Обработка металлов давлением

            Наряду  с  такой   широко   распространенной   технологической   схемой наблюдается переход к  схеме  «литая  заготовка  —  готовый  прокат».  Этому способствует успешное освоение разливки  стали в заготовки квадратного и прямоугольного  сечений,  что   имело   распространение   лишь   в   цветной металлургии.  Непрерывное  литье  стальных  заготовок  длительное  время  не применялось  из-за  значительных  трудностей   выполнения   технологического процесса  самой  разливки.  Однако  этот  процесс   обеспечивает   получение химически более однородной  плотной  заготовки,  что  резко  повышает  выход годного.     Например, на слябах  спокойной  углеродистой  стали  выход  годного выше на 20%,  чем  при  разливке  в  изложницы.  Вместе  с  тем  исключается необходимость иметь  отделение  подготовки  изложниц  и  поддонов,  а  также стрипперное  отделение.  Применение  непрерывной  разливки   стали   снижает себестоимость металлургического  передела,  так  как  при  этом  устраняется необходимость  в  дорогостоящем  оборудовании  обжимных  цехов,  исключаются расходы  на  содержание  обслуживающего   и   административного   персонала.     Установлено, что себестоимость проката в этих условиях снижается на  8...10% при улучшении во многих случаях механических свойств и других  характеристик стали..  Непрерывным  литьем  стали  изготовляют  слябы  сечением  до  300х2030, 300х2320 мм, квадратные заготовки сечением до 320х320 мм,  а также круглые полые трубные заготовки. Технологическая  схема  получения  того  или  иного вида   готового   проката   предусматривает   включение   всех   необходимых последовательных  операций  обработки,  начиная  с  подготовки  слитка   или заготовки для нагрева и кончая завершающей отделкой и определением  качества готового проката.  Вместе  с  тем  следует  иметь  в  виду,  что  технология изготовления даже одного и того  же  вида  изделия  может  в  какой-то  мере отличаться, если производство его осуществляется на другом прокатном  стане, хотя основные операции изготовления имеют много общего. К  основным   технологическим  операциям  любой  технологической  схемы производства  проката  следует  отнести:  подготовку  исходных   материалов; нагрев перед  прокаткой  (кроме  холодной  прокатки,  когда,  однако,  часто требуется другая операция — соответствующая термическая обработка);  горячую и холодную прокатку; калибровку и производство гнутых  профилей;  отделку  с операциями резки,  правки,  термической  обработки,  удаления  поверхностных  дефектов, травления и пр.

                      Рис. 2 Общая схема технологического процесса в прокатных цехах.

               ●    Волочение металла

          Волочение металла — это протягивание изделия круглого  или фасонного профиля  через  отверстие  волочильного  очка  (волоку),  площадь  выходного сечения  которого  меньше  площади  сечения  исходного  изделия.   Волочение выполняется тяговым усилием, приложенным к  переднему  концу  обрабатываемой заготовки. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки  с  высокой точностью поперечных размеров и трубы разнообразных сечений.

          Обработка   металла   волочением   находит   широкое    применение    в металлургической, кабельной и машиностроительной промышленности.  Волочением получают проволоку с минимальным диаметром 0,002  мм,  прутки  диаметром  до 100 мм, причем не только круглого сечения, трубы главным образом небольшого диаметра и с тонкой стенкой.    Волочением  обрабатывают  стали  разнообразного химического состава, прецизионные сплавы, а также  практически  все  цветные металлы (золото, серебро, медь, алюминий,  и  др.)  и  их  сплавы.  Изделия, полученные волочением, обладают  высоким качеством поверхности и высокой точностью размеров поперечного сечения. Если  изделию  требуется  придать  в основном эти характеристики, то такой вид обработки называют калибровкой. Волочение  чаще  всего  выполняют  при  комнатной температуре,   когда пластическую  деформацию  большинства  металлов  сопровождает  наклеп.   Это свойство в совокупности с термической обработкой, используют  для  повышения некоторых механических  характеристик  металла.  Так,  например,  арматурная проволока  диаметром  3...12  мм  из  углеродистой  конструкционной,   стали (0,70...0,90%С)  при производстве   ее   волочением   обеспечивает   предел прочности 1400... 1900 МПа и предел текучести 1200... 1500 МПа. Волочение выгодно отличается от механической обработки металла резанием (строганием), фрезерованием, обточкой и пр., так как при этом  отсутствуют отходы металла в виде стружки, а  сам  процесс  заметно  производительнее  и менее трудоемок. Волочением можно изготовлять полые и сплошные  изделия  часто сложного поперечного  сечения,  производство  которых  другими  способами  не  всегда представляется возможным  (например,  тонкие  изделия,  прутки  значительной длины). При волочении ряда профилей (квадратный, треугольный,  шестиугольный  и др.)   используют   составные    волоки,    которые    отличаются    высокой универсальностью, так как в одной и той же волоке, меняя  профиль  отверстия соответствующей перестановкой отдельных пластин,  можно  получать  различные размеры профиля. Кроме составных волок при производстве  прутков  и  главным образом труб применяют шариковые и роликовые волоки. При получении  профилей сложной формы применяют  дисковые  волоки,  в  которых  рабочие  поверхности волочильного канала образуются  поверхностями  свободно  вращающихся  дисков (неприводных валков-роликов).

          В качестве  исходного  материала  для  волочения  применяют  катаную  и прессованную  заготовки.  При  производстве  алюминиевой,  медной  и  другой проволоки в  качестве  исходной  заготовки  используют  катанку,  получаемую непосредственно  из  плавильной  печи  через  кристаллизатор  и  непрерывный прокатный стан. Независимо от способа  получения  исходная  заготовка  перед волочением   проходит   тщательную   предварительную   подготовку,   которая заключается  в  проведении  того  или  иного  вида  термической   обработки, удалении окалины и подготовке поверхности для  закрепления  и  удержания  на ней смазки в процессе волочения. Эти предварительные  операции  обеспечивают нормальное  выполнение  пластической  деформации  в  волочильном  отверстии, способствуют получению  высокого  качества  поверхности  изделия,  уменьшают усилие и энергию на волочение и снижают износ волочильного инструмента. Термическая обработка металла перед волочением снимает наклеп,  придает металлу необходимые пластические свойства, обеспечивает  получение  наиболее оптимальной структуры. Поэтому термическую обработку выбирают  такой,  чтобы в  сочетании  с  пластической  деформацией  она  обеспечивала   максимальные механические и другие характеристики обрабатываемого изделия. В  зависимости от химического состава металла и  назначения  продукта  волочения  применяют отжиг, нормализацию, закалку, патентирование. Патентирование  применяют  для углеродистых сталей. Процесс патентирования состоит в нагреве  металла  выше критической точки и охлаждении его  в  среде  с  температурой  450…500°С.  В качестве такой закалочной среды используют расплавленный свинец или соли. В процессе получения готового изделия волочением термическую  обработку для снятия наклепа и улучшения структуры металла можно  выполнять  несколько раз в зависимости от размеров исходного и конечного  продуктов  обработки  и окончательных его  качественных  показателей.  Готовый  продукт  тоже  можно подвергать окончательной термической  обработке  в  целях  придания  металлу требуемых механических свойств и структуры. При  производстве  проволоки  и  прутков  волочением  большое  внимание уделяют  подготовке  поверхности  продукта   обработки   перед   волочением. Удаление  окалины   в   калибровочных   и   волочильных   цехах   производят механическим,   химическим   и   электрохимическим   способами,   а    также комбинациями этих способов. При механической очистке поверхности от  окалины проволоку или пруток подвергают периодическим перегибам в разных  плоскостях между  роликами,  после  чего  металл  поступает  на   завершающую   очистку стальными щетками. Такой способ  экономически  целесообразен,  пригоден  для очистки поверхности главным образом из углеродистой стали,  окалина  которой при перегибах сравнительно легко  разрушается  и  опадает.  Из  механических способов, обеспечивающих достаточно успешную  очистку  поверхности  металла, находит применение дробеструйная обработка. Под действием  ударов  дроби  из отбеленного чугуна.  стального  литья  или  высокопрочной  мелко  нарезанной стальной  проволоки   окалина   на   поверхности   обрабатываемого   изделия разрыхляется  и  удаляется.  Этот  способ  очистки  поверхности  металла  от окалины во многих случаях не требует дополнительного  травления  и  наиболее часто применяется в калибровочных цехах.     Химические способы удаления окалины  получили  широкое  распространение благодаря своей  надежности,  хотя  они  менее  экономичны  по  сравнению  с механическими способами.   Травление углеродистых и ряда  легированных  сталей производят  в  серной  или  соляной   кислотах.   Высоколегированные   стали (кислотоупорные, нержавеющие и др.)  травят  в смесях  кислот  (серная  и соляная, серная и азотная и др.). Медь и  ее  сплавы  травят  в  5...10%-ной серной кислоте при температуре 30...60°С. Травление металла в  кислотах  для очистки  от  окалины  обычно  производят  с  добавлением  в  ванну  присадок (ингибиторов травления), которые значительно уменьшают скорость  растворения основного металла,  но  не  влияют  на  скорость  растворения  окалины,  что предотвращает  перетравливание.  Кроме  того,  присадки   снижают   диффузию водорода (Н2)  в  металл,  уменьшают  загазованность  травильных  отделений, улучшают условия труда.

                                     Рис. 3 Схема волочильных станов, без скольжения:

а – непрерывно – петлевого типа; б – магазинного типа; 1 – волоки; 2 – тяговые ролики – барабаны; 3 – направляющие ролики; 4 – натяжные ролики; 5 – пружины; 6 – уравнительные рычаги; 7 – зубчатые секторы; 8 - реостаты

           Непосредственно после травления металл тщательно промывают для удаления остатков раствора кислоты, солей железа, шлама, травильной присадки,  грязи. Промывку производят немедленно после травления, так  как  задержка  ведет  к высыханию травильной жидкости и выделению  труднорастворимых  солей  железа. Обычно промывку ведут сначала в горячей воде, что  обеспечивает  интенсивное растворение солей, а затем для лучшего удаления шлама  —  в  струе  холодной воды из шланга под давлением около 0,7 МПа.

          После удаления окалины наносят подсмазочный слой, который должен хорошо удерживать смазку при волочении  и  способствовать  предохранению  налипания металла на рабочую поверхность волоки.

          После травления, промывки, нанесения подсмазочного слоя металл сушат  в специальных камерах при циркуляции воздуха температурой  300...350°С.  Сушка удаляет  влагу,  а  также  устраняет   возможную   травильную   (водородную) хрупкость,  которая  может  возникнуть  от   того,   что   часть   водорода, образующегося при травлении, диффундирует в металл и вызывает ухудшение  его пластических свойств. Все операции по подготовке поверхности металла к волочению выполняют  в специальном изолированном помещении. Для травления и  обработки  поверхности проволоки  и  прутков  существуют   травильные   машины   периодического   и непрерывного   действия.   Обработка   в   машинах   непрерывного   действия обеспечивает быстрое и равномерное травление  изделий  любых  сечений.  Этот способ является наиболее  прогрессивным,  так  как  в  непрерывном  процессе можно  сочетать  термическую  обработку,  удаление   окалины   и   нанесение подсмазочного   слоя.   Такая   поточная   обработка   обеспечивает   полную автоматизацию процесса,  повышает  качество  металла,  снижает  трудоемкость операций. После процесса волочения прутки помимо термической обработки во  многих случаях правят, шлифуют, полируют и в зависимости от назначения  наносят  на них  защитные  покрытия,  например,  цинкованием,  лужением,  хромированием, кадмированием, алитированием, лакировкой и др. Правку  обычно  выполняют  на роликоправильных машинах, которые устанавливают или в потоке  производства, или отдельно. Шлифовка  поверхности  калиброванных  прутков  на  глубину  до 0,15...0,30 мм используется  для удаления  поверхностных дефектов,  снятия обезуглероженного слоя, придания точных размеров поперечному сечению  прутка и др.

          Для регламентации технологических операций составляются технологические карты,  в  которых  расписан  весь  технологический  процесс  по  подготовке металла к волочению, маршрут волочения, способы начальной,  промежуточной  и окончательной термических обработок, операций отделки и пр. Так как маршрут волочения   представляет   собой   последовательность   изменения   размеров поперечного сечения исходного материала на волочильном  стане,  а  на  одной установке  обычно  получают  изделия  с  различными  размерами   поперечного сечения, то для каждого из них должен быть свой маршрут волочения.   Определяя маршрут обработки металла на станах многократного  волочения, необходимо учитывать кинематику стана, т. е. вытяжки должны  согласовываться с  частотой  вращения  и  размерами  диаметра  каждого  барабана.   Маршрут, принятый без учета кинематики стана,  особенно  для  станов,  работающих  со скольжением  не  только  затрудняет  процесс  волочения,  но  и  делает  его невыполнимым. Лишь на станах с автоматической регулировкой  скоростей  можно допускать некоторое несоответствие принятых вытяжек и заданных скоростей.

            ●      Прессование металла

      Прессование металла   — это  вытеснение  с  помощью  пуансона   металла исходной  заготовки  (чаще  всего  цилиндрической   формы),   помещенной   в контейнер, через отверстие матрицы.

        Этот способ  пластической  обработки  находит  широкое  применение  при деформировании как в горячем, так и в холодном состоянии  металлов,  имеющих не только высокую  податливость,  но  и  обладающих  значительной  природной жесткостью, а также в одинаковой мере применим для  обработки  металлических порошков и неметаллических материалов (пластмасс и др.).

         Прессованием изготовляют прутки диаметром З...250 мм,  трубы  диаметром 20...400 мм при толщине стенки 1,5...12  мм,  полые профили с несколькими каналами сложного сечения, с наружными и внутренними ребрами,  разнообразные профили с постоянным и изменяющимся  (плавно  или ступенчато)  сечением  по длине. Профили для изготовления деталей машин, несущих конструкций и  других изделий, получаемые прессованием, часто оказываются более экономичными,  чем изготовляемые прокаткой, штамповкой или отливкой с последующей  механической обработкой.  Кроме  того,  прессованием  получают  изделия  весьма   сложной

конфигурации, что исключается  при других способах пластической обработки. К основным преимуществам  прессования  металла  относятся:  возможность успешной  пластической  обработки  с  высокими  вытяжками,   в   том   числе малопластичных металлов и сплавов; возможность получения практически  любого поперечного сечения изделия, что при обработке металла другими способами  не всегда удается; получение широкого сортамента изделий  на  одном  и  том  же прессовом оборудовании с заменой  только  матрицы;  производство  изделий  с высокими качеством поверхности и  точностью  размеров  поперечного  сечения, что  во  многих  случаях  превышает  принятую  точность   при   пластической обработке металла другими способами (например, при прокатке). К  недостаткам получения изделий прессованием следует отнести: повышенный расход металла на единицу, изделия из-за существенных потерь в   виде   пресс-остатка;   появление   в   некоторых    случаях    заметной неравномерности  механических  и  других  свойств  по  длине  и  поперечному сечению изделия; сравнительно высокую стоимость прессового инструмента. Основным признаком разновидностей процесса прессования является наличие или  отсутствие  поступательного  перемещения  металла  относительно  стенок приемника (контейнера), за исключением небольших  участков  вблизи  матрицы, называемых мертвыми зонами, где перемещение металла  отсутствует.  Наряду  с наиболее распространенным методом прессования. с прямым истечением,  которое используется для получения сплошных  и  полых  изделий,  широкое  применение получил  обратный  (обращенный)  метод,  а  также  другие  схемы   истечения металла. Каждый  из  этих  методов  имеет  определенные  преимущества. Так, например, при  боковом  истечении  металла   помимо  удобств  приема  пресс-изделия обеспечивается минимальная разница механических  свойств  изделия  в поперечном и продольном направлениях. Процесс прессования выполняется в условиях неравномерного всестороннего сжатия   металла,   что   положительно   сказывается   на   увеличении   его пластичности. Поэтому прессованием можно обрабатывать  металлы  и  сплавы  с низкой   природной   пластичностью.   Однако   трехосное   сжатие   вызывает необходимость  значительных  усилий  при  обработке.   Поэтому   прессование требует повышенного расхода энергии на единицу объема деформируемого тела. Как отмечалось, при прессовании в местах перехода контейнера в  матрицу появляются  так  называемые  мертвые  углы, т.  е.  такие   зоны,   которые испытывают  лишь  упругую  деформацию.  Течение  металла  в  мертвых   зонах отсутствует, пока размер пресс-остатка не будет достаточно мал. Эти  мертвые зоны  при  прессовании  прутков  большой  длины  в  известной  мере  играют положительную роль, так как оказывают  фильтрующее  воздействие:  в  мертвых углах задерживаются различные загрязнения, что предохраняет  от  вдавливания посторонних  включений  в  поверхностные  слои  изделия.   При   неправильно выбранном размере пресс-остатка загрязнения мертвых углов могут попасть в изделие и  вызвать  заметное  понижение  его  качеств.  Все  это  необходимо учитывать при разработке технологического  процесса  прессования.  Практикой установлено, что при  нормальных  условиях  прессования минимальная высота пресс-остатка составляет 0,10... 0,30 диаметра исходной заготовки. Силовые  условия  прессования  определяются  свойствами  деформируемого металла, температурным режимом, размерами заготовки,  скоростью  и  степенью деформации, значением контактного трения, геометрией  инструмента  и  др.  К сожалению, еще не разработана методика, позволяющая связать все эти  факторы в математическую зависимость для  определения  усилий  прессования.  Поэтому приходится  пользоваться  методами  расчета,  лишь  приближенно  отражающими условия деформации.