Um7.ru

Аренда стройтехники
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка

В условиях рыночной экономики производство любой продукции, в том числе и металлопроката, должно быть осуществлено с минимально возможными затратами, чтобы составлять достойную конкуренцию на рынке: кто произвел продукт приемлемого качества и при этом сумел на это затратить минимальное количество ресурсов, тот и молодец.

Способов сэкономить масса: можно осуществлять это за счет наемных работников, проводя сокращения или урезая заработную плату, или устанавливая все более высокие планки требований к самоотдаче, стимулированием к саморазвитию, а можно при разработке технологии опираться на современные достижения науки и техники, например, использовать различные методы моделирования при разработке новой технологии (см. статью о моделировании), сводя к минимуму затраты на промышленные эксперименты, или использовать для получения желаемого комплекса свойств не термическую обработку, а, например, заменять закалку на закалку с прокатного нагрева или использовать технологию термомеханической обработки (ТМО) . Вот о ней-то мы сегодня и поговорим.

Определение ТМО и примеры ее применения

Термомеханическая обработка представляет собой совокупность операций пластической деформации и термической обработки, проводящихся (в зависимости от схемы ТМО) в различной последовательности [1, стр. 1].

jongler

А вот что говорит один из гуру ТМО, М.Л. Бернштейн: [2, стр. 7] «Термомеханическую обработку следует понимать как совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно и его свойств, происходит в условиях повышенной плотности несовершенств строения, созданных пластической деформацией».

Вот некоторые позитивные примеры использования ТМО:

— внедрение ТМО позволяет снизить расход стали при производстве деталей машин и механизмов за счет уменьшения их сечения, сокращения расхода запасных частей, заменить в ряде случаев легированные стали на углеродистые [1, стр. 4];
— технологии, использующие ТМО, как правило, являются ресурсосберегающими, поскольку ликвидируется один вид (а иногда и два) термической обработки – нормализация или закалка и отпуск [5, стр. 20];
— с помощью ТМО можно повысить хладостойкость и жаропрочность изделий, сохранив при этом коррозионную стойкость сталей;
— повышение эксплуатационных свойств позволяет либо снизить вес конструкции, либо уменьшить потребность в запасных частях [3, стр. 23].

Пока все это звучит как реклама супермодного бытового комбайна, который и пылесосит, и бутерброды делает, и гладит, и стирает, а что именно из себя представляет — неизвестно, и как им пользоваться — тоже непонятно. Будем разбираться.

martishka-i-ochki

Изучение и создание схем ТМО

Раз уж мы дело имеем с сочетанием деформации и термической обработки, то
1) ТМО металлов и сплавов целесообразно применять во всех случаях, когда целесообразна и простая термическая обработка, т. е. когда в сплавах возможны:
а) превращения в твердом растворе, связанные с изменением растворимости одного компонента в другом, [1, стр. 7]как, например, в случае дисперсионнотвердеющих жаропрочных сплавов;
б) полиморфные превращения [1, стр. 7], как, например, в сталях;
2) исследования в области термомеханической обработки сводятся к изучению влияния пластической деформации на превращения в термически обрабатываемых сплавах и на структуру и свойства после этих превращений.

Схемы ТМО

Схем ТМО, как уже понятно из определений выше, существует множество: в зависимости от того, какой сплав мы деформируем, как мы деформируем, в каком температурном интервале, как охлаждаем, нагреваем, выдерживаем, какая из этих операций за какой следует и т.д, и т.п. и какую структуру при этом получаем, и схема ТМО, и ее название будут разными.

Читайте так же:
Прибор для измерения освещенности люксметр

А теперь «пробежимся галопом» по различным схемам ТМО. Как видно из таблицы ниже [2, стр. 22-23], их у нас целый букет!

TMO

Подробного описания каждого из видов ТМО я давать в этой статье не буду: во-первых, слишком много текста для одной статьи :), а во-вторых, даже у великих гуру ТМО четкое описание всех схем не всегда имеется 🙂 .

Остановлюсь лишь немного на тех процессах ТМО, с которыми встречался сам — это НТМО и ВТМО.

Высокотемпературная термомеханическая обработка. ВТМО

VTMO

а — для сталей, б — для стареющих сплавов, где полиморфного превращения нет

Применение этого процесса очень заманчиво, т.к. сравнительно легко вписывается в действующие на металлургических заводах технологические схемы горячей обработки давлением типа прокатки, волочения, ковки и т.д, и может быть осуществлен на тех же прокатных станах. В принципе, в начале процесс меняется мало: греем примерно до тех же температур, что и при прокатке, потом деформируем, НО теперь еще температуру деформации нужно контролировать и после деформации необходимо осуществить закалку.

На стадии же разработки режима деформации и закалки теперь необходимо еще и задумываться не только о формоизменении, а еще и о том, что внутри металла происходит, поэтому и к режиму деформации нужно подходить немного иначе!

Деформацию при ВТМО осуществляют выше порога рекристаллизации, а это значит, что рекристаллизация идет полным ходом: продеформировали аустенит — зерна его вытянулись, дислокации внутри них размножились, и во время междеформационной паузы вместо старых деформированных зерен родились и выросли новые рекристаллизованные. Затем металл снова продеформивали, снова зародились рекристаллизованные зерна. и так далее до последнего прохода, как и при обычной прокатке.

А вот после последнего прохода, который также осуществляется выше порога рекристаллизации, необходимо осуществить немедленную закалку, чтобы зафиксировать сотояние аустенита, полученное после деформации (повышенная плотность дислокаций, вероятно, особые конфигурации дислокаций типа полигональной субструктуры внутри зерен аустенита).

Как раз в этом и состоит особенность ВТМО — зафиксировать это состояние за счет немедленной закалки. Если это сталь, то структура, полученная аустенитом в результате деформации и немедленной закалки, наследуется мартенситом, а если это аустенитный сплав типа нержавейки или жаропрочного сплава, то мы просто получаем аустенит с унаследованной дислокационной структурой и сидящими внутри него атомами легирующих элементов (пересыщенный твердый раствор).

В случае сталей за закалкой следует отпуск мартенсита, а в случае аустенитных сплавов — старение.

Конечно же, надо понимать, что ограничения вносит размерный фактор: очень трудно резко охладить прокат большого сечения и удержать протекание рекристаллизации во внутренних слоях, где и температура больше, чем на поверхности, и скорость охлаждения меньше.

Итак, что нужно знать для разработки режима ВТМО?

Входные данные для разработки режима ВТМО

1. Нужно знать, когда мы деформируем металл выше, а когда ниже порога рекристаллизации, а значит, нужно знать температурные интервалы, когда рекристаллизация идет, а когда — нет . Информация эта важна для каждой стали или сплава, а в идеале — для каждого конкретного химического состава, т.е. для каждой плавки: ведь плавят-то в пределах допустимого диапазона химических элементов (см. ГОСТы), и каждый раз по-разному (два раза в одну реку не войдешь), а хим. элементы в разных количествах и сочетаниях оказывают влияние на протекание рекристаллизации, смещение точек превращения и т.п.

2. Из предыдущего пункта понятно, что нужно контролировать температуру металла. На предприятиях чаще всего это делают с помощью пирометров, вот только они измеряют температуру поверхности, а в центре она совсем другая.

Читайте так же:
Можно ли паять никель кадмиевые аккумуляторы

3. Нужно специальное дополнительное оборудование для охлаждения металла после деформации (установка охлаждения со спреями, бак с водой и т.п.), возможно, и иное вспомогательное оборудование типа кантователей или манипуляторов, с помощью которых металл можно в бак закинуть и потом достать.

4. Неплохо бы представлять, какое мы имеем распределение температур и деформаций по сечению , для того, чтобы понимать, какую структуру мы получим по сечению после завершения всего цикла ВТМО.

5. Понимать, какие превращения происходят в конкретном сплаве во время нагрева, деформации и охлаждения. Для этого нужны специальные исследования с применением пластометров, электронных, оптических и даже просвечивающих микроскопов, рентгеновских лучей, оборудованием для испытания мех. свойств и т.д.

Низкотемпературная термомеханическая обработка.

NTMO

а — для сталей, б — для стареющих сплавов, где полиморфного превращения нет

При НТМО деформацию осуществляют ниже порога рекристаллизации аустенита, т.е. никакого образования новых зерен не происходит, а зерна аустенита просто раскатываются, как тесто под скалкой, и накапливают дислокации.

skalka

Если мы имеем дело с НТМО стали, то деформация такая осуществляется в температурном диапазоне когда и рекристаллизации нет, и полиморфного превращения еще не происходит, так что температурный интервал этот невелик. В случае же аустенитных сплавов дела обстоят получше: аустенит устойчив в очень широком интервале температур.

После последнего прохода (если мы говорим о прокатке) сталь немедленно закаляют, фиксируя таким образом структуру, образовавшуюся в результате деформации, после чего проводят отпуск.

Для разработки режима НТМО знать нужно то же, что и при разработке схемы НТМО, так что см. выше.

Основная проблема с применением НТМО заключается в том, что при низких температурах, когда нет рекристаллизации (мощнейшего процесса разупрочнения), накопление дефектов кристаллической решетки (см. статью о методах упрочнения) происходит интенсивнее, чем в случае ВТМО, поэтому сопротивление деформации аустенита весьма велико, а значит, и оборудование использовать нужно более мощное, а оно не везде есть.

В заключение

Сегодня широко освоены различные схемы ВТМО и НТМО в первую очередь при изготовлении таких изделий, как лист и сортовой прокат (круг, квадрат, полоса). Все эти изделия объединяет одно — простое поперечное сечение.

Меньшее применение ТМО пока наблюдается при изготовлении заготовок и деталей машин, что скорее всего связано со сложностью профиля, а следовательно, и усложнением условий достижения однородности по сечению структуры и свойств [5, стр. 26]: плоский лист равномерно охладить проще, чем какую-нибудь хитрую деталь с меняющейся толщиной, — для этого требуется создавать специализированные охлаждающие устройства. К тому же есть проблемы и на простом профиле, когда толщина проката очень велика, что также ведет к неравномерности условий охлаждения по сечению.

Таким образом, термомеханическая обработка сегодня является перспективным методом получения изделий из сталей и сплавов с необходимым комплексом свойств, а также методом повышения эффективности производства, но «поле» это еще пахать и возделывать придется не одному поколению, т.к. проблем еще много. и это хорошо: ученым-металлургам, прокатчикам, металловедам и технологам на предприятиях еще будет чем заняться!

Ссылки

1. Григорьев А.К., Коджаспиров Г.Е. Термомеханическое упрочнение стали в заготовительном производстве. Л.: Машиностроение, 1985. 143 с.

2. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов сплавов, М:Металлугия, 1968, том 1, 1172 с.

3. Коджаспиров Г.Е. Термомеханическая обработка — эффективный способ регулирования структуры и свойств металлических материалов и основа ресурсберегающих технологий // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие технологии для России». СПб. 1995. С. 23.

4. Коджаспиров Г.Е., Алферов В.П., Воробьев Ю.П. Опыт объединения «Кировский завод» в повышении хладостойкости сталей для трактора «Кировец». Л.: ЛДНТП, 1986. 27 с.

5. Шаврин О.И., Исмаилов М.М. Управление анизотропностью упрочнения при термомеханической обработке // Повышение прочности и долговечности деталей машин. Ижевск, 1974. С. 20-28.

6. Шаврин О.И., Дементьев В.Б., Засыпкин А.Д. О повышении точности горячекатаных труб ВТМО с винтовым обжатием // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке. М. 1999. С. 37.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Сообщение 2

Человечество из покон веков добывали различные ресурсы, которые были необходимы им для их развития, спокойной жизни, и стабильного прогресса и инноваций. Однако чуть позже человечество столкнулось с проблемой, которая заставила его отделиться от простого собирательства и превратиться в вид, который мы знаем сегодня, а именно проблема обработки получаемых ресурсов и их последующее использование. Так и появилась обработка металла.

Читайте так же:
Схема подключения реле давления насосной станции

Ещё с давних пор люди обрабатывали металлы только одним единственным способом – ковкой, однако позже, с появлением различных машин и приспособлений они смогли обрабатывать металлы с большей эффективностью и скоростью.

Обработка металла необходима для его большей прочности, избавления от примесей, избавления от шлака и различных дефектов металла, что делает его обработку одной из наиболее важных отраслей металлургии. Существует несколько видов обработки металла.

  1. Обработка выдавливанием металла – один из наиболее лучших и эффективных способов обработки металла, так как при нём металл сразу получает свою окончательную форму, и сразу становится таким, каким и должен быть после качественной обработки. Сам процесс такой обработки происходит на специальных станках.
  2. Обработка прокаткой металла – дабы придать металлу наибольшую тонкость или ширину, металл прокатывают через специальную машину, которая расплющивает его, делая более широким, или, опять же, более тонким.
  3. Обработка металла методом прессовки – прессуют металл для придания ему наибольшей прочности и формы, которая была задана при помощи установок в специальной машине.
  4. Способ обработки ковкой металла – и последний способ обработки, известный всем – ковка. Используемый ещё нашими предками способ, отлично зарекомендовавший себя в делах связанных с обработкой металла, также он очень лёгок в повторении, так как не требует какого-то особо механизма или оборудования, только грубая физическая сила.

Также, следует сказать, что ещё существует огромное множество различных способов обработки металла, но они либо весьма специфичны, либо очень редки в использовании, что делает их не столь популярными как описанные выше. Поэтому описанные выше способы плотно укрепились на металлургическом поприще, оно попросту легки в использовании.

Разновидности оборудования для термообработки

Так как печи и оборудование для термообработки предназначаются для различных целей, они различаются по:

  • Расположению загрузочного отверстия. Горизонтальное, вертикальное, трубчатое, под колпаком, в виде колодца.
  • Дополнительным возможностям. Работа в вакууме, газовой среде и т.п.
  • Температурным возможностям. Низко-, средне- или высокотемпературные.

Так выполняется загрузка вертикальной печи

В зависимости от используемого топлива, оборудование для термообработки металлов и других материалов можно разделить на такие виды:

Газовые печи

Для того чтобы уменьшить теплопотери, камерные печи для термообработки обладают хорошей изоляцией и изготавливаются из огнеупорных материалов. Поды таких устройств выполняются из чугуна, стали, могут быть также керамическими или кремниевыми.

Благодаря возможности выставления точных настроек, печь может работать в широком температурном диапазоне – от незначительного нагрева до полного расплавления материала

Термическая камерная газовая печь на новом объекте, готовая к работе

Муфельные конструкции

Муфельное оборудование для термообработки, купить которое можно в компании «Лабор», отличается особыми возможностями камеры. Она служит для нескольких целей одновременно:

  • Поддерживает нужную температуру.
  • Обеспечивает равномерный прогрев.
  • Защищает образцы от контактов с продуктами сгорания, воздухом и испарениями.
Читайте так же:
Прокладка кабеля в земле снип

Материалами для изготовления муфельных печей могут являться керамика, глина, минеральная вата, асбест, кирпич и другие.

Печь SNOL с керамической камерой и сама камера

Электропечи

Электрическое оборудование для термической обработки металлов отличается наибольшим разнообразием моделей и разновидностей. По способу воздействия на материал и преобразованию энергии, они делятся на:

  • Индукционные. Тигель таких промышленных печей включает в себя металлические детали. Нагрев происходит посредством выделения энергии при прохождении через них электрического тока. В основном используется для изготовления сплавов.
  • Дуговые. Функционируют при постоянном или переменном токе. Металлы обрабатываются в вакуумной или газовой среде. Устройства обязательно комплектуются системой охлаждения. Являются вариантом недорогого оборудования для термообработки, так как потребляют небольшое количество электроэнергии.
  • Инфракрасные. Источник тепла в таких приборах выделяет ИК-излучение, способствующее быстрому и равномерному нагреву деталей.

Новенькая электрическая печь с камерой из термоволокна

Особенности термического способа обработки

Термообработка представляет собой совокупность процессов нагрева металлов до заданной температуры, выдержки и охлаждения с целью придания заготовке определенных физико-механических свойств в результате изменения структуры (внутреннего строения) детали. Материал для заготовок – цветные металлы, сталь.

Основные виды термообработки:

  1. Отжиг 1-го или 2-го рода. В процессе нагрева металлов до определенной температуры, после выдержки и охлаждения получается равновесная структура, повышается вязкость и пластичность, снижается твердость и прочность заготовки.
  2. Закалка с полимерным превращением или без. Цель термообработки – повысить параметры прочности и твердости материала за счет образования неравновесной структуры. Применяется для тех сплавов, которые претерпевают фазовые превращения в твердом состоянии при процессах нагрева и охлаждения.
  3. Отпуск. Ему подвергаются прочные стали, закаленные металлические сплавы. Основные параметры метода – температура нагрева, скорость охлаждения, время выдержки.
  4. Старение применяется к сплавам, которые были подвержены закалке без полиморфного превращения. После закалки повышается прочность и твердость магниевых, алюминиевых, никелевых, медных сталей.
  5. Химико-термическая обработка. Технологический процесс изменяет химический состав, структуру и свойства поверхности деталей. После обработки повышается износостойкость, твердость, сопротивление усталости и контактной выносливости, антикоррозийная устойчивость материала.
  6. Термомеханическая обработка. Этот вид включает процесс пластической деформации, с помощью которой создается повышенная плотность дефектов (дислокации) кристаллического строения заготовки. Применяют данный метод для сплавов алюминия и магния.

Где находит применение уникальный сплав?

Ковар (Kovar) обладает одинаковым коэффициентом теплового расширения, что и боросиликатное стекло. Поэтому материал используется в качестве уплотнения между металлическими и стеклянными компонентами, работающими при различных температурах. К таким применениям относятся области:

  • электроники,
  • оптики,
  • фотоники,
  • аэрокосмической промышленности.

В основном, материал используется здесь для изготовления корпусов стеклянных компонентов:

  • вакуумных ламп,
  • кожухов рентгена,
  • микроволновых трубок,
  • ламп,
  • кожухов лазеров и других элементов.

Так, например, из серии эксклюзивных изделий можно отметить выводные рамки космических телескопов, изготовленных из материала Ковар (Kovar).

Окисление поверхностей деталей сплава Ковар

Фактически Ковар (Kovar), также нередко упоминаемый как сплав ASTM F15, UNS K94610, Fe-29Ni-17Co, представляет аустенитный аллотроп железа (аустенит). Так называемый аустенит или гранецентрированное кубическое железо содержит 29% никеля, 17% кобальта, некоторое количество хрома, кремния и углерода, иного железа с гранецентрированной кубической микроструктурой.

Читайте так же:
Самодельная лопата для копки земли

Анодное соединение разрабатывалось как метод прочного соединения проводящих материалов, таких как Ковар (Kovar) и стекло. Метод анодного соединения связывает металл со стеклом, содержащим ионы, путём нагревания образцов при относительно низкой температуре.

Обычной практикой является окисление поверхности деталей сплава для улучшения свариваемости с боросиликатным стеклом. Методология позволяет заключать в металлические сборки электронные части — пьезоэлектрические и микрофлюидные датчики.

Типичные физические и механические свойства на Ковар

Физические свойства сплава отмечены следующими показателями:

  • плотность сплава составляет 0,021 кг/см 2 ,
  • удельный вес 8,36,
  • температурная точка Кюри для этого вида металла — 435°C.

Критическая температурная точка плавления отмечена параметром 1450°C. Удельная теплоёмкость приближается к значению 0.105 кал /г/м на градус в условиях температуры 0°C и 0.155 кал/г/м на градус при температуре 430°C. Теплота плавления составляет 64 кал/г, степень теплопроводности — 17,3 Вт/м·K, а электрическое сопротивление равно — 490 мкОм/мм.

Что касается свойств механических, здесь внимания заслуживают такие показатели, как модуль сдвига (7.5 · 106) и модуль упругости (20 · 106). Также интерес представляют максимальная прочность (5273 кг/см 2 ), предел текучести (3515 кг/см 2 ) и температурная точка перегиба (430°C).

Также из механических свойств уникального сплава следует отметить коэффициент Пуассона, равный 317, свойства удлинения до 30%, скорость распространения звука внутри структуры – 4968 м/сек., степень твёрдости по Роквеллу – 78.

Вакуумная печь для спекания

Вакуумная печь для спекания – это оборудование для термической обработки материалов под вакуумом посредством воздействия на него тока высокой частоты. Агрегат используется для температурного воздействия на заготовку и ее спекания в разряженной среде. Применяется для обработки деталей из молибдена, вольфрама, карбида, магнитных сплавов и углеродистых материалов.

Вакуумная печь для спекания может быть смонтирована в любую технологическую схему. Во время термической обработки материал практически не подвергается окислению и короблению. Благодаря наличию системы автоматики имеется возможность оперативной смены режима обработки. Вакуумная печь для спекания проста в эксплуатации и техническом обслуживании. Отдельные модели могут выполнять функции нормализации и отжига.

Трудности отрасли

Основная сложность заключается в том, что предприятия нуждаются в полноценном техническом переоснащении. Старые наработки, использовавшиеся на большинстве производств, уже давно себя изжили:

  • они не соответствуют современным требованиям экологичности;
  • не особо практичны;
  • себестоимость конечного продукта, получаемого таким способом, значительно выше, чем у зарубежных фирм-аналогов;
  • низкая конкурентоспособность производимой продукции.

Получается, что переход на новые технологии – необходимость, которая сможет повысить качество изготавливаемого товара. Однако на практике это осуществить сложно. Причины:

  • требуются большие денежные вложения, а для этого необходимо усиливать финансовую привлекательность отрасли, например, за счет повышения производительности труда, это возможно только в случае грамотной мотивации рабочих, занятых на производстве;
  • многие руководители попросту не готовы рисковать тем, что имеется, аргументируя это доводами о невозможности определить заранее, насколько прибыльнее станет бизнес после модернизации.

Другие факторы, оказывающие тормозящее действие на развитие отрасли:

  • большая налоговая нагрузка;
  • высокие проценты по кредитам (предприятиям сложно за счет самофинансирования проводить требующиеся изменения);
  • недобросовестная конкуренция со стороны зарубежных компаний;
  • нехватка квалифицированных кадров.

Однако в целом металлообрабатывающая индустрия является привлекательной для финансирования и развития, так как включает в себя не только производство металлических изделий, обеспечивающих другие отрасли, но и вторичную переработку металла, что позволяет увеличить ожидаемую прибыль.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector