Сущность обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением основана на использовании пластических свойств металлов. Пластичностью называют способность металла под действием приложенных сил изменять форму (деформироваться) без разрушения. При обработке давлением изменяется не только форма исходного металла (слитка или заготовки), но его структура и механические свойства.

Различают следующие виды деформации при обработке металлов давлением: горячая — при горячей обработке, неполная при неполной горячей обработке и холодная — при холодной обработке давлением.

Температура горячей обработки давлением на 0,65—0,75 выше абсолютной температуры плавления металла. Горячая деформация металла сопровождается двумя процессами: механическим и термическим. Механический процесс состоит в раздроблении металла и изменении его формы. Зерна (дендриты, рис. 119) расплющиваются и. вытягиваются в направлении деформации в виде волокон. Однако в таком состоянии зерна находятся мгновение. Действующий одновременно термический процесс, т. е. процесс рекристаллизации, способствует изменению их формы, образуя равновесие сферической формы мелкие зерна. Наружные же пленки дендритов металла остаются в вытянутом деформированном состоянии. Волокнистая структура металла является стойкой, она не изменяется ни при термической обработке, ни при последующих обработках давлением (рис. 120).

Волокнистость не является свойством металла. Она обусловлена его химическим составом и наличием неметаллических включений. Волокна состоят из фосфористых и сернистых соединений и шлаковых включений. Направленность волокон имеет важное практическое значение, так как механические свойства металла вдоль направления волокон и поперек различны. В направлении волокон металл после обработки давлением получается с повышенными механическими свойствами. Таким образом, при получении деталей из металла, прошедшего горячую обработку под давлением, следует учитывать, что направление возникающих максимальных напряжений при работе этих деталей должно совпадать с направлением волокон, а направление максимальных касательных напряжений должно быть перпендикулярно им. Волокна металла не должны перерезаться, а должны огибать контур детали.

На рис. 121 приведен коленчатый вал, откованный без криволинейной шейки, которая так же, как и щека, образована путем вырезки напуска. В этом случае в металле волокна перерезаны. В щеках металл работает поперек волокон, и такой вал будет воспринимать до разрушения небольшие нагрузки. На рис. 122 приведен такой же вал, но изготовленный путем гибки. Волокна металла в нем располагаются в направлении нормальных напряжений. Этот вал без разрушения может воспринимать повышенные нагрузки.

Механические свойства литого металла после горячей обработки давлением повышаются в полтора-два раза и более. Причины повышения прочности и пластичности металла следующие:

1) образование более мелких зерен в металле после обработки взамен дендритов, полученных в литом металле (слитке);

2) заварка микротрещин, усадочных пустот и рыхлости, образовавшихся в слитке во время кристаллизации жидкого металла;

3) частичное выравнивание химического состава металла заготовки по сечению во время нагрева. Сравнительные данные механических свойств литого и обработанного металла приведены в табл. 42.

Неполная горячая обработка металла давлением производится при температурах и скоростях деформации, когда рекристаллизация происходит только частично и металл имеет не полностью рекристаллизованную структуру. Наряду с равноосными зернами образуются и вытянутые зерна. Неоднородность зерен по форме в металлической заготовке приводит и к неоднородности механических свойств металла.

Холодная обработка металла давлением производится ниже температуры рекристаллизации; при этом происходит физическое упрочнение. При холодной обработке зерна металла расплющиваются, вытягиваются в направлении наибольшей деформации (рис. 123). Влияние холодной деформации сказывается на изменении механических и физических свойств металла: увеличиваются предел прочности, предел текучести и твердость; уменьшается относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость; теплопроводность, электропроводность и магнитная проницаемость уменьшаются, а гистерезис, коэрцитивная сила и растворимость металла увеличиваются.

При холодной обработке металл получает наклеп (нагартовку). При холодной деформации зерна вытягиваются в направлении вытяжки, а при большей деформации они как бы дробятся на мельчайшие «осколки». Величина этих осколков определяется несколькими сотнями параметров решетки. Они образуются по определенным кристаллографическим плоскостям скольжения (рис. 124). Трещинки между ними настолько малы (ультрамикроскопичны), что силы межатомного сцепления не нарушаются.

Чтобы ликвидировать те изменения, которые произошли в металле при холодной деформации, его подвергают рекристаллизационному отжигу.

Суть рекристаллизации заключается в том, что, начиная с некоторых температур, при нагреве происходит интенсивное перемешивание атомов в металле (ввиду значительного повышения их кинетической энергии) и изменение величины и формы деформированных зерен. Рекристаллизация возникает для чистых металлов около 0,4 абсолютной температуры плавления. Взамен вытянутых расплющенных зерен образуются мелкие равноосные сфероидальные зерна, повышаются пластические свойства, значительно понижается сопротивление деформированию, возвращаются металлу исходные свойства.

Основные виды обработки металлов давлением следующие: прокатка, волочение, прессование, ковка и штамповка. Первые два вида обработки обычно называют прокатноволочильным производством, а последние — кузнечно-штамповочным производством.