Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов и сплавов. Пластичностью называют способность металлов изменять свою форму под действием инструмента без разрушения. Пластичность металлов и сплавов не является физической характеристикой, а определяется также и условиями деформации. Один и тот же металл или сплав будет иметь в одних условиях большую пластичность, допускающую большие деформации, в других — разрушаться при небольших остаточных изменениях формы. Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава и фазового состояния, структуры, а также от условий — температуры, скорости, степени деформации и механической схемы.
Технические процессы обработки металлов давлением осуществляются как в холодном, так и в горячем состоянии. Основными механизмами пластической деформации в горячем и холодном состоянии являются: внут — ризеренное скольжение, двойникование, взаимное перемещение и поворот зерен. При пластической деформации происходит измельчение зерен металла, ориентация зерен вдоль преимущественного направления деформации, искажаются и заклиниваются плоскости скольжения, возникают напряжения между отдельными зернами, частями металла и др.
Указанные изменения приводят к тому, что пластические характеристики металла или сплава уменьшаются, а прочностные свойства (предел текучести, предел прочности) возрастают. Важно отметить, что при холодной деформации изменения свойств металлов и сплавов накапливаются по мере увеличения степени деформации. Это приводит к тому, что при достижении определенной суммарной деформации металлы и сплавы теряют способность деформироваться пластически, начинают разрушаться.
На рис. 118 показана зависимость предела текучести и относительного удлинения от степени деформации для углеродистой стали У10. При достижении общего относительного обжатия в 50 % предел текучести и предел прочности увеличились в два с лишним раза, а относительное удлинение уменьшилось с 30 до 2,5%. Значительное увеличение Прочностных характеристик металла и почти полная потеря пластичности, как результат упрочнения и образования субмикротрещин, определяют необходимость промежуточных нагревов.
При исследовании изменения свойств упрочненного металла при нагреве пользуются понятием гомологических температур. Гомологическая температура определяется как часть от температуры плавления по абсолютной шкале. Например, гомологические температуры для низкоуглеродистой стали равны: 0,3 7^ = 0,3 (1530+ +273) =540 K= = 267 °С; 0,4 7ПЛ = =0,4 (1530+273) = = 720 К=447 °С.
He
При нагреве метал-
Рис. 118. Изменение механических свойств стали У10 при холодной деформации
Ла до 0,3 T11R частично снижаются прочностные характеристики и повышается пластичность. Рекристаллизация происходит при температуре >0,4 Tuл. При полной рекристаллизации металл приобретает свойства, присущие ему до холодной деформации, т. е. происходит полное разупрочнение и восстановление пластических свойств. Основная часть металла обрабатывается в горячем состоянии. При горячей обработке металлов давлением значительно ниже прочностные свойства металлов и сплавов, меньше усилие, необходимое для осуществления деформации.
Б,,бт, МН/м
Mo
1020
O JO 20 JO 40 50 60 70 80 90
Для большинства металлов и сплавов характерно — повышение пластических свойств при нагреве. Это позволяет пластически деформировать с повышенными частными обжатиями, которые не могут иметь место при холодной деформации вследствие больших усилий, необходимых для осуществления процесса и невысокой пластичности. Горячей обработкой металлов называется деформация при температуре, превышающей температуру рекристаллизации. Технические процессы горячей обработки давлением стали осуществляются при температуре 1000—1250 °С, составляющей (0,7—0,8) Тпл. При горячей обработке давлением одновременно протекают два процесса в деформируемом металле: наряду с упрочнением металла происходит его разупрочнение под влиянием высоких температур.
Пластической остаточной деформации металла предшествует упругая деформация. Внешняя сила, изменяя межатомные расстояния, совершает работу, а в деформируемом объеме накапливается потенциальная энергия отталкивания (притяжения). Потенциальная энергия упругой деформации равна энергии, затраченной внешней силой на изменение объема (Л0) и формы (Лф). Согласно теории предельного состояния пластическая деформация наступает только тогда, когда в упругом материале будет накоплен определенный уровень потенциальной энергии. Уровень потенциальной энергии, достаточный для перехода от упругой к пластической деформации, достигается при следующем соотношении главных нормальных напряжений: (aj—cr2)2+(a2—сгз)2+(сгз— —ai)2 = 2a^. Соотношение главных нормальных напряжений называется условием или уравнением пластичности.
Под действием внешних сил тела изменяют свои линейные размеры и форму. Различают упругую и пластическую деформацию. Упругой называется деформация, исчезающая после снятия вызывающей ее нагрузки. Для кристаллических тел, к которым относятся металлы, упругая деформация мала и пропорциональна приложенной силе. Известно, что внешняя сила вызывает в начальный момент упругую деформацию и лишь при достижении определенной степени деформация становится остаточной.
Остаточная деформация сохраняется после устранения силы, вызвавшей ее. Следовательно, до начала пластической деформации внешние силы должны проделать определенную работу, которая аккумулируется в деформируемом теле в виде потенциальной энергии, при этом межатомные расстояния уменьшаются (увеличиваются) и возникают внутренние силы, которые стремятся вернуть атомы в первоначальное, равновесное состояние. Внутренние силы уравновешивают действие деформирующего внешнего усилия. В технических процессах обработки металлов давлением, кроме деформирующего усилия и внутренних сил, необходимо учитывать силы трения на контакте деформируемого металла и инструмента, реакции стенок инструмента. При решении задачи о величине деформирующего усилия необходимо учитывать все силы, действующие в каждом конкретном случае.
Интенсивность усилия определяется частным от деления усилия на площадь контакта металла с инструментом. Интенсивность внутренних сил называется напряжением, внешних — давлением, напряжением трения, удельным натяжением или подпором. Напряжения в объеме деформируемого тела различны и различно направлены. В общем случае на элементарный объем тела, находящийся в напряженном состоянии, действуют нормальные и касательные силы. Можно элементарный объем¦ металла рассечь тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, на которых касательные напряжения отсутствуют и действуют только нормальные напряжения, перпендикулярные этим площадкам. Эти напряжения называются главными, а площадки, на которых они действуют, — главными площадками. Принимается знак напряжения при растяжении — плюс, при сжатии—минус.
Определим напряжения и давление для случая осадки цилиндрического образца (рис. 115). Давление па площади контакта S цилиндра и инструмента равно p = P/S, где P — усилие, приложенное на границе образца.
В сечении цилиндра, перпендикулярном направлению силы, возникнут главные напряжения: ai = P/S.
Рис. 3 35. Линейная схема напряженного состояния
На площадке Sa, проведенной под углом а к направлению действия силы Р, будут иметь место нормальные (а) и касательные (т) напряжения. Напряжения на наклонной площадке равны: a=aiCOS2a; т= = (cri/2) sin 2а.
245
Из этого следует, что касательное напряжение будет иметь наибольшее значение (cri/2) на площадках, наклоненных к действующей силе (P) под углом 45°. При растяжении или сжатии на полированной боковой поверхности образца образуются линии скольжения (линии Чернова — Людерса). Наблюдение расположения Чернова — Людерса является экспериментальным подтверждением вывода о том, что касательные напряжения достигают максимума на плоскостях, расположенных под углом 45° к направлению силы. В начальный момент деформации линии скольжения располагаются под углом 45° к направлению действующей силы. Следовательно, плоскости, по которым происходит скольжение частей металла относительно друг друга, являются плоскостями, на которых касательные напряжения достигают наибольшего значения. Пластическая деформация для рассмотренного случая начинается, когда напряжение в сечении, перпендикулярном направлению действу-
Ifi-398 ющей силы, будет равно напряжению текучести металла — — vMn203-^Mn304-^Mn0-^Mn.
В восстановительных условиях электропечи оксиды марганца восстанавливаются легко до MnO, которая взаимодействует с твердым углеродом по реакции: MnO-f — +С = СО + Мп.
Но может происходить также и образование карбида марганца МщС по реакции: ЗМп04-4С=Мп3С+ЗСО. Присутствие железной стружки разбавляет концентрацию марганца в сплаве и облегчает восстановление оксидов марганца. Выплавку ферромарганца производят как флюсовым способом с добавками известняка, так и бесфлюсовым — без присадки флюса. В результате получают высокоуглеродистый сплав и богатый марганцем малофосфористый шлак, содержащий до 50 % MnO. Этот шлак называют передельным. Его используют вместо марганцевой руды для производства низкофосфористого силикомарганца — полупродукта при производстве средне — и малоуглеродистого ферромарганца.
Технология плавки
Углеродистый ферромарганец плавят непрерывным процессом, загружая в печь шихту по мере ее проплав — ления. Колоша шихты состоит из 300 кг марганцевой руды, 50 кг коксика и 15—20 кг железной стружки. О нормальном ходе процесса свидетельствуют конусы шихты высотой 300—400 мм около электродов, глубокое расположение электродов в шихте, сход шихты с откосов печи. Шихтовые материалы попадают в зону высоких температур подготовленными и подогретыми (в значительной степени удалены влага, а летучие высшие оксиды марганца перешли в низшие). Газы при плавке должны равномерно выделяться по всей поверхности колошника. При мелких шихтовых материалах газы стремятся выходить в виде свищей у самого электрода, поэтому особенно важно поддерживать вокруг электродов конус шихты и прокалыванием колошника разрушать участки спекшейся шихты.
Сплав и шлак выпускают одновременно пять-шесть раз в смену через все летки поочередно. Шлак образуется из пустой породы руды, известняка, золы кокса, оксидов марганца. При выплавке 1 т сплава получается около 1 т шлака. Из прямоугольной печи Никопольского завода ферросплавов выпуск сплава и шлака производят из трех леток поочередно. Шлак и сплав выпускают одновременно. На одной тележке устанавливают ковш для сплава и чашу для шлака. Ковш футерован шамотным кирпичом. Струя сплава и шлака сначала попадает в ковш, шлак переливается через его край в чашу, а сплав накапливается в ковше. По окончании выпуска детку заделывают конусом из огнеупорной глины и электродной массы. Разливку ферромарганца производят на конвейерной машине с чугунными изложницами. Отливают слитки толщиной около 85 мм.
Существует и способ разливки сифоном. Изложницы устанавливают под желобом печи каскадом. В первой изложнице устанавливают перегородку, нижняя кромка которой на 60—70 мм ниже сливного носка изложницы. Шлак, накапливаясь у перегородки, сливается в ковш, а металл проходит под перегородкой во вторую изложницу и по ее наполнении в третью и четвертую. Передельный шлак и сплав разливают в изложницы или на разливочной машине в мульды. Для выплавки 1 т ферромарганца с содержанием 78—82 % марганца расходуют 2 т агломерата, 350 кг коксика, 100 кг стружки, 336 кг известняка и 3600—4800 кВт-ч электроэнергии, извлечение марганца 76,0 %. Стоимость 1 т сплава 285 руб.
§ 4. Производство углеродистого феррохрома
Из всех легирующих элементов наибольшее применение находит хром, который повышает твердость, прочность стали. Высокохромистые стали устойчивы против окисления и коррозии, обладают повышенным сопротивлением износу и истиранию. Наиболее широко хром применяется в сочетании с никелем. Это коррозионно — стойкие стали, содержащие 18 % Cr и 8—10 % Ni. Жаропрочные стали и сплавы с высоким содержанием хрома получили применение для изготовления деталей газовых турбин и реактивных двигателей.
Сортамент феррохрома очень разнообразен. Существует 17 марок феррохрома и 5 марок металлического хрома. .Сплавы отличаются в основном по содержанию углерода, которое изменяется от 0,01 % до 8,0%. Чем ниже содержание углерода, тем сложнее технология его получения и дороже сплав. Низко — и среднеуглеродис — тый феррохром применяют для производства коррозион — яостойких сталей и разных сплавов.
В зависимости от содержания углерода феррохром выплавляют различными процессами. Высокоуглеродистый и передельный феррохром выплавляют из хромистой руды путем восстановительной плавки с использованием коксика. Низко — и среднеуглеродистый феррохром получают сложным способом с использованием поочередно трех плавильных агрегатов с выплавкой промежуточных продуктов.
Для производства высокоуглеродистого феррохрома используют хромовые руды, содержащие до 62 % Сг20з. В СССР основным месторождением хромовой руды является Донское (Казахстан). В качестве восстановителя применяют коксик. Плавку проводят в открытых и закрытых ферросплавных печах мощностью до 16,5 MB-A с магнезитовой футеровкой. Восстановление оксидов хрома в основном протекает по реакции:
2/з Cr2O3+12/; C = 4A1 Сг7С3+2СО.
Одновременно происходит восстановление из руды и оксидов железа. Железо растворяет карбид хрома с образованием сложного карбида (CrFe)7С3, в результате чего снижается температура плавления сплава и создаются благоприятные условия для протекания процесса, а уменьшение концентрации хрома в сплаве сдвигает равновесие реакции в сторону восстановления оксидов углеродом; содержание его в сплаве может достигать 8 %. Для снижения концентрации углерода в печи создают окислительные условия при помощи введения хромовой руды:
2/з Сг7С3+2/з Сг203 = 6Сг + 2С0.
Для этого подбирают руду с тугоплавкой пустой породой, чтобы создать над жидким сплавом «рудный слой», богатый оксидом хрома. Поскольку рудный слой очень вязкий, он не выходит из печи при выпуске сплава, но так как он примерно в полтора раза тяжелее шлака, то опускается в нижние слои шлака. При использовании легковосстановимых хромистых руд, избытке восстановителя и использовании кварцита получает значительное развитие реакция восстановления кремнезема. Содержание кремния в сплаве достигает 5—8 %. Для регулирования содержания кремния служит рудный слой, проходя через который кремний окисляется до 2—3%.
Технология плавки
Плавку высокоуглеродистого феррохрома ведут непрерывно. Шихта в смешанном виде поступает в печь иа бункеров по рукавам и подвижным лоткам и распределяется равномерно по колошнику без образования конусов у электродов. По мере оседания производят подгруз — ку шихты. FIo всей поверхности колошника выделяются языки пламени. Сплав и шлак выпускают в ковш через одну летку одновременно, три — четыре раза в смену. Из ковша шлак переливают через носок в шлаковню, а сплав разливают через отверстие в донной части ковша в плоские сборные чугунные изложницы для получения слитков толщиной =^200 мм, чтобы облегчить последующую их разбивку. Для получения 1 т высокоуглеродистого феррохрома затрачивается: 2000 кг руды, 300—400 кг коксика, 50 кг кварцита, расход электроэнергии составляет 3200 кВт-ч.
Ферросплавы —это сплавы железа с марганцем, кремнием, хромом, ванадием, вольфрамом, молибденом и другими элементами. Ферросплавы применяют для легирования и раскисления стали. Целесообразность легирования стали ферросплавами, а не чистыми металлами объясняется тем, что уменьшается угар легирующего компонента, облегчается его введение в сталь вследствие более низкой температуры плавления. Стоимость легирующего компонента в ферросплавах ввиду более простой и дешевой технологической. схемы получения значительно ниже, чем технически чистых металлов.
В СССР работают крупные заводы по производству ферросплавов, построенные за годы пятилеток: Челябинский (ЧЭМК), Запорожский, Актюбинский, Зестафон — ский, Ермаковский и др. Ферросплавы получают из руд, концентратов, по большей части представляющих собой оксиды марганца, кремния, хрома, ванадия, вольфрама, молибдена, титана и других металлов, путем восстановления. Восстановителями служат углерод, кремний и алюминий. Наиболее распространенным способом получения является углевосстановительный. Этот способ применяется в тех случаях, когда нет особых требований к содержанию углерода в сплавах. В качестве восстановителей используют мелочь угольного и нефтяного кокса. Этот способ применяют при получении углеродистого ферромарганца, феррохрома и ферросилиция.
Восстановление кремнием и алюминием носит название металлотермического способа. Этим способом получают феррованадий, ферромолибден, ферровольфрам, ферротитан и др. Ферросплавы, полученные металлотер — мическим способом, имеют низкие (