Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Получение заготовок и их обработка в жидкой фазе

15.11.2018

При литье заготовок на процесс затвердевания и образования кристаллической структуры существенно влияют температура заливки металла в форму и скорость охлаждения отливки.

Низкие температуры заливки металла, как правило, приводят к образованию мелкозернистой структуры, а высокие — вызывают получение крупных кристаллитов в заготовках.

Низкие скорости охлаждения отливки способствуют получению крупных дендритно-равноосных кристаллитов. С увеличением скорости охлаждения появляются зоны столбчатых кристаллитов. При очень большой скорости охлаждения расплава получается сплошная мелкая столбчатая структура большой плотности, для которой характерны высокие механические свойства.

Особенностью отливок, изготовленных с кристаллизацией под давлением (жидкой штамповкой), является отсутствие прибылей и литниковых систем. При этом усадка заготовок зависит от свойств сплава, схемы прессования, давления и времени выдержки отливки под нагрузкой. Увеличение давления и времени прессования способствуют уменьшению величины усадки отливки.

При сварке плавлением кромки соединяемых элементов и присадочного материала расплавляются и образуется сварочная ванна. Этот процесс является разновидностью литья в металлическую форму, поэтому кристаллизация шва в значительной степени напоминает формирование отливок. Однако условия кристаллизации сварочной ванны имеют ряд отличий:

• средняя скорость кристаллизации металла шва равна скорости перемещения сварочной ванны;

• кристаллизация шва зависит от формы подвижного температурного поля;

• наличие «готовых» центров кристаллизации на стенках соединяемых элементов и др.

Способ и режимы сварки влияют на размеры столбчатых кристаллитов. С увеличением длительности существования сварочной ванны при высоких температурах, например в случае электрошлаковой сварки, заметно растут размеры кристаллитов в зоне шва и в зоне термического влияния.

Процесс наплавки заключается в получении поверхностных слоев нанесением расплавленного присадочного материала методом сварки (рис. 23.9). Проплавление основного металла, перемешивание основного и наплавленного металлов должны быть минимальными для сохранения механических свойств наплавляемого слоя.

Материалы, применяемые для наплавочных работ, можно подразделить на следующие группы: сплавы на основе железа (стали, высокохромистые чугуны и др.); сплавы на основе никеля и кобальта; сплавы на основе меди; карбидные сплавы (с карбидом вольфрама или хрома) и др.

Наплавку применяют для восстановления изношенных изделий и создания поверхностей с необходимыми свойствами при изготовлении новых изделий. Масса наплавленного слоя обычно не превышает нескольких процентов от общей массы заготовки. При затвердевании расплавленного металла рост кристаллитов в наплавленном слое происходит на базе частично оплавленных зерен основного металла.

В промышленности наиболее широкое распространение получила дуговая наплавка покрытым электродом, порошковой проволокой, в среде защитных газов, под флюсом и др. Электрошлаковую наплавку применяют, когда необходимо нанести большое количество металла; лазерная наплавка обеспечивает локальность теплового воздействия, минимальное перемешивание наплавленного и основного металлов, а также практическое отсутствие деформации изделия после наплавки.

При проведении работ по наплавке следует иметь в виду, что в поверхностных слоях наплавленного металла возникают остаточные, как правило растягивающие, напряжения. В результате этого возможно не только искажение формы и размеров заготовок, но и появление трещин в наплавленном слое. Процесс газотермического нанесения покрытий заключается в формировании направленного потока дискретных частиц размером 10...200 мкм (рис. 23.10). Для образования прочных связей между частицами в покрытии необходимо обеспечить достаточный уровень активации при их контактировании с поверхностью, которая, как правило, не оплавляется. Этого достигают нагревом и ускорением частиц в процессе переноса.

В зависимости от источника теплоты и движущих сил переноса различают следующие способы напыления: газопламенное, плазменное, детонационное, дуговая металлизация и высокочастотная металлизация. В газопламенных процессах для нанесения покрытий используют теплоту, выделяющуюся при сгорании горючих газов в смеси с кислородом или сжатым воздухом. Для создания потока частиц основными видами материалов, используемых при газопламенном напылении, являются порошок и проволока (см. рис. 23.10). В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан или водород, при сгорании которых в кислороде на выходе из сопла температура достигает 2 500 °C, скорость движения частиц — 50...120 м/с, а производительность — 2...8 кг/ч для стали и 5...30 кг/ч для цинка.

При плазменном напылении применяют в основном струи, получаемые в дуговых плазматронах, в которых источником нагрева является дуга, горящая между водоохлаждающими электродами. В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, водород, азот, аммиак, гелий, воздух и др. Частицы порошка, попадая в плазменную струю, расплавляются и переносятся на поверхность обрабатываемого изделия.

При детонационном напылении источник нагрева представляет собой высокоскоростной поток газовой смеси, который образуется в результате направленного взрыва, обусловленного детонацией. Скорость продуктов детонации определяет скорость напыляемых частиц, которая обычно составляет 800...1200 м/с.

При электродуговом напылении (металлизации) поток наплавляемых частиц образуется в результате плавления материала высокоамперной дугой. Особенностью горения дуги в электрометаллизаторе является воздействие мощного скоростного потока распыляющего газа, в результате чего происходит сжатие дуги, температура которой достигает 4 000 °C.

Процесс высокочастотного напыления (металлизации) основан на использовании токов высокой частоты. Помещенный в индуктор стержень (проволока) расплавляется вихревыми токами, возникающими под действием переменного магнитного поля, которое образуется при прохождении высокочастотного тока по катушке. Расплавленный металл распыляют струей сжатого воздуха и наносят на обрабатываемую поверхность. При напылении металлов, активно взаимодействующих с кислородом, используют инертные газы.

Газотермическое нанесение покрытий проводят как при атмосферном, так и при пониженном или повышенном давлении. Скорость и размер частиц наплавляемого материала существенно влияют на структуру и свойства покрытия. С увеличением скорости частиц повышается плотность и однородность покрытия. Частицы размером менее 10 мкм становятся непригодными для напыления на воздухе: они не достигают поверхности изделия, поскольку увлекаются потоком газа, обтекающим изделие.

Различные способы газотермического напыления применяют для получения коррозионно-стойких, износостойких, жаростойких и других покрытий из алюминия, цинка, сталей, бронзы, карбидов вольфрама, керамики. Размеры и форма изделий при этом методе неограниченны, а толщина покрытия может составлять 0,1...2 мм. Для получения прочного соединения покрытия с поверхностью заготовки следует провести специальную подготовку поверхности, которую перед нанесением металла толщиной до 1 мм обдувают корундом для очищения, придания необходимой шероховатости и активации. Если напыляют более толстые слои, то шероховатость обеспечивают черновым точением или фрезерованием канавок типа «ласточкин хвост».

Преимуществом газотермического нанесения покрытий является возможность применения широкого спектра материалов и проведение процесса как в атмосфере, так и в защитных камерах. К недостаткам следует отнести высокую стоимость процесса, относительно низкую производительность, высокий уровень шума.

Нанесение покрытий в жидкой фазе осуществляют также погружением в расплавленные среды, электролитическим осаждением металлов и химической обработкой (нанесение покрытий и поверхностное легирование).

Термическую резку применяют для обработки металлов и неметаллических материалов сжиганием, плавлением, испарением и удалением расплава струей газа в зоне реза. Этот процесс предназначен для изготовления заготовок, создания отверстий, удаления поверхностных слоев (строжки) и др. В промышленности наиболее широкое применение для разделительной и поверхностной обработок заготовок получили кислородная резка, а термогазоструйная резка, плазменная резка и разделение лазерным лучом.

При кислородной резке происходит локальное сжигание металла в струе кислорода и удаление этой струей образующихся оксидов. Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде, например, сталь нагревают до температуры 1000...1200 °С. Горение металла сопровождается выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои на всю толщину заготовки. Образующиеся оксиды расплавляются и выдуваются струей режущего кислорода из зоны реза.

Для обеспечения процесса резания необходимо выполнение следующих условий:

• температура плавления металла должна быть выше температуры горения в кислороде, а температура плавления образующихся оксидов — ниже температуры плавления материала заготовки;

• количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки;

• образующиеся оксиды должны обладать высокой жидкотекучестью и легко выдуваться струей режущего кислорода;

• теплопроводность материала заготовки должна быть низкой.

Указанным требованиям отвечают низкоуглеродистые и низколегированные стали. Кислородной резкой получают заготовки толщиной 5...300 мм. При резке большей толщины используют специальные резаки.

Термогазоструйную резку применяют при ремонте и утилизации изделий из высокопрочных, тугоплавких или цветных металлов. Для этой цели созданы газоструйные аппараты, которые работают на газообразном кислороде и жидком горючем (керосине или дизельном топливе). Используемые резаки оснащают режущей головкой, выполненной по типу камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, которая обеспечивает генерацию высокотемпературной химически активной газовой струи.

Особенностью такого процесса резки является возможность разрушения материалов широкой номенклатуры. Резкой этого вида разделяют изделия из высоколегированных и высокоуглеродистых сталей, чугунов, цветных металлов и их сплавов, бетона, гранита и др. Максимальная толщина разрезаемых материалов составляет, мм:

Газоструйная резка по сравнению с кислородной является более универсальной для разрушения разнообразных материалов, мобильна и оперативна в работе, ее себестоимость ниже; при использовании этого процесса отсутствуют требования к организации специальных мер безопасности. Наибольшей эффективности при термической резке достигают, обрабатывая изделия сложной конфигурации из разнородных материалов в условиях, малоприспособленных для механизации процесса разрушения.

Плазменную резку применяют практически для всех материалов. Плазменная струя представляет собой направленный поток полностью или частично ионизированного газа, имеющего температуру 10 000...20 000 °С. Плазму получают в горелках (плазматронах), пропуская газ через столб сжатой дуги, где газ нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде высокотемпературной плазменной струи. В качестве плазмообразующих газов служат азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.

Основными плазменными источниками нагрева являются плазменная струя, выделенная из столба косвенной дуги (рис. 23.11, а), и плазменная дуга, в которой дуга прямого действия совмещена с плазменной струей (рис. 23.11,б).

В горелках для получения плазменной струи дуга горит между вольфрамовым электродом и соплом, которое интенсивно охлаждается водой. Тепловая мощность плазменной струи ограниченна, ее применяют для резки заготовок из неэлектропроводных материалов (например, керамики), тонких стальных листов, изделий из алюминиевых, медных сплавов и др.

Для резки токопроводящих материалов большой толщины в целях увеличения эффективности тепловой мощности используют плазменную дугу, которая горит между электродом и заготовкой, в отличие от горелок первого типа. Плазменной дугой разрезают толстые листы алюминия и его сплавов (до 80...120 мм), заготовки из высоколегированных сталей и медных сплавов. Скорость резки плазменной дугой, при прочих равных условиях, выше скорости резки плазменной струей.

Плазменную резку можно проводить вручную, однако чаще всего применяют автоматизированные устройства, а для резки по сложному контуру — системы с числовым программным управлением (ЧПУ). Ширина реза может достигать 1...2 мм, а шероховатость — Rz 30...40 мкм.

Недостатком этого способа резки является высокий уровень шума и загрязнение окружающей среды, поэтому часто резку осуществляют под слоем воды.

Большое распространение получает лазерная резка, которая обеспечивает малую зону нагрева (0,1...0,2 мм), узкий рез (0,2...1,0 мм), шероховатость Rz 20...35 мкм и незначительное окисление кромок. Лазерное разделение заготовок обеспечивает высокую производительность при раскрое листов из углеродистой стали толщиной до 20 мм. При этом, по сравнению с механической обработкой резанием, не происходит изнашивание инструмента. Лазерным лучом термически разделяют заготовки из любых материалов — как металлов, так и неметаллов.

Лазерная резка заготовок осуществляется в результате испарения, плавления с удалением материала из зоны реза и других процессов, например горения или термодеструкции. Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого может быть в диапазоне значений 0,1...1000 мкм.

При разделении заготовок в режиме испарения материал нагревается до температуры кипения, а его удаление происходит под давлением, возникающим в парокапельной фазе. Этот способ отличается наибольшими удельными энергозатратами: он эффективен при разделении металлов и неметаллов малых толщин.

Резку заготовок в режиме плавления материала и удаление расплава осуществляют с использованием газа (в основном кислорода). Такую резку называют газолазерной. Газ подают в зону резки под высоким давлением через специальное сопло коаксиально с лазерным излучением.

Лазерная резка — высокопроизводительный процесс, позволяющий получать резы различной конфигурации как при отрезке заготовок, так и при вырезке их по замкнутому контуру. Современные лазерные установки для резки снабжены системами перемещения заготовок с ЧПУ или управляемыми ЭВМ. Применение лазерной резки особенно целесообразно в единичном и мелкосерийном производстве, например для вырезки в штампованных и свальцованных обечайках отверстий или проемов под иллюминаторы.

Недостатком резки этого вида является высокая стоимость процесса и низкий КПД используемого оборудования. Максимальная толщина заготовки, которая может быть разрезана лазерным лучом, значительно меньше (например, толщина листов из алюминиевых сплавов не превышает 8 мм), чем при кислородной и плазменной резке.

При обработке термическими методами практически отсутствует силовое воздействие инструмента на заготовку, поэтому погрешности формы и размеров изделия ниже, чем при механической обработке резанием. Электрофизические и электрохимические процессы предназначены в основном для обработки изделий из очень твердых, вязких и хрупких материалов.

Наиболее широкое применение получила электроэрозионная обработка (ЭЭО), в результате которой изменяют форму, размеры, шероховатость и свойства поверхностей заготовок. Под воздействием высоких температур в зоне разряда происходит нагрев, расплавление и частичное испарение металла. Процесс ЭЭО проводят в рабочей жидкости, заполняющей пространство между электродами. При этом один электрод является заготовкой, а другой — инструментом. Под действием сил, возникающих в канале разряда, жидкий и парообразный металл выбрасывается из зоны разряда в рабочую жидкость и застывает в ней с образованием гранул диаметром 0,01...0,005 мм (рис. 23.12).

Электрохимическая обработка основана на законах электрохимии. По используемым процессам различают анодную и катодную обработки, а по технологическим возможностям — размерную и поверхностную. При анодно-механической обработке сочетают электротермические и электромеханические процессы. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент — к катоду, в качестве которого используют металлические диски, ленту и проволоку. Обработку ведут в электролите, а заготовке и инструменту задают такие же движения, как и при обычных процессах механической обработки резанием.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: