Технология конструкционных материалов. Способы получения деталей (за
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
Э.М. Губарева
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ (ЗАГОТОВОК) И КОНСТРУКЦИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
УДК 621.791 Г93
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Р.А. Мусин (Пермский государственный технический университет);
д-р техн. наук, проф. М.Н. Игнатов (Пермский государственный технический университет);
канд. техн. наук, проф. А.И. Горчаков (Пермская государственная сельскохозяйственная академия)
Губарева, Э.М.
Г93 Технология конструкционных материалов. Способы получения деталей (заготовок) и конструкций: учеб. пособие / Э.М. Губарева. – Пермь: Изд-во Перм. гос.
техн. ун-та, 2008. – 238 с.
ISBN 978-5-88151-927-8
Описаны способы получения деталей (заготовок) в холодном и горячем состоянии материалов. Приведены сущность, достоинства и недостатки способов, области их применения.
Предназначено для студентов немеханических специальностей заочной формы обучения, изучающих дисциплины «Технология конструкционных материалов», «Технологические процессы машиностроительного производства».
УДК 621.791
ISBN 978-5-88151-927-8 |
© ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
техническийуниверситет», 2008 |
I. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов.
Физические свойства характеризуют температуру плавления металлов, их плотность, коэффициент теплового расширения, тепло- и электропроводность, упругие и магнитные свойства и т.п.
Химические свойства металлов определяются их химической активностью, способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими агрессивными средами, расплавленными металлами, коррозионной стойкостью.
Механические свойства характеризуют состояние металлов при воздействии внешней нагрузки. Внешняя нагрузка создает в металле напряжения σ (МПа), равные отноше-
нию нагрузки к площади сечения испытуемого образца:
σ P .
F0
Напряжения вызывают деформацию изменение формы и размеров металлического образца упругую, исчезающую после снятия нагрузки, или пластическую, остающуюся после снятия нагрузки. При чрезмерной пластической деформации происходит разрушение металла. Способность металла сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность.
Прочность металлов определяют на специальных образцах их растяжением, сжатием, изгибом, кручением. Чаще прочность
3
металла характеризуют пределом прочности при растяжении, или временным сопротивлениемразрыву σв , МПа:
σв Рв ,
F0
где Pв максимальная нагрузка, которую выдержал образец перед разрушением, Н;
F0 начальнаяплощадь поперечного сеченияобразца, м2.
Одновременно с прочностью при растяжении определяют и пластичность способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Пластичность обычно оценивают относительным удлинением или относительным сужением :
δ = lк l0 100 %, l0
где lк длина образца после разрыва, мм; l0 первоначальная длина образца, мм;
ψ F0 Fк 100 %,
F0
где F0 начальнаяплощадьпоперечногосеченияобразца, мм2;
Fк конечная площадь поперечного сечения образца
в шейке после разрыва, мм2.
Прочность при ударных нагрузках определяют разрушением образцов ударом массивного маятника и характеризуют ударной вязкостью KCU, KCV или КСТ (в зависимости от формы надреза образца: U, V, T) (МДж/м2):
KCU A ,
F0
где А работа, затраченная на излом образца; F0 площадь поперечного сечения образца.
4
Твердость способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Испытание твердости материалов используют как неразрушающий метод, позволяющий судить о прочности, так как твердость и прочность взаимосвязаны. Существует ряд методов определения твердости металлов. Чаще для определения твердости применяют метод Бринелля. По этому методу в испытуемый металл вдавливают стальной закаленный шарик при заданной нагрузке и определяют числа твердости НВ из отношения приложенной нагрузки Р, Н, к поверхности полученного отпечатка F0 , мм2:
HB P .
F0
Метод Бринелля используют для материалов с твердостью ниже 450 НВ.
Для испытания материалов с твердостью более 450 НВ и закаленных сталей используют метод Роквелла, сущность которого заключается в статическом вдавливании в образец наконечника под определенной нагрузкой. Наконечником для материалов до 230 НВ служит стальной закаленный шарик D = 1,59 мм, а для материалов более высокой твердости алмазный конус с углом при вершине 120 . Значение твердости определяют по глубине (мм) остаточного вдавливания наконечника и измеряют в условных единицах. В соответствии с условиями испытаний (тип наконечника, нагрузка) и шкалой прибора (В, С, А) измерения числа твердости обо-
значают 30 HRB, 60 HRC, 80 HRA и т.д.
Твердость по Виккерсу определяют путем статического вдавливания в поверхность образца алмазной четырехгранной пирамидки с углом α = 136 между противоположными гранями. Число твердости определяют так же, как и в спосо-
5
бе Бринелля: отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F0 :
|
P |
|
2P sin |
α |
|
P |
|
HV |
|
2 |
1,8544 |
, |
|||
F |
d 2 |
|
d 2 |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
где d величина диагонали отпечатка;
Р приложенная нагрузка, Р = 50…1000 Н (5…100 кгс). Методом Виккерса измеряют твердость очень тонких
изделий и поверхностных слоев.
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки.
К ним относят: литейные свойства способность материала образовывать отливки; ковкость способность материала подвергаться обработке давлением; свариваемость способность образовывать качественные неразъемные соединения (швы); обрабатываемость резанием способность материала подвергаться обработке режущим инструментом.
Литейные свойства металлов характеризуются: жидкотекучестью способностью заполнять литейную форму; усадкой сокращением размеров и объема отливки при затвердевании; склонностью к ликвации неоднородности химического состава по сечению отливки, вызванной условиями затвердевания; газонасыщением за счет азота и водорода воздуха, а также образования газов в процессе взаимодействия расплава с литейной формой.
Ковкость способность материала изменять свою форму и размеры под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем усилии.
Свариваемость способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.
6
Обрабатываемость резанием способность материала подвергаться снятию с него определенного слоя, называемого припуском, с целью получения готовой детали с заданной конфигурацией, точностью размеров и шероховатости поверхности.
Эксплуатационные свойства характеризуют способ-
ность материала работать в заданных условиях, не изменяя своих свойств. К ним относятся:
–коррозионная стойкость сопротивление материала действию агрессивных кислотных и щелочных сред;
–хладостойкость способность материала сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 С;
–жаропрочность способность материала сохранять механические свойства при высоких температурах;
–жаростойкость способность сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах;
–антифрикционность способность материала работать в условиях трения без схватывания.
Свойства металлов и сплавов определяются их внутрен-
ним строением структурой и могут быть изменены термической, химико-термической, термомеханической обработкой и др.
7
II.МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО
1.Сущность металлургического производства
Применяемые в технике металлы принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы; к цветным все остальные металлы.
Основная продукция черной металлургии: чугуны; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и др.); стальные слитки для производства сортового проката и поковок крупных деталей машин (валов, роторов турбин, дисков и т.д.).
Продукцией цветной металлургии являются как чистые металлы, так и их сплавы, а также слитки для производства сортового проката, для изготовления отливок, лигатуры сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения.
2. Основные способы получения металлов из руд
Пирометаллургический способ основан на том, что те-
пло, необходимое для выплавки металла, образуется за счет сжигания топлива. Металлургические процессы, протекающие при высоких температурах, приводят к химическим изменениям всей массы используемых минералов (это основной способ получения железа и его сплавов, меди и др.).
Электрометаллургический способ получения металлов осуществляется в дуговых, индукционных и других электрических печах или электролизом из расплавов и водных растворов химических соединений (например, получение алюминия из глинозема Al2O3).
8
Гидрометаллургический способ заключается в выще-
лачивании металлов из руд различными растворителями и в последующем выделении их из раствора. Этот способ широко применяется для получения, например, меди, а в последнее время урана и некоторых других металлов.
Химико-металлургический способ – получение метал-
лов в результате химических и пирометаллургических процессов, например, титан получают восстановлением тетрахлорида TiCl4 магнием и последующей плавкой в электродуговых печах.
3. Материалы для производства металлов и сплавов
Для производства металлов используют руды, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.
Рудой называют горные породы, содержащие металлы в количествах, обеспечивающих экономную их переработку.
Руда состоит из минералов, содержащих металл в виде оксидов, сульфидов, карбонатов, и пустой породы (в основном, кремнезема SiO2, глинозема Al2O3), в составе которой находятся также примеси серы, фосфора, мышьяка и других элементов.
Флюсом называют материалы, образующие при плавке шлак легкоплавкое соединение с пустой породой руды, золой топлива и другими неметаллическими включениями. Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он находится на поверхности расплавленного металла.
При выплавке черных и некоторых цветных металлов
вкачестве флюсов используют кварцевый песок, состоящий
восновном из SiO2, известняк CaCO3 и другие соединения кальция или магния.
Топливом в металлургических процессах служит кокс, природный, доменный или коксовый газ, мазут.
9
Кокс получают сухой перегонкой коксующихся каменных углей без доступа воздуха при температуре 1000…1100 С. При такой обработке из угля извлекаются и ценные побочные продукты: бензол, фенолы, атакжеулавливается коксовый газ.
Природный газ состоит в основном из метана CH4. Доменный газ побочный продукт при выплавке чугуна
в доменной печи, содержит значительное количество горючих составляющих (до 32 % СО, до 4 % Н2).
Мазут тяжелый остаток перегонки нефти, содержит до 88 % С, 10…12 % Н2 инебольшоеколичествокислородаисеры.
Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) плавильных печей и другого оборудования, находящегося под действием высоких температур и расплавленных металлов и шлаков. По химическому составу огнеупорные материалы подразделяют на кислые, основные и нейтральные.
К кислым относятся динасовый кирпич, кварцевый порошок и другие материалы с высоким содержанием кремнезема SiO2; к основным доломитовые, магнезитовые и другие материалы с большим содержанием основных оксидов MgO, CaO; к нейтральным материалы, состоящие из оксидов Al2O3, Cr2O3, MgO и т.д. (шамот, хромомагнезит), а также углеродистый кирпич.
4.Производство чугуна
4.1.Материалы, применяемые для производства чугуна
Чугун это сплав железа с углеродом, содержание углерода в котором 2,14…6,67 %.
Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургическим способом в доменных печах, используя для этого твердое топливо кокс и флюсы.
10