунок 9.7, б) – способ изготовления листовых или стержневых конструкций, позволяющий получить прочные соединения в отдельных точках.

Свариваемые заготовки 1, собранные внахлест, зажимают между неподвижным 2 и подвижным 3 электродами, подсоединенными к обмотке трансформатора 4.

Электроды изнутри охлаждаются водой, нагрев локализуется на участках соприкосновения деталей между электродами. Получают линзу расплава требуемого размера, ток выключают, расплав затвердевает, образуется сварная точка. Электроды сжимают детали, пластически деформируя их.

Образующееся сварное соединение обладает большой прочностью и его можно применять для изготовления несущих конструкций. Этот способ широко применяют в авто- и вагоностроении, строительстве, а также при сборке электрических схем.

Шовная сварка (рисунок 9.7, в) – способ соединения деталей швом, состоящим из отдельных сварных точек.

Свариваемые заготовки 1 помещают между двумя роликами-электродами, один из электродов 2 может иметь вращательное движение, а другой 3 – вращательное движение и перемещение в вертикальном направлении. Электроды подключаются к вторичной обмотке трансформатора 4. Электроды-ролики зажимают и передвигают деталь.

Шовная сварка обеспечивает получение прочных и герметичных соединений их листового материала толщиной до 5 мм.

 

Диффузионная сварка

Диффузионная сварка – способ сварки давлением в вакууме приложением сдавливающих сил при повышенной температуре.

Свариваемые детали тщательно зачищают, сжимают, нагревают в вакууме специальным источником тепла до температуры рекристаллизации (0,4 Т_пл), и длительно выдерживают. В начальной стадии процесса создаются условия для образования металлических связей между соединяемыми поверхностями. Низкое давление способствует удалению поверхностных пленок, а высокая температура и давление приводят к уменьшению неровностей поверхностей и сближению их до нужного расстояния. Затем протекают процессы диффузии в металле, образуются промежуточные слои, увеличивающие прочность соединения. Соединения получают при небольшой пластической деформации. Изменение размеров мало.

Сварка может осуществляться в среде инертных и защитных газов: гелий, аргон, водород.

Способ применяется для соединения металлов, металлов и полупроводников, а также других неметаллических материалов.

Диффузионная сварка широко применяется в космической технике, в электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.

 Сварка трением

Сварка трением – способ сварки давлением при воздействии теплоты, возникающей при трении свариваемых поверхностей.

Свариваемые заготовки устанавливают соосно в зажимах машины, один из которых неподвижен, а другой может совершать вращательное и поступательное движения. Заготовки сжимаются осевым усилием, и включается механизм вращения. При достижении температуры 980…1300 ⁰С вращение заготовок прекращают при продолжении сжатия.

Иногда сварку трением производят через промежуточный вращаемый элемент или заменяют вращательное движение вибрацией.

Сваркой трением можно сваривать заготовки диаметром 0,75…140 мм.

Преимущества способа: простота, высокая производительность, малая энергоемкость, стабильность качества соединения, возможность сварки заготовок из разнородных материалов.

Осуществляется сварка на специальных машинах.

 

Сварка взрывом

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного взрыва.

Соединяемые поверхности заготовок, одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают под углом друг к другу на определенном расстоянии. На вторую заготовку укладывают взрывчатое вещество и устанавливают детонатор. Сварку осуществляют на жесткой опоре. При соударении двух деталей под действием ударной волны, движущихся с большой скоростью, между ними образуется кумулятивная струя, которая разрушает и уносит оксидные поверхностные пленки и другие загрязнения. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки несколько микросекунд.

Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соединяемых материалов.

Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами со специальными свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.

 

Пайка

Пайка – процесс получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Расплавленный припой затекает в специально создаваемые зазоры между деталями и диффундирует в металл этих деталей. Протекает процесс взаимного растворения металла деталей и припоя, в результате чего образуется сплав, более прочный, чем припой.

Образование соединения без расплавления основного металла обеспечивает возможность распая соединения.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения.

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым и недефицитным. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. По температуре плавления припои подразделяют на особо легкоплавкие (температура плавления ниже 145 ⁰С), легкоплавкие (145…450 ⁰С), среднеплавкие (450…1100 ⁰С) и тугоплавкие (выше 1050 ⁰С). К особо легкоплавким и легкоплавким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, олова, цинка, свинца. К среднеплавким и тугоплавким относятся припои медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос, спиралей, дисков, колец, зерен, которые укладывают в место соединения.

При пайке применяются флюсы для защиты места спая от окисления при нагреве сборочной единицы, обеспечения лучшей смачиваемости места спая расплавленным металлом и растворения металлических окислов. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура, плавиковый шпат, борная кислота, канифоль, хлористый цинк, фтористый калий.

Пайку точных соединений производят без флюсов в защитной атмосфере или в вакууме.

В зависимости от способа нагрева различают пайку газовую, погружением (в металлическую или соляную ванну), электрическую (дуговая, индукционная, контактная), ультразвуковую.

В единичном и мелкосерийном производстве применяют пайку с местным нагревом посредством паяльника или газовой горелки.

В крупносерийном и массовом производстве применяют нагрев в ваннах и газовых печах, электронагрев, импульсные паяльники, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты.

Перспективным направлением развития технологии пайки металлических и неметаллических материалов является использование ультразвука. Генератор ультразвуковой частоты и паяльник с ультразвуковым магнитострикционным вибратором применяются для безфлюсовой пайки на воздухе и пайке алюминия. Оксидная пленка разрушается за счет колебаний ультразвуковой частоты.

Процесс пайки включает: подготовку сопрягаемых поверхностей деталей под пайку, сборку, нанесение флюса и припоя, нагрев места спая, промывку и зачистку шва.

Детали для пайки тщательно подготавливаются: их зачищают, промывают, обезжиривают.

Зазор между сопрягаемыми поверхностями обеспечивает диффузионный обмен припоя с металлом детали и прочность соединения. Зазор должен быть одинаков по всему сечению.

Припой должен быть зафиксирован относительно места спая. Припой закладывают в месте спая в виде фольговых прокладок, проволочных контуров, лент, дроби, паст вместе с флюсом или наносят в расплавленном виде. При автоматизированной пайке – в виде пасты с помощью шприц-установок.

При возможности предусматриваются средства механизации – полуавтоматы и автоматы для газовой, электрической пайки.

Паяные соединения контролируют по параметрам режимов пайки, внешним осмотром, проверкой на прочность или герметичность, методами дефекто- и рентгеноскопии.

 

Рекомендуемая литература

         1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Смолькин А.А., Исагулов А.З., Егоров В.В. Технология металлов и металловедение с тестовыми заданиями. Алматы: Гылым, 2000.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1, 2, 4, 6]

1. Способность материалов образовывать бездефектные сварные соединения.

2. Технология сварки цветных металлов

3. Холодная сварка.

4. Сварка пластмасс.

5. Термическая резка металлов.

6. Диффузионная сварка.

7. Напыление.

8. Наплавка.

 

Раздел 10 Состав и классификация пластмасс

Тема 1 Технология изготовления изделий из пластмасс (2 час)

План лекции

1. Способы переработки пластмасс в вязкотекучем состоянии.

2. Прямое прессование.

3. Литьевое прессование.

4. Литье под давлением.

5. Экструзия.

6. Способы формования изделий из пластмасс в высокоэластическом состоянии.

 

Способы переработки пластмасс в вязкотекучем состоянии

Пластмассы в зависимости от состава, физического состояния и технологических свойств перерабатываются в изделия различными способами, которые могут быть объединены в отдельные группы. Прессование, литье под давлением, выдавливание и другие методы переработки неметаллических материалов осуществляют в вязкотекучем состоянии. Пневмо- и вакуум-формовка, штамповка и другие характеризуются высокоэластичным состоянием пластмасс.

Способом прямого (компрессионного) прессования (рисунок 10.1, а, б, в) получают в основном изделия из термореактивных полимерных материалов. В матрицу 3 помещают материал 2 в виде таблеток или порошка (а). При движении вниз пуансон 1 с усилием F (б) прессует изделие 4, которое после затвердевания и размыкания пресс-формы извлекается из нее с помощью выталкивателя 5 (в).

Марка перерабатываемого материала определяет температуру процесса прессования и развиваемое давление. Материал может предварительно подогреваться до заданной температуры, одновременно разогревается и пресс-форма. Рабочая температура поддерживается постоянной. Давление выбирают в зависимости от текучести и скорости отверждения прессуемого материала, а также от толщины формуемой детали.

Этим способом изготовляют изделия средней сложно­сти и небольших габаритов.

При литьевом прессовании (рисунок 10.1, г) тер­мореактивный материал помещается сначала в загру­зочную камеру 2, из которой после разогрева до вязко-текучего состояния под действием поршня 1 через отверстие в литниковой плите 3 подается в полость матрицы 5. Далее материал затвердевает, пресс-форма размыкается и готовое изделие 4 извлекается выталкивателем 6.

а, б, в – прямое; в – литьевое

Рисунок 10.1 – Схемы прессования пластмасс

Литьевым прессованием производят изделия сложной формы, с резьбовым отверстием, со сложной арма­турой. Вместе с тем расход материала увеличивается за счет литниковой системы и части материала, остающегося в загрузочной камере.

Для прессования изготовляют различные пресс-формы. Чаще всего это одно- или многогнездные пресс-формы, снабженные нагревателями различных типов (обогревательные плиты с трубчатыми нагревателями или индукторами, с полупроводниковым нагревом и др.). Материалами для пресс-формы служат высоколегированные или инструментальные стали, термическая обработка которых приводит к значительному повышению твердости рабочих поверхностей. Для обеспечения высокого качества поверхности формуемых изделий основные детали пресс-форм полируются и хромируются.

При изготовлении листов предварительно набранные пакеты заготовок из текстильных материалов (хлопчатобумажных тканей, стеклотканей), пропитанных смолой, укладывают между подогреваемыми плитами гидравлических прессов. Затем плиты сжимаются, после заданной выдержки и размыкания плит получают готовые листы.

Трубы и прутки из термореактивных материалов получают способом профильного прессования.

Литье под давлением, применяемое для переработки термопластов и реактопластов с хорошими вязкотекучими свойствами, в десятки раз производительнее прессования. Процесс пригоден для производства высокоточных разностенных деталей сложной конфигурации.

Основным узлом машины для литья под давлением является рабочий (материальный) цилиндр 6 с электронагревателем 4 (рисунок 10.2, а), в котором расплавляется перерабатываемый материал. В начале процесса он поступает в загрузочный бункер 8. Из него в рабочий цилиндр материал подается дозатором 9. Поршень 7 при рабочем движении перемещает дозу материала в обогреваемую зону рабочего цилиндра. Одновременно расплавленная часть материала поступает через рассекатель 5, сопло 3 и литниковый канал в полость пресс-формы 1, формующей изделие 2. Пресс-форма охлаждается водой.

а – литье под давлением; б – выдавливание;  в – изготовление пленок

Рисунок 10.2 – Способы переработки пластмасс

В зависимости от положения плоскости разъема пресс-формы машины для литья под давлением делят на горизонтальные, вертикальные и угловые; от привода – на механические, гидравлические, гидромеханические и пневматические; от количества материальных цилиндров — на одно- и многоцилиндровые. Также они подразделяются по мощности.

Изделия типа тел вращения получают способом центробежного литья, что обеспечивает плотное строение стенок весьма значительных толщин.

Большая часть изделий из термопластов производится способом выдавливания (экструзии). Главной деталью специальной червячной машины (экструдера) для выдавливания является винт (шнек) 2 (рисунок 10.2, в). В виде гранул или порошка термопластичный материал из питающего бункера 1 попадает в рабочий цилиндр 3, где перемещается вращающимся червяком. Материал уплотняется и под действием теплоты от нагревательного элемента 4 переходит в вязкотекучее состояние, после чего он непрерывно выдавливается через калибрующий инструмент (головку) 6. Оправка 5 применяется при изготовлении труб.

Основными параметрами экструдеров являются диаметр червяка, отношение длины червяка к диаметру, скорость вращения червяка и его профиль. Машины могут быть оснащены одним или двумя червяками. Для переработки эластичных расплавов применяют дисковые бесчервячные, а фторопластов – плунжерные экструдеры.

Выдавливание пригодно для производства пленки, ленты, листов, труб и различных профилей, для нанесения защитных оболочек на провода, кабели. Способом выдавливания и последующей раздувки сжатым возду­хом получают полые выдувные изделия.

При производстве пленок выдавливаемый винтом S материал продавливается через кольцевую щель угловой головки 7 в виде рукава 6, который затем раздувается сжатым воздухом (рисунок 10.2, в). Для устойчивости пленки по бокам установлены две движущиеся бесконечные ленты 5 из ацетилцеллюлозы. Неподвижные пластины 4 равномерно поджимают ленты 5 к рукаву, валки 3 удерживают ленты от бокового смещения. Рукав после охлаждения обжимается валками 1 и наматывается на барабан 2. Рукав может разрезаться, а пленка наматываться на барабаны в развернутом виде.

При производстве листов материал выдавливается через фильтры шириной до 1600 мм. После охлаждения разрезается на отдельные листы.

Экструдеры для производства пленок снабжаются дополнительными устройствами, как показано на рисунке 10.2, в; для раздувки рукава, для устранения гофров на рукаве; для обжима и наматывания рукава или пленки для регулирования толщины изготовляемой пленки и др.

Листы из термопластов получают на специальных агрегатах, состоящих из экструдера, валкового гладильного устройства, устройств для вытягивания полотна и резки его на листы и механизма для укладки готовых листов.

 

Способы формования изделий из пластмасс в высокоэластическом состоянии

Основными технологическими способами переработки листовых и пленочных термопластичных материалов, доведенных нагревом до высокоэластического состояния, являются вакуумная и пневматическая формовки и штамповка. Эти методы как бы расширяют возможности литья под давлением и устра­няют его недостатки.

Формуемый лист больших размеров закрепляется по периферии, после чего в форме создается вакуум. Под действием атмосферного давления материал листа, деформируясь, приобретает очертания оформляющей полости формы. При пневматической формовке в оформля­ющей полости вакуум не создается, а на лист воздействует сжатый воздух. Некоторые изделия последним способом можно получать без оформляющей матрицы.

Вакуумное и пневматическое формования проводят на специальных машинах, имеющих небольшие габари­ты, простых по конструкции и экономичных.

Штамповку разогретых листовых термопластичных материалов для получения деталей незамкнутой пространственной формы проводят с помощью жесткого пуансона и матрицы. В некоторых случаях пуансон делают эластичным.

С целью улучшения технологии изготовления крупногабаритных деталей из композитов, прежде всего стек­лопластиков, целесообразно применять полимерные материалы, сохраняющие жидкое состояние при нормаль­ной температуре.

При контактной формовке предварительно изготовляют форму из дерева, гипса или легких сплавов, воспроизводящую очертания детали. На форму наносится разделительный слой (поливиниловый спирт или другие материалы), а затем послойно связующее и стеклоткань. Каждый слой стеклоткани тщательно прикатывается резиновым валиком для удаления пузырьков воздуха и плотного прилегания. Отверждение связующего протекает в течение 5…50 ч, но может быть ускорено при повышении температуры. Способ малопроизводителен, качество изделий невысокое.

Автоклавную формовку применяют при из­готовлении деталей значительными сериями. Уложен­ную на форму листовую заготовку накрывают резиновым чехлом и помещают в автоклав, где создается необходи­мое давление, которое позволяет заготовке принять очертания формы.

Введение в композит измельченных наполнителей дает возможность и наполнитель и связующее наносить на форму с помощью пульверизатора. Затем нанесенный слой прикатывается роликом вручную. Этот способ но­сит название вихревого напыления.

Центробежной формовкой получают детали больших размеров, имеющие форму тел вращения. Про­цесс отверждения нанесенного на вращающуюся форму покрытия проводят, создавая противодавление резино­вым мешком, который помещается внутри формы.

Широко в производстве труб и для изоляции строи­тельных конструкций применяется способ намотки стекловолокон или стеклоленты, предварительно пропи­танных связующим.

Различные детали из неметаллических материалов получают путем переработки их в твердом состоянии. В этом случае заготовками являются прутки, листы, профили. Иногда проводится небольшая доработка пластмассовых деталей, полученных, например, литьем под давлением. В твердом состоянии чаще всего использу­ются разделительная штамповка или обработка резанием.

Способы сварки и склеивания обеспечивают произ­водство неразъемных соединений из пластмасс.

Механизация и автоматизация процесса изготовления деталей машин из пластмасс, особенно крупногабаритных, играют важную роль в повышении производительности труда и облегчении условий работы.

При горячем прессовании пластмасс используют при­боры-автоматы, осуществляющие контроль температуры. Для получения изделий в больших количествах применяют гидравлические прессы автоматического режима работы.

Литье под давлением и выдавливание являются высокомеханизированными и автоматизированными про­цессами производства деталей из пластмасс.

Вопросы комплексной автоматизации производства изделий из пластмасс и создания гибких производствен­ных систем решаются, в частности, путем организации роботизированных технологических комплексов. РТК на базе гидравлических прессов 2 для переработки пластмасс показан на рисунке 10.3. Пластмассовые заготовки (в виде таблеток) перед переработкой нагреваются в высокочастотном генераторе 1, снабженном механизмом их поштучной выдачи. Промышленный робот 4 захватывает таблетки и загружает ими пресс-формы прессов. После переработки ПР снимает и перемещает в тару 3 готовые изделия. Позиция 5 рисунка представляет систему управления ПР.

 

Рисунок 10.3 – Роботизированный технологический комплекс для переработки пластмасс

 

         Тема 2 Технология изготовления изделий из резины (2 часа)

План лекции

1. Классификация резинотехнических изделий.

2. Понятие о технологии изготовления изделий из резины.

3. Способы получения изделий из резины

4. Вулканизация.

5. Общие сведения об охране труда и окружающей среды при изготовлении изделий из пластмасс и резины.

 

Классификация резинотехнических изделий

Применяемые в различных отраслях народного хозяйства резинотехнические изделия подразделяются зависимости от назначения на отдельные классы.

Уплотнительные – в виде уплотнительных профилей, уплотнительных манжет, втулок и т. п.

Вибро- и звукоизолирующие и противоударные — типа подшипников, амортизаторов и т. п.

Силовые – такие, как шестерни, корпуса различных агрегатов, муфты и т. п.

Опоры скольжения – различные резинометаллические подшипники, подпятники, опоры и т. п.

Трубы для транспортирования жидкостей и газов – как правило, резинотканевые изделия, очень часто ар­мированные проволокой. К резинотканевым изделиям относятся также приводные плоские или клиновые рем­ни, транспортерные ленты для перемещения грузов.

Противоизносные – протекторы пневматических шин, катки и т. п.

Фрикционные изделия и инструменты – как, напри­мер, шлифовальные диски, тормозные устройства и т. п.

Несиловые и защитные – ковры для электрозащиты, ручки и т. п.

Декоративные – в виде различных полос, шнуров и т. п.

Номенклатура резиновых изделий чрезвычайно широ­ка, она насчитывает десятки тысяч наименований.

 

Понятие о технологии изготовления изделий из резины

Резиной называется, продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Способы получения изделий из резины во многом аналогичны способам переработки пластмасс. Основными из них являются каландрование, выдавливание, прес­сование, литье под давлением, намотка.

На многовалковых машинах, называемых каланд­рами, осуществляют производство резиновых листов и прорезиненных лент. Каландры снабжены системами подогрева или охлаждения, что обеспечивает температурный режим процесса.

Непрерывным выдавливанием на шприц-машинах получают профилированные резиновые детали либо покрывают металлическую проволоку резиной.

Резиновые изделия типа манжет, уплотнительных колец и другие изготовляют способом горячего прессова­ния. Холодное прессование используют для формования, например, аккумуляторных батарей.

Литье под давлением служит для выпуска резиновых изделий сложных форм.

Технологический процесс в общем виде можно представить из трех групп основных операций: приготовления резиновой смеси, формования и вулканизации рези­новых изделий.

Для лучшего смешивания компонентов резиновой смеси каучук переводят в пластическое состояние путем неоднократного пропускания через подогреваемые вальцы.

Выбор методов формования резиновых изделий оп­ределяется техническими требования к ним, типом резиновой смеси, условиями производства и другими факто­рами.

При вулканизации происходит химическое взаимодействие каучука с серой. Основное назначение вулканизации – перевод линейной структуры молекул каучука в пространственно-сетчатую, которая присуща резине. Резина в сравнении с каучуком характеризуется мень­шей пластичностью, большей механической прочностью, повышенной стойкостью к химикатам, лучшей тепло­стойкостью.

Современное производство резинотехнических изделий осуществляется на высокопроизводительном и автоматизированном оборудовании.

Технологический процесс изготовления резиновых технических деталей состоит из отдельных последовательных операций: приготовления резиновой смеси, формования и вулканизации. Подготовка резиновой смеси заключается в смешивании входящих в нее компонентов. Перед смешиванием для того чтобы каучук стал пластичным, его многократно пропускают через специальные вальцы, предварительно подогретые до 40 – 50⁰С. Находясь в пластичном состоянии, каучук обладает способностью хорошо смешиваться с другими компонентами. Спешивание проводят в червячных или валковых смесителях. При приготовлении смеси первым из компонентов обязательно вводят противостаритель, последним – вулканизатор или ускоритель вулканизации.

Резиновые технические детали в зависимости от предъявляемых к ним требований формообразуют каландрованием, непрерывным выдавливанием, прессованием, литьем под давлением, намоткой и т.д. Технологические процессы переработки сырой резины в детали подобны тем, которые были рассмотрены при формообразовании деталей из пластмасс. Специфичным является лишь получение листовых заготовок (каландрование).

Каландрование применяют для получения листовых резиновых смесей и прорезиненных лента также соединения листов резины и прорезиненных лент (дублирование). Операцию выполняют на многовалковых машинах- каландрах. Валки каландров снабжают системой внутреннего обогрева или охлаждения, что позволяет регулировать температуру. Листы резины, полученные прокаткой на каландрах, сматывают в рулоны и используют затем в качестве полуфабриката для других процессов, формообразования резиновых деталей. Во избежание слипания резины в рулонах ее посыпают тальком или мелом при выходе из каландра.

В процессе получения прорезиненной ткани в зазор между валками каландров 4 (рисунок 10.4) одновременно пропускают пластифицированную резиновую смесь 3 и ткань 2. Резиновая смесь поступает в зазор между верхним и средним валками, обволакивает средний валок и поступает в зазор между средним и нижним валками, через который проходит ткань. Средний валок вращается с большей скоростью, чем нижний. Разница скоростей, обеспечивает втирание резиновой смеси в ткань. Толщину резиновой пленки на ткани регулируют, изменяя зазор между валками каландра. Многослойную прорезиненную ткань получают при пропускании определенного числа листов однослойной прорезиненной ткани через валки каландра. Полученную ткань наматывают на барабан 1 и затем вулканизируют.

Непрерывное выдавливание используют для получения профилированных резиновых деталей (труб, прутков, профилей для остекления и т.д.). Непрерывным выдавливанием детали изготовляют на машинах червячного типа. Таким способом покрывают резиной металлическую проволоку.

 

Рисунок 10.4 – Схема получения прорезиновых тканей

Прессование является одним из основных способов получения фасонных деталей (манжет, уплотнительных колец, клиновых ремней и т.д.). Его выполняют в металлических формах. Применяют горячее и холодное прессование. При горячем прессовании резиновую смесь закладывают в горячую пресс-форму и прессуют на гидравлических прессах с обогреваемыми плитами. Температура прессования 140-155⁰С. При прессовании одновременно происходят формообразование и вулканизация деталей. Высокопрочные детали (например, клиновые ремни) после формования подвергают дополнительной вулканизации в специальных приспособлениях – пакетах. Холодным прессованием получают детали из эбонитовых смесей 1 (корпуса аккумуляторных батарей, детали для химической промышленности и т. д.). После прессования заготовки отправляют на вулканизацию. В состав эбонитовой смеси входят каучук и значительное количество серы (до 30% от массы каучука). В качестве наполнителей применяют размельченные отходы эбонитового производства.

Литьем под давлением получают детали сложной формы. Резиновая смесь поступает под давлением при температуре 80 – 120⁰С через литниковое отверстие в литейную форму, что значительно сокращает цикл вулканизации.

Вулканизация является завершающей операцией при изготовлении резиновых деталей. Вулканизацию проводят в специальных камерах – вулканизаторах  – при температуре 120 – 150⁰С в атмосфере насыщенного водяного пара при небольших давлениях. В процессе вулканизации происходит химическая реакция серы и каучука,  в результате которой линейная структура молекул каучука превращается в сетчатую, что уменьшает пластичность, повышает стойкость к действию органических растворителей, увеличивает механическую прочность.

При массовом производстве резиновых деталей используют высокопроизводительное и автоматизированное оборудование.

 

Рекомендуемая литература

         1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Ржевская С.В. Материаловедение, М.: МГТУ, 2000.

4. Руководство к лабораторным работам по материаловедению / Под ред. Н.И. Сидорина. – М.: Высшая школа, 1967.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1, 2, 4, 11]

1. Классификация способов производства изделий из пластмасс и их характеристика.

2. Области применения изделий из пластмасс в машиностроении.

3. Классификация резинотехнических изделий.

4. Способы изготовления изделий из резины и области их применения.

5. Способы изготовления изделий из древесины и области их применения.

 

        

         4 Методические указания для выполнения практических (семинарских занятий)

 

         Тема № 1 Разработка технологического процесса изготовления отливки (4 часа)

 

Для занятий необходимо иметь калькулятор для расчета технологических и размерных параметров отливки, чертеж детали.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Ознакомиться с технологичностью отливки.

2. Рассчитать основные размерные параметры форм.

2. Рассчитать основные технологические параметры изготовления отливок.

Цель работы. 1. Ознакомиться с технологией изготовления форм.

2. Приобрести навыки по изготовлению разовых литейных форм.

Изготовление форм

Машинную формовку применяют главным образом в серийном и массовом производстве. Машинная формовка по сравнению с ручной имеет следующие преимущества: больше производительность, выше точность отливок и лучше качество поверхности и как следствие, меньше припуска на обработку; механизация трудоёмких процессов уплотнения формовочной смеси и извлечения модели освобождает формовщиков от тяжёлого труда. В массовом производстве допуски на размеры литых деталей минимальны. Точность размеров отливок при машинной формовке повышается вследствие более точных с меньшими уклонами моделей, замены расталкивания моделей вибрацией их при извлечении из форм, хорошего центрирования опок.

Технологический процесс машинного изготовления литейных форм можно разделить на основные операции и вспомогательные. Основные операции – уплотнение формовочной смеси, извлечение модели из формы. Эти операции определяют качество будущей отливки. Вспомогательные и транспортные операции – установка опоки на машину, обдувка модели, нанесение разделительного смазочного материала, засыпка смеси в опоку, транспортирование полуформ и форм с одной позиции на другую. Эти операции выполняются специальными вспомогательными или транспортными механизмами. Для получения качественных отливок при формовки по-сырому твёрдость форм в наиболее трудноуплотняемом месте должна быть не менее 50 – 60 ед.

Изготовление форм производится на встряхивающей машине с подпрессовкой модели 268.

Машина такого типа обеспечивает более высокое уплотнение в верхних слоях формы по сравнению с встряхиванием и более равномерное распределение плотности по сравнению с прессованием.

 

Разработка и расчёт литниково-питающей системы и режимов заливки форм

Одним из важнейших условий получения качественной отливки является правильное устройство литниковой системы. Литниковая система служит для плавного подвода расплава в полость литейной формы и питания отливок в процессе затвердевания.

Правильно построенная литниковая система должна обеспечивать хорошее заполнение формы расплавом и питание отливок в процессе их затвердевания; способствовать получению отливки с точными размерами, без поверхностных дефектов и направленному затвердеванию отливки; расход металла на литниковую систему должен быть минимальный. При выборе места подвода расплава и конструкции литниковой системы необходимо учитывать сплав, размеры отливки, толщину стенок и конструктивные особенности. При изготовлении отливок из серого чугуна расплав подводится в тонкое место отливки для выравнивания скорости охлаждения её отдельных частей.

Расчет литниково-питающей системы проведем по методу Шкленника. На ЛПС определим 30 % от веса отливки.

Сумма площадей питателя определяется как

 

,

где m – масса отливка с литниково-питающей системой;

μ – коэффициент сопротивления формы, μ=0,32;

τ – время заливки;

ρ – плотность металла, ρ=7,2 г/см³;

Н_р – гидростатический напор.

Время заливки определяется как

 

,

где S – коэффициент времени, S=1,5;

δ – средняя толщина стенки отливки.

 

Средняя скорость подъёма металла

 

,

где с – высота отливки.

 

.

         Таким образом, исходя из полученных площадей, принимаем следующие размеры стояка, питателя и шлакоуловителя с учетом четырех питателей в форме (рисунок 1.1).

 

	Стояк                                        Питатель                          Шлакоуловитель

 

Рисунок 1.1 – Пример элементов литниковой системы

         Сборка форм и расчет груза

Сборка включает операции: подготовка полуформ к сборке, накрытие нижней полуформы верхней, скрепление полуформ.

Полуформы, поступившие на сборку, тщательно осматривают; к сборке не допускаются полуформы имеющие повреждения или дефекты. Перед сборкой полость формы продувают сжатым воздухом, чтобы удалить из неё частицы смеси и инородные тела.

При сборке нельзя допускать засорения вентиляционных каналов в форме. После этого форму продувают сжатым воздухом для удаления пыли и кусочков смеси, которые могут попасть в неё во время сборки. Вокруг полости формы по плоскости разъёма к знакам стержней прокладывают асбестовый шнур, с тем, чтобы жидкий металл не проник по разъёму формы и знакам и не попал в вентиляционные каналы. Для этой же цели вокруг литниковых каналов в полость разъёма прокладывают также асбестовый шнур. Когда нижняя полуформа окончательно собрана, её по штырям покрывают верхней полуформой.

Жидкий металл, заполняющий формы, оказывает давление на стенки формы. Боковые и нижние стенки формы должны иметь достаточную прочность, чтобы противостоять давлению металла, а верхняя полуформа должна быть прижата к нижней с определенным усилием, чтобы металл не приподнял ее. Чтобы этого не случилось, перед заливкой формы скрепляют или нагружают, причем предварительно подсчитывают давление жидкого металла на верхнюю полуформу.

Давление на нижнюю полуформу определяют как

 

Р=k·F·H·ρ+V·(ρ-ρ₁)-Q,

где k – коэффициент перегрузки, k=1,3…1,5; F – площадь проекции отливки на горизонтальную площадь; H – высота столба жидкости от данного слоя до свободного уровня; ρ – плотность металла; ρ₁ – плотность стержневой смеси;       V – объем стержней; Q – вес верхней полуформы.

Расчёт продолжительности затвердевания и длительности выдержки отливки и формы при охлаждении

После заливки формы отливка охлаждается и затвердевает. Полностью затвердевшая отливка должна определённое время охлаждаться с формой. Так как выбитая отливка раньше времени склона к возникновению некоторых усадочных дефектов, изменения в структуре. Для устранения дефектов, связанных с появлением внутренних напряжений в отливках из чугуна, необходимо выбивать отливку из формы при температуре ниже 723⁰ С, когда заканчиваются все превращения в металле. Чугунные отливки рекомендуется выбивать при температуре 400⁰ С.

Продолжительность выдержки чугунных отливок в форме можно найти по приближённой формуле:

 

где k – коэффициент, зависящий от конфигурации отливки и толщины её стенки, равный 20;

G – вес отливки в тоннах.

 

Контрольные вопросы:

1. Какие приспособления включает в себя модельный комплект?

2. Назначение элементов литейной формы.

3. В чем отличие между моделью, отливкой и деталью?

4. Как рассчитывают время затвердевания отливки?

5. Как рассчитывают вес груза литейной формы?

 

Рекомендуемая литература:

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Емельянова А.П. Технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1979.

 

Контрольные задания для СРС [1, 2, 4, 9]

1. Расчет ЛПС отливок из серого чугуна, стали и цветных сплавов.

2. Расчет ЛПС методом Озанна-Диттерта.

3. Расчет времени заполнения формы из стопорного ковша.

4. Кристаллизация отливок из различных сплавов.

5. Расчет времени сушки форм и стержней.

 

Тема № 2 Свободная ковка металлов и сплавов (4 часа)

 

Для занятий необходимо иметь калькулятор для расчета технологических и размерных параметров поковки, чертеж детали.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Ознакомиться с чертежом поковки.

2. Рассчитать размеры заготовки.

3. Выбрать операции свободной ковки.

4. Назначить температурный интервал ковки.

Цель работы. 1. Ознакомить студентов с устройством и принципом технологии получения поковок.

2. Определить расчетные величины и операции свободной ковки.

Расчетная часть

         Определение размеров исходной заготовки. Расчет заготовки из проката включает определение объема заготовки и ее размеров:

V_заг=V_п+V_об+V_уг,

где V_п – объем поковки, см³;

V_об – объем обсечек, см³;

V_уг – угар металла, мм³.

Отходы V_об и V_уг можно принимать равными в сумме 10-12 % от объема заготовки в этом случае определяют из возможности получения необходимого укова по следующей формуле:

F_заг=y×F_пок.max,

где у – уков.

При ковке на молотах заготовкой служит прокат и потребный уков составляет 1,1-1,3. Таким образом, размеры заготовки рассчитывают по формулам:

,

где L_заг – длина заготовки.

Д_заг=,

где Д_заг­– диаметр заготовки.

Размеры заготовок, подвергаемых осадке, определяются из условия ; ;  .

 

Определение параметров оборудования для ковки.

Масса падающих частей молота для осадки заготовки круглого или квадратного сечения определяется по формуле:

,

где Д₁, Н₁ – диаметр и высота заготовки после осадки, мм;

σ_S – напряжение текучести при температуре осадки, МПа;

ε_К – степень деформации за последний удар, для крупных поковок ε_К=0,25; для мелких ε_К=0,060;

V – объем заготовки, см³.

Масса падающих частей молота для протяжки определяется по формуле:

,

где υ – коэффициент учитывающий форму бойков, для плоских равен нулю, для круглых вырезанных равен 1,25;

t – величина подачи, см, при протяжке круглой заготовки в круглых вырезанных бойках;

h₀, b₀ – высота и ширина заготовки;

d – диаметр заготовки;

ε – деформация за один удар, ε=0,1-0,3.

Степень деформации при обработке металлов давлением определяется из следующего соотношения:

,

где F₀ – большая площадь попперечного сечнеия;

F₁ – меньшая площадь попперечного сечнеия.

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое пластичность?

2. Как изменяется микроструктура в процессе деформации?

3. Основные операции свободной ковки.

4. Как определяются размеры исходной заготовки при свободной ковке?

 

Рекомендуемая литература:

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Марочник сталей и сплавов / под ред. Зубченко А.С. М.: Машиностроение, 2003.

 

Контрольные задания для СРС [1, 2, 7, 10]

1. Материалы, используемые для изготовления инструмента при обработке материалов давлением (ОМД).

2. Схемы напряженного и деформированного состояний при ОМД.

3. Особенности обработки давлением цветных металлов.

4. Сортамент проката.

 

 

         Тема 3 Оборудование и режимы электродуговой сварки (4 часа)

 

Для занятий необходимо иметь калькулятор для расчета технологических режимов сварки, чертеж детали.

 

План практического (семинарского) занятия

1. Ознакомиться с чертежом свариваемой детали.

2. Провести расчет режима сварки.

3. Рассчитать коэффициент добротности.

Цель работы. Определить электрические параметры сварочного трансформатора и провести расчет режима ручной дуговой сварки.

 

Электрическая дуговая сварка является одним из наиболее распространенных способов сварки плавлением. К свариваемым заготовкам и к электроду подводится постоянный или переменный ток от специального источника тока и возбуждается электрическая сварочная дуга – стабильный разряд в ионизированных парах или газах. Температура, необходимая для ионизации в момент возбуждения дуги, получается вследствие выделения теплоты при коротком замыкании электрода на деталь; в установившемся процессе ионизации осуществляется под действием высокой температуры дуги. Максимальная температура дуги наблюдается в осевой ее части и составляет 6000⁰С. Тепловая мощность q дуги зависит от силы тока J и напряжения U, где φ=0,8-0,95 коэффициент, учитывающий потери. Меньшая часть теплоты сварочной дуги теряется в окружающей атмосфере, а большая идет на нагревание и плавление основного и присадочного металлов.

К основным параметрам, характеризующим свойства дуги, относятся напряжение, ток и длина дуги. Зависимость между напряжением и током при установившемся стационарном состоянии дуги выражается статической вольт-амперной ее характеристикой (рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 – Общий вид статической характеристики дуги

         Как видно, она может быть падающей 1, жесткой 2 и возрастающей 3. Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой, при которой напряжение на дуге не зависит от силы сварочного тока. Дугу с возрастающей характеристикой применяют при автоматической сварке под флюсом на повышенных плотностях тока и при сварке в защитных газах плавящимся электродом.

Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение.

Зависимость между напряжением и длинной дуги, имеющей жесткую характеристику, выражается следующей эмпирической формулой:

U_д=а+в×l_д,

где U_д – напряжение на дуге, В

l_д – длина дуги, мм;

а, в – коэффициенты, зависящие от рода материала электрода, состава газовой фазы и т. п.

При сварке стальными электродами в атмосфере воздуха а=10 В, а в=2 В/мм.

Для питания сварочной дуги применяют специальные источники тока, отличающиеся от источников тока для освещения, питания электродвигателей тепловых установок.

Источники сварочного тока должны обеспечить легкое зажигание и устойчивое горение дуги, ограничивать ток короткого замыкания и быть безопасными в работе. Величина напряжения, необходимая для зажигания дуги, называемая напряжением холостого хода источника сварочного тока, должна быть в пределах 60-80 В. Для устойчивого горения открытой дуги в большинстве случаев достаточно напряжения 18-30 В.

Во время коротких замыканий электрода с изделием. Происходящих в моменты зажигания дуги и переноса электродных капель через дуговой промежуток при сварке плавящимся электродом, сопротивление сварочной цепи падает почти до нуля, а сварочный ток даже при незначительном напряжении сильно возрастает. Для ограничения тока короткого замыкания необходимо, чтобы с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах источника тока снижалось. Иначе говоря, нужно, чтобы источники тока имели так называемую падающую внешнюю характеристику (рисунок 3.2).

Внешней характеристикой называется зависимость между напряжением на зажимах источника тока и током нагрузки, выраженная графически. Падающая внешняя характеристика обеспечивает устойчивый режим горения дуги. Он определяется точкой С (рисунок 3.2, а) пересечения падающей характеристики 1 источника сварочного тока и жесткой статической характеристики 2 дуги.

Для питания дуги с жесткой характеристикой необходимо, чтобы источники тока имели падающую (крутую 3 или пологую 4, рисунок 3.2, б) внешнюю характеристику. Для питания дуги с возрастающей статической характеристикой более пригодны источники тока с жесткой 5 или возрастающей 6 внешней характеристикой.

Рисунок 3.2 – Соотношение характеристик источника сварочного тока и сварочной дуги (а) и виды внешних характеристик сварочного тока (б)

 

При крутопадающей внешней характеристике ограничивается сила тока короткого замыкания, которая по отношению к рабочей силе тока находится в пределах

1,25<<2

где =Д и называется коэффициентом добротности сварочной машины.

Кривая 4 (рис. 2,б) имеет Д <1, а наилучшей является кривая 3, у которой Д меньше 2, но более 1.

Совокупность факторов, определяющих условия протекания процесса сварки, называется ее режимом. К основным факторам режима сварки относятся сила тока, его род и полярность, напряжение на дуге, диаметр электрода, скорость сварки и величина поперечного перемещения электрода. На практике чаще всего применяют электроды диаметром 2-7 мм. Диаметр электродов выбирают исходя из толщины стали δ:

δ,    мм:      1-2   3-4   4-10   12-24   30-60

d_Э,  мм:      2-3  3-4   4-5       5-6       6-7

По принятому диаметру электрода подбирают сварочный ток. Сила тока растет быстрее, чем диаметр электрода, и медленнее, чем площадь его сечения. На практике часто пользуются упрощенной зависимостью

I=k×d_Э, А,

где k – постоянный коэффициент, А/мм;

d_Э – диаметр электрода, мм.

При дуговой сварке электродами из малоуглеродистой стали значение коэффициента k принимается равным 45-60 А/мм. Соответственно для угольных электродов к=5-8 А/мм, для графитовых электродов к= 18-22 А/мм и для электродов из легированных сталей к=35-45 А/мм.

Длина дуги оказывает существенное влияние на качество шва; чем короче дуга, тем выше качество наплавленного металла. Длину дуги определяют по формуле

l_q= 0,5×(d_Э +2), мм,

где d_Э  — диаметр электрода, мм.

Практикой установлено, что сварка ведется при токах свыше 50А. Практически при величине сварочного тока более 100А напряжение горения дуги зависит только от длины дуги и определяется по формуле

U_д= α+β×l_д,

где α – коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах; при стальных электродах  α=10-12, при угольных α=35-38;

β – коэффициент, характеризующий падение напряжения на1 мм длины столба дуги: β=2,0-2,5 (длина воздушной среды).

Напряжение зажигания дуги для постоянного тока равно40-60 В, а для переменного тока 50-70 В.

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое сварочная дуга?

2. Какие параметры относятся к основным, характеризующим свойства электрической дуги?

3. Какие требования предъявляются к источникам сварочного тока?

4. Что такое коэффициент добротности?

 

Рекомендуемая литература:

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Сварка и свариваемые материалы / Под общ. Ред. В.П. Волоченко. М.: Металлургия, 1991.

 

Контрольные задания для СРС [1, 2, 7]

1. Расчет режимов контактной сварки.

2. Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

3. Дуговая сварка в защитных газах.

4. Расчет основных характеристик газовой сварки.

 

Тема 4 Расчет исходных материалов для производства чугуна заданного состава (3 часа)

 

Для занятий необходимо иметь калькулятор для расчета, марочник черных и цветных сплавов.

 

План практического (семинарского) занятия

1.  Определить химический состав заданной марки сплава.

2. Определить исходные шихтовые материалы.

3.  Рассчитать процентное соотношение шихтовых материалов с учетом угара.

Цель работы. 1. Научиться рассчитывать оптимальный шихтовый состав для выплавки черных сплавов.

2. Научиться рассчитывать оптимальный шихтовый состав для выплавки цветных сплавов.

 

Шихтой называется определяемая расчетом смесь сырых материалов, предназначенная для расплавления и обработки в плавильных печах с целью получения жидкого металла.

Задачей шихтовки является подбор шихтовых материалов, которые обеспечили бы получение чугуна (и шлака) нужного состава и качества при минимальной себестоимости. Поэтому при шихтовке приходится сначала производить принципиальный подбор сырых материалов, а затем уже делать количественный расчет.

Получение чугуна заданного состава возможно на основе многочисленных комбинаций из различных марок чушкового чугуна, ферросплавов и лома.

Прежде всего, следует возможно полнее использовать собственные отходы, представляющее наиболее дешевый материал, более или менее точно соответствующий нужному составу. Вместе с тем многократный переплав в вагранке и других печах может привести к повышению содержания серы в чугуне и к насыщению его газами. Поэтому количество отходов в шихте должно быть ограничено.

Другим тяжелым шихтовым материалом является чугунный лом, степень использования которого при шихтовке зависит от количества собственных отходов.

В зависимости от типа отливок и применяемых плавильных печей металлическая шихта состоит из различных материалов (таблица 4.1).

Количество стружки в шихте устанавливается в зависимости от способа ее подготовки.

Расход топлива зависит от конструкции печи, температуры перегрева чугуна и качества топлива.

Количество флюса при плавке в вагранке тем больше, чем больше расход кокса и содержание в нем золы. При плавке в вагранке с основной футеровкой, когда основность шлака повышается до 1,8 и выше, кроме 8-10% известняка, вводят 1,5% плавикового шпата.

Для уменьшения влияния природы исходных материалов в состав шихты надо вводить не менее двух различных по составу или условиям выплавки чушковых чугунов.

Примерный состав шихты для различных чугунов дан в таблице 4.2.

 

Таблица 4.1 – Составляющие шихты

Материалы	Плавильный агрегат
	Вагранка	Дуговая электропечь	Пламенная печь
Чугун чушковый	15 — 60	20 — 40	40 — 60
Лом стальной	0 — 60	40 — 80	0 — 20
Лом чугунный покупной	20 — 40	0 — 20	10 — 20
Собственный возврат	20 — 40	20 — 40	20 — 40
Стружка чугунная стальная	0 — 20	0 — 20	0 — 20
Ферросплавы и чистый металл	0 — 15	0 — 15	0 — 15
Топливо (от веса металла)	8 — 18	—	15 — 20
Флюсы (от веса метал.)	3 — 10	0,5 — 2	0,5 — 2

 

При расчете шихты необходимо решить следующие задачи:

1)      Определить по заранее намеченному составу элементов жидкого металла средний химический состав шихты;

2)      Рассчитать по среднему составу шихты процентное соотношение составляющих ее материалов.

Решение первой задачи основывается на знании относительных величин изменения элементов шихты в процессе плавления. Поскольку эти величины являются функцией многих переменных и для различных условий могут варьировать в широких пределах, их следует в каждом отдельном случае определять опытным путем, сообразуясь с конкретными данными условиями производства. Приводимые в литературе данные должны рассматриваться как ориентировочные. В таблице 4.3 приведены относительные величины изменения n элементов шихты в процессе плавления в различных плавильных печах (знак над n показывает, как изменяется содержание элемента шихты в процессе плавления: плюс указывает на обогащение металла элементов – пригар.

Таблица 4.2 – Примерный состав шихты

Марка или назначение чугуна	Чугун чушковый в шихте в %		Собственный возврат, %	Чугунный лом	Стальной скрап в шихте, %
	простой	легирован-ный
СЧ10;СЧ15	15 — 40	—	20 — 50	0 — 40	0 – 15
СЧ20,СЧ25	25 – 40	0 — 10	20 — 40	10 — 30	15 – 25
СЧ30,СЧ35	15 — 25	5 — 10	15 — 30	10 — 20	25 – 45
СЧ40,СЧ45	10 — 20	10 — 15	15 – 25	10 — 20	40 – 70
ВЧ45-0	15 — 40	—	20 — 30	10 — 20	0 – 15
ВЧ45-5	Гематит кл.А	—	10 — 30	10 — 20	10 – 25
ВЧ50-1,5; ВЧ60 — 2	25 – 40	0 — 10	10 — 30	10 — 20	10 — 30
КЧ35-10; КЧ37-12	10 — 30	—	30 — 50	10 — 20	15 – 50
Для поршневых колец:
индивидуальная отливка	20 — 50	0 – 15	20 — 40	0 — 20	10 — 20
маслотная отливка	20 — 40	10 — 20	15 – 25	10 – 25	15 — 40
Для изложниц	40 — 50	—	10 — 30	10 — 20	0 — 10
Для валков прокатных станов	20 — 35	10 – 25	10 — 30	10 — 20	5 – 20
Для отливок из немагнит- ного чугуна	25 — 40	—	15 — 25	0 — 20	5 – 15
Для антифрик- ционных отливок	15 — 25	10 — 20	10 — 30	10 — 20	30 — 50

 

ПРИМЕЧАНИЕ: 1. Количество ферросплавов определяется по расчету.

2.      Выход годного составляет: для серого чугуна 58-80%; для высокопрочного 64-68; для ковкого 46-59%; минус – на обеднение им — угар).

 

 

 

 

Таблица 4.3 – Изменение состава чугуна при плавке

Элементы	Угар (пригар) элементов в % от содержания в шихте
	Вагранка			Дуговая печь		Пла-менная печь
	Холодное дутье	Горячее дутье		Дуговая электропечь
	Кислая футеровка	Кислая футеровка	Основная футеровка	Кислая футеровка	Основная футеровка
Углерод		—	—
Кремний				—
Марганец
Фосфор	Не изменяется		до 10	Не изм.	до 10	Не изм.
Сера	20 — 100	10 — 50	20 — 50	до 30	20 — 50	до 20
Хром	15 — 30	10 — 20	10 — 20	15 — 30	15 — 30	10 – 25
Никель	до 10	до 5	до 5	до 10	до 10	до 10
Медь	до 10	до 5	до 5	до 10	до 10	до 15
Молибден	до 10	до 5	до 5	до 10	до 10	5 – 20
Титан	20 — 50	30 — 60	30 — 60	30 — 60	30 — 60	30 — 60
ПРИМЕЧАНИЕ:		1.Верхний предел изменения содержания углерода при плавке в вагранке относится к шихте с содержанием 90% стального лома. 2.Угар фосфора при вводе в шихту феррофосфора составляет при кислой футеровке 10 – 15%.

 

Если содержание элемента в жидком металле обозначить через а_ж, то при известном значении n содержание этого элемента в шихте (а_ш) определяется путем:

 

 

 

Приняв в этом уравнение  , получим

 

где  — коэффициент изменения состава шихты в процессе плавления.

В таблице 4.4 приводятся значения коэффициента  , вычисленные для среднего n.

Содержание углерода в жидком чугуне

 

С_ж=а [4,3-0,3(Si+P)] + δ(c+k+l),

 

а в шихте

 

С_ш=а [4,3-0,3(Si+P])+ δ· c

 

 

Степень науглероживания равна δ(k+l), тогда

 

С_ж= С_ш + δ(k+l).

 

Откуда С_ш= С_ж — δ(k+l),

 

где а и δ — доля чугуна и стали в шихте; k — коэффициент науглероживания стали области холостой колоши выше фурм, %;

    l – коэффициент науглероживания стали в горне вагранки, %.

Считая в среднем науглероживание стали в 3-й и 4-й зонах вагранки равны 1,7 и в горне вагранки 0,4, а также приняв содержание стали в шихте δ = 0,2, получим С_{ш =} С_ж -0,4.

Приблизительный расчет содержания серы в чугуне может быть произведен по формуле:

 

S_ж = 0,75S_ш + 0,003 pq.

 

Откуда содержание серы в металлической шихте

 

S_ш =1,33 S_ж – 0,004 pq,

 

где p – расход кокса в процентах к весу металлической шихты;

q — содержание серы в коксе в %.

 

            Таблица 4.4 – Значение коэффициента

Элементы шихты	Плавка
	в вагранке	в стационарной отражательн. печи
Углерод	—	1,33
Кремний	1,18	1,33
Марганец	1,25	1,67
Сера	0,59	1,54
Хром	1,22	1,54

 

Согласно Б. Озанну, вследствие угара теряется 25% общего количества серы, содержащейся в металлической шихте. Одновременно с этим происходит противоположный процесс обогащения чугуна серой за счет серы кокса, в результате которого последняя возрастает в жидком чугуне на величину, эквивалентную 30% от ее содержания в коксе.

Недостатком указанного метода является построение эмпирических коэффициентов без учета всего многообразия определяющих факторов (высота плавильного пояса, величина кусков кокса, состав газовой фазы, температура в плавильном поясе, состав шлаков и т.д.), поэтому при практическом использовании приведенных формул необходимо опытное уточнение коэффициентов сообразно с конкретными условиями производства.

Расчет шихты можно производить тремя методами: аналитическим, методом подбора и графическим.

 

АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ШИХТЫ

Аналитический метод расчета шихты основан на составлении и совместном решении нескольких уравнений по числу элементов, входящих в сплав.

Решить такое уравнение бывает не только трудно, но и не всегда возможно. Для создания расчетов следует задаться 3-мя или 2-мя неизвестными. Составив три уравнения с тремя неизвестными, необходимо путем подстановок и дальнейших преобразований получить одно уравнение с одним неизвестным.

Пример 1. Рассчитать шихту для получения в отливках 1,9% Si и 0,65%Mn, угар кремния принять 10%, а марганец – 20%.

 

Решение:

В шихте нужно иметь:

 

%

 

%

 

На складе находятся доменные чугуны следующих марок (таблица 4.5) и возврат производства (литники и брак), из которых и следует составить шихту. Количество возврата в шихте принимаем равным 35%, остальные 65% металлической шихты будут составлять доменные чугуны.

 

Таблица 4.5 – Состав шихты, %

Металл	Si	Mn	Весовое содержание в шихте	Металл	Si	Mn	Весовое содержание в шихте
Чугун ЛК1	3,25	0,8	х	Чугун М1	1,0	1,5	2
Чугун ЛК2	2,75	0,6	у	Возврат производства	1,9	0,65	35

 

Предварительно следует отметить, имеется ли возможность получения требуемых содержаний кремния и марганца с помощью намеченных количеств доменных чугунов и возврата. Среднее содержание кремния в доменных чугунах составит:

% ,

 

а возврат 1,9 , откуда среднее содержание кремния в 100 кг шихты будет:

 

кг

 

Аналогично находим содержание марганца:

 

кг

Убедившись в возможности составить шихту с помощью компонентов, определим доли участия каждого из трех сортов доменного чугуна, для чего составляем три уравнения, решая которые, можно определить:

 

х+y+z+35=100                                                   (1)

 

(2)

 

(3)

 

Из уравнения (1) находим:

x=65-y-z                                                             (4)

Умножая уравнения (2) и (3) на 100, находим:

,                                                           (5)

 

.                                                           (6)

Подставляя значения из уравнения (4) в уравнение (5) и (6) и решая их совместно, находим:

х=2,95 кг; у=41,21 кг; z=20,84 кг.

 

Для удобства значения х, у, z округляем до целых чисел и получаем следующий состав шихты (в кг)

 

чугун ЛП1                      3

чугун ЛК2                    41

чугун М1                      21

возврат пр-ва               35

_____________________

Вcего:                         100

РАСЧЕТ ШИХТЫ МЕТОДОМ ПОДБОРА

Примерный расчет ваграночной шихты в производственных условиях часто производят методом подбора.

ПРИМЕР. Рассчитать шихту для получения отливок 1,25%Si, 0,85%Mn.

Угар при плавке Si – 10%, Mn – 20%.

 

Решение:

В шихте должно быть:

 

%

 

Таблица 5.6 – Состав шихты, %

 

Расчет производится следующим образом:

Чугун ЛК3 содержит            ;

 

Чугун ЛК4 – соответственно             и .

 

Возврат производства вносит  и , стальной лом соответственно              и .

Всего в шихте Si 1,39; Mn 0,891. Остается в металле с учетом угара  , .

Недостающее количество марганца, равное  кг, можно компенсировать присадкой в шихту ферромарганца. Определяем количество последнего. Принимаем марку ферромарганца ФМ2 с содержанием 72 % Mn 1кг ферромарганца дает 0,72 кг марганца.

Следовательно, требуется марганца с учетом угара  кг, а ферромарганца  кг.

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое шихта?

2. Какие задачи необходимо решить при расчете шихты?

3. В чем заключается аналитический метод расчета шихты?

4. На чем основан метод подбора шихты?

 

Рекомендуемая литература:

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов М.: Машиностроение, 1990, 2002.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Высшая школа, 1990.

3. Титов Н.Д. и др. Технология литейного производства. – М.: машиностроение, 1988.

4. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1979.

 

Контрольные задания для СРС [1, 2, 4, 5]

1. Расчет шихты для выплавки стали в основной печи.

2. Расчет шихты для выплавки стали в кислой печи.

3. Расчет шихты для выплавки различных бронз.

4. Расчет шихты для выплавки силуминов.

 

5 Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем

 

Наименование темы СРСП	Цель занятия	Форма проведения	Содержание задания	Рекомендуемая литература
Тема 1. Общая характеристика материалов, вопросы выбора оптимальных составов	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Изучение процессов прямого восстановления железа	[3, 10]
Тема 2. Производство медных сплавов	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой, расчет	Изучить производство медных сплавов	[1, 2, 5]
Тема 3. Производство алюминиевых сплавов	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой, расчет	Изучить производство алюминиевых сплавов	[1, 2, 5]
Тема 4. Производство отливок	Углубление знаний по данной теме	Расчет	Расчет элементов литейной формы	[1, 2, 4, 6, 9]
Тема 5. Технологический процесс получения неразъемных соединений методом сварки	Научиться выбирать электроды для конкретных условий работы	Работа с литературой	Выбор необходимого покрытия электрода для ручной дуговой сварки	[1, 2, 6]
Тема 6. Технологический процесс получения заготовок методами пластической деформации	Научиться определят коэффициент деформации	Работа с литературой	Выбор величины деформации для получения требуемой  поверхностной твердости и прочности стали	[1, 2, 3, 7]
Тема 7. Состав и классификация пластмасс	Углубление знаний по данной теме	Расчет	Самостоятельно под руководством преподавателя изучить технологические процессы производства резины	[1, 2]

 

6 Материалы для контроля знаний студентов в период рубежного контроля и итоговой аттестации

 

6.1 Тематика письменных работ по дисциплине

Тематика рефератов

1. Производство чугуна.

2. Производство стали.

3. Процессы прямого получения железа из руд

4. Изготовление разовых песчано-глинистых форм.

5. Литье под давлением.

6. Литье в кокиль.

7. Литье в оболочковые формы.

8. Литье по выплавляемым моделям.

9. Центробежное литье.

10. Производство цветных металлов.

11. Прокат и его производство.

12. Прессование.

13. Волочение.

14. Ковка.

15. Горячая объемная штамповка.

16. Холодная штамповка.

17. Дуговая сварка.

18. Плазменная сварка.

19. Электрошлаковая сварка.

20. Лучевые способы сварки.

21. Газовая сварка.

22. Контактная сварка.

23. Диффузионная сварка.

24. Пайка.

25. Производство магния.

26.Токарные станки.

27. Фрезерные станки.

28. Шлифовальные станки.

29. Сверлильные станки.

30. Производство никеля.

31. Производство цинка.

32. Получение изделий из резины.

33. Получение изделий из пластмасс.

34. Получение благородных металлов.

35. Получение редкоземельных металлов.

 

6.2 Вопросы для самоконтроля

1. Каковы физико-химические основы выплавки металлов из руд?

2. Из каких исходных материалов получают чугун?

3. Что входит в состав железных руд?

4. Каково назначение флюсов при выплавке чугуна?

5. Какие примеси входят в состав чугуна и как они влияют на его свойства?

6. Перечислите сорта чугуна и объясните их отличие по составу, свойствам и применению.

7. Какие существуют способы производства стали, в чем их различие и каковы перспективы развития?

8. Какие материалы входят в состав шихты при выплавке стали?

9. Охарактеризуйте физические и механические свойства меди.

10. Назовите медные руды.

11. Для чего обогащают медные руды? Как получают черновую медь?

12. С какой целью и какими способами черновую медь подвергают рафинированию?

13. В чем заключается сущность технологических процессов получения алюминия из руд?

14. Какие существуют способы рафинирования?

15. Назовите магниевые руды и как подготовить их к электролизу?

16. Дайте характеристику титана и его сплавов.

17. Из каких стадий состоит получение титана из руд?

18. В чем заключается сущность литейного производства, и каково его значение?

19. Какими свойствами должны обладать металлы и сплавы, применяемые для производства отливок?

20. Из каких материалов изготавливают литейные формы?

21. Из каких операций состоит производство отливок?

22. Как устроена вагранка?

23. Перечислите возможные дефекты отливок, объясните причины возникновения дефектов и способы их предупреждения и исправления.

24. Расскажите о производстве отливок в металлических формах.

25. Каковы преимущества этого способа?

26. Что такое центробежное литье? Для каких способов применяют данный способ?

26. Что такое прецизионное литье? Как и для каких целей его выполняют?

27. Расскажите о получении отливок с помощью оболочковых форм.

28. В чем заключается принцип получения литья по выплавляемым моделям? Как этот процесс выполняется?

29. Сущность и виды обработки металлов давлением.

30. В чем различие между упругой и пластической деформацией?

31. Как изменяются структура и свойства металлов в результате холодной обработки давлением?

32. От каких факторов зависит скорость нагрева металла под обработку давлением?

33. Какие печи и электронагревательные устройства применяются при горячей обработке давлением?

34. В чем заключается сущность процесса проката металла?

35. Назначение и виды прокатных валков.

36. По каким признакам и как классифицируются прокатные станы?

37. Что относится к продукции прокатного производства?

38. Что такое волочение, как оно выполняется?

39. Что называется прессованием и какими методами оно осуществляется?

40. Какие существуют ковочные операции и в чем их сущность?

41. Что называется штамповкой? На какие виды она подразделяется?

42. В чем преимущества объемной штамповки? Почему она не находит применение в единичном производстве?

43. Какие существуют операции холодной штамповки? В чем их сущность и назначение?

44. Чем отличается работа молота от пресса?

45. Какое значение имеет сварка в технике?

46. Что понимается под сварным соединением и под сварным швом?

47. По каким основным признакам сварка классифицируется?

48. Что представляет собой электрическая дуга?

49. Какие источники тока применяются при дуговой сварке?

50. Какие электроды применяются при дуговой сварке и для чего?

51. Как выбирают режим ручной дуговой сварки?

52. В чем сущность процесса автоматической сварки под флюсом?

53. Какие процессы протекают при электрошлаковой сварке?

54. В чем сущность процесса, достоинства и область применения основных способов дуговой сварки в среде защитных газов?

55. На каком принципе основана контактная электросварка?

56. В чем сущность процесса и видов стыковой сварки?

57. В чем различие между роликовой и точечной сваркой?

58. Какие горючие газы применяются для газовой сварки и их назначение?

59. Какие бывают виды ацетиленокислородного пламени?

60. Какое оборудование применяется при газовой сварке?

61. Какие существуют способы сварки серого чугуна?

62. Особенности сварки цветных металлов.

63. Какие существуют новые методы сварки?

64. Какие бывают дефекты сварных соединений и способы контроля качества сварки?

65. В чем сущность обработки металлов резанием?

66. Какими способами можно из заготовки получить нужную деталь?

67. Сочетание каких движений обеспечивает осуществление процесса резания?

68. Как осуществляется рафинирование меди?

69. Как осуществляется рафинирование алюминия?

70. Как осуществляется рафинирование титана?

71. Как осуществляется рафинирование магния?

72. Что такое штейн?

73. В чем сущность получения черновой меди?

74. Из каких руд получают титан?

75. Из каких руд получают медь?

76. Из каких руд получают магний?

77. Из каких руд получают алюминий?

78. Что такое глинозем?

79. Назовите химическую формулу гематита.

80. Что такое карналлит?

 

6.3 Экзаменационные билеты

 

1. В настоящее время доля металлов и сплавов в качестве конструкционных материалов составляет,  %:

А) ~ 35.

В) ~ 60.

С) ~ 75.

D) ~ 90.

Е) ~ 99.

 

2. Доля неметаллических материалов в качестве конструкционных материалов составляет,  %:

А)  5-10.

В) 20-25.

С) 30-35.

D) 40-45.

Е) 50-55.

 

3. В железных рудах содержится железо, в %:

А) 5-10.

В) 15-20.

С) 30-40.

D) 40-50.

Е) 70-90.

 

4. Вредными примесями в передельных чугунах являются:

А) Mn, Si.

В) Al, Co.

С) S, P.

D) Ni, Cu.

Е) Cr, W.

 

5. В настоящее время для выплавки чугуна предварительно подготавливают (обогащают) %, руд:

А) 5-20.

В) 35-40.

С) 50-60.

D) 70-75.

Е) 90-95.

 

6. Доменная печь — это вертикальная печь шахтного типа с максимальной полезной высотой до, м:

А) 18.

В) 39.

С) 17.

D) 56.

Е) 14.

 

7. Загрузка шихтовых материалов происходит через:

А) шахту.

В) заплечики.

С) горн.

D) колошник.

Е) распар.

 

8. Доля передельных чугунов (для передела в сталь) в объеме всего доменного производства составляет, %:

А) 5-10.

В) 25-30.

С) 55-60.

D) 70-75.

Е) 80-85.

 

9. Где скапливается жидкий чугун в доменной печи?

А) колошник.

В) горн.

С) распар.

D) заплечики.

Е) шахта.

10. Полезный объем доменной печи составляет, м³:

А) 2-3.

В) 20-30.

С) 200-500.

D) 2000-5000.

Е) 20000-50000.

 

11. При переделе чугуна в сталь углерод:

А) нейтрализуется.

В) восстанавливается.

С) окисляется.

D) не меняется.

Е) распадается.

 

12. Вместимость современных кислородных конвертеров для выплавки стали составляет, тонн:

А) 2-5.

В) 50-70.

С) 130-200.

D) 300-350.

Е) 700-800.

 

13. Наиболее легкое регулирование тепловых режимов выплавки стали осуществляется в:

А) доменных печах.

В) электрических печах.

С) мартеновских печах.

D) кислородных конвертерах.

Е) индукционных печах.

 

14. Выплавка хорошо раскисленных высококачественных углеродистых и легированных сталей осуществляется в:

А) электрических печах.

В) доменных печах.

С) отражательных печах.

D) вагранках.

Е) мартеновских печах.

 

15. Разливка стали на металлургических заводах и комбинатах осуществляется в:

А) оболочковые формы.

В) пресс-формы.

С) изложницы или медные кристаллизаторы.

D) песчано-глинистые формы.

Е) нет правильного ответа.

16. Металлический алюминий получают путем:

А) гидролиза.

В) электролиза.

С) окислительной плавкой.

D) восстановительной плавкой.

Е) вакуумирования.

 

17. В кислородном конвертере получают:

А) передельный чугун.

В) литейный чугун.

С) сталь.

D) силумин.

Е) баббиты

 

18. Большая часть отливок изготовляется в формы:

А) оболочковые (песчано-смоляные).

В) металлические.

С) песчано-глинистые.

D) центробежные.

Е) по выплавляемым моделям.

 

19. Для образования в литейной форме каналов, по которым жидкий металл подводится к полости формы, служат:

А) верхняя полумодель.

В) нижняя полумодель.

С) модели элементов литниковой системы.

D) модель жеребейки.

Е) модели холодильников.

 

20. Что является огнеупорной основой формовочных смесей?

А) отработанная смесь.

В) графит.

С) вода.

D) песок кварцевый.

Е) глина.

 

21. Что является связующим материалом  формовочных смесей?

А) отработанная смесь.

В) графит.

С) вода.

D) песок кварцевый.

Е) глина.

 

22. Когда металл в полости формы затвердеет и охладится песчано-глинистую форму:

А) извлекают.

В) упрочняют.

С) разрушают.

D) ремонтируют.

Е) очищают.

 

23. Выбивку отливок из литейных форм осуществляют на:

А) барабанах.

В) решетках.

С) дробеметных камерах.

D) дробеметных барабанах.

Е) формовочных машинах.

 

24. Модельная плита и металлические модели при получении оболочковой полуформы нагревают до температуры, °С:

А) 40-60.

В) 100-120.

С) 200-300.

D) 400-550.

Е) 800-1000.

 

25. Прокалку оболочек проводят в течение 1-2 мин. в печи с температурой, ⁰С:

А) 40-60.

В) 100-120.

С) 280-350.

D) 400-550.

Е) 800-1100.

 

26. Легкоплавкие модели крепят к парафино-стеариновому стояку следующим методом:

А) механическим креплением

В) сварки.

С) ультразвуковой обработки.

D) пайки.

Е) склеивания.

 

27. Выплавление легкоплавких моделей производится в:

А) электро-дуговой печи.

В) тигельной печи.

С) горячей водяной ванне.

D) горячей воздушной среде.

Е)  струей нагретой воды.

 

28. Количество слоев оболочковой формы при литье по выплавляемым моделям составляет:

А) 1-2.

В) 3-4.

С) 5-6.

D) 8-9.

Е) 11-12.

 

29. Прокаливание оболочек при литье по выплавляемым моделям проводят в электрических печах при температуре, ⁰С:

А) 100-200.

В) 300-400.

С)  900-1000.

D) 1100-1200.

Е) 1400-1500.

 

30. Кокили изготавливают из:

А) дерева.

В) металлических сплавов.

С) керамических сплавов.

D) пластмассы.

Е) резины.

 

31. При центробежном литье внутреннее отверстие получают при помощи:

А) стержня.

В) модели.

С) центрирующего штыря.

D) зумпфа.

Е) нет правильного ответа.

 

32. При заливке расплава во вращающуюся металлическую форму он затвердевает под действием сил:

А) тангенциальных.

В) центробежных.

С) центростремительных.

D) нормальных.

Е) нет правильного ответа.

 

33. Способность сплавов течь по каналам и заполнять литейную форму называется:

А) жидкотекучестью.

В) усадкой.

С) трещиноустойчивостью.

D) ликвацией.

Е) газонасыщением.

 

34. Способность сплавов противостоять образованию трещин в отливках называется:

А) жидкотекучестью.

В) усадкой.

С) трещиноустойчивостью.

D) ликвацией.

Е) газонасыщением.

 

35. Уменьшение объема и линейных размеров отливки при ее формировании  называется:

А) жидкотекучестью.

В) усадкой.

С) трещиноустойчивостью.

D) ликвацией.

Е) газонасыщением.

 

36. Неоднородное распределение примесей и легирующих элементов по сечению отливки называется:

А) жидкотекучестью.

В) усадкой.

С) трещиноустойчивостью.

D) ликвацией.

Е) газонасыщением.

 

37. Газифицируемые модели изготавливают из:

А) парафина.

В) полистирола.

С) стеарина.

D) протокрила.

Е) воска.

 

38. Обычно серый чугун в литейных цехах выплавляют в:

А) доменных печах.

В) вагранках.

С) кислородных конвертерах.

D) мартеновских печах.

Е) индукционных печах.

 

39. Углеродистые литейные стали содержат углерода, %:

А) 0,012-0,06.

В) 0,12-0,6.

С) 1,2-6.

D) 6-12.

Е) 12-15.

 

40. Усадка в стальных отливках составляет до …..%:

А) 0,2.

В) 0,6.

С) 1,2.

D) 1,5.

Е) 2,5.

 

41. Усадка в алюминиевых сплавах  составляет до …..%:

А) 0,2.

В) 0,6.

С) 1,1.

D) 1,5.

Е) 2,5.

 

42. Сплавы  меди с цинком называются:

А) силумины.

В) бронзы.

С) латуни.

D) баббиты.

Е) авиали.

 

43. Сплавы  меди с другими элементами (кроме цинка и никеля)  называются:

А) силумины.

В) бронзы.

С) латуни.

D) баббиты.

Е) авиали.

 

44. Около 80% медных отливок получают в …:

А) металлических формах.

В) разовых.

С) полупостоянных.

D) центробежных машинах.

Е) керамические формы.

 

45. Продуктом длительного  отжига является:

А) белый чугун.

В) серый чугун.

С) высокопрочный чугун.

D) ковкий чугун.

Е) половинчатый чугун.

 

46. Металлическую рамку,  служащую для удержания формовочной смеси называют:

А) моделью.

В) опокой.

С) корпусом.

D) стержневым ящиком.

Е) элементами литниковой системы.

 

47. Приспособление, при помощи которого воспроизводится наружный контур будущей отливки  называют:

А) моделью.

В) опокой.

С) корпусом.

D) стержневым ящиком.

Е) элементами литниковой системы.

 

48. Для снятия внутренних напряжений в отливках применяют:

А) прокатку.

В) обкатку роликами.

С) гидроудар.

D) термическую обработку.

Е) химико-термическую обработку.

 

49. Недостатком литья в кокиль является:

А) опасность образования трещин.

В) низкая шероховатость поверхность.

С) крупнозернистая структура.

D) усадочные раковины.

Е) отсутствие стержней.

 

50. Операцией удаления литниковой системы называется:

А) очистка.

В) обрубка.

С) выбивка.

D) формовка.

Е) заливка.

 

51. Обработка металлов давлением возможна благодаря:

А) твердости.

В) вязкости.

С) упругости.

D) пластичности.

Е) износостойкости.

 

52. Прессование главным образом применяется для:

A) стали высокопрочные.

B) чугуна серого.

C) чугуна ковкого.

D) чугуна высокопрочного.

E) цветных металлов.

 

53. Изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил называется:

А) рекристаллизацией.

В) возвратом.

С) гомогенизацией.

D) пластической деформацией.

Е)  модифицированием.

 

54. Деформация, влияние которой устраняется после прекращения действия сил называется:

А) пластической.

В) остаточной.

С) упругой.

D) нормальной.

Е) касательной.

 

55. Основанием  для выбора температуры нагрева при обработке давлением является:

А) диаграмма изотермического процесса.

В) фактическая температура плавления.

С) фактическая температура кристаллизации.

D) диаграмма состояния сплавов.

Е) степень перегрева.

 

56. Обжатие металла вращающимися валками называется:

А) прокатка.

В) прессование.

С) волочение.

D) ковка.

Е)  штамповка.

 

57. Протягивание заготовки через отверстие в матрице называется:

А) прокатка.

В) прессование.

С) волочение.

D) ковка.

Е)  штамповка.

 

58. Тонкие сорта проволоки, калиброванные прутки  получают:

А) прокаткой.

В) прессованием.

С) волочением.

D) ковкой.

Е)  штамповкой.

 

59. Около 75% выплавляемой стали подвергают:

А) прокатке.

В) прессованию.

С) волочению.

D) ковке.

Е)  штамповке.

 

60. Температура нагрева углеродистых сталей при обработке давлением составляет, ⁰С:

А) 60-120.

В) 210-450.

С) 730-1300.

D) 1450-1600.

Е) 1600-1800.

 

61. Жесть в зависимости от назначения и для предохранения от коррозии подвергают:

А) лужению.

В) термической обработке.

С) окраске.

D) рафинированию.

Е) химико-термической обработке.

 

62. В качестве пластмассового покрытия для жести и стальных листов обычно используют:

А) полиэтилен.

В) полипропилен.

С) полихлорвинил.

D) фторопласт.

Е) гетинакс.

 

63. Стальная лента или жесть с пластмассовым покрытием обладает высокой стойкостью при температурах, ⁰С:

А) -20…+20.

В) -30…+40.

С) -40…+60.

D) -50…+80.

Е) -60…+100.

 

64. Технологическая операция нанесения на поверхность жести олова называется:

А) анодирование.

В) воронение.

С) лужение.

D) цементация.

Е) цианирование.

 

65. Какую из названных видов продукции можно получить волочением?

А) чугун передельный.

В) литейный чугун.

С) проволоку.

D) ферросплавы.

Е) композиционные материалы.

 

66. Процесс выдавливания находящегося в полости матрицы металла через выходное отверстие называется:

А) литьем под давлением.

В) свободной ковкой.

С) протягиванием.

D) волочением.

Е) прессованием.

 

67. Различают прессование прямое и:

А) косвенное.

В) косое.

С) внутреннее.

D) обратное.

Е) круглое.

 

68. Ковкой и штамповкой изготовляют металлические изделия, называемые…:

А) отливками.
В) облоями.

С) поковками.

D) прутками.

Е) штампами.

 

69. Масса падающих молотов изменяется в пределах от 50 кг до … кг:

А) 100.

В) 250.

С) 500.

D) 750.

Е) 1000.

 

70. Масса шабота пневматических молотов должна быть больше массы падающих частей в ……. раз:

А) 1-2.

В) 3-5.

С) 8-10.

D) 15-20.

Е) 30-50.

 

71. Число ударов пневматического молота (в мин.) составляет:

А) 3-5.

В) 7-10.

С) 25-30.

D) 40-70.

Е) 70-190.

 

72. Допуски при горячей объемной штамповке меньше в сравнении со свободной ковкой в … раз:

А) 1,2-3,5.

В) 2-3.

С) 3-4.

D) 4-6.

Е) 7-8.

 

73. Какая из приведенных ниже марок сталей может быть использована для изготовления штампов?

А) Ст3.

В) сталь30.

С) сталь 50.

D) сталь 70.

Е) 5ХМН.

 

74. При открытой штамповке по месту разъема штампа получают поковки с:

А) прибылью.

В) шероховатостью.

С) раковиной.

D) облоем.

Е) трещиной.

 

75. При холодной листовой штамповке исходным материалом являются заготовки толщиной до, мм:

А) 0,1-0,5.

В) 0,8-1,4.

С)  2,0-3,0.

D) 5,0-6,0.

Е) 9,0-10,0.

 

76. К разделительным операциям относят вырубку по контуру и ….:

А) осадку.

В) резку.

С) гибку.

D) высадку.

Е) рельефную формовку.

 

77. Исходным материалом горячей листовой штамповки является лист толщиной более:

А) 0-2,0 мм.

В) 3,0-4,0 мм.

С) 5,0-6,0 мм.

D) 8,0-5,6 мм.

Е) 12,0-14,0 мм.

 

78. К операциям изменения формы при холодной листовой штамповке относят:

А) вырубку.

В) пробивку.

С) гибку.

D) высадку.

Е) прошивку.

 

79. К разделительным операциям объемной штамповки относят:

А) осадку.

В) прошивку.

С) гибку.

D) высадку.

Е) рельефную формовку.

 

80. Для получения поковок с изогнутой осью применяют:

А) осадку.

В) резку.

С) гибку.

D) высадку.

Е) рельефную формовку.

 

81. Для получения отверстий в поковках применяют:

А) осадку.

В) прошивку.

С) гибку.

D) высадку.

Е) рельефную формовку.

 

82. Зависимость между напряжением и длиной дуги, имеющей жесткую характеристику, выражается формулой:

А) U_g = a + b L_g.

В) U_g = a — b L_g.

С) U_g = a ´ b L_g.

D) U_g = a : b L_g.

Е) U_g = b + a L_g.

 

83. При сварке переменным током используют преимущественно сварочные:

А) генераторы.

В) выпрямители.

С) трансформаторы.

D) горелки.

Е) резаки.

 

84. Напряжение холостого хода источника переменного сварочного тока должно быть не менее, В:

А) 300-250.

В) 150-100.

С) 50-55.

D) 30-35.

Е) 10-6.

 

85. Нужно, чтобы источники тока имели так называемую внешнюю характеристику:

А) падающую.

В) пологопадающую.

С) жесткую.

D) возрастающую.

Е) идеализированную.

 

86. Металлические электроды для сварки по методу Славянова имеют диаметр, мм:

А) 0,2-0,4.

В) 0,5-1,5.

С) 1,6-12.

D) 14-20.

Е) 20-25.

 

87. Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются:

А) диаметр электрода, длина электрода.

В) диаметр электрода, сила сварочного тока.

С) напряжение на дуге, сила сварочного тока.

D) диаметр электрода, напряжение на дуге.

Е) сила сварочного тока и материал электрода.

 

88. Диаметр электрода выбирают в зависимости от:

А) силы тока.

В) напряжения на дуге.

С) марки стали.

D) толщины свариваемого металла.

Е) внешней характеристики.

 

89. При автоматической сварке защита расплавленного металла от воздуха осуществляется с помощью порошкообразного вещества, называемого:

А) окислителем.

В) раскислителем.

С) модификатором.

D) наполнителем.

Е) флюсом.

 

90. Расплавленная часть флюса при автоматической сварке покрывает сварочную ванну тонким слоем:

А) шлака.

В) защитной газовой атмосферы.

С) инертной оболочки.

D) металла.

Е) полимерного покрытия.

 

91. Неиспользованный флюс при автоматической сварке:

А) нейтрализуется.

В) восстанавливается.

С) окисляется.

D) выбрасывается.

Е) отсасывается обратно в бункер.

 

92. При автоматической дуговой сварке под флюсом по сравнению с ручной производительность повышается в ……. раза:

А) 1,5-2.

В) 3-4.

С) 5-6.

D) 8-10.

Е) 10-20.

 

93. При электрошлаковой сварке в зону сварки подается сварочная проволока и:

А) чугун.

В) сталь.

С) алюминий.

D) флюс.

Е) раскислитель.

 

94. При электрошлаковой сварке сварка начинается с возбуждения дуги под слоем:

А) чугуна.

В) стали.

С) флюса.

D) раскислителя.

Е) модификатора.

 

95. После расплавления флюса и образования ванны при электрошлаковой сварке электрическая дуга:

А) зажигается.

В) уменьшается мощность.

С) увеличивается мощность.

D) гаснет.

Е) становится прерывистой.

 

96. При дуговой сварке в защитных газах наибольшее применение получили аргон и …:

А) водород.

В) кислород.

С) ацетилен.

D) пары воды.

Е) углекислый газ.

 

97. Сварка, основанная на быстром нагреве свариваемых металлов и механическом сжатии разогретых изделий, называется:

А) элекроконтактной.

В) механической.

С) давлением.

D) сопротивлением.

Е)  взрывом.

 

98. Точечную сварку применяют для соединения:

А) строительных форм.

В) листовых конструкций.

С) труб.

D) прутков.

Е) швеллеров.

 

99. Суммарная толщина листов при точечной сварке обычно не превышает, мм:

А) 0,1-0,5.

В) 1-3.

С) 5-7.

D) 10-12.

Е) 20-30.

 

100. При газовой сварке смешивание горючих газов с кислородом производится в …:

А) редукторе.

В) ацетиленовом генераторе.

С) соединительных шлангах.

D) горелке.

Е) баллоне.

 

101. В качестве горючего газа в газовой сварке наибольшее применение получил:

А) углекислый газ.

В) кислород.

С) водород.

D) ацетилен.

Е) природный газ.

 

102. Наиболее часто газовую сварку применяют для сталей толщиной до, мм:

А) 0,1-0,3.

В) 0,5-1,5.

С) 3-5.

D) 8-10.

Е) 15-20.

 

103. Кислород для газовой сварки в промышленных масштабах получают из воздуха при 104,5 °С методом:

А) возгонки.

В) сжижения.

С) адсорбции.

D) абсорбции.

Е) конденсации.

 

104. Кислородные редукторы предназначены для:

А) поддержания постоянного давления.

В) снижения высокого давления.

С) повышения низкого давления.

D) смешения с горячим газом.

Е) смешения с кислородом.

 

105. Для предохранения ацетиленовых генераторов от взрыва применяются водяные:

А) инжекторы.

В) предохранители.

С) растворы.

D) затворы.

Е) колонки.

 

106. В промышленности наиболее распространена … горелка:

А) инжекторная.

В) безыинжекторная.

С) простого действия.

D) двойного действия.

Е) с высоким давлением.

 

107. Ацетилено-кислородное пламя состоит из … зон:

А) 2.

В) 3.

С) 4.

D) 5.

Е) 6.

 

108. Максимальная температура ацетилено-кислородного пламени составляет, °С:

А) 750.

В) 1392.

С) 1539.

D) 3200.

Е) 6100.

 

109. К способам контактной сварке относят:

А) газовую сварку.

В) электрошлаковую сварку.

С) электродуговую сварку.

D) стыковую сварку.

Е) гелиосварку.

 

110. Более высокий к.п.д, чем твердотельные имеют газовые лазеры … действия:

А) косвенного.

В) стационарного.

С) модульного.

D) прямого.

Е) непрерывного.

 

111. Лазерная сварка обеспечивает высококонцентрированный нагрев до 10¹¹ до Вт/м² и размеры самого пятна соответствуют диаметру не более десятых долей:

А) нанометра.

В) ангстрема.

С) микрона.

D) миллиметра.

Е) сантиметра.

 

112. Лазерная сварка снижает в сварных конструкциях по сравнению с другими способами напряжения и:

А) деформации.

В) коррозию.

С) сдвиг.

D) скручивание.

Е) ликвацию.

 

113. При взаимодействии лазерного луча с атмосферой и испаряющимся металлом возникает … облако:

А) окислительное.

В) защитное.

С) нейтральное.

D) ионизированное.

Е) экранирующее.

 

114. Кислородная резка основана на нагреве металла в зоне реза кислородно-ацетиленовым  пламенем до температуры:

А) ликвидуса.

В) солидуса.

С) расплавления.

D) испарения.

Е) воспламенения.

 

115. Горелка для резки имеет два канала – кольцевой для подачи газовой смеси и центральный для удаления струей кислорода:

А) оксидов.

В) карбидов.

С) нитридов.

D) карбонитридов.

Е) шлака.

 

116. Наиболее прочные и пластичные паяные швы обеспечиваются при образовании сплавов твердых …:

А) промежуточных соединений.

В) химических соединений.

С) растворов.

D) структур.

Е) фаз.

 

117. Скорость резания при точении определяется по формуле:

А) V =p Dn ´ 1000.

В) V = p Dn /1000.

С) V = p Dn ´ 100.

D) V = p Dn /100.

Е) нет правильного ответа.

 

118. Резец состоит из головки или рабочей части и …:

А) корня.

В) стержня.

С) основания.

D) тела.

Е) высоты.

 

119. Поверхность резца, по которой сходит стружка, называется:

А) основной.

В) главной.

С) вспомогательной.

D) задней.

Е) передней.

 

120. Расшифруйте химический состав металлокерамического сплава Т15К6:

А) 15% TiC.  6% Co.  79% WC.

В) 15% Ti.  6% Co.  79% W.

С) 15% Ti.  6% Co.  W.

D) 15% TiC.  6% CoC.  79% W.

Е) 15% WC.  6% W.  79% Со.

 

121. Вещества, имеющие в зависимости от температуры и состава определенное агрегатное состояние, специфический характер строения и определенные свойства называются:

А) системами.

В) кристаллическими решетками.

С) диаграммами.

D) эвтектиками.

Е) фазами.

123. Расшифруйте химический состав металлокерамического сплава Т15К6:

А) 15% TiC.  6% Co.  79% WC.

В) 15% Ti.  6% Co.  79% W.

С) 15% Ti.  6% Co.  W.

D) 15% TiC.  6% CoC.  79% W.

Е) нет правильного ответа.

 

124. Раскисление стали осуществляется только одним ферромарганцем. Какая это сталь?

А) легированная сталь.

В) кипящая сталь.

С) спокойная сталь.

D) полуспокойная сталь

Е) нет правильного ответа.

 

125. Какой  огнеупорный материал относятся к кислым?

А) динасовый кирпич.

В) магнезитовый кирпич.

С) доломитовый кирпич.

D) шамотный кирпич.

Е) хромомагнезитовый кирпич.

 

126. Какой  огнеупорный материал относятся к основным?

А) динасовый кирпич.

В) углеродистые огнеупорные материалы.

С) доломитовый кирпич.

D) шамотный кирпич.

Е) хромомагнезитовый кирпич.

 

127. Какой  огнеупорный материал относятся к нейтральным?

А) динасовый кирпич.

В) магнезитовый кирпич.

С) доломитовый кирпич.

D) шамотный кирпич.

Е) хромомагнезитовый кирпич.

 

128. Способность материалов образовывать неразъемные соединения требуемого качества называется:

А)  жаропрочность.

В)  обрабатываемость резанием.

С)  ковкость.

D)  свариваемость.

Е)  обрабатываемость давлением.

 

129. Способность материалов обрабатываться всеми видами режущих инструментов с получением удовлетворительной чистоты поверхности называется:

А)  жаропрочность.

В)  обрабатываемость резанием.

С)  ковкость.

D)  свариваемость.

Е)  обрабатываемость давлением.

 

130. Какое свойство не относится к технологическим?

А)  жаропрочность.

В)  обрабатываемость резанием.

С)  ковкость.

D)  свариваемость.

Е)  способность образовывать отливки.

 

131. Какое свойство не относится к технологическим?

А)  износостойкость.

В)  обрабатываемость резанием.

С)  ковкость.

D)  свариваемость.

Е)  способность образовывать отливки.

 

132. К эксплуатационным свойствам относится:

А)   свариваемость.

В)  ковкость.

С)  жаропрочность.

D)  износостойкость

Е)  твердость.

 

133. Какое свойство относится к механическим?

А)   свариваемость.

В)  ковкость.

С)  жаропрочность.

D)  износостойкость

Е)  окисляемость.

 

134. Какое свойство относится к химическим?

А)   свариваемость.

В)  ковкость.

С)  жаропрочность.

D)  износостойкость

Е)  окисляемость.

 

135. Какое свойство относится к физическим?

А)   свариваемость.

В)  температура плавления.

С)  жаропрочность.

D)  износостойкость

Е)  окисляемость.

 

136. Обозначение в марках углеродистых с полей типа «сп», «кп» и «пс» показывает:

А) назначение.

В) содержание неметаллических включений.

С) степень раскисления.

D) способ разливки.

Е) степень чистоты.

 

137. Цифры в маркировке углеродистой инструментальной стали (У7, …У13) означают:

А) прочность.

В) твердость.

С) относительное удлинение.

D) содержание углерода в десятых долях процента.

Е) содержание углерода в сотые доли процента.

 

138. Буква А в марках (У7А, 30ХГСНА) означает:

А) автоматная сталь.

В) высококачественная сталь.

С) алюминиевый сплав.

D) содержание углерода в десятых долях процента.

Е) содержание азота в целых процентах.

 

139. Буква А в марках (А30. АС40ХЕ) означает:

А) автоматная сталь.

В) высококачественная сталь.

С) алюминиевый сплав.

D) содержание углерода в десятых долях процента.

Е) содержание азота в целых процентах.

 

140. Излишне длительная выдержка при нагреве перед ОМД сопровождается получением крупнозернистой структуры и называется:

А) флуктуацией.

В) дислокацией.

С) полосчатостью.

D) волокнистостью.

Е) перегревом.

 

141. Дефект стали (перегрев)  можно исправить повторным:

А) отпуском.

В) отдыхом.

С) рекристаллизацией.

D) отжигом.

Е) гомогенизацией.

 

142. Если сталь нагреть до температур, близких к температуре плавления, то возникает дефект:

А) дислокация.

В) перегрев.

С) пережог.

D) полосчатость.

Е) волокнистость.

 

143. Дефект стали пережог  исправляется:

А) отжигом.

В) отпуском.

С) закалкой.

D) нормализацией.

Е) является неисправимым дефектом.

 

144. Деформация при температуре ниже Т_рекр сопровождается:

А) разупрочнением.

В) наклепом.

С) ликвацией.

D) возвратом.

Е) отдыхом.

 

145. Под влиянием наклепа металл:

А) разупрочняется сильно.

В) разупрочняется незначительно.

С) не изменяется.

D) упрочняется.

Е) становится равновесным.

 

146. При нагреве холодноформированного металла последний:

А) не изменяется.

В) упрочняется незначительно.

С) упрочняется.

D) разупрочняется.

Е) становится метастабильным.

 

147. Предел прочности определяется по формуле:

А) .

В) .

С) .

D) .

Е) .

 

148. Относительное удлинение определяется по формуле (%):

А) .

В) .

С) .

D) .

Е) .

 

149. В формуле σ_в=P_max/ F_o, σ_в означает:

А) относительное удлинение.

В) предел прочности.

С) твердость.

D) ударную вязкость.

Е) предел текучести.

 

150. Как называется кристаллическая решетка, изображенная на рисунке?

А) ромбическая. В) объемноцентрированная кубическая. С) гранецентрированная кубическая. D) гексагональная неплотноупакованная. Е) гексагональная плотноупакованная.

 

151. Работа, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца, представляет собой механическое свойство:

А) твердость.

В) прочность.

С) относительное удлинение.

D) ударная вязкость.

Е) пластичность.

 

152. Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений может вызвать образование:

А) раковин.

В) наклепа.

С) видманштеттовой структуры.

D) полосчатости.

Е) трещин

 

153. Постепенное образование трещин в металле под действием циклических нагрузок называют:

А) хрупким изломом.

В) вязким изломом.

С) трещиноустойчивостью.

D) усталостью.

Е) деформацией.

 

154. Как называется кристаллическая решетка, изображенная на рисунке?

А) ромбическая. В) объемноцентрированная кубическая. С) гранецентрированная кубическая. D) гексагональная неплотноупакованная. Е) гексагональная плотноупакованная.

 

155. Как называется кристаллическая решетка, изображенная на рисунке?

А) ромбическая. В) объемноцентрированная кубическая. С) гранецентрированная кубическая. D) гексагональная неплотноупакованная. Е) гексагональная плотноупакованная.

 

156. В стали А11 буква А указывает что сталь:

А) качественная.

В) особовысококачественная.

С) содержит азот.

D) является автоматной.

Е) относится к аустенитному классу.

 

157. В белом чугуне весь углерод находится в виде:

А) графита.

В) алмаза.

С) феррита.

D) перлита.

Е) цементита.

 

158. Высокопрочным называют чугуны, в которых графит имеет форму:

А) шаровидную.

В) вермикулярную.

С) пластинчатую.

D) хлопьевидную.

Е) неправильную.

 

159. Ковким называют чугуны, в которых графит имеет форму:

А) шаровидную.

В) вермикулярную.

С) пластинчатую.

D) хлопьевидную.

Е) неправильную.

 

160. Пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе называется:

А) перлит.

В) ледебурит.

С) мартенсит.

D) сорбит.

Е) бейнит.

 

161. Температура нагрева при рекристаллизационном отжиге выше температуры рекристаллизации сплава на:

А) 20-30 ⁰С.

В) 150-250 ⁰С.

С) 70-90 ⁰С.

D) 280-360 ⁰С.

Е) 400-450 ⁰С.

 

162. К природным неметаллическим материалам относят:

А) целлофан

В) вискозное волокно.

С) простые эфиры.

D) сложные эфиры.

Е) канифоль.

 

163. Вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, называют:

А) полимерами.

В) эфирами.

С) композитами.

D) порошками.

Е) наноматериалами.

 

164. Органические материалы на основе полимеров, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную форму, называют:

А) композитами.

В) резинами.

С) пластмассами.

D) эфирами.

Е) пластификаторами.

 

165. К пластификаторам при производстве пластмасс относят:

А) амины.

В) перекись водорода.

С) спиртовые растворы.

D) стеарины.

Е) минеральные пигменты.

 

166. Наполнители в пластмассах составляют:

А) 5-20 %.

В) 30-40 %.

С) 40-70 %.

D) 65-85 %.

Е) 90-95 %.

 

167. К цементуемым легированным сталям относится:

А) 5ХНМ.

В) Ст3кп.

С) Р18.

D) А11.

Е) 25ХГТ.

 

168. Механические свойства резины определяются по результатам испытаний на растяжение и:

А) сжатие.

В) твердость.

С) износостойкость.

D) кручение.

Е) жаростойкость.

 

169. Упрочняющим компонентом в композиционных материалах с никелевой матрицей являются частицы диоксида:

А) алюминия.

В) тория.

С) молибдена.

D) вольфрама.

Е) германия.

 

170. У титана аллотропических модификаций:

А) две.

В) три.

С) четыре.

D) пять.

Е) шесть.

 

171. Установите соответствие: название рудного минерала – химическая формула.

	ФОРМУЛА
1. Красный железняк	А. Fе20з
2. Магнитный железняк	B. n Fe2 О3´m Н2О
3.Бурый железняк	C. Fe3O4
	D. FeS
	E. FeO

 

172. Укажите известные способы получения глинозема (Аl₂О₃) (выписать нужное).

A) восстановительной плавкой.

B) щелочным способом.

C) электрохимическим способом.

D) окислительной плавкой.

E) пирометаллургическим способом.

 

173. Металлический алюминий получают путем…

A) гидролиза

B) электролиза

C) окислительной плавкой

D) восстановительной плавкой

E) вакуумирования

 

174. Установите очередность получения меди при пирометаллургическом способе.

A) рафинирование.

B) выплавка меди из штейна.

C) флотация (обогащение).

D) обжиг.

E) плавка на штейн.

 

175. Основными способами изготовления металлических заготовок и деталей являются (указать нужное по порядку)

A) агломерация.

В) рафинирование.

С) литье.

D)  электролиз.

Е) обработка давлением.

 

176. Стали в литейных цехах плавят …

A) доменных печах.

B)  вагранках.

C)  электрических печах.

D)  термических печах.

E) кислородных конвертерах.

 

177. Сплавы системы алюминий + кремний называются …

A) силумины.

B) бронзы.

C) латуни.

D) баббиты.

Е) фрикционные чугуны.

 

178. К медным сплавам относятся (выберите нужное)…

A) силумины.

B) бронзы.

C) латуни.

D) баббиты.

Е) бишофиты.

 

179. Обработка металлов давлением возможна только благодаря … металлов и сплавов.

 

180. Способность металлов изменять форму и размеры без разрушения называется … деформацией.

A) упругой.

В) пластической.

C) жесткой.

D) плавящейся.

Е) относительной.

 

181. Лужение жести в прокатных цехах производят погружением ее в расплавленное…

A) железо.

В) золото.

C) олово.

D) серебро.

Е) жидкое стекло.

 

182. Процесс получения неразъемных соединений металлов называется…

A) литьем.

В) расплавлением.

C) сваркой.

D) напылением.

Е) обработкой давлением.

 

183. По состоянию металла в процессе сварки способы сварки разделяют на сварку плавлением и сварку…

A) трением.

В) давлением.

C) взрывом.

D) замораживанием.

Е) диффундированием.

 

184. Сварку, при которой кромки соединяемых деталей нагревают до расплавленного состояния, называют сваркой …

A) трением.

В) давлением.

C) взрывом.

D) замораживанием.

Е) плавлением.

 

185. Сварку, при которой сварное соединение нагревается до пластического состояния и дополнительно механически сжимается, называется сваркой ……….

A) трением.

В) давлением.

C) взрывом.

D) замораживанием.

Е) плавлением.

 

186. Дуговая сварка делится на сварку неплавящимся графитовым электродом и … металлическим электродом.

A) плавящимся.

В) неплавящимся.

C) постоянным

D) стабилизационным.

Е) холодным.

 

187. Сварочная дуга представляет собой мощный электрический … в газах.

A) ток.

В) металл.

C) магнитопровод.

D) разряд.

Е) столб.

 

188. Зависимость между напряжением и током в электрической дуге выражается ее статической … характеристикой.

A) жесткой.

В) вольтамперной.

C) дуговой.

D) стабилизирующей.

Е) добротной.

 

189. Источником питания для сварки являются сварочные генераторы и сварочные…

A) батареи.

В) подстанции.

C) конденсаторы.

D) химические реакции.

Е) трансформаторы.

 

190. Нужно, чтобы источники питания для сварки имели так называемую … внешнюю характеристику.

A) падающую.

B)  пологопадающую.

C) возрастающую.

D)  жесткую.

Е) постоянную.

 

191. Сварочная дуга при автоматической сварке горит под слоем…

A) олова.

В) электрода.

C) шлака.

D) флюса.

Е) топлива.

 

192. Расшифруйте химический состав стали Х18Н9Т

A)  18 %Cr,  0,9 %N,  10 %Ti,  1 %C.

B)  0,01 %C,  18 %Cr,  9 %Ni, 1 %Ti.

C)  1 %C,    18 %Cl,  9 % N,   0,1 %Ti.

D) 0,1 %C,    18 %Cl,  9 % N,   1 %Ti.

Е) 1 %C,    1,8 %Cl,  0,9 % N,   0,1 %Ti.

 

193. Расшифруйте состав твердого сплава ТТ15К6

A) 5 %Ti,  10 %Ta,  6%K,  79 %W.

B) 79 %WC, 15 %(TiC+TaC),  6 %Co.

C) 79 %W,   15 %(TiC+TaC),  6 %Co.

D) 79 %WC,  15 %(TiC+TaC),  6 %CoC.

Е) 15 %W,   1,0 %(TiC+TaC),  6 %Co.

 

194. Расшифруйте химический состав сплава БрАЖН11-6-6

A)  11%Al,  6%Fe,   6%Ni,  77%Sn.

B)  11%Al,  6%Fe,   6%Ni,  77%Cu.

C)  11%Al,  6%Fe,   6%Ni,  77%Zn.

D) 6 %Al,  6%Fe,   1,1 Ni,  77% Сu.

Е) 11%Cu,  6%Fe,   6%Ni,  77 %Fe.

 

 

195. Штейн – это сплав в основном сульфида меди с сульфидом…

A) железа.

В) никеля.

C) титана.

D) алюминия.

Е) марганца.

 

196. Дуралюмины – это сплавы алюминия с медью, магнием и …

A) железом.

В) никелем.

C) марганцем.

D) углеродом.

Е) оловом.

 

197. Основой алюминиевой руды являются…

A) ильмениты.

В) гематиты.

C) бокситы.

D) карналлиты.

Е) бишофиты.

 

198. В качестве сырья для получения магния используется карналлит, магнезит и …

A) ильменит.

В) гематит.

C) боксит.

D) бишофит.

Е) доломит.

 

199. К титановым рудам относят…

A) ильменит.

В) гематит.

C) боксит.

D) бишофит.

Е) доломит.

 

200. Антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе называются…

A) доломиты.

В) дуралюмины.

C) латуни.

D) бронзы.

Е) баббиты.