Обработка металлов давлением
Обрабо́тка мета́ллов давле́нием, комплекс технологических процессов, применяемых для формоизменения, улучшения свойств и качества металлических заготовок в результате их пластической деформации (под действием внешних сил) без нарушения сплошности.
Возникновение обработки металлов давлением относится к эпохе освоения производства металлов и изделий из них (например, ручная ковка для изготовления оружия, орудий труда, предметов быта и т. п.). Современные технологические процессы обработки металлов давлением широко применяются на металлургических и машиностроительных предприятиях для изготовления поковок, штамповок, прутков, профилей, труб, листов, фольги, проволоки, а также в качестве окончательной операции при изготовлении различных деталей.
Разнообразие форм и размеров изделий, получаемых при обработке металлов давлением, достигается различными способами пластичной деформации, основные из них – ковка, штамповка, прессование, прокатка, волочение. Формообразующие операции при изготовлении деталей из листовых заготовок включают гибку, глубокую вытяжку, отбортовку и др.
Локальная пластичная деформация используется для поверхностного упрочнения деталей, накатки зубьев шестерён, резьбы крепёжных изделий и т. п. Применяют обработку металлов давлением также при изготовлении биметаллических и многослойных композиций путём совместной пластичной деформации, в том числе для разнородных металлов, не свариваемых плавлением.
Обработка металлов давлением осуществляется с использованием молотов, гидравлических и механических прессов, прокатных и волочильных станов и др. В результате приложения внешних сил к деформирующему инструменту создаётся необходимый уровень напряжений в зоне (очаге), обеспечивающий пластичную деформацию заготовки.
Способность металлов и сплавов к обработке давлением определяется содержанием легирующих элементов и примесей, типом кристаллической решётки, наличием и характером дефектов кристаллической решётки (дислокаций, вакансий), размерами зерна, формой и строением (морфологией) частиц карбидов, интерметаллидов и др., а также технологическими факторами – температурой, скоростью и схемой приложения напряжений. Пластичная деформация осуществляется в результате сдвига по определённым плоскостям скольжения кристаллической решётки, двойникованием или межзёренным проскальзыванием. Эффективность каждого из этих механизмов зависит от структуры заготовки и термомеханических условий проведения процесса деформации.
В зависимости от технологических свойств исходной заготовки, требований к структуре и свойствам изделия применяют холодную, горячую и тёплую деформацию. При обработке металлов давлением условно считают деформацию горячей (относительно температуры плавления металлической заготовки – tпл) при температурах выше 0,7tпл, холодной – ниже 0,3tпл и тёплой – (0,3–0,7)tпл.
Горячая деформация применяется в качестве первичной операции обработки металлов давлением или для изготовления заготовок под механическую обработку. Процесс горячей деформации характеризуется полным или почти полным отсутствием упрочения в результате прохождения рекристаллизации.
Холодная деформация сопровождается упрочнением металла (нагартовка, наклёп), что ограничивает эффективность формоизменения заготовки и вызывает необходимость проведения межоперационной термической обработки (отжиг, закалка и др.) для восстановления пластичности. Процесс позволяет получать более точные размеры, высокое качество поверхности и требуемые свойства изделий (по сравнению с горячей деформацией). Тёплая деформация применяется в случае недостаточной пластичности материалов при холодной деформации или необходимости формирования заданной структуры.
Обработка металлов давлением, наряду с экономичностью в использовании металла, обеспечивает повышение технологических и эксплуатационных свойств изделия в результате формирования оптимального структурно-фазового состава. Усложнение химического и фазового составов металлических сплавов с целью повышения функциональных свойств сопровождается снижением их технологической пластичности и повышением сопротивления деформации, что вызывает трудности при изготовлении изделий с применением традиционных технологий.
Для обработки металлов давлением труднодеформируемых сплавов применяются разработанные в конце 20 в. процессы изотермической и сверхпластичной деформации при оптимальных температурных и скоростных параметрах. Создано специализированное оборудование, обеспечивающее формоизменение заготовки по заданной программе. В целях интенсификации процессов обработки металлов давлением используются также различные способы воздействия на очаг деформации – УЗ-колебаний, электрического тока (электростимуляция), магнитного поля, взрывной волны.
Для формирования в металлах и сплавах ультрамелкозернистых и наноразмерных структурных составляющих используются методы интенсивной пластичной деформации (ИПД). К наиболее изученным методам ИПД относится равноканальное угловое прессование, при котором заготовка без изменения площади поперечного сечения многократно продавливается через угловые каналы, расположенные под определённым углом относительно друг друга.
Е. И. Разуваев