Читать онлайн «Технология металлов и сплавов. Учебник»

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВО «Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого» Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН Академия проблем качества Российской Федерации ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» Институт высокоточных систем им. В. П. Грязева ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет им. Петра Великого» Научно-производственное предприятие «ВУЛКАН-ТМ» Технология металлов и сплавов Учебник ТУЛА Издательство ТулГУ 2017 1 УДК 621. 7 ББК 30. 3 Т 38 Рецензенты: Гадалов В. Н. , проф. , д-р техн. наук, Юго-Западный государ- ственный университет; Епархин О. М. , проф. , д-р техн. наук, директор, Ярославский филиал Московского государственного университета путей со- общения. Авторы: Н. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, В. И. Золотухин, А. Н. Сергеев, А. Д. Бреки, О. В. Кузовлева, Г. М. Журавлёв, Д. А. Провоторов. Т38 Технология металлов и сплавов: учебник / Под ред. проф. Н. Н. Сергеева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. – 490 с. ISBN 978-5-7679-3777-6 Рассмотрены технологии производства чугуна, стали и цветных металлов (меди, алю- миния, магния, титана), получения из них заготовок методами литья, обработки давлением, порошковой металлургии, сварки, пайки, склеивания, резания, сверхпластического деформи- рования, лучевого, лазерного, элекрохимического, электрофизического воздействия, терми- ческой, химико-термической, полугорячей штамповки и термомеханической обработки. Приведены примеры ресурсосберегающих, инновационных, конкурентоспособных и технологических разработок процессов внепечной обработки металлических расплавов и со- временных сталеразливочных систем, применяемых на промышленных предприятиях. Пока- заны перспективы развития наноматериалов и технологии их применения в народном хозяй- стве и профессиональном образовании. Рассмотрены технологии современных эксплуатаци- онных композиционных материалов триботехнического назначения. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 43. 03. 05 Педагогическое образование (бакалавр), профили «Технология» и «Экономика», способствуя получению си- стемы знаний, умений, навыков и специальных компетенций в области технологической подготовки. Учебник может использоваться студентами других направлений и профилей подготовки. Работа выполнена по проекту № 11. 6682. 2017/БЧ. Ил. 219. Библиогр. 227 назв. УДК 621. 7 ББК 30. 3 © Авторы, 2016 © ТГПУ им. Л. Н. Толстого, 2017 ISBN 978-5-7679-3777-6 © Издательство ТулГУ, 2017 2  СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 7 1 ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА... ... ... ... ... ... 8 1. 1 Структура и продукция металлургического производства ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8 1. 2 Производство чугуна ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 9 1. 3 Производство стали... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 12 1. 4 Основы внепечной обработки металлических расплавов ... ... ... ... ... ... ... ... ... 15 1. 5 Современные сталеразливочные системы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 17 1. 6 Особенности производства цветных металлов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 22 2 ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 26 2. 1 Сущность и основные способы литья ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 26 2. 2 Литье в песчаные формы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 27 2. 3 Оболочковое литье ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 30 2. 4 Литье по выплавляемым моделям ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31 2. 5 Литье в кокиль ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 33 2. 6 Литье под давлением... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35 2. 7 Основные дефекты литья и их исправление ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 37 3 ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ... ... ... ... ... ... ... 38 3. 1 Сущность и основные способы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 38 3. 2 Нагрев металла и нагревательные устройства ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 40 3. 3 Прокатка ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 43 3. 4 Волочение... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 48 3. 5 Ковка ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 50 3. 6 Штамповка ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 53 3. 7 Ротационное обжатие... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 60 4 ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 62 4. 1 Технологии получения порошковых быстрорежущих сталей ... ... ... ... ... ... . 64 4. 2 Технология получения и применение порошковой проволоки для производства качественных сталей ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 68 4. 3 Конструкции и технологии изготовления порошковой проволоки ... ... ... . . 70 5 ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ, ПАЙКИ И СКЛЕИВАНИЯ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 77 5. 1 История развития сварочного производства ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 77 5. 2 Физические основы сварки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 78 5. 3 Классификация способов сварки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 79 5. 4 Типы сварных соединений ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 80 5. 5 Ручная электродуговая сварка открытой дугой ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 81 5. 6 Дуговая сварка под слоем флюса ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 83 5. 7 Дуговая сварка в среде защитного газа ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 85 5. 8 Электроконтактная сварка... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 87 5. 9 Оборудование и технология электродуговой сварки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 89 5. 10 Газовая сварка и резка металла ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 94 5. 11 Оборудование и технология газовой сварки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 99 5. 12 Пайка материалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 105 5. 13 Склеивание материалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 110 3 6 ТЕХНОЛОГИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 113 6. 1 История развития ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 113 6. 2 Структура наноматериалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 117 6. 3 Классификация наноматериалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 117 6. 4 Способы получения наноматериалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 119 6. 5 Свойства наноматериалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 120 6. 6 Высокая деформационная способность наноматериалов ... ... ... ... ... ... ... ... . 121 6. 7 Области применения наноматериалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 123 7 ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ ... ... ... ... ... ... ... . . 132 7. 1 Основы процесса резания металлов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 132 7. 2 Трение и деформация металла при резании ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 138 7. 3 Силы и тепловыделение в процессе резания ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 143 7. 4 Типы и геометрия резцов... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 147 7. 5 Точение и строгание... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 151 7. 6 Сверление, зенкерование и развертывание ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 161 7. 7 Фрезерование и протягивание ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 169 7. 8 Шлифование металлов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 178 8 ТЕХНОЛОГИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ... ... ... ... ... ... 191 8. 1 Основные понятия, признаки и количественные оценки сверхпластичности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 191 8. 2 Закономерности развития и условия проявления сверхпластичности ... . 193 8. 3 Модели состояния сверхпластичности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 196 8. 4 Механизмы сверхпластичности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 201 8. 5 Объекты сверхпластичности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 204 8. 6 Применение эффекта сверхпластичности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 211 9 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 215 9. 1 Основы устройства металлорежущих станков (МРС) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 215 9. 2 Токарно-винторезный станок... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 226 9. 3 Сверлильные станки... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 232 9. 4 Фрезерные станки... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 239 9. 5 Строгальные и шлифовальные станки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 245 10 ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 259 10. 1 Композиционные материалы триботехнического назначения с полимерными матрицами и наполнителями из высокодисперсных частиц слоистых модификаторов трения ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 259 10. 2 Нефтяные масла триботехнического назначения: дисперсные компоненты и наполнители ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 279 10. 3 Микробиологические повреждения масел, смазок и специальных жидкостей ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 298 11 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ... ... ... ... ... . . 303 11. 1 Электрофизические методы обработки материалов... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 304 11. 2 Электрохимические методы обработки материалов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 308 11. 3 Лучевые методы обработки... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 318 4  11. 4 Ультразвуковая обработка ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 322 12 ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 325 12. 1 Технологические особенности процессов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 325 12. 2 Анализ процессов обработки сталей ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 330 12. 2. 1.