Ионно-лучевое перемешивание

В данном методе ионному облучению подвергается композиция из материала с уже нанесенным поверхностным слоем. Бомбардирующие поверхность ионы инертного газа выбивают поверхностные атомы материала слоя и основы из их равновесных положений, вызывая каскады атомных столкновений. В результате граница между поверхностным слоем и основой размывается и происходит перемешивание. Этот метод позволяет преодолеть такие недостатки ионной имплантации, как ограничение максимальной концентрации легирующего элемента эффектом распыления, возможность снижения энергии ионов, времени и доз ионного облучения.

Процесс ведут в вакууме 10^-3…10^-2 Па. В качестве инертного газа используют чаще всего аргон или ксенон. Использование ионов с более высокими атомными номерами приводит к повышению эффективности процессов перемешивания.

Штамповка резиной.

Особенность этого способа состоит в применении штампов, пуансоны которых изготавливаются из металлов, а матрицы — из листовой резины, чем обеспечивается более равномерное давление на заготовку, высокое качество поверхности, правильность формы и точность размеров. При штамповке резиной лист 3 помещают на шаблон 1. Ползуном пресса прижимают слой резины 2 и придают листу рельеф шаблона. Под пресс можно укладывать несколько шаблонов и получать соответствующее число изделий. Если шаблон имеет отверстие с острыми краями, то происходит пробивка или вырубка заготовки.

Штамповка резиной выполняется чаще всего на гидравлических прессах. Этим способом выполняются вырубка, пробивка, гибка, отбортовка и вытяжка Однако контур вырубки этим способом получается рваный, с зазубринами и мелкими.

С ее помощью осуществляются разделительные и формоизменяющие операции. При этом пуансоном или матрицей является резина. Штамповку резиной чаще всего применяют для изделий из тонколистового металла толщиной до 2 мм (алюминия, медных сплавов, малоуглеродистой стали).

Вытяжка — операция, превра­щающая плоскую заготовку в полую пространственную деталь или полу­фабрикат 2 (рис. 84). Вытяжкой из­готовляют не только цилиндрические детали, но и сложные по форме ко­робчатые, конические и полусферические. При вытяжке плоская заготов­ка 5 втягивается пуансоном 1 в отверстие матрицы 3. Для предотвращения в заготовке при сжимающем напряжении образования складок применяют прижимы 4.

Вытяжка может быть без утонения и с утонением. В первом случае она происходит без заметного изменения, во втором изменяется не только фор­ма заготовки, но и толщина ее стенок. В случае, когда нужно получить глу­бокую вытяжку, ее ведут в несколько проходов. На рис. 85 показан чертеж типовой детали и из металлического листа 1, изготовленной штамповкой с вытяжкой.

16. Предварительное измельчение крупных сырьевых материалов в щековых, валковых, конусных дробилках и молотковых мельницах.

Щековые, валковые и конусные дробилки применяются для предварительного измельчения крупных (до нескольких сантиметров) кусковых материалов с пределом прочности до 300–400 МПа. В дальнейшем предварительно измельченные в этих агрегатах материалы поступают на доизмельчениедругими методами.

Щековые дробилки применяют для измельчения спекшейся губки,осадков с электродов, крупных кусков рудных концентратов и т.п. Размолматериала в щековых дробилках до размера частиц 1–4 мм происходит засчет раздавливания кусков между неподвижной и подвижной (качающейся снижней или верхней осью подвеса) щеками установки. Рабочее пространствомежду щеками называют «пастью» дробилки.

Измельчение материала до крупности частиц 0,5–1 мм обеспечивают валковые дробилки, один или оба валка которых могут совершать возвратно-поступательное движение по направляющим вдоль оси опорной рамы. Валкивращаются навстречу друг другу от отдельных приводов с окружной скоростью2–4 м/с, причем разность их скоростей обычно не превышает 2 %; при дроблении вязких материалов разность этих скоростей может доходить до 20 %. Эффективность работы валковых дробилок в большой степени зависит от условий подачи материала, особенно от непрерывности его поступления в щельмежду валками и равномерности распределения по их длине. Валки могутбыть гладкими, рифлеными или зубчатыми.

В конусных дробилках измельчение материала осуществляется в кольцевой полости между рабочей частью поверхности конуса и соответствующей частью внутренней поверхности корпуса дробилки (в камере дробления). Конусные дробилки обеспечивают измельчение материала до крупности частиц 1–2 мм.

Молотковые дробилки в основном используются для измельчениягубчатых материалов (спекшихся при восстановлении порошков, катодныхосадков и пр.). Измельчение обрабатываемого материала в них осуществляется за счет удара молотков (бил), укрепленных шарнирно на валу, вращающемся в рабочей камере с достаточно высокой скоростью (около 1 500об/мин). Исходный кусковой материал загружают в приемный бункер установки (рисунок. 2.1), откуда он поступает в рабочую камеру мельницы, в нижней части которой имеется отверстие, закрытое сеткой; после размола частицы проваливаются через ситовое полотно в сборник порошка.

 

Рисунок 2.1 – Молотковая мельница: 1 – электродвигатель; 2 – муфта;

3 – губка; 4 – загрузочный бункер; 5 – загрузочный люк с защелкой; 6 – корпус мельницы; 7 – била; 8 – металлическая решетка с ситовым полотном;

9 – порошок

Размол губки в молотковой мельнице происходит в течение нескольких минут, и получаемый порошок мало наклепывается, что исключает необходимость его последующего отжига.

Более тонкое измельчение обеспечивают бесколосниковые молотковые мельницы, рабочим органом которых является ротор с шарнирно закрепленными на нем тонкими пластинчатыми молотками.

17. Наноматериалы. Влияние типа связи на структруру и свойства кристаллов.

Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых они состоят. В связи с этим целесообразно классифицировать структуры наноматериалов по этим признакам (рис. 2.3). По форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на слоистые (пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные. Разумеется толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна при этом принимают значения порядка 100 нм и менее. Исходя из особенностей химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют четыре группы наноматериалов. К первой относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными. Примерами таких материалов являются чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой и слоистые поликристаллические полимеры. Ко второй группе относят материалы, у которых состав кристаллитов различается, но границы являются идентичными по своему химическому составу. Третья группа включает наноматериалы, у которых как кристаллиты, так и границы имеют различный химический состав. Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей другой химический состав. К этой группе относятся в частности дисперсно-упрочненные материалы.

Рис. 2.3. Основные типы структуры наноматериалов

18. Прошивка заготовки.

Любой трубопрокатный агрегат должен иметь два стана – прошивной и раскатной. Кроме указанных станов, на современных агрегатах устанавливают станы для калибровки труб по диаметру, а при изготовлении труб малого диаметра – редукционные станы.

При прошивке на стане поперечно-винтовой прокатки заготовке одновременно сообщается вращательное и поступательное движение под некоторым углом к оси валков. Угол перекоса оси валков b = 5–17°, поэтому осевое перемещение заготовки за каждый ее оборот невелико, и обжатие по диаметру заготовки за полуоборот составляет всего 1–3%. Вследствие этого поперечно-винтовая прокатка протекает в условиях неравномерной деформации, и из-за появления дополнительных напряжений в центральной части заготовки схема напряженного состояния металла близка к объемной схеме растяжения. Центральная часть заготовки деформируется вынужденно под действием периферийных обжимаемых слоев. Напряженное состояние – объемное растяжение в центральной части заготовки – делает возможным прошивку в ней отверстия при значительном снижении усилия прошивки.

При поперечно-винтовой прокатке удельное усилие прошивки в десять и более раз меньше, чем при прошивке такой же заготовки на прессах, так как при прессовании схема напряженного состояния – объемное сжатие. При определенной степени деформации, называемой критической, может произойти разрыв металла в сердцевине под действием растягивающих напряжений. Процесс прошивки ведут таким образом, чтобы величина обжатия заготовки валками до встречи ее с оправкой не превышала критического значения, при котором происходит разрушение осевой зоны.

Схемы прошивки на станах поперечно-винтовой прокатки.

Применяют прошивные станы с валками трех видов с бочковидными (а), дисковыми (б) и грибовидными (в). На всех этих станах по мере своего продвижения заготовка обжимается валками и прошивается в гильзу с внутренним диаметром, близким по величине к диаметру оправки. Наибольшее распространение получили прошивные станы с бочковидными валками.

Для прошивки применяют оправки двух типов (рис. 1.7): сменяемые (а) и несменяемые (б). В последнее время широкое распространение получили несменяемые оправки, повышающие производительность стана и позволяющие полностью автоматизировать весь процесс, освободиться от тяжелых ручных операций.

В настоящее время при производстве бесшовных труб по некоторым технологическим схемам используют прошивку на прессах вместо прошивки на станах поперечно-винтовой прокатки. Прошивка на прессах применяется в тех случаях, когда исходной заготовкой для получения труб служит слиток. Получение гильзы на прессах позволяет использовать также в качестве исходной заготовки блюмы. При прошивке на прессах напряженное состояние металла характеризуется всесторонним неравномерным сжатием, повышающим пластичность. Это позволяет получать гильзы из литого легированного металла. Схема деформации такова, что отсутствует овализация заготовки, а деформация в поперечном направлении равномерна и минимальна. Поэтому дефекты, характерные для прошивки гильзы на валковых станах (плены на вну­тренней поверхности, овализация гильзы), отсутствуют. Прошивкой на прессах получают пустотелый толстостенный стакан (гильзу) сравнительно небольшой длины. Наибольшее отношение длины стакана к его диаметру практически находится в пределах 4–7 (меньшее значение для большего диаметра стакана), так как усилия прошивки весьма значительны и чем больше длина пуансона (гильзы), тем меньше жесткость его, а, следовательно, больше разностенность стакана. Поэтому для получения труб требуемой длины (не менее 8–12 м) следующую раскатку стакана производят с большими деформациями.

Наибольшее распространение получила заполняющая прошивка по методу Эргардта, когда многогранный слиток или квадратную заготовку прошивают в круглом контейнере. Схема прошивки показана на рис. 1.8. Площадь пуансона 1 (иглы) равна площади зазора между слитком 2 и контейнером 3, поэтому металл течет радиально и высота слитка практически не изменяется. Обычно прошивку ведут с некоторым переполнением (на 5–10%) для лучшего заполнения контейнера. Прошивку производят на горизонтальных прессах усилием 8–12 Мн (800–1200 Т).

Схема прошивки по методу Эргардта

19. Методы с использованием технологий обработки поверхности. Технологии, основанные на физических процессах. Лазерная группа методов.

Технологии обработки поверхности материалов к настоящему времени представляют собой одну из наиболее развивающихся областей науки о материалах. Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано- и микроизделий. Данные методы можно условно подразделить на две большие группы – технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах.

Лазерная группа методов

Наноструктурное состояние при данных методах достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности. Используется импульсное лазерное излучение с плотностью энергии 10³…10¹⁰ Вт/см² и временем импульса 10^-2…10^-9 с. В ряде случаев применяется и непрерывное излучение СО₂-лазеров с плотностью энергии 10⁵⁷ Вт/см² со скоростями сканирования луча, обеспечивающими время взаимодействия материала с излучением 10^-3…10^-8 с. Под действием лазерного облучения поверхностный слой материала толщиной 0,1…100 мкм очень быстро расплавляется и затем затвердевает со скоростями охлаждения 10⁴…10⁸ К/с. При этом основная масса металлического материала вследствие кратковременности термического воздействия не нагревается и обеспечивает высокие скорости теплоотвода. Высокие скорости охлаждения позволяют достигать получения нанокристаллической или даже аморфной структуры. В последнем случае нанокристаллическое состояние получают с помощью проведения дополнительной контролируемой кристаллизации при термообработке.

Лазерное легирование или лазерная имплантация связана с дополнительным введением в оплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводиться как за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения. При этом легирование может преследовать две основные цели: 1. создание на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и, следовательно, свойствами, отличающимся от основного металла; 2. облегчение формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностного слоя.

20. Вытяжка эластичным (резиновым или полиуретановым) и жидкостным пуансоном в жесткой матрице.

Одним из экономически эффективных методов штамповки в условиях мелкосерийного и опытного производства является штамповка эластичным инструментом, когда один из рабочих инструментов изготовлен из резины или полиуретана. При этом значительно упрощается конструкция инструмента и удешевляется его изготовление, отпадает необходимость изготовления и пригонки второго рабочего инструмента, сокращаются сроки подготовки производства.

Штамповка эластичным инструментом применяется как для разделительных операций – вырубки-пробивки, так и для формоизменяющих операций – гибки, вытяжки и формовки. В качестве эластичных сред для штамповки используются резины и полиуретаны. Резины менее износостойки и работают при сравнительно небольших давлениях, обычно не превышающих 20–30 МПа.

В последнее время вместо резины все шире применяется полиуретан, получаемый из синтетического каучука на основе сложных полимеров эфира. Полиуретаны более износостойки и выдерживают давления порядка 1000 МПа (в закрытых объемах). Прочность полиуретана в 6–8 раз выше, чем у резины, и достигает 600 МПа. Чаще всего используют полиуретаны марок СКУ-6Л, СКУ-7Л, СКУ-ПФЛ. Последняя марка обычно используется для разделительных операций. Не допускается нагрев полиуретана свыше 70–80 °С.

При штамповке эластичными материалами только один рабочий элемент (пуансон или матрицу) изготовляют из металла, роль другого инструмента (матрицы или пуансона) выполняют резина, пластмассы (полиуретан) и жидкость.

Металлическим инструментом является шаблон, на который укладывают заготовку. Резиновая подушка в ползуне пресса прижимает заготовку к шаблону. Если шаблон имеет острые режущие кромки, то давлением резины вначале отгибают свободные края заготовки, а затем ее обрывают по режущей кромке. Так выполняют вырубку и пробивку. Подобным способом можно осуществлять гибку, неглубокую вытяжку, отбортовку и формовку. Обычно штампуют заготовки толщиной не более 3 мм.

Вытяжка листового материала эластичным инструментом может осуществляться по двум схемам:1) вытяжка жестким пуансоном в эластичную матрицу (рисунок 5.4а); 2) вытяжка эластичным пуансоном в жесткую матрицу (рисунок 5.4б).

Вытяжка жестким пуансоном в резиновую или полиуретановую матрицу используется при штамповке полых цилиндрических и конических, а также прямоугольных деталей из тонколистового материала (s < 3 мм). Она применяется как на первой, так и на последующих операциях. Вытяжку неглубоких деталей резиновой матрицей осуществляют при небольших давлениях (6–8,5 МПа), а глубоких деталей – при давлениях не более 60 МПа.

При глубокой вытяжке деталей необходимо обеспечить высокое ре­гулируемое давление эластичной матрицы. Это достигается за счет при­менения подвижных прижимов, через которые передается усилие на эла­стичный инструмент. Для осуществления вытяжки давление со стороны матрицы должно плавно возрастать по ходу вытяжки от нуля до макси­мального значения, определяемого маркой материала заготовки, размера­ми и конфигурацией вытягиваемой детали.

Вытяжка эластичным инструментом: а) жестким пуансоном в эластичную матрицу; б) эластичным пуансоном в жесткую матрицу

Степень деформации при таком способе вытяжки может быть большей, чем при вытяжке в обычном штампе с жесткими пуансоном и матрицей. Экспериментально установлены для разных материалов предельные значения коэффициентов вытяжки на первой операции k1 и предель­ные отношения глубины h1 к диаметру полого цилиндра d1 при давлении резины и при радиусе закругления пуансона rп = 4s.

47.Предварительное измельчение крупных сырьевых материалов в щековых, валковых, конусных дробилках и молотковых мельницах.

Щековые, валковые и конусные дробилки применяются для предварительного измельчения крупных (до нескольких сантиметров) кусковых материалов с пределом прочности до 300–400 МПа.

В дальнейшем предварительно измельченные в этих агрегатах материалы поступают на доизмельчениедругими методами. Щековые дробилки применяют для измельчения спекшейся губки,осадков с электродов, крупных кусков рудных концентратов и т.п. Размолматериала в щековых дробилках до размера частиц 1–4 мм происходит засчет раздавливания кусков между неподвижной и подвижной (качающейся снижней или верхней осью подвеса) щеками установки. Рабочее пространствомежду щеками называют «пастью» дробилки.

Измельчение материала до крупности частиц 0,5–1 мм обеспечивают валковые дробилки, один или оба валка которых могут совершать возвратно-поступательное движение по направляющим вдоль оси опорной рамы. Валкивращаются навстречу друг другу от отдельных приводов с окружной скоростью2–4 м/с, причем разность их скоростей обычно не превышает 2 %; при дроблении вязких материалов разность этих скоростей может доходить до 20 %. Эффективность работы валковых дробилок в большой степени зависит от условий подачи материала, особенно от непрерывности его поступления в щельмежду валками и равномерности распределения по их длине. Валки могутбыть гладкими, рифлеными или зубчатыми.

В конусных дробилках измельчение материала осуществляется в кольцевой полости между рабочей частью поверхности конуса и соответствующей частью внутренней поверхности корпуса дробилки (в камере дробления). Конусные дробилки обеспечивают измельчение материала до крупности частиц 1–2 мм.

Молотковые дробилки в основном используются для измельчениягубчатых материалов (спекшихся при восстановлении порошков, катодныхосадков и пр.). Измельчение обрабатываемого материала в них осуществляется за счет удара молотков (бил), укрепленных шарнирно на валу, вращающемся в рабочей камере с достаточно высокой скоростью (около 1 500об/мин). Исходный кусковой материал загружают в приемный бункер установки (рисунок. 2.1), откуда он поступает в рабочую камеру мельницы, в нижней части которой имеется отверстие, закрытое сеткой; после размола частицы проваливаются через ситовое полотно в сборник порошка.

Рисунок 2.1 – Молотковая мельница: 1 – электродвигатель; 2 – муфта;

3 – губка; 4 – загрузочный бункер; 5 – загрузочный люк с защелкой; 6 – корпус мельницы; 7 – била; 8 – металлическая решетка с ситовым полотном; 9 – порошок

Размол губки в молотковой мельнице происходит в течение нескольких минут, и получаемый порошок мало наклепывается, что исключает необходимость его последующего отжига.

Более тонкое измельчение обеспечивают бесколосниковые молотковые мельницы, рабочим органом которых является ротор с шарнирно закрепленными на нем тонкими пластинчатыми молотками.

 

21. Области применения наноструктурированных материалов.

Область применение наноматериалов

22. Калибровка валков при производстве сварных труб. Основные типы калибровок валков формовочных станов.

В настоящее время сварные трубы производят в основном печной сваркой и электросваркой из низкоуглеродистых и низко­легированных сталей.

Печной сваркой изготовляют водогазопроводные трубы диаметром 13,5–114 мм со стенкой толщиной 2–4 мм.

Процесс формовки и сварки штрипса в трубу на непрерывных станах печной сварки производится валками. Деформация (свертка) штрипса, начинающаяся на некотором расстоянии от формующих валков – внеконтактная деформация гиба. Протяженность внеконтактной деформации зависит от ширины штрипса, с увеличением ширины штрипса она увеличивается. Второй участок деформации – это контактная деформация гиба. Здесь свертка штрипса продолжается в формующих валках. Однако калибр этих валков заполняется неполностью. Угол обхвата штрипса равен 220–270°. Между кромками штрипса остается зазор, равный примерно 0,7 диаметра калибра. Во второй паре валков (сварочных) продолжается свертка штрипса до соприкосновения его кромок, уменьшение диаметра трубы (редуцирование) для создания необходимого давления на кромках и сварка.

Горячекатаный штрипс в рулонах 1 с помощью консольно-поворотного крана 2 устанавливают на разматыватель 3. С разматывателя штрипс поступает для правки на роликовую правильную машину 4. Каждый последующий рулон сваривают с концом предыдущего рулона (перед сваркой концы рулонов обрезают на ножницах 5) на стыкосварочной машине 6. Для обеспечения непрерывного процесса сварки труб во время сварки концов штрипса создают петлю между тянущими роликами, установленными за сварочной машиной и петлеобразователем 8. За этим петлеобразователем образуют вторую петлю 9, раз­мер которой остается все время постоянным благодаря регулятору 10. Этим создается постоянное натяжение штрипса при нагреве его в печи 11 туннельного типа. После нагрева производят формовку и сварку кромок штрипса на формовочно-сварочном стане 12, состоящем из 6–12 клетей с вертикальными и горизонтальными валками. Выйдя из формовочно-сварочного стана, труба поступает далее на редукционный стан 13. В зависимости от сортамента прокатываемых труб стан состоит из 10–14 клетей, в том числе 5–7 горизонтальных и 5–7 вертикальных.

Редукционный стан позволяет использовать штрипс одной ши­рины и из него получать трубы различного диаметра. Обжатие трубы по диаметру в каждой клети 5–10%. Затем на калибровоч­ном стане 14 производят калибровку трубы по наружному диаметру. Калибровочный стан состоит из трех клетей, из которых две крайние – горизонтальные, а средняя – вертикальная. Клети формовочно-сварочного, редукционного и калибровочного станов унифицированы.

Станы контактной электросварки труб различают по способу нагрева кромок. На этих станах производят сварку: радиочастот­ную (ток радиотехнической частоты подводится контактным или индуктивным способом); сопротивлением переменным током (кон­тактный подвод тока с частотой 150–450 гц) индукционную (то­ками высокой частоты); сопротивлением постоянным током и дуго­вым нагревом кромок неплавящимся электродом. Контактной электросваркой с нагревом кромок сваривают трубы диаметром 6–630 мм и толщиной стенки 0,5–8 мм, исполь­зуемые главным образом в качестве конструкционных (диаметром до 168–219 мм) и нефтегазопроводных (диаметром более 114 мм. Преимущества радиочастотной сварки – расширение диапазона свариваемых металлов и сплавов, значительное увеличение скорости сварки (до 120 м/мин), уменьшение грата, возможность сварки труб из горячекатаной полосы.

Электросварные трубы производят в поточной линии агрегатов. Все агрегаты стана по характеру технологических операций сгруппированы на трех основных участках: 1) подготови­тельной линии; 2) формовки, сварки и калибровки; 3) отделки труб.

Формовочный стан состоит из последовательно расположенных клетей с горизонтальными валками. В зависимости от размера свариваемых труб стан имеет от 5 до 12 клетей с горизонталь­ными валками, приводимыми во вращение от общего при­вода. Только станы, для полу­чения труб большого диаметра (159–529 мм) имеют индивиду­альный привод. Между клетями с горизонтальными валками устанавливают вертикальные неприводные валки.

Индукционную сварку труб применяют для производства водогазопроводных и конструкционных труб диаметром от 21,5 до 219 мм.

 

Рисунок 9.5 – Основные типы калибровок валков формовочных станов На современных трубосварочных станах широко применяют редуцирование труб. Поэтому вместо калибровочных устанавли­вают редукционно-калибровочные станы с числом клетей до 26.

 

23. Порошковые технологии компактирования материалов.

Компактирование является технологическим процессом в результате которого из порошка получают готовую деталь. Процесс обычно проводят в две стадии: формовка и спекание. В ряде методов обеспечивается совмещение этих стадий в одну. Для получения объемных наноматериалов из порошков в основном используется формовка при комнатной температуре с последующим спеканием

Компактирование плотных прессовок из ультрадисперсных порошков с равномерной плотностью по объёму является серьёзной проблемой, поскольку нанопорошки плохо прессуются и традиционные методы статического прессования не приводят к достаточно высокой плотности. Физической причиной плохой прессуемости нанопорошков являются межчастичные адгезионные силы, относительная величина которых резко возрастает с уменьшением размера частиц, а значит, и существенно возрастает компонента межчастичного трения в прессуемом порошковом теле. В то же время для пылевидных НП характерна низкая насыпная плотность вследствие большого объёма сорбированных газов. Поэтому традиционные методы статического прессования не приводят к достаточно высокой плотности.

Дисперсность порошков оказывает на уплотняемость гораздо большее влияние, чем их физико-механические свойства; например, в ультрадисперсном состоянии порошки пластичного никеля и хрупкого нитрида кремния прессуются практически одинаково, несмотря на различия их свойств. Тем не менее, тип НП (относительно пластичные металлы и сплавы или упругие материалы – оксиды, нитриды, бориды и т.п.) имеет существенное значение для описания процесса их прессования и разработки оптимальных методов компактирования.

В монографиях среди проблем изготовления нанокерамики одной из основных проблем тоже указывается проблема компактирования нанопорошков. Чтобы получить равноплотную порошковую прессовку, которая будет хорошо спекаться, необходимо давление, достаточное для перераспределения частиц в прессовке до достаточно высокой плотности. Поскольку в единичном объеме существует огромное число наноразмерных частиц, значительно сопротивление трения скольжения, связанное с большим числом межчастичных контактов. Кроме того, нанокерамические порошки обычно содержат твёрдые агломераты (сильно связанные частицы), которые требуют разрушения до перераспределения в процессе прессования.

К способам компактирования, использующим специфические свойства нанопорошков можно отнести: сверхпластичное формование в заданную форму; консолидацию с фазовым превращением; сухое ультразвуковое компактирование.

Метод ультразвукового компактирования эффективен для сухого формования непластичных керамических нанопорошков и будет подробно описана в следующих лекциях.

Во всех методах компактирования должно быть предусмотрено соблюдение следующих специальных условий для нанопорошков: дезагрегирование нанопорошков после хранения; удаление значительного количества адсорбатов на каком-либо из этапов технологии; учёт, компенсация или снижение высокого межчастичного и пристенного трения, упругого последействия при компактировании нанопорошков; предотвращение интенсивной коагуляции частиц в компакте (требуется высокий коэффициент связности частиц при низкой степени пластической деформации в межчастичных контактах), т.е. не всегда полезна высокая плотность компакта из нанопорошков перед спеканием; контроль размеров пор и распределения пор в объёме компакта перед и в процессе спекания.

24. Штамповка- вырезка металлов полиуретаном. Просечка отверстий. Разработка технологического процесса.

Процесс штамповки деталей из листового металла позволит вам изготовить плоские или объемные изделия. Изготовление происходит посредством штампов, которые закреплены на пресс, либо с применением других элементов. Существует два типа листовой штамповки: горячая штамповка и холодный тип. Первый тип штамповки заключается в резке, рубке или пробивке материала – его называют разделительный. Существует также вариант штамповки, когда происходит формовка, вытяжка, холодное выдавливание и прочие манипуляции с листовым металлом. Также существуют горячая и холодная штамповки листового металла.

Горячую штамповку используют только на крупном производстве: используя этот метод, происходит изготовление днищ для котла, разнообразных деталей в форме полушарий, буев и пр. При горячей штамповке, чтобы нагреть детали, используют специальное оборудование – пламенные печи или печи, работающие на электричестве, либо другое электронагревательное оборудование.

При холодной штамповке пресс создается с помощью давления и подобное оборудование не используется. Холодный вид штамповки металла более удобен, т.к. в этом случае возможно изготовление изделий законченного вида, которым не нужна дополнительная резка. Во время штамповки холодного типа бывает изготовлена как объемная, так и плоская деталь крупного или мелкого размера. Холодная штамповка может быть двух типов: разделительной и формоизменяющей.

Разделительная штамповка металла — это резка, вырубка или пробивка деталей. Резка деталей заключается в разделении металлической заготовки на части по заранее определенным кривым или прямым линиям. Резка широко применяется на производстве – с ее помощью делают готовые детали, либо раскраивают листовой металл, разделяя его на полосы нужного размера. Для резки необходимо специальное оборудование, а именно дисковые или вибрационные, гильотинные или другие профессиональные ножницы.

Технология вырубки листового металла заключается в производстве деталей, имеющих замкнутый контур. А процесс пробивки используют, чтобы сделать в детали отверстия требуемой формы. Технология штамповки деталей из листового металла требует специального оборудования: это ножницы, кривошипный пресс и гидравлический пресс, имеющий несколько шайб и поверхность матрицы.

Для холодной штамповки чаще всего используют гидравлический пресс, т.к. это оборудование бывает разнообразных конструкций и делает возможным изготовление деталей разных форм с уменьшением расхода материала. Также выбор пресса зависит от работы, которую нужно провести с заготовкой. К примеру, чтобы сделать вырубку и пробивку, требуется пресс простого действия, который отличается небольшим ходом ползуна и шайб, а также уменьшением расхода материала. Чтобы произвести вытяжку, нужен пресс, имеющий двойное действие и заметно больший ход ползуна и шайб. По конструкции прессы бывают однокривошипные, двухкривошипные, четырехкривошипные, но все они отличаются наличием матрицы.

Просечка отверстий

Вырезной шаблон, выполняющий роль пуансона и имеющий форму вырезаемой детали, устанавливается на подштамповую плиту (боек). На шаблон укладывается заготовка, размеры которой больше размеров вырезного шаблона на припуск. При опускании контейнера эластичная подушка прижимает заготовку к вырезному шаблону, отгибает припуск по режущей кромке шаблона и защемляет припуск между подушкой и подштамповой плитой. При дальнейшем увеличении давления в контейнере происходит разделение металла по режущей кромке вырезного шаблона.

Процесс вырезки может осуществляться по схеме, когда контейнер с эластичной подушкой устанавливается на нижней плите пресса, а подштамповая плита (боек) крепится к ползуну. В этом случае заготовка укладывается непосредственно на эластичную подушку, а вырезной шаблон устанавливается на заготовку.

При вырезке деталей по схеме с нижним расположение контейнера обеспечивается возможность более равномерного распределения припуска по всему периметру шаблона, но затрудняется удаление отштампованных деталей и отходов.

25. Хлоридный способ получения порошков железа.

Сущность этого гидрометаллургического метода заключается в растворении исходного железосодержащего материала в соляной кислоте с образованием раствора хлористого железа (примеси и балластные вещества отделяются в виде нерастворимого остатка) и последующем его восстановлении водородом с получением чистого порошка железа. В основе процесса лежит реакция Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ – Q, протекающая в первой фазе процесса (растворение железа, содержащегося в исходном материале) слева направо, а на заключительной стадии (восстановление полученного хлорида железа водородом) справа налево. Промежуточные стадии процесса (фильтрация раствора хлорида железа, его упаривание и кристаллизация) осуществляются с изменением агрегатного, но не химического состояния перерабатываемого продукта.

Одна из возможных технологических схем (рисунок 8.2) хлоридного способа включает операции загрузки в обогреваемый паром герметичный реактор (с кислотостойкой футеровкой), стального (чугунного) скрапа, стружки, лома или дешевой железной губки, заливки его 15–20 %-й соляной кислотой и слива раствора хлорида железа в отстойник через фильтр. После этого раствор направляют в упариватель, где при разрежении 400–650 гПа и температуре 60 °С получают насыщенный горячий раствор, который направляют в кристаллизатор, где при охлаждении до 5 °С выпадают кристаллы FeCl₂·4H₂O, в которые переходит до 75 % Fе.

 

Рисунок 8.2 – Аппаратурно-технологическая схема получения железного порошка хлоридным способом: 1 – емкость с раствором соляной кислоты;

2 – реактор с кислотостойкой футеровкой; 3 – отстойник; 4 – фильтр; 5 – упариватель; 6 – кристаллизатор; 7 – центрифуга; 8 – сушильная камера; 9 – пресс для брикетирования кристаллов хлористого железа;

10 – восстановительная печь; 11 – пылеуловитель; 12 – скруббер; 13 – осушитель; 14 – компрессор; 15 – очиститель для улавливания HCl и H₂S

Примеси, присутствующие в исходном железосодержащем материале, остаются в отвальном кеке после фильтрации раствора, а небольшое количество некоторых примесей, перешедших в раствор (Са, Мg и др.), остается в маточном растворе.

Выпавшие кристаллы хлорида железа после центрифуги обезвоживают в сушильной камере при температуре до 60 °С и разрежении 250–400 гПа до состава FeCl2·2H2O или FeCl2 и брикетируют на прессе, после чего направляют в восстановительную печь.

Хлорид железа плавится при 673 °С, поэтому восстановление ведут подогретым водородом при 550–600 °С в шахтной печи периодического действия с загрузкой большого числа брикетов. Равновесное парциальное давление водорода в 7-8 раз выше парциального давления хлористого водорода, это вынуждает подавать водород в печь с большим избытком по отношению к количеству образующегося в единицу времени хлористого водорода.

Продукт восстановления (слабо сцепленные частицы) подвергают измельчению в молотковой или вихревой мельнице. Получаемый мелкозернистый порошок железа содержит, % (не более): 0,1 О, 0,015 С; 0,005 Сl; 0,006 Si. Избыточный водород и пары хлористого водорода, выходящие из восстановительной печи, через пылеуловитель поступают в водяной скруббер, где хлористый водород поглощается водой; раствор соляной кислоты перекачивают в напорный бак с соляной кислотой, расположенный над реактором.

Водород, выходящий из скруббера, поступает по трубам через осушитель, присоединяется к очищенному водороду, выходящему из реактора, и подается в восстановительную печь.

Таким образом, соляная кислота и водород регенерируются в замкнутом цикле. Некоторые случайные потери водорода и соляной кислоты компенсируют подачей их свежих порций в систему.

Хлоридный способ применяют также для получения природнолегированных (2,5–8,0 % легирующих элементов) порошков железа.

 

26. Методика подготовки экспериментального исследования.

 

27. Технология производства полимерных труб. Калибрующее устройство.

Технологическая совместимость полимеров - необходимое условие получения практически ценных композиций. Взаимную растворимость полимеров на молекулярном уровне ограничивают термодинамические причины. Совместимость полимеров довольно сложно надежно оценить, и в литературе можно обнаружить противоречивые сведения о совместимости одних и тех же пар полимеров.

Технологическая схема производства. Процесс получения гладких, перфорированных, армированных, гофрированных труб и шлангов имеет общие технологические стадии, такие как:

- формование исходной заготовки методом экструзии расплава через головку;

- калибровка;

- одно- или двухстадийное охлаждение готового изделия в процессе его равномерной транспортировки;

- резка,

- упаковка, а также много специальных стадий необходимых для реализации в производстве соответствующих требований технологии и технических требований на изделия. Например, напорные трубы обязательно маркируются горячим инструментом или несмываемой краской.

Полимерные трубы являются весьма ответственным видом изделий, так как они предназначены для работы под давлением, под осевым нагружением; кроме того, геометрические размеры труб должны точно соответствовать техническим требованиям.

Технологическая схема агрегата для получения труб:

1 – экструдер; 2 – прямоточная кольцевая (трубная) головка;

3 – термоизоляционное кольцо; 4 – калибрующе-охлаждающее устройство;

5 – ванна с водой; 6 – тянущее устройство; 7 – отрезное устройство;8 – приемное устройство; 9 – труба

Гранулы полимера направляются в бункер экструдера 1. Расплав продавливается в прямоточную кольцевую головку 2, к которой примыкает теплоизолирующая кольцевая втулка 3. К головке, через втулку, соосно с дорном головки, крепится калибрующее устройство 4. В калибраторе происходит калибровка экструзионной заготовки до необходимых размеров либо по внутреннему, либо по внешнему диаметру. Здесь же труба частично охлаждается и приобретает формоустойчивость, достаточную для дальнейшего охлаждения. Частично охлажденная и калиброванная труба далее поступает в ванну 5, где окончательно охлаждается проточной водой, после чего проходит счетно-маркирующее устройство. Все движение экструдата и трубы после головки осуществляется тянущим устройством 6, захватывающие элементы которого соответствуют профилю гладкой или гофрированной трубы. После тянущего устройства трубы большого диаметра режутся отрезным устройством 7 на мерные отрезки, а трубы малых диаметров и шланги наматываются на барабан или в бухты. Готовые изделия собирают в накопитель 8 и транспортируют на склад.

Калибрующее устройство. При производстве труб и шлангов применяют два вида калибровки: по наружному и по внутреннему диаметру трубы или шланга. На рисунке 13.9 показана схема пневматической (избыточным давлением) калибровки трубы по наружному диаметру. Это трубная рубашка (4, 5), в которую через штуцер подается холодная вода. Эта насадка прикрепляется к головке через термоизоляционное кольцо 2. В трубу нагнетается сжатый воздух через каналы в дорне головки (1, 7). Внутри трубы-заготовки помещают несколько скользящих пробок с резиновыми манжетами, чтобы поддерживать высокое давление воздуха. Пробки крепятся тросом 6 к дорну головки.

Сравнительно недавно считалось, что пневматическая калибровка незаменима для производства труб больших диаметров, а вакуумная калибровка (прижим заготовки к перфорированному или пластинчатому калибратору осуществляется вакуумом, создаваемым в герметичной ванне) применялась для получения шлангов, но в последние годы освоена вакуумная калибровка всех размеров труб. Некоторые разновидности калибраторов изображены на рисунках 13.10 ÷ 13.12.

Недавно появившиеся калибраторы регулируемого сечения облегчают регулировку размеров труб. Калибровка гофрированных труб происходит в гофраторах различной конструкции (рисунки 13.13 ÷ 13.15).

 

Рисунок 13.9 – Схема калибрующего устройства с применением внутреннего давления (калибровка трубы по наружному диаметру)

1 – трубная головка экструдера; 2 – термоизоляционное кольцо;

3 – экструзионная трубная заготовка; 4 - калибрующая пустотелая труба;

5 – водяная рубашка; 6 – трос; 7 – скользящие пробки; 8 – калиброванная труба; D_H – наружный диаметр трубы; S – толщина стенки трубы; L – длина охлаждающей зоны; Т₀ и T_i – температуры на входе в насадку и на внутренней поверхности трубы; Т_m – средняя температура стенки трубы на выходе из насадки; Т₀₁ и T₀₂ – температуры внутренней поверхности насадки в начале и конце контакта с трубой

 

Рисунок 13.10 – Калибратор вакуумный. Назначение: калибровка ПВХ-труб

диаметром 10-630 мм. Принцип действия: интенсивное охлаждение

Для калибровки трубы по внутреннему диаметру применяют перфорированный калибратор, охлаждаемый водой, или для интенсификации охлаждения, хладагентом с температурой ниже 0ºС и соединенный с вакуумной линией. Низкотемпературные хладагенты применяются, например для калибровки первого слоя многослойной гофртрубы.

Калибратор, помещенный внутрь трубы, разделен на три зоны. В первую подается охлаждающая вода или хладоагент, во второй, где и происходит калибровка, создается вакуум. В этой зоне калибровочная насадка перфорирована. В третьей зоне происходит охлаждение калиброванной трубы.

54. Методы с использованием технологий обработки поверхности. Технологии, основанные на физических процессах. Лазерная группа методов.

Технологии обработки поверхности материалов к настоящему времени представляют собой одну из наиболее развивающихся областей науки о материалах. Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано- и микроизделий. Данные методы можно условно подразделить на две большие группы – технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах.

Лазерная группа методов

Наноструктурное состояние при данных методах достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности. Используется импульсное лазерное излучение с плотностью энергии 10³…10¹⁰ Вт/см² и временем импульса 10^-2…10^-9 с. В ряде случаев применяется и непрерывное излучение СО₂-лазеров с плотностью энергии 10⁵⁷ Вт/см² со скоростями сканирования луча, обеспечивающими время взаимодействия материала с излучением 10^-3…10^-8 с. Под действием лазерного облучения поверхностный слой материала толщиной 0,1…100 мкм очень быстро расплавляется и затем затвердевает со скоростями охлаждения 10⁴…10⁸ К/с. При этом основная масса металлического материала вследствие кратковременности термического воздействия не нагревается и обеспечивает высокие скорости теплоотвода. Высокие скорости охлаждения позволяют достигать получения нанокристаллической или даже аморфной структуры. В последнем случае нанокристаллическое состояние получают с помощью проведения дополнительной контролируемой кристаллизации при термообработке.

Лазерное легирование или лазерная имплантация связана с дополнительным введением в оплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводиться как за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения. При этом легирование может преследовать две основные цели: 1. создание на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и, следовательно, свойствами, отличающимся от основного металла; 2. облегчение формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностного слоя.