Proces wytwarzania metali: 4 techniki

Ten artykuł rzuca światło na cztery najlepsze techniki stosowane w procesie wytwarzania metali. Techniki: 1. Casting 2. Formowanie 3. Obróbka 4. Spawanie.

Technika # 1. Casting:

Rzucanie jest prawdopodobnie najstarszą znaną metodą nadawania kształtów metalom i stopom. Gdy jest odpowiedni, jest to najkrótsza droga od rudy do produktu końcowego i zwykle najbardziej ekonomiczna. Chociaż w dzisiejszych czasach opracowano techniki do odlewania prawie wszystkich metali i ich stopów, ale nadal istnieją pewne specyficzne materiały, które mają bardzo dobre właściwości odlewania, na przykład żeliwo szare.

Odlewność materiału zależy od wielu czynników, mianowicie od płynności, skurczu, porowatości, naprężeń i charakterystyki segregacji. Wskaźnik wytrzymałości na odlewanie materiału jest wysoki, jeśli ma wysoką płynność, mały skurcz, niskie powinowactwo do pochłaniania gazów, małe naprężenia i jednorodną wytrzymałość.

Stwierdzono, że te właściwości występują głównie w czystych metalach i eutektyce, które przynajmniej teoretycznie mają określoną temperaturę topnienia. Jednak czyste metale mają zwykle niską wytrzymałość, dlatego większość stopów odlewane jest w większości rzeczywistych zastosowań. Tak więc wybór oczywiście spoczywa na eutektyce i prawie eutektycznych stopach.

Odlewy można podzielić na dwie główne kategorie tj. Wlewki i kształtki. Z całkowitej masy odlewów prawie 75% ma postać wlewków. Jednak naszą główną troską w obecnej dyskusji są odlewane kształty.

Odlewy mogą ważyć od kilku gramów do wielu ton. Być może najcięższym przedmiotem, jaki kiedykolwiek wykonano, była brązowa rzeźba Klossusa z Rodos, która jest zawarta w siedmiu cudach świata. Jednakże, pozostawiając na boku cudu, dzisiejsze ciężkie odlewy często obejmują konstrukcje maszyn, koła zamachowe i płyty fundamentowe do turbin itp.

Odlewy są z reguły dobre pod względem wytrzymałości na ściskanie, ale mają słabe wydłużenie i niską wytrzymałość na rozciąganie. Materiały uważane za wyjątkowo dobre do odlewania obejmują, oprócz żeliwa, stopy miedzi, aluminium, niklu cynkowego i magnezu.

Niektóre z typowych odlewów obejmują:

Koła pasowe, koła zamachowe, bloki silnika, ławy obrabiarek, półfabrykaty przekładni, łopatki turbiny, rury żeliwne itp.

Technika # 2. Formowanie:

Po odlewaniu następuje proces formowania, w którym metale i ich stopy otrzymują pożądane kształty przez zastosowanie ciśnienia, albo przez nagłe uderzenie, jak w przypadku uderzeń młotkiem lub powolne ugniatanie, jak w prasach hydraulicznych. Mechaniczna obróbka metalu poniżej temperatury rekrystalizacji nazywa się "obróbką na zimno", a obróbkę wyższą od tej temperatury nazywa się "obróbką na gorąco". Zarówno obróbka na gorąco, jak i na zimno (lub formowanie) są szeroko stosowane w przemyśle.

Większość materiałów może być formowana lub kuta, ale z reguły materiały, które najlepiej nadają się do odlewania, mają słabe właściwości formowania. Ogólnie, materiały najlepiej nadające się do formowania to te, które mają długi zakres papkowatości podczas krzepnięcia, na przykład, stałe stopy stopów.

Na właściwości wielu stopów wpływa natura roztworów stałych, np. Wzrost wytrzymałości i twardości wraz z ilością substancji rozpuszczonej przy zmniejszeniu plastyczności i przewodności elektrycznej. Jakość formowania materiału określana jest zwykle jako zdolność do formowania dla materiału arkuszowego i zdolność do forowania grubszego sekcje i wiąże się z ciągliwością materiału. Procesami, które można uwzględnić w formowaniu, są metody formowania arkuszy, takie jak zginanie, głębokie tłoczenie, wytłaczanie, HERF (formowanie z wysoką szybkością energii), wirowanie, gięcie na walcach, formowanie rozciągające; mając na uwadze, że odkuwanie może obejmować spęczanie, przewracanie się na zimno, obracanie, kucie itp.

Badanie formowalności często wykonuje się w teście bańki Erichsena, w którym materiał arkusza jest rozciągany aż do pęknięcia. Z drugiej strony, zdolność kuźnicza jest zdolnością do odkształcenia metalu w warunkach kucia bez pękania. Jednym z najlepszych testów odporności na przecięcie jest próba spęczania wyrażona jako stosunek maksymalnej średnicy spęczenia możliwej do otrzymania do początkowej średnicy pręta. W przypadku chmielu na zimno stosunek ten jest zwykle określany jako granica kursu.

Indeks Kuźni-Zdolności, F = D _m / D _i

Gdzie, D _i = Początkowa średnica pręta

D _m = Maksymalna średnica, jaką można uzyskać przez spęczanie bez pękania.

Materiały do ​​kucia:

Materiały zwykle występują w trzech typach komórek elementarnych, mianowicie: BCC (body-centered cubic), FCC (ang. Face-centered cubic) i HCP (heksagonalny close packed), jak pokazano na rys. 1.2 wraz z niektórymi studniami znane metale w ramach tych trzech kategorii struktur komórkowych.

Metalizowane metale sześcienne mają na ogół najlepszą ciągliwość. Zwykle są również najbardziej wyrafinowane. Sześciokątne, blisko upakowane metale są najmniej podatne na uderzenia w temperaturze pokojowej, ale większość z nich może być kuta na gorąco. Jeśli metal może być głęboko rozciągnięty w formie arkusza, może być kuty na zimno lub na zimno w formie pręta, i tak jest w przypadku wszystkich metali. Stopnie obróbki metali o swobodnej obróbce mają ograniczoną zdolność kucia.

Najlepsze .Huty do kucia, zimne lub gorące, są najbardziej stopami aluminium i miedzi, w tym względnie czystymi metalami. Stale węglowe o zawartości węgla 0, 25% lub mniejszej są naprawdę kute na gorąco lub na zimno. Stal wysokowęglowa i wysokostopowa są prawie zawsze kute na gorąco. Magnez będący HCP ma małą ciągliwość w temperaturze pokojowej, ale jest łatwo kuty na gorąco.

Stopy glinu są kute od 385 ° C do 455 ° C lub około 40 ° C poniżej temperatury krzepnięcia. Stopy aluminium nie tworzą kamienia podczas operacji kucia na gorąco, więc żywotność matrycy jest doskonała.

Miedź i mosiądz z 30% lub mniej cynku mają doskonałą zdolność kucia w operacjach obróbki plastycznej na zimno. Cynk wysokociśnieniowy może być kuty na zimno w ograniczonym stopniu, ale są to doskonałe stopy do kucia na gorąco. Stopy magnezu są kute na prasach w temperaturze powyżej 400 ° C. W wyższych temperaturach magnez musi być chroniony przed utlenianiem lub zapłonem przez obojętną atmosferę dwutlenku siarki.

Kowalstwo różnych metali dla kucia matrycowego w porządku malejącym dla niektórych stopów pospolitych podano w tabeli 1.1:

Ze względu na działanie wyrabiające podczas kucia, elementy wytworzone przez kucia są zwykle najsilniejsze i wymagają najmniejszej grubości materiału. Dlatego wszystkie elementy krytyczne są zwykle kute.

Niektóre z typowych przykładów podrobionych komponentów obejmują:

Wały korbowe, korbowody, haki trakcyjne i podnoszące, sprężyny śrubowe, osie, rury i rury bez szwu, korpusy muszli, pręty, płyty, profile, rury pasty do zębów itp.

Technika # 3. Obróbka mechaniczna:

Jest to proces nadawania pożądanego kształtu danemu materiałowi poprzez usunięcie dodatkowego lub niepożądanego materiału poprzez cięcie w postaci wiórów. Materiał narzędzia skrawającego jest z konieczności trudniejszy i mocniejszy niż cięty materiał. Powszechnie stosowane procesy obróbki to toczenie, frezowanie, wiercenie, kształtowanie, planowanie, rozwiercanie, wytaczanie itp.

Chociaż tokarki i frezarki były używane w związku z produkcją zegarków nawet w piętnastym i szesnastym wieku, ale większość tych procesów wprowadzono do dużych gałęzi przemysłu w ich obecnych formach wytwarzania części do silników parowych pod koniec XIX wieku, ale osiągnęły pełnoletność w obecnym stuleciu.

Niemal wszystkie materiały można obrabiać, ale nie z taką samą łatwością. Z reguły trudniejsze do obróbki są trudniejsze materiały o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie. Również bardzo miękkie materiały są kłopotliwe dla maszyny, ponieważ między materiałem roboczym a narzędziem występuje napad. Można zatem powiedzieć, że istnieje określony zakres twardości powyżej i poniżej, który obniża wydajność skrawania.

Aby porównać łatwość cięcia, materiały mają indeks skrawalności.

Skrawalność materiału zależy od różnych czynników i powszechne jest rozważenie czterech z nich, a mianowicie .:

(i) Żywotność narzędzia,

(ii) Siły skrawania,

(iii) Wykończenie powierzchni, oraz

(iv) Zużycie energii.

Na podstawie tych czynników, stal automatowa określona przez AISI (American Institution of Steel and Iron) jako B 1112 o następującym składzie i odwrócona o 180 SFM (stopy powierzchni na minutę) lub 55 SMM (metry powierzchni na minutę) ma podany indeks skrawalności z 100.

C = 0-13% (maks.)

Mn = 0-9%

P = 0-1%

S = 0-2%

Żelazo = odpoczynek

Opracowano wiele wzorów do określenia wskaźnika skrawalności, a jedną z takich formuł przedstawionych przez Janitsky'ego jest:

gdzie,

c = funkcja TS,

TS = wytrzymałość na rozciąganie,

YP = granica plastyczności.

Właściwości materiału wpływające na skrawalność metalu obejmują:

1. Skład materiału:

Wysoka zawartość stopu i obecność twardych wtrąceń takich jak Al ₂ O ₃ w stalach, a także zawartość węgla poniżej 0, 30% lub powyżej 0, 60% zmniejszają podatność na obróbkę, podczas gdy niewielkie ilości ołowiu, manganu, siarki i fosforu ją poprawiają.

2. Struktura metalu:

Jednolita mikrostruktura z małymi niezaburzonymi ziarnami poprawia skrawalność. Struktura lamelkowa w stalach niskowęglowych i średniowęglowych oraz struktura sferoidalna stali wysokowęglowych również dają lepszą obrabialność.

3. Obróbka i obróbka cieplna:

Gorąca obróbka twardych stopów i obróbka na zimno miękkich stopów prowadzi do poprawy skrawalności.

Wyżarzanie, normalizowanie i odpuszczanie ogólnie poprawiają skrawalność. Wygaszanie normalnie zmniejsza skrawalność.

Wskaźniki skrawalności niektórych dobrze znanych materiałów podano w tabeli 1.2.

Niektóre typowe przykłady obrabianych elementów obejmują: dławiki, gniazda zaworów, tuleje cylindrów samochodowych, zęby kół zębatych, wkręty wrzecion, części maszyn, nakrętki i śruby itp.

Technika # 4. Spawanie:

Spawanie, jak się powszechnie uważa dzisiaj, jest względnie nowym procesem wśród procesów produkcyjnych, chociaż kowalstwo, które łączyło metalowe części, praktykowane było jeszcze przed Chrystusem. Chociaż istnieje wiele dobrze znanych procesów spawania, ale spawanie łukowe z elektrodami powlekanymi jest nadal najbardziej popularnym procesem spawania na całym świecie.

Spawanie łukowe w obecnej formie pojawiło się na scenie przemysłowej w latach osiemdziesiątych XIX wieku. Chociaż istnieją sprzeczne twierdzenia dotyczące twórcy tego procesu, ale bardzo często jest to przypisywane rosyjskiemu Slavianoffowi, o którym twierdzi się, że opatentowało go w 1881 r. Spawanie łukowe nie zostało jednak zaakceptowane do produkcji elementów krytycznych do około 1920 r., powłoki czasowe dla elektrod były dobrze rozwinięte.

Jednak zapotrzebowanie na produkcję ciężkich elementów, takich jak statki, zbiorniki ciśnieniowe, konstrukcje mostów itp., Stanowiło niezbędny bodziec do spiekania, a druga wojna światowa stanowczo określiła je jako główny proces produkcji.

Spawanie, które jest procesem łączenia dwóch lub więcej części materiału (ów), ale zapewnia stałe połączenie, ale zwykle wpływa na metalurgię komponentów. Dlatego zwykle towarzyszy mu obróbka cieplna po spawaniu (PWHT) dla większości krytycznych składników.

Większość materiałów można spawać jednym lub drugim procesem. Jednak niektóre są łatwiejsze do spawania niż inne. Aby porównać tę łatwość spawania, często stosuje się określenie "zdolność spawania". Zdolność spawania materiału zależy od różnych czynników, takich jak zmiany metalurgiczne zachodzące w wyniku spawania, zmiany twardości wewnątrz i wokół spoiny, wydzielanie gazu i absorpcja, stopień utlenienia i wpływ na skłonność do pękania złącza. W zależności od tych czynników, nisko węglowe stale (C <0-12%) mają najlepszą zdolność spawania wśród metali. Dość często materiały o wysokiej zdolności odlewu mają zwykle niską zdolność spawania.

Procesy spawalnicze szeroko stosowane w przemyśle obejmują oksy-acetylen, ręczny łuk metalowy lub ekranowany łuk metalowy (SMA), łuk podwodny (SA), łuk gazowy (GMA), spawanie gazowo-wolframowe (GTA), zgrzewanie oporowe, spawanie i zgrzewanie na zimno. Większość tych procesów ma specjalne pola oddziaływania, jak spawanie oporowe jest popularne w przemyśle samochodowym, spawanie termiczne do łączenia szyn in situ. GM AW jest szczególnie przydatny do spawania konstrukcji ze stali niskowęglowej, jak również spawania stali nierdzewnych i aluminium, GTAW jest bardziej popularny w przemyśle lotniczym i nuklearnym, SAW do budowy statków, Spawanie w zimnym ciśnieniu przez przemysł spożywczy i tym podobne. Jednak spawania metodą SMAW lub elektrodą kijkową i spawania acetylenowo-tlenowego są procesami ogólnego przeznaczenia o szerokim zakresie zastosowań.

Niektóre z typowych zastosowań spawania obejmują produkcję statków, zbiorników ciśnieniowych, karoserii samochodowych, platform off-shore, mostów, spawanych rur, uszczelniania paliwa jądrowego i materiałów wybuchowych itp.