Металлообработка в Казани 2

Поверхностные изменения

/poverhnostnye-izmeneniya/

Существует пять типов изменений поверхности (поверхностные изменения), связанных с удалением металла:

  1. механические (которые включают пластические деформации- образование дефектов на краях, изменение твердости, трещины, остаточные напряжения, пустоты, углубления, заусенцы и включения),
  2. металлургические (фазовая трансформация, размер и распределение зерен, размер и распределение осадка, посторонние включения, двойникование и перекристаллизация, среди прочего),
  3. химические (например, межкристаллитное воздействие, коррозия и окисление, преимущественное растворение, загрязнение, разрушение в результате химического поглощения и ямы),
  4. термические (включая зону термического воздействия и переделанный слой) и
  5. электрические (проводимость и магнитные изменения, резистивный нагрев и перегрев).

Несмотря на то, что эта классификация весьма полезна и подробна, некоторые изменения нельзя отнести только к одному типу.

Например, изменение твердости может произойти в результате пластической деформации (механического типа) и/или фазового превращения (металлургического изменения).

Тем не менее, поверхностные изменения, вызванные обработкой твердых деталей, обычно носят механический, металлургический и термический характер. Наличие и степень изменений в значительной степени зависят от серьезности операции механической обработки.

Микроструктурные изменения

Микроструктурные изменения в сталях могут быть вызваны как механическим, так и термическим воздействием. В случае закаляемых сталей, если температура обрабатываемой детали превышает температуру аустенизации во время механической обработки (из-за трения и пластического растяжения), образуется аустенит, и после закалки холодным сыпучим материалом или смазочно-охлаждающей жидкостью на поверхности образуется хрупкий, сильно напряженный и подверженный растрескиванию слой мартенсита (обычно называемый белым слоем).

Однако, если температура заготовки превышает только температуру отпуска, то произойдет перегрев.

Изменения твердости

Как правило, измерение твердости проводят с помощью алмазного индентора Виккерса или Кнупа, используя среднюю диагональ отступа в первом или более длинную диагональ во втором. В связи с тем, что твердость может значительно варьироваться на небольшом расстоянии, часто используются нагрузки ниже 1 Н (испытание на микротвердость).

Однако, в отличие от высоких нагрузок, обычно используемых для испытания на твердость, значение микротвердости зависит от приложенной нагрузки.

Эффект бокового потока материала

/bokovoj-potok-materiala/

Характерное явление, возникающее при операциях жесткой токарной обработки, называемое «боковой поток материала», объясняется эффектом сжатия материала заготовки между боковой стороной инструмента и обрабатываемой поверхностью, когда UCT меньше минимального значения.

Кроме того, это также может быть результатом протекания высокопластифицированного материала через изношенную заднюю кромку в сторону инструмента.

Боковой поток материала — это поведение материала, когда толщина неразрезанной стружки h меньше минимальной толщины стружки в конкретной точке, определяемой углом 0~ 25°. Поскольку образования стружки не происходит, наблюдается упругопластическая деформация поверхностного слоя. В точке II упругий компонент пружинит назад после перемещения инструмента, а за точкой III компонент пластической деформации приводит к окончательной деформации поверхностного слоя.

Эффект бокового потока материала приводит к существенному ухудшению качества поверхности, поскольку сжатый, похожий на чешуйки, твердый и очень абразивный материал свободно прикрепляется к сформированной поверхности вдоль отметок подачи.

Образование характерных заусенцев на выступах метки подачи происходит более интенсивно при более высокой скорости резания и больших радиусах выступа инструмента, а также при прогрессирующем износе инструмента.

Прогнозирование бокового потока материала

Боковой поток материала, возникающий при жестком точении, также может быть смоделирован с использованием модели из трех термо-упруго-вязко-пластичных материалов. Прогнозирование образования стружки и эффекта бокового потока при ортогональном точении закаленной стали AISI 52100 твердостью 62 HRC с помощью инструмента PCBN.

Применяемая модель способна имитировать боковой поток материала вокруг меток подачи, смещение бокового потока зависит от значения радиуса наконечника инструмента таким образом, что материал сжимается позже с большим радиусом наконечника инструмента (аналогично для более низких подач).

Термомеханическая нестабильность

В частности, был определен критерий Рехтса и выбраны условия резания, при которых возникает нестабильность сдвига. Основная проблема, возникающая при моделировании образования стружки при точении с высокой точностью, заключается в прогнозировании критической скорости резания, соответствующей началу нестабильности сдвига, как это предлагается критерием Рехта. Скорости резания около 1 м /мин достаточно, чтобы CTI доминировал в образовании стружки при точении стали AISI 52100 (60 HRC).

Процесс образования стружки при резании металлов

/mehanizmy-obrazovaniya-struzhki/

Природа (процесс) образования стружки при механической обработке с твердым покрытием совершенно иная, чем при более традиционной обработке. После рассмотрения механики этого уникального типа образования стружки будут объяснены и обсуждены некоторые механизмы, которые им управляют.

Первая, простая модель, основанная на периодическом растрескивании, для получения пилообразной стружки. Когда инструмент перемещается, стружка скользит по поверхности трещины до тех пор, пока  не образуется следующая трещина.  Первоначально трещина, называемая общей трещиной, будет непрерывной по ширине стружки для достаточно хрупких материалов, но для менее хрупких материалов при более высоких скоростях резания она может стать прерывистой по мере продвижения трещины к наконечнику инструмента.

Такие несвязанные локализованные трещины будут называться микротрещинами. Расстояние между одним сегментом, который скользит относительно своего соседа в течение одного цикла, зависит от расстояния между трещинами на обработанной поверхности. Когда шаг стружки выше, чем степень сжатия стружки и угол сдвига более 45°, то это является результатом сжимающих напряжений на материале в зоне напряжения.

Рабочая часть режущего инструмента называется «режущий клин», который заключен между передней поверхностью инструмента и боковыми контактными поверхностями, пересекающимися и образующими режущую кромку. Этот режущий клин находится под действием напряжений, приложенных к поверхностям контакта инструмент-стружка и инструмент-заготовка. Из-за тепла, поступающего в режущий инструмент, этот клин имеет высокую температуру. Поэтому, когда говорят, что режущий инструмент проникает в заготовку, имеется в виду проникновение режущего клина, поскольку конфигурация режущего инструмента вне режущего клина не влияет на механику резания металла и физику процесса резания.

Виды металлической стружки

Виды стружки

Когда режущая кромка встречается с заготовкой, материал деформируется путем сдвига, что приводит к одному из трех типов образования стружки.

  • Прерывистая стружка. Стружка, возникающая в результате пластической деформации вместе с повторяющимися трещинами, которые придают стружке неравномерную толщину. Эта стружка легко разбивается на более мелкие части, что приводит к меньшему трению, лучшей гладкости поверхности и более легкому удалению стружки. Однако изломы могут вызывать вибрации, отрицательно влияющие на гладкость поверхности. Возникает в основном из-за хрупких материалов, большей толщины стружки, при низких скоростях и малых углах между пластиной и поверхностью заготовки.
  • Сплошная стружка. Стружка, возникающая в результате чистой пластической деформации без разрушения, что приводит к равномерной толщине стружки. Они обеспечивают минимальную вибрацию, что хорошо для гладкости поверхности, но имеет тот недостаток, что стружка часто бывает длинной и может мешать процессу резания.
  • Сплошная стружка с наростами на кромках. Сколы, образующиеся подобно сплошным стружкам, но с той разницей, что циклические наросты, отложения материала, которые образуются до тех пор, пока они не разрушатся, а затем снова не нарастут, приводят к снижению гладкости поверхности.
образование стружки при резании

Процесс резания и образования стружки

В другой механической модели сегментированная стружка образуется в результате процесса катастрофической локализации деформации, возникающей при превышении некоторой критической скорости резания. В этой модели расстояние между сегментами является линейной функцией UCT, но асимптотически увеличивается со скоростью резания, глубиной резания и углом наклона.

Например, механизмы образования стружки при ортогональной обработке закаленной насквозь подшипниковой стали AISI 52100 50-65 HRC с помощью инструментов PCBN начало сегментации стружки из-за адиабатического сдвига наблюдалось при относительно низких скоростях резания (ниже 1 м/с). Кроме того, эти полосы сдвига формируются на частотах в диапазоне 50-120 кГц, когда скорость резания изменялась от 0,35 до 4,3 м/с, а расстояние между сегментами становится более периодическим по мере увеличения скорости резания. Также отмечается, что динамика сегментации стружки, вызванная тепловым и упругим взаимодействием между одной и следующей зонами сдвига, может приводить к периодическим изменениям расстояния между сегментами.

Растачивание - процесс образования стружки при резании металлов

Образование стружки — вид стружки пилообразной

Получение пилообразной вида стружки при ортогональной резке стали твердостью HV730 при скоростях резания 25-285 м/мин и скоростях подачи 0,0125-0,2 мм/об. было подтверждено Пулачоном. Соответствующие механизмы образования такой стружки, идентифицированные с помощью технологии замораживания стружки (с использованием устройства быстрой остановки). Можно выделить механизмы образования стружки, а именно четыре последующих этапа:

1. Во время вдавливания инструмента в зоне вокруг режущей кромки возникают сжимающие напряжения. Одновременно возникает трещина на поверхности заготовки под углом 0f, за которой следует плоскость сдвига, которая простирается к режущей кромке.
2. Объем стружки, локализованный между трещиной и фаской инструмента, выбрасывается без деформации. Зазор  постепенно уменьшается с перемещением инструмента, а толщина стружки  уменьшается. Температура может повыситься до мартенситного превращения, и может образоваться белый слой.
3. Зазор становится настолько узким, что скорость выброса материала очень высока, а пластическая деформация стружки очень интенсивна. Вторая часть очень малой толщины формируется при чрезвычайно быстром охлаждении.
4. Сегмент стружки сформирован, и зазор полностью исчезает. Сжимающие напряжения на свободной поверхности снова достаточно высоки, чтобы образовалась новая трещина. Это периодическое явление будет повторяться, приводя к циклическому образованию стружки.

Энергия резания

/energiya-rezaniya/

Удельная энергия резания (SCE) является одним из важных технологических показателей, которые количественно определяют уровень энергопотребления и влияют на промышленное применение данной операции механической обработки. Расмотрим энергию резания для ортогональной токарной обработки подшипниковой стали ALSL 52100 (60 HRC) с использованием инструмента с низким содержанием CBN (70%) для различных геометрий инструмента и резки, т.е. для переменного угла наклона.

Энергия резания для этой операции жесткой обработки составляет от 6 до 1,1 ГПа, что значительно выше, чем для обработки обычных, более мягких сталей. Неудивительно, что самый высокий SCE был получен для инструментов с очень большим отрицательным углом наклона -27° и небольшим UCT 15,4 lam (угла наклона).

Более того, энергия резания уменьшается с увеличением скорости резания, но преимущественно для инструментов с более высокими отрицательными углами наклона.
В соответствии с общепринятой практикой жесткой механической обработки, высокая скорость, необходимая для обработки закаленных сталей, снижает критическую глубину (или ширину) разреза, при которой возникает повторное дребезжание. Таким образом, для поддержания высокой стабильности при разумных скоростях резки металла жесткость и демпфирование системы станка должны быть соответственно высокими.

При очень малых подачах UCT (угла наклона) значительно меньше радиуса наконечника инструмента, и эффективный угол наклона становится в значительной степени отрицательным. Материал перед поверхностью грабель находится в состоянии интенсивного сжимающего напряжения. В таком случае большой объем материала становится очень пластичным до того, как образуется очень тонкая стружка. Это приводит к экспоненциальному увеличению удельной энергии при меньших значениях колебаний. По аналогии, твердое точение, по-видимому, похоже на процесс шлифования.

Основное отличие энергии резания (SCE)

Однако основное отличие заключается в том, что разрушение является основной причиной образования стружки при механической обработке. Рассмотрим, как изменяется удельная сила резания (энергия) для различных конфигураций керамических пластин CC650 (обычная, общая обработка стеклоочистителя и обработка твердых деталей стеклоочистителя) при обработке высокохромистой стали ALSL D2 средней твердости 59/61 HRC.

В этом исследовании время испытания варьировалось от 5 до 15 минут, а глубина резания изменялась от 0,2 до 0,6 мм. Скорость резания 80 м/мин и подача 0,1 мм поддерживались постоянными. Очень интересно, что энергия резания варьируется от 1035 до 6670 МПа и от 4345 до 7310 МПа для обычных и стеклоочистительных вставок соответственно. Самые низкие значения SCE были получены при большой глубине резания 0,6 мм и 5-минутных испытаниях на резание.

Силы резания

/sily-rezaniya/

Специфические условия резания в процессе механической обработки и сложные микрогеометрические характеристики используемых режущих инструментов должны приводить к различному поведению процесса, включая механику процесса. Это предполагает, что значения составляющих силы и соотношения между ними должны отличаться от значений, полученных при механической обработке мягких материалов. Во-первых, силы резания резко возрастают при обработке материалов с твердостью более 45 HRC (на это значение часто ссылаются как на нижний предел обработки твердых деталей).

В частности, больший отрицательный угол наклона и радиус поворота инструмента, влияющие на пассивную силу, значительно увеличиваются, и этот эффект означает, что необходимо обеспечить абсолютно стабильный и жесткий процесс. Это требование должно особенно соблюдаться при использовании сверхтвердых инструментов с геометрией сглаживания по нескольким радиусам (так называемые инструменты для очистки).

При скорости резания Vc= 125 м/мин кромка с водопадной заточкой с радиусом кромки 30:60 давала наименьшее радиальное усилие (F ), за которым следовал радиус кромки с переменной заточкой 50|Lim. С другой стороны, последняя конструкция обеспечивала наибольшую силу резания (F). Аналогичным образом, при более высокой испытанной скорости резания 175 м/мин (рис. 3.10(b)) инструменты PCBN с режущими кромками переменной заточки создают более высокие силы резания, но измеренные силы уменьшаются по сравнению с другими геометриями режущих кромок. Кроме того, выявлено, что для измененной геометрии стеклоочистителя угол между результирующей силой резания и результирующей пассивной силой значительно уменьшается, когда угол фаски изменяется от -10° до -60°.

Подготовка режущей кромки

Подготовка режущей кромки оказывает значительное влияние на силы резания, создаваемые при высокоскоростном фрезеровании инструментальной стали HI 3, термообработанной до твердости 55 HRC, с использованием концевых фрез с шаровым наконечником с паяными вставками CBN.

В этом случае самые высокие значения результирующей силы резания (F) были получены для заточенных кромок, для которых большой отрицательный эффективный угол захвата приводит к усилению эффекта вспашки, что заметно увеличивает составляющую силы трения. С другой стороны, наименьшее усилие резания было зафиксировано для скошенных режущих кромок при использовании более высоких скоростей подачи 0,1 мм/зуб. Это связано с тем, что увеличение подачи для скошенных режущих кромок приводит к более стабильному процессу резки.

Скорость резания влияет как на усилие снятия фаски, так и на соответствующую температуру резания при использовании инструментов с фаской CBN с шириной фаски 0,1 мм и углом фаски -25 °. В этом исследовании были выбраны три скорости резания 240, 600 и 1000 м/мин. Силы снятия фаски, по-видимому, не зависят от увеличения скорости резания, поскольку повышение температуры в зоне первичной деформации довольно мало, не превышает 50°C. С другой стороны, температура в зоне контакта стружки с режущей кромкой значительно повышается до более 1500°C при скорости резания 600 м/мин. Практическая рекомендация заключается в том, что инструменты CBN могут эффективно работать со скоростью до 600 м/мин, поскольку они не подвержены значительному диффузионному износу и микротрещинам.

Зависимость силы резания от глубины резания

Для данной пары материалов AbOs/TiC-AISI D2, имеющей твердость около 60 HRC, зависимость силы резания от глубины резания для обычных конфигураций и конфигураций пластин стеклоочистителя и трех периодов обработки (5, 10 и 15 минут). В частности, силы резания, зарегистрированные для инструментов со стеклоочистителем, изменяются почти линейно, но для обычных инструментов функции F ^-a ^ имеют видимые максимальные точки на глубине резания вблизи ap = 0,45 мм.

Вероятно, в последнем случае износ инструмента приводит к тому, что геометрия режущей кромки становится менее негативной, в отличие от инструментов для очистки, для которых износ инструмента существенно ниже (для инструментов для очистки преобладающим эффектом является увеличение площади поперечного сечения среза).

 Экспериментально было обнаружено, что сила резания немного увеличивается со временем обработки, и F  является наибольшей силой, в то время как Ff — наименьшая сила. 

Механические модели твердой обработки

/mehanicheskie-modeli-tverdoj-obrabotki/

Твердая обработка — это специфический процесс, выполняемый в уникальных технологических и термомеханических условиях, и, как и ожидалось, механизмы процесса резания (образование стружки, выделение тепла, износ инструмента) существенно отличаются от тех, которые наблюдаются при обработке мягких материалов.

Механические модели твердой обработки выполняются также как процесс сухой высокоскоростной обработки. В частности, при использовании малых глубин резания (0,05-0,3 мм) и скоростей подачи (0,05-0,2 мм/об) в таких процессах получают как малую толщину недеформированной стружки (UCT), так и отношение UCT к радиусу режущей кромки. Эти геометрические соотношения приводят к эффективному углу наклона от -60 до -80°, и в результате создается чрезвычайно высокое давление для удаления материала вблизи режущей кромки. Кроме того, большой радиус угла приводит к увеличению составляющих результирующей силы резания наряду с чрезвычайно высокими термическими напряжениями.

Следует отметить, что механические модели

В первую очередь следует отметить, что механические модели твердой обработки включают в себя небольшую зону мертвого металла OBH, созданную фаской, в отличие от явно известных моделей с зонами первичной и вторичной пластической деформации. В результате поток стружки под кромкой фаски следует в направлении, противоположном движению инструмента, чтобы избежать рассеивания отрицательной энергии в зоне резания. Предлагаемая модель, использующая соответствующее решение по линии скольжения, способна генерировать оптимальный угол фаски и скорость резания (поэтому она будет полезна при моделировании высокоскоростной обработки закаленных материалов) и гарантирует минимальный износ инструмента и относительно низкие силы резания.

Режущие кромки инструментов PCBN для жесткого точения (твердая обработка) обычно имеют постоянное значение отрицательного угла наклона на главной первой грани. Пластины стеклоочистителя были изготовлены таким образом, что взаимосвязанная кромка инструмента сочетает в себе микродетали круглых и ромбических режущих пластин и обеспечивает переменную ширину фаски и непрерывное изменение угла фаски до 60° . Как следствие, локальная толщина стружки приближается к нулю в положении радиуса стеклоочистителя, где периферийная поверхность соответствует самой тупой фаске.

Более того, эффективная пластическая деформация увеличивается в пределах, как следствие, затупленность режущей кромки коррелирует со степенью пластической деформации обработанной поверхности.

Будущее инструментов для механической обработки

/budushhee-instrumentov-dlya-mehanicheskoj-obrabotki/

Механическая обработка сейчас переживает особый «золотой век», когда много времени, денег и усилий было потрачено на определение наилучшего инструмента для каждого применения. Сегодня для каждого метода задача крупных или мелких производителей состоит в том, чтобы предоставить максимально оптимизированный инструмент во всех соответствующих аспектах. Одним из наиболее важных аспектов успеха новых режущих инструментов является руководство по применению, поскольку каждое применение требует специальных рекомендаций, и в некоторых случаях они противоречат другим.

Экономический эффект от резки и механической обработки возрастает, хотя технологии, близкие к другой форме, предполагают сокращение количества материала, подлежащего удалению в каждой детали. Но спрос на сложные детали и высококачественную продукцию превосходит все ожидания. Следовательно, повышение производительности, долговечности инструмента и точности обработки является главной целью для многих компаний, принимая во внимание также бережное отношение к окружающей среде.

Измельчение станет растущей технологией, в которой будет применяться твердое измельчение, с особым вниманием к медицинским устройствам. Изготовление инструмента является еще одним важным вопросом для применения технологии микрообработки. Для промышленного применения используется микропорошок (размер частиц 0,3 мкм), спеченный из карбида вольфрама, для изготовления двух торцевых фрез диаметром 100 мм с радиусом кромки 1-2 дюйма. В любом случае, коммерческое предложение ограничено, и для разных материалов нет разных геометрий, что является важной проблемой, поскольку большинство инструментов предназначено для обработки стали.

Коммерческие инструменты для механической обработки

Коммерческие инструменты имеют четко определенную геометрию с небольшими отклонениями. Допуск, указанный в каталогах для суммы геометрической погрешности плюс погрешность биения, составляет ±10 единиц. Однако реальные погрешности обычно меньше (±5 мкм), но даже в лучшем случае допуск по размеру обрабатываемой формы невелик по сравнению с обычными высокоскоростными обрабатывающими станками. Износ инструмента происходит быстро и оказывает значительное влияние на производительность процесса. Это фактически влияет на точность, шероховатость, образование заусенцев и вибраций.

С другой стороны, в настоящее время разрабатываются материалы с улучшенными механическими характеристиками, обладающие большей прочностью на растяжение и сопротивлением ползучести. Новые сплавы обычно представляют собой сплавы с очень низкой обрабатываемостью, требующие рекомендации по механической обработке. Некоторыми примерами являются

  • аустемперированные ковкие чугуны для автомобильных компонентов и ветроэнергетических коробок передач,
  • гамма-титан для автомобильных компонентов и авиационных двигателей,
  • алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния,
  • пластиковые композиты, армированные углеродным волокном и другие.

Скоро на рынке появятся специальные инструменты для решения проблем, связанных с применением этих очень труднообрабатываемых материалов.

Будущие тенденции

В ближайшем будущем можно предвидеть расширение применения интеллектуальных методов для моделирования и оптимизации механической обработки. Нейронные сети и нечеткая логика будут широко использоваться, поскольку они способны сопоставлять сложные взаимосвязи. В том же смысле для этой цели будут более широко применяться подходы к стохастической оптимизации. Этот рост будет вызван главным образом постоянным увеличением вычислительной мощности компьютеров.

Однако все эти инструменты в настоящее время слишком экологичны. Для достижения этой цели требуются более прочные математические основы. Необходимо разработать строгие процедуры для разработки и обучения этим подходам и статистическим инструментам для анализа их результатов, чтобы повысить эффективность и надежность их применения.

Инструменты для многозадачной механической обработки

/instrumenty-dlya-mehanicheskoj-obrabotki/

На протяжении 2000-х годов была разработана новая концепция станкостроения, получившая название многозадачных станков. Этот тип станка основан на объединении токарных и фрезерных операций в одной станине станка.

Инструменты для механической обработки изучались более 20 лет, в основном для адаптации токарных центров, оснащенных осью C с мини-турелями для вращающихся инструментов. Однако эти станки были разработаны в основном для токарных операций, в то время как фрезерные операции выполнялись с помощью небольших инструментов с низким энергопотреблением (менее 1 кВт). Более того, программирование этих станков было настоящей проблемой, поскольку необходимо было комбинировать циклы токарной и фрезерной обработки, а также программировать одновременные операции по четырем или пяти осям с высокой вероятностью столкновения.

Многозадачные станки

Эти проблемы ограничивали разработку этих решений до 2000-х годов, когда была представлена новая серия машин. Новые многозадачные станки способны выполнять токарные и фрезерные операции без каких-либо различий и достигать той же мощности и точности, что и токарные и станковые центры. Короче говоря, инструменты для многозадачной механической обработки (станки) включают шпиндель вместо револьверной головки, в которой можно удерживать вращающийся инструмент (для фрезерования, сверления, нарезания резьбы или качания) или фиксировать регулировочную головку.

Разработка этих решений также была основана на использовании ЧПУ последнего поколения и более надежных и мощных систем программирования CAM. В настоящее время многозадачные станки являются надежным решением для обработки сложных деталей, сочетая операции токарной обработки, фрезерования, сверления, расточки и т.д., с основным преимуществом выполнения только одной настройки, и, следовательно, этот факт позволяет значительно сократить время выполнения, повышая точность обработки.

Для улучшения результатов многозадачных операций были разработаны специальные инструменты для многозадачной механической обработки. В частности, новая конструкция основана на двух, трех или четырех различных поворотных вставках вокруг одного и того же держателя. Поскольку шпиндель этих станков может указывать свое положение, различные пластины могут быть ориентированы для объединения различных операций обработки с одним и тем же держателем, которые известны как мини-турели.

Трохоидальное фрезерование

/trohoidalnoe-frezerovanie/

Трохоидальная траектория движения инструмента определяется как комбинация равномерного кругового движения с равномерным линейным движением, т.е. Траектория движения инструмента представляет собой кинематическую кривую, так называемую трохоиду. В дополнение к большой осевой глубине резания применяются легкие условия зацепления и высокоскоростное фрезерование.

Таким образом, удается избежать большой радиальной ширины разреза.

Пазы, более широкие, чем режущий диаметр инструмента, могут быть обработаны одним и тем же концевым фрезерным инструментом, обычно цельным. Поскольку используется небольшая радиальная глубина резания, можно применять фрезы с близким шагом, что приводит к более высокой скорости подачи резания, чем при обычном щелевом фрезеровании.

Основным недостатком трохоидального фрезерования является то, что длина траектории движения инструмента намного выше по сравнению со стандартными траекториями движения инструмента, такими как зигзагообразные, поскольку большие перемещения инструмента не приводят к зацеплению с материалом. Более того, в случае скульптурных поверхностей на поверхности образуются слишком большие ступени, что очень затрудняет последующую операцию полуобработки. Поэтому трохоидальное фрезерование рекомендуется для форм с прорезями, но не для обработки произвольной формы. 

В настоящее время все коммерческие пакеты автоматизированного производства (CAM) позволяют легко программировать этот метод.

Новые технологии для механической обработки твердых материалов

Разработка новых инструментов, с одной стороны, и новых многозадачных станков, с другой, позволила предложить новые методы обработки для черновой, чистовой обработки. Их основная цель — избежать вибраций при обработке и воспользоваться преимуществами более жесткого направления обрабатывающих центров, то есть оси шпинделя.

Токарно-фрезерный метод

/tokarno-frezernyj-instrument/

Недавно были разработаны две операции для применения в многозадачных станках нового поколения: торцевое токарное фрезерование и прядильный инструмент.

При фрезеровании с торцевым поворотом используется одна пластина стеклоочистителя для создания прямолинейного контакта между фрезой и обрабатываемой поверхностью для создания цилиндрической части детали. Вставка стеклоочистителя — это вставка, которая следует за режущей кромкой, проходя чуть дальше в материал, чтобы сгладить свежеобработанную поверхность, избегая обычных гребешков рисунков фрезерованной поверхности.

Скорость вращения деталей должна быть равна рекомендуемой подаче на зуб. В основном это операция торцевого фрезерования, при которой подача подается вращательным способом по оси C токарного станка. Основные параметры фрезерования могут быть непосредственно применены к этой практике.

Токарно-фрезерный инструмент и основные преимущества

В качестве основного преимущества (токарно-фрезерного способа) можно выделить контроль стружки, обеспечиваемый прерывистой резкой, по сравнению с длинной стружкой при точении. Можно рассмотреть другие области применения и преимущества:

• Токарные инструменты, как правило, плохо справляются с прерывистой резкой, но фрезерный инструмент может работать намного лучше. Фрезерный разрез уже является прерывистым разрезом по определению. В области заготовки, где разрез прерывается, может иметь смысл переключиться с токарной обработки на токарно-фрезерный инструмент.
• Если точеная деталь длинная, тонкая и не закреплена посередине, токарное фрезерование может предотвратить ее отклонение.
• В труднообрабатываемом металле одна токарная пластина может не обеспечить достаточный срок службы инструмента до конца резки. Фрезерный инструмент может резать дольше, потому что у него есть несколько пластин для разделения нагрузки.

Радиальное (по оси X) движение фрезы может быть согласовано с вращением заготовки для обработки профилей, отличных от идеальных окружностей. Некоторые компании используют эту технику для грубой обработки трехгранной конической формы своих держателей инструментов. Тот же принцип, когда фреза перемещается внутрь и наружу во время поворота заготовки, также может быть использован для создания смещенных от центра элементов без необходимости изменения настройки. Примером этого может быть смещенный от центра штифт на коленчатом валу.

Движение по оси y необходимо, потому что фреза должна выполнять большую часть резки не по центру. Инструмент не может обработать деталь до ее окончательной формы и размеров, когда он находится в центре, то есть когда центр инструмента расположен на оси цилиндрической детали. В этом случае концевая фреза будет резать в центральной точке, а не по ее краям.

Поэтому для правильной резки центр инструмента должен быть смещен от рабочей оси вращения на четверть диаметра резца. При использовании этого подхода проблема возникает, когда инструмент достигает выступа: нецентрированная концевая фреза создает закругленный угол. Чтобы получить острый угол, резак должен сделать второй проход. Смещение устраняется, поэтому инструмент возвращается в центральное положение в Y. Этот второй проход очищает угловатый материал.

Вращающиеся инструменты

Вращающиеся инструменты — это еще один подход, при котором скорость резания представляет собой сумму скорости вращения цилиндрической детали и движения фрезерования при высокой скорости вращения. В этой новой технологии резки (токарно-фрезерный) используется специализированная пластина, похожая по конструкции на круглую пластину, установленную в нижней части цилиндрического хвостовика инструмента. Разработанная для более эффективного распределения тепла и износа, чем одноточечный токарный инструмент, технология вращающегося инструмента позволяет повысить производительность до 500%, а долговечность инструмента — до 2000%.

Этот подход технически конкурирует с традиционной обработкой с помощью одноточечных инструментов, где сила резания создает крутящий момент и изгиб инструмента, а также вызывает вибрации. Но в случае вращающегося инструмента большая часть режущих усилий направлена в осевом направлении на шпиндель и, следовательно, значительно снижает вибрации. Вращающийся инструмент также может резать в возвратно-поступательном движении, и эта возможность также была продемонстрирована на конических и дугообразных формах.

Погружное фрезерование

/pogruzhnoe-frezerovanie/

Погружное фрезерование — это высокопроизводительный метод черновой обработки, при котором фрезерный инструмент перемещается несколько раз подряд в направлении оси инструмента или вектора инструмента в область материала, которая должна быть удалена, образуя отверстия для фрезерования с погружением. Отверстия накладываются друг на друга, чтобы исключить материал кармана или зоны.

Этот метод также называют фрезерованием по оси Z; он более эффективен, чем обычное торцевое фрезерование, для вырезания карманов и прорезей в труднообрабатываемых материалах и приложениях с длинными выступами.

Параметры обработки зависят от размера пластины, выступа инструмента и диаметра инструмента. При использовании выступа инструмента 6 мм обычный шаг между двумя отверстиями должен быть меньше 0,75. Радиальная глубина пропила на 1 мм меньше радиальной длины режущей кромки. Если свес увеличивается, шаг должен быть уменьшен.

Преимуществами погружного фрезерования

Преимуществами метода погружного фрезерования являются:

  • сокращение вдвое времени, необходимого для удаления больших объемов материала;
  •  уменьшенное искажение деталей;
  • меньшее радиальное напряжение на фрезерном станке означает, что для погружной фрезы можно использовать шпиндели с изношенными подшипниками;
  • большой радиус действия, который полезен для фрезерования глубоких карманов или глубоких боковых стенок.

Погружное фрезерование рекомендуется для таких работ, как черновая обработка полостей в пресс-формах и штампах. Рекомендуется для применения в аэрокосмической промышленности, особенно в титановых и никелевых сплавах.
Пластины, специально предназначенные для погружения, доступны для черновой и чистовой обработки, но для этой техники также могут быть использованы пластины, подходящие для фрезерования с высокой подачей. 

Фрезерование с высокой подачей

/frezerovanie-s-vysokoj-podachej/

Фрезерование с высокой подачей — это метод черновой обработки, который работает с резцами и пластинами, разработанными специально для этой техники. Вставки обычно имеют большие радиусы размаха и положительные выступы. Метод высокой подачи использует преимущества малых углов установки (55° или менее). Это обеспечивает минимальное радиальное и максимальное осевое усилие резания. На самом деле силы резания направлены к шпинделю станка в осевом направлении. Это более жесткое направление станка, что снижает риск возникновения вибраций и стабилизирует обработку.

Это обеспечивает более высокие параметры резания даже при обработке с большим выступом. Поэтому вместо того, чтобы резать с большей глубиной, он делает обратное: он сочетает малую глубину резания с высокой подачей на зуб, в некоторых случаях превышающей 1,5 мм.

В то же время осевая глубина резания очень мала, что приводит к почти окончательной форме в случае сложных поверхностей. Следовательно, операция полуобработки сокращается. Это значительно сокращает время обработки в случае пресс-форм или штампов.

Фрезерные пластины с высокой подачей

Фрезерные пластины с высокой подачей могут выполнять операции облицовки, наката, спиральной интерполяции и погружения. Возможность интерполяции современных станков с ЧПУ позволяет небольшому инструменту фрезеровать гораздо большее отверстие или карман путем наката. Инструмент перемещается с одного уровня проходов на следующий внутри объекта или проходит спиральную траекторию под непрерывным углом вплоть до глубины объекта. Угол наклона при проникновении зависит от зазора между вставкой и поверхностью детали и, следовательно, косвенно зависит от размера вставки, будучи выше для вставок меньшего размера.

Пластины могут иметь три, четыре, пять или шесть режущих кромок. Таким образом, для обеспечения безопасности используются перьевые вставки с пятью режущими кромками. Пластины, используемые в инструментах V556, имеют две геометрии для черновой и чистовой обработки соответственно и четыре марки, в том числе многослойные марки PVD TiAlN / TIN с покрытием VP5020 и VP5040 для общего применения, марки с покрытием TIN / A1203 / TiCN CVD VPS 135 для жесткой обработки и износостойкие марки VPL 120, идеально подходящие для серого и ковкого чугуна.

Четырехсторонние вставки создают боковую стенку, близкую к квадратному профилю, что является главным преимуществом этих вставок.

Системы зажима инструмент-держатель

/sistemy-zazhima-instrument-derzhatel/

Как упоминалось выше, между шпинделем станка и наконечником инструмента имеется два различных соединения:

  • во-первых, соединение держателя инструмента и шпинделя станка, которое было описано в предыдущей статье;
  • во-вторых, соединение, образованное держателем инструмента и инструментом.

Соединение инструмент-держатель должно удовлетворять тем же требованиям точности, жесткости, передачи крутящего момента и взаимозаменяемости, что и соединение шпиндель-хвостовик. Поэтому для выполнения этих требований были разработаны различные механические решения (системы зажима инструмент-держатель). Очевидно, что каждое решение имеет преимущества и недостатки по сравнению с другими, и все они используются в настоящее время.

В основном существует три типа систем зажима вращающегося инструмента:

  1. цанговые патроны,
  2. гидравлические держатели и
  3. держатели с усадкой.

Системы зажима инструмент-держатель с цанговым патроном

Это наиболее распространенное решение, основанное на введении инструмента в сегментированную цангу, которая вставляется в держатель. Усилие зажима достигается гайкой, которая давит на сегменты цанги. Сегменты цанги предназначены для повышения гибкости цанги и обеспечения равномерного давления на контактные поверхности между инструментом и цангой, а также цангой и держателем.

Цанговая система подходит для большинства операций высокоскоростной обработки и является наиболее экономичным решением. Еще одним преимуществом этой системы является то, что она может иметь разные цанги для одного держателя, поэтому в одном держателе можно использовать инструменты разного диаметра.

С точки зрения точности, высококачественные цанги могут обеспечить биение около 7-8, м на расстоянии 25 мм от носа шпинделя. Эти результаты могут быть достигнуты с помощью высококачественных механических держателей и цанг, отрегулированных вручную.

Однако в некоторых случаях требуются более низкие значения биения. Кроме того, жесткость зажимной системы не может быть достаточной. В этих случаях держатели должны использовать гидравлический или термоусадочный зажим для инструмента. Обе системы обеспечивают большую жесткость и точность.

Системы зажима гидравлического расширительного инструмента

Гидравлические расширительные держатели зажимают инструмент с помощью гидравлической системы. Хвостовик инструмента окружен металлической мембраной. Мембрана окружена отложением жидкости; давление жидкости может быть увеличено с помощью винта, который движется как поршень. Таким образом, инструмент зажимается мембраной, которая равномерно передает давление жидкости на держатель инструмента. Поскольку вся жидкость находится внутри держателя, стружка или смазочно-охлаждающая жидкость не влияют на держатель инструмента.

Главным преимуществом этих систем является высокая точность соединения инструмента и держателя инструмента. Некоторые коммерческие поставщики гарантируют значения биения ниже 2,7 | дж, м, измеренные на 30 мм ниже кончика шпинделя на концевых фрезах диаметром 12 мм.

Такие значения биения делают эти держатели подходящими для сверхскоростных операций обработки (более 30 000 оборотов в минуту) и для высокоточных операций с небольшими концевыми фрезами. Кроме того, скорость удаления материала может быть увеличена, так как инструмент идеально сбалансирован и нет перекоса между осями шпинделя и инструмента.

С другой стороны, есть два основных недостатка.

  1. Во-первых, стоимость этого типа инструмента может быть в пять раз выше, чем у обычного механического цангового инструмента.
  2. Во-вторых, каждый держатель должен использоваться только для определенного диаметра инструмента, так как мембрана адаптирована для определенного диаметра хвостовика.

Поэтому для каждого хвостовика инструмента необходим отдельный держатель. Существуют некоторые решения этой проблемы, обычно основанные на использовании дополнительных мембран, которые можно вставить в держатель. Однако это решение увеличивает значения биения до 1 для каждой дополнительной мембраны.

Системы зажима инструмент-держатель термоусадочных инструментов

Термоусадочные держатели инструментов (инструмент-держатель) обеспечивают высокую точность и минимальное биение при разумной стоимости. В отличие от гидравлических, здесь нет внутренних систем для создания давления для удержания инструмента. Вместо этого держатель состоит из монолитного элемента с прецизионным отверстием, в которое вставляется инструмент.

При комнатной температуре отверстие немного меньше диаметра инструмента. С помощью внешнего нагревателя конус нагревается, и отверстие в корпусе инструмента расширяется. Нагреватель может быть таким же дешевым, как нагреватель горячего воздуха, но в промышленности используются более сложные нагреватели, основанные на индукции.

Как только отверстие расширится, вводится инструмент, и держатель снова охлаждается до комнатной температуры. Когда держатель восстанавливает свои первоначальные размеры, инструмент сильно зажимается. Этот метод обеспечивает превосходную жесткость и минимальное биение (значения сопоставимы с гидравлическими держателями). Кроме того, здесь нет дополнительных предметов, таких как винты, гайки и т.д. удерживать инструмент, таким образом достигается отличная балансировка.

С другой стороны, необходимо иметь держатель для каждого инструмента разного диаметра, что может привести к дополнительным затратам.

Держатели инструментов HSK

/derzhateli-instrumentov-hsk/


HSK — это аббревиатура нового стандартного интерфейса инструментов для держателей фрезерных инструментов; в основном это означает «инструмент с полым хвостовиком«. Он был разработан в Германии в конце 1980-х годов и быстро стал стандартом в Европе. На самом деле он широко распространен также в Азии и США. Стандартными ссылками на инструмент HSK являются DIN69893 и приемники шпинделя DIN69063. Эти стандарты были введены в качестве непатентованных решений и описывают спецификации для HSK.

Система HSK

Система HSK обладает некоторыми преимуществами по сравнению с системой ISO. Одним из наиболее важных является то, что держатели инструментов HSK представляет систему двухсторонних контактов. Это различие является ключевым фактором при высокоскоростной обработке, поскольку опорной поверхностью для держателя инструмента является нос шпинделя. Кроме того, двухконтактные системы обеспечивают лучшую повторяемость при автоматической смене инструмента.
Еще одним важным отличием является система зажима. Держатели инструментов HSK фиксируются сегментированной расширяемой втулкой, приводимой в движение тяговым рычагом. Сегменты вставляются в чашеобразное углубление, обработанное в держателе инструмента.

Поэтому, если скорость вращения шпинделя увеличивается, центробежная сила расширяет сегменты и, следовательно, усилие зажима также увеличивается. Эта возможность позволяет работать в более агрессивных условиях резки; кроме того, она обеспечивает большую жесткость и точность, чем системы, основанные на держателях ISO.

Станки, использующие держатели ISO, также более чувствительны к дребезжанию, чем станки, использующие HSK, поскольку соединение между держателем инструмента и шпинделем не такое жесткое. Меньшая жесткость этого соединения снижает собственную частоту вибрации и ограничивает скорость удаления материала.

Типы держателей инструментов HSK

Существуют различные типы держателей HSK. Они определяются двумя или тремя цифрами и буквой, например HSK-63 A (одна из наиболее распространенных в использовании). Буква указывает тип держателя в зависимости от различных факторов, таких как длина, системы наведения и т.д. В общем, наиболее распространенными типами являются:

• A: Общий тип, используется более чем в 95% машин.
• B: Он имеет больший фланец, чем тип A. Он используется для более агрессивных условий резки.
• E и F: Такие же, как A и B, но без меток и систем наведения для улучшения баланса.

Недостатки держателей инструментов HSK

Как уже отмечалось, HSK обладает большими преимуществами, но имеет некоторые недостатки в отношении системы зажима ISO.

  • Во-первых, оснастка HSK является более сложной и дорогостоящей.
  • Во-вторых, HSK очень чувствителен к присутствию частиц, таких как стружка или жир.

Кроме того, в углублении, где сегменты, управляемые тяговым стержнем, должны крепить держатель к шпинделю, могут быть сколы. Такая чувствительность к загрязнениям требует особой осторожности при смене инструмента, и обычным решением является впрыскивание сжатого воздуха в носик шпинделя и держатель перед каждой сменой инструмента.

Держатели инструментов для фрезерных операций

/derzhateli-instrumentov-dlya-frezernyh-operaczij/

Роль держателей инструментов для фрезерных операций аналогична другим операциям механической обработки, поскольку требуется высокая жесткость, надежность удержания и точность положения инструмента. Однако в современных процессах фрезерования применяются высокие скорости вращения шпинделя (до 40 000 об /мин), которые создают высокие центробежные силы там, где система вращения представляет собой несбалансированные элементы. Этот факт заставил конструкторов пересмотреть такие аспекты, как соединение держателя инструмента со шпинделем станка или требование к балансу держателя инструмента.

Поэтому традиционные держатели инструментов для операций фрезерования, основанные на одной боковой контактной поверхности конического хвостовика, заменяются системами с двойной контактной поверхностью: боковой и перпендикулярной оси инструмента.

Одноконтактные держатели инструментов при фрезерных работах

Одноконтактные держатели инструментов для фрезерных операций использовались с момента разработки ATC (авто-смена инструмента). Наиболее распространенным является ISO-7388, который состоит из конического держателя инструмента, устанавливаемого в шпиндель станка. Эти держатели инструментов, известные просто как ISO tooling, могут надежно использоваться до 6000-8000 оборотов в минуту. Однако за последние 15 лет разработка новых инструментальных материалов, шпиндельных технологий (в том числе электрошпиндельных) и высокопроизводительных станков привела к появлению HSM. В этом методе скорость резания увеличивается более чем в пять раз по сравнению с обычной скоростью. Поэтому скорость вращения фрезерных инструментов также должна быть увеличена, в некоторых случаях до 40 000 оборотов в минуту.

Если скорость вращения превышает 8000 об / мин, то центробежные силы имеют значение, и система с одним контактом быстро теряет жесткость соединения. Одна из главных проблем держателей инструментов ISO связана с системой зажима. Держатели инструментов ISO зажимаются механической системой, которая поднимает держатель инструмента и освобождает его с помощью привода (как гидравлического, так и пневматического). Если скорость вращения шпинделя увеличивается, центробежная сила может вызвать боковое расширение оси шпинделя, в то время как система зажима продолжает подтягивать держатель. Таким образом, шпиндель втягивается внутрь носика шпинделя, что приводит к неточностям, и даже возможно, что он застрянет в носике шпинделя.

Кроме того, смещения массы системы вращающийся инструмент-держатель инструмента относительно оси вращения вызывают дисбалансные силы, которые зависят от квадрата скорости вращения. Следовательно, одна и та же система инструмент-держатель инструмента (с одними и теми же несбалансированными элементами), вращающаяся с 4000 об/мин до 20 000 об/мин, увеличивает силы дисбаланса в 25 раз. Как следствие, были введены новые держатели инструментов и системы балансировки, чтобы уменьшить влияние центробежной силы и проблемы с дисбалансом.

Зажимные системы HSK

Чтобы уменьшить эти проблемы, были разработаны другие зажимные системы, такие как HSK, аналогична другим операциям механической обработки, поскольку требуется высокая жесткость, надежность удержания и точность положения инструмента. Однако в современных процессах фрезерования применяются высокие скорости вращения шпинделя (до 40 000 об /мин), которые создают высокие центробежные силы там, где система вращения представляет собой несбалансированные элементы. Этот факт заставил конструкторов пересмотреть такие аспекты, как соединение держателя инструмента со шпинделем станка или требование к балансу держателя инструмента. Поэтому традиционные держатели инструментов для операций фрезерования, основанные на одной боковой контактной поверхности конического хвостовика, заменяются системами с двойной контактной поверхностью: боковой и перпендикулярной оси инструмента.

Держатели инструментов для токарных операций

/sistemy-krepleniya-instrumenta/

Системы крепления инструмента для токарных операций относительно просты, так как на токарных станках инструмент жестко закреплен на револьверной головке станка.

Наиболее распространенной системой является использование стандартного зажима DIN 69880 (VDI), который состоит из стержней цилиндрического сечения, прикрепленных к токарному станку с револьверной головкой, с зубчатой формой. Однако существуют решения, которые обеспечивают большую гибкость и упрощают сборку различных инструментов. Эти системы основаны на специально разработанном соединении между инструментом и держателем инструмента. Наиболее расширенной системой является Captor, первоначально разработанная Sandvik Coromant, но недавно вышедшая из-под действия патента. Оба решения: держатель инструмента, основанный на стандарте DIN 69880, и система Capto. В первом также представлен интерфейс VDI зубчатой формы держателей инструментов для индексируемых турелей.

Системы крепления инструмента Capto

Система зажима Capto основана на двойном взаимодействии поверхностей инструмента и держателя, как внешних, так и внутренних поверхностей. В то время как внешние поверхности основаны на сочетании многоугольной и радиусной формы и обеспечивают передачу крутящего момента, внутреннее зажимное устройство позволяет легко зажимать и разжимать инструмент. Система основана на сегментированной расширяемой втулке в зажимном узле, а выступы на внешней периферии сегментов фиксируются во внутренней канавке режущего узла, скрепляя два компонента вместе.

В незатянутом положении тяга находится в переднем положении; передние концы сегментированной втулки перемещаются к центральной линии муфты. Диаметр уменьшается, и выступы на внешнем крае втулок отсоединяются от внутренней канавки режущего узла.

Тяга выталкивает режущий блок наружу. В зажатом положении дышло находится во втянутом положении; передние концы сегментированной втулки вытесняются наружу от центральной линии муфты выступом на дышле. Выступы на внешнем крае втулок фиксируются во внутренней канавке режущего устройства, которое приводится в рабочее положение.

В дополнение к токарной обработке, Capto в настоящее время также является решением для фрезерных инструментов, используемых в многозадачных операциях.

Держатели инструментов и системы зажима инструментов

/derzhateli-instrumentov/


Сборка инструментов в обрабатывающих центрах является ключевым фактором для получения деталей с высокой точностью размеров и качеством поверхности. Кроме того, на производительность инструмента может существенно влиять качество системы зажима станка.

В целом, рекомендуется использовать как можно более жесткие держатели инструментов и зажимные системы, чтобы уменьшить отклонение инструмента и обеспечить надежную систему удержания инструмента в условиях высокопроизводительной обработки. Кроме того, жесткая система зажима является основой для точной сборки инструмент-держатель, инструмента-шпиндель. Однако, с другой стороны, необходимо обеспечить простое решение для смены инструмента, чтобы обеспечить минимальное время производства.

Держатели инструментов должны обладать

В настоящее время для выполнения отдельных операций используется все больше различных инструментов, специально предназначенных для отдельных операций. Таким образом, количество замен инструмента, необходимых для обработки всей детали, выше, чем при традиционных стратегиях обработки. Ответом производителей станков на это требование стала разработка новых методов для более быстрой и точной смены инструмента с помощью систем, способных управлять сотнями различных инструментов, а время от пуска до пуска даже меньше 0,7 секунды.
В целом, держатели инструментов должны обладать следующими возможностями:

• сборка и разборка должны быть простыми;
• разрешить автоматическую смену инструмента (ATC) по команде с ЧПУ;
• максимальная точность соосности в узле инструмент-держатель, инструмента-шпиндель;
• максимальная жесткость всей системы в целом;
• максимальная передача крутящего момента от шпинделя к инструменту.

Важно учитывать, что тщательно продуманная система зажима инструмента не улучшит характеристики инструмента; однако неправильная система зажима значительно сократит срок службы инструмента.
Наиболее распространенным решением является введение промежуточного компонента, который на одном конце удерживает режущий инструмент, а на другом крепится к шпинделю или револьверной головке станка.

Таким образом, между наконечником инструмента и шпинделем станка имеется два механических интерфейса: зажим инструмента-держатель инструмента и зажим держателя инструмента -шпиндель (или револьверная головка для токарных станков).

Жесткая обработка пресс-форм и штампов

/zhestkaya-obrabotka-press-form-i-shtampov/

До повсеместного использования высокоскоростного фрезерования обычная технология, используемая при изготовлении пресс-форм (обработка пресс-форм) , представляла собой комбинацию обычного фрезерования и обработки электродуговым зарядом. С 1997 по 1999 год черновая обработка и полуобработка обычно выполнялись на обычных станках, при этом литейная сталь находилась в мягком состоянии перед отпуском. Впоследствии была применена термическая обработка. После этого была произведена чистовая обработка на высокоскоростных обрабатывающих центрах. Для такой последовательности было две причины:

  • Черновая обработка, к которой предъявляются незначительные требования по точности, производилась на машинах, стоимость которых в час составляет одну пятую от стоимости высокоскоростных станков.
  • Кроме того, износ инструмента был незначительным из-за низкой твердости материала обрабатываемой детали.

Самые обычные высокоскоростные шпиндели, доступные в те дни, не могли обеспечить достаточный крутящий момент ниже 1500 об / мин, что делало черновую обработку невозможной.

Технические изменения обработки пресс-форм

В 2000 году технические изменения, внесенные в систему управления высокоскоростными шпинделями, привели к повышению способности обеспечивать достаточный крутящий момент даже при низких скоростях вращения. Таким образом, черновая обработка на высокоскоростных станках стала возможной при применении, аналогичном обычному случаю. Поэтому была определена новая процедура, начиная непосредственно с блока, первоначально подвергнутого термической обработке, последовательно выполняя все операции на одной и той же машине.

Средние преимущества этого более простого процесса заключались в том, что для запуска новой формы (обработка пресс-форм) требовалось меньше времени, поскольку между последовательными операциями требовалось меньше времени для настройки. В то же время точность и надежность обрабатываемой детали также повысились благодаря исключению нулевых настроек заготовки между операциями.

В настоящее время решение о том, использовать ли высокоскоростные станки, начиная с предварительно обработанного сырья, или обычную черновую обработку закаленной стали с последующим отпуском и высокоскоростным фрезерованием, зависит от производственных затрат и требуемых сроков выполнения заказа. Но во всех случаях чистовая обработка выполняется высокоскоростным фрезерованием с шаровым концом.

Высокоскоростное фрезерование с помощью шаровых фрез является базовой технологией для отделки сложных поверхностей, конечной стадией с высокой добавленной стоимостью при изготовлении сложных форм. Геометрия с четырьмя канавками с полной режущей кромкой до центра шара в сочетании с улучшенной версией покрытия TiAlN (твердость более 3700 HV) обеспечивает необходимую эффективность резки в сочетании с высокой термостойкостью и износостойкостью.

Угол положения режущей кромки

/ugol-polozheniya/

Угол режущей кромки инструмента оказывает прямое влияние на толщину стружки и, следовательно, на составляющие силы резания. При той же скорости подачи уменьшение угла боковой режущей кромки увеличивает длину контакта со стружкой и уменьшает толщину стружки.

В результате сила резания распределяется по более длинной режущей кромке и увеличивается срок службы инструмента.
Увеличение угла боковой режущей кромки увеличивает ширину стружки. Поэтому рекомендуется уменьшить угол позиционирования для:

• твердые заготовки, которые обеспечивают высокую температуру резания из-за их высоких удельных усилий резания;
• при черновой обработке заготовки большого диаметра.

Фрезерные инструменты для нескольких применений


Принимая во внимание геометрические возможности фрезерных инструментов и требования, предъявляемые к твердости, форме и размерам обрабатываемой детали, крупные производители инструментов предлагают полный каталог фрезерных инструментов.

На рынке представлены функции фрезерования, предоставляемые производителем инструмента, в том числе фрезерные диски со вставками с различными углами зацепления для облицовки, режущие инструменты с углом зацепления 90° для прорезания и зацепления, а также инструменты для фрезерования с шариковым концом.

Углы наклона и зазора

/ugly-naklona-i-zazora/

При косой резке силы обработки состоят из трех компонентов вместо двух при ортогональной резке. Геометрия и углы режущего инструмента определяют значения каждого из компонентов, в дополнение к характеристическому углу сдвига материала и углу наклона режущей кромки относительно скорости резания.

Однако наиболее важными понятиями, которые необходимо оценить во всех операциях обработки с качественной точки зрения, являются: угол зазора, угол наклона и угол кромки.

Если угол наклона является положительным, что является наиболее распространенным случаем, но при жесткой обработке он может быть отрицательным, если инструмент ориентирован в направлении скорости резания. Поскольку угол зазора всегда должен быть положительным, чтобы избежать трения о поверхность детали, отрицательный угол наклона означает очень прочную режущую кромку и поэтому рекомендуется для очень труднообрабатываемых материалов, где силы резания слишком высоки. Еще одним аспектом, который следует иметь в виду, является так называемый радиус ребра, отличный от радиуса угла (где пересекаются главные и второстепенные ребра). Радиус кромки составляет всего несколько сотых миллиметра, и в некоторых случаях, как во вставках PCBN, вместо закругленной кромки образуется фаска.

Во фрезерных инструментах как средние, так и второстепенные кромки оказывают большое влияние на производительность инструмента. Поэтому необходимо учитывать радиальные и осевые углы наклона и зазора. Можно использовать несколько комбинаций. Первая ситуация очень агрессивна из-за обоих отрицательных углов. Вторая ситуация является хорошей комбинацией, поскольку положительный осевой угол позволяет удалять стружку с поверхности детали, а отрицательный радиальный угол обеспечивает очень прочную конструкцию кромки инструмента.

Смазочно-охлаждающие жидкости

/smazochno-ohlazhdayushhie-zhidkosti/

В течение всего процесса обработки до 97 % механической энергии преобразуется в тепловую энергию: 80 % тепла генерируется в зоне первичного сдвига, 75 % из которых отводится стружкой, а 5 % направляется на обрабатываемую деталь; 1,8 % общей тепловой энергии вырабатывается на границе раздела инструмент-стружка, а 2 % поступает с поверхности раздела инструмент-заготовка.

Эти условия трения и температуры вызывают износ инструмента за счет различных физических механизмов, описанных в предыдущей статье, что приводит к плохой чистоте поверхности и недостаточной точности.

Смазочно-охлаждающие жидкости используются для уменьшения негативного воздействия тепла и трения на инструменты и детали. Жидкость оказывает три положительных эффекта при резании:

  • (а) охлаждение,
  • (б) смазка между стружкой и режущей поверхностью инструмента и
  • (в) отвод стружки в систему сбора стружки.

Типы смазочно-охлаждающих жидкостей

Существуют различные типы смазочно-охлаждающих жидкостей, масел, водонефтяных эмульсий, паст, гелей, туманов и газов (жидкий азот и CO2). Их получают из нефтяных дистиллятов, растительных масел или других сырьевых ингредиентов.

По разным причинам рекомендуется сократить и даже полностью исключить режущие группы. С одной стороны, стоимость жизненного цикла смазочно-охлаждающей жидкости (фильтрация, очистка и удаление остатков) напрямую влияет на затраты на производство. С другой стороны, нынешняя экологическая проблема накладывает серьезные ограничения на использование опасных веществ (таких как смазочно-охлаждающие жидкости). Таким образом, в промышленно развитых странах разрабатываются строгие правила, связанные с использованием смазочно-охлаждающих жидкостей. Эти правила становятся все более ограничительными в отношении использования смазочных материалов.

По вышеупомянутым причинам наибольший интерес представляла бы сухая обработка, но для алюминия и легких сплавов это почему-то нецелесообразно из-за склонности этих материалов прилипать к кромкам инструмента. Это также невозможно в случае титана, никеля или нержавеющей стали из-за очень высоких температур, достигаемых на границе раздела инструмент — стружка. Поэтому, принимая во внимание невозможность сухой обработки, может быть применен метод, включающий минимальный расход режущего масла, называемый минимальным количеством смазки (MQL). Этот метод заключается в впрыске высокоскоростной воздушной струи с микрокаплями биоразлагаемого масла в суспензии.

Типичная и современная система MQL

Система работает с воздухом под давлением (10-12 бар). Сжатый воздух поступает в систему и поступает в блок технического обслуживания; затем воздух проходит через регулятор давления. Затем часть воздуха поступает в подсистему, где она создает импульс масла, регулируемый с помощью частотомера и нескольких насосов, которые обеспечивают количество масла, подаваемого каждым соплом в каждый момент времени. Масло подается вверх к соплу, где образуется смесь масла с воздухом. Одновременное воздействие давления и скорости воздуха в выходном сопле приводит к распылению масла. Полученные капли масла имеют диаметр менее 2 (единиц).

При обработке закаленных (более 40 HRC в условиях финишной обработки) обычным вариантом является сухая или близкая к сухой обработка. Кроме того, для удаления стружки из зоны резания используется впрыск сжатого воздуха. Криогенное охлаждение с помощью жидкого азота в настоящее время исследуется для титановых и никелевых сплавов. Однако при обработке труднообрабатываемых сплавов наиболее распространенным методом является эмульсионная охлаждающая жидкость, содержащая 5-10% масла в воде.

Износ инструмента при фрезеровании

/iznos-instrumenta-pri-frezerovanii/


В общих чертах, те аспекты, которые были прокомментированы выше для токарной обработки, также применимы для фрезерования. Стандарт ISO 8688  описывает основные модели износа и локализации.

• Боковой износ: потеря частиц вдоль режущей кромки, то есть на пересечении поверхностей зазора и скребка, наблюдаемая и измеряемая на поверхности зазора концевых фрезерных инструментов. Возможны три различных измерения:
— Равномерный боковой износ — средний износ по осевой глубине разреза.
— Неравномерный боковой износ: неравномерный износ в нескольких зонах режущей кромки.
— Локализованный боковой износ: износ обычно обнаруживается в определенных точках. Одним из типов является тот, который расположен непосредственно в глубине линии разреза, износ надреза, типичный для материалов, подверженных механическому упрочнению.

Износ на внутренних канавках концевых фрез

Износ поверхности пластин: он расположен на внутренних канавках концевых фрез. Наиболее типичным является износ кратера, прогрессивное развитие кратера, ориентированного параллельно основной режущей кромке.
• Сколы: неравномерное отслаивание режущей кромки в случайных точках. Это очень трудно измерить и предотвратить. Он состоит из небольших частей инструмента, отрывающихся от режущей кромки из-за механического воздействия и переходных тепловых напряжений из-за циклического нагрева и охлаждения при прерывистых операциях обработки.
• Равномерный скол: небольшие разрывы кромок примерно одинакового размера вдоль режущей кромки, зацепленной за материал.
• Неравномерный скол: случайный скол, расположенный в некоторых точках режущей кромки, но без последовательности от одного края к другому.
• Отслаивание: потеря фрагментов инструмента, особенно наблюдаемая в случае инструментов с покрытием.
• Катастрофический отказ: быстрая деградация инструмента и поломка.

Средний размер бокового износа является обычным критерием долговечности инструмента, поскольку он подразумевает значительное изменение размеров инструмента и, следовательно, размеров обрабатываемой детали. Максимально допустимыми являются значения 0,3-0,5 мм, первые — для чистовой обработки, а вторые — для черновой.

Сколы более 0,5 мм также являются критерием долговечности инструмента. В сплавах с низкой обрабатываемостью одновременно возникает несколько типов износа, которые усиливают их негативные эффекты.

Износ инструмента при токарной обработке

/iznos-instrumenta/

Износ инструмента вызван непрерывным действием процесса удаления стружки и может располагаться в двух зонах инструмента:
• износ на поверхности пластин, который обычно приводит к образованию кратерообразного рисунка;
• износ боковой поверхности или зазора из-за высокого трения кромки инструмента со свежей обработанной поверхностью. Это выглядит как типичный рисунок истирания.
Все типы износа инструмента описаны в соответствующих стандартах ISO. 

Токарная обработка — это непрерывная операция с постоянным усилием резания. Однако инструменты подвергаются постоянному нагреву, возникающему из-за энергии деформации сдвига и трения, которые вызывают высокую температуру на границе раздела инструмент — стружка. Высокая температура на рабочей поверхности инструмента является основным фактором износа при точении, а для аустенитных сталей, жаропрочных сплавов или титановых сплавов даже превышает 600 °C.

Механизмы износа при токарной обработке

В основном при точении возможны четыре механизма износа:

• Износ кратера: химический — металлургический износ, вызванный деформацией и прилипанием мелких частиц поверхности режущего инструмента к свежей стружке. Механическое трение также способствует образованию шрамообразной формы на поверхности пластин, которая обычно параллельна основной режущей кромке. Износ кратеров часто наблюдается при точении титановых сплавов и других материалов с низкой теплопроводностью.
• Износ зазубрин: комбинация бокового и торцевого износа, возникающая как раз в том месте, где основная режущая кромка пересекает рабочую поверхность (она совпадает с глубиной линии разреза). Это очень типично при точении материалов со склонностью к поверхностному упрочнению из-за механических нагрузок. Таким образом, предыдущие проходы инструмента натирают свежую обработанную поверхность, увеличивая твердость внешнего слоя (эта закаленная поверхность имеет толщину всего несколько микрон). Износ зазубрин часто встречается при точении аустенитных нержавеющих сталей и сплавов на основе никеля.
• Боковой износ: этот тип износа наносится на боковую (рельефную) поверхность. Образование участков износа не всегда равномерно вдоль основных и второстепенных режущих кромок инструмента. Это чаще встречается в случае твердых материалов, где отсутствует химическое сродство между инструментом и материалом, а основным механизмом износа является истирание.
• Адгезия: из-за высокого давления и температуры происходит сварка между свежей поверхностью стружки и режущей поверхностью инструмента. Это значительная сварка, если материалы обладают металлургическим сродством и вызывают толстый адгезионный слой и задний разрыв более мягкой трущейся поверхности при высокой скорости износа. Адгезия обычно наблюдается в случае алюминиевых сплавов в сухих или почти сухих условиях, но при жесткой обработке она встречается редко.

В большинстве процессов механической обработки необходимо контролировать боковой износ, поскольку он приводит к значительному изменению размеров инструмента и, следовательно, размеров обрабатываемых деталей. Максимально допустимыми являются значения 0,3-0,5 мм, первое значение для чистовой обработки, а второе — для черновой.

Поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN)

/kubicheskij-nitrid-bora/


CBN представляет собой полиморфный материал на основе нитрида бора. Его высокие механические свойства обусловлены его кристаллической структурой и ковалентной связью. Он производится промышленным способом с 1957 года, начиная с гексагонального нитрида бора, подвергнутого воздействию высоких давлений (8 ГПа) и температур (1500°C). Обладая более низкой твёрдостью (<4500 HV), чем алмаз (> 9000 HV), CBN является вторым по твёрдости синтетическим материалом.

Зерна CBN спекаются вместе со связующим веществом с образованием композита PCBN -поликристаллический кубический нитрид бора.

Размер, форма и соотношение CBN/связующее определяют различные марки PCBN. Содержание кристаллов CBN колеблется от 40 до 95%, тогда как связующим может быть Co, рабочая керамика.

Если необходимо выполнить прерывистую резку (фрезерование) чугунных отливок, рекомендуется высокое содержание CBN и качество матрицы Co. Низкое содержание CBN и керамическая матрица могут быть использованы при отделочных работах. Печатная плата обычно рекомендуется для токарной обработки, фрезерования и сверления отливок из перлитного чугуна, как серого, так и ковкого, но ее не следует использовать для отливок из ферритного чугуна. Феррит обладает высокой реакционной способностью и вызывает деградацию CBN из-за диффузии бора внутри ферритной матрицы.

Также известно о деградации PCBN при вращении термически напыленных слоев на осях турбин из-за сложного химического воздействия охлаждающей жидкости.

Кубический нитрид бора и условия резания

При использовании PCBN условия резания могут быть очень высокими, например Fc = 1 800 м /мин, fz ^ 0,3 l мм / z при обработке пластинчатого серого чугунного литья (GG25) со сроком службы инструмента 1200 м/ зуб. В случае отливок из мартенситного (55 HRC) или белого (55 HRC) чугуна можно использовать скорость резания в диапазоне 100-200 м/мин при скорости подачи около 0,15 мм/z. Рекомендации производителей инструментов более консервативны: 300-900 м/мин для серого чугуна и 100-300 м/мин для ковкого чугуна.

При использовании скоростей резания более 1500 м/мин на режущей кромке может образоваться слой оксида алюминия, образующийся в результате прилипания алюминиевых включений из чугунной отливки. При более низких скоростях резания этот слой защищает кромку от износа. Однако при скорости более 1500 м/мин температура на кромке становится слишком высокой (около 1400 ° C), что приводит к сложной химической реакции между связующим материалом PCBN и кремнием из отливки, в результате чего образуются продукты TiB2 и TiCN.

Наилучшие результаты PCBN

Что касается геометрии инструмента, то в случае концевых фрез наилучшие результаты были получены при использовании небольшого угла наклона спирали (около 2°). Предположительно, резка более стабильна при использовании низких углов спирали. В сравниваются концевые фрезы с углами спирали 2° и 30°, как в тяжелых условиях обработки: Fc ^ 1500 м/мин, y ^ = 0,02 мм, Op ^ lSmm, a5. = 0,05 мм, диаметр инструмента = 60 мм и отсутствие охлаждающей жидкости. До истечения срока службы инструмента первый мог обрабатывать длину 1 800 м, в то время как длина, обработанная вторым, составляла 850 м.

Коммерческие инструменты PCBN

Коммерческие инструменты PCBN состоят из слоя PCBN, нанесенного на корпус инструмента из твердого металла. Опять же, баланс инструмента и держателя инструмента является решающим фактором при выборе встроенных поворотных инструментов.

Спеченный карбид (твёрдого металла) и его марки

/spechyonnyj-karbid/

Инструменты из спеченного карбида, также известные как инструменты из твёрдого металла или инструменты из цементированного карбида, изготавливаются из смеси микрозёрен карбида вольфрама с кобальтом при высокой температуре и давлении. Карбиды тантала, титана или ванадия также можно смешивать в небольших пропорциях.

Таким образом, два основных описательных фактора определяют сорт твердого металла:

  1. Соотношение карбида вольфрама и кобальта. Последнее обычно колеблется от 6 до 12% и действует как связующее. Кобальт имеет высокую температуру плавления (1493 °C) и образует растворимую фазу с зёрнами карбида вольфрама при 1275 °C, что способствует уменьшению пористости.
  2.  Размер зерна, таким образом, микрозернистость включает частицы размером менее 1 мкм, а субмикрозернистость меньше половины микрона; чем меньше зерно, тем твёрже твёрдый металл. Твёрдость увеличивается с уменьшением содержания связующего и размера зёрен карбида вольфрама, и наоборот, со значениями от 600 до 2100 HV.

Инструменты из твердого металла (спечённый карбид) изготавливаются в двух формах:

  1.  Встроенные инструменты: они изготавливаются путём шлифования необработанного стержня из твёрдого металла, получения концевой фрезы, шаровой фрезы или сверлильного инструмента. Главным преимуществом является идеальный баланс этих вращающихся инструментов, но главным недостатком является их высокая цена, учитывая, что в процессе резки изнашивается лишь небольшая и очень специфическая зона инструмента. Возможно несколько повторных заточек каждого инструмента.
  2. Вставки: небольшие накладки со специальной геометрией, изготовленные из твёрдого металла (спечённый карбид), но они закреплены на держателях инструментов, изготовленных из стали. Токарные инструменты и большие фрезерные диски используют эту конфигурацию, что подразумевает быструю замену изношенных пластин. 

Марки спеченного карбида (твёрдого металла)

Марки твёрдого металла классифицируются в соответствии со стандартом ISO 513 на шесть групп: M, P, K, N, S и H, в соответствии с числовой шкалой для каждой из них. С другой стороны, в США вместо этого используется шкала C-x. Первоначальная концепция обеих классификаций состояла в том, чтобы оценивать карбиды вольфрама в соответствии с работой, которую они должны были выполнять, и это привело к небольшой чёткой шкале, в которой не указано количество кобальтового связующего или размер зерна. Как следствие, карбид вольфрама разных производителей может иметь одинаковое обозначение, но может значительно различаться по характеристикам. Рекомендации группы ИСО заключаются в следующем: 

• P — указано для низко- и среднеуглеродистых сталей и высоколегированных сталей;
• M — состоящий из спеченных карбидов, подходит для обработки нержавеющих сталей;
• K — ориентированный на чугуны и легированные стали и более твёрдый, чем серии P и M;
• H — для закалённых сталей;
• S — для жаропрочных сплавов и титановых сплавов;
• N — для алюминиевых сплавов. 

Двузначное число после буквы, от 01 до 40 (50 в группе P) определяет твёрдость и ударную вязкость марки. Меньшие числа соответствуют более сложным классам, в то время как более высокие — более сложные из них. Сегодня наиболее часто используются KIO-K30.

Американская классификация твёрдого металла (спечённый карбид)

Что касается американской классификации, C-1-C-4 являются общими сортами для чугуна, цветных и неметаллических материалов, C-5- C-8 подходят для стали и стальных сплавов, поскольку эти марки устойчивы к образованию язв и деформации, C-9-C- 11 указаны для применений с высоким износом, а C-12- C-14 предназначены для случаев удара.

Распространенное заблуждение состоит в том, что более высокие сорта содержат меньше кобальтового связующего и поэтому являются более твёрдыми и хрупкими, но это неверно. По этой и другим причинам в настоящее время все шире используется стандарт ISO. 

Инструментальным материалом, полученным из твёрдого металла, является металлокерамика (металлокерамика), спеченный карбид вольфрама, также включающий TIC (карбид с твердостью 3200 HV) и в некоторых случаях TiCN, но они обычно имеют никель-хромовое связующее.

Новые марки с TaNbC и MOC повышают прочность режущей кромки инструмента при циклических воздействиях, характерных для фрезерования.

Карбид вольфрама очень стабилен в отношении химических и термических аспектов обработки, а также очень твёрд. В большинстве случаев разрушение цементированного карбида начинается с кобальтового связующего и сцепления карбида вольфрама с кобальтом.

Быстрорежущая сталь

/bystrorezhushhaya-stal/

Быстрорежущая сталь — эта группа высоколегированных сталей была разработана в первые годы 20 века. В основном это высокосодержащие углеродистые стали с высокой долей легирующих элементов, таких как вольфрам, молибден, хром, ванадий и кобальт. Средняя твёрдость составляет 75 HRC. 

Серия T включает вольфрам, молибден серии M, в то время как ванадий образует самые твердые из карбидов, образующих сверхскоростные стали. Максимальная рабочая температура HSS (быстрорежущая сталь) составляет около 500 °C. В настоящее время HSS, производимый методом порошковой металлургии (HSS-PM), обладает более высоким содержанием легирующих элементов и сочетанием уникальных свойств:

  • более высокой вязкостью,
  • сверх высокой износостойкостью,
  • более высокой твердостью
  • и высокой твердостью в горячем состоянии.

Непосредственно связанное с ударной вязкостью, является основным преимуществом этого типа инструментального материала.

HSS и HSS-PM являются отличными подложками для всех покрытий, таких как TIN, TiAlN, TiCN, твёрдые смазочные покрытия и многослойные покрытия.

HSS-PM как быстрорежущая сталь, обладает многими преимуществами в высокопроизводительных приложениях, таких как фрезерование, зуборезные инструменты и протяжка, а также в случаях сложных операций нарезания резьбы, сверления и расточки. HSS-PM также используется в дисковых и ручных пилах, ножах, инструментах для холодной обработки, роликах и т.д.

Однако для обработки закалённых сталей и очень труднообрабатываемых сплавов HSS не является первым выбором; карбид вольфрама является более рекомендуемым материалом инструмента.

Режущий инструмент для станков

/rezhushhij-instrument-dlya-stankov/

Режущий инструмент для станков должен одновременно выдерживать большие механические нагрузки и высокие температуры. Температура на границе раздела деталь — инструмент в некоторых случаях достигает более 700°C.
Кроме того, трение между инструментом и удалённой стружкой, с одной стороны, и инструментом о новую обработанную поверхность, с другой, очень сильное.

Материалы для изготовления режущего инструмента

Принимая это во внимание, основными факторами для хорошего проектирования инструмента и последующего производства являются:

• Материал подложки режущего инструмента должен быть очень стабильным химически и физически при высоких температурах.
• Твёрдость должна соответствовать высоким температурам на границе раздела стружка/инструмент.
• Металл инструмента должен обладать низкой степенью износа, как для механизмов истирания, так и для механизмов сцепления.
• Материал инструмента должен обладать достаточной прочностью, чтобы избежать разрушения, особенно когда выполнение операции предполагает прерывистое резание. 

Режущий инструмент и инструментальные материалы

• Быстрорежущие стали (HSS), включая новые порошковые спеченные марки. Однако это семейство материалов обладает недостаточной твёрдостью для жёсткой механической обработки.
• Спечённые карбиды, обычно известные как твёрдый металл. Они представляют собой соединение субмикронных зёрен карбида вольфрама со связующим веществом (обычно кобальт, 6-12%). Этот вид материала в прямом сорте или в сортах с покрытием наиболее часто используется сегодня для жёсткой обработки и высокоскоростной обработки.
• Керамика на основе оксида алюминия (AI2O3) или нитрида кремния (Si3N4).
• Сверхтвёрдые материалы, т.е. поликристаллический алмаз (PCD) и поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN), различных марок.

Прежде чем объяснить основные аспекты каждого материала, интересным моментом является упоминание типа компании, занимающейся изготовлением инструментов. Таким образом, на современном рынке инструментов возможны два типа компаний: во-первых, производители основных инструментальных материалов, обычно крупные международные компании, такие как CeraTizit, Krupp, Sumi- tomo, General Electric, De Beers, Sandvik, Kennametal, Iscar и другие, которые также производят комплексные системы режущего инструмента, включая держатели инструментов, пластины или встроенные режущие инструменты.

В настоящее время эти компании составляют 80% от общего объёма мирового рынка.

Во-вторых, есть малые и средние компании, которые начинают с калиброванных стержней из материала, поставляемых некоторыми бывшими компаниями, и придают форму и геометрию режущим инструментам. Это относится к встроенным концевым фрезам, сверлильным инструментам и инструментам, изготовленным на заказ. Естественными рынками для этих компаний являются либо очень специфические ниши, либо специальные индивидуальные инструменты, созданные с учётом требований пользователей.

Твёрдая обработка

/tvyordaya-obrabotka/

Твёрдая обработка — это новейшая технология, которую можно определить как операцию обработки заготовки, имеющей значение твёрдости обычно в диапазоне 45-70 HRC, с использованием непосредственно инструментов с геометрически определенными режущими кромками.

Эта операция всегда представляет собой проблему выбора режущей пластины, которая увеличивает срок службы инструмента и обеспечивает высокоточную обработку детали. Жёсткая обработка имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной методологией, основанной на операциях чистового шлифования после термической обработки заготовок. Кроме того, эта технология вносит большой вклад в устойчивое производство.

Группа твёрдых материалов включает закалённые стали, быстрорежущие стали, термообрабатываемые стали, инструментальные стали, подшипниковые стали и охлажденный белый чугун. Кроме того, кобальтовые сплавы для биомедицинских применений и другие специальные материалы классифицируются как твёрдые материалы. Эти материалы постоянно используются в автомобильной промышленности для производства подшипников и для обработки пресс-форм и штампов, а также других компонентов для передовых отраслей промышленности.

Используемые материалы для твёрдой обработки

В широком смысле жесткая обработка — это обработка деталей с твердостью выше 45 HRC, хотя чаще всего этот процесс касается твердости от 58 до 68 HRC. Используемые материалы для заготовок включают различные закалённые легированные стали, инструментальные стали, закалённые в корпусе стали, суперсплавы, азотированные чугуны и стали с твёрдым хромовым покрытием, а также термообработанные детали порошковой металлургии. В основном это процесс отделки или полуфабриката, при котором необходимо достичь высокой точности размеров, формы и отделки поверхности.

С момента своего более широкого внедрения в середине 1980-х годов в виде жёсткой токарной обработки, она значительно эволюционировала в различных операциях обработки, таких как фрезерование, растачивание, протяжка, ковка и другие. Разработка подходящих жестких механических инструментов, сверхтвёрдых режущих материалов и специальных конструкций инструментов (держателей инструментов), а также комплектных установок сделали резку закалённых деталей по металлу легко доступной для любого механического цеха.

Очевидные преимущества для многих применений

Традиционным решением для отделки деталей из закаленной стали является шлифование, но обработка твёрдых деталей режущим инструментом имеет ряд очевидных преимуществ. Это оправдало многие существующие методы, число которых растёт, особенно связанные с токарной обработкой, растачиванием и фрезерованием.

Жёсткая токарная обработка была рано признана и впервые применена автомобильной промышленностью как средство совершенствования производства компонентов трансмиссии. Поверхности подшипников зубчатых колёс являются типичным примером ранних применений, преобразованных из шлифования в жесткую обработку с использованием вставок из поликристаллического кубического нитрида бора. Типичными являются компоненты из закалённой стали, часто имеющие глубину твердости чуть более 1 мм, что придает им износостойкий корпус и прочную сердцевину. Компоненты, которые используют это сочетание свойств материала, включают шестерни, оси, оправки, распределительные валы, карданные шарниры, ведущие шестерни и соединительные компоненты для транспортных и энергетических продуктов, а также для многих применений в общем машиностроении. 

Жёсткая обработка в современном производстве

Сегодня закалённые детали широко обрабатываются в различных отраслях промышленности. В современном производстве жёсткая обработка больше не рассматривается как альтернатива всем операциям шлифования, хотя во многих исследовательских работах университетских исследователей все еще поддерживается это устаревшее представление. В реальном производстве существует ряд применений, в которых эти два процесса дополняют друг друга, поэтому современные станки для жесткой обработки часто оснащаются шлифовальными шпинделями.

Типичная автомобильная деталь, узел опорного вала (шестиступенчатая автоматическая коробка передач с задним приводом). После того, как закаленный (48-50 HRC) опорный вал запрессован в твёрдый (42 HRC) чугунный фланец, используются операции механической обработки для обеспечения перпендикулярности поверхности фланца и выступов вала. Таким образом, плечо вала подвергается точению, в то время как поверхность фланца обрабатывается инструментом с керамической вставкой и обрабатывается шлифовальным кругом (с алмазным покрытием) для обеспечения его плоскостности и чистоты поверхности. 

Припои

/pripoi-i-ih-vidy/

Растущее техническое развитие привело к расширению ассортимента деталей, соединяемых пайкой, а также используемых для пайки сплавов и видов припоев. Выбор соответствующего сплава для пайки с заданными свойствами зависит от требований, которым должно соответствовать паяное соединение.

Наиболее важной характеристической особенностью припоя является диапазон его кристаллизации, который ограничен температурой солидуса и ликвидуса. Температура пайки зависит от температуры зарождающейся когерентности между дендритами, растущими из первичной фазы припоя во время его кристаллизации. Как правило, температура пайки определяется температурой ликвидуса. Это означает, что в продаже должен быть большой ассортимент припоев с различными температурами ликвидуса и солидуса. 

Виды припоев

В настоящее время виды припоев с температурой плавления ниже нуля не используются, хотя их можно использовать при низкой температуре. К таким легкоплавким сплавам относятся эвтектики Hg-Bi с 0,1% Bi, имеющие температуру плавления минус 39,2°C (ртуть плавится при минус 38,87°C).

Некоторые сплавы галлия и индия имеют температуру плавления ниже 30 °C. Эти сплавы, вероятно, будут использоваться в качестве припоев. Галлий плавится при 29,8°C.

Температура плавления многих сплавов для пайки с высоким содержанием висмута колеблется между температурой плавления галлия и известной пятикратной эвтектики Bi-Cd-Pb-Sn-In (46,7°C). 

Припои висмута охватывают диапазон кристаллизации от 41 до 145°C.

Различные эвтектики с содержанием Sn, Pb, Cd или Ti охватывают диапазон плавления от 145 до 183 °C (последняя является температурой плавления эвтектического припоя с 62,3% Sn и 37,7% Pb).

Многие двойные или тройные сплавы системы Sn-Pb или Sn-Pb-Sb (0,5-3,0% Sb), используемые в качестве сплавов для пайки, охватывают диапазон плавления от 183 до 250 °C. Долгое время диапазон плавления от 250 до 860°C оставался неизвестным.

Использование сплавов на основе свинца и серебра (Pb-Ag) и на основе кадмия позволило нам расширить виды припоев для диапазона температур от 250 до 420°C.

Благодаря использованию цинка можно было получать сплавы для пайки с температурой плавления от 380 до 500 °C.

Виды припоев на основе алюминия имеют температуру плавления, которая колеблется от 470 до 600 °C. 

Температура плавления четвертичных сплавов на основе серебра колеблется от 600 до 780°C и от 960 до 980°C. (сплавы Ag-Mn).

Добавление меди позволило нам использовать припои с температурой плавления в диапазоне от 625oc (в случае тройного эвтектического Cu-Ag-P) до 1200°c (сплавы со значительным количеством элементов из переходной группы: железа, никеля или марганца). Температура плавления чистой меди также регулируется этим диапазоном (1083°C).

Пайка металлов

/pajka-metallov/

Пайка металлов является вариантом процесса сварки. Как и другие методы сварки, пайка может использоваться для обеспечения постоянного соединения деталей и для наплавки металлических деталей.

Процесс наплавки металлических деталей с помощью припоя называется лужением.

Лужение может быть самостоятельным процессом, как при цинковании, нанесении алюминиевого покрытия и т.д. Или это может быть подготовительная операция перед окончательным и постоянным соединением соответствующих деталей.

Характерные особенности пайки

Следующие характерные особенности отличают пайку от других методов сварки:

1. Соединение металлических деталей пайкой достигается путём плавления и кристаллизации металлического наполнителя, либо вводимого между поверхностями соединения, либо самопроизвольно образующегося при их нагревании.
Во многих случаях пайки нет необходимости вставлять специальный металл или сплав между поверхностями паяемых деталей. Существуют некоторые процессы, в которых пайка может выполняться даже без использования таких операций.
Любой металлический сплав, образующий эвтектику или непрерывный ряд твёрдых растворов с минимальной температурой плавления, может быть спаян без какого-либо припоя (так называемый процесс реакционной пайки), просто нагревая его до минимальной температуры плавления, ниже, чем температура плавления соединяемых деталей. Поэтому степень деформации и окисления металлических деталей при пайке меньше, чем при сварке. Наиболее часто используются методы пайки, при которых специальный припой вставляется между поверхностями соединяемых деталей.
2. Присадочный металл (в данном конкретном случае припой) отличается по своему составу и свойствам от основного металла соединяемых деталей. Его температура плавления должна быть ниже, чем у неблагородных металлов или сплавов. В отличие от сварных деталей, металлические детали, спаянные легкоплавким припоем, могут быть отделены и затем спаяны после их перестановки или замены другими деталями.
Во время пайки соединяемые металлические детали могут частично подвергаться поверхностному плавлению в результате не их нагрева, а химической реакции (образование эвтектики и изменения состава, которые обусловлены диффузионными процессами во время пайки и которые вызывают снижение температуры плавления паяемых металлов или сплавов).
3. Заполнение пространства (зазора) между прилегающими поверхностями присадочным металлом частично происходит за счет действия капиллярных сил. При сварке припоем, частном случае сварки, это действие незначительно.

Пайка металлов определение

В силу вышеупомянутых особенностей, которые являются характерными и достаточными для определения, процесс пайки может быть определен следующим образом.

Пайка — это процесс обеспечения постоянного соединения или создания поверхности на металлических деталях с помощью металлического наполнителя, припоя, вводимого в жидком состоянии между соединяемыми поверхностями или разжижающегося при нагревании ниже температуры плавления основного металла или сплава.

Благодаря действию капиллярных сил жидкий присадочный металл заполняет зазор между поверхностями соединяемых деталей.
Это определение процесса пайки сильно отличается от других определений; например, оно не подразумевает использования припоя. Данное определение является чисто технологическим; оно обычно связывает основные операции по изготовлению паяного соединения с такими процессами обработки поверхности смежных деталей, как нанесение покрытия на металлические детали путем погружения их в ванны из расплавленных металлов или сплавов. Иногда эти операции требуются для повышения стойкости к коррозии или окислению или для улучшения других свойств соединяемых деталей. 

Трудности при определении типа соединения

Некоторые трудности могут возникнуть также при определении типа соединения двух металлов или сплавов, имеющих разные температуры плавления. Если соединение является результатом сплавления низкоплавкого металла без плавления другого металла (например, соединение алюминия со сталью или медью, содержащей примеси алюминия), такой процесс включает в себя характерные особенности как пайки, так и сварки.

Характерные особенности сварки преобладают, если соединение производится без вмешательства капиллярных сил. Этот особый процесс соединения также можно назвать сваркой припоем.

Сварка припоем — это процесс, при котором основной металл не расплавляется, соединение производится методами, характерными для процесса сварки, без вмешательства капиллярных сил.

Хотя методы пайки обычно делятся на два типа:
«мягкая» пайка и «жесткая» пайка (пайка), их характерные особенности чётко не определены: температурное разграничение между процессом «мягкой» и «жесткой» пайки неоднократно менялось.

 

Мягкая и жесткая пайка металлов

Используя термины «мягкая» и «жёсткая» пайка, применяют термин «жёсткая пайка» к пайке металлов и сплавов припоями, имеющими температуру плавления выше 600 °C (припои на серебряной, медной, никелевой или других основах). 

С другой стороны,

«мягкой пайкой» принято называть такие процессы, в которых используются припои из легкоплавких сплавов (на основе индия, антимония, олова, кадмия, свинца или цинка). Температура 450°C обычно принимается в многочисленных исследованиях по пайке в качестве верхнего предела температуры плавления мягких припоев.

Например, в Англии [и США] термин «пайка» используется для обозначения процесса «жёсткой» пайки, тогда как термин «пайка» используется только для «мягкой» пайки. Такая классификация процессов пайки затрудняет определение методов соединения, в которых используются припои на алюминиевой основе, температура плавления которых колеблется от 450° до 600°C.

В соответствии с определением, данным Международным институтом сварки,

Мягкая пайка применяется к процессам, в которых используются припои с температурой плавления ниже 450 °C.

В то время как

Жёсткая пайка относится к припоям, имеющим температуру плавления выше 450 °C.

Это произвольное определение, поскольку сплавы на основе цинка системы Zn-Cu-Al, которые используются или могут использоваться для пайки, имеют температуру плавления выше этого предела, хотя они классифицируются как «мягкие» припои.

Определить понятия твёрдых и мягких припоев в соответствии с их основными сплавами (тяжелыми или легкими сплавами) только увеличивает путаницу в классификации различных методов пайки. В соответствии с существующей практикой принято называть «мягкой» пайку тяжёлых сплавов, когда детали соединяются припоями с температурой плавления ниже 450 °C, и называть «жесткой» пайку деталей припоями с температурой плавления выше 600 °C.

Жёсткая пайка лёгких сплавов представляет собой процесс соединения металлических деталей с помощью припоев, содержащих более 70 процентов лёгких металлов, в то время как мягкая пайка представляет собой процесс соединения припоями с содержанием тяжелых металлов более 50 процентов.

Путаницы в определении терминов «мягкая» и «жёсткая» пайка

Было бы разумно разделить пайку на группы неблагородных металлов используемых сплавов для пайки. Пайку легкоплавкими припоями на основе металлов (In, Pb, Sn, Cd, Zn) можно было бы назвать пайкой легкоплавкими припоями, не ограничивая, однако, верхнюю температуру плавления паяного сплава.

В соответствии со способами приготовления, введения и действия паяльного сплава мы можем различать обычную и реакционную пайку. В первом способе пайки припой подаётся в жидком состоянии в пространство между смежными поверхностями без изменения его химического состава на протяжении всего процесса плавления. Процесс реакционной пайки основан на том факте, что присадочный металл между прилегающими поверхностями образуется в результате физических и химических процессов, происходящих при пайке.

Существенная особенность пайки металлов

Существенной особенностью пайки металла является металлическая связь между основным металлом и его металлическим наполнителем, которая обеспечивает жёсткое и прочное соединение. Для создания металлической связи диффузионные процессы имеют большое значение, поскольку без этих процессов невозможно обеспечить прочное соединение металлов и сплавов.

По мнению некоторых исследователей, при пайке многих металлов (особенно алюминия) с легкоплавкими сплавами не происходит взаимной диффузии между припоем и основным металлом, т.е. между ними нет сцепления, а только адгезия.

Хорошо известно, что надежное соединение алюминия с легкоплавкими припоями может быть выполнено только при температуре выше 250°C, когда скорость диффузии достигает высокого значения. Пайка алюминия и его сплавов при температурах ниже 250 ° C не может обеспечить соединения с жёстким и прочным соединением между металлическими деталями.

Технологическое значение пайки металлов

Особое технологическое значение имеет пайка металлов на таких материалах, как стекло и керамика. Поскольку связь на таких оксидах неметаллическая, адгезия металлов к оксидам отличается от металла к металлу. Процесс пайки оксидов к оксидам припоями, также образованными из оксидов, связан с химической реакцией, характерной для ионных соединений.

Пайка металлов в машиностроении

В настоящее время пайка широко применяется в различных отраслях промышленности. В машиностроении пайка помогает при ремонте и техническом обслуживании, а также при изготовлении лопастей и роторов для турбин и реактивных двигателей, при соединении трубопроводов, автомобильных деталей, полых стальных лопастей, радиаторов, рёбер цилиндра для воздушного охлаждения, велосипедных рам, промышленных сосудов, различных ячеистых материалов, составных инструментов, оборудования для производства и обработки газа, штамповой арматуры и т.д.

В электротехнической промышленности и производстве инструментов и устройств пайка часто является исключительным методом соединения металлических деталей; например, для изготовления:

  • волноводов, электрических ламп и радиоклапанов, телевизоров, различных узлов и установок, деталей электрооборудования (хомуты, наконечники и т. д.), вакуумных и электровакуумных устройств;
  • пайка также используется при сборке электрического и радиооборудования, для плавких предохранителей и т. д.;
  • кроме того, она находит все большее применение при соединении соединительных стержней (шин), проводников и т. д.

Результаты закаливания 

/rezultaty-zakalivaniya/

Результаты закаливания показывают, где было сделано наиболее важное усовершенствование, то есть окончательное отверждение путём закалки в воде. Раньше было принято в конце периода карбонизации открывать кастрюлю и бросать содержимое в резервуар с холодной водой. Кое-где некоторые из более осторожных работников брали каждое изделие отдельно, но прямо из кастрюли, и погружали его в воду. Последние добились лучших результатов, но даже у них было много проблем с отсутствием надлежащей твёрдости.

Обнаружив, что оси, взятые по отдельности из кастрюли и закаленные, были лучше, чем те, которые были закалены оптом. И что, если дать им остыть до вишнёво-красного цвета, они были еще лучше, применение старого правила для затвердевания при повышении температуры привело к теперь установленному принципу, позволяющему кастрюле и ее содержимому стать довольно холодными, затем нагревать до вишнево-красного и тушить водой. Таким образом, мы получаем результаты закаливания, где корпус большой твёрдости с очень прочной сердцевиной — это, конечно, при условии, что используется подходящая сталь. 

Чтобы понять причину этого улучшенного метода обработки, мы должны помнить, что внешняя поверхность стали теперь содержит около 0,80% углерода, и что сталь всех видов, повышенная до и поддерживаемая при высокой температуре, используемой для упрочнения корпуса, будет, если не подвергаться механической обработке, демонстрировать признаки перегрева, будучи очень хрупкой и подверженной легкому разрушению. И хотя закалённый в воде и, следовательно, закаленный, металл практически не сцепляется и легко изнашивается.

При постепенном нагревании стали

Закалённая таким образом сталь разрушается с очень крупной кристаллической трещиной, в которой границы корпуса плохо определены. Известно, что при постепенном нагревании стали наступает определенная точка, в которой происходят большие молекулярные изменения, и что идеальная твёрдость может быть получена только закалкой в этой критической точке. Если закалка происходит ниже критической температуры, сталь недостаточно твердая; если выше, то, хотя может быть получена полная твёрдость, прочность теряются частично или полностью, в зависимости от того, сильно или мало превышена критическая температура.

Эта критическая точка находится между 1380 и 1470 градусами по Фаренгейту, или вишнёво-красным цветом тепла. Может возникнуть вопрос, почему при извлечении изделия из кастрюли недостаточно дать ему остыть до вишнёво-красного цвета, а затем погасить его. На это ответ заключается в том, что высокая температура уже создала крупнокристаллическое состояние в стали, и что до тех пор, пока она не станет достаточно холодной и снова не будет нагрета до критической температуры, подходящее молекулярное состояние не может быть получено.

Результаты закаливания показывают, что когда сталь охлаждается, медленно или нет, она сохраняет в своей структуре состояние, соответствующее самой высокой температуре, которой она подвергалась в последний раз.

Температура для упрочнения корпуса

/temperatura-dlya-uprochneniya-korpusa/

Надлежащая температура для упрочнения корпуса составляет около 1800 градусов по Фаренгейту, или полная оранжевая температура. Её следует поддерживать с большой регулярностью на протяжении всей операции. Продолжительность времени, затрачиваемого на карбонизацию, регулируется требуемой глубиной оболочки и косвенно размерами изделия.

В конце периода карбонизации горшок вынимают из печи и помещают в сухое место, где ему дают достаточно остыть. Затем его открывают, вынимают изделия и протирают щеткой, чтобы удалить все прилипшие вещества. Если горшок был правильно упакован и промыт, изделия должны быть совершенно белыми или, по крайней мере, иметь лишь лёгкую плёнку или налёт темно-синего цвета; чем плотнее и более склонна к покраснению поверхность, тем более несовершенной была упаковка и запечатывание горшка.

Повторный нагрев и отверждение

Обугленные изделия теперь помещают в муфельную печь и постепенно нагревают до хорошего вишнёво-красного цвета (1470 градусов по Фаренгейту), а затем закаляют в холодной или тёплой воде или масле, в зависимости от назначения требуемых изделий. Они должны оставаться в охлаждающей жидкости до тех пор, пока не станут достаточно холодными прямо через корпус металла, завершая таким образом процесс.

Хотя подходящая температура для упрочнения корпуса составляет около 1830 градусов по Фаренгейту, эта температура может быть изменена в соответствии с поставленной целью. Поглощение углерода начинается, когда сталь достигает низкой температуры вишнёво-красного цвета (1300 градусов по Фаренгейту); оно начинается, конечно, с внешней поверхности и постепенно распространяется до тех пор, пока вся сталь не обуглится.

Время, необходимое для этого, зависит от толщины обрабатываемого металла. Процент поглощенного углерода зависит от температуры, и хотя увеличение углерода неравномерно пропорционально повышению температуры повсюду, возможно, для нашей настоящей цели достаточно отметить, что при 1300 градусах по Фаренгейту железо, если оно полностью насыщено, может содержать не более 0,50 процента углерода;

  • при 1650 градусах по Фаренгейту около 1,5 процента углерода;
  • и при 2000 градусах по Фаренгейту около 2,5 процента.

Эти результаты достижимы только тогда, когда вся секция железа получила весь углерод, который она способна поглощать при данной температуре, и поэтому находится в состоянии равновесия. Из этого будет видно, что если процесс остановить до завершения действия, то центральные части железа должны содержать меньше углерода, чем наружные, и на этом факте основан процесс упрочнения корпуса.

Печь для закалки корпусов

/pech-dlya-zakalki-korpusov/

Печь должна быть сконструирована таким образом, чтобы ее можно было нагревать до полной оранжевой температуры (1830 градусов по Фаренгейту) и поддерживать на этом уровне с большой регулярностью. Она должна быть сконструирована таким образом, чтобы ни топливо, ни прямое пламя не могли соприкасаться с материалом.

Пламя должно равномерно падать на стенки и крышу муфеля таким образом, чтобы поднять их до высокой температуры, тем самым нагревая содержимое муфеля излучаемым, а не прямым теплом. Печь, спроектированная по этому принципу, не только даёт наилучший результат, но и наиболее экономична в отношении топлива.

Процесс закалки корпусов

Муфельная камера и дымоходы, конечно же, должны быть изготовлены из огнеупорного кирпича, а двери должны плотно прилегать друг к другу и также быть облицованы огнеупорным кирпичом. Важно, чтобы в двери было небольшое отверстие для глазка с накладкой. Это является наиболее важной деталью, поскольку оно избавляет от необходимости открывать двери, чтобы оценить температуру, и действительно является наиболее точным средством оценки температуры на глаз. Печь должна быть оснащена надежной заслонкой или другими эффективными средствами контроля тяги при таком процессе, как закалка корпуса.

Закалочные горшки изготавливаются как из литого, так и из кованого железа, первые дешевле по первоначальной стоимости, но вторые выдерживают повторный нагрев столько раз, что в итоге они дешевле. Емкости не должны быть слишком больших размеров, иначе существует большой риск того, что изделия в середине загрузки не будут обуглены на достаточную глубину. Каждая кастрюля должна иметь плотно прилегающую к ней крышку-тарелку.

Карбонизаторами, широко используемыми в настоящее время, являются животный уголь, кости и одна или две другие композиции, продаваемые под различными названиями, состоящие из смесей углеродистых веществ и определенных синильных кислот или нитратов.

Для очень слабого отверждения по-прежнему очень полезны только цианиды, но с их помощью никогда не пытаются проникнуть на большую глубину. Теоретически, идеальный карбонизатор должен быть простой и чистой формой углерода, а хорошая обугленная поверхность даёт наиболее определенные и удовлетворительные результаты. Следует соблюдать осторожность, чтобы избежать плохо обугленной оболочки корпуса.

Упрочнение корпуса

/uprochnenie-korpusa/

Термин “упрочнение корпуса” подразумевает упрочнение кожи изделия и для того, чтобы полностью понять процесс и его цель, мы должны кратко рассмотреть факты и законы, на которых он основан.

Углерод обладает очень большим сродством к железу и соединяется с ним при любых температурах выше слабого красного накала. Этот факт используется в качестве преимущества при производстве стали методом цементации — фактически, процесс упрочнения корпуса на самом деле является неполной цементацией с последующей закалкой в воде или масле. 

Для многих целей при работе с машинами мы требуем, чтобы изделия имели идеально твёрдую поверхность и в то же время имели такую природу, чтобы не было возможности их сломать при использовании. Во многих случаях этот результат может быть получен с использованием высококачественной тигельной стали, но для осей, чашек, конусов и многих подобных деталей чрезвычайно трудно получить идеальную твёрдость в сочетании с высокой устойчивостью к деформациям при кручении, сдвиге или разрыве.

Для таких целей ничто не может соответствовать этим требованиям в такой степени, как изделия, которые были закалены. Наибольшие риски при использовании любой стали часто возникают во время ее обработки производителем, и независимо от того, является ли она лучшей литой сталью или только обычной бессемеровской. В первую очередь важно, чтобы она была тщательно и должным образом обработана с учётом работы, которую она должна выполнять. 

Упрочнение корпуса и применяемый материал

В качестве материала для упрочнения корпуса использовались как железо, так и мягкая сталь. Сейчас “век стали”, и железо давно прошло свой век.

Используемая сталь должна быть подготовлена, выбрана и контролироваться с самого начала с целью соответствия ее требованиям. Есть, конечно, много моментов, связанных с его составом и обработкой производителем, которые могут быть получены только путём длительного опыта и изучения требований.

Достаточно сказать, что используемая сталь должна быть низкоуглеродистой и способной поглощать больше углерода с большой равномерностью при нагревании в надлежащих условиях; она должна содержать минимум вредных примесей, быть абсолютно прочной и свободной от механических неисправностей или недостатков, вызванных перегревом во время производственных процессов.

Порошковая покраска

/poroshkovaya-pokraska/

Порошковая покраска – это процесс сухого покрытия, используемый в основном для отделки металла на промышленном оборудовании. Это покрытие наносится в виде сухого порошка с помощью электростатического процесса, а затем становится твёрдым при нагревании. Он известен тем, что обеспечивает высококачественную отделку как с точки зрения функциональности, так и с точки зрения внешнего вида.

Покрасить обычной краской или использовать порошковую покраску? Как лучше всего отделать вашу металлическую конструкцию? Почему следует отдавать предпочтение этому виду окраске вместо обычной краски?

Краска – это традиционный подход с различными ограничениями. С другой стороны, порошковая покраска – более продвинутый подход. Это обеспечивает повышенную долговечность, меньшее воздействие на окружающую среду и более качественный внешний вид.

Порошковое покрытие не только прочное, но и гибкое. Его можно использовать на различных поверхностях, включая металл, бетон, сталь и пластик. Он подходит как для внутреннего, так и для наружного применения и является одним из самых экономичных вариантов отделки.

Виды порошкового покрытия

Есть два типа порошковых покрытий: термореактивные и термопласты.

Покрытия из термопластичного порошка становятся жидкими и очень мягкими при нагревании. Это устраняет химическое связывание. Этот процесс делает порошковое покрытие обратимым и многоразовым.

Термопластические покрытия имеют тенденцию быть более толстыми и, следовательно, более прочными по сравнению с термореактивными покрытиями. По этой причине их можно использовать для множества вещей из металла, автозапчастей и даже холодильников.

С другой стороны, термореактивный порошок отличается тем, что после отверждения образует химические связи, что делает невозможным его переработку. Он подходит для участков с высокой температурой, поскольку склеивание предотвращает его таяние. Этот вид намного дешевле термопласта.

Подготовка – это первый шаг процесса и, возможно, самый важный. Этот шаг определяет, насколько хорошо порошковое покрытие сцепляется с металлической поверхностью, и существуют различные варианты очистки и подготовки поверхности. Идеально подходит обезжириватель и / или фосфатное ополаскивание, а затем быстрое ополаскивание водой. Затем порошок наносится с помощью пистолета-распылителя, и сразу после этого начинается отверждение.

Есть и другие методы, которые можно использовать, но они подходят только для конкретных проектов.

 

Порошковая покраска по металлу

Порошковое покрытие основано на полимерной смоле в сочетании с пигментами, отвердителями, модификаторами текучести, выравнивающими агентами и некоторыми другими добавками. Все ингредиенты растапливаются, смешиваются, затем охлаждаются и растираются в порошок. Предварительный нагрев обеспечивает однородную отделку, а охлаждение способствует образованию твердого покрытия.
Процесс порошкового покрытия исключает потери из-за чрезмерного распыления, которые могут возникнуть при использовании красок на основе растворителей. Порошковые покрытия отличаются от красок тем, что для работы им требуется электрический заряд, а для красок – клей.

Для нанесения используется электростатический распылитель краски. Он сообщает порошку положительный электрический заряд и ускоряет его по направлению к компонентам за счет электростатического заряда. Процесс химического связывания укрепляет порошковое покрытие, потому что после отверждения соединения затвердевают.

Одним из наиболее значительных преимуществ использования порошковых покрытий является то, что после затвердевания можно добавить больше слоев, при желаемой толщине. Более толстые покрытия означают долговечность и повышенную защиту. Порошковые покрытия подходят для металла, потому что они отталкивают коррозионные материалы, такие как химические вещества и вода

Долговечность порошкового покрытия

Это одно из самых прочных покрытий, которое вы можете использовать в качестве отделки для самых разных поверхностей, а не только для металла. Химические связи обеспечивают превосходное покрытие, которое делает его пригодным как для машин, так и для повседневных предметов. Он устойчив к экстремальным погодным условиям и физическим воздействиям, а это означает, что он устойчив к царапинам, истиранию и сколам.

Срок службы продукта во многом будет зависеть от нескольких факторов. Эти факторы включают качество приготовления, тип используемого порошкового покрытия и среду, в которой находится продукт. Порошковое покрытие может прослужить до 20 лет , но из-за постоянного использования, воздействия ультрафиолетового излучения и окружающей среды оно может разрушиться быстрее.

Различные покрытия также имеют разный срок службы. Например, покрытия, содержащие фторполимеры и уретаны, могут служить дольше. Они разработаны, чтобы выдерживать экстремальные условия и лучше подходят для уличных товаров. С другой стороны, эпоксидные покрытия могут очень долго служить в помещении, но после воздействия на открытом воздухе они разрушаются намного быстрее.

Преимущества порошкового покрытия

Порошковые покрытия обладают рядом преимуществ, что делает их отличным выбором для изготовления металлов. Помимо легендарной прочности, есть и другие сильные стороны, которые вы, возможно, захотите учесть при выборе отделки.

Экологичность : это экологически чистый вариант, поскольку он может использоваться повторно и повторно. В отличие от термореактивных материалов, покрытия из термопластов могут быть очень легко изменены. Порошок также используется с минимальными потерями, в отличие от краски, при которой возникает много избыточного распыления.

Вы можете ожидать около 5% или меньше потерь, и тот факт, что им не нужны растворители, является большим плюсом. Порошковое покрытие не выделяет летучие органические соединения, которые могут нанести вред окружающей среде. Кроме того, его безопаснее использовать, и хотя по-прежнему рекомендуется носить защитное снаряжение, оно не представляет такой большой угрозы для здоровья, как другие виды отделки.

Рентабельность: с отделкой порошковым покрытием первоначальный опыт покажется значительным и, возможно, ошеломляющим для некоторых. Однако со временем слой покрытия становится намного меньше по сравнению с другими видами отделки.

Внешний вид полировки: При порошковой окраске металла довольно легко добиться полированного вида. Тот факт, что он отталкивает химические вещества, влагу и другие элементы, упрощает очистку.

Недостатки порошковой окраски

Несмотря на то, что этот вид отделки может похвастаться массой преимуществ, нельзя упускать из виду и недостатки. Дело в том, что для достижения эффективности и функциональности необходимо использовать правильную отделку.

Меньший контроль над покрытием: может быть трудно на самом деле достичь толщины или контролировать, насколько толстым становится покрытие. Может даже получиться неравномерная толщина, что повлияет на общую текстуру.

Получение правильных цветов: хотя переработка и повторное использование порошковых покрытий является преимуществом, это также может привести к перекрестному загрязнению. Это просто означает, что цвета могут отображаться не так, как задумано, что снижает эффективность и делает возможными несоответствующие ретуши. Этого можно избежать, тщательно упаковав порошки, когда они не используются.

Порошковые покрытия – одни из лучших, когда дело доходит до изготовления металла. Если вы не использовали его раньше, вы упускаете что-то поистине невероятное. Если вы хотите увидеть великолепие порошковой покраски металла, свяжитесь с нами.

Изменение вещества

/izmenenie-veshhestva/

Какая связь между сильным взрывом, чайником, который меняет цвет, когда закипает и листьями растений?

Ответ заключается в материальных изменениях и реакциях. Все они являются примерами веществ, изменяющихся для получения новых веществ. Наши знания о том, как материалы изменяются и реагируют друг с другом, используются в производстве химических веществ, медицинских исследованиях и инженерии.

Изучение изменений и реакций материалов является частью науки химии. Многие люди думают о химии как о чем-то, что учёные изучают, проводя эксперименты в лаборатории со специальным оборудованием. Эта часть химии очень важна. Именно так учёные выясняют, из каких элементов состоят вещества и как они создают новые материалы — но это лишь малая часть химии. Большая часть химии происходит вне лабораторий — на фабриках и химических заводах. Химия используется для производства огромного ассортимента товаров, таких как металлы для металлургии, синтетические волокна для тканей, лекарства для лечения болезней, взрывчатые вещества для фейерверков, растворители для красок и удобрения для сельскохозяйственных культур.

Изменение вещества или для чего нужен эксперимент?

Эксперимент предназначен для того, чтобы помочь решить научную проблему. Ученые используют логический подход к экспериментам, чтобы делать выводы из полученных результатов. Ученый сначала записывает гипотезу, которая, по его мнению, может быть решением проблемы, затем разрабатывает эксперимент для проверки гипотезы. Затем он или она записывает результаты эксперимента и делает вывод о том, показывают ли результаты гипотезы его выводы.

Мы знаем о химии только то, что мы делаем, потому что ученые тщательно проводили миллионы экспериментов на протяжении сотен лет. Эксперименты позволили ученым выяснить, как и почему материалы изменяются при нагревании или охлаждении, и как различные семейства веществ реагируют друг с другом, образуя новые химические вещества.

В науке слово «материал» означает любое вещество вокруг нас, от древесины на деревьях до воздуха, которым мы дышим. Материалы постоянно меняются. Просто подумайте об изменениях, которые происходят в природе в течение года. Зимой вода может превратиться в лед и снег. Весной она снова превращается в воду. Листья и веточки растут весной, затем отмирают, падают с деревьев и гниют осенью и зимой. Твердые породы в земной коре могут быть превращены в мягкую почву под действием ветра и дождя.

А теперь подумай о кухне и еде приготовленный в нем. Ингредиенты в различных продуктах, таких как пирожные и хлеб меняются по мере их приготовления. Жидкое тесто для торта превращается в твердый торт. Вещества снова меняются, когда вы едите и перевариваете их. Это лишь несколько примеров того, как меняются материалы. Материальные изменения естественным образом происходят в растениях, животных и самой Земле. Мы используем их в наших интересах дома и во многих различных отраслях промышленности, включая химическую промышленность.

Эти изменения иногда заставляют материалы выглядеть по-другому, чувствовать себя по-другому или вести себя по-другому. Они часто даже делают полностью новые материалы, которые не существовали раньше.

Что такое атомная теория строения вещества и для чего она нужна? 

Химики думают о веществах как о состоящих из крошечных частиц, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Это называется атомной теорией. Эти частицы представляют собой либо отдельные атомы, либо атомы, соединенные химическими связями в группы, называемые молекулами. Для примера возьмём металл — частицы которого представляют собой отдельные атомы. В воде частицы представляют собой молекулы, каждая из которых состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.  Атомная теория помогает нам понять, как ведут себя вещества.

Изменение вещества: физические и химические. В чём разница?

Все материальные изменения являются либо физическими, либо химическими изменениями. При физическом изменении меняются только физические свойства — химические свойства остаются неизменными. При химическом изменении изменяются химические свойства и образуются новые материалы. Физические свойства новых материалов могут отличаться от исходных материалов. Химические изменения также называются химическими реакциями. 

Представьте себе кусок дерева. Если вы режете древесину, чтобы сделать опилки, древесина претерпевает физическое изменение вещества. Она превращается в опилки вместо прочного материала. Его физические свойства имеют
измененный характер — он всё равно остаётся деревянным.

Но если вы нагреете дрова, они сгорят и останутся только газ и пепел. Древесина больше не является древесиной, поэтому она претерпела химическое изменение вещества.

Обратимые и постоянные материальные изменения

Химическое изменение вещества обычно являются постоянными, в то время как физические изменения — нет. При постоянном изменении — изменения внесенные в материал не могут быть отменены. Сжигание древесины является примером постоянного изменения, поскольку золу нельзя превратить обратно в древесину. При непостоянном изменении — изменение может быть обращено вспять. Например, вода становится льдом, когда вы кладете ее в морозильную камеру и снова в воду, когда вы ее разморозите. 

 

Физическое изменение состояния вещества

Плавление — это явление изменения состояния веществ из твердого в жидкое.

Конкретное вещество всегда плавится при определенной температуре, называемой точкой плавления. Например, температура плавления льда составляет O°C или 32°F (по фарингейту). Температура плавления железа составляет 1535°C или  2795°F.

Замораживание — это процесс изменения состояния вещества из жидкого в твердое.

Это противоположно плавлению и происходит по мере охлаждения вещества. Для любого вещества его температура замерзания равна той же температуре, что и температура плавления.

Кипение — это изменение состояния из жидкого в газообразное.

Определенное вещество всегда будет кипеть при определенной температуре, называемой точкой кипения. Температура кипения воды составляет 100°C  (212°F). Температура кипения железа Составляет 2861°C  (5182°F)

Конденсация — это изменение состояния из газообразного в жидкое.

Когда газ охлаждается до тех пор, пока его температура не достигнет точки кипения, он конденсируется в жидкость.

Испарение — это изменение состояния из жидкого в газообразное, которое происходит, когда температура жидкости все еще ниже точки кипения.

Частицы в жидкости постоянно движутся. Иногда частицы, движущиеся вверх по поверхности, улетают в воздух и превращаются в газ. Лужи высыхают из-за испарения. Вода в них медленно выходит, превращаясь в водяной пар в воздухе. Вода в воздухе снова конденсируется, если она попадает на холодную поверхность.

Некоторые материалы, такие как углекислый газ, переходят прямо из твердого состояния в газообразное. Это изменение вещества называется сублимацией.

Изменения состояния вещества происходят, когда частицы в твердых телах, жидкостях и газах либо отрываются друг от друга, либо соединяются вместе. Сами частицы никак не изменяются, поэтому изменения состояния не являются химическими изменениями. 

  • Когда любое вещество нагревается, его частицы вибрируют все больше и больше. Но частицы остаются там, где они есть, потому что связи между ними остаются нетронутыми. Когда температура достигает точки плавления вещества, связи между частицами начинают разрушаться. Частицы теперь могут свободно перемещаться, так что вещество теперь находится в жидком состоянии. Если жидкость остывает ниже температуры плавления вещества, связи восстанавливаются, и вещество снова становится твердым.
  • Когда вещество в жидком состоянии нагревается, его частицы движутся все быстрее и быстрее. Когда температура достигает точки кипения вещества, частицы полностью отделяются друг от друга. Жидкость вскипела и превратилась в газ.
  • Если газ охлаждается ниже точки кипения вещества, его частицы снова группируются вместе, связи восстанавливаются и вещество конденсируется и снова превращаясь в жидкость.

Дополнительные физическое изменение вещества

Разные вещества имеют разную температуру плавления и кипения. Например, вода кипит при 100 ° C (212°F), кислород при -183 °C (-297°F), а железо при 2861 °C (5182°F).

Так от чего зависит температура плавления и кипения материала?

Температуры плавления и кипения материала зависят от того, насколько прочны связи между его частицами. Материалы со слабо соединенными частицами имеют низкие температуры плавления и кипения.
Материалы с прочно соединенными частицами имеют высокие температуры плавления и кипения.

Твердые вещества, жидкости и газ изменяют размер или форму при растяжении или сжатии. Твердые тела становятся немного длиннее, когда вы их растягиваете, потому что связи между частицами растянуты. Их нелегко сжать, потому что частицы плотно упакованы. Объем жидкости немного уменьшается, когда она сжимается, так как частицы сближаются. Газы могут быть сжаты гораздо сильнее, чем твердые вещества или жидкости, поскольку их частицы широко распространены.

Твердые вещества, жидкости и газ также изменяют свой объем при нагревании или охлаждении.

  1. Твердые тела расширяются при нагревании, потому что их частицы сильнее вибрируют и поэтому занимают больше места.
  2. Жидкости расширяются, когда они нагреваются, потому что их частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются и поэтому занимают больше места.
  3. Газы расширяются при нагревании, потому что их частицы движутся быстрее.

Физическое изменение вещества показывают превращение твердого вещества в жидкость, в газ и обратно

Химическое изменение состояния вещества

Когда происходит химическая реакция?

Химическая реакция происходит, когда два или более вещества вступают в реакцию друг с другом. После реакции образовывается одно или несколько новых веществ, а исходные вещества были изменены.

Это означает, что во время химической реакции происходят перемены. Исходные вещества называются реагентами, потому что они вступают в реакцию вместе. Новые материалы называются продуктами.

Пример химической реакции.
Примером распространенной химической реакции является сгорание газа на плите. Реагентами являются газообразный метан, который поступает по трубам и кислород, который является одним из газов в воздухе. В ходе реакции образуются два новых вещества. Они питались углекислым газом, который представляет собой газ, и водой — пар, который представляет собой воду в газообразной форме. Частицы кислорода, метана, углекислого газа и водяного пара являются молекулами. Во время реакции молекулы кислорода и метана распадаются и атомы перестраиваются, образуя молекулы углекислого газа и водяного пара. В результате реакции также выделяется много тепловой энергии, поэтому мы используем газ для приготовления пищи!

Ничего не теряется, ничего не приобретается. Хотя реагенты изменяются и в ходе химической реакции образуются новые продукты, ни один атом не теряется или не приобретается. Все атомы, которые находятся в реагентах, находятся в продукте. Это означает, что общая масса реагентов равна общей массе всех продуктов.

Химические уравнения определение

Химическое уравнение — это способ записи изменений, происходящих в ходе химической реакции. На нем показаны реагенты, которые принимают участие в реакции и продукты, образующиеся в ходе реакции. Реагенты записаны в левой части уравнения, а продукты — в правой части. Стрелка показывает направление, в котором происходит реакция, обычно указывая слева направо. Иногда вы увидите двойную стрелку, указывающую в обоих направлениях. Это означает, что реакция является обратимой реакцией, и продукты могут вступать в реакцию друг с другом с образованием исходного предыдущего реагента.

Словесные химические уравнения

В словесном уравнении реагенты и продукты показаны по их химическим названиям. Например, ниже приведено словесное уравнение для реакции между углеродом и кислородом. Углерод и кислород являются реагентами, а диоксид углерода — продуктом.

углерод + кислород ——————> двуокись углерода

реагенты——> направление продукта——> реакции

Символьные химические уравнения

Символьное уравнение — это уравнение, в котором реагенты и продукты представлены их химическими символами и формулами. Это символьное уравнение для приведенной выше реакции:

C + O2 ——-> CO2

Сбалансированные химические уравнения

В уравнении символов, символ для каждого элемента представляет атом элемента. Атомы не могут быть потеряны или приобретены во время реакции, поэтому в каждой части уравнения должно быть одинаковое количество атомов каждого элемента. Это известно как сбалансированное уравнение.

Например, магний и кислород вступают в реакцию с образованием оксида магния. В оксиде магния, который является твердым веществом, один атом магния всегда соединяется с одним атомом кислорода. Газообразный кислород состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома кислорода.

магний + кислород —> оксид магния
2Mg +O2  —> 2MgO

Уравнение сбалансировано, потому что в каждой части уравнения есть два атома магния и два атома кислорода.

Важнейшие химические реакции

Тысячи различных химических веществ могут вступать в реакцию друг с другом, поэтому существуют миллионы возможных химических реакций. Многие реакции похожи друг на друга, хотя реагенты и продукты могут быть разными.

Например, кислота всегда будет реагировать с металлом одним и тем же способом. Таким образом, соляная кислота вступает в реакцию с магнием точно так же, как серная кислота вступает в реакцию с цинком. Эти сходства означают, что мы можем классифицировать химические реакции на группы, названные в честь того, что происходит с реагентами во время реакции, ниже приведены группы реакции, которые мы часто наблюдаем в жизни и которые часто используются
в химической промышленности.

  1. Синтез
  2. Разложение
  3. Нейтрализация
  4. Полимеризация

Синтез химическая реакция

Реакция синтеза — это простая реакция, в которой два элемента вступают в реакцию вместе с образованием соединения.

Например, если железные опилки (которые состоят из элемента железа) и серы нагреваются вместе, они вступают в реакцию с образованием сульфида железа:

железо + сера ——> сульфид железа
Fe + S ——> FeS

Разложение химическая реакция

Реакция разложения — это реакция, при которой соединение расщепляется с образованием двух или более различных элементов, или более простых соединений. Разложение часто происходит когда материал нагревается, в этом случае это называется термическим разложением.

Например, оксид ртути, представляющий собой красный порошок, разлагается при нагревании. В результате реакции образуется жидкая металлическая ртуть и газообразный кислород:

оксид ртути  —> ртуть + кислород
2HgO —> 2Hg + O2 

Нейтрализация химическая реакция

Реакция нейтрализации — это реакция вещества либо с кислотой, либо со щелочью, которая превращает кислоту или щелочь в нейтральный раствор. Кислотный или щелочной раствор, который становится нейтральным, называется нейтрализованным.

Например, если гидроксид натрия постепенно добавлять в соляную кислоту, кислота нейтрализуется. Как и гидроксид натрия. Продуктами реакции являются соль и вода:

соляная кислота + гидроксид натрия -> хлорид натрия + вода:
HCI + NaOH ——> NaCl + H2

Большинство реакций нейтрализации используются для нейтрализации кислот. Какое-нибудь вещество, нейтрализующее кислоту, называется основанием. Гидроксид магния является основой. Его используют в медицине при расстройстве желудка, потому что он нейтрализует избыток соляной кислоты в желудке.

Полимеризация химическая реакция

Реакция полимеризации — это реакция, в которой множество маленьких простых молекул соединяются вместе, образуя гораздо большую молекулу, называемую полимером. Все пластмассы являются полимерами.

Реакция вытеснения

Иногда один элемент в соединении заменяется другим во время реакции. Первый элемент выталкивает или вытесняет, второй. Это называется реакцией вытеснения.

Наиболее распространенный пример реакции вытеснения — это когда один металл вытесняет другой металл из соединения.

Например, если в раствор медного купороса добавляют железные опилки, железо вытесняет медь. Образуется сульфат железа (твердое вещество) вместе с металлической медью:

железо + сульфат меди —> сульфат железа + медь
Fe + CuSO— FSO4+ Cu

Один металл вытесняет другой металл в реакции вытеснения, потому что первый металл более реакционноспособен, чем другой металл. Это означает, что первому металлу легче образовывать соединения с другими элементами, чем второму металлу.

Записав, какие металлы вытесняют другие металлы в реакциях вытеснения, вы можете составить список металлов в порядке их реактивности: наиболее реакционноспособные металлы находятся вверху, а наименее реакционноспособные — внизу. Этот список называется таблицей реактивности. Металл будет вытеснен в реакции любым другим, стоящий выше его в таблице.

Таблица реактивности металлов

Реакции окисления и восстановления примеры

Реакция окисления — это любая реакция, в которой кислород добавляется в вещество.

Продуктом реакции обычно является вещество, называемое оксидом.

 Оксид — это соединение, состоящее из элемента в сочетании с кислородом, такого как монооксид углерода или оксид меди, наиболее распространенная форма окисления возникает, когда элемент соединяется с кислородом в воздухе. Во время окисления вещество, которое соединяется с кислородом, называется окисленным.

Пример
В приведенной ниже реакции магний окисляется, потому что он получает кислород:

магний + кислород —> оксид магния
2Mg +O2  —> 2MgO

Реакция восстановления это любая реакция, при которой кислород удаляется из вещества. Восстановление — это противоположность окислению.

Во время восстановления говорят, что вещество, которое теряет кислород, восстанавливается. Термическое разложение оксида ртути является примером реакции восстановления. Содержание ртути в оксиде уменьшается, потому что он теряет кислород:

оксид ртути  —> ртуть + кислород
2HgO —> 2Hg + O2 

Окислительно восстановительная редокс реакция

Редокс означает восстановление или окисление. Таким образом,

Окислительно-восстановительная редокс реакция — это реакция, в которой происходит как восстановление, так и окисление. Восстановление и окисление всегда происходят в одно и то же время. У вас не может быть одного без другого. Во время окислительно-восстановительной реакции кислород удаляется из одного вещества и добавляется к другому.

Окислительно-восстановительная реакция происходит, когда газообразный водород протекает через оксид свинца. Продуктами реакции являются свинец и вода:

оксид свинца + водород -> свинец + вода
PbO +H2 — Pb + H2O

Поскольку образуется металлический свинец, кислород должен быть удален из оксида свинца. Таким образом, содержание оксида свинца было уменьшено. В то же время к водороду был добавлен кислород, образуя воду. Таким
образом, водород был окислен.

  • Окислительно — восстановительные процессы в промышленности, происходящие например внутри доменной печи, где железо получают из железной руды, является наглядным примером.

Прочность зубчатых колёс

/prochnost-zubchatyh-koles/

Как закалённые в корпусе, так и закаленные в масле шестерни в основном используются в автомобильной конструкции. Как упоминалось ранее, хром-ванадиевые, хромоникелевые и силикомарганцевые сплавы изготавливаются как с высоким, так и с низким содержанием углерода.

Первый содержит от 0,45 до 0,60% углерода и достаточное количество других упрочняющих элементов, так что при простой закалке стали в масле от ярко-красного тепла поверхностное упрочнение получается достаточным для обычных целей износа, в то время как твёрдость не проникает глубоко в шестерню, но оставляет прочную сердцевину.

Низкоуглеродистые легированные стали, содержащие около 0,20% углерода, требуют упрочнения в корпусе для получения достаточно твёрдой поверхности для целей износа. Наблюдения заставляют предпочесть закалённое в корпусе зубчатое колесо. Следующие выводы основаны на результатах прямых испытаний на тысячах зубчатых колес.

1. Статическая прочность зубчатых колёс, закалённых в корпусе, равна статической прочности зубчатых колес, закаленных в масле, при условии, что в обоих случаях использовалась сталь одного и того же класса соответствующего состава и соответствующие термические обработки были проведены одинаково хорошо и должным образом.
2. Прямые эксперименты доказывают, что прочность зубчатых колёс наблюдается, когда закалённые в корпусе шестерни лучше сопротивляются ударам, чем закалённые в масле.
3. Механизм с закалённым корпусом несравнимо лучше сопротивляется износу, хотя, возможно, он не так бесшумен в действии.

Сильное возражение против упрочнения корпуса в девяти случаях из десяти, несомненно, связано с тем фактом, что операция упрочнения корпуса не понята должным образом. Глубина жёсткого корпуса или покрытия, время и температура, необходимые для получения определенных результатов, а также точный контроль условий, а также точное знание материала, подлежащего обработке, являются факторами, которые способствуют успешному упрочнению корпуса. 

Правила закалки и прочность зубчатых колёс

Для получения наилучших результатов при закалке обычной углеродистой стали следует соблюдать следующие правила.

  • Следует использовать сталь, содержащую менее 0,12 процента углерода и с низким содержанием марганца (менее 0,30 процента);
  • упрочнение корпуса должно быть выполнено химически определенным материалом, таким как смесь 60% древесного угля и 40% карбоната бария, и при температуре от 1560 до 1920 градусов по Фаренгейту. Чем выше температура, тем быстрее будет происходить отверждение корпуса. После операции упрочнения корпуса дайте стали остыть примерно до 1100 градусов по Фаренгейту. Затем повторно нагрейте изделие, подлежащее закалке, и закалите его при температуре 1650 градусов по Фаренгейту. Этот нагрев и закалка приводят к упрочнению центра, но снаружи он будет крупнозернистым и хрупким; поэтому нагрейте материал второй раз до 1470 градусов по Фаренгейту, чтобы сделать внешнюю поверхность не хрупкой.

Эта процедура более сложна, чем наиболее часто используемая, при которой детали сбрасываются непосредственно из коробок для отверждения в воду. Процесс, однако, может быть несколько изменен, если использовать хорошую никелевую сталь с низким содержанием углерода и после ее закалки при соответствующей температуре дать материалу остыть в коробках перед повторным нагревом и закалкой. В этом случае, если материал повторно нагревается, но один раз до 1470 градусов по Фаренгейту, результат будет полностью равен или лучше, чем результат наиболее тщательной обработки и двойной закалки обычных углеродистых сталей. Однако лучше проводить двойную закалку, так как тогда получаются исключительные прочностные и износостойкие качества. 

Способ изготовления зубчатого колеса

Идеальный способ изготовления зубчатых колёс из никелевой стали состоит в первом отжиге заготовки, затем её грубой обработке примерно по размеру, а затем повторном отжиге перед последним чистовым разрезом. Шестерни упакованы в смесь, как уже упоминалось, нагретую до температуры примерно от 1625 до 1650 градусов по Фаренгейту. Затем шестерням дают остыть в коробках, нагревают до 1500 градусов по Фаренгейту и закаляют в горячем рассоле или растворе хлорида кальция. И наконец, повторно нагревают до 1375 или 1400 градусов по Фаренгейту и закаляют в масле.

Еще одним важным моментом является ковка мелких деталей методом капельной ковки, которые также могут быть изготовлены из прутков на автоматических станках. Ковка методом капельной штамповки не улучшает качество стали, хотя некоторые стали менее подвержены травмам, чем другие. При работе с капельной ковкой, чтобы придать пластичность, материал должен быть нагрет очень сильно.

Исследование зубчатых колес для ковки и резки прутков, первое из которых было произведено одной из ведущих компаний по ковке методом литья под давлением, показало, что при статических испытаниях зубчатые колеса для резки прутков были на 25 процентов прочнее, а их устойчивость к ударам также была выше.

Хромоникелевые стали

/hromonikelevye-stali/


Хромоникелевые стали изготавливаются либо с высоким содержанием углерода и используются для закаленных в масле шестерен и пружин, либо с низким содержанием углерода, и в этом случае сталь используется для осей, валов, кованых деталей и закаленных в корпусе шестерен.

Высокоуглеродистая сталь содержит около 0,5 процента углерода, в то время как низкоуглеродистый сплав содержит 0,25 процента. Содержание никеля составляет от 2 до 3,5%, в то время как содержание хрома колеблется от 1 до 1,5%. Для пружин иногда используется специальная никель-хром-вольфрамовая сталь. Никель-хромовые стали обладают превосходными статическими качествами, но представляют трудности при термической обработке, ковке и механической обработке.

Силикомарганцевые и силикохромовые стали со средним и низким содержанием углерода в значительной степени используются за рубежом для изготовления пружин и зубчатых колес. Их относительно низкая стоимость благоприятствует их использованию, но они плохо выдерживают удары и слишком чувствительны к термической обработке.

При очень осторожном обращении они дают хорошие результаты, когда можно точно определить температуру для термообработки.

Хромованадиевая сталь

/hromovanadievaya-stal/


Хромованадиевые легированные стали предпочтительно изготавливаются в плавильной или электрической печи, хотя для этой цели также широко используется мартеновский процесс. Мартеновский продукт, однако, несколько неопределён, и хотя пружины из стали, изготовленные этим способом, могут быть лучше, чем пружины, изготовленные из обычной тигельной стали, их нельзя сравнивать с пружинами, изготовленными из тигельной хромованадиевой стали.

Благодаря превосходному качеству последний продукт представляет собой высшее достижение сталелитейного искусства.

Хромованадиевая сталь с высоким содержанием углерода подходит для шестерен и пружин, закаленных в масле. При изготовлении с низким содержанием углерода он используется для зубчатых колес с закалкой в корпусе, а при закалке и отжиге в масле — для осей, валов и поворотных кулаков.

Когда требуется лучший материал, чем лучшая никелевая сталь, следует рекомендовать различные виды хромованадиевой стали. Они легко поддаются ковке и более легко поддаются механической обработке, чем хромоникелевые стали с соответствующим содержанием углерода.

Никелевая сталь

/nikelevaya-stal/


Никелевая сталь является наиболее широко используемой из легированных сталей. Лучшее качество содержит от 0,20 до 0,25 процента углерода, 3,50 процента никеля, от 0,60 до 0,90 процента марганца и не более 0,04 процента серы и фосфора.

При использовании углерода и никеля, как указано выше, содержание марганца никогда не должно превышать указанных пределов. Немного более низкое содержание углерода иногда используется для упрочнения корпуса, а более высокий процент углерода часто используется для коленчатых валов.

Никелевая сталь обычно изготавливается в основной мартеновской печи. Это отличная сталь для упрочнения корпуса, и ее легче обрабатывать, чем другие легированные стали.

Термическая обработка легированной стали

/termicheskaya-obrabotka-legirovannoj-stali/

Стремительное развитие автомобильной промышленности в мире пробудило к пониманию огромной важности правильной термической обработки стали. Научная термическая обработка так же важна, как и качество стали. Обычная сталь может приобрести хорошие физические качества при надлежащей термической обработке, а лучшая сталь может быть испорчена некачественными методами.

Различные операции отжига, закалки и отпуска должны выполняться с особой тщательностью, поскольку только тщательная обработка обеспечивает однородность продукта. Это особенно верно при производстве кованых изделий.
Разница между обычной и лучшей сталью велика.

Хрупкость не следует надлежащей термической обработке, при этом долговечность повышается в большем соотношении, чем предел упругости. Следовательно, кристаллизация, усталость или как бы мы ни называли причину поломки, с меньшей вероятностью развиваются в правильно термообработанном и выдержанном материале, чем в отожженном и мягком материале. Этот факт, раскрытый в лаборатории и установленный на практике, в настоящее время общепризнан экспертами-металлургами, несмотря на то, что он полностью опровергает прежнее общее мнение.

Другое общепринятое опровергнутое убеждение состоит в том, что прочность и жесткость являются координатами, или “чем прочнее кусок стали, тем он жестче”. Для иллюстрации считалось, что если бы один кусок стали был вдвое прочнее другого, он бы изгибался только вдвое меньше при заданном весе; но фактическое испытание показало, что хромоникелевая сталь, изгибается при заданной нагрузке столько же, сколько образец из углеродистой стали, и это условие выполняется, пока нагрузка находится в пределах предела упругости более слабого материала.

Предел упругости хорошо закаленной стальной пружины составляет около 67 500 кгс/см², но пружина может быть изготовлена из мягкой стали. Если она не нагружена сверх предела своей упругости, пружина будет возвращаться к своей первоначальной форме после каждого прогиба, но прогиба будет недостаточно для создания хорошей пружины. На самом деле это было бы едва заметно и, конечно, не имело бы большой ценности. Между этими крайностями лежат стали, использовавшиеся производителями пружин в прошлом.

Термическая обработка в автомобильной промышленности

Автомобильная промышленность не только вынудила производителей пружин отказаться от своих старых материалов и методов, но и эти изменения распространяются по всей линии. Предположим, что была использована углеродистая сталь, преимуществом данной конструкции коленчатого вала является то, что он не изгибается и не ломается при длительном использовании, а также то, что опорные поверхности имеют такую малую площадь, какую можно использовать без нагрева или чрезмерного износа. Коленчатый вал из должным образом обработанной хромоникелевой стали, имеющий предел упругости в четыре или пять раз выше, чем у углеродистой стали 0,20, не был бы более жестким, но значительно увеличил бы срок службы и надежность.

Производители стали должны быть готовы к этим новым условиям. Прочное знание стали быстро распространилось среди производителей; благодаря знаниям, полученным в созданных лабораториях, где все материалы проходят физические и химические испытания, они научились различать при отборе. Обладая известными характеристиками, научно проведенная термообработка гарантирует получение высококачественных сталей.

Эксплуатационные расходы электропечи

/ekspluataczionnye-rashody-elektropechi/

Деталями, подверженными износу в электропечи, являются тигель и электроды. Было установлено, что срок службы тигля составляет от 1200 до 1800 часов при температуре 2350 градусов по Фаренгейту и до 3000 часов при более низких температурах. Это намного дольше, чем в муфельных печах, что, вероятно, связано с отсутствием разрушительного влияния газов сгорания и с тем фактом, что тигель не передает тепло снаружи внутрь.

Наиболее чувствительной частью электродов является та, которая выступает над уровнем ванны и защищена сменными наконечниками. Срок службы этих наконечников составляет от 400 до 800 часов, а стоимость их замены такая же низкая, как у огнеупорной глины для других печей.

Количество солей, теряемых при испарении и отходах при обычных условиях работы в печи, составляет чуть более одного килограмма за десять часов непрерывной работы.
Лёгкость, с которой можно обращаться с электропечью, позволяет использовать более дешевую рабочую силу, чем та, которая используется на заводах, где успех работы зависит от мастерства оператора.

Скорость процесса отверждения также намного выше, и поэтому в час можно обрабатывать большее количество деталей.

Расходы электропечи — специальная ванна для закаливания

В некоторых случаях успешно использовались электрические печи со специальной ванной для закалки. Интересное наблюдение, которое было сделано в этой связи, состоит в том, что определенный цвет закалки зависит не только от температуры, но, по-видимому, время также играет важную роль.

Например, удалось получить темно-синий цвет либо при температуре 400 градусов по Фаренгейту в течение четырех минут, либо при температуре 660 градусов по Фаренгейту в течение одной минуты.

Ещё раз о процессе закалки

При нагреве углеродистой стали для закалки желательно нагревать ее как можно быстрее, поскольку длительное воздействие тепла, по-видимому, влияет на химический состав и механическую структуру.
В большинстве случаев рекомендуется предварительно нагреть сталь до определенной температуры перед окончательным нагревом в ванне.

Этот предварительный нагрев следует проводить тщательно, чтобы убедиться, что все порции хорошо прогреты. Если это не сделано в период предварительного нагрева, тепло в течение основного периода нагрева должно направляться на детали, которые не нагреты должным образом, что удлиняет процесс и может привести к повреждению внешних частей инструмента, таких как кромки, выступы и т.д.

Каждая марка стали требует определенной температуры, до которой ее следует нагреть для закалки. Для быстрорежущих сталей эта температура составляет примерно от 1800 до 2375 градусов по Фаренгейту, а для углеродистых сталей — примерно от 1300 до 1650 градусов по Фаренгейту.

Вообще говоря, процесс охлаждения легированных сталей не должен быть таким резким, как для углеродистых сталей. Вместо того чтобы закалять горячий инструмент в воде или масле, достаточно подставить его потоку воздуха или окунуть в расплавленный жир.

Преимущества электрических печей

/preimushhestva-elektricheskih-pechej/


Большим преимуществом электропечи является то, что с помощью одного оборудования можно охватить широкий диапазон температур, всего лишь изменив состав ванны. Таким образом, инструмент может оставаться в ванне до тех пор, пока он не достигнет температуры ванны, и его не нужно извлекать до того, как он достигнет температуры своих поверхностей, что довольно часто имеет место в других процессах нагрева.

Благодаря электрической закалочной ванне, имеющей заданную температуру, меньше зависит от мастерства оператора и не нужно учитывать тот факт, что меньшие поперечные сечения нагреваются быстрее, чем большие.
При погружении холодного материала в нагревательную камеру температура последней должна упасть. На самом деле, в газовых печах и соляных ваннах она быстро падает, если только не прибегать к неопределенной процедуре увеличения подачи газа.

В электропечи, когда инструмент погружают в соль, уровень соляной ванны повышается, и ток выделяемого тепла автоматически увеличивается. Кроме того, когда необходимо погрузить большие твёрдые массы, регулятор может легко увеличить подачу тока, предотвращая тем самым падение температуры.

Конечно, меньшие поперечные сечения инструмента будут нагреваться быстрее, чем большие, в электрической печи, а также в других нагревательных печах, но деликатные детали не будут перегреваться, потому что они не могут выдерживать более высокую температуру, чем температура самой ванны. Ванна выравнивает все перепады температур и за очень короткое время равномерно нагревает всю массу. Это объясняет очень небольшую потерю от перегрева в электропечных установках по сравнению с другими.

Вытяжка имеет дополнительное преимущество

Пока инструмент находится в ванне, воздух, конечно, не соприкасается с ним, но тонкий слой соли еще больше защищает его на пути из ванны в охлаждающий резервуар и отпадает первым, когда предмет помещается в охлаждающую жидкость. Это является большим преимуществом по сравнению со всеми типами печей с открытым огнем или муфельными печами, но является общим для всех печей банного типа.

Кроме того, соли металлов обладают тем преимуществом, что они не выделяют ядовитых газов, и, в отличие от свинца, их можно получить сравнительно чистыми по разумной цене. Солевое покрытие также полностью разрушается в охлаждающей жидкости, в то время как при нагревании инструментов в свинце его мелкие частицы иногда прилипают к стали, оставляя мягкие пятна на закаленной поверхности.

В период нагрева или при достижении определенной температуры расплавленные соли выделяют небольшое количество пара, и поэтому для печи предусмотрены вытяжка и дымоход, но во время нормальной работы практически не образуется паров. Вытяжка имеет дополнительное преимущество в том, что излучение от поверхности ванны можно использовать для предварительного нагрева закаляемых изделий. Решетка может быть закреплена в корпусе, в который помещаются изделия, перед погружением в ванну.

Электрическая закалочная печь

/zakalochnaya-pech/

При разработке конструкции электрической закалочной печи необходимо учитывать очень много факторов. Практические требования, которым должна соответствовать идеальная закалочная печь, могут быть обобщены в общих чертах следующим образом:

1. Печь должна позволять получать все температуры закалки, требуемые в промышленной практике, в диапазоне от 1400 до 2450 градусов по Фаренгейту.
2. Сталь должна быть легко и быстро нагрета до требуемой температуры.
3. Температуру стали должно быть легко определить, и должна быть возможность хорошо контролировать ее в пределах, скажем, 50 градусов по Фаренгейту выше или ниже требуемой точной температуры.
4. Сталь должна быть равномерно нагрета по всей поверхности, несмотря на различные поперечные сечения объекта, таким образом предотвращая перегрев и выгорание кромок и точек.
5. В процессе нагрева посторонние вещества не должны соприкасаться со сталью, чтобы изменить содержание углерода в ней или повлиять на нее в других отношениях.
6. Должна быть возможность разместить охлаждающий резервуар близко к меху, чтобы свести к минимуму потери тепла во время переноса и избежать окисляющего воздействия воздуха.
7. Печь не должна выделять неприятные или ядовитые пары свинца, калия, цианида и т.д.
8. Общие эксплуатационные расходы, связанные с процессом упрочнения, должны быть низкими.

Далее будет описана электрическая закалочная печь, которая в значительной степени отвечает всем требованиям, и будет дан общий обзор преимуществ электрической закалки.

 

Описание закалочной печи

Ванна с солями металлов содержится в тигле из огнеупорной глины. Разрез передается в ванну двумя электродами, изготовленными из шведского слиткового железа, которое характеризуется особенно низким содержанием углерода и, следовательно, имеет температуру плавления от 2700 до 2900 градусов по Фаренгейту. Электроды заканчиваются железными выводами, которые, в свою очередь, соединены с медными проводниками. Тигель окружен асбестовой облицовкой, приемником из огнеупорной глины и слоем изоляционного материала, все это заключено в чугунный корпус.

Такая конструкция значительно снижает потери на излучение, и после десяти часов работы печи при температуре около 2450 градусов по Фаренгейту, а чугунный корпус имеет температуру всего от 85 до 105 градусов по Фаренгейту. Над ванной установлен колпак из листового железа, оснащенный дымоходом и заслонкой. Эти печи изготавливаются в нескольких различных размерах. 

Наилучший состав ванны зависит главным образом от температуры, необходимой для отверждения. Проводимость солей при нормальной температуре очень мала, в то время как при высоких температурах (в расплавленном состоянии) они оказывают электрическому току сравнительно низкое сопротивление. Когда смесь достаточно горячая, ванна, образует электрический проводник, и каждая часть ванны выделяет свое собственное тепло. Эта особенность отличает этот класс электрических меховых шнурков от других типов.

Нагрев закалочной печи

Нагрев солей до того, как они станут высокопроводящими, осуществляется с помощью вспомогательного электрода и куска углерода дуговой лампы. Углерод сначала прижимается к одному из основных электродов и вскоре достигает белого свечения, сразу же расплавляя соли вокруг него. Вспомогательный электрод, который состоит из железной палки, вставленной в деревянную ручку, притягивается к другому основному электроду, а расплавленная соль тянется за ним до тех пор, пока между двумя основными электродами не будет установлен мост.

Ток, который теперь проходит через расплавленную соль, продолжает повышать температуру ванны до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое тепло. Нагреваемые изделия опускают в ванну, подвешивают на тонких железных проволоках или удерживают щипцами, и оставляют в ванне до тех пор, пока они не нагреются равномерно по всей поверхности.

Наиболее поразительной особенностью этой печи является возможность обеспечения равномерности температуры по всей ванне. 

Углеродистая сталь против быстрорежущей стали

/uglerodistaya-stal-protiv-bystrorezhushhej-stali/

Одна крупная фирма по станкостроению и изготовлению инструментов провела обширные исследования в направлении определения надлежащих методов упрочнения обычной углеродистой стали для получения наилучших результатов, и несколько авторов по механическим дисциплинам, которые исследовали эту тему, сходятся во мнении, что углеродистая сталь, подвергнутая надлежащей термической обработке, может дать лучшие результаты, чем обычно ожидается. Один из авторов статьи «Машинное оборудование» пишет следующее:

В наши дни в моде быстрорежущая сталь. Этот факт в сочетании с высокой степенью мастерства, необходимой для получения наилучших результатов из углеродистой стали, привел к тому, что этой сталью пренебрегли. Однако для некоторых видов работ углеродистая сталь превосходит любую быстрорежущую сталь, представленную на рынке, если она правильно обработана и проходит надлежащую термическую обработку.

Углеродистая сталь может быть в одной из двух форм:

  1. Отожженная сталь содержит углерод в нетвердеющей или цементированной форме.
  2. Закаленная сталь содержит углерод в закаленной или мартенситной форме.

То, что это две разные формы, можно увидеть, взяв небольшой кусочек отожженной стали и небольшой кусочек закаленной стали и растворив каждый в соляной кислоте. Отожженная сталь растворится, оставив черный осадок, в то время как закаленная деталь растворится, не оставив следов. Это показывает, что в одном случае часть углерода находится в свободной или графитовой форме и не растворяется в кислоте, в то время как в другом случае углерод находится в комбинированной форме и весь растворяется.

Два метода упрочнения углеродистой стали

Существует два метода упрочнения, которые зависят от того факта, что сталь теряет свои магнитные свойства при достижении точки упрочнения. Кусок стали, нагретый до тускло-красного цвета и помещенный в плоскость магнитной стрелки, притянет её. Если нагревать до тех пор, пока температура не превысит точку затвердевания, притяжения не будет, и присутствие стали не повлияет на иглу. Вместо магнитной стрелки можно использовать обычный магнит.

Стержневой магнит, подвешенный на шарнире в центре и снабженный ручкой, можно использовать для определения. Он может быть введен в печь для испытания стали в процессе нагрева и является более удобным, чем любой из других методов. Нет необходимости проверять каждый кусок стали, но тест следует проводить всякий раз, когда человек берёт другую марку стали или когда меняется освещение. Интенсивность света сильно влияет на цвет куска железа или стали при данной температуре.

Общие правила закаливания

Если бы сталелитейщики во всех случаях при закалке стали соблюдать общие правила закаливания, они добились бы лучших результатов. Закаляйте углеродистую сталь при минимально возможной температуре и всегда при повышении температуры.

Последняя часть этого правила — которую чаще всего упускают из виду. Сталь может быть выкована при более высокой температуре, чем температура закалки, но во всех случаях она должна быть обработана перед нагревом для закалки. Зерно стальной коры реагирует на самую высокую температуру, которую она получила с того момента, как была чёрной. Если кусок стали выкован при температуре 1600 градусов по Фаренгейту и охлажден до 1400 градусов по Фаренгейту, чтобы затвердеть, он будет иметь зернистость, соответствующую 1600 градусам.

Твёрдость стали

/tvyordost-stali/


В заключение можно сказать, что эти эксперименты показывают, что сталь такого качества, обработанная в этих экспериментах, может быть закалена в диапазоне температур около 215 градусов по Фаренгейту. Нижний предел этого диапазона очень чётко определен, но самую высокую допустимую температуру трудно определить, и что касается внешнего вида трещины, то существует мало свидетельств неправильного упрочнения до тех пор, пока температура надлежащей точки упрочнения не превысит 270 градусов по Фаренгейту.

Фактически, допустимый диапазон изменения твёрдости настолько широк, что, когда твёрдость стали определяется только внешним видом трещины, любой мастер средней квалификации может легко уложиться в эти пределы и судить о температуре только на глаз, и фактически это делается постоянно при производстве таких изделий, как карманные ножи, небольшие напильники и т. д., которые закаляются тысячами практически без отходов. Но, конечно, не следует понимать, что изделия, закаленные таким образом, достигают чего-либо подобного своей максимальной эффективности, поскольку даже небольшие изменения в термической обработке, предшествующей закалке, оказывают заметное влияние на состояние стали, и даже предыдущая обработка, такая как отжиг, которому подвергалась сталь, может повлиять на конечный результат.

Таким образом, получение наилучших результатов в твёрдости стали требует высокой степени точности, которая никогда не может быть получена только с помощью зрения и также важно отметить, что

разница между хорошей закалкой, и лучшей закалкой очень велика.

В качестве примера можно привести закалку бритв. Иногда говорят, что какую бы цену ни заплатили за бритву, покупка — это азартная игра. Иногда можно услышать о замечательной бритве, которая держит свое лезвие как по волшебству, в то время как другие той же марки и типа могут быть и близко не такими хорошими. Все они, однако, выглядели бы на глаз практически одинаково и по-видимому, с ними обращались одинаково. Эксперименты, упомянутые выше, указывают на то, что возможно, имела место небольшая разница в температуре закалки и, соответственно, в подводном состоянии стали, а также то, что можно было бы закалять каждую бритву в целом, чтобы каждая из них была действительно дубликатом лучшей. То же самое относится и к большому количеству других инструментов.

Другие эксперименты

/drugie-eksperimenty/

Другие эксперименты показали, что сталь с низким содержанием вольфрама, нагретая до 1530 градусов по Фаренгейту в течение 15 минут и закалённая в масле, имеет более высокий предел упругости и твёрже, чем углеродистая сталь, обработанная аналогичным образом. Что касается отжига, было обнаружено, что стержни, отожжённые при температуре 1470 градусов по Фаренгейту или ниже, стали немного короче в процессе отжига, и это действие было более выраженным в случае углеродистой стали, чем вольфрамовой стали. Отжиг при температуре 1650 градусов по Фаренгейту приводит к удлинению низкоуглеродистой стали.

Было обнаружено, что восстановление стали с низким содержанием вольфрама происходит постепенно при температуре 1348 градусов по Фаренгейту и более легко при 1337 градусах по Фаренгейту, кроме того, повторное восстановление при любой из вышеуказанных температур очень сильно замедляется, если сталь охлаждается от максимальной температуры 1634 градусов по Фаренгейту.

Что касается упрочняющих трещин, показано, что для низкоуглеродистой стали такая обработка, при которой достигается наивысший предел упругости, сопровождающийся наибольшей твёрдостью, часто является наиболее рискованной. Риск образования затвердевающих трещин снижается, если сталь нагревается в течение достаточного времени до температуры 1650 градусов по Фаренгейту или немного выше.

Сталь с низким содержанием вольфрама более подвержена растрескиванию при закалке, чем углеродистая сталь.

 

 

Влияние на прочность при растяжении

Другие эксперименты и выводы относятся к стали с низким содержанием вольфрама, но нет оснований сомневаться в том, что они применимы и к углеродистой стали. Изменение температуры затвердевания всего на 9 градусов по Фаренгейту, при этом максимумы соответственно выше и ниже надлежащей температуры затвердевания или точки декалесценции, оказывают огромное влияние на растяжение под нагрузкой, но максимальная прочность обработанных таким образом стержней не сильно отличалась.

Очень хороший брус был получен закалкой при температуре, полностью превышающей температуру закалки на 108 градусов. Нагрев продолжительностью всего 5 минут давал более твёрдый стержень, чем нагрев в течение 25 минут. Максимальная температура в обоих случаях составляла 1470 градусов по Фаренгейту или немного выше; но стержень, нагретый в течение более короткого времени, давал гораздо более низкий предел упругости.

Сама по себе максимальная прочность не обязательно указывает на состояние рассматриваемой стали или на обработку, которой она подвергалась; при этом твёрдость сама по себе не обязательно указывает на состояние стали или обработку.

Следующие выводы относятся как к вольфрамовым, так и к углеродистым сталям. Закалка до температуры 570 градусов по Фаренгейту постепенно увеличивает максимальную прочность и предел упругости, хотя возникают некоторые неровности, которые не были полностью учтены. Закалка до этой температуры уменьшает при заданном напряжении растяжение под нагрузкой и постоянное растяжение.

Нагрев металла в двух печах

/nagrev-v-dvuh-pechah/

Интересная часть экспериментов связана с использованием двух нагревов печи для закалки, нагревом стали сначала в одной печи до определённой температуры в течение заданного времени, а затем немедленно, без охлаждения, выдерживанием во второй печи при известной температуре и в течение определенного времени.

Эти эксперименты показывают, что прутки из низкоуглеродистой и углеродистой стали, нагретые в течение получаса до температур от 1545 до 1650 градусов по Фаренгейту, не сильно влияют на их предел упругости и максимальную прочность при дальнейшем немедленном выдерживании в течение получаса при 1400 градусах по Фаренгейту. Если однако, температура в первой печи составляет 1725 градусов по Фаренгейту, сталь с низким содержанием вольфрама значительно улучшается при дальнейшей выдержке при 1400 градусах по Фаренгейту, но углеродистая сталь сильно повреждается при той же обработке.

Бруски из стали с низким содержанием вольфрама, нагретые в течение 30 минут при 1616 градусах по Фаренгейту, а затем выдержанные при 1332 градусах по Фаренгейту еще в течение 30 минут, обеспечивают высокий предел упругости и максимальную прочность и являются более твёрдыми, чем при втором выдерживании при температуре 1400 градусов по Фаренгейту.

Нагрев в двух печах показывает, что углеродистая сталь, опять же, практически не подвержена этим изменениям во второй печи. Однако на изменение длины закалки низкоуглеродистой стали в значительной степени влияют вышеуказанные изменения температуры второй печи. Хорошие результаты в отношении предела упругости и максимальной прочности, а также в отношении твёрдости получаются при очень коротком выдерживании, сначала при высокой температуре, скажем, 1615 градусов по Фаренгейту, а затем при низкой, причем наилучшие результаты достигаются, когда вторая температура близка к точке отверждения или немного ниже.

Если печь находится при достаточно высокой температуре, то либо за счёт изменения температур двух печей, либо за счёт изменения времени выдержки достичь обработки стали, как с низким содержанием вольфрама, так и углерода, при которой они не удлиняются и не укорачиваются. При такой же обработке углеродистая сталь имеет большую тенденцию к укорачиванию, чем сталь с низким содержанием вольфрама.

Предварительный отжиг

/predvaritelnyj-otzhig/

Предварительный отжиг значительно влияет на твёрдость стали. Предел упругости стержней с низким содержанием вольфрама, закалённых при температуре 1400 или 1580 градусов по Фаренгейту, варьируется в зависимости от отжига, которому они подверглись. Предел упругости высок после отжига при температуре около 1470 градусов по Фаренгейту в течение 30 минут или 1290 градусов в течение 120 минут. Он серьёзно ухудшается при отжиге при температуре 1470 градусов по Фаренгейту в течение 120 минут. Если сталь с низким содержанием вольфрама отжигается при температуре 1725 градусов по Фаренгейту и закалённый при 1400 градусах, то предел упругости ниже, и неблагоприятный эффект предыдущего отжига гораздо более выражен, если закалка производится при 1580 градусах по Фаренгейту.

Предел упругости углеродистой стали, отожжённой при любой температуре от 1290 до 1725 градусов по Фаренгейту и закаленной при 1400 или 1580 градусах по Фаренгейту, не изменяется почти на такие большие величины, как предел упругости стержней с низким содержанием вольфрама, и самая высокая температура отжига, указанная выше, не вредна в том, что касается предела упругости.

Твердость стержней с низким содержанием вольфрама, закаленных при 1400 градусах по Фаренгейту, уменьшается с высокого стереоскопического показателя до низкого по мере увеличения температуры отжига с 1290 до 1725 градусов по Фаренгейту. Твердость повышается за счет продления отжига при более низкой температуре. Твёрдость стали с низким содержанием вольфрама, закалённой при 1580 градусах по Фаренгейту, довольно постоянна при умеренно высоком показателе стереоскопа, независимо от температуры отжига.

 

Эффект закалки


Эксперименты по отпуску показали, что отпуск углеродистой стали до 300 градусов по Фаренгейту в течение 30 минут дал незначительный эффект. Однако закалка той же стали до 480 градусов по Фаренгейту в течение 15 минут привела к ее значительному размягчению и сокращению длины. Для стали с низким содержанием вольфрама предел упругости был значительно увеличен путём отпуска до температуры 480 градусов по Фаренгейту.

Максимальная прочность той же стали совпадает с пределом упругости для прутков, не подвергнутых закалке или закалённых при температуре 300 градусов по Фаренгейту в течение 15 минут, но затем она быстро повышается при дальнейшем отпуске.

Твёрдость, измеренная склероскопом, была значительно снижена при отпуске при 300 градусах по Фаренгейту и еще больше при 390 градусах по Фаренгейту, но не так сильно пострадала от дальнейшего отпуска при 480 градусах по Фаренгейту. Длина стержней с низким содержанием вольфрама была уменьшена путем закалки до температуры 480 градусов по Фаренгейту; чем выше температура, тем больше было уменьшение длины.

Температура отверждения

/temperatura-otverzhdeniya/

 

Температура отверждения низкоуглеродистой стали может быть определена с большой точностью, и полный переход от мягкого к твердому осуществляется в диапазоне около 10 градусов по Фаренгейту или меньше. После повышения температуры более чем с 35 до 55 градусов по Фаренгейту выше точки закалки твёрдость стали снижается за счет дальнейшего повышения температуры, при условии, что нагрев достаточно продолжителен для того, чтобы сталь полностью приобрела состояние относящийся к температуре отверждения. Существует “точка изменения” примерно на 1615 градусах по Фаренгейту, в стали с низким содержанием вольфрама и при несколько более высокой температуре в углеродистой стали. Одним из нескольких признаков этой точки изменения является укорочение стержней, закаленных в воде при температурах ниже этой точки, тогда как стержень удлиняется, если эта температура превышена во время закалки.

Практически те же результаты получаются при нагревании стержней с низким содержанием вольфрама до любой температуры от 1400 до 1725 градусов по Фаренгейту и закалке в масле, что и при закалке в воде.

Продолжительность нагрева

Что касается эффекта нагрева до различных температур в течение различных промежутков времени перед закалкой для отверждения, то делаются следующие выводы:

  • Длительного выдерживания до 120 минут при температурах, при которых изменение твердения наполовину достигается за 30 минут, недостаточно для завершения изменения.
  • Длительное выдерживание для закалки при температуре 1400 градусов по Фаренгейту оказывает незначительное вредное воздействие на сталь, но существенно не влияет на твердость.
  • При температуре около 1490 градусов по Фаренгейту высокая степень твёрдости достигается при быстром нагревании, но твёрдость снижается при 30-минутном выдерживании.
  • Длительное выдерживание для закалки при температуре около 1615 градусов по Фаренгейту оказывает серьезное вредное воздействие на сталь.


Особенно высокая степень твёрдости может быть получена путём выдерживания при высокой температуре, такой как 1615, в течение очень короткого времени, но даже такого длительного времени, как 7 минут, достаточно, чтобы серьёзно ухудшить твердость.

Температура рассола для закалки имеет значительное значение. Прутки из низкоуглеродистой стали, закалённые при 41 градусе по Фаренгейту, были значительно твёрже, чем прутки, закалённые при 75 градусах, а закалка при 124 градусах по Фаренгейту сделала прутки намного мягче.

Закалка стали

/zakalka-stali/

Закалка стали всегда считалась операцией, для которой нельзя было установить определенных правил, но в которой почти исключительно приходилось полагаться на опыт и суждения мастера. Практически единственные определенные правила, которые были установлены, заключаются в том, что сталь должна закаляться при, как можно более низкой температуре, и что для каждого вида стали существует определенная температура, выше которой она должна нагреваться до полного отверждения.

Помимо этой скудной информации, для руководства людьми, выполняющими эту работу, было предоставлено только несколько общих указаний, включая указания по охлаждению, чтобы свести к минимуму риск образования трещин; но определенной информации о процессе отверждения крайне не хватает, и многие сочли невозможным сформулировать правила для этой операции, даже в результате тщательных экспериментов.

Эксперименты по закалке стали

По этой причине эксперименты, проведенные мистером Шипли Н. из Манчестера Англия, результаты которых были представлены в документе, прочитанном перед инженерами-механиками на собрании 15 апреля 1910 года, и которые подробно описаны. Они представляют большой интерес для всех, кто занимается механической работой. Эти эксперименты, по-видимому, были проведены с необычайной тщательностью, и два момента, выявленные в его исследованиях, заслуживают особого упоминания.

  1. Один из них относится к укорочению или удлинению стали при закалке. Часто заявлялось, что сталь ненадежна и неоднородна в этом отношении, и что один и тот же вид стали иногда укорачивается при закалке, а иногда удлиняется. Это явление было объяснено дефектами или по крайней мере, особыми условиями в стали, над которыми отвердитель не имеет никакого контроля. Его эксперименты показывают, что укорочение и удлинение стали при закалке подчиняются единому закону и что сталь, закаленная ниже заданной температуры, которую он называет “точкой изменения”, будет укорачиваться при закалке; тогда как та же сталь, если ее нагреть выше этой точки изменения перед закалкой, будет удлиняться. Он также показывает, что нагревая сталь в двух печах, сначала доводя ее до определенной температуры в одной, а затем выдерживая в течение определенного времени при определенной температуре в другой, можно закалить сталь так, чтобы она не удлинялась и не укорачивалась при закалке. Это, без сомнения, первая опубликованная определенная информация об изменении длины стали при закалке, неопределенность которой вызвала значительные трудности при изготовлении точных метчиков, штампов и т.д.
  2. Еще один интересный момент, выявленный в экспериментах мистера Шипли, связан с правильной температурой отверждения. Хотя сталь можно закалять в диапазоне температур около 200 градусов и получать то, что обычному наблюдателю может показаться хорошими результатами, наилучшие результаты всегда получаются в очень узком диапазоне температур, близко приближающемся к точке декалесценции, или температуре, при которой сталь переходит в состояние, когда ее можно закалять закалкой. Интересно отметить, что этот результат согласуется со старой теорией о том, что сталь должна закаляться при как можно более низкой температуре. В ряде случаев обнаруживается, что некоторые инструменты служат исключительно хорошо, в то время как другие инструменты из той же партии демонстрируют лишь обычную долговечность, хотя в зернистости закаленной стали нельзя обнаружить никакой разницы. Такие различия теперь можно объяснить небольшими различиями в температуре, при которой закалялись различные инструменты.

Результаты эксперимента по закалке стали

Эти эксперименты открывают совершенно новую область для исследований и новые возможности в области упрочнения инструментальной стали (закалка стали). Они указывают, что в тех случаях, когда важно предотвратить растрескивание инструментов при закалке и деформацию инструментов из-за внутренних напряжений, их следует закалять при температуре выше той, которая дает наилучшие результаты только в отношении твердости. Таким образом, мы обнаруживаем, что некоторые из желательных качеств закаленного инструмента являются антагонистическими; то есть мы вряд ли получим инструмент, обладающий чрезвычайной твердостью и пределом упругости и который в то же время вряд ли треснет или потеряет свою форму.

В этих условиях одно из необходимых качеств должно быть частично принесено в жертву другому и инструмент должен быть закален таким образом, чтобы получить хорошие общие результаты, а не лучшие конкретные.
Влияние предыдущего отжига на упрочнение также представляет интерес; и многие моменты, изложенные в аннотации оригинальной статьи, заслуживают рассмотрения.

Теория критических точек

/teoriya-kriticheskih-tochek/


Наличие критических точек при нагреве и охлаждении куска стали — явление не стандартное. Наиболее разумное объяснение заключается в следующем:

При нагревании сталь равномерно поглощает тепло. Вплоть до точки разложения вся энергия этого тепла расходуется на повышение температуры изделия. В этот момент тепло, поглощаемое сталью, расходуется не на повышение температуры детали, а на работу, которая вызывает внутренние изменения, происходящие здесь между углеродом и железом. Следовательно, когда добавляемое тепло используется таким образом, температура изделия, не имея ничего, что могло бы её повысить, остаётся постоянной или благодаря поверхностному излучению, может даже немного упасть. После завершения изменения добавленное тепло снова расходуется на повышение температуры детали, которая пропорционально увеличивается.

Когда изделие нагрели выше точки декалесценции и дали ему медленно остыть, процесс идёт в обратном направлении. Затем от изделия исходит тепло. До тех пор, пока не будет достигнута точка восстановления, температура равномерно падает. Здесь внутреннее соотношение углерода и железа преобразуется в исходное состояние, а ранее поглощенная энергия преобразуется в тепло. Это тепло, высвобождаемое в стали, на данный момент обеспечивает эквивалент тепла, излучаемого поверхностью, а температура детали перестает падать и остается постоянной. Если тепло, возникающее в результате внутренних изменений, будет больше, чем тепло от поверхностного излучения, результирующая температура изделия не только перестанет падать, но, очевидно, немного повысится в этот момент. В любом случае это условие существует лишь на мгновение, но когда компоненты углерода и железа восстанавливают свое первоначальное соотношение, внутренний нагрев прекращается, и температура изделия неуклонно падает из-за поверхностного излучения.

Устройство для определения критических точек


Во-первых, существует определенная температура, при которой должна быть закалена любая углеродистая сталь, во-вторых, что происходят большие потери как рабочей силы, так и материала, если закалка не проводится при нужной температуре. Представленная таким образом реальная задача цеха состоит в том, чтобы легко и точно определить правильную температуру закалки для любой углеродистой стали, которая может быть использована. Это можно сделать с помощью различных типов пирометров. Это устройство состоит из небольшой электрической печи, в которой нагревается образец испытуемой стали, и специального пирометра с термопарой для индикации температуры этого образца во всём диапазоне его нагрева. Сам образец должен иметь правильную форму для крепления к термопаре.

Закалка

/zakalka/

Закалка заключается в погружении нагретой стали в ванну и быстром ее охлаждении. Благодаря этой операции структурное изменение, по-видимому, оказывается “пойманным в ловушку” и закреплённым навсегда. Если бы можно было сделать это охлаждение мгновенным и равномерным по всему изделию, оно было бы идеально и симметрично закалено. Это условие, однако, не может быть реализовано, так как на скорость охлаждения влияют как размер, так и форма обрабатываемой детали; чем массивнее деталь, тем больше количество тепла, которое должно быть передано на поверхность. Охлаждающая ванна; чем меньше более открытая поверхность по сравнению с основной массой, тем больше времени потребуется для охлаждения.

Помня, что охлаждение должно быть выполнено как можно быстрее, ванна должна быть достаточно большой, чтобы быстро и равномерно рассеивать тепло. Слишком маленькая ванна приведёт к большим потерям из-за возникающего в результате неравномерного и медленного охлаждения. Чтобы обеспечить равномерную закалку изделий, температуру ванны следует поддерживать постоянной, чтобы на последующие изделия, погруженные в нее, действовала одна и та же температура гашения. Проточная вода является удовлетворительным средством создания этого состояния.

Закалка в солённом рассоле

Состав закалочной ванны может варьироваться в зависимости от используемых целей, воды, масла или рассола. Большая твердость получается при закалке при той же температуре в соленом рассоле и меньше в масле, чем при закалке в воде. Это связано с различием в рассеивающей тепло способности, которой обладают эти вещества. Закалка тонких и сложных кусков в соленом рассоле небезопасна, так как существует опасность растрескивания куска из-за чрезвычайной внезапности образующегося таким образом процесса гашения.

В реальных цеховых условиях закаляемая сталь, как правило, бывает различных размеров, форм и составов. Для обеспечения равномерности как нагрева, так и охлаждения, а также правильной предельной температуры необходимо учитывать особенности каждого изделия в соответствии с изложенными выше пунктами. Другими словами, отверждение всех деталей способом, наилучшим образом адаптированным только к одной детали, приведет к ухудшению качества и возможной потере всех деталей, кроме этой. Каждая отдельная деталь должна обрабатываться индивидуально таким образом, чтобы добиться наилучших результатов.

Критические температуры

/kriticheskie-temperatury/
Температуры, при которых происходят внутренние изменения в структуре стали, часто называют “критическими точками”. Они различны в сталях с различным содержанием углерода. Чем выше процентное содержание присутствующего углерода, тем ниже температура, необходимая для внутреннего изменения. Другими словами, критические точки высокоуглеродистой стали ниже, чем у низкоуглеродистой стали. В сталях с обычно используемым содержанием углерода существуют две из этих критических температур, называемых точкой декалесценции и точкой восстановления, соответственно.


Декалесценция и её связь с затвердеванием


Все, кто интересуется упрочнением стали, наверняка заметили, что в статьях, время от времени появляющихся в технической прессе, все чаще упоминаются точки распада и повторного распада стали. Только в последние несколько лет эта особенность стали вышла на первый план, и всё еще очень много тех, кто не обладает даже элементарными знаниями в этой области. Несколько неясные ссылки, которые обычно можно увидеть в трактатах по закаливанию, не очень помогут человеку в закалочном цехе лучше понять этот вопрос, и поэтому многие будут рады элементарному объяснению этого явления.

Можно процитировать, что, с точки зрения истории, закалка проводилась с большим или меньшим успехом, со времён знаменитых дамасских мечей до сравнительно недавнего времени, и никто не обнаружил, что сталь обладает такой особенностью, как декалесценция, но тем не менее, её связь с закалкой существовала всегда, и ее открытие проложило путь для большого научного исследования предмета, который ранее контролировался эмпирическим правилом.

Декалесценция и рекалесценция или критические точки


“Декалесценция” и “рекалесценция” или “критические точки” (также иногда обозначаемые Ac. 1 и Ar. 1), которые имеют отношение к упрочнению стали, представляют собой просто изменения, происходящие в химическом составе стали при определённых температурах как при нагреве, так и при охлаждении. Сталь при нормальных температурах содержит углерод, который является ее основным упрочняющим компонентом, в определенной форме — точнее, перлитный углерод — и при нагревании до определенной температуры происходит изменение, и перлитный углерод становится цементитом или упрочняющим углеродом. Аналогично, если дать ему медленно остыть, твердеющий углерод снова превратится в перлит.

Точками, в которых происходят эти эволюции, являются декалесценция и рекалесценция или критические точки, и эффект этих молекулярных изменений заключается в том, чтобы вызвать повышенное поглощение тепла при повышении температуры и выделение тепла при понижении температуры.

Иными словами, во время нагрева куска стали происходит остановка, и он продолжает поглощать тепло без заметного повышения температуры в точке декалесценции, хотя его внутреннее окружение может быть горячее, чем сталь.
Аналогично, сталь медленно остывает, не так ли, при определенной температуре на самом деле температура точек восстановления увеличивается, хотя окружающая среда может быть холоднее. Это происходит в точке восстановления.

Связь этих критических точек с упрочнением заключается в том факте, что до тех пор, пока не будет достигнута температура, достаточная для осуществления первого действия, так что углерод из перлита будет заменен на упрочняющий углерод, и если он не будет охлажден с достаточной скоростью, чтобы практически исключить второе действие, упрочнение не может произойти. Скорость охлаждения зависит от материала, и переменный ток учитывает тот факт, что большие изделия требуют закалки при более высоких температурах, чем маленькие.

 

Температуры при которых происходит декалесценция

Очень важной особенностью является то, что сталь, содержащая упрочняющий углерод, т. е. сталь выше температуры декалесценции, является немагнитной. Любой желающий может продемонстрировать это сам, нагрев кусок стали до ярко-красного цвета и протестировав его с помощью обычного магнита. Пока он ярко-красный, будет обнаружено, что он не притягивает магнит, но примерно при вишнево-красном цвете он восстанавливает свои магнитные свойства. Эта функция была использована в качестве средства определения правильной температуры отверждения, и на рынке имеются приборы для ее применения. Его использование, безусловно, рекомендуется там, где нет установки пирометров; единственный момент, требующий оценки, — это время, в течение которого изделие должно оставаться в печи после того, как оно стало немагнитным. Это зависит от веса и охлаждающей поверхности, но может быть сведено в таблицу в зависимости от веса.

Трудно указать достоверные температуры, при которых происходит декалесценция. Температуры варьируются в зависимости от количества углерода, содержащегося в стали, и для высокоскоростной стали они намного выше, чем для обычной тигельной стали.

Для получения кривых декалесценции обычно используются специальные электрические печи, но с осторожностью это можно сделать в обычной газовой печи с подходящим пирометром. Все, что необходимо,  это просверлить глухое отверстие в куске обрабатываемой стали, чтобы сформировать карман для размещения конца пирометра. Он должен быть достаточной длины, чтобы охватывать катушку сопротивления на конце пирометра. Затем образец следует поместить в печь с включенным пирометром, подать газ, и, если печи дать возможность очень медленно нагреваться до температуры, скажем, 1380 градусов по Фаренгейту (750 градусов по Цельсию), будет получена кривая декалесценции, если пирометр является регистрирующим.

Точно так же, если дать печи медленно остыть, то будет видно, что в точке повторного нагревания образец выделяет тепло и даже некоторое время повышается в температуре. Эксперименты такого рода вряд ли осуществимы для среднего цеха закалки, но когда требуется найти самую низкую температуру закалки для куска стали, магнит может быть использован с пользой.

 

Подведём итог


Подводя итог, можно сказать, что точка декалесценции любой стали указывает правильную температуру закалки этой конкретной стали. Это происходит при повышении температуры стали. Изделие готово к удалению из источника тепла непосредственно после того, как оно равномерно нагреется до этой температуры, поскольку после этого структурные изменения, необходимые для получения твердости, будут завершены.

Нагрев изделия немного сильнее может быть невозможен по одной или обеим из двух следующих причин.

  • Во-первых, в случае, если деталь нагревалась слишком быстро, то есть неравномерно, эта избыточная температура обеспечит полное структурное изменение по всей детали.
  • Во-вторых, таким образом, можно допустить любую незначительную потерю тепла, которая может иметь место при переносе изделия из печи в закалочную ванну, оставляя изделие при надлежащей температуре при закалке.

Если куску стали, нагретому выше точки декалесценции, дать медленно остыть, он претерпит структурные изменения, обратные тем, которые происходят при повышении температуры. Точка, в которой это происходит, является точкой восстановления и ниже критической температуры повышения примерно на 85-25 градусов. Расположение этих точек становится очевидным благодаря тому факту, что при прохождении через них температура стали остается постоянной в течение значительного промежутка времени.

Хорошо бы заметить, что низшая из этих точек не проявляется до тех пор, пока высшая не будет полностью пройдена. Поскольку эти критические точки различны для разных сталей, они не могут быть определенно известны для какой-либо конкретной стали без фактического определения. В то время как нагрев куска стали до соответствующей температуры закалки приводит к изменению его структуры, что делает возможным увеличение его твердости, это условие является только временным, если деталь не закалена.

Процесс отверждения

/proczess-otverzhdeniya/

Упрочнение углеродистой стали является результатом изменения внутренней структуры, которое происходит в стали при правильном нагреве до нужной температуры. В различных углеродистых сталях это изменение для практических целей эффективно только в тех, в которых доля углерода составляет от 0,2% до 2,0%, то есть между «двадцатью точками” и “двумя” углеродистыми сталями соответственно.

При нагревании обычные углеродистые стали начинают размягчаться примерно при 390 градусах по Фаренгейту и продолжают размягчаться в диапазоне 310 градусов по Фаренгейту. При температуре 700 градусов по Фаренгейту практически вся твердость исчезает.

Красная твердость стали

“Красная твердость” стали — это свойство, которое позволяет ей оставаться твёрдой при нагреве докрасна. В быстрорежущей стали это свойство имеет первостепенное значение, так как 1020 градусов по Фаренгейту являются минимальной температурой, при которой может начаться размягчение. Это примерно на 630 градусов по Фаренгейту выше точки, при которой начинается размягчение обычных углеродистых сталей.

Процесс отверждения стали лучше всего проводить в закрытой печи. Из многих источников энергии, способных производить требуемое тепло, электричество обладает наиболее привлекательными преимуществами. Печь электрического сопротивления, в настоящее время выпускаемая в различных типоразмерах с муфельными или трубчатыми камерами, имеет одно фундаментальное преимущество перед всеми печами, работающими на угле, коксе, газе или масле. Он полностью свободен от всех продуктов сгорания, а тепло вырабатывается за счет электрического сопротивления. Это очень важно. Это устраняет главную причину окисления нагретой стали. Кроме того, температуру электрических печей можно легко и точно регулировать и поддерживать равномерной в любой желаемой точке. Когда электроэнергия вырабатывается для других целей, возросшая стоимость этого вида энергии для работы печей недостаточна, чтобы возражать против этого. Превосходное качество работ, выполняемых такого рода печами, часто с лихвой компенсирует несколько более высокую стоимость эксплуатации.

При фактическом нагреве куска стали для хорошей закалки необходимо выполнить несколько требований:

  • во-первых, чтобы небольшие выступы или режущие кромки не нагревались быстрее, чем корпус детали, то есть чтобы все детали нагревались с одинаковой скоростью,
  • во-вторых, чтобы все детали нагревались до одинаковой температуры.

Этим условиям способствует медленный нагрев, особенно когда нагреваемая деталь большая. Равномерное нагревание при такой низкой температуре, которая обеспечивает требуемую твёрдость, позволяет получить наилучший продукт. Недостаточная равномерность нагрева приводит к неравномерной зернистости и внутренним деформациям и может даже привести к появлению поверхностных трещин. Любая температура выше “критической точки” стали имеет тенденцию раскрывать ее зернистость — делать ее грубой и уменьшать ее прочность, — хотя такой температуры может быть недостаточно для значительного снижения её твердости.

Эффект термической обработки

/effekt-termicheskoj-obrabotki/

Термическая обработка может быть применена к стали заданного состава, которая сама по себе,

  • во-первых, изменит форму или степень некоторых ее специфических свойств,
  • во-вторых, практически устранит одно или несколько из них,
  • в-третьих, добавит некоторые новые.

Физические свойства размера, формы и пластичности являются примерами первого случая; примером второго случая является нагрев стали выше температуры ее закалки, что лишает ее магнетизма, делая ее немагнитной; и примером третьего случая является тот факт, что в процессе закалки стали может быть придана большая степень твердости.

Регулировка содержания углерода — самый простой способ изменить механические свойства стали. Дополнительные изменения становятся возможными благодаря термообработке, например, за счет увеличения скорости охлаждения через точку перехода аустенита в феррит. Термическая обработка с закалкой и отпуском применяется при различных скоростях охлаждения, времени выдержки и температурах; они представляют собой очень важное средство контроля свойств стали.

В этой связи необходимо понимать, что, эффект термической обработки и твердость — понятие относительное, и вся сталь обладает некоторой твердостью.
Таким образом, рассматриваются три основные операции термической обработки: ковка, закалка и отпуск. Во всех этих случаях эффект термической обработки и его цель состоит в том, чтобы каким-то образом изменить существующие свойства стали; другими словами, создать в ней определенные постоянные условия.

Определяющим фактором при термической обработке

Определяющим фактором при любой термической обработке является температура. Независимо от того, является ли операция ковкой, закалкой или отпуском, для любой определенной стали и ее конкретного применения существует определенная температурная точка, которая сама по себе дает наилучшие результаты при ее обработке. Недостаточные температуры не дают желаемых результатов. Чрезмерные температуры, либо из-за незнания правильной точки, либо из-за неспособности определить, когда она существует, приводят к “сгоревшей” стали; это распространенный недостаток, приводящий к большим потерям. Очень незначительные отклонения от надлежащей температуры могут нанести непоправимый ущерб.

Только из-за изменения температуры углеродистая сталь может находиться в любом из трех состояний: во-первых, в незатвердевшем или отожженном состоянии, когда она не нагревается до температур выше 1350 градусов по Фаренгейту; во-вторых, в закаленном состоянии, при нагревании до температур от 1350 до 1500 градусов по Фаренгейту; в-третьих, в состоянии мягче, чем второе, хотя и тверже, чем первое, при нагревании до температур, превышающих 1500 градусов по Фаренгейту.

Упрочняющие углеродистые стали

/uprochnyayushhie-uglerodistye-stali/

Углеродистые стали и их первоначальное название «сталь» применялось к различным сочетаниям железа и углерода, при этом вместе с ними в качестве примесей присутствовали небольшие доли кремния и марганца. В настоящее время использование названия расширено, чтобы охватить комбинации железа с вольфрамом, ванадием, никелем, хромом, молибденом, титаном и некоторыми более редкими элементами. Эти последние комбинации довольно широко известны как легированные стали, чтобы отличать их от углеродистых сталей, в которых характерные свойства зависят только от присутствия углерода.

Легированные стали подразделяются на быстрорежущие и закаленные на воздухе стали. Специфические свойства, отличающие эти различные стали, частично обусловлены их соответствующими составами, то есть конкретными элементами, которые они содержат, и частично, их последующей обработкой в том числе термической.

 

Углеродистые стали и состав

В общем, любое изменение состава стали приводит к некоторому изменению её свойств. Например, добавление определенных металлических элементов в углеродистую сталь вызывает в легированной стали, полученной таким образом, изменение положения соответствующей температуры упрочнения. Вольфрам или марганец имеют тенденцию понижать эту точку, бор и ванадий — повышать ее; величина изменения практически пропорциональна количеству добавляемого элемента.

Точно так же, как небольшая доля углерода, добавленная в железо, дает сталь, свойства которой явно отличаются от свойств чистого железа, так и увеличение доли углерода в полученной таким образом стали в определенных пределах вызывает изменение степени проявления этих свойств.

Например, рассмотрим свойство прочности при растяжении. В “десятибалльной” углеродистой стали (той, в которой присутствует всего 0,1 процента углерода) прочность на разрыв почти на 25 процентов выше, чем у чистого железа. Добавление большего количества углерода приводит к увеличению прочности при растяжении примерно на 2,5 процента на каждые 0,01 процента добавленного углерода.

Углеродистые стали делятся на три класса в зависимости от доли углерода, который они содержат.

  • Первый из них охватывает “ненасыщенные» стали, в которых содержание углерода ниже 0,89 процента;
  • Второй — “насыщенные” стали, в которых доля углерода составляет ровно 0,89 процента;
  • Третий — “перенасыщенные” стали, в которых содержание углерода превышает 0,89 процента.
 

Упрочнение углеродистых сталей

Таким образом, упрочнение углеродистых сталей для обеспечения высочайшего качества и наибольшей экономии влечет за собой три вещи.

  1. Во-первых, чёткое представление о том, что представляет собой правильная температура, при которой закаляется сталь.
  2. Второй момент требует надежного средства точного определения этой температуры закалки для любой углеродистой стали.
  3. Третье соображение заключается в том, что правильная температура отверждения, как только она определена, фактически выполняется в процессе закалки.

Простой и эффективный способ сделать это — проверить температуру закалочной печи с помощью пирометра. Когда требуется выполнить большой объём работ, экономия требует постоянной установки пирометров. Удобство таких установок налицо. В каждой печи помещается термопара. Некоторые из них, от трех до шестнадцати, в зависимости от индивидуальных условий, подключаются проводами через селективный переключатель к одному счетчику. Поворотом переключателя температура любой печи может быть сразу считана со счётчика. Это позволяет мастеру в одной точке точно знать температуру всех используемых закалочных печей.

Пролистать наверх