К недостаткам индукционного нагрева следует отнести малую универсальность и дороговизну индукционных устройств. Поэтому индукционный нагрев применяется в крупносерийном и массовом производстве деталей небольшой длины.
В электроконтактных устройствах нагрев производится за счёт омического сопротивления самой заготовки. При этом концы заготовки зажимают между медными контактами, к которым подводится ток большой силы. Такой нагрев рационально применять для удлинённых заготовок (L > 1,5 d2, где d ≤ 75 мм).
В ряде случаев для безокислительного нагрева мелких заготовок из высокоуглеродистой стали применяют электролит, расплавленные соли и стекло.
Порошковая металлургия
Сущность метода получения изделий порошковой металлургией.
Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков[⇨], смешивание порошков[⇨], уплотнение (прессование, брикетирование)[⇨] и спекание[⇨].
Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом.
Существует несколько способов получения металлических порошков. Физические, химические и технологические свойства порошков, форма частиц зависит от способа их производства. Вот основные промышленные способы изготовления металлических порошков:
Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.
Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом или в среде инертных газов. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.
Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.
Электролитический метод.
Использование сильного тока приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.
В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами
Формование изделий осуществляем путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.
Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).
К неразъемным относятся соединения, которые нельзя разобрать без разрушения соединительных элементов или повреждения соединенных деталей. Это соединения с гарантированным натягом (см.§ 18), заклепочные, сварные, соединения пайкой, клеевые.
Сварка – производительный и универсальный технологический процесс получения неразъемных соединений. Он находит широкое применение во всех отраслях промышленности. Сварка применяется как отдельный процесс при изготовлении сложных пространственных конструкций, так и в сочетании с обработкой металлов давлением, литьем, обработкой металлов резанием.
Сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.
Пайка — технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём введения между этими деталями расплавленного материала (припоя), имеющего более низкую температуру плавления, чем материал (материалы) соединяемых деталей.
Одним из старейших способов получения неразъемных соединений является склеивание, т. е. соединение с помощью клея. В последнее время он получает все большее распространение благодаря совершенствованию качеств клеев. Клей представляет собой вязкое вещество, обладающее склеивающей способностью. Клеевые соединения обеспечивают высокую прочность, позволяют соединять тонкие детали. Склеивать можно как металлы, так и неметаллы.
По используемой энергии все виды сварки можно разделит на: механическую; химическую; электрическую; электромеханическую; химико-механическую и так далее.
Для получения сварного соединения, механическая сварка требует осуществления пластической деформации кромок свариваемых заготовок. Химическая сварка характеризуется нагревом металла заготовок до появления расплава в зоне сварки посредством превращения химической энергии в тепло. Электрическая сварка основана на превращении электрической энергии в тепловую. Это превращение может происходить различными способами: выделением тепла при прохождении электрического тока через шлак; использованием электрической дуги; индуцированием тока высокой частоты. Лучевая сварка основана на превращении энергии луча света или электронного луча в тепловую (использование лазерного луча или энергии пучка электронов). Электромеханическая сварка основана на нагреве металла заготовок методом электросопротивления и последующим пластическим деформированием нагретого металла. При химико-механической сварке металл заготовок нагревается путем превращения химической энергии в тепловую с последующим пластическим деформированием металла.
Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки сварные соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Под свариваемость понимают отношение сплавов к физико-химическим процессам, протекающим в зоне сварки. При сварке многих сплавов (как черных, так и цветных) ухудшаются механических свойств в зоне сварного 336шва; образуются сварочные дефекты (трещины, закалочные структуры, пористость и т.д.). Следовательно, эти сплавы обладают пониженной свариваемостью. Физическая свариваемость определяется свойствамисоединяемых металлов, что в свою очередь, определяет протекание соответствующих физико-химических процессов в зоне сварного шва. Отношение сплава к конкретному способу сварки называют технологической свариваемостью. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физико-химических процессов. Поэтому разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью
Термические способы сварки.
Термический класс включает все виды сварки с использованием тепловой энергии (дуговая сварка, газовая сварка, плазменная сварка и т. д.).
Газовая сварка - сварка плавлением, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси горючих газов с кислородом, сжигаемых с помощью горелки.
Газовая сварка обладает следующими преимуществами: способ сравнительно прост, не требует сложного и дорогого оборудования, а также источника электроэнергии. Изменяя тепловую мощность пламени, его положение относительно места сварки и скорость сварки, можно в широких пределах регулировать скорость нагрева и охлаждения свариваемого металла. При помощи газовой сварки можно сваривать почти все металлы, применяемые в технике. Такие металлы, как чугун, медь, латунь, свинец легче поддаются газовой сварке, чем дуговой.
К недостаткам газовой сварки относятся: высокая стоимость горючего газа (ацетилена) и кислорода; небольшая скорость нагрева металла; большая зона теплового воздействия на металл и взрывоопасность процесса.
В газовой сварке используются горючие газы: ацетилен, водород, метан, пропан и пары керосина. Основным горючим газом является ацетилен
Плазменная сварка – это сварка плавлением, при которой нагрев проводится направленным потоком дуговой плазмы (плазменной струей).
Плазменная струя , применяемая для сварки , предстваляет собой направленный поток частично или полностью ионизированного газа ,имеющего температуру 10000 …20000 С.В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.
Плазму получают, пропуская поток газа через столб сжатой электрической дуги . Столб дуги , горящий между электродом и соплом, помещают в узкий канал с охлаждаемыми стенками, и через него продувают газ. Столб дуги сжимается, что приводит к повышению в нем плотности энергии и температуры. Частые столкновения частиц продуваемого газа приводят к их высокой ионизации. Загорается плазменная дуга . В качестве плазмообразующего газа обычно используют аргон. Для получения более мощной дуги используют водород или азот.
Электродуговая сварка -это сварка при которой нагрев металлов осуществляется с помощью тепла выделяющегося электрической дугой, образовывающейся между торцом электрода и свариваемой поверхностью изделия при протекании электрического тока в следствии замыкания наружной цепи электросварочного аппарата .
К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги (до 7000°С) кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.
По степени механизации различают:
ручную дуговую сварку
полуавтоматическую дуговую сварку
автоматическую дуговую сварку
По роду тока различают:
электрическая дуга, питаемая постоянным током прямой полярности (минус на электроде);
электрическая дуга, питаемая постоянным током обратной полярности (плюс на электроде);
электрическая дуга, питаемая переменным током.
По типу дуги различают:
дугу прямого действия (зависимую дугу);
дугу косвенного действия (независимую дугу).
В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумя электродами.
По свойствам сварочного электрода различают:
способы сварки плавящимся электродом;
способы сварки неплавящимся электродом (угольным, графитовым и вольфрамовым).
Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется двумя основными особенностями: выделением значительного количества тепла и сильным световым эффектом. Температура обычной сварочной дуги около 6000°С.
Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа:
1)короткое замыкание электрода на заготовку;
2)отвод электрода на расстояние 3-6 мм;
3)возникновение устойчивого дугового разряда.
Основным свойством любой электрической цепи, в том числе и сварочной дуги, является способность проводить ток, которая оценивается с помощью вольт- амперной характеристики (ВАХ). Статистическая ВАХ сварочной дуги содержит три участка :падающий, жесткий и возрастающий.
В сварочной дуге четко выражены три области:
1)катодная область;
2)столб дуги;
3)анодная область.
Ручная дуговая сварка (РДС) – дуговая сварка, при которой возбуждение дуги, подача электрода и его перемещение производятся вручную. РДС выполняется покрытыми электродами, и позволяет выполнять швы в различных пространственных положениях (нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном).
Процесс РДС:
Дуга горит между стержнем электрода и металлом заготовок . Температура дуги 6000…7000оС. В соответствии с полярностью, показано прямое включение, т.е. направление движения электронов совпадает с направлением стекания капель металла . Температура катода (электрода) и анода составляет соответственно 2400 оС и 2600 оС. Вместе со стержнем плавится и покрытие электрода, образуя, защитную газовую атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности жидкого металла . Шлаковая ванна и ванна жидкого металла образуют сварочную ванну. По мере продвижения дуги, сварочная ванна затвердевает, образуя, сварной шов и твердую шлаковую корку .
Дуговая сварка под флюсом (ДСФ) – дуговая сварка, при которой дуга горит под слоем сварочного флюса.
Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва.
В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между проволокой и основным металлом . Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла со всех сторон плотно закрыта слоем флюса толщиной 30-50мм. Часть флюса расплавляется , в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость , а на поверхности расплавленного металла – ванна жидкого шлака. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла. Под действием мощной дуги и весьма быстрого движения электрода вдоль заготовки происходит оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварочного шва, покрытого твердой шлаковой коркой.
Основные преимущества ДСФ по сравнению РДС состоят в: повышении производительности процесса сварки в 5…20 раз; повышении качества (и стабильности качества) шва; уменьшении себестоимости производства одного погонного метра шва. Повышение производительности происходит за счет использования больших сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса сварки. Применение не покрытого электрода позволяет приблизить токопровод (контактный мундштук) на расстояние 30…50 мм от дуги, что устраняет опасный разогрев электрода на больших токах. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар расплавленного металла (не более 2…5%), и позволяет более полно 350использовать тепловую мощность дуги (КПД составляет 0,9…0,95%, коэффициент наплавки составляет 18…20 г/А час). Увеличение тока позволяет сваривать металл толщиной до 20 мм за один проход без разделки кромок. Так как температура плавления шлака несколько ниже, чем основного металла, то шов застывает медленно, что обеспечивает выход на поверхность неметаллических и газовых включений и высокое качество сварного шва. Повышение качества сварного шва обеспечивается так же получением более высоких механических свойств наплавленного металла вследствие: надежной защиты зоны сварки и сварного шва слоем флюса; интенсивного раскисления и легирования вследствие большого объема жидкого шлака; сравнительно медленной кристаллизации расплавленного метала в сварочной ванне, что обеспечивает выход на поверхность сварного шва не металлических включений и газов; сравнительно медленного охлаждения сварного шва под флюсом и твердой шлаковой коркой; улучшение формы и поверхности сварного шва и постоянства его размера по всей длине.
К недостаткам ДСФ можно отнести: ограниченную маневренность сварочных автоматов; возможность сварки труднодоступных мест или криволинейных швов только в полуавтоматическом режиме; выполнение сварки главным образом в нижнем положении.