В зависимости от требований к конечному изделию термическая обработка производится различными методами.
Процессы сушки используют при получении конечных полупродуктов в виде гранул, брикетов, а также для обезвоживания растворов, шламов и суспензий; путем последующей досушки, обжига или спекания сгранулированного или сформованного материала получают конечное изделие. В этих случаях закономерности тепло- и массопереноса такие же, как при проведении основных технологических процессов сушки в химической промышленности и при производстве строительных материалов.
В процессе спекания агломератов и сформованных заготовок частицы порошка объединяются в монолитное поликристалличе- ское твердое тело со свойствами, близкими к свойствам компактного материала. Процесс термообработки состоит из двух этапов.
Первыйэтап - удаление технологической связки - происходит при температурах испарения и плавления связующего и завершается при температуре начала спекания частиц порошка. Второй этап - спекание - начинается при температуре, соответствующей взаимному припеканию частиц друг к другу, и продолжается до температуры получения монолитного тела, составляющей примерно 0,8 температуры плавления керамического материала. Режим обжига выбирают исходя из химического и гранулометрического состава шихты из отходов, метода формования или прессования, а также размера и вида изделия.
В процессе спекания исходная шихта (сформованная или спрессованная) представляет собой термодинамически неустойчивую дисперсную систему с большим запасом свободной энергии.
Процесс спекания условно можно разделить на три стадии.
На первой стадии движущей силой является избыток свободной поверхностной энергии мелкодисперсных частиц, стремящийся за счет возникающего давления сжать заготовку и уменьшить ее свободную поверхность. Частицы скользят по границам зерен, что приводит к уплотнению заготовки и ее усадке.
Навторой стадии происходит припекание частиц в местах контактов, созданных на первой стадии. При обжиге контакты между частицами расширяются, а форма и размеры пор непрерывно меняются. Кинетика этого процесса определяется скоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. На этой стадии вязкое течение среды определяется механизмом поверхностной диффузии атомов по поверхностям спекающихся частиц к области контактного перешейка.
На третьей стадии в спекающемся теле остаются лишь замкнутые изолированные поры и дальнейшее уплотнение возможно только за счет уменьшения их числа и объема (процесс залечивания). Конечная стадия спекания является наиболее длительной.
Процесс пиролиза находит применение при переработке отходов древесины, пластмасс, резиновых изделий, ТБО и шламов нефтепереработки и представляет собой процесс разложения отходов древесины, другого растительного сырья при их нагревании до температуры 450-1050 °С без доступа воздуха. При этом образуются газообразные и жидкие продукты, а также твердый угле
родный остаток (древесный уголь при переработке древесины, технический углерод при утилизации покрышек).
В зависимости от температуры нагрева пиролизные установки делятся на низкотемпературные (450-500 °С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков; среднетемпературные (до 800 °С) с повышенным выходом пиролизного газа и уменьшенным выходом смол и масел; высокотемпературные (свыше 800 °С) с максимальным выходом газов и минимальным - смолообразных продуктов.
Высокая температура интенсифицирует утилизацию отходов. Скорость реакций с повышением температуры растет по экспоненте, а тепловые потери увеличиваются линейно. При этом происходит более полный выход летучих продуктов и сокращается объем образующегося твердого остатка. При пиролизе нежелателен диапазон температур 1050-1400 °С, поскольку приводит к образованию шлаков, особенно в ТБО.
Процесс пиролиза проводят в печах периодического или непрерывного действия различных конструкций (камерных, туннельных, шахтных, с движущимися слоями) с наружным и внутренним обогревом. На начальном этапе при повышении температуры протекают эндотермические процессы. При нагреве древесины или других растительных отходов до 150 °С удаляется влага, а при температурах 170-270 °С образуются газы СО и С0 2 и небольшие количества метилового спирта и уксусной кислоты. При 270-280 °С начинаются экзотермические превращения. Выход неконденсирующихся газов, таких, как СО и С0 2 , уменьшается и одновременно увеличивается выход других газообразных и парообразных веществ (СН 4 , С 2 Н 4 , Н 2), а также метилового спирта и уксусной кислоты. На скорость процесса влияют размер кусков перерабатываемых отходов, их влажность и температура.
Выходящие из печи газы охлаждают и выделяют из них ценные компоненты. Получающийся древесный уголь используют в производствах активных углей, черных порохов и в других процессах.
Вопрос финишной обработки закаленной стали решается в современном производстве в основном абразивной обработкой. До последнего времени это объяснялось разным уровнем оборудования для шлифования и лезвийной обработки. Токарные станки не могли гарантировать ту же точность, что достигалась на шлифовальных станках. Но сейчас современные станки с ЧПУ имеют достаточную точность перемещений и жесткость, поэтому доля токарной и фрезерной обработки твердых материалов постоянно расширяется во многих отраслях. Точение закаленных заготовок стало применяться в автомобильной промышленности с середины восьмидесятых годов прошлого века, но сегодня в этом виде обработки начинается новая эра.
Термообработанные заготовки
Множество стальных деталей требует термообработки или поверхностного упрочнения для приобретения дополнительной износостойкости и способности выдерживать значительные нагрузки. К сожалению, высокая твердость негативно отражается на обрабатываемости таких деталей. Детали зубчатых передач и различные валы и оси - типичные закаленные детали, обрабатываемые точением, фрезерованию в закаленном виде подвергаются штампы и пресс-формы. Термообработанные детали - тела качения, как правило, требуют чистовой и финишной обработки, которая убирает погрешности формы и обеспечивает требуемую точность и качество поверхностей. Что касается деталей штампов и пресс-форм, то сейчас есть тенденция к их обработке в закаленном состоянии уже на стадии черновой обработки. Это приводит к значительному сокращению времени изготовления штампа.
Обработка твердых материалов
Обработка деталей после термообработки - вопрос, требующий гибкого подхода. Диапазон решений зависит от типа инструментального материала, выбранного для обработки. Для инструмента способность обрабатывать твердые материалы означает - высокую термостойкость, высокую химическую инертность, стойкость к абразивному износу. Такие требования к инструментальному материалу определяются самим процессом обработки. При резании твердых материалов на режущую кромку оказывается высокое давление, что сопровождается выделением большого количества тепла. Большие температуры помогают процессу, приводя к разупрочнению стружки, тем самым, снижая силы резания, но отрицательно влияют на инструмент. Поэтому далеко не все инструментальные материалы подходят для обработки термообработанных деталей.
Твердые сплавы используются для обработки материалов твердостью до 40HRc. Для этого рекомендуются мелкозернистые твердые сплавы с острой режущей кромкой, хорошо сопротивляющиеся абразивному износу и обладающие высокой термостойкостью и стойкостью к пластической деформации. Такие свойства имеют твердые сплавы без покрытий, например H13A производства фирмы Sandvik Coromant. Но также можно успешно использовать сплавы с износостойкими покрытиями для чистовой обработки и областью применения P05 и К05, например GC4015, GC3005.
Самая неудобная для обработки резанием заготовка - это заготовка с твердостью 40…50HRc. Твердые сплавы при работе в этом диапазоне уже не устраивают по своей термостойкости. В то же время, КНБ и керамика быстро изнашивается, т.к. из-за недостаточной твердости обрабатываемого материала на передней поверхности инструмента образуется нарост, вызывающий сколы режущей кромки при его срыве. Поэтому проблема выбора инструментального материала для работы в этом диапазоне твердости решается на основе экономических соображений. В зависимости от серийности производства приходится либо мириться с низкой производительностью и размерной точностью при работе твердым сплавом, либо более производительно работать керамикой и КНБ, но с риском поломки пластины.
При более высокой твердости 50-70HRс выбор однозначно склоняется в сторону обработки с использованием инструмента с режущей частью из керамики или кубического нитрида бора. Керамика позволяет производить даже прерывистую обработку, но обеспечивает несколько большую шероховатость поверхности, чем КНБ. При обработке КНБ может быть достигнута шероховатость до 0,3Ra, в то время как керамика создает поверхность шероховатостью 0,6Ra. Это объясняется различными моделями износа инструментального материала: КНБ имеет в нормальных условиях равномерный износ по задней поверхности, а на керамике образуются микровыкрашивания. Таким образом, КНБ сохраняет линию режущей кромки непрерывной, что позволяет получать лучшие значения шероховатости обработанной поверхности. Режимы резания при обработке закаленных материалов варьируется в довольно широких пределах. Это зависит от материала заготовки, условий обработки и требуемого качества поверхности. При обработке заготовки с твердостью 60HRc новыми марками кубического нитрида бора СВ7020 или СВ7050 скорость резания может достигать 200 м/мин. СВ7020 рекомендуется для финишной обработки с непрерывным резанием, а СВ7050 для чистовой обработки термообработанных материалов в неблагоприятных условиях, т.е. с ударами. Пластины из указанных марок выпускаются с тонким покрытием из нитрида титана. По мнению фирмы Sandvik Coromant данная мера позволяет значительно проще контролировать износ пластин. Фирмой также выпускаются пластины из аналогичных марок кубического нитрида бора CB20 и CB50, но без покрытия.
Для обработки закаленных сталей обычно используются различные сорта керамики. Фирма Sandvik Coromant в настоящее время выпускает все виды керамики и активно ведет разработки новых марок. Оксидная керамика СС 620 выпускается на основе оксида алюминия с небольшими добавками оксида циркония для повышения прочности. Она обладает самой высокой износостойкостью, однако может использоваться только хороших условиях из-за невысокой прочности и теплопроводности. Более универсальна смешанная керамика СС650 на основе оксида алюминия с добавками карбида кремния. Она обладает более высокой прочностью и хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать ее даже при прерывистой обработке. Наибольшей прочностью обладает так называемая вискеризованная керамика СС670. В состав которой, также входит карбид кремния, но в виде длинных кристаллических волокон, которые пронизывают основной материал. Основная область применения этой марки керамики - обработка жаропрочных сплавов на никелевой основе, но вследствие высокой прочности она применяется и для обработки закаленной стали в неблагоприятных условиях. Режимы резания при использовании пластин из керамики также как и в случае в кубическим нитридом бора варьируются в широких пределах. Это объясняется в большей степени не различиями в свойствах инструментального материала, а разнообразием условий обработки, когда достигается достаточный нагрев в зоне резания и соответственно снижение усилий и износа. Обычно оптимальная скорость резания лежит в диапазоне 50-200 м/ мин. Причем не обязательно снижение скорости резания приводит к повышению стойкости, как в случае с твердым сплавом.
Новые возможности
Производительность при обработке закаленных материалов до сего момента достигалась за счет изменения конструкции инструмента и усовершенствования оборудования. Сейчас, новые инструментальные материалы позволяют работать с высокими скоростями, а геометрия режущей части достигать высоких значений рабочих подач. Кроме того, возможность обработки деталей за один установ при токарной или фрезерной обработке дает значительное снижение вспомогательного времени.
Величина подачи зависит от геометрии вершины режущего инструмента. Для инструментов с вершиной оформленной по радиусу, подача оказывается жестко связанной с требованием обеспечения заданного качества поверхности. Обычное значение подачи 0,05…0,2 мм/об. Но сейчас на рынке появились пластины, именуемые Wiper, которые позволяют увеличить её. При обработке такими пластинами значение подачи на практике может быть увеличено вдвое, причем качество поверхности не пострадает. Эффект Wiper возникает за счет модификации вершины пластины и создания специальной зачистной режущей кромки большого радиуса, которая является продолжением основного радиуса скругления. Зачистная режущая кромка обеспечивает при работе пластины минимальный вспомогательный угол в плане, что позволяет увеличивать рабочую подачу без потери качества обработанной поверхности. При увеличении подачи вдвое сокращается и путь резания, а соответственно и износ пластины. Революционность этого решения в том, что повышение производительности достигается одновременно с увеличением ресурса инструмента.
Пластины Wiper были впервые предложены фирмой Sandvik Coromant и сейчас находят все большее распространение. Так, для пластин из КНБ и керамики уже существует два варианта геометрии Wiper. Геометрия WH - основная геометрия позволяющая достигнуть максимальной производительности. Дополнительная геометрия WG создаёт низкие усилия резания и применяется для высокоскоростной обработки при высоких требованиях к качеству обработанной поверхности.
Пластины Wiper из КНБ и керамики выводят чистовую и финишную обработку закаленных материалов на новые уровни производительности.
Основные преимущества обработки закаленных материалов точением:
- высокая производительность за счет высоких скоростей резания и снижения вспомогательного времени;
- высокая гибкость применения;
- процесс проще, чем шлифование;
- нет прижогов;
- минимальные коробления заготовки;
- дополнительное повышение производительности за счет высоких значений подачи при использовании пластин Wiper;
- возможность унификации оборудования для полной обработки детали;
- безопасный и экологически чистый процесс обработки.
Одной из самых эффективных способов резки и обработки твердых материалов является гидроабразивная резка. С ее использованием можно резать такие твердые материалы как мрамор и гранит, металл, бетон и стекло. Данный вид резки широко применяется в строительстве при обработке композитных и керамических материалов, сендвич-конструкций.
Метод гидроабразивной резки заключается в узконаправленной струе воды под большим давлением, бьющей на высокой скорости по материалу. Изначально использовалась только вода, и метод назывался водоструйной резкой. Она применялась для обработки не слишком твердых материалов, которым требовалась более деликатное воздействие, чем при других видах резки. Это было оптическое волокно и кабели, ламинированные материалы, не терпящие высоких температур и возникновения пожароопасной ситуации.
Позже в воду начали добавлять абразив, который значительно усилил режущую силу водяной струи. В качестве абразива используются мелкодисперсный гранатовый песок. С использованием абразивных частиц стало возможным нарезать гораздо более твердые материалы, такие как горные породы и металлы.
В связи с этим гидроабразивная резка широко используется в различных сферах промышленности, в строительстве и при изготовлении памятников. Зачастую для изготовления памятников используется гранит, и цены на памятники в Москве позволяют сделать выбор на любой кошелек. Однако не все задумываются о том, что при заказе памятника имеет значение не только стоимость материала и работы, но и способ обработки.
Гидроабразивную резку можно назвать очень щадящей в том смысле, что нет интенсивного воздействия на материал, а значит, его прочность не снижается. На заказ памятников цены складываются исходя в том числе из способа резки и обработки камня. Гидроабразивная резка позволяет избежать трещин и сколов, а также минимизирует потерю камня при обработке. Это лишь одно из преимуществ гидроабразивной резки.
Гидроабразивная резка: преимущества и особенности
1. Отсутствие сильного нагрева материала
Этот параметр критичен как для металла, так и для природного и искусственного камня, плитки. При резке водяной струей с абразивом температура сохраняется в диапазоне 60-90ºС. Таким образом, материал не подвергается воздействию высоких температур, как при других видах резки, что увеличивает его срок эксплуатации.
2. Универсальность применения
При помощи гидроабразивного "лезвия" можно одинаково успешно разрезать как твердые, так и средней твердости материалы. Правда, в случае работы с последними абразив использовать не нужно.
3. Отличное качество реза
Шероховатость кромки среза при использовании гидроабразивной резки — Ra 1,6. Использование этого способа поможет получить четкий срез без лишней пыли и потери материала.
4. Пожаробезопасность
Все компоненты, используемые при резке, пожаро- и взрывобезопасны в том числе и за счет низкой температуры. При резке не используются воспламеняющиеся вещества, что существенно снижает риск при работе.
5. Отсутствие оплавления материала
Это свойство также вытекает из температуры при разрезе. При резке материал не пригорает ни в прилегающих зонах, ни непосредственно на срезе, что особенно актуально при работе с металлами.
6. Многопрофильное использование
Используя гидроабразивную резку, можно разрезать как лист стали толщиной 200 мм, так и множество тонких листов, сложенных вместе. Это позволяет экономить время и повышает производительность.
К недостаткам можно отнести дороговизну расходного материала (а именно песка) и ограниченный ресурс режущей головки и некоторых других комплектующих станка. Станок для гидроабразивной резки состоит из насоса (нескольких), в которых нагнетается вода под давлением до 4000 бар, сопла, смесительной камеры и второго твердосплавного сопла.
Как происходит гидроабразивная резка:
При помощи насоса закачивается вода под давлением до 4000 бар;
