- •Оглавление.
- •Раздел I введение в технологию
- •Глава 1
- •Основные понятия и определения
- •§ 1.1. Предмет и содержание курса технологии отраслей промышленности
- •§ 1.2. Связь технологии с экономикой
- •§ 1.3. Понятие о технологических процессах: принципы их классификации
- •§ 1.4. Материальные и энергетические (тепловые) балансы
- •§ 1.5. Понятие о себестоимости и качестве промышленной продукции
- •§ 1.6. Общие положения по технике безопасности и охране труда на промышленных предприятиях
- •Глава 2 сырье, вода и энергия в промышленности § 2.1. Сырье в промышленности
- •Минеральное сырье
- •Растительное и животное сырье
- •Обогащение сырья
- •Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов
- •§ 2.2. Вода в промышленности
- •Промышленная водоподготовка
- •Промышленные сточные воды и их очистка
- •§ 2.3. Роль энергии в технологических процессах
- •Рациональное использование энергии
- •Глава 3 научно-техническая революция и научно-технический прогресс в промышленности § 3.1. Сущность, значение и основные направления научно-технического прогресса
- •§ 3.2. Нтр и технология
- •§ 3.3. Химизация народного хозяйства - важное направление нтп
- •§ 3.4. Нтп в области промышленных материалов
- •§ 3.5. Нтп в области орудий труда. Механизация, автоматизация и роботизация производства
- •§ 3.6. Применение вычислительной техники и асу в технологии
- •§ 3.7. Экологические проблемы нтп
- •Раздел II
- •§ 4.2. Основные закономерности, определения и классификация химических процессов
- •§ 4.3. Понятие о скорости и равновесии химических процессов
- •§ 4.4. Выход продукции в химико-технологических процессах
- •§ 4.5. Общие принципы интенсификации химико-технологических процессов
- •Перспективы развития и совершенствования химико-технологических процессов
- •Глава 5. Высокотемпературные процессы § 5.1. Сущность и значение высокотемпературных процессов
- •Влияние температуры на процессы, идущие в кинетической области
- •Влияние температуры на скорость процессов в диффузионной области
- •Условия, ограничивающие применение высоких температур
- •Типовое оборудование
- •§ 5.2. Тенденции совершенствования высокотемпературных процессов
- •§ 5.3. Высокотемпературные процессы в металлургии
- •Высокотемпературные процессы черных металлов в производстве
- •§ 5.4. Высокотемпературные процессы в производстве строительных материалов
- •§ 5.5. Высокотемпературная переработка топлива
- •Термические процессы переработки нефти и нефтяных фракций
- •§ 5.6. Высокотемпературные процессы в химической промышленности
- •Глава 6 электрохимические процессы § 6.1. Значение и сущность электрохимических процессов
- •Основные закономерности электрохимических процессов
- •§ 6.2. Электролиз водных растворов Электрохимическое производство хлора и едкого натра (каустической соды)
- •Электролиз воды
- •Электрохимическое производство продуктов окисления
- •§ 6.3. Гидроэлектрометаллургия
- •§ 6.4. Электролиз расплавленных сред
- •Свойства расплавленных электролитов
- •Глава 7 каталитические процессы § 7.1. Роль каталитических процессов, основные закономерности и определения
- •§ 7.2. Применение каталитических процессов в промышленности
- •§ 7.3. Производство аммиака
- •§ 7.4. Каталитические процессы нефтепереработки
- •Глава 8 процессы, идущие под повышенным или пониженным давлением § 8.1. Роль давления в технологии
- •§ 8.2. Давление как фактор интенсификации газообразных процессов
- •§ 8.3. Роль давления в жидкофазных и твердофазных процессах
- •Глава 9 биохимические процессы § 9.1. Основные понятия и определения
- •§ 9.2. Применение биотехнологических процессов в промышленности
- •Глава 10 фотохимические процессы
- •Глава 11 радиационно-химические процессы
- •Глава 12 плазмохимические процессы § 12.1. Общие понятия и определения
- •§ 12.2. Виды плазмохимических процессов
- •Глава 13 общие сведения о физических процессах химической технологии § 13.1. Значение физических процессов и их классификация
- •§ 13.2. Виды физических процессов Физико-механические процессы
- •Массообменные процессы
- •Раздел III
- •§ 14.2. Кислоты, щелочи Неорганические кислоты
- •§ 14.3. Минеральные удобрения
- •§ 14.4. Полимеры Общие сведения о полимерах, их строении, свойствах и способах получения
- •Пластмассы, их свойства, значение и применение в народном хозяйстве
- •Химические волокна и их применение в народном хозяйстве
- •Каучуки и резина
- •§ 14.5. Нефтепродукты
- •Глава 15 строительные материалы § 15.1. Общие сведения
- •§ 15.2. Основные виды строительных материалов Природные (естественные) материалы, применяемые в строительстве
- •Керамические материалы
- •Огнеупорные материалы
- •Минеральные вяжущие
- •Бетон, железобетон и строительные растворы
- •Силикатные (автоклавные) материалы
- •Асбестоцементные материалы
- •Стекло и изделия на его основе
- •Теплоизоляционные материалы
- •Глава 16 металлы и сплавы § 16.1. Общие сведения
- •§ 16.2. Методы определения качества металла (сплава)
- •§ 16.3. Термическая и химико-термическая обработка
- •§ 16.4. Черные металлы и сплавы
- •Материалы со специальными свойствами (стали, сплавы)
- •Магнитные материалы
- •Инструментальные материалы
- •§ 16.5. Цветные металлы и их сплавы
- •§ 16.6. Коррозия металлов
- •Классификация коррозионных процессов
- •Электрохимическая коррозия металлов
- •§ 16.7. Защита металлов от коррозии Защита металлов от химической коррозии
- •Экономия на 1 т листа
- •Защита металлов от электрохимической коррозии
- •Технико-экономические показатели и выбор методов защиты
- •Раздел IV
- •Типы производств
- •Типизация технологических процессов
- •Технологичность конструкций изделий
- •Качество изделий
- •Понятие о точности обработки
- •Основные методы и средства контроля качества изделий
- •Шероховатость поверхности
- •Выбор заготовок
- •§ 17.2. Экономическая оценка технологического процесса
- •Глава 18
- •Литье в песчано-глинистые формы
- •Специальные способы литья
- •§ 18.2. Основы технологии производства заготовок методами пластической деформации
- •Формообразование заготовок, изделий из пластмасс и резины методами пластической деформации
- •Формообразование деталей методами порошковой металлургии
- •§ 18.3. Изготовление неразъемных соединений Понятие о неразъемных соединениях. Виды неразъемных соединений
- •Сущность процессов сварки материалов и их классификация
- •Сварка плавлением
- •Огневая резка материалов
- •Сварка давлением
- •Контроль качества сварных соединений
- •Клеевая технология
- •§ 18.4. Обработка конструкционных материалов резанием
- •Обработка на станках-автоматах и полуавтоматах
- •Чистовая обработка наружных поверхностей тел вращения
- •Обработка внутренних поверхностей тел вращения.
- •Обработка плоских поверхностей
- •Обработка фасонных поверхностей
- •Методы изготовления деталей зубчатых зацеплений
- •Обработка резанием неметаллических материалов
- •Обработка заготовок на агрегатных станках
- •§ 18.5. Электрофизические методы обработки
- •Применение ультразвука в промышленности
- •Плазменная обработка материалов
- •Лазерная обработка
- •Глава 19 основные технологические процессы электроники и микроэлектроники § 19.1. Технология изготовления интегральных микросхем
- •Фотолитография в микроэлектронике
- •Нанесение тонких пленок в вакууме
- •Осаждение из газовой фазы
- •§ 19.2. Технология изготовления печатных плат
- •Технологические процессы изготовления пп
- •Субстрактивные методы изготовления печатных плат
- •Технология изготовления многослойных печатных плат
- •Аддитивные методы изготовления печатных плат
- •Печатные платы с многопроводным монтажом
- •Глава 20 технология сборочных процессов § 20.1. Понятие о технологическом процессе сборки и его организационных формах
- •§ 20.2. Контроль и испытание готовых изделий
- •Глава 21 основы технологии строительного производства § 21.1. Роль капитального строительства в развитии народного хозяйства ссср
- •§ 21.2. Строительные работы
- •§ 21.3. Основные направления совершенствования строительства
- •Глава 22 оптимизация технологических процессов § 22.1. Общая постановка задач оптимизации технологических процессов
- •§ 22.2. Методы оптимизации технологических процессов
- •Регрессионный и корреляционный методы анализа при оптимизации технологических процессов
- •Методы планирования эксперимента для оптимизации технологических процессов
§ 16.2. Методы определения качества металла (сплава)
Металлы и сплавы, применяемые в качестве конструкционных материалов, подвергаются различным механическим испытаниям. Наиболее распространены испытания на прочность и твердость.
Прочность — сопротивление разрушению под действием внешних сил определяют при статических испытаниях на растяжение. С этой целью из испытуемого материала изготовляют круглые (иногда плоские) образцы определенного диаметра и длины. В процессе испытания на образец дается нагрузка, которая плавно возрастает, и материал образца растягивается.
Прочность характеризуется временным сопротивлением на разрыв (пределом прочности σв)
σв = Р max /А,
где Р max - наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец до разрушения; А — начальная площадь поперечного сечения образца. В нормативах (справочниках) приводятся предельные значения временного сопротивления на разрыв различных материалов, которые они выдерживают без разрушения или повреждения.
Как указывалось, длина образца при испытаниях на растяжение благодаря пластичности металла увеличивается до величины lк.
Отношение lк/l0 = δ называют относительным удлинением (%), по которому оценивается пластичность при растяжении материала, где l0 — начальная (расчетная) длина образца.
П
h0
- hк
100
%
∆
h0
где h0 и hK — начальная и конечная высоты образца. Величины 5 и ∆ характеризуют статическую вязкость металлических материалов. Одним из свойств металлов является их способность сопротивляться ударным (циклическим) нагрузкам, что характеризует их ударную вязкость, которую определяют на маятниковых копрах.
Сопротивление металла знакопеременным нагрузкам (усталостному разрушению) выявляется на специальных стендах, имитирующих знакопеременную нагрузку. Многие детали паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и других изделий работают при таких высоких температурах, которые вызывают в ряде металлов и сплавов ползучесть. В этих случаях нужно выбирать материал? стойкий против ползучести.
Твердостью вещества называют его способность сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела.
Твердость измеряют по трем шкалам: Бринелля НВ (вдавливанием в образец стального, закаленного шарика); Роквелла HRC, HRA (алмазным конусом при различных нагрузках) и HRB (стальным закаленным шариком); Виккерса HV (алмазной пирамидой). Существуют и другие методы измерения твердости.
Кроме механических свойств металлы и сплавы обладают рядом технологических свойств, к которым относятся жидкотекучесть, обрабатываемость методами пластической деформации (ковкой, штамповкой и др.), что зависит от пластичности, вязкости материала, способность принимать термическую обработку, обрабатываемость посредством резания, свариваемость и т. д.
Повышение механических и технологических свойств сплавов металлов можно осуществлять введением в них особых легирующих компонентов, а также термической и химико-термической обработкой.
§ 16.3. Термическая и химико-термическая обработка
Термической обработкой деталей из металлов и сплавов называется тепловое воздействие с целью придания им необходимых свойств. Тепловое воздействие может сочетаться одновременно с химическим воздействием. Такие процессы относятся к химико-термическим.
Различают следующие виды термической обработки: отжиг, закалку, отпуск и старение.
Отжиг бывает 1-го и 2-го рода. Сущность отжига 1-го рода заключается в нагреве заготовок выше температуры фазового превращения с последующим медленным охлаждением (иногда вместе с печью). Различают следующие разновидности отжига 1-го рода:
гомогенизационный, применяемый для выравнивания структуры, особенно крупных стальных отливок, поковок; рекристаллизационный, устраняющий изменения структуры, возникающие, в частности, в процессе обработки металлов давлением, при котором они получают наклеп, сопровождаемый заметным повышением твердости и снижением пластичности;
отжиг, снимающий или уменьшающий остаточные внутренние напряжения, возникающие при различных технологических операциях (холодной обработке давлением, сварке и др.).
С помощью отжига 2-го рода, или полного отжига, изменяют структуру сплава и устраняют внутренние напряжения. Заготовки нагревают до температуры, превышающей на 30 — 50 °С температуру фазового превращения, и медленно охлаждают вместе с печью. Такой процесс термообработки проводят после штамповки, отливки заготовок, а также после черновой механической обработки с целью понижения твердости.
Разновидностью отжига 2-го рода является нормализации, при которой заготовки охлаждают на воздухе. В отдельных случаях нормализация улучшает обрабатываемость материалов резанием (например, очень вязких сталей), вызывая некоторое повышение механической прочности.
Закалка — это процесс, осуществляемый для повышения твердости и прочности материала. При закалке заготовки (наиболее часто стальные) нагревают выше температуры превращения и быстро охлаждают в воде, минеральном масле, растворах солей или в расплавленных солях (270 — 290 °С). Тип охлаждающей среды определяет скорость охлаждения, которая влияет на получение той или иной структуры.
Большинство конструкционных сталей нагревают при закалке до температуры 850 —900 °С, а охлаждают в воде, масле или соляных растворах. Охлаждение в расплавленных солях применяют для высоколегированных сталей, например для инструментальных, быстрорежущих сталей, содержащих большое количество легирующих элементов (вольфрама, хрома и др.).
В зависимости от температуры нагрева различают закалку полную и неполную. При полной закалке углеродистых сталей (при нагреве выше линии GSE, см. рис. 16.4) в холодной воде получают структуру мартенсита с некоторым количеством аустенита. Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо, имеющий весьма высокую твердость и большую хрупкость. Если охлаждение стали вести менее интенсивно, то можно получить менее твердые и напряженные структуры троостита или сорбита закалки. Для уменьшения хрупкости и внутренних напряжений, вызванных закалкой стали, т. е. получения необходимых механических свойств, стали подвергают отпуску.
При необходимости получить высокую твердость лишь поверхностного слоя применяют поверхностную закалку заготовок, нагревая их токами высокой частоты с последующим быстрым охлаждением окунанием в жидкость или на дождевальной установке.
Отпуск — нагрев закаленных заготовок до температур, лежащих ниже температуры фазового превращения, и охлаждение их на воздухе. Повышая температуру отпуска, можно повысить пластичность и вязкость материала при одновременном понижении твердости и прочности. Отпуск при высоких температурах нагрева называют улучшением.
Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск, т. е. нагрев стали до небольшой температуры (150 —200 °С), ведет к понижению остаточных внутренних напряжений при сохранении ее высокой твердости и износостойкости. Средний отпуск, сохраняя повышенную твердость (HRC40 —45), обеспечивает достаточную прочность, упругость и выносливость. Его часто применяют при изготовлении пружин и рессор.
При высоком отпуске получают достаточно высокий предел упругости при достаточной ударной вязкости и твердости (HRC30 —40). В результате высокого отпуска получают структуру, которая необходима для деталей машин, подвергающихся действию высоких напряжений и ударным переменным нагрузкам (для шатунов, болтов, кулачков и др.).
При всех процессах получения заготовок деталей их материал приходит в напряженное состояние, характеризуемое определенным уровнем внутренних напряжений. Поэтому перед началом механической обработки или перед окончательными операциями технологического процесса механической обработки часто проводят старение, которое ускоряет релаксацию внутренних напряжений.
Различают естественное старение — длительное выдерживание деталей на складах, заводских дворах при воздействии на них непрерывно изменяющихся атмосферных факторов (температуры, влажности и т. д.), а также искусственное старение с нагревом заготовок в печах до температуры 100—150°С и охлаждением вместе с печью.
Для ряда изделий из закаленных легированных (в том числе инструментальных) сталей назначают термическую обработку при отрицательных, температурах ( — 60... — 70 °С и ниже), получившую название «обработки холодом». В этом случае материал получает стабильную структуру и размеры и одновременно некоторое повышение твердости, износостойкости.
В качестве охлаждающей среды часто используется твердая углекислота («сухой лед»). Обработка холодом выполняется непосредственно после закалки, перед отпуском.
За последние годы на ряде производств получила распространение термохимическая обработка как комбинированный метод, соединяющий закалку легированных сталей с одновременным механическим деформированием их. После термохимической обработки материал получает повышенную пластичность, прочность и ударную вязкость.
Теория термической обработки металлов и сплавов была развита в основном в XX в. благодаря исследованиям А. А. Бочвара, Г. Я. Курдюмова, Н. А. Минкевича, В. Д. Садовского и других советских ученых.
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка — тепловая обработка металлов в различных химически активных средах с целью изменения химического состава и структуры поверхностного слоя металла, повышающих его свойства (твердость, износостойкость).
В зависимости от элемента, насыщающего поверхность заготовки, различают следующие виды химико-термической обработки: цементацию, азотирование, цианирование, диффузионную металлизацию.
Цементацией называется процесс насыщения углеродом поверхностного слоя заготовок из низкоуглеродистой (до 0,3% С) стали для создания в них после термической обработки твердой поверхности при достаточной вязкости сердцевины. Различают цементацию в твердом карбюризаторе (древесном угле с добавками различных углекислых солей), жидкую и газовую.
Поверхности заготовок, не подлежащие цементации, защищают омеднением, т. е. нанесением тонкого слоя меди и другими способами.
Азотирование — процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя заготовок, изготовленных из легированных сталей и чугуна. Такие легирующие элементы, как алюминий, хром, молибден, ванадий, а также железо, при азотировании образуют с азотом твердые и стойкие химические соединения — нитриды.
При высоких требованиях к механическим свойствам сердцевины деталей их заготовки подвергают перед азотированием закалке с высоким отпуском.
Азотирование протекает при более низкой температуре, нежели цементация, что является его преимуществом. Азотированная поверхность имеет более высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, которые сохраняются практически неизменными при повторных нагревах вплоть до 500 —600 °С.
Азотирование назначают как последнюю операцию при изготовлении деталей, так как после этого процесса они сохраняют светлую чистую поверхность, не требующую дополнительной обработки.
Цианирование заключается в одновременном насыщении поверхностей заготовок стальных деталей азотом и углеродом. Процесс цианирования может выполняться в жидкой и газовой среде. В зависимости от температуры цианирование подразделяется на низкотемпературное (530 — 650 °С) и высокотемпературное (800 — 930 °С). При цианировании используются ядовитые вещества, что требует особой осторожности при его выполнении и строгого соблюдения правил техники безопасности.
Жидкостное цианирование осуществляется в ваннах, содержащих цианистые и нейтральные соли. Скорость разложения этих солей увеличивается с повышением температуры; одновременно возрастает скорость диффузии углерода и тормозится насыщение поверхности азотом. При температуре, равной примерно 900 °С, поверхности незначительно насыщаются азотом и цианирование практически превращается в процесс цементации. Низкотемпературное цианирование незначительно отличается от азотирования. После цианирования детали подвергают термической обработке.
Газовое цианирование, или нитроцементация, выполняется в газовой среде, состоящей из цементирующего и нитрирующего газов. При высокотемпературной нитроцементации глубина цианированного слоя может достичь 1,8 мм при длительности процесса 6 —7 ч.
Диффузионная металлизация — это процесс насыщения поверхностного слоя заготовок различными химическими элементами (алюминием, хромом, кремнием, бором и др.) при совместном их нагревании и выдержке. В зависимости от используемого элемента процессы металлизации получили названия: алитирова-ние, хромирование, силицированиге, борирование и т. д. Кроме того, применяют комплексную металлизацию в печах-ваннах при 800—1300°С (например, хромоникелирование, хромоалитирование и др.).
Диффузионная металлизация может выполняться в твердых, жидких и газообразных средах. Этот процесс обеспечивает повышение твердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости поверхностей деталей.
Основным недостатком диффузионной металлизации является малая глубина металлизированного слоя (0,2 — 0,4 мм) при относительно большой длительности процесса.