Получение изделий и конструкций из металлов

Для получения изделий из металлов, обладающих высокими пластичными свойствами, их обрабатывают давлением. На практике применяют следующие способы обработки: прокат, ковку,волочение, штамповку и прессование (рис. 3.4).

Прокат – наиболее распространенный и дешевый способ производства металлических изделий. Сущность проката заключается в обжатии металла между вращающимися валками прокатного стана. Прокатывают металл в холодном и горячем состоянии. Холодный прокат применяют для металлов, обладающих высокой пластичностью (медь, свинец, олово, алюминий), или для получения тончайших стальных листов.

Рис. 3.4. Схема основных приборов обработки металлов давлением:

1 – прокатка; 2 – волочение; 3 – прессование; 4 – ковка; 5 – объемная штамповка;
6 – листовая штамповка

Подавляющее большинство стальных изделий прокатывают в горячем состоянии при температуре 900 – 1250°С. Способом проката получают большинство стальных строительных изделий: балки, листовую и прутковую сталь, арматуру.

Ковка – процесс деформации металла под действием повторяющихся ударов молота или пресса. Ковка может быть свободная, когда металл при ударе молота свободно растекается во все стороны, и штампованная, когда металл, растекаясь под ударами молота, заполняет формы штампов. Штамповка позволяет получить изделия очень точных размеров. В условиях строительства пользуются преимущественно свободной ковкой при использовании таких деталей, как болты, скобы, анкеры.

Волочение заключается в протягивании металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате этого металл обжимается, а профиль его строго соответствует форме отверстия. Способом волочения изготовляют тонкостенные изделия-трубки, а также круглые, квадратные, шестиугольные прутки и арматуру. При волочении в металле появляется так называемый наклеп – поверхностное упрочнение металла в результате пластической деформации и строго ориентированного расположения кристаллов. Наклеп повышает твердость стали в поверхностном слое, но снижает пластичность и вязкость. Явление наклепа широко используют на практике при механическом упрочнении арматурной стали.

В процессе прессования металл выдавливают через круглое или фасонное отверстие, форма и размеры которого определяют форму и сечение прессуемого изделия – прутков, труб, фасонных профилей из сталей, цветных металлов и их сплавов. Прессование проводят на гидравлических или механических прессах.

Получение изделий из заготовок черных, цветных металлов и их сплавов по резательной технологии проводят с использованием локального теплового воздействия. Способы тепловой резки подразделяют на две группы. К первой относятся кислородная и кислородно-флюсовая, при которых происходит химическая реакция сгорания железа в струе кислорода; ко второй группе – электродуговая, лазерная и плазменная. В этом случае сквозное проплавление заготовки происходит за счет использования мощного теплового внешнего источника.

В целях улучшения структуры и придания специально заданных свойств полученные изделия подвергают термической обработке. Такая обработка заключается в изменении кристаллической структуры материала путем его нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки и последующего охлаждения по заданному режиму. На практике применяют следующие основные виды термической обработки металлов и сплавов: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, отличающиеся температурой нагрева и скоростью охлаждения, а также термомеханическую и химико-термическую.

Отжиг применяют для получения мелкозернистой, однородной структуры стали, полного снятия внутренних напряжений. Нормализация устраняет внутренние напряжения, повышает пластичность. Твердость и прочность стали при этом несколько выше, чем после отжига. Для некоторых изделий нормализация является окончательной термической обработкой, позволяющей хорошо сочетать пластичность и прочность.

Для повышения механической прочности и твердости, сохранения достаточной вязкости пользуются термической обработкой, состоящей из двух процессов – закалки и отпуска. Закалка включает нагрев изделия на 30 – 50^оС выше температуры вторичной кристаллизации, выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение. Для предохранения металла от окисления нагрев выполняют в газовой среде азота или углекислого газа. Эффективно проводить закалку токами высокой частоты или пламенем газовой горелки; интенсивное охлаждение – жидким азотом или другими сжиженными газами при температуре от – 75 до 195^оС.

Отпуском называют термическую обработку, при которой закаленную сталь повторно нагревают до 150 – 600°С, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают для снятия напряжений.

Среди различных упрочняющих способов обработки, предназначенных для повышения механических свойств, большое развитие за последние годы получил метод термомеханической обработки (ТМО), предусматривающий нагрев поверхностного слоя стального изделия на нужную глубину, обкатку его роликами, закалку и отпуск. Уникальная особенность этой обработки – одновременный рост прочности и пластичности.

Химико-термическая обработка сталиприводит к изменению химического состава, структуры и, следовательно, свойств поверхностного слоя стальных изделий. Цель ее – повышение твердости, прочности, износоустойчивости.

Различают следующие виды химико-термической обработки изделий: цементация – высокотемпературное насыщение поверхности изделий из стали углеродом; азотирование – азотом; цианирование – параллельное обогащение поверхности азотом и углеродом.

Диффузионная металлизация – поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, кремнием, бором и другими химическими элементами. Осуществляют этот процесс путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных веществ, которые могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии. Такая обработка придает поверхностным слоям жаростойкость, износоустойчивость, повышает сопротивляемость коррозии.

Полученные металлические изделия и детали соединяютв конструкции с помощью сварки, клепки или болтов.