Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
13.11 Способы обработки металлов При выполнении строительно-монтажных работ применяют различные способы обработки металлов: механическую, термохимическую и сварку. К основным способам производства металлических работ относится ме- ханическая горячая и холодная обработка металлов давлением. Холодную обработку металлов подразделяют на слесарную и обработ- ку металлов резанием. Слесарная обработка состоит из следующих технологи- ческих операций: разметки, рубки, резки, отливки, сверления, нарезки. Реза- ние осуществляют путём снятия металлической стружки режущим инстру- ментом (точение, строгание, фрезерование). Виды горячей механической обработки: прокатка, ковка, штамповка, волочение и прессование. Получение изделий этими способами называют об- работкой металлов давлением в пластическом состоянии, т.е. металлы нагре- вают до определенных температур, после чего им придают соответствующие формы и размеры с помощью давящего на металл инструмента. 351 Среди различных методов пластической обработки прокатка занимает особое положение, поскольку данным способом производят изделия, пригод- ные для непосредственного (в состоянии поставки) использования в строи- тельстве и 352 в машиностроении (шпунт, рельсы, профили сельскохозяйственного машино- строения пр.). Прокаткой получают также разнообразные виды заготовок, ко- торые являются исходным материалом для других способов обработки. Так, горячекатаная и холоднокатаная листовая сталь, полосы и ленты в больших количествах идут для листовой штамповки. Прокатка металлов является таким видом пластической обработки, когда исходная заготовка обжимается вра- 353 щающимися валками прокатного стана в целях уменьшения поперечного се- чения заготовки и придания ей заданной формы. Прокатка – наиболее широко применяемый вид обработки металлов давлением. Существует три основных способа прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая или косая (рисунки 270, 271). Рисунок 270 – Схема продольной (а), по- перечной (б) и вин- товой (в) прокатки: 1 – прокатываемый металл; 2 и 3 – валки Хотя ассортемент прокатных изде- лий весьма обши- рен, все же пред- ставляется воз- можным весь прокат разбить на следующие основные четыре группы: сортовой, листовой, трубы и специаль- ные виды проката (бандажи, колеса, периодические профили и пр.). Рисунок 271 – Схема винтовой прокатки круглых периодических профилей Наиболее разнообразной яв- ляется группа сортового про- ката, который подразделяется на простые и фасонные профили. Прокат в виде круга, квадрата, полос плос- кого сечения относится к простым профилям. Прокат сложного поперечного сечения относится к фасонным профилям. В зависимости от назначения фа- сонные профили подразделяются на профили общего или массового потреб- ления (угловой профиль, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные про- фили и др.) и профили специального назначения (рельсы железнодорожные широкой и узкой колеи, рельсы трамвайные и др.). В зависимости от способа производства и толщины листовой прокат подразделяется на три основных группы: горячекатаные толстые листы тол- щиной 4 мм и более, горячекатаные тонкие листы толщиной менее 4 мм и хо- лоднокатаные листы всех размеров. Листовой прокат из стали и цветных ме- таллов используется в самых разнообразных отраслях промышленности. В соответствии с ГОСТом трубы, изготавливаемые на прокатных ста- нах, подразделяются на две группы: бесшовные и сварные (со швом). Помимо 354 круглых труб производят также профильные трубы и с переменными разме- рами сечения по длине. Ковка и штамповка металла включает такие процессы получения изде- лий, как ковка, объемная горячая штамповка, штамповка листового и прутко- вого материала в холодном состоянии. При ковке деформирование заготовки осуществляется с помощью уни- версального подкладного инструмента или бойков. Бойки чаще всего бывают плоскими, однако применяют вырезные и закругленные бойки. Нижний боек обычно неподвижен, верхний совершает возвратно-поступательное движение. В результате многократного и непрерывного воздействия инструмента заго- товка постепенно приобретает необходимые форму и размеры. При объемной штамповке придание заготовке заданной формы и разме- ров осуществляется путем заполнения металлом рабочей плоскости штампа. Листовая штамповка является таким видом пластической обработки металла, когда для получения деталей типа колпачков, втулок и других в качестве ис- 355 ходного материала используют лист или ленту. При этом обработка выполня- ется без значительного изменения толщины заготовки. Волочение металла – это протягивание изделия круглого или фасонного профиля через отверстие волочильного очка (волоку) с меньшей площадью выходного сечения, чем у исходного изделия. Волочение выполняется тяго- вым усилием, приложенным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки с высокой точно- стью поперечных размеров и трубы разнообразных сечений. Волочением обрабатывают стали разнообразного химического состава, прецизионные сплавы, а также практически все цветные металлы (золото, се- ребро, медь, алюминий, и др.) и их сплавы. Изделия, полученные волочением, обладают высоким качеством поверхности и высокой точностью размеров поперечного сечения. Волочение чаще всего выполняют при комнатной тем- пературе, когда пластическую деформацию большинства металлов сопровож- дает наклеп. Волочением можно изготовлять полые и сплошные изделия часто сложного поперечного сечения, производство которых другими спосо- бами не всегда представляется возможным (например, тонкие изделия, прутки значительной длины). При волочении ряда профилей (квадратный, треугольный, шестиуголь- ный и др.) используют составные волоки, которые отличаются высокой уни- версальностью, так как в одной и той же волоке, меняя профиль отверстия со- ответствующей перестановкой отдельных пластин, можно получать различ- ные размеры профиля. Кроме составных волок при производстве прутков и главным образом труб, применяют шариковые и роликовые волоки. При по- лучении профилей сложной формы применяют дисковые волоки, в которых рабочие поверхности волочильного канала образуются поверхностями сво- бодно вращающихся дисков (не приводных валков-роликов). В качестве исходного материала для волочения применяют катаную и прессованную заготовки. Термическая обработка металла перед волочением снимает наклеп, придает металлу необходимые пластические свойства, обес- печивает получение наиболее оптимальной структуры. В зависимости от хи- мического состава металла и назначения продукта волочения применяют от- жиг, нормализацию, закалку и патинирование. Прессование металла – это вытеснение с помощью пуансона металла исходной заготовки (чаще всего цилиндрической формы), помещенной в кон- тейнер, через отверстие матрицы. Этот способ пластической обработки нахо- дит широкое применение для деформирования, как в горячем, так и в холод- ном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и об- ладающих значительной природной жесткостью. Он в одинаковой мере при- меним для обработки металлических порошков и неметаллических материа- лов (пластмасс и др.). Прессованием изготавливают прутки диаметром 3…250 мм, трубы диа- метром 20…400 мм при толщине стенки 1,5…12 мм, полые профили с не- 356 сколькими каналами сложного сечения, с наружными и внутренними ребра- ми, разнообразные профили с постоянным и изменяющимся (плавно или сту- пенчато) сечением по длине. Профили для изготовления деталей машин, не- сущих конструкций и других изделий, получаемые прессованием, часто ока- зываются более экономичными, чем изготавливаемые прокаткой, штамповкой или отливкой с последующей механической обработкой. Кроме того, прессо- ванием получают изделия весьма сложной конфигурации, что исключается при других способах пластической обработки. К основным преимуществам прессования металла относятся следую- щие. Возможность успешной пластической обработки с высокими вытяжка- ми, в том числе мало пластичных металлов и сплавов; возможность получе- ния практически любого поперечного сечения изделия, что при обработке ме- талла другими способами не всегда удается; получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матри- цы; производство изделий с высоким качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения, что во многих случаях превышает принятую точность при пластической обработке металла другими способами (например, при прокатке). К недостаткам получения изделий прессованием следует отнести: по- вышенный расход металла на единицу, изделия из-за существенных потерь в виде пресс остатка; появление в некоторых случаях заметной неравномерно- сти механических и других свойств по длине и поперечному сечению изде- лия; сравнительно высокую стоимость прессового инструмента. Для повышения механической прочности и твердости, сохранения до- статочной вязкости – конструкционные стали и износоустойчивости при до- статочной вязкости – инструментальные стали, снижения порога хладоломко- сти и чувствительности к концентраторам напряжений пользуются термиче- ской обработкой , состоящей из четырех процессов: закалки, отпуска, нормали- зации и отжига. Закалка заключается в нагреве стали на 30…50 о С выше температур фа- зовых превращений – А с3 для доэвтектоидных или А с1 для заэвтектоидных сталей, выдержке их при этой температуре до полной аустенизации стали и в последующем быстром охлаждении их в воде, масле или масляной эмульсии, обеспечивающей переход аустенита в мартенсит. Температура нагрева при закалке зависит от содержания в стали углерода. При закалке образуются ме- тастабильные структуры, которые представляют собой различные стадии пре- вращения аустенита (мартенсит, троостит, сорбит). В зависимости от способа охлаждения различают обычную закалку, которую применяют для деталей простых форм. Изделия сложной формы закаливают в двух средах или пре- рывистой закалкой. Отпуск заключается в нагреве закалённых изделий до 150…670 °С (температура ниже критической точки Ас1, в зависимости от марки стали), выдерживают при этой температуре с последующим медленным или быстром 357 охлаждением в спокойном воздухе, воде или в масле. При отпуске стали мар- тенсит, образовавшийся после закалки, и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые структуры. В процессе отпуска повышается вяз- кость, пластичность стали, уменьшаются её внутреннее напряжение и хруп- кость, улучшается её обрабатываемость. Различают три вида отпуска. Низкий отпуск осуществляют в интервале температур 150…200 о С. При нагреве до 100 о С заметных изменений в структуре стали не происходит. Нагрев от 100 до 200 о С приводит к выделению из мартенсита дисперсных карбидных включений чаще всего пластинчатой формы в несколько атомных слоев. Структура после низкого отпуска – так называемый мартенсит отпуска. Применяется для частичного снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности без заметного снижения твердости. Этому виду от- пуска подвергают главным образом мерительный и режущий инструмент. Средний отпуск производят путем нагрева закаленной стали до темпера- туры 300…400 о С. Сталь приобретает структуру троостита отпуска, т.е. пред- ставляет собой мелкодисперсную смесь феррита и цементита. Снижается твердость и прочность стали, но повышается ее пластичность. Чаще всего этот вид отпуска применяют при термической обработке пружин и рессор. Высокий отпуск выполняют в интервале температур 500…600 о С. Такой нагрев стали при отпуске сопровождается образованием структуры сорбита отпуска – ферроцементитной смеси средней дисперсности и зернистого стро- ения. При высоком отпуске практически полностью снимаются внутренние напряжения в стали. Сорбитная структура дает наилучшее сочетание прочно- сти и пластичности для конструкционных сталей. Высокому отпуску подвер- гают большинство ответственных деталей машин и конструкций. Закалка с высоким отпуском носит название улучшающей обработки. Улучшению подвергают конструкционные стали, содержащие 0,3…0,5 % С. Такие стали называются улучшенными. Закаливаемостью называется способность стали существенно повы- шать твердость при закалке. Чем больше углерода, тем выше твердость обра- зующегося при полной закалке мартенсита и тем лучше закаливаемость стали. Прокаливаемостью называется способность стали принимать закалку на определенную глубину. Чем меньше скорость охлаждения, тем лучше про- каливаемость стали. Ее можно определить, измеряя твердость по сечению об- разца. Отжиг имеет цель – улучшение структуры и свойств стали, подготовку ее структуры к окончательной термической обработке, смягчение стали для облегчения механической или пластической обработки. Гомогенизация (диффузионный отжиг) заключается в нагреве до темпе- ратур близких, но не выше линии солидус, длительной выдержке при этой температуре (15…20 ч) и последующем медленном охлаждении: до 600 о С вместе с печью, затем на воздухе. Этот вид отжига применяют для устранения 358 неоднородности структуры и химического состава (в частности, литой струк- туры). При этом получается крупнозернистая, но однородная структура. Для измельчения зерна производят однократный или многократный отпуск, а ино- гда нормализацию. Гомогенизации подвергают слитки легированной стали при 1100…1200 о С для уменьшения дентдритной структуры и внутрикристал- лической ликвации, вызывающей хрупкий излом при обработке стали давле- нием, для снижения пластичности, анизотропии свойств и образованию фло- кенов. Полный отжиг заключается в нагреве стали до температуры (750…960 °С), превышающей на 30…50 о С критическую точку А с3 , выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении (50…100 о С/ч до 500 о С, а затем на воздухе). Полному отжигу подвергают отливки, поковки, сортовой и фасонный прокат из доэвтектоидной стали с 0,3…0,4 % С. Их медленно охлаждают до полного распада аустенита и образования мелкозернистой фер- ритно-цементитной структуры, обеспечивающей высокую пластичность (снижение твердости, улучшение обрабатываемости) и изотропность свойств. Для защиты металла от окисления и обезуглероживания отжиг ведут в защит- ной атмосфере, состоящей из 2 % СО, 2 % Н и 96 % N 2 Нормализация предусматривает нагрев сортового проката из доэвтекто- идной конструкционной стали до температуры на 40…50 о С выше точек А с3 , эвтектоидной и заэвтектоидной – выше А с1 (несколько более высокой, чем температура отжига), непродолжительной выдержке их при этой температуре и последующем охлаждении в спокойном воздухе. Она вызывает полную фа- зовую перекристаллизацию стали, снимает внутренние напряжения, повыша- ет пластичность и ударную вязкость. Структура стали после нормализации будет такой же, как и после отжига, некоторые высоколегированные стали после нормализации приобретают структуру закалки. Доэвтектоидные стали после нормализации состоят из феррита и перлита, а у заэвтектоидных устра- няется цементитная сетка и образуется мелкая ферритоцементитная смесь. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, частичному образованию мартенсита или бейнита (в ле- гированных сталях) и высокодисперсного перлита – сорбита или троостита. Нормализация широко применяется для улучшения свойств низкоуглероди- стых строительных сталей, заменяя отжиг. Для среднеуглеродистых и легиро- ванных сталей она сочетается с высоким отпуском при температурах ниже порога рекристаллизации. Твердость и прочность стали получается при этом несколько выше, чем после отжига. Химико-термической обработкой стали называют термическую обра- ботку, связанную с изменением химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных изделий – повышение твердости, усталостной прочности, износоустойчивости, коррозионной устойчивости. Различают следующие виды химико-термической обработки стали. Это цементация (насыщение углеродом) и азотирование (насыщение азотом), ци- 359 анирование (параллельное обогащение стали азотом и углеродом) и диффузи- онная металлизация, алитирование и хромирование, силицирование и бориро- вание. Цементация – это процесс поверхностного науглероживания (на глубину 0,5…2 мм до содержания углерода в поверхностном слое 0,75…1,2 %) изде- лий из низкоуглеродистой, а иногда и легированной стали в углеродсодержа- щей среде (твердые, жидкие и газообразные карбюризаторы) для получения твердой поверхности и вязкой сердцевины. Твердые карбюризаторы представляют собой порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (около 70 %), углеродистого бария (около 20…25 %) и углекислого кальция (до 2,5…3,5 %). Обработанные этой смесью и уложенные в металлические ящики детали загружают в печь и нагревают до 900…950 о С (за 1 час углерод проникает на глубину около 0,1 мм). При газовой цементации над обрабатываемыми изделиями пропускают газы (природный, светильный и смеси метана, этила, пропана), которые при нагревании до высоких температур выделяют атомарный углерод. Цементация стали в жидких средах осуществляется весьма редко, обычно в расплавленных солях (около 83 % кальцинированной соды, 8…10 % пова- ренной соли и около 7 % черного корунда). В ванну такого состава погружа- ют стальные детали и получают слой толщиной до 0,2 мм за 30…40 мин. Це- ментация протекает при 870…890 о С для малоуглеродистых сталей, 820…840 о С для среднеуглеродистых и 850…870 о С для малоуглеродистых легирован- ных сталей. Сварка металлов – процесс неразъемного соединения металлических изделий с применением местного нагрева металла до перевода его в тестооб- разное (пластичное) или расплавленное состояние. К основным видам сварки относятся: без применения механического усилия: электродуговая. Для местного расплавления свариваемых изделий ис- пользуется тепловой эффект электрической дуги; химическая (газовая и термитная). При газовой сварке – используется теплота, развивающаяся при сжигании горючих газов (ацетилен, водород, нефтегаз, природный газ и газ горючих жидкостей, а также пары бензина, бензола, керосина) в кислороде. При термитной сварке– используется тепло- та горения термитного порошка (смесь Аl и Fe 3 О 4 ); с применением механического усилия: элетроконтактная (точечная, роликовая и стыковая сварка) – для местного нагрева используется тепло, образующееся в месте контакта свари- ваемых изделий при прохождении электрического тока. Из всех видов газовой сварки ацетилено-кислородная сварка является наиболее эффективной и экономичной. Ацетилен С 2 Н 2 – бесцветный газ с плотностью 906, который получают путем воздействия воды на карбид каль- ция СаС 2 + 2Н 2 О → С 2 Н 2 + Са(ОН) 2 . При давлении 17,5 МПа и выше взрыво- 360 опасен. При полном сгорании ацетилена в кислороде образуется пламя из трех зон, называемое нейтральным. Наивысшая температура (около 3200 о С) находится во второй зоне на расстоянии 3…7 мм от конца ядра пламени. Этим участком пламени обычно и производится сварка. Присадочным мате- риалом при газовой сварке служит чистая стальная проволока диаметром 2…8 мм с содержанием углерода 0,15…1,5 % в зависимости от состава сваривае- мого материала. Для уменьшения степени окисления шва во время сварки применяют флюсы (буру и борную кислоту). Газовую сварку обычно применяют для изделий толщиной не более 30 мм. При большей толщине свариваемого изделия целесообразно применять элек- тродуговую сварку (рису- нок 272). Рисунок 272 – Схема газовой сварки (а) металла и газовой го- релки (б): 1 – присадочный материал; 2 – свариваемый металл; 3 – наплавленный металл; 4 - корпус горелки; 5,6 – шланги ацетилена и кислорода; 7 – баллон с кисло- родом; 8 – ацетиленовый генера- тор Термитная сварка ис- пользует тепло химической реакции смеси алюминиевого порошка (22 %) и чистой железной руды или окалины (78 %). При горении термита протекает экзотермическая реакция 2Аl + Fe 2 O 3 → 2Fe + Аl 2 О 3 + Q. Температура дости- гает 3000 о С. Концы деталей свариваются с заполнением зазора восстанов- ленным железом. Термитную сварку применяют для сварки труб и при ре- монтных работах. При контактной сварке , или сварке методом сопротивления , электрический ток подводится к двум свариваемым изделиям. При их контакте используется выделяющееся тепло, которое размягчает металл, при сближении под нагруз- кой они свариваются. В настоящее время применяют три вида контактной сварки. Точечная сварка служит для соединения внахлестку сеток и каркасов. Суммарная толщина металла обычно не превышает 20 мм. Свариваемая арма- тура или листы укладываются внахлестку или соединяются при помощи накладки и зажимаются между двумя медными электродами (рисунок 273). Рисунок 273 – Схема различных ви- дов контактной сварки: а – стыковая; б – точечная; в – роликовая 361 Роликовая сварка используется для соединения главным образом листо- вого металла с целью получения не только прочного, но и плотного герме- тичного соединения. В отличие от точечной сварки в ней стержневые элек- троды заменены вращающимися роликами, которые захватывают сваривае- мые листы и создают непрерывный шов. При прохождении тока металл под роликами нагревается и сваривается под влиянием давления роликов. Макси- мальная суммарная толщина свариваемых листов составляет 6 мм. Стыковая сварка используется для соединения металлических стержней арматуры. Для этого торцы свариваемых стержней зажимают в держателях электросварочной машины и прижимают друг к другу, затем включают элек- трический ток, который разогревает металл в месте контакта и в прилегаю- щих участках до свариваемой температуры. В месте сварки образуется утол- щение, которое усиливает соединение стержней. В строительстве наиболее широко применяется электродуговая сварка металлическим плавящимся электродом и электроконтактная сварка. Кроме сварки, широко используется кислородная резка стали. |