Контрольная работа по «Технологии конструкционных материалов и материаловедение»

     FeS + СаО = CaS + FeO. (9)

     Третий этап - раскисление стали - начинается после прекращения «кипения» стали. Он необходим для удаления растворенного в расплавленном металле кислорода. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим (см. реакции (6) -(8)) и диффузионным с помощью шлака (например, плавка стали в дуговой печи). В этот же период в металл вводят и необходимые добавки легирующих элементов (хрома и никеля для данной стали).

     Получение стали продувкой чугуна ведут в кислородном конвертере (рис. 3) - агрегате емкостью до 400 т, по внешнему виду напоминающему сосуд грушевидной формы с рабочим пространством, выполненным из футеровки (часто основной), сварным корпусом из листовой стали. Конвертер установлен на цапфах для возможности его поворачивания вокруг горизонтальной оси для загрузки шихты и слива стали.

     Исходными материалами для производства стали  в кислородных конвертерах являются жидкий чугун (3,5...4,5 % С), стальной лом (до 25 % массы металлошихты), железная руда, известь для наведения основного шлака, плавиковый шпат и боксит для увеличения жидкотекучести шлака.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     Рис.3 Кислородный конвертер для выплавки стали:

     1-футеровка  конвертера; 2-водоохлаждаемая фурма; 3- цапфы;

     Стрелкой  указан вариант продувки кислородом сверху 

     Для загрузки шихты конвертер наклоняют, загружают стальной лом, заливают жидкий чугун и возвращают в вертикальное положение. Далее вводят водоохлаждаемую фурму 2, через которую подают кислород под давлением 0,9... 1,4 МПа. Расход кислорода составляет 2... 5 м³/т металла. Одновременно с подачей дутья кислорода в конвертер загружают материалы, необходимые для наведения шлака. Окисление примесей в кислородном конвертере начинается с первой минуты подачи кислорода, протекает очень быстро благодаря перемешиванию расплава кислородной струей и сопровождается выделением большого количества теплоты. Температура расплавленного металла в зоне действия кислорода достигает 2 500°С, что позволяет перерабатывать значительное количество металлолома. При контакте кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его содержание значительно больше содержания примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая последний кислородом. Это приводит к тому, что окисление кремния, марганца, углерода, фосфора, чугуна происходит как по реакции с кислородом, поступающим в конвертер, так и с монооксидом железа на границе фаз металл-шлак. Наличие в конвертере шлака с большим содержанием СаО и FeO создает условия для удаления фосфора в начале продувки ванны кислородом, когда температура металла невысока. Удаление серы из металла в шлак происходит частично, так как при высоком содержании FeO в шлаке ее удаление затруднено. Во время продувки ведется автоматический контроль химического состава металла. Когда содержание углерода достигнет заданного для выплавляемой марки стали, продувку прекращают, кислородную фурму поднимают, конвертер наклоняют, сталь и шлак сливают. На этом этапе сталь раскисляют, забра сывая ферромарганец, ферросилиций, алюминий на струю металла. Конверторный процесс по времени занимает 30...45 мин.

     Кислородный конвертер в 10-15 раз более производительный агрегат по сравнению с мартеновской печью той же емкости, обеспечивает выплавку стали высокого качества, по содержанию азота (0,002...0,006 %) - на уровне мартеновской. Процесс позволяет перерабатывать до 40 % металлолома без дополнительной затраты топлива за счет экзотермических реакций.

     Выплавленную  в сталеплавильных агрегатах  сталь выпускают в сталеразливочные ковши и далее разливают. Для разливки стали применяют ковши, имеющие отверстие в днище, закрываемое стопором. Из такого ковша расплавленный металл поступает в чугунные изложницы квадратного, круглого или прямоугольного сечения. Применяют способы разливки стали сверху, снизу (сифонная разливка), а также способ непрерывной разливки.

     Разливка  сверху применяется при производстве слитков большого размера.

     При сифонной разливке (снизу) одновременно заполняются несколько изложниц (рис. 4), так как их полости при помощи отверстий в днище объединены системой каналов, выложенных огнеупорным кирпичом. Вся система заполняется расплавленным металлом через центровой литник. При разливке снизу металл заполняет изложницу спокойно, брызги на стенках изложницы отсутствуют, снижается количество дефектов литого металла, поверхность слитка получается

чистой, без раковин.

     

     Рис. 4. Способ сифонной разливки стали:

     1 - изложница; 2 - прибыльная надставка; 3 - центральный стояк; 4 - промежуточное разливочное устройство; 5 - жидкая сталь; стрелками показано движение расплава 

     В изложницах сталь затвердевает и  получают слитки, которые затем подвергают дальнейшей обработке.  
 

Горячая объемная штамповка 

     Метод обработки, основанный на применении специального инструмента - штампа, называется объемной штамповкой. Штамп состоит из двух или нескольких частей, которые в сомкнутом состоянии образуют одну или несколько полостей. При сближении частей штампа происходит принудительное перераспределение металла заготовки, в результате чего металл заполняет полость штампа, тем самым получаются заданные формы и размеры поковки. Основными видами объемной штамповки являются горячая (в условиях, близких к горячей деформации), холодная (в условиях холодной деформации), теплая (в условиях неполной холодной деформации) и полугорячая (в условиях неполной горячей деформации) штамповка.

     Горячая объемная штамповка по сравнению с ковкой имеет ряд преимуществ: значительно более высокая производительность; стабильность формы и размеров; более высокая точность размеров; возможность получения поковок более сложной формы. Конструктивные припуски меньше, иногда они могут отсутствовать. В то же время для штамповки требуются дорогостоящие штампы, имеющие ограниченную стойкость.

     Однако  горячая объемная штамповка имеет  следующие существенные преимущества по сравнению с обработкой резанием: значительно более высокие механические свойства изделий, в том числе сопротивление усталости и вибропрочность, и их стабильность; увеличение коэффициента использования материала при оптимизации технологии и конструкций штампов. В настоящее время разрабатываются и реализуются новые технологии, конструкции штампов и оборудования, обеспечивающие рентабельность процесса не только при массовом и крупносерийном производстве, но при серийном и мелкосерийном производстве, доля которых в выпуске машиностроительных предприятий постоянно увеличивается. Автоматизируется процесс проектирования технологии и инструмента, создаются автоматизированные технологические комплексы, расширяется сеть специализированных заводов по производству поковок горячей штамповкой.

     Исходные  материалы для штамповки - стальной прокат в виде прутков (обычно круглого, а также квадратного, прямоугольного и других сечений),

     Наиболее  распространена штамповка мерной заготовки, отрезанной в штампе от прутка по заданным размерам и массе. Из каждой заготовки обычно штампуется одна поковка.

     Технологический процесс горячей штамповки включает в себя разделку исходных материалов на заготовки, нагрев заготовок, штамповку, первичную термическую обработку поковок и отделку поковок.

     В современных кузнечных цехах  основным способом разделки проката на заготовки является точная резка на ножницах и прессах. Технология формоизменения при штамповке зависит от вида применяемого оборудования. Для штамповки применяют кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП), горизонтально-ковочные машины (ГКМ), гидравлические прессы, современные машины динамического действия, гибочные машины, крутильные машины и др.

     При составлении чертежа штамповочной поковки и выборе конструкции  штампа для горячей штамповки  необходимо учитывать ряд общих  положений. Геометрическая форма штампуемой детали и выбор поверхности штампа должны обеспечить возможность выема поковки из штампа. Увеличение числа поверхностей разъема позволяет увеличить сложность формы поковки, но уменьшает точность, увеличивает вероятность смещения одной части поковки относительно другой, усложняет технологию штамповки и конструкции штампа. Плоскость разъема штампа (разъем) же лательно предусматривать таким образом, чтобы полости штампа имели наименьшую глубину и наибольшую ширину, что облегчает заполнение ее металлом.

     В конструкции поковки должны быть предусмотрены наименьшие технологические и конструктивные припуски, обеспечивающие заданные показатели качества детали при наивысших технико-экономических показателях производства. Конструкция поковки должна удовлетворять требованиям технологии, условиям механизации и автоматизации процессов штамповки, обработки резанием и других последующих операций.

     Формоизменение  при штамповке осуществляется в  открытых и закрытых штампах, т. е. открытой и закрытой штамповкой. Течение металла при штамповке ограничивается полостью штампа, металл принимает форму этой полости (ручья).

     При штамповке в закрытых штампах (рис. 5) образование облоя не предусмотрено, т. е. масса заготовки практически полностью расходуется для получения изделия.

     

     Рис. 5 Закрытая  штамповка: 1-поковка, 2-выталкиватель 

     Поковки простой формы. получают в одноручьевом штампе. Если поковка имеет сложную форму, то требуются заготовительные операции, в результате которых получается фасонная заготовка, близкая по форме и размерам к готовой поковке. Из фасонной заготовки в штамповочных ручьях получают окончательную форму поковки. Для изготовления поковок используют горизонтально-ковочные машины (рис.6).

       

     Рис.6 Схема горизонтально-ковочной машины (а) и её штамп(б) 

     ГКМ — кривошипные машины, траектория ползуна которых лежит в горизонтальной плоскости. Главной их особенностью является наличие автоматически разъемной матрицы. Блок матриц ГКМ состоит из неподвижной 13 и подвижной 14 полуматриц, которые смыкаются и размыкаются автоматически под действием эксцентриков 17 и 18. Кривошипно-шатунный механизм ГКМ состоит из следующих узлов: 1 — электродвигатель; 2 — клиноременная передача; 3 — шкив; 4 — фрикционная муфта; 5 — вал; 6 — зубчатая пара; 7 — тормоз; 8 — кривошип; 9 — шатун; 10 — главный ползун, несущий пуансоны //.

     Копир на главном ползуне подводит и отводит передний упор 12, отмеривающий длину высадки. На кривошипном валу неподвижно закреплены копиры 17 и 18, по которым обкатываются ролики 19 и 20, оси которых закреплены в ползуне 21, скользящем под действием копиров в направляющих и через систему рычагов 16 двигающем боковой ползун 15, смыкая и размыкая матрицы -неподвижную 13 и подвижную 14 Схема штампа для штамповки кольца на   ГКМ показана на рис. 6, б. В исходном положении блок пуансонов 1, располагающийся на главном ползуне, находится в крайнем левом положении, матрицы разомкнуты. Рабочий, находящийся с тыльной стороны матриц, вынимает из нагревательного устройства пруток с нагретым концом и вставляет его в ручей / неподвижной матрицы до торчащего переднего упора, после чего нажимает педаль включения цикла. Подвижная матрица подходит к неподвижной, зажимая пруток (заготовку), блок пуансонов / идет вправо, убирая передний упор и осуществляя набор в конической полости пуансона 12 и в подъемной вставке 11. Пройдя крайнее правое положение, блок пуансонов вернется в исходное положение, подвижная матрица отойдет от неподвижной, упор вернется на место. В таком положении части машины остановятся до нового нажатия педали. Пруток будет вынут перпендикулярно его оси (т. е. на читателя) из ручья / и положен в формовочный ручей // (в данном случае он расположен в матрицах), после чего снова будет нажата педаль и блок пуансонов своим формовочным пуансоном 6 придаст кольцу окончательную наружную форму и наметит будущее отверстие. После остановки частей машины в исходном положении пруток будет переложен в ручей III (пробивной), в котором ходом пробивного пуансона 2 оставшаяся в отверстии кольца перемычка вместе с прутком будет вытолкнута вправо — в кольце образуется сквозное отверстие. При обратном ходе пуансонов заплечики 13 матрицы 3 стащат кольцо с пробивного пуансона. После раскрытия матриц оно упадет вниз, в контейнер готовых поковок. Если конец прутка остыл, его помещают в печь, а из печи вынимают новый пруток для штамповки следующего кольца. Чтобы при изнашивании не менять весь блок матриц и для экономии штамповой стали, ручьи выполнены во вставках: пробивных 4 (5 — винт для крепления вставок в корпусе неподвижной полуматрицы 9), формовочных 7, зажимных 5 и 10, подъемных 11. Перенос прутка из ручья в ручей у крупных ГКМ производится механическим перекладчиком или манипулятором. Наличие разъемной матрицы делает возможным извлечение поковок из ручьев в направлении, перпендикулярном к оси прутка, где у подавляющего числа поковок, изготовляемых на ГКМ (являющихся круглыми), имеются конструктивные уклоны. Поэтому на внешних поверхностях таких поковок отсутствуют штамповочные уклоны. Наличие заплечиков в матрицах, стаскивающих поковку с пробивных пуансонов, позволяет значительно уменьшить уклоны в отверстиях и полостях поковок (уклоны не превышают 2°) или вообще избежать их, если длина полости (отверстия) не более половины ее диаметра.

     Таким образом, ГКМ позволяют получать поковки, значительно более приближенные по форме и размерам' к деталям, экономя металл, уменьшая трудоемкость последующей механической обработки, уменьшая себестоимость детали.

     Высокая статическая и усталостная прочность  на изгиб, контактная прочность и износостойкость зубчатых колес достигается химико-термической и термической обработкой.

     Оптимальное сочетание прочности и износостойкости упрочненных слоев, а также прочности и вязкости сердцевины имеют нитроцементуемые стали. После насыщения поверхности одновременно углеродом и азотом детали подвергают закалке и низкому отпуску. Упрочненный слой должен иметь толщину не менее 0,5-0,6мм. Толщиной слоя принято считать сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и переходной зон. Несущая способность детали определяется эффективной толщиной слоя, в которой С > 0,4 %. На внутренней границе этой зоны твердость равна 50 HRC₃, а на поверхности детали твердость должна быть равна 56-63 HRC₃. Для того чтобы в упрочненном слое распределение углерода по толщине было равномерным, используют диффузионное выравнивание. Оптимальная структура упрочненного слоя представляет собой мартенситную матрицу с содержащимися в ней карбидами и остаточным аустенитом. Карбиды располагаются в виде мелких округлых частиц в заэвтектоидной зоне слоя на глубине 0,1-0,25 мм от поверхности. Эти карбиды увеличивают сопротивление деталей изнашиванию. Остаточный аустенит ускоряет приработку зубчатых пар, а в деталях под нагрузкой способствует релаксации напряжений, снижая их максимум. В этом отношении особенно эффективен азотистый аустенит, получаемый при нитроцементации. Допустимое количество остаточного аустенита определяется условиями эксплуатации деталей: при 10-15 % он не сказывается существенно на долговечности зубчатых колес, и не снижает их контактную выносливость. 

     Преимущества  нитроцементации по сравнению с  цементацией:  

     -более  низкая температура насыщения  (830-860°С );

     -повышение  износостойкости, теплостойкости  и коррозионной стойкости;

     -получение  равнозначной прочности при меньших  толщинах слоя и меньшей длительности насыщения;

     -меньшая  деформация шестерен.

     После насыщения применяют непосредственную закалку с охлаждением в холодном (30-75°С) или горячем (160-190°С) масле. Заключительной операцией термической обработки является низкотемпературный отпуск при 160-200°С.