Получение заготовок и их обработка в твердой фазе

В целях получения и обработки заготовок в твердом состоянии применяют технологические процессы механической обработки давлением и резанием, сварки давлением, а также порошковой металлургии. Для их осуществления необходимо приложение термической, механической энергии и их сочетаний, которые приводят к изменению структуры, свойств и размеров изделий.

Обработка давлением основана на пластической деформации заготовки без ее разрушения и нарушения сплошности. В процессе резания происходит разрушение заготовки с разделением ее на части. В традиционном понимании механической обработки резанием (точение, фрезерование, сверление и др.) эти части не равны. Меньшая часть представляет собой стружку, большая — обрабатываемую заготовку.

При разделительных технологических операциях механической обработки давлением, таких как вырубка, пробивка отверстий и отрезка на ножницах, разрушение заготовки сопровождается разделением ее на части, соизмеримые между собой. Если при пробивке отверстий отход материала можно условно назвать стружкой, то при разрезке листа на ножницах на две равные части понятие «стружка» теряет всякий смысл.

Исторически сложилось так, что механические обработки заготовок резанием и давлением в основном различаются применяемым оборудованием. Установить четкую грань между обработкой резанием и давлением достаточно сложно, поскольку для их осуществления необходима пластическая деформация заготовки. И в процессе резания заготовок, и в условиях разделительных операций обработки давлением эти деформации всегда доводят до разрушения.

Сварка в твердом состоянии и изготовление заготовок методами порошковой металлургии обеспечивают получение требуемых свойств и заданной конфигурации изделий в результате образования межатомных или межмолекулярных связей на границе соединяемых элементов. При этом термическая обработка заготовок, сопровождающая процессы горячей обработки давлением, сварки с использованием тепловой энергии и спекания порошков, оказывает существенное влияние на изменение свойств заготовок.

В результате пластической деформации при получении заготовок и их обработке в твердом состоянии изменяются исходная структура и свойства материала. Кроме того, наличие механических надрезов, трещин, внутренних дефектов, сквозных отверстий, резких переходов от толстого сечения к тонкому приводит к неравномерному распределению напряжений.

Поскольку напряжения образуются по разным причинам, различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в заготовках после пластической деформации.

Остаточные напряжения возникают в заготовках при быстром нагреве или охлаждении в процессе сварки, обработки давлением и резанием вследствие неоднородного расширения (сжатия) различных слоев и зон изделия. Эти напряжения называют тепловыми или термическими. Вследствие неоднородного протекания фазовых превращений по объему заготовки возникают фазовые или структурные напряжения. Кроме того, в результате взаимодействия заготовки с инструментом (например, со штампом) при пластической деформации в ней возникают остаточные и упругие напряжения.

При возрастании касательных напряжений выше определенных значений деформация становится необратимой. После снятия нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и, следовательно, свойства.

Пластичность является основным фактором, определяющим возможность формоизменения поликристаллического тела (заготовки) обработкой давлением. Количественно значение пластичности может быть определено максимальной степенью деформации, выше которой металл разрушается. Например, при осадке пластичность рассчитывают как



где H0 — начальная высота заготовки; — минимальная высота заготовки, при которой не происходит ее разрушения.

Сопротивление деформированию оценивают значением удельной силы (напряжения), вызывающей пластическую деформацию поликристаллического тела при определенных условиях нагружения и температурно-скоростных режимах деформирования:



где Pi — внешняя сила, под действием которой происходит пластическая деформация заготовки; Si — площадь поперечного сечения изделия, образующаяся после окончания деформации под действием силы Pi.

Значительное влияние на деформируемость поликристаллических тел оказывает схема напряженного состояния и температура процесса. Так, в условиях трехосного неравномерного сжатия значения emax и оi существенно выше, чем при одноосном сжатии или растяжении. С увеличением температуры пластичность заготовки, как правило, возрастает, а сопротивление деформированию уменьшается.

При горячей деформации заготовок сопротивление деформированию примерно в 20 раз меньше, чем при холодной. Пластичность металла возрастает при нагреве, поэтому горячую обработку давлением применяют для изготовления крупных изделий и при деформации высокопрочных малопластичных материалов.

Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Максимальную температуру следует назначать такой, чтобы не было перегрева (резкого увеличения размера зерен) и пережога (расплавления и окисления границ зерен).

В результате обработки давлением слитков неметаллические включения, располагающиеся по границам кристаллитов, вытягиваются в виде волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла. После травления эти волокна видны невооруженным глазом, поэтому макроструктуру таких сплавов называют волокнистой (рис. 23.13). Полученная в результате обработки давлением волокнистая макроструктура не может быть изменена последующей термической обработкой.

Изделия с явно выраженной волокнистой макроструктурой даже после горячей обработки давлением характеризуются анизотропией (векториальностью) механических свойств. Поскольку показатели пластичности выше вдоль волокон, чем поперек, при изготовлении детали желательно предусмотреть благоприятное с точки зрения эксплуатации расположение волокон. Так, наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях в процессе работы, должны быть направлены вдоль волокон, а если детали работают на срез, то желательно, чтобы перерезывающие силы действовали поперек волокон.

В процессе механической обработки заготовок резанием, как и при обработке давлением, имеет место сложное напряженное состояние. При резании металлов стружкообразование является процессом локализованной пластической деформации, доведенной по плоскости сдвига до разрушения.

Результатом упругого и пластического деформирования обрабатываемой заготовки режущим инструментом является наклеп (упрочнение) поверхностного слоя.

В процессе резания в поверхностном слое возникают напряжения растяжения или сжатия. Напряжения растяжения снижают предел выносливости металла заготовки, так как они приводят к появлению микротрещин в поверхностном слое при работе детали.

Неравномерное изменение остаточных напряжений искажает геометрическую форму обрабатываемых поверхностей, снижает точность их взаимного расположения и размеров. Следовательно, окончательную обработку поверхностей заготовок необходимо вести таким образом, чтобы остаточные напряжения отсутствовали или были минимальными. При механической обработке целесообразно обеспечивать возникновение напряжений сжатия, которые способствуют увеличению долговечности деталей машин.

При сварке на соединяемых поверхностях заготовок и в прилегающих объемах металла, как правило, протекают следующие процессы: пластическая деформация, диффузия, упрочнение, рекристаллизация, формирование и разрушение оксидных пленок и др. Скорость образования сварных соединений определяется кинетикой процессов формирования физического контакта и химического взаимодействия в объеме соединяемых элементов.

Физический контакт обеспечивается пластической деформацией микронеровностей на соединяемых поверхностях (рис. 23.14, а). Сглаживанию поверхностей может способствовать поверхностная диффузия и другие процессы, не связанные с действием внешних сил (рис. 23.14, б). Скорость химического взаимодействия (образования связей) в основном зависит от скорости создания активных центров на сближаемых поверхностях и диффузионных процессов в зоне сварки (рис. 23.14, в).

В случае если длительность и температура процесса сварки в твердом состоянии достаточны для интенсивного развития диффузионных процессов, в зоне соединения образуются общие зерна или новые фазы. При сварке однородных элементов критерием окончания процесса может служить рекристаллизация, приводящая к образованию общих зерен в зоне контакта (рис. 23.14, г). Для получения соединений разнородных металлов необходимость развития или ограничения диффузии определяется свойствами образующихся фаз в зоне контакта.

Для получения высокоплотных изделий непосредственно из металлических порошков необходимо осуществлять деформацию в условиях, при которых в заготовке происходят сдвиги между частицами (рис. 23.15, а, б). Хрупкие пленки при растяжении лопаются, и в трещины выходят неокисленные объемы металла, которые участвуют в образовании соединения частиц порошка.

Спекание металлического порошка происходит при температуре T = (0,7...0,8)Tпл в защитной среде. Этот процесс сопровождается увеличением поверхности контакта, созданием активных центров, диффузионными процессами между частицами и соответствующим ростом прочности заготовки (рис. 23.15, в, г). Повышение температуры существенно повышает скорость спекания и, как правило, оказывается эффективнее, чем увеличение длительности процесса. После спекания заготовки, полученные методами порошковой металлургии, представляют собой компактные тела, имеющие остаточную пористость.

Открытие явления безызносности при трении позволило разработать способ плакирования в твердой фазе поверхностей стальных и чугунных изделий медью или ее сплавами. Покрытие, нанесенное на поверхность заготовок, придает им высокие антифрикционные свойства и повышает предельно допустимые удельные нагрузки в узлах трения. Этот способ плакирования получил название «финишная антифрикционная безабразивная обработка» (ФАБО).

Сущность технологического процесса ФАБО состоит в том, что поверхности заготовок после механической обработки резанием покрывают слоем металла толщиной 1...5 мкм. Плакирование проводят в твердой фазе путем трения прутка (инструмента) о поверхность заготовки. Для того чтобы наносимый слой металла был сплошным, ровным и прочно удерживался на обработанной поверхности, с заготовки следует удалить оксидные и масляные пленки. При этом для заполнения металлом впадин между выступами неровностей необходимо учитывать шероховатость поверхности заготовки, скорость перемещения заготовки и инструмента, рабочее давление при плакировании.

Материал инструмента должен обладать достаточной прочностью для того, чтобы разрушать оксидные пленки на обрабатываемой поверхности. Улучшение пластичности прутка увеличивает площадь контакта в зоне пластической деформации, что способствует росту производительности процесса и качества покрытия. При этом для одностороннего переноса материала инструмента на изделие его прочность должна значительно уступать прочности обрабатываемой заготовки.

Всем требованиям к материалу инструмента отвечают латуни (Л63, ЛC59-1 и др.), которые образуют покрытия с необходимыми свойствами на заготовках из углеродистых и легированных сталей.

Шероховатость поверхностей деталей после плакирования в значительной степени зависит от величины неровностей поверхности заготовки. При среднем арифметическом отклонении профилей неровностей Ra 1,25 мкм достигают высокого качества покрытия при требуемой производительности процесса (число проходов инструмента составляет 1-2). В этих условиях неровности, имеющие острую форму, осуществляют микрорезание материала инструмента, продукты которого образуют сплошное покрытие на обработанной поверхности.

При значениях Ra менее 0,3 мкм плакирование в твердой фазе затруднено тем, что процесс микрорезания материала инструмента поверхностью заготовки заменяется пластическим деформированием. Поэтому интенсивность изнашивания латунного стержня уменьшается, происходит увеличение наклепа инструмента, что затрудняет отрыв отдельных частиц латуни и перенос их на заготовку в процессе плакирования. При Ra более 2,5 мкм сложно обеспечить проникновение материала инструмента во впадины неровностей поверхности.

Прочного соединения наносимого слоя латуни с поверхностью заготовки достигают в результате разрушения и удаления оксидных пленок, чему способствует действие технологических жидкостей, которые при повышенных температурах становятся восстановительной средой. Кроме того, они служат для пластифицирования материала инструмента, создавая тонкий поверхностный слой, разрыхления оксидных пленок на обрабатываемой поверхности и предохранения зоны трения от возможного перегрева при нанесении покрытия.

Для обработки поверхностей из углеродистых сталей в качестве технологической жидкости применяют глицерин. При плакировании легированных сталей глицерин не способен разрыхлять и восстанавливать плотные и сложные оксидные пленки, состоящие из соединений хрома, кремния, никеля, молибдена, титана и других химических элементов. Введение в глицерин соляной кислоты или хлористого цинка позволило получить на заготовках из легированных сталей качественные латунные покрытия. Этот состав технологической жидкости отличается повышенной вязкостью и хорошо удерживается на обрабатываемой поверхности при скоростях вращения заготовки до 1,0...1,5 м/с.

Заготовки из чугуна подвергаются латунированию (нанесению покрытий из латуни), но при этом сказывается отрицательное влияние графита, препятствующего адгезии частиц латуни с поверхностью заготовки. Этому способу плакирования не могут быть подвергнуты изделия, покрытые хромом, никелем или фосфатными пленками.

В процессе взаимного перемещения заготовки и инструмента не только происходит разрушение и удаление оксидных пленок, но и образуется соединение латуни с поверхностью заготовки. При этом продольная скорость подачи инструмента при трении определяет производительность процесса плакирования и качества покрытия. Однако при очень высокой скорости подачи инструмента наносимый материал не успевает внедриться во впадины неровностей поверхностного слоя, поэтому не удается получить качественное покрытие.

Технологический процесс ФАБО поверхностей изделий, представляющих собой тела вращения (оси, втулки и т. п.), проводят на станках токарной группы с помощью приспособления, приведенного на рис. 23.16.

Скорость вращения заготовки, как правило, составляет 0,1...0,2 м/с, рабочее давление инструмента на плакируемую поверхность — 50...70 МПа, продольная подача латунного прутка диаметром 4...6 мм составляет 0,1...0,2 мм/об. Покрытия с требуемыми свойствами могут быть получены за 2-3 прохода инструмента.