Przeróbka plastyczna na zimno i na gorąco oraz skutki tych zjawisk
Wstęp
Celem większości procesów przeróbki plastycznej jest nadanie wsadowi żądanego kształtu, jak również odpowiednich własności fizycznych. Uzyskuje się przez to wywołanie odpowiednich odkształceń plastycznych w przerabianym materiale, bez naruszania jego spójności.
Odkształceniem plastycznym nazywa się odkształcenie trwałe, pozostające w materiale po usunięciu obciążenia, które spowodowało to odkształcenie.
Naruszenie spójności zależy zarówno od własności i składu chemicznego odkształcanego metalu, jak również od warunków, w jakich odbywa się odkształcenie. Ważnym zagadnieniem jest zatem zapewnienie z jednej strony korzystnych własności plastycznych materiału, a z drugiej takich warunków odkształcenia, aby materiał w czasie przeróbki plastycznej nie uległ zniszczeniu.
Do wytwarzania wyrobów o różnorodnych kształtach stosuje się wiele różnych sposobów przeróbki plastycznej, takich jak: walcowanie, kucie, wyciskanie, ciągnienie, tłoczenie itp.
Ciało o określonych wymiarach, w wyniku przemieszczania metalu w nowe położenie, uzyskuje w czasie plastycznego kształtowania inny pożądany kształt- z zachowaniem spójności i tej samej masy. Przy opracowywaniu procesu technologicznego czy analizie odkształcenia istnieje konieczność prowadzenia obliczeń wiążących wymiary ciała przed i po odkształceniu. Określenie takich związków jest możliwe przy wykorzystaniu szeroko stosowanego prawa stałej objętości, która mówi, że objętość ciała przed odkształceniem równa jest jego objętości po odkształceniu. Suma przemieszczonych objętości w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach jest równa zero. Jednakże objętość odkształconego ciała w oddzielnych przypadkach odkształcenia plastycznego może ulegać pewnym zmianom. Odnosi się to przede wszystkim do początkowych etapów odkształceń wlewków, gdy występuje zwiększenie gęstości metalu wskutek eliminowania pustych przestrzeni, będących rezultatem krystalizacji metalu ze stanu ciekłego. Na przykład: walcowanie wlewka ze stali nieuspokojonej w pierwszych czterech, pięciu przepustach prowadzi do zwiększenia gęstości. Dalsze odkształcanie w stanie gorącym odbywa się już praktycznie bez zmiany objętości. Natomiast odkształcenie metalu na zimno (wytłaczanie, ciągnienie) wskutek poślizgów wewnątrz ziarn, mechanicznego rozdrabniania kryształów na części, prowadzi do pojawienia się mikropustek w strukturze. W tych przypadkach następuje zmniejszenie gęstości.
Walcowanie
Walcowanie metali może się odbywać na gorąco i na zimno za pomocą nacisków wywieranych na materiał przez obracające się walce, które nadają mu wymagany kształt. Bardzo cienkie blachy, taśmy i folie walcuje się na walcarkach wielowalcowych. Walcowanie kształtowników, prętów i walców polega na stopniowym kształtowaniu profilu walcowanego materiału, w kolejnych kalibrowanych wykrojach walców bruzdowych. Stosuje się walcowanie rur, obręczy kół, gwintów, kół zębatych, wielowypustów itp.
Po odkształceniu ziarna przybierają wydłużony kształt. Zmienia się także ich wzajemne położenie. Kąt między płaszczyznami poślizgu dwóch ziarn zmniejsza się . Wydłużające działanie walców jest wykorzystywane podczas walcowania blach, np. do rozwalcowywania materiału wsadowego na żądaną szerokość. Walcowanie blach grubych odbywa się z kęsisk płaskich czy z wlewków, których szerokość i długość jest mniejsza od szerokości blachy. Stosowane są dwa sposoby uzyskania określonej szerokości:
Walcowania dwukierunkowego
Walcowania „pod kątem” zwanego również walcowaniem „na ukos”.
Walcowanie dwukierunkowe polega na walcowaniu w pierwszej fazie w ten sposób, że oś symetrii długości pasma jest zgodna z kierunkiem walcowania. Następnie, po przewalcowaniu na określoną szerokość, pasmo obraca się o 90 stopni w płaszczyźnie poziomej (oś symetrii długości jest prostopadła do kierunku walcowania) i walcowanie odbywa się na końcową grubość.
W czasie walcowania „pod kątem” szerokość i długość pasma ulega ciągłym zmianom, zależnie od kąta podania pasma do walców.
Kucie
Kucie i prasowanie są to procesy polegające na odkształcaniu metalu, przy wykorzystaniu ich własności plastycznych, za pomocą nacisku lub energii uderzenia narzędziami o różnych kształtach. Jeżeli narzędzie wywiera nacisk tylko na część powierzchni metalu, a pozostałe powierzchnie nie są ograniczone kształtem narzędzia i odkształcony metal może płynąć w kilku dowolnych kierunkach, to kucie lub prasowanie nazywa się swobodnym. Natomiast gdy ściany narzędzia ograniczają swobodne płynięcie metalu i odkształcony metal przybiera kształt narzędzia, to kucie lub prasowanie nazywa się matrycowym.
W efekcie odkształcenia otrzymuje się za pomocą kucia wyroby zwane odkuwkami.
Nagrzewanie wsadu przed kuciem odbywa się w piecach grzewczych lub bezpośrednio za pomocą prądu elektrycznego.
Materiały odkształcane są plastycznie pod wpływem udarów lub nacisków narzędzi.
W procesach kucia obowiązują następujące prawa:
Prawo stałej objętości: objętość metalu odkształcanego kuciem pozostaje niezmienna.
Prawo najmniejszego oporu płynięcia: w wyniku plastycznego odkształcania kuciem metal płynie w kierunku najmniejszego oporu, tj. w tym, w którym siły tarcia metalu o kowadło są najmniejsze.
Prawo podobieństwa Kicka: praca potrzebna do jednakowego odkształcenia ciał geometrycznie podobnych, o takich samych własnościach i w jednakowych warunkach jest proporcjonalna do ich objętości.
Wyciskanie
Wyciskanie jest podstawową metodą wytwarzania rur, prętów i profili z metali kolorowych i ich stopów.
Wyroby wyciskane charakteryzują się dobrymi własnościami mechanicznymi, dużą dokładnością wymiarów, czystą i gładką powierzchnią.
Wyciskanie jest to proces, w którym za pomocą narzędzi wywiera się nacisk na metal umieszczony w pojemniku (recypiencie), co powoduje wymuszone jego płynięcie przez odpowiednią szczelinę.
Zależnie od budowy narzędzi i warunków procesu można wyróżnić szereg odmian wyciskania. Wyciskanie, w zależności od temperatury odkształcanego metalu, można prowadzić na gorąco (powyżej temperatury rekrystalizacji) i na zimno. Przy wyciskaniu na gorąco następuje zwiększenie plastyczności materiału z jednoczesnym obniżeniem naprężeń uplastyczniających, więc odkształcenie staje się łatwiejsze i można stosować prasy o mniejszym nacisku.
Wyciskanie na zimno jest stosowane głównie do wytwarzania wyrobów drobnych i o dużej dokładności wymiarowej.
W zależności od kierunku płynięcia metalu w stosunku do ruchu roboczego narzędzia, wyciskanie można podzielić na: współbieżne, przeciwbieżne, zlożone i z wpływem bocznym.
Ciągnienie
Ciągnieniem nazywa się proces plastycznej przeróbki, przeważnie na zimno, w którym metal, przesuwany przez stożkowe narzędzie, zmienia wymiary lub kształt przekroju poprzecznego. Proces ten jest stosowany głównie w produkcji drutu, prętów oraz rur i wykazuje wiele zalet w stosunku do innych stosowanych technologii, a jako jedyny- w przypadkach: wykonywania drutów o małych średnicach, wytwarzania rur o małej grubości ścianki oraz przy wysokich wymaganiach co do własności mechanicznych i jakości powierzchni wyrobów.
Opracowano między innymi procesy ciągnienia: w warunkach smarowania hydrodynamicznego oraz hydrostatycznego, z wykorzystaniem ultradźwięków, w podwyższonych temperaturach, a także z zastosowaniem obróbki cieplno- plastycznej.
Siła konieczna do ciągnienia zależy od szeregu czynników, takich, jak: mechaniczne i fizyczne własności odkształcanego metalu, w warunkach procesu, stopień odkształcenia, kształt przekroju podłużnego ciągadła, współczynnik tarcia i zachodzące procesy termiczne.
Tłoczenie
Tłoczeniem nazywa się proces technologiczny przeróbki plastycznej na zimno lub na gorąco blach, płyt lub folii, obejmujący cięcie i kształtowanie z nich przedmiotów o małej grubości w stosunku do szerokości i długości.
Cięcie jest procesem tłoczenia, polegającym na oddzieleniu jednej części materiału od drugiej. Oddzielaniu poszczególnych części towarzyszą znaczne odkształcenia plastyczne, doprowadzające do naruszenia spójności materiału.
Rozróżnia się cięcie na nożycach oraz cięcie przyrządem na prasach, zwane wykrawaniem.
Operacje cięcia dzieli się na: odcinanie, wycinanie, dziurkowanie, przycinanie, okrawanie, nacinanie, rozcinanie i wygładzanie.
Kształtowanie jest to proces tłoczenia materiału bez naruszenia jego spójności. Kształtowanie, przy którym zostaje zachowana prostoliniowość tworzących, a zmiana krzywizny zachodzi w jednej płaszczyźnie, nazywa się gięciem. Do gięcia zalicza się operacje wyginania, zaginania, zwijania i zawijania. Natomiast kształtowanie wyrobu przez wtłaczanie blachy stemplem do otworu matrycy celem otrzymania przedmiotu wydrążonego nazywa się ciągnieniem lub głębokim tłoczeniem. Do ciągnienia zalicza się wytłaczanie, czyli ciągnienie z płytki wsadowej (uzyskuje się miseczkę) oraz przetłaczanie, czyli dalsze ciągnienie miseczki w celu zmniejszenia jej wymiarów poprzecznych. Oprócz wymienionych rozróżnia się jeszcze następujące operacje kształtowania: skręcanie, profilowanie, wygniatanie, dotłaczanie, obciąganie, wywijanie, obciskanie, rozpęczanie, wybijanie, wyoblanie i zgniatanie obrotowe.
Podatność blach do tłoczenia zależna jest od czynników materiałowych i technologicznych.
Do czynników technologicznych należą: przebieg samego procesu tłoczenia, stan narzędzi, rodzaj stosowanych smarów.
Wśród czynników materiałowych podstawowe znaczenie ma skład chemiczny materiału, jego struktura i tekstura krystalograficzna oraz chropowatość powierzchni.
Istnieje wiele metod oceny ogólnej podatności blach do tłoczenia na drodze laboratoryjnych prób tłoczności.
Niezależnie jednak od wszystkich wskaźników szczegółowych, pewnymi ogólnymi wskaźnikami podatności do kształtowania na zimno są również własności wytrzymałościowe i plastyczne materiałów.
Skutki przeróbki plastycznej metali
Odkształcenie plastyczne wywołuje wzrost gęstości defektów sieci, głównie punktowych i liniowych, a tym samym nagromadzenie energii odkształcenia, które jest tym większe, im niższa jest temperatura tego procesu. Powoduje to zmiany własności fizycznych i mechanicznych metali i stopów, co przyjęto nazywać zgniotem. Zmiany te są trwałe, jeśli odkształcenie zachodzi w zakresie temperatur, w którym szybkość procesów dyfuzyjnych jest mała. Ma to zwykle miejsce w temperaturze poniżej ok. 0,4 bezwzględnej temperatury topnienia; mówimy wówczas o odkształceniu na zimno.
Wielkość powstałych zmian strukturalnych w odkształconym w warunkach zgniotu metalu jest uzależniona od stopnia odkształcenia, który może być jednocześnie miarą zgniotu.
Dyslokacje są odpowiedzialne za umocnienie mechaniczne, które objawia się wzrostem własności wytrzymałościowych- twardości, granicy plastyczności i wytrzymałości oraz obniżeniem własności plastycznych- wydłużenia, przewężenia i udarności.
Politechnika Częstochowska
Wydział Metalurgii i Inżynierii Materiałowej
Przeróbka plastyczna na zimno i na gorąco oraz skutki tych zjawisk.