- Холодная обработка металлов
- Механизмы холодной пластической деформации
- Преимущества холодной обработки
- Недостатки холодной обработки
- Металлы для холодной обработки
- Процессы холодной обработки металлов
- Холодная обработка металлов
- История холодной штамповки как технологии обработки металла
- Какие металлы поддаются холодной обработке
- Процессы холодной обработки металла
- Как проводят холодную обработку металла
- Где узнать о последних инновациях в сфере холодной обработки металла
- Криогенная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента
- Виды термической обработки
- Металлы для холодной обработки
- Примеры
- Недостатки холодной обработки
- Процессы холодной обработки металлов
- Криогенная обработка чугуна, сталей и сплавов:
- Оборудование включает:
Холодная обработка металлов
Только несколько металлов легко поддаются холодной обработке, в том числе, низкоуглеродистые стали, а также ферритные и аустенитные нержавеющие стали. Холодную обработку металлов часто называют также нагартовкой, наклепом, деформационной обработкой. Холодная обработка включает деформирование металла в пластической стадии при комнатной температуре или ниже температуры рекристаллизации. Степень, до которой металл можно подвергать холодной обработке зависит от его пластичности.
Механизмы холодной пластической деформации
При холодной пластической деформации металла происходит скольжение компонентов его структуры относительно друг друга. Известно, что металлы, в том числе, сталь, имеют кристаллическую структуру и состоят из зерен неправильной формы и различных размеров. Ориентация кристаллической атомной структуры в каждом отдельном зерне является упорядоченной, но имеет различное направление в разных зернах. В процессе холодной обработки зеренная структура металла изменяется, происходит фрагментация зерен, движение атомов и искажение атомной решетки (рисунок).
В результате холодной обработки зерна удлиняются, получают смещения атомной решетки и разбиваются на фрагменты. Для улучшения зеренной структуры нагартованного металла проводят специальные термические обработки: отжиг (отпуск) для снятия остаточных напряжений (возврат) и отжиг для формирования новых зерен (рекристаллизация).
В ходе холодной обработки металла в ослабленных местах атомной решетки зерен возникают плоскости сдвига, которые приводят к деформации зерен. При холодной обработке для продолжения деформирования металла требуются все более значительные усилия. При холодной обработке металла не происходит процессов рекристаллизации и возврата деформированных зерен. За счет увеличения плотности дислокаций, искажений атомной решетки и фрагментации зерен возникает упрочнение металла, которое называют наклепом, нагартовкой или деформационным упрочнением. Такое упрочнение металла вызывает в поверхностном слое изделия высокие сжимающие остаточные напряжения.
Преимущества холодной обработки
1) Повышение предела прочности и предела пластичности металла.
2) Повышение твердости металла, но снижение его пластичности.
3) Повышение качества поверхности и допусков на размеры.
4) Является эффективным способом повышения твердости для тех металлов, которые не способны упрочняться термической обработкой.
Недостатки холодной обработки
1) Только пластичные металлы, например, низкоуглеродистая сталь, могут подвергаться холодной обработке.
2) Возникают остаточные напряжения, не всегда благоприятные. Чрезмерная холодная обработка металла приводит к его охрупчиванию. Для восстановления пластичности металла требуется проведение отжига.
3) Зеренная структура металла искажается и фрагментируется – требуется термическая обработка.
4) Легко подвергать обработке только относительно небольшие изделия – большие требуют значительных усилий.
Металлы для холодной обработки
Следующие металлы легко подвергаются холодной обработке в виде листов и других простых по форме видов изделий.
1) Низкоуглеродистая сталь.
2) Медь.
3) Латунь.
4) Бронза.
5) Алюминиевая бронза.
6) Ферритные и аустенитные нержавеющие стали.
7) Сплавы на основе никеля (монель).
8) Нелегированный алюминий, сплавы алюминия с марганцем, сплавы алюминия с магнием, а также некоторые другие алюминиевые сплавы.
Процессы холодной обработки металлов
К процессам холодной обработки металлов относятся следующие:
1) Деформирование сдвигом или срезом: вырубка, пробивка, перфорирование, обрезка, продольная и поперечная резка и тому подобное.
2) Волочение: волочение проволоки, волочение труб, чеканка рельефа, правка растяжением.
3) Обработка давлением: холодная прокатка, чеканка, клепка, холодная штамповка, холодная ковка, накатка резьбы, накатывание насечки.
4) Гибка: гибка прутков, гибка на угол, роликовая правка, отбортовка.
Источник
Холодная обработка металлов
Обработка металлов может быть холодной или горячей. У каждого из этих способов есть свои преимущества и недостатки, технологические особенности и специальные методики.
Поскольку разные металлы имеют разные физические и механические свойства, для них выбираются различные методы обработки.
Наиболее экономный способ изготовления деталей и их заготовок – пластическая деформация. При таком воздействии давлением меняются физические и химические показатели готовых изделий, им придается необходимая форма и размер без нарушения целостности материала.
Холодная обработка металлов давлением часто используется в промышленных масштабах и на частных кузницах, поскольку она помогает быстро, без затрат энергии создавать самые различные продукты.
История холодной штамповки как технологии обработки металла
Известно, что человек нашел для себя такое полезное и многофункциональное ископаемое, как металл, еще в древние времена. Именно с того времени он и научился обрабатывать слитки, изготавливать из них оружие, предметы быта, украшения и другие полезные предметы.
В Древней Руси холодная обработка металлов методом штамповки была известна с конца первого тысячелетия, тогда мастера использовали технологию для производства посуды.
Принцип изготовления деталей и изделий заключается в том, что на лист железа механически воздействует штамп, после прессования получается готовый продукт.
Стоит отметить, что и древние, и современные изделия, изготовленные методом штамповки, отличаются высоким качеством.
Какие металлы поддаются холодной обработке
Поскольку холодная обработка металлов – это процесс, в ходе которого изменяется форма и размер заготовок и изделий при комнатной температуре, или температуре, которая не приводит к рекристаллизации, есть только определенные виды материалов, которые ей поддаются.
Степень подогрева металла зависит от его пластичности.
Холодной обработке поддаются такие металлы:
- Низкоуглеродистая сталь;
- Латунь;
- Бронза;
- Медь;
- Алюминиевая бронза;
- Аустенитные и ферритные нержавеющие стали;
- Сплавы, изготовленные на основе никеля;
- Нелегированный алюминий и некоторые его сплавы.
Процессы холодной обработки металла
Обрабатывать металлы при комнатной температуре или температуре, ниже температуры рекристаллизации можно несколькими способами.
Деформирование материалов срезом или сдвигом, например, вырубка, перфорирование, обрезка и подобные действия можно проводить с деталями, которые не нагреваются до высоких температур.
Волочение, чеканка, правка растяжение также допустимы для металлов, находящихся в холодном или слегка нагретом состоянии.
Обработка давлением, которая включает в себя клепку, штамповку, холодную прокатку, холодную ковку, накатку резьбы и насечки, является наиболее популярным методом холодной обработки, так же, как и гибка различных деталей и их частей.
Холодная обработка обладает такими преимуществами:
- Повышается предел прочность и предел эластичность металла;
- Повышается твердость, но в то же время, и понижается пластичность;
- Повышается качество поверхности и допуски на размеры;
- Альтернатива для повышения твердости металлов, которые не поддаются термической обработке.
Недостатки холодной обработки:
- Только определенные материалы с высокой пластичностью поддаются такой обработке;
- Возникновение остаточного напряжения в материалах, повышение их хрупкости, для восстановления пластичности проводят отжиг;
- Искажение и фрагментация зернистой структуры металла, устранить которую можно термической обработкой;
- Сложность обработки больших деталей.
Как проводят холодную обработку металла
Работа с металлом всегда считалась прерогативой сильных и ловких мужчин-кузнецов, о которых ходили легенды и пересказы. Однако в наше время все изменилось, холодная обработка металлов, как и горячая, все чаще осуществляется специальными автоматизированными или автоматическими машинами.
Современные производства, которые хотят выпускать продукцию высокого качества, давно отказались от ручного труда, поскольку он малопроизводительный, кроме того, на выходе могут получиться бракованные изделия, исправить которые невозможно.
Специальные машины с программным обеспечением четко и слаженно выполняют все заданные им функции, контролирует их диспетчер, чье участие в процессе минимальное. Такие агрегаты позволяют налаживать серийное и массовое изготовление изделий из металла.
Где узнать о последних инновациях в сфере холодной обработки металла
В ЦВК Экспоцентр будет проходить специализированная международная выставка «Металлообработка», на которой можно узнать, какими инновационными методами производится холодная обработка металлов на ведущих отечественных и зарубежных предприятиях.
Экспоненты представят оборудование, инструменты и станки для работы с разными металлами, в том числе продемонстрируют технологии холодной обработки металла, а также поделятся своими последними достижениями в этой сфере и планами на будущее.
Источник
Криогенная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента
Металл в термопечи
Термической (или тепловой) обработкой
называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.
Общая длительность нагрева металла при тепловой обработке складывается из времени собственного нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Время нагрева зависит от типа печи, размеров изделий, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.
Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой средой и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность изделий становится менее прочной и теряет твёрдость.
При нагреве и охлаждении стали происходят фазовые превращения, которые характеризуются температурными критическими точками. Принято обозначать критические точки стали буквой А. Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо-углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит. Критические точки А2 находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. A3 соответствует линиям GS и SE, на которых соответственно завершается превращение феррита и цементита в аустенит при нагреве.
Для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения, например Ас1, Ac3, Ar1, Ar3.
Виды термической обработки
Среди основных видов термической обработки следует отметить:
- Отжиг Отжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это — побочное явление).
- Отжиг 2 рода связан с превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, нормализация, изотермический отжиг, патентирование, сфероидизирующий отжиг.
Ранее для обозначения этого процесса использовалась иная терминология — «обработка холодом», «термическая обработка стали при температурах ниже нуля», но они не совсем точно отражали суть процесса криогенной обработки. Суть криогенной обработки заключается в следующем: детали и механизмы помещаются в криогенный процессор, где они медленно охлаждаются и после выдерживаются при температуре минус 196˚С в течение определенного времени. Затем обрабатываемые изделия постепенно возвращаются к комнатной температуре. Во время этого процесса в металле происходят структурные изменения. Они существенно повышают износостойкость, циклическую прочность, коррозионную и эрозионную стойкость. Эта технология позволяет повысить ресурс инструментов, деталей и механизмов до 300 % за счет улучшения механических характеристик материала в результате обработки сверхнизкими температурами. Наибольшего эффекта удается достичь при обработке таких металлических изделий, как специальный режущий, штамповый, прессовый, прокатный, мелющий инструмент, подшипники, ответственные пружины. Основные свойства металла, приобретенные в ходе глубокого охлаждения, сохраняются в течение всего срока их службы, поэтому повторной обработки не требуется. Криогенная технология не заменяет существующие методы термического упрочнения, а позволяет придать материалу, обработанному холодом, новые свойства, которые обеспечивают максимальное использование ресурса материала, заданного металлургами. Использование инструмента, обработанного сверхнизкими температурами, позволяет предприятиям значительно сократить расходы за счет:
- увеличения износостойкости инструмента, деталей и механизмов
- снижения количества брака
- сокращения затрат на ремонт и замену технологического оснащения и инструмента.
Теоретическая разработка и практическое освоение процесса криогенной обработки считается достижением советской науки. Работы таких учёных, как Г. В. Курдюмова, исследования А. П. Гуляева, В. Г. Воробьева и других связаны с обработкой холодом для улучшения качественных характеристик закаленной стали.
Спустя несколько лет после публикации исследований советских учёных появились первые аналогичные работы в иностранной печати, авторы которых ссылались на советские работы как первоисточник. Именно работы советских учёных позволили полно оценить эффективность влияния обработки холодом на свойства стали и положили начало современному развитию и использования этого способа обработки. В 1940—1950-е годы на советских промышленных предприятиях пытались внедрить криогенную обработку инструмента из быстрорежущих сталей в жидком азоте, но это не только не давало ожидаемого результата, но и приводило к снижению прочности инструмента, поскольку появлялись микротрещины из-за резкого и неравномерного охлаждения. От метода, позволяющего преобразовать остаточный аустенит в мартенсит, пришлось отказаться, в основном из-за экономической нецелесообразности — высокой стоимости азота, как основного хладагента.
В США, Японии, Германии, Южной Корее тему криогенной обработки как эффективного способа обработки конструкционных и инструментальных сталей развивали, и десятилетия исследований и опытов привели к результату — в настоящее время технология криогенной обработки успешно применяется во многих отраслях промышленности.
Металлообработка и машиностроение:
- увеличение ресурса инструмента и оборудования до 300 %
- увеличение износостойкости материалов
- увеличение циклической прочности
- увеличение коррозионной и эрозионной стойкости
- снятие остаточных напряжений
Транспорт и спецтехника:
- увеличение ресурса тормозных дисков до 250 %
- повышение эффективности работы тормозной системы
- увеличение циклической прочности пружин подвески и других упругих элементов на 125 %
- увеличение ресурса и мощности двигателя
- снижение расходов на эксплуатацию транспортных средств
- увеличение эксплуатации оружия до 200 %
- уменьшение влияния нагрева оружия на результаты стрельбы
- увеличение ресурса узлов и механизмов
Добывающая и обрабатывающая промышленность:
- увеличение стойкости породоразрушающего инструмента до 200 %
- уменьшение абразивного износа машин и механизмов
- увеличение коррозийной и эрозийной стойкости оборудования
- увеличение ресурса промышленного и горнодобывающего оборудования
Аудиотехника и музыкальные инструменты:
- уменьшение искажения сигнала в проводниках
- уменьшение рассеиваемого проводниками тепла на 30-40 %
- улучшение музыкальной детальности, ясности и прозрачности звучания
- расширение диапазона звучания музыкальных инструментов
Применение криогенной обработки актуально практически для любой отрасли, где есть необходимость повышения ресурса, увеличения усталостной прочности и износостойкости, а также требуется рост производительности.
Металлы для холодной обработки
Следующие металлы легко подвергаются холодной обработке в виде листов и других простых по форме видов изделий. 1) Низкоуглеродистая сталь. 2) Медь. 3) Латунь. 4) Бронза. 5) Алюминиевая бронза. 6) Ферритные и аустенитные нержавеющие стали. 7) Сплавы на основе никеля (монель). Нелегированный алюминий, сплавы алюминия с марганцем, сплавы алюминия с магнием, а также некоторые другие алюминиевые сплавы.
Примеры
Гомогенизационный отжиг + старение
Например, для суперсплавов на базе никеля (типа «Инконель 718») типичной является следующая термическая обработка: Гомогенизация структуры и растворение включений (англ. Solution Heat Treatment) при 768—782 °C с ускоренным охлаждением. Затем производится двухступенчатое старение (англ. Precipitation Heat Treatment) — 8 часов при температуре 718 °C, медленное охлаждение в течение 2 часов до 621—649 °C и выдержка в течение 8 часов. Затем следует ускоренное охлаждение.
Закалка + высокий отпуск (улучшение)
Многие стали проходят упрочнение путём закалки — ускоренного охлаждения (на воздухе, в масле или в воде). Быстрое охлаждение приводит, как правило, к образованию неравновесной мартенситной структуры. Сталь непосредственно после закалки отличается высокой твёрдостью, остаточными напряжениями, низкой пластичностью и вязкостью. Так, сталь 40ХНМА (SAE 4340) сразу после закалки имеет твёрдость выше 50 HRC, в таком состоянии материал непригоден для дальнейшего использования из-за высокой склонности к хрупкому разрушению. Последующий отпуск — нагрев до 450 °C — 500 °C и выдержка при этой температуре приводят к уменьшению внутренних напряжений за счёт распада мартенсита закалки, уменьшения степени тетрагональности его кристаллической решётки (переход к отпущенному мартенситу). При этом твёрдость стали несколько уменьшается (до 45 — 48 HRC). Подвергаются улучшению стали с содержанием углерода 0,3 — 0,6 % C.
Недостатки холодной обработки
1) Только пластичные металлы, например, низкоуглеродистая сталь, могут подвергаться холодной обработке. 2) Возникают остаточные напряжения, не всегда благоприятные. Чрезмерная холодная обработка металла приводит к его охрупчиванию. Для восстановления пластичности металла требуется проведение отжига. 3) Зеренная структура металла искажается и фрагментируется – требуется термическая обработка. 4) Легко подвергать обработке только относительно небольшие изделия – большие требуют значительных усилий.
Процессы холодной обработки металлов
К процессам холодной обработки металлов относятся следующие: 1) Деформирование сдвигом или срезом
: вырубка, пробивка, перфорирование, обрезка, продольная и поперечная резка и тому подобное. 2)
Волочение
: волочение проволоки, волочение труб, чеканка рельефа, правка растяжением. 3) Обработка давлением: холодная прокатка, чеканка, клепка, холодная штамповка, холодная ковка, накатка резьбы, накатывание насечки. 4) Гибка: гибка прутков, гибка на угол, роликовая правка, отбортовка.
Криогенная обработка чугуна, сталей и сплавов:
Криогенная обработка – процесс медленного охлаждения деталей и инструментов в криопроцессоре до температуры жидкого азота – 196 ̊С с последующей выдержкой при этой температуре в течение 24 – 36 часов. После чего происходит процесс постепенного возврата к комнатной температуре. Процесс изменения температуры автоматизирован и контролируется с точностью до одного градуса.
Криогенная обработка позволяет увеличить износостойкость и ресурс выпускаемых изделий из чугуна, сталей и сплавов до 300%.
Криогенная обработка чугуна, сталей и сплавов возможна на начальной стадии процесса изготовления (до закалки) металлопродукции, например для повышения обрабатываемости. После термической обработки (закалки) – для повышения механических и эксплуатационных характеристик изделий. И после окончательной термической операции (отпуска) с целью упрочнения.
В процессе криогенной обработки металл длительное время находится в среде жидкого или газообразного азота при отрицательных температурах, где диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом не происходит.
Криогенная обработка не является окончательной операцией термообработки. Для снижения температурных напряжений, вызванных закалкой и криогенной обработкой, и получения требуемых механических свойств стали детали подвергают после криогенной обработки старению или отпуску.
Криогенная обработка проводится однократно и не нуждается в повторении, поскольку свойства материала, приобретенные в результате комплексной термической обработки, сохраняются в течение длительного времени эксплуатации.
Криогенной обработке подвержены чугун, конструкционные, легированные, нержавеющие, жаропрочные, инструментальные, магнитные стали и сплавы.
Эффективность процесса криогенной обработки достигается только при определенных температурно-временных параметрах – технологических режимах: скорость охлаждения, временные интервалы выдержки и циклов, скорость нагрева, температурные режимы отпуска.
Оборудование включает:
- процессор криогенный;
- датчик температуры;
- ёмкость с жидким азотом;
- клапан электромагнитный;
- контроллер;
- персональный компьютер.
Криососуд обеспечивает автоматическую передачу газообразного азота под заданным давлением в криокамеру.
Криокамера позволяет одновременно обрабатывать до 900 кг продукции. Конструкция камеры обеспечивает протекание «сухого процесса» обработки, исключая контакт обрабатываемых деталей с жидким азотом, что устраняет возможность термического удара.
Криопроцессор обеспечивает управление процесса криогенной обработки. Варьируемыми параметрами процесса являются: температура, скорости охлаждения и возврата к комнатной температуре, время выдержки.
В зависимости от марки стали и количества остаточного аустенита твердость стали при криогенной обработке повышается на 2–8 HRC, а условный предел текучести стали σ0,2 повышается до 20%, предел прочности σв повышается до 15%.
При закалке быстрорежущей стали температура конца мартенситного превращения лежит значительно ниже 00С, поэтому в структуре стали после закалки сохраняется значительное количество остаточного аустенита (более 18%). При дальнейшем охлаждении закаленной быстрорежущей стали до температуры минус 80 — 2000С приостановившийся процесс мартенситного превращения возобновляется, это сопровождается повышением твердости на 4 — 6 HRC. После криогенной обработки количество остаточного аустенита (до минус 1000С) в структуре быстрорежущей стали обычно не превышает 5 — 8%.
Если предусмотрена криогенная обработка, то многократный отпуск можно заменить однократным.
При отпуске стали, обработанной холодом, твердость несколько понижается (1–2 HRC), однако инструмент становится менее хрупким и получает более стабильные размеры.
Криогенная обработка повышает производительность инструмента из быстрорежущей стали на 10 — 20%, так как переход остаточного аустенита в мартенсит при низкой температуре не обедняет углеродом мартенситную основу структуру, как это происходит при отпуске.
В таблице 1 приведены механические свойства коррозионно-стойкой стали 95×18 до и после криогенной обработки.
Источник
