Литейные свойства сплавов. Прокатный стан. Физические основы сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Саратовский государственный аграрный Университет им. Н.И. Вавилова»

Балашовский филиал

Контрольная работа

На тему: «Литейные свойства сплавов. Прокатный стан. Физические основы сварки»

Балашов 2012 г.

Содержание

1. Основные литейные свойства сплавов и пути получения отливок без дефектов

2. Технология получения отлива детали под давлением. Разновидности, преимущества, недостатки и область применения

3. Схема прокатного стана, его работа, классификация прокатных станов по устройству, назначению и взаимному расположению рабочих клетей

4. Физические основы сварки. Свариваемость различных металлов и сплавов

5. Дуговая сварка по методу Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова

6. Преимущества, недостатки и область применения

Список использованных источников

литье сплав металл прокат стан сварка

1. Основные литейные свойства сплавов и пути получения отливок без дефектов

Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.

Жидкотекучесть - способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литейной формы. Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. Так же влияет химический состав сплава (с увеличением содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с увеличением содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода жидкотекучесть увеличивается).

Усадка - свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки. Различают объемную и линейную усадку.

В результате объемной усадки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных частях отливки. Для предупреждения образования усадочных раковин устанавливают прибыли - дополнительные резервуары с расплавленным металлом, а также наружные или внутренние холодильники.

Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок, поэтому она учитывается при разработке технологии литья и изготовления модельной оснастки. Линейная усадка составляет: для серого чугуна - 0,8…1,3 %; для углеродистых сталей - 2…2,4 %; для алюминиевых сплавов - 0,9…1,45 %; для медных сплавов - 1,4…2,3 %.

Газопоглощение - способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава увеличивается незначительно; возрастает при плавлении; резко повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры.

Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.

Ликвация - неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод.

Различают ликвацию зональную, когда различные части отливки имеют различный химический состав, и дендритную, когда химическая неоднородность наблюдается в каждом зерне.

2. Технология получения отлива детали под давлением. Разновидности, преимущества, недостатки и область применения

Литьё под давлением металлов, способ получения отливок из сплавов цветных металлов и сталей некоторых марок в пресс-формах, которые сплав заполняет с большой скоростью под высоким давлением, приобретая очертания отливки. Этим способом получают детали сантехнического оборудования, карбюраторов двигателей, алюминиевые блоки двигателей и др.

Литьё производят на литейных машинах с холодной и горячей камерами прессования. Литейные формы, называются обычно пресс-формами, изготовляют из стали. Оформляющая полость формы соответствует наружной поверхности отливки с учётом факторов, влияющих на размерную точность. Кроме того, в пресс-форму входят подвижные металлические стержни, образующие внутренние полости отливок, и выталкиватели.

Схемы литья под давлением на машинах с камерами прессования: а -- холодной горизонтальной; б -- холодной вертикальной; в -- горячей; 1 -- плита крепления подвижной части формы; 2 -- выталкиватели; 3 -- подвижная матрица формы; 4 -- полость формы (отливка); 5 -- неподвижная матрица формы; 6 -- камера прессования; 7 -- прессующий поршень; 8 -- пресс-остаток; 9 -- тигель нагревательной передачи; 10 -- обогреваемый мундштук.

При получении отливок на литейных машинах с холодной камерой прессования (рис., а, б) необходимое количество сплава заливается в камеру прессования вручную или заливочным дозирующим устройством. Сплав из камеры прессования под давлением прессующего поршня через литниковые каналы поступает в оформляющую полость плотно закрытой формы, излишек сплава остаётся в камере прессования в виде пресс - остатка и удаляется.

После затвердевания сплава форму открывают, снимают подвижные стержни, и отливка выталкивателями удаляется из формы. При получении отливок на машинах с горячей камерой прессования (рис., в) сплав из тигля нагревательной печи самотёком поступает в камеру прессования. После заполнения камеры прессования срабатывает автоматическое устройство (реле времени, настроенное на определённый интервал), а поршень начинает давить на жидкий сплав, который через обогреваемый мундштук и литниковую втулку под давлением поступает по литниковым каналам в оформляющую полость формы и кристаллизуется.

Через определённое время, необходимое для образования отливки, срабатывает автоматическое устройство на раскрытие формы, и отливка удаляется выталкивателями. У полученных отливок обрубают (обрезают) заливы (облой), элементы литниковых систем, затем их очищают вручную или на машинах; если необходимо, производят термообработку.

Для этого метода литья характерны высокая скорость прессования и большое удельное давление [30--150 Мн/м2 (300--1500 кгс/см2)] на жидкий сплав в форме. Качество отливок зависит от ряда технологических и конструктивных факторов, например выбора сплава, конструкции отливки, литниковой и вентиляционной систем, формы, стабильности температуры сплава и формы, вакуумирования формы для предупреждения образования пористости и т. д. Метод обеспечивает высокую производительность, точность размеров (3--7-й классы точности), чёткость рельефа и качество поверхности (для отливок массой до 45 кг из алюминиевых сплавов -- 5--8-й классы чистоты). Производительность машин от 1 до 50 заливок в мин. Применяют многогнёздные формы, в которых за 1 заливку изготовляют более 20 деталей.

3. Схема прокатного стана, его работа, классификация прокатных станов по устройству, назначению и взаимному расположению рабочих клетей

Прокатный стан, машина для обработки давлением металла и др. материалов между вращающимися валками, т. е. для осуществления процесса прокатки, в более широком значении -- автоматическая система или линия машин (агрегат), выполняющая не только прокатку, но и вспомогательные операции: транспортирование исходной заготовки со склада к нагревательным печам и к валкам стана, передачу прокатываемого материала от одного калибра к другому, кантовку, транспортирование металла после прокатки, резку на части, маркировку или клеймение, правку, упаковку, передачу на склад готовой продукции и др.

Прокатный стан и обжимной стан: а - схема прокатного стана; б - общий вид обжимного стана; 1 - слитковоз; 2 - поворотный стол; 3 - рольганг; 4 - пост управления; 5 - манипуляторы; 6 - рабочая клеть; 7 - шестеренчатая клеть; 8 - двигатель; 9 - рольганг

Главный признак, определяющий устройство прокатного стана -- его назначение в зависимости от сортамента продукции или выполняемого технологического процесса. По сортаменту продукции прокатный стан разделяют на заготовочные, в том числе станы для прокатки слябов и блюмов, листовые и полосовые, сортовые, в том числе балочные и проволочные, трубопрокатные и деталепрокатные (бандажи, колёса, оси и т.д.). По технологическому процессу прокатные станы делят на следующие группы: литейно-прокатные (агрегаты), обжимные (для обжатия слитков), в том числе слябинги и блюминги, реверсивные одноклетьевые, тандемы, многоклетьевые, непрерывные, холодной прокатки. Размер прокатного стана, предназначенного для прокатки листов или полос, характеризуется длиной бочки валков, для заготовки или сортового металла -- диаметром валков, а трубопрокатного стана -- наружным диаметром прокатываемых труб.

Оборудование прокатного стана, служащее для деформации металла между вращающимися валками, называют основным, а для выполнения прочих операций -- вспомогательным. Основное оборудование состоит из одной или нескольких главных линий, в каждой из которых располагается 3 вида устройств: рабочие клети (одна или несколько) -- к ним относятся прокатные валки с подшипниками, станины, установочные механизмы, плитовины, проводки; электродвигатели для вращения валков; передаточные устройства от электродвигателей к прокатным валкам, состоящие большей частью из шестерённой клети, шпинделей и муфт. Между шестерённой клетью и электродвигателем часто устанавливают ещё редуктор. Если каждый валок имеет свой электродвигатель, передаточные устройства состоят лишь из шпинделей. Наибольшее распространение получили станы с горизонтальными валками: двухвалковые (дуо), трёхвалковые (трио), четырёхвалковые (кварто) и многовалковые. Для обжатия металла по боковым поверхностям используют клети с вертикальными валками, называемые эджерами.

Станы, у которых вблизи горизонтальных валков расположены вертикальные, называются универсальными. Они служат для прокатки широких полос и двутавровых балок с широкими полками. В станах винтовой прокатки валки располагаются в рабочей клети косо -- под углом подачи. Такие станы применяют для прокатки труб, осей, шаров и т.д.

Число и расположение рабочих клетей прокатного стана определяются его назначением, требуемым числом проходов металла между валками для получения данного профиля и заданной производительностью.

По этому признаку прокатные станы подразделяются на 8 типов. К одноклетьевым станам относится большинство блюмингов, слябинги, шаропрокатные станы, станы для холодной прокатки листов, ленты и труб. В случае, когда в одной рабочей клети не удаётся расположить необходимое число калибров или когда требуется высокая производительность, применяют станы с несколькими рабочими клетями.

Наиболее совершенный многоклетьевой стан -- непрерывный, в котором металл одновременно прокатывается в нескольких клетях.

Непрерывные станы служат для горячей прокатки заготовки, полос, сортового металла, проволоки, труб, а также для холодной прокатки листов, жести, ленты и др. профилей.

Скорости прокатки весьма различны и зависят главным образом от требуемой производительности прокатного стана, сортимента прокатываемой продукции и технологического процесса. У обжимных, заготовочных, толстолистовых, крупносортных станов скорость прокатки около 2--8 м/сек.

Наибольшие скорости характерны для непрерывных станов: при прокатке сортового металла 10--20 м/сек; полосового 25--35 м/сек; проволоки 50--70 м/сек; при холодной прокатке жести 40 м/сек.

4. Физические основы сварки. Свариваемость различных металлов и сплавов

Сваркой называется процесс получения неразъёмного соединения отдельных частей из твёрдых материалов за счёт междуатомных сил сцепления как с применением нагрева, так и без него.

Сварка в промышленности особенно широко применяется для соединения металлов, но могут свариваться и многие другие материалы: стёкла, пластмассы, смолы, некоторые горные породы и т. д.

Силы сцепления, связывающие в одно целое элементарные частицы, из которых состоят твёрдые или жидкие тела, могут быть объяснены взаимодействием электронных оболочек атомов, составляющих тело. Для осуществления сварки, т. е. соединения твёрдых металлических частей в одно целое, необходимо привести в действие силы сцепления. Для этого, прежде всего, нужно достаточно сблизить атомы соединяемых частей на расстояние порядка атомного радиуса, а затем активизировать силы сцепления, т. е. заставить взаимодействовать электронные оболочки соединяемых частиц.

По общим законам термодинамики частицы взаимодействуют так, что, в конечном счете, уменьшают свободную энергию системы. К процессам, уменьшающим свободную энергию системы, относятся, например, распределение атомов в определённом правильном порядке пространственной кристаллической решётки, которая обладает известной прочностью.

Для деформирования решётки необходимо затратить определённую работу, т. е. подвести к твёрдому кристаллическому телу достаточное количество энергии. Деформированная клисталлическая решётка при подходящих условиях возвращается к нормальному состоянию, уменьшая свободную энергию системы и возвращая работу, затраченную на её деформирование. Во время перестройки деформированной кристаллической решётки частицы приходят во взаимодействие, вызывая срастание в одно целое соединяемых металлических частей.

К процессам, идущим самопроизвольно, с уменьшением свободной энергии системы, относятся, например, растворение и диффузия, которые часто играют основную роль в процессе сварки. Важным фактором увеличения свободной энергии системы является нагрев свариваемых тел. С повышением температуры сначала происходит уменьшение прочности твёрдого тела, ослабляются упругие свойства, растёт способность к пластическим деформациям, а затем происходит плавление металла. При дальнейшем повышении температуры металл переходит в газообразное состояние. Способность объёмов вещества к объединению в одно целое меняется с температурой, возрастая с её повышением. Любые газы, приведённые в соприкосновение и находящиеся в любых соотношениях, самопроизвольно образуют смесь, однородную по всему объёму, с наиболее вероятным равномерным распределением различных газовых молекул по всему объёму. В жидком состоянии способность к диффузия частиц уже сильно ограничена: существуют многочисленные примеры взаимно нерастворимых жидкостей и жидкостей с ограниченной взаимной растворимостью. Все расплавленные металлы являются достаточно однородными жидкостями и обладают хоть и очень ограниченной, но достаточной для осуществления сварки взаимной растворимостью.

Нагрев металла облегчает выполнение процесса сварки и применяется в широких размерах и разнообразнейших формах в сварочной технике, поэтому в обычном представлении сварка неразрывно связана с нагревом металла до высоких температур его плавления или перехода в пластическое состояние. Однако нагрев не является необходимым для осуществления процесса сварки и применяется из соображений практического удобства. Принципиально сварка возможна при низких температурах и в некоторых случаях осуществляется в промышленных масштабах. Срастание частиц металла в монолитное твёрдое тело при низких температурах наблюдается достаточно часто, так, например, при комнатной температуре формируются плотные и прочные массы металла при электролитическом его осаждении из водных растворов.

Нанося гальваническим путём осадок металла на соединяемые части, можно их соединить в одно целое и принимать осуществляемый таким образом процесс за сварку. Плотные прочные осадки металлов могут быть получены иногда и посредством химических реакций восстановления металла из его соединений, протекающих при низких температурах. При комнатной температуре возможно превращение металлических порошков в монолитный металл приложением значительного давления. За счёт пластической деформации осуществляется холодная сварка многих металлов при комнатной температуре, находящая промышленное применение.

Прочность и надежность сварного соединения зависит от характеристики, называемой свариваемостью металлов. Свариваемость определяется природой свариваемых металлов и образующейся структурой сварного шва, включая такие его дефекты, как трещины, поры, шлаковые включения и др.

Наилучшей свариваемостью обладают металлы, взаимно растворяющиеся друг в друге и имеющие небольшой коэффициент линейного расширения и малую усадку при отверждении и охлаждении. Свариваемость сталей зависит от содержания углерода. При содержании углерода не более 0,3% стали свариваются хорошо, при содержании углерода от 0,3 до 0,42% -- удовлетворительно, от 0,42 до 0,55% -- ограниченно и свыше 0,55% -- плохо. При содержании углерода более 0,42% стали перед сваркой необходимо нагреть до 150--500°С, а после сварки -- отжечь для устранения (понижения) остаточных напряжений и неравновесных структур (мартенсита и троостита). Легированные стали и особенно чугуны свариваются хуже, чем углеродистые стали, а сварка цветных металлов и сплавов на их основе имеет свои особенности. Сварка пластмасс осуществляется преимущественно с помощью горячего газа (воздуха).

5. Дуговая сварка по методу Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова

Дуговая сварка -- ручная и автоматическая -- наиболее распространенный вид сварки. Изобрели дуговую сварку наши соотечественники Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов. Первый из них в 1882 г. создал способ сварки угольным электродом, а второй в 1888 г. -- способ сварки металлическим электродом.

Ручная дуговая сварка. В промышленности большей частью применяется электрическая дуговая сварка металлическим электродом. При этом способе соединение элементов конструкции производится следующим образом.

Схема ручной дуговой сварки.

В электрододержатель 1 вставляют металлический электрод 2. Между электродом и изделием (основным металлом) 3, к которым подводится ток от сварочного генератора Г, возбуждается электрическая дуга 4.Она представляет собой мощный источник тепла с температурой около 6000°С. Дуга расплавляет электрод 2 и основной металл 3, под дугой образуется сварочная ванна 5. Расплавленный металл электрода мелкими капельками поступает в сварочную ванну, где перемешивается с расплавившимся основным металлом. По мере остывания сварочной ванны с перемещением дуги по кромкам свариваемых листов жидкий металл отвердевает (кристаллизуется); образуется сварной шов 6, прочно соединяющий кромки листов. При сварке по способу Бенардоса в электрододержатель 1 вместо металлического вставляют угольный электрод 2 и для формирования шва вводят в зону дуги пруток присадочного металла 7. В остальном все происходит так же, как при сварке по способу Славянова.

На рисунке показаны основные типы сварных соединений: стыковое (а), тавровое (б), угловое (в) и нахлесточное (г).

Основные типы сварных соединений.

При сварке очень важно обеспечить устойчивое горение дуги и постоянство силы тока; без этого нельзя получить сварное соединение хорошего качества. В силу сказанного сварочные источники тока отличаются от обычных тем, что у них напряжение Uu на зажимах, к которым присоединяется цепь, не остается постоянным, а падает с увеличением в дуге тока Iд. О таких источниках тока говорят, что они имеют крутопадающую внешнюю характеристику.

Дуговую сварку можно вести как на постоянном, так и на переменном токе. Постоянным током дуга питается от сварочного генератора, а переменным током -- от сварочных аппаратов, называемых трансформаторами.

Наша отечественная промышленность выпускает много различных типов сварочных генераторов и трансформаторов для ручной и автоматической сварки. Основные типы сварочных генераторов -- ПС-500 и ПСМ-1000, а сварочных трансформаторов -- СТАН-1, СТЭ-24, СТЭ-34 и ТСД-1000-3.

Электроды. Дуговая сварка по способу Славянова производится, как уже указывалось, плавящимся электродом. Это металлический стержень (электродная проволока), покрытый слоем смеси определенного состава, растворенной в жидком стекле. Покрытие делают способом окунания или способом прессования. Электроды со свежим слоем покрытия (обмазки) просушивают, затем прокаливают до полного удаления влаги.

Различают два типа электродов: простые и качественные. Простые электроды имеют тонкое покрытие, а качественные электроды -- толстое покрытие. Назначение тонких покрытий -- облегчить сварщику зажигание дуги и повысить ее устойчивость в процессе сварки. Толстые покрытия служат как для этих целей, так и для защиты металла шва от вредного влияния среды. При сварке качественными электродами в металл шва почти не попадает ни кислород, ни азот воздуха, поэтому прочность сварного соединения получается значительно более высокой, чем при сварке простыми электродами. По этой причине сварка конструкций почти всегда ведется качественными электродами.

Различное действие покрытий объясняется их составом. В тонкие покрытия входят ионизирующие и связующие вещества, качественные покрытия содержат, кроме ионизирующих и связующих веществ, также газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие и легирующие вещества.

Основное достоинство ручной дуговой сварки в том, что этим способом можно получать соединения при любом пространственном положении шва - нижнем, вертикальном и потолочном. Многослойным швом, при соответствующей форме подготовки кромок, удается сваривать металл толщиной до 80 и даже до 100 мм. Так же преимуществам дуговой электрической сварки на постоянном токе следует отнести устойчивое горение дуги и больший или меньший разогрев изделия за счет использования прямой или обратной полярности. Недостатками являются низкий коэффициент полезного действия сварочных агрегатов постоянного тока и значительный расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла. Ручная дуговая сварка тонкого металла должна выполняться особенно тщательно; малейшая неточность, допущенная при ведении электрода, грозит проплавлением изделия насквозь, образованием прожогов.

В отношении производительности ручная дуговая сварка выгодна при соединении металла толщиной от 2 до 40 мм., при большей толщине металла производительность очень мала.

Список использованных источников

Учебники и учебные пособия

1. С.Н. Колесов, И.С. Колесов, Материаловедение и технология конструкционных материалов, 2007.

2. В.М. Пляцкий, Технология литья под давлением, 1973.

Электронные ресурсы

3. http://промпортал.su - официальный сайт Промышленное производство, оборудование, технологии

4. www.bibliotekar.ru - официальный сайт Библиотекарь.РУ

5. www.tehnoarticles.ru - официальный сайт Тehnoarticles.ru

6. http://otherreferats.allbest.ru - официальный сайт allbest.ru

Размещено на Allbest.ru