Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением – технологический процесс получения заготовок необходимой формы и размеров путем пластической деформации. Обработка давлением применима к пластичным материалам (стали, медные, магниевые и алюминиевые сплавы и др.) и может производиться и в холодном и в горячем состоянии.

При обработке металла в холодном состоянии зерна деформируются и вытягиваются в направлении деформации. Прочность и твердость металла при обработке непрерывно увеличиваются, пластичность и вязкость – уменьшаются. Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Большая плотность дислокаций и высокая концентрация точечных дефектов в наклепанном металле препятствует свободному перемещению дислокаций и затрудняет дальнейшую пластическую деформацию.

При обработке металла в горячем состоянии пластичность металла более высокая и увеличении степени деформации не изменяется. Даже при небольшом нагреве металла наклеп, возникающий при деформировании, начинает уменьшаться за счёт того, что частично исчезают дефекты решетки, образовавшиеся при этой деформации. Деформированные зерна форму сохраняют. Это явление называется возвратом металла. При деформировании с более высокой температурой наклеп исчезает полностью. Процесс образования новых более совершенных зерен (с минимальным количеством дефектов в кристаллической решетке), за счет деформированных, называется первичной рекристаллизацией. При дальнейшем нагреве происходит вторичная рекристаллизация, сопровождающаяся объединением и ростом отдельных зерен.

Температура, при которой в металле начинается процесс рекристаллизации, называется температурным порогом рекристаллизации (Т _р). Она связана с температурой плавления зависимостью А. Бочвара Т _р = a × Т _пл. Коэффициент a зависит от состава и структуры металла (для сплавов – 0,5–0,6, для технически чистых металлов – 0,3–0,4). Температуры плавления металла – в градусах Кельвина.

Если деформирование металла происходит при Т > Т _р , то упрочнения металла не происходит так как одновременно идут процессы наклепа (упрочнения) и рекристаллизации (разупрочнения). Такая деформация называется горячей. Если деформирование металла происходит при Т < Т _рек, то деформация называется холодной и сопровождается наклепом (упрочнением) металла. Для каждого металла и сплава температура горячей обработки имеет не только нижний, но и верхний предел.

На рис. 13.1 показан интервал оптимальных температур 1 нагрева сталей, для горячей обработки давлением в зависимости от содержания углерода.

Верхний предел зоны нагрева лежит на 150–200 °С ниже температуры начала плавления (линии солидуса), нижний – на 60–70 °С выше температур превращения перлита и цементита в аустенит. Зона 3 пережога находится на 100 °С выше зоны 2 перегрева. Пережог металла – неисправимый брак. В зоне перегрева происходит интенсивный рост зерна. Крупнозернистая структура металла делает его менее прочным и хрупким. Для исправления перегрева необходима термическая операция отжига, измельчающая зерно. Ниже линии нижних температурных пределов начинается зона наклепа. При горячей деформации зерно получается тем мельче, чем ближе окончание обработки к нижнему температурному пределу. Заготовки нагревают в пламенных или электрических печах (камерных, методических, индукционных). Нагревать заготовку нужно быстро, чтобы зерно металла не успело вырасти, и он не потерял пластичность, но равномерно, чтобы минимизировать термические напряжения.

В отличие от простых камерных печей, в методических печах рабочее пространство разделено на три зоны: подогрева заготовки (600–800 °С), максимального нагрева (1200–1300 °С) и зону выдержки.

В устройствах электроконтактного нагрева ток большой силы (при малом напряжении) проходит через заготовку, которая служит сопротивлением и разогревает ее.

В индукционных печах заготовка находится внутри индуктора (соленоида) и нагревается под действием вихревых токов Фуко. В этом случае время нагрева сокращается в 15–20 раз. При такой скорости нагрева, по сравнению с другими печами, отсутствует обезуглероживание поверхности заготовки и образуется меньший слой окалины.