Методы обработки металла давлением

                                                   Методы обработки металла давлением

етод обработки металлов давлением был изобретен несколько тысяч лет назад, когда люди впервые изготавливали орудия труда, проковывая на плоском камне куски самородной меди. Многое изменилось с тех пор: процессы ковки и штампования, прокатки и волочения непрерывно идут на огромных заводах под управлением электроники, лишь изредка требуя вмешательства человека.

При обработке давлением  холодного металла изменяются его механические и физико-химические свойства: он становится более прочным и плотным за счет появления наклёпа и деформации кристаллической решетки на микро и макро уровнях. Наклёп накапливает в металле часть энергии деформации, которая приводит к поверхностному упрочнению деталей. Полосчатость микроструктуры и свивание волокон макроструктуры создают явление анизотропии (зависимость физических свойств вещества от вектора приложенного воздействия). Этим объясняются удивительные свойства булатного клинка или традиционного японского меча. Прокованные много сотен раз при небольшом нагреве (ниже температуры рекристаллизации) волокна металла скручиваются в жгуты, переплетенные в разных направлениях. Такой меч сочетает в себе твердость и гибкость.  

Горячая обработка проходит при высокой температуре и сопровождается явлениями возврата и рекристаллизации. Наклеп в этих условиях не образуется, а физико-химические свойства металла почти не изменяются. Микроструктура металла остается прежней, но макроструктура слитков или заготовок становится полосчатой – это и создает анизотропию механических свойств: вдоль волокон металл демонстрирует лучшие качества, чем поперек. Кроме того, обработка давлением – самый экономичный способ работы с металлами, никаких потерь материала на стружку.

Прессование проводят при высокой температуре методом экструзии, что позволяет изготавливать изделия сложного поперечного сечения. Методом прошивки делают бесшовные трубы из литых цилиндрических заготовок и экструдированных прутков. Прошивка требует большой деформации металла, поэтому применяется только для стали и меди, а также некоторых пластичных сплавов. Волочением производятся проволока, прутки, трубы.   

Ковка и штампование

Ранние машины для  ковки двигались при помощи пара. Поначалу, в середине XIX века, пар  служил только для того, чтобы поднять  вверх тяжелый молот, а ковка  происходила силой падения груза. Сейчас наиболее распространены горизонтально-ковочные машины, они самые производительные и универсальные, служат для штампования  заготовок из прутка.  Сложные поковки разнообразной формы готовятся с высокой точностью, сохраняя гладкой поверхность.

Hebo  (Германия) – компания, которая  производит оборудование для художественной ковки с 1973 года. Машины Hebo изначально создавались для максимальной автоматизации механических процессов, чтобы оставить мастерам больше времени для творчества. Проектирование оборудования развивалось по пути ускорения операций  гидравлических и механических приборов под контролем электроники. Другое приоритетное направление разработок – универсальность: конструкции машин обязательно предполагают возможность быстрой переналадки блоков и оснастки. Теперь компания выпускает комплексные системы автоматов, оборудованных компьютерным управлением. Например, Блок HPG2, специально созданный для небольших кузнечных мастерских, может работать с любым из базовых приводов: STM1 - STM6, SPA2, SPA3. Этот станок обрабатывает квадратный пруток с сечением до 25х25 мм и полосы до 40х8 мм. Гладкий вал DRW и один вал EGW с «дизайнами» входит в базовый комплект, оснащен рихтовочным устройством.  В России продукцию Hebo представляет компания «German Forge», официальный поставщик  с 1994 года.  

Взрыв, как технологический  процесс

Взрывное штампование разработано в 40-х годах прошлого века в Харьковском авиационном институте. Уже через 10 лет этот метод широко применялся при изготовлении крупногабаритных деталей ракет и самолётов. Давление на металл создаётся энергией взрыва пороха или газа через передающую среду. Передающая среда – жидкость или газ, а чаще всего используется вода. Кроме того, взрыв может проводиться в  вакуумной камере или в атмосфере разреженного газа. При взрыве в материале возникают большие механические напряжения, значительно превышающие предел его упругости.  Смысл метода заключается в том, что металл, который подвергается деформации в течение тысячных долей секунды, превосходит по физико-механическим свойствам изделия, отштампованные на прессах. Обыкновенно, матрицу с заготовками помещают в бассейн с водой, где происходит взрыв. Но такую работу нельзя проводить в стенах зданий из-за угрозы разрушения, поэтому приходится строить отдельные полигоны.  Сейчас разработаны перспективные методы безбассейнового штампования, которые позволяют сократить затраты на организацию производства на порядок.

Обжатие прокаткой

Прокатка – процесс пластического деформирования металла в валках, придающий заготовке необходимую форму поперечного сечения и продольные размеры. Когда  металл проходит между захватывающими его валками, он деформируется и уменьшается по толщине, одновременно удлиняясь. При холодной прокатке металл упрочняется, образуется наклеп. Этот вид обработки используется для производства листов и ленты толщиной менее 1,5-6 мм, прецизионных сортовых профилей и труб. Теплая прокатка, при повышенной температуре, служит для снижения наклепа металла при его деформации. Также применяется горячая прокатка при высокой температуре. Но, пожалуй, только контролируемая прокатка позволяет добиться  исключительных свойств готовых изделий: металл, обработанный таким образом, обладает повышенным пределом текучести, снижением температуры вязко-хрупкого перехода и лучшей свариваемостью. В готовом прокате формируются мелкозернистые структуры с упорядоченным  распределением  дефектов кристаллической решетки. Изделия контролируемой прокатки применяют при строительстве трубопроводов, высокотехнологичном машиностроении и различных ответственных производствах.

Низкотемпературная  контролируемая прокатка применяется  для производства толстолистового проката для магистральных газопроводов большого диаметра. Проходит на реверсивных станах и состоит из трех этапов многопроходной горизонтальной  деформации с регламентированными  разовыми и суммарными обжатиями. Сначала, выше температуры рекристаллизации аустенита (аустенит – многокомпонентный твердый раствор углерода и легирующих элементов в Fe). Тогда при повторной рекристаллизации происходитизмельчение его зерна. На следующей стадии происходит наклеп аустенита, на третьей – полигонизация феррита с последующим охлаждением со скоростью 15—20 °С/с. Упрочнение стали достигается за счет измельчения зерна феррита и выделения мелкодисперсных карбидных частиц, которое интенсифицируется низкотемпературной конечной горячей деформацией. 
 
Высокотемпературный процесс основывается на особенностях фазовых превращений в Fe-C сплавах: мелкозернистая ферритно-перлитная структура в горячее деформированной стали может получиться в результате у->а – превращения как перекристаллизованного деформированного (наклепанного) аустенита, так и повторно рекристаллизованного аустенита, если в нем сохранилось достаточно  мелкое зерно. В процессе прокатки происходит карбонитридное микролегирование (Ti, V, Al, N) стали. Наиболее полно высокотемпературная контролируемая прокатка применяется на «Нижнетагильском металлургическом комбинате»: здесь изготавливают прокат повышенной прочности и хладостойкости.    

Современные технологии обработка металлов давлением позволяют  не только получить изделия любой  формы, но и создавать материалы  с заданными свойствами для работы в сложных и экстремальных  условиях.