Термомеханическая обработка металла

Успехи машиностроения, строительства и других отраслей промыш­ленности в значительной мере определяются достижениями в области металлургического производства. Повышение прочности в сочетании с достаточной пластичностью металлов и сплавов позволяют умень­шить массу, а следовательно, и стоимость сооружений и машин при их эксплуатации и во многих случаях при изготовлении. Поэтому непрерывно стремятся улучшить механические характеристики ме­талла как в состоянии поставки, так и при последующей обработке.

Известно, что пластическое деформирование и термическая обра­ботка меняют свойства металлов. Объединение этих операций, макси­мальное их сближение и создание единого процесса термомеханиче­ской обработки обеспечивают заметное повышение механических характеристик, что позволяет экономить до 15 .40% металла и более или увеличить долговечность изделий.

Длительное время пластическую обработку рассматривали в ос­новном как операцию формирования, хотя известно, что 10 .20% энергии, затрачиваемой на деформацию, идет на увеличение внутрен­ней энергии дефектов кристаллической решетки. Перед окончательной термической обработкой от этой накопленной энергии освобождались и только после этого выполняли термические операции, приводившие металл к метастабильному состоянию с высокой прочностью и вяз­костью. Между тем совмещение пластической деформации и фазовых (структурных) превращений или их сочетание в определенной после­довательности вызывает повышение плотности дислокации, изменяет наличие вакансий и дефектов упаковки и может быть использовано для создания оптимальной структуры металла и формирования важ­нейших свойств — прочности и вязкости. Это совмещение пластиче­ской деформации и термического воздействия, целью которого являет­ся формирование требуемой структуры обрабатываемого тела, называ­ют термомеханической обработкой (ТМО).

При ТМО оба процесса — пластическая деформация и термиче­ская обработка — могут совмещаться в одной технологической опера­ции, но могут проводиться с разрывом по времени. Однако фазовые превращения при этом должны выполняться в условиях повышенной плотности дефектов решетки, возникающих благодаря пластической деформации металла. В условиях ТМО сочетание пластической и термической обработок для разных материалов определяется исход­ным структурным состоянием, чувствительностью к этим воздействиям и последствиям воздействия.

ТМО стали выполняется главным образом по трем схемам: высоко­температурная (ВТМО), низкотемпературная (НТМО) и предваритель­ная термомеханическая обработка (ПТМО).

ВТМО — термообработка с деформационного нагрева с последующим низким отпуском. Контролируемая прокатка, являясь разновидностью ВТМО, представляет собой эффективный спо­соб повышения прочности, пластичности и вязкости низколегирован­ных сталей. Основная идея этого вида обработки заключается в под­боре режимов прокатки и охлаждения после прокатки, что обеспечивает получение мелкого и од­нородного зерна в готовом прокате. Наиболее успешно это дости­гается понижением температуры прокатки в последних трех — пяти проходах до 780 .850°С при увеличении степени деформациидо 15 .20% и выше за проход.

НТМО заключается в нагреве стали до 1000 .1100°С, быстром охлаждении до температуры метастабильного состояния аустенита (400 .600°С) и высокой степени (до 90% и выше) деформации при этой температуре. После этого выполняется закалка на мартенсит и отпуск при 100…400°С. Этот способ применим к легированным ста­лям.

ПТМО характерна простотой выполнения технологического процесса: холодная пластическая деформация (повышает плотность дислокаций), дорекристаллизационный нагрев (обеспечивает полигонизацию структуры феррита), закалка со скоростного нагрева, отпуск, При этом перерыв между холодной деформацией и нагревом под за­калку не регламентируется, что значительно упрощает технологиче­ский процесс ПТМО.

Операция ускоренного охлаждения после прокатки или другого вида пластической деформации также представляет собой термомеха­ническую обработку. Поэтому эта операция приобретает в ряде слу­чаев важное значение как с точки зрения улучшения структуры ме­талла, а следовательно, и механических свойств, так и влияния на понижение окалинообразования и обезуглероживания.

Прокатка металлов

Прокатка металлов является таким видом пластической обработки, когда исходная заготовка обжимается вращающимися валками про­катного стана в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и при­дания ей заданной формы. Существует три основных способа прокатки:

· про­дольная,

· поперечная,

· поперечно-винтовая (или косая).

При продольной прокатке деформирование заготовки осу­ществляется между вращающимися в разные стороны валками. Оси прокат­ных валков и обрабатываемой заготовки параллельны (или пере­секаются под небольшим углом). Оба валка вращаются в одном на­правлении, а заготовка круглого се­чения — в противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемая заготовка удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие за­готовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспе­чиваются соответствующей профилировкой валков и изменением рас­стояния между ними. Данным способом производят изделия, пред­ставляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни и пр.).

Поперечно-винтовая или косая прокатка выполняется во вращаю­щихся в одном направлении валках, установленных в прокатной клети под некоторым углом друг к другу. Станы косой прокатки ис­пользуют при производстве труб, главным образом для прошивки слитка или заготовки в гильзу. В момент соприкосновения металла с вращающимися валками, имеющими наклон к оси обрабатываемой за­готовки, возникают силы, направленные вдоль оси заготовки, и силы, направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил обеспечивает вращение, втягивание обрабатываемой заготовки в суживающуюся щель и деформирование.

Металлургическая промышленность России выпускает разнообраз­ные виды проката, отличающиеся по форме поперечного сечения и размерам. Все эти изделия перечень которых называется сортаментом, как правило, стандартизованы.

Хотя сортамент прокатных изделий весьма обширен, все же пред­ставляется возможным весь прокат разбить на следующие основные четыре группы: сортовой, листовой, трубы, специальные виды проката (бандажи, колеса, периодические профили и пр.). Наиболее разнооб­разной является группа сортового проката, который подразделяется на простые и фасонные профили. Прокат в виде круга, квадрата, полос плоского сечения относится к простым профилям. Прокат сложного поперечного сечения относится к фасонным профилям. В зависимости от назначения фасонные профили подразделяются на профили общего или массового потребления (угловой профиль, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили и др.) и профили специального назна­чения (рельсы железнодорожные широкой и узкой колеи, рельсы трам­вайные, профили сельскохозяйственного машиностроения, электропромышленности, нефтяной промышленности и др.). В прокатных цехах производят более 1600 размеров простых профилей, более 1100 фасонных профилей общего потребления и при­мерно 1350 размеров профилей специального назначения.