Metody kształtowania wyrobów metalowych

Metody kształtowania wyrobów metalowych
1. Odlewanie
2. Obróbka
plastyczna
3. Metalurgia
proszków
1. Odlewanie
Odlewanie polega na wlaniu ciekłego
metalu lub stopu do formy, która ma
kształt gotowego wyrobu lub
półwyrobu. W ten sposób otrzymuje
się gotowe wyroby – odlewy lub
półwyroby – wlewki. Wlewki są
następnie przerabiane plastycznie.
Metody odlewania:
· W formach piaskowych
(ceramicznych)
· W formach metalowych
Przedmioty wykonane wyłącznie na
drodze odlewania są najtańsze, lecz
mają więcej wad i gorsze
właściwości mechaniczne niż
przedmioty wytworzone innymi
metodami.
Przykłady elementów odlewanych:
klocki hamulcowe, pierścienie
tłokowe, cylindry silników, korpusy
maszyn, duże panewki, pomniki.
Budowa wlewka: ziarna metalu o
różnym kształcie i wielkości,
porowatość, jama usadowa, cząstki
żużla, segregacja wtrąceń
niemetalicznych, składu chemicznego i
właściwości mechanicznych
Posąg Neptuna na Długim Targu w Gdańsku
pory
Przekrój fragmentu odlewu
Instalacja wodna wewnątrz posągu
2. Obróbka plastyczna – rodzaj obróbki, w czasie której
ukształtowanie materiału, zmianę jego właściwości i
struktury osiąga się przez odkształcenie plastyczne.
2.1. Podstawy teoretyczne
• ODKSZTAŁCENIE SPRĘŻYSTE Naprężenia mniejsze niż
granica sprężystości powodują nietrwałe, sprężyste
odkształcenie metalu. Położenie atomów względem siebie nie
zmienia się. Zmienia się natomiast odległość między atomami.
Po usunięciu naprężenia, atomy wracają do pierwotnego
położenia. Odkształcenie zanika.
• ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE
Przy naprężeniach
większych niż granica plastyczności, metal odkształca się
trwale – plastycznie. Odkształcenie plastyczne zachodzi przez
poślizg lub bliźniakowanie. Obecność wad (dyslokacji) w sieci
metalu ułatwia odkształcenie plastyczne.
• UMOCNIENIE
Odkształcenie plastyczne w temperaturze pokojowej zmienia właściwości
mechaniczne materiałów metalowych; materiały umacniają się.
Gniot (stopień gniotu) = (A0 – A)/A0 x 100%, A0 – początkowe pole przekroju
poprzecznego materiału,
A – pole przekroju po odkształceniu
• PĘKANIE
Po osiągnięciu maksymalnego umocnienia materiał pęka.
Wiązania między atomami ulegają zerwaniu, a części materiału – oddzielone
od siebie.
Złom kruchy – bez wyraźnych
odznak odkształcenia plastycznego.
Pęknięcia rozwijają się szybko.
Złom ciągliwy - poprzedzony
odkształceniem plastycznym.
Pęknięcia rozwija się stopniowo
• REKRYSTALIZACJA - proces przywracania zgniecionemu
materiałowi struktury i właściwości, które posiadał przed
obróbką plastyczną
Temperatura rekrystalizacji Tr jest cechą charakterystyczną
każdego metalu. Zależy również od stopnia gniotu. Przykłady
Tr:
Fe 450ºC, Cu 200ºC, Mo 900ºC, Pb, Sn < 20ºC
Obróbkę plastyczną metali można prowadzić w temperaturach
niższych lub wyższych od Tr. Obróbka w temperaturach
niższych nazywa się obróbką plastyczną na zimno, w
temperaturach wyższych – obróbką plastyczną na gorąco.
Obróbka na zimno powoduje umocnienie materiałów
metalowych, natomiast obróbka na gorąco nie powoduje
umocnienia.
Po obróbce plastycznej na zimno można przeprowadzić obróbkę
cieplną, polegającą na nagrzaniu odkształconego metalu do
temperatury wyższej niż Tr, wygrzaniu w tej temperaturze przez
pewien czas, a następnie ochłodzeniu. Zabieg ten nazywa się
wyżarzaniem rekrystalizujacym i powoduje zanik umocnienia
metalu.
2.2. Obróbka plastyczna na gorąco
Charakterystyka procesu:
 Temperatura procesu jest wyższa od temperatury rekrystalizacji, zwykle o
100ºC
 Brak umocnienia
 Metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie
 Wyroby: blachy, pręty, kształtowniki (np. szyny kolejowe)
Kąt chwytu walców
Schemat walcowania
Kształtowanie zaworu silnika samochodowego: A - surowy pręt, B – trzonek
(wyciąganie), C – głowa (spęczanie), D – obróbka końcowa (skrawanie)
2.3. Obróbka plastyczna na zimno
Charakterystyka procesu
 Temperatura procesu jest niższa od temperatury rekrystalizacji
 Umocnienie materiału. Przykład blachy stalowej walcowanej na
zimno:
Stan
Rm
Półtwardy (Z = 25 %)
500 N/mm2
Twardy (Z = 50 %)
650 N/mm2
Wyżarzony
300 N/mm2
 Metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie, gięcie
 Wyroby: taśmy, blachy i pręty o dokładnym wykończeniu
powierzchni i podwyższonej wytrzymałości
Zapory wypychacza
stempel
Kształtowanie śruby – spęczanie końca pręta
3. Metalurgia proszków
Metalurgia proszków jest dziedziną techniki, obejmującą
metody wytwarzania proszków metali lub ich mieszanin z
proszkami niemetali oraz otrzymywania wyrobów z tych
proszków bez konieczności roztapiania głównego
składnika.
Etapy procesu kształtowania wyrobów/materiałów spiekanych
(spieków):
 Wytworzenie proszku metalu: rozdrabnianie mechaniczne,
rozpylanie ciekłego metalu, osadzanie na elektrodach z
roztworu soli metalu, redukcja tlenków metalu
 Przygotowanie proszków
 Formowanie wyprasek i spiekanie
 Obróbka wykańczająca (skrawanie, obróbka plastyczna,
obróbka cieplna)
Przykłady kształtów proszków metali: Hametag – rozdrabnianie
mechaniczne w młynach, RZ – proszek rozpylany i poddany
utlenianiu lub redukcji, Redukowany – proszek metalu
trudnotopliwego otrzymany przez redukcję tlenków lub soli
metalu, karbonylkowy, np. Fe(CO)5, otrzymany w wyniku
działania tlenku węgla na rudę lub złom metalu
Formowanie wyprasek polega na poddaniu proszku ściskaniu
w zamkniętej przestrzeni, w wyniku czego następuje jego
zagęszczenie.
Metody formowania na zimno obejmują m.in.:
prasowanie w zamkniętych matrycach,
 prasowanie w komorach wysokociśnieniowych,
 wibracyjne zagęszczanie proszków,
 walcowanie proszków,
 kucie proszków
Schemat prasowania jednostronnego proszków: 1 – stempel
górny, 2 – matryca, 3 – proszek, 4 – stempel dolny
Spiekanie jest operacją technologiczną, której poddaje
się wypraskę lub luźno zasypane ziarna proszku,
polegającą na złączeniu poszczególnych ziaren proszku w
kompozyt o określonych właściwościach mechanicznych i
fizykochemicznych w wyniku wygrzewania w
temperaturze niższej od temperatury topnienia głównego
składnika. Spiekanie może przebiegać jako:
 swobodne,
 pod działaniem siły, tj. połączone z formowaniem
zapewniającym określony kształt , np. w wyniku
prasowania, walcowania i kucia proszków na gorąco.
Uproszczony
schemat produkcji
masowej wyrobów
spiekanych z żelaza i
stali: a) wytwarzanie
proszków, b)
przygotowanie
proszków, c)
formowanie wstępne
i spiekanie, d)
obróbka
wykańczająca
Wyroby spiekane:
Wyroby porowate, np. łożyska ślizgowe, filtry
Wyroby o złożonym kształcie, np. małe koła zębate, dźwignie,
krzywki
Wyroby bardzo twarde, np. ogniotrwałe, wykonane z tlenków,
węglików, azotków: elementy grzejne, świece do silników
spalinowych, tygle do topienia metali
Kompozyty, których nie można wytworzyć inną metodą, np.
szczotki do silników elektrycznych (Cu + grafit)
Zalety technologii:
 brak odpadów
 ograniczenie obróbki skrawaniem
 możliwy jest złożony kształt wyrobów
 dowolny skład chemiczny
 krótki cykl produkcyjny
Wady technologii:
 niska wytrzymałość
 wysoki koszt produkcji
 małe wymiary
 ograniczone możliwości konstrukcji matryc