Опишите влияние вредных примесей (серы, фосфора, неметаллических включений) на качество стали. Опишите сущность обработки стали синтетическими шлаками.

Задание 1

Обработка стали синтетическим шлаком

Технология применяется на крупнотоннажных печах емкостью 60-200 т в цехах, имеющих специальную печь для выплавки синтетического шлака. Обработка стали синтетическим шлаком заключается в следующем. В разливочный ковш перед выпуском стали из плавильного агрегата наливают 3...5 % по отношению к массе стали жидкого шлака, содержащего 55 % СаО, 42 % Al2O3, до 3 % SiO2 и 1 % FeO. В завалку вводят до 25% чугуна, известь (1.5-3.5%) и железную руду (2-3%). После расплавления проводят продувку ванны кислородом. Окислительный шлак сливают, в металл водят ферромарганец, рассчитывая на нижний предел содержания марганца в выплавляемой стали, и ферросилиций из расчета введения 0.15-0.20% кремния. Далее наводят небольшое количество (~ 1% от массы металла) известковистого шлака добавками извести, шамота, плавикового шпата. Восстановительный период, как таковой, отсутствует, вместо него проводиться кратковременная (~ 30 мин) доводка, в течение которой сталь доводят до заданных температуры и состава, вводя необходимые легирующие добавки. Раскисление шлака не производят.

Перед выпуском стали из печи сливают 80-90% шлака. Далее выпускают сталь в ковш с залитым туда синтетическим шлаком, который обеспечивает рафинирование металла от серы и неметаллических включений. Во время выпуска в ковш вводят ферросилиций и при необходимости ферротитан и феррованадий. Обычно применяют синтетический известково-глиноземистый шлак (~ 55% CaO и 45% Al2O3), который заливают в ковш в количестве 4-6%.

Затем в ковш по возможности с большей высоты мощной струёй выпускают выплавленную сталь. В результате интенсивного перемешивания стали и шлака поверхность их взаимодействия увеличивается в сотни раз по сравнению с той, которая имеется в печи. Поэтому процессы рафинирования резко ускоряются и для их протекания требуется уже не 1,5...2 ч, как обычно в печи, а примерно столько, сколько уходит на выпуск плавки.

Рафинированная синтетическим шлаком сталь отличается низким содержанием кислорода, серы и неметаллических включений, что обеспечивает ей высокую пластичность и ударную вязкость.

К числу рафинирующих переплавов относятся: электрошлаковый, вакуумно-дуговой, плазменно-дуговой, электронно-лучевой и др.

Задание 2

Опишите технологический процесс изготовления поковки способом горячей объемной штамповки на паровоздушном молоте. При выполнении работы следует: 1) описать сущность процесса штамповки и указать область ее применения; 2) изобраить схему молота и описать его работу; 3) описать механизацию процесса штамповки.

Сущность метода горячей объемной штамповки

Горячая объёмная штамповка - это вид обработки материалов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента - штампа. Течение металла ограничивается поверхностями плоскостей, изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую плоскость (ручей) по конфигурации поковки.

В качестве заготовок для горячей штамповки в подавляющем большинстве случаев применяют прокат круглого квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные заготовки, хотя иногда штампуют и от прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине. Заготовки отрезают от прутка различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, газовой резкой и т д.

По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ. Горячей объёмной штамповкой можно получать без напусков поковки сложной конфигурации, которые ковкой изготовить без напусков нельзя, при этом допуски на штамповочную поковку в 3 - 4 раза меньше, чем на кованную. В следствие этого значительно сокращается объём последующей механической обработки, штамповочные поковки обрабатывают только в местах сопряжения с другими деталями, и эта обработка может сводиться только к шлифованию.

Производительность штамповки значительно выше - составляет десятки и сотни штамповок в час.

В то же время штамповочный инструмент - штамп - дорогостоящий инструмент и является пригодным только для изготовления какой-то одной, конкретной поковки. В связи с этим штамповка экономически целесообразна лишь при изготовлении достаточно больших партий одинаковых поковок.

Кроме того, для объёмной штамповки поковок требуется гораздо больше усилий деформирования, чем для ковки таких же поковок. Поковки массой в несколько сот килограммов для штамповки считается крупными. В основном штампуют поковки массой 20 - 30 килограмм. Но благодаря созданию мощных машин в отдельных случаях штампуют поковки массой до трёх тонн.

Горячей объёмной штамповкой изготовляют заготовки для ответственных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, самолётов, железнодорожных вагонов, станков и так далее.

Конфигурация поковок чрезвычайно разнообразна, в зависимости от неё поковки обычно разделяются на группы. Например, штампованные поковки, можно разделить на 2 группы: удлинённой формы, характеризующиеся большим отношением длинны к ширине, и круглые или квадратные в плане.

Наличие большого разнообразия форм и размеров штампованных поковок, а также сплавов, из которых их штампуют, обуславливает существование различных способов штамповки.

Так как характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа, то этот признак можно признать основным для классификации способов штамповки. В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых штампах и в закрытых штампах.

Штамповка в открытых штампах характеризуется переменным зазором между подвижным и неподвижным частями штампа. В этот зазор вытекает заусенец (облой), который закрывает выход из полости штампа и заставляет металл целиком заполнить всю полость. В конечный момент формирования заусенец выжимаются излишки металла, находящийся в плоскости, что позволяет не предъявлять особо высоких требований к точности заготовок по массе. Заусенец затем обрезается в специальных штампах. Штамповкой в открытых штампах получают поковки всех типов.

Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остаётся закрытой. Зазор между подвижной и не подвижной частями штампа при этом постоянный и большой, так что образование заусенца в нём не предусматривается. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которых штампуют. Закрытый штамп может быть с одной или двумя взаимно перпендикулярными плоскостями разъёма, то есть состоять из трёх частей.

При штамповке в закрытых штампах надо строго соблюдать равенство объёмов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше нужного. Значит, процесс получения заготовки усложняется, поскольку отрезка заготовок должна сопровождаться высокой точностью. Существенным преимуществом штамповки в закрытых штампах является уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода заусениц. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную микроструктуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не прорезаются в месте выхода металла заусениц. При штамповке в закрытых штампах металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших зажимающих напряжениях, чем в открытых штампах. Это позволяет получить большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.

К закрытой штамповке можно отнести штамповку выдавливанием и прошивкой, так как штамп в этих случаях выполняют по типу закрытого и отхода металла заусениц не предусматривает. Деформирование металла при горячей штамповке вдавливанием и прошивкой происходит так же, как при холодном прямом и обратном выдавливании.

Технологический процесс горячей объёмной штамповки

1. Транспортирование заготовки со склада. Для этого используют любой транспорт.

2. Отрезка заготовки выполняется гидравлическими ножницами усилием 10000 кН при температуре 700 - 4500С.

3. Наладка оборудования. Ручей штампа смазывают специальным раствором.

4. Выборочный контроль размеров заготовки. Проверяют размеры заготовки с помощью измерительных средств.

5. Нагрев. Нагрев производится в печи с газопламенным способом нагрева до температуры 13000С.

6. Горячая объемная штамповка производится после нагрева заготовки в печи до температуры 13000С, а затем подается на ковочные вальцы для предварительной штамповки, после чего получившуюся заготовку кладут в ручей при температуре 1250 - 8000С.

7. После объемной штамповки идет операция обрезки заусенца. Эту операцию производят специальными обрезными прессами с обрезными штампами (например, пресс КА 9536 усилием 4000 кН).

8. Для стали 45 в роли термообработки можно произвести отжиг при температуре 850 - 870 0С, охлаждение с печью. Отжиг снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием. Измельчая зерно, снижая внутренние напряжения и уменьшая структурную неоднородность, способствует повышению пластичности и вязкости.

9. Правка поковки. Эту операцию выполняют для устранения искривлений осей и искажения поперечных сечений, образующихся при затруднённом извлечении поковок из штампа, после обрезки заусенца, а также после термической обработки. Крупные поковки и поковки из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей правят в горячем состоянии, либо в чистовом ручье штампа, либо на обрезном прессе, либо на отдельной машине. Мелкие поковки можно править в холодном состоянии после термической обработки на специальном оборудовании (обычно на фрикционных молотах с доской), в правочных штампах, ручьи которых изготовляют по чертежу холодной поковки.

10. Очистка поковок от окалины. Очистка обеспечивает условие работы режущего инструмента при последующей механической обработке, а также контроль поверхности поковок. Очистку производят несколькими способами: в барабанах, дробью, травлением.

11. Калибровка повышает точность размеров всей поковки или её отдельных участков. Таким образом, последующая механическая обработка ограничивается только шлифованием.

12. Контроль поковки. Контролируют не только готовые поковки, но и изготовление их на всех этапах, начиная от контроля исходных заготовок.

При контроле готовых поковок производят их внешний осмотр, выборочно измеряют геометрические размеры, твёрдость по Бринелю. Размеры контролируют универсальными измерительными инструментами: штангенциркулями, штангенвысотомерами, штангенглубиномерами и др. и специальными инструментами: скобами, шаблонами и контрольными приспособлениями. Несколько поковок из партии иногда подвергают металлографическому анализу и механическим испытаниям. Внутренние дефекты в поковках определяют ультразвуковым методом контроля и рентгеноскопией.

Для изготовления средних и крупных поковок применяются паровоздушные молоты.

От ковочных паровоздушные штамповочные молоты отличаются тем, что у них стойки станины крепятся на шаботе, благодаря чему конструкция штамповочного молота жестче и на нем достигается точное совпадение верхнего и нижнего штампов при ударе; точность движения бабы штамповочного молота обеспечивается значительным удлинением направляющих и возможностью более точного регулирования зазоров; шабот штамповочного молота по сравнению с шаботом ковочного тяжелее, вес его в 20 - 25 раз превышает вес падающих частей, благодаря чему можно получать высокую точность размеров изготовляемых поковок-штамповок; конструкция парораспределения и управления штамповочных паровоздушных молотов обеспечивает автоматическое качание бабы молота на весу и более широкую регулировку силы ударов.

Молотами с весом падающих частей до 9 Т [88,3 кН] управляет ножной педалью штамповщик, без машиниста.

Паровоздушные штамповочные молоты применяют преимущественно для штамповки из проката в многоручьевых штампах.

Устройство паровоздушного штамповочного молота показано на рис. 5. На шаботе смонтированы две литые стойки 3 станины, верхние части которых скрепляются анкерной подцилиндровой плитой 6, образуя жесткую станину.

На шаботе установлена подштамповая подушка 2. На подцилиндровой плите 6 установлен литой цилиндр 8, усиленный ребром жесткости и приливом, внутри которого расположены каналы для подачи энергоносителя.

В цилиндре перемещается поршень 7, насаженный на шток 5, который соединен с бабой 14. Цилиндр закрыт крышкой 9, в которой установлен амортизатор, предохраняющий ее от ударов поршня. Внизу цилиндр закрыт сальниковым кольцом (грундбуксой), состоящим из ряда уплотняющих деталей, в которых скользит шток.

Рисунок 5. Устройство паровоздушного штамповочного молота

Парораспределительное устройство состоит из цилиндрического золотника 10, осуществляющего впуск и выпуск пара или воздуха в цилиндр, и из запорного механизма дроссельного крана 11, подающего энергоноситель к золотнику. Система тяг и рычагов механизма управления обеспечивает при небольшом расходе энергоносителя автоматическое качание бабы молота с помощью саблевидного рычага 12, скользящего по скосу бабы, а педалью 15 и рычагом 13 может осуществляться одновременно полное открытие дросселя и резкий подъем золотника.

Для нанесения удара кузнец-штамповщик нажимает на педаль 15 в тот момент, когда баба идет по направляющим 4 вниз. При сильном нажатии на педаль степень открытия дросселя и подъема золотника будет большой. Поэтому произойдет удар максимальной силы. Таким образом, обученный опытный кузнец-штамповщик, в зависимости от выбора момента и силы нажатия на педаль, может наносить по заготовке удары от самых слабых «прилипающих» ударов до самых сильных.

Задание 3

Список литературы

 

1. Материаловедение в машиностроении и промышленных технологиях: учеб.-справ. руководство / В. А. Струк [и др.]. – Долгопрудный: Интеллект, 2010. – 536 с.

2. Перинский В.В.. Лясников В.Н., Фетисов Г.П. Материаловедение специальных материалов машиностроения: учебное пособие / В.В. Перинский, В.Н. Лясников, Г.П. Фетисов. Саратов: СГТУ, 2011. 504 с.

3. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие / А.М. Адаскин, В.М. Зуев.. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 336 c.

4. Зарембо, Е. Г. Материаловедение: иллюстрированное учебное пособие (альбом)/ Е.Г. Зарембо.-М.: ГОУ «УМЦ ЖДТ», 2008.

 

Задание 1

Опишите влияние вредных примесей (серы, фосфора, неметаллических включений) на качество стали. Опишите сущность обработки стали синтетическими шлаками.

Сталь - это сплав железа с углеродом, где углерода до 2,14%. В стали всегда присутствуют и другие элементы - примеси, попадающие в сплав из природных соединений, и из металлолома, в процессе раскисления: марганец, кремний, сера, фосфор, никель, медь, хром, мышьяк и другие.

Примеси в стали подразделяются на постоянные, случайные и вредные. Качество стали определяется содержанием вредных примесей.

Основные вредные примеси - это сера и фосфор. "Сера и фосфор являются теми главными врагами, с которыми металлургам черных металлов приходится иметь дело" (А.А. Байков).

Так же к вредным примесям относятся неметаллические включения - газы (азот, кислород, водород), за исключением мышьяка, они присутствуют во всех сталях. Вредными эти примеси прежде всего являются потому, что повышение их содержания понижает сопротивление проката хрупким разрушениям различной природы, особенно вредно эти примеси влияют на свойства сталей, эксплуатируемых при низких температурах. Одна из важных задач современной металлургии - сведение их содержания к разумному минимуму.

Сера (S) попадает в сталь из чугуна (из золы и руды).

Содержание серы: S – 0,035 – 0,06% (0,018% S – качественная сталь). Сера нерастворима в железе, она образует с железом соединение FeS. Это соединение образуют с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления – Тпл = 988˚С.

Наличие эвтектики вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. При нагреве до 1000–1200˚С эвтектика, располагающая по границам зёрен, расплавляется и при деформации (ОМД) в стали возникают надрывы и трещины.

Эвте́ктика (греч. éutektos — легкоплавящийся) — жидкая система (раствор или расплав), находящаяся при данном давлении в равновесии с твёрдыми фазами, число которых равно числу компонентов системы.

Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Тпл = 1620˚С: FeS + Mn → MnS + Fe.

Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали, т. к. разрушение металла идёт по сульфидным включениям (поэтому ударная вязкость металла (KCU) снижается) (рис. 1).

Рисунок 1. Влияние серы на вязкие свойства стали

Также сера снижает пластичность – δ, ψ%.

Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.

Фосфор (Р) содержится в пределах 0,025–0,045% Р. Попадает в сталь в процессе производства из руды, топлива, флюсов.

Фосфор занимает особое место среди других элементов, присутствие которых отрицательно сказывается на качестве стали. С одной стороны, фосфор является легирующим элементом, сильно упрочняющим феррит и повышающим коррозионную стойкость проката в атмосферных условиях; с другой стороны, повышенное содержание фосфора в стали обусловливает появление хрупкости, снижение ударной вязкости и сопротивления хрупкому разрушению, а также увеличение склонности к образованию кристаллизационных трещин при сварке.

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Сильное упрочняющее действие фосфора объясняется тем, что в феррите он замещает атомы железа, а так как его атом больше атомов железа, то это приводит к существенному упрочению, но также и к охрупчиванию. Кроме того, фосфор препятствует поперечному микроскольжению, увеличивая тем самым склонность к микроплоскому скольжению, при этом уменьшается количество плоскостей скольжения, особенно с понижением температуры, а также увеличивается склонность железа к двойникованию.

Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали фосфора.

Фосфор значительно повышает порог хладноломкости.

Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости стали на 20 – 25˚С (для углерода такое же влияние оказывает каждая 0,1%).

Фосфор обладает большой склонностью к ликвации (неоднородность распределения). Фосфор скапливается в серединных слоях слитка, по границам зёрен, сильно снижая ударную вязкость.

Фосфор (Р) – усиливает ковалентную (хрупкую) связь и ослабляет металлическую. С понижением температуры хрупкость металла увеличивается (хладноломкость) (рис. 2). Фосфор облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом (создавая хрупкость). Совместное присутствие в стали фосфора и меди (Р + Сu) – повышает сопротивление коррозии.

Рисунок 2. Влияние фосфора на хладноломкость стали (0,2% С, 1% Mn)

Скрытые примеси:

Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород – ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавке.

В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается

0,2 – 0,4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

Кислород (О2): образует неметаллические включения оксиды – FeO, MnO, Al2O3, SiO2.

Азот (N2): образует нитриды – Fe4N, Fe2N, AlN.

Кислород и азот в свободном виде располагаются в раковинах, трещинах и др. Эти включения значительно уменьшают ударную вязкость, повышают порог хладноломкости и уменьшают пластичность, при этом повышается прочность стали (рис. 3).

Рисунок 3. Влияние примесей внедрения кислорода (а) и азота (б) на вязкие свойства железа

Водород (Н2): при затвердевании часть водорода в атомарном состоянии остаётся в стали. При переходе атомарного водорода в молекулярный повышается давление до 150 МПа, образуя эллипсовидные впадины – флокены, которые являются неисправимым браком. Флокены способствуют сильному охрупчиванию стали.

Частично удалить водород с поверхностного слоя можно путём нагрева до 150–180˚С, лучше всего в вакууме ~ 10-2 – 10-3 мм. рт. ст. или нагрев до 800˚С и выдержке, водород уходит и остаётся чистый металл.