Fabricatieproces van metalen: 4 technieken

Dit artikel werpt licht op de vier beste technieken die worden gebruikt in het fabricageproces van metalen. De technieken zijn: 1. Gieten 2. Vorming 3. Bewerking 4. Lassen.

Techniek # 1. Gieten:

Gieten is misschien wel de oudst bekende methode om vormen te geven aan metalen en legeringen. Indien geschikt bevonden, is dit de kortste route van het erts naar het eindproduct en meestal de meest economische. Hoewel tegenwoordig technieken zijn ontwikkeld om bijna alle metalen en hun legeringen te gieten, maar toch zijn er bepaalde specifieke materialen die zeer superieure gieteigenschappen hebben, bijvoorbeeld grijs gietijzer.

Het gietvermogen van een materiaal hangt af van een aantal factoren, namelijk vloeibaarheid, krimp, porositeit, spanning en segregatiekarakteristieken. De gietvermogenindex van een materiaal is hoog als het een hoge vloeibaarheid, lage krimp, lage affiniteit voor het absorberen van gassen, lage spanningen en uniforme sterkte heeft.

Deze karakteristieken blijken voornamelijk voor te komen in zuivere metalen en eutectica die, althans theoretisch, een bepaald smeltpunt hebben. Zuivere metalen hebben meestal echter een lage sterkte en daarom worden voornamelijk legeringen gegoten voor de meeste van de daadwerkelijke toepassingen. De keuze valt dus duidelijk op eutectica en bijna-eutectische legeringen.

Gietstukken kunnen worden gegroepeerd in twee hoofdcategorieën, te weten ingots en gevormde gietstukken. Van de totale gegoten materialen heeft bijna 75% de vorm van blokken. Onze belangrijkste zorg in de huidige discussie is gevormd gietwerk.

Gietstukken kunnen van enkele gram tot vele tonnen wegen. Misschien was het zwaarste voorwerp ooit gemaakt door gieten het bronzen beeld van Clossus van Rhodos dat is opgenomen in de zeven wereldwonderen. Afgezien van het wonder echter bevatten de zware gietstukken tegenwoordig de machinestructuren, vliegwielen en voetplaten voor turbines, enz.

Gietstukken zijn in de regel goed in druksterkte maar hebben een slechte rek en lage treksterkte. De materialen die buitengewoon goed worden geacht voor het gieten zijn, afgezien van gietijzer, de legeringen van koper, aluminium, zinknikkel en magnesium.

Enkele van de typische gietstukken zijn onder andere:

Katrollen, vliegwielen, motorblokken, machinegereedschappen, tandwielblokken, turbinebladen, gietijzeren pijpen, enz.

Techniek # 2. Vorming:

Na het gieten volgde het vormingsproces waarbij de metalen en hun legeringen de gewenste vormen worden gegeven door het uitoefenen van druk, hetzij door een plotselinge botsing als in het geval van hamerslagen of door langzame kneedactie zoals bij hydraulische persen. Het mechanisch bewerken van een metaal onder de herkristallisatietemperatuur wordt 'Koud werken' genoemd en dat bereikt boven deze temperatuur staat bekend als 'Heet werken'. Zowel warm als koud werken (of vormen) worden op grote schaal toegepast in de industrie.

De meeste materialen kunnen worden gevormd of gesmeed maar in het algemeen hebben de materialen die het meest geschikt zijn voor gieten slechte vormende eigenschappen. In het algemeen zijn de materialen die het best geschikt zijn voor het vormen die welke een lang zacht bereik hebben tijdens het stollen, bijvoorbeeld vaste oplossingslegeringen.

Veel legeringseigenschappen worden beïnvloed door de aard van vaste oplossingen, bijv. De sterkte en hardheid nemen toe met de hoeveelheid opgeloste stof terwijl de taaiheid en elektrische geleidbaarheid worden verlaagd Vormkwaliteit van een materiaal wordt meestal aangeduid als vormbaarheid voor plaatmateriaal en smeedvermogen voor dikker secties en wordt geassocieerd met ductiliteit van het materiaal. De processen die kunnen worden opgenomen in vormen zijn de velvormende werkwijzen zoals buigen, dieptrekken, extrusie, HERF (vormen met hoge energietempo), spinnen, rolbuigen, rekvorming; overwegende dat smeden kan bestaan ​​uit stuiken, koude koers, roterend stampen, munten, enz.

Vormbaarheidstesten worden vaak gedaan door Erichsen cupping test waarbij het velmateriaal wordt uitgerekt tot scheuren. De smeedbaarheid daarentegen is het vermogen van een metaal om vervormd te worden onder omstandigheden van smeden zonder te barsten. Een van de beste smeedbaarheidstests is de stuikproef, uitgedrukt als de verhouding van de maximale stuikdiameter die kan worden verkregen tot de oorspronkelijke staafdiameter. Voor de koude koers wordt deze verhouding meestal aangeduid als koerslimiet.

Smeden-vermogen Index, F = D m / D i

Waarbij, Di = initiële staafdiameter

D m = maximale diameter die kan worden verkregen door stuiken zonder scheuren.

Materialen voor smeden:

De materialen blijken meestal te voorkomen in drie soorten eenheidscellen, namelijk BCC (lichaam-gecentreerd kubiek), FCC (gezicht-gecentreerd kubiek) en HCP (hexagonaal dicht verpakt) zoals getoond in Fig. 1.2, samen met een deel van de put bekende metalen onder deze drie categorieën van celstructuren.

De op het gezicht gecentreerde kubieke metalen hebben in het algemeen de beste vervormbaarheid. Ze zijn meestal ook het meest verrekenbaar. De hexagonale dicht gepakte metalen zijn het minst verrekenbaar bij kamertemperatuur, maar de meeste kunnen heet gesmeed zijn. Als een metaal diep in de vorm van een plaat kan worden getrokken, kan het koud gesmeed of koud geleid worden in staafvorm, en dit geldt voor alle metalen. Vrij verspanende soorten metalen hebben een beperkt vermogen tot smeden.

De beste .Hoys for smeden, koud of warm, zijn de meeste aluminium en koperlegeringen, inclusief de relatief zuivere metalen. Koolstofstaal met 0, 25% koolstof of minder is echt heet gesmeed of koudkopig. Koolstof en hooggelegeerde staalsoorten zijn bijna altijd warmgesmeed. Magnesium is HCP heeft weinig taaiheid bij kamertemperatuur maar is gemakkelijk warm gesmeed.

Aluminiumlegeringen worden gesmeed tussen 385 ° C en 455 ° C of ongeveer 40 ° C onder de stollingstemperatuur. Aluminiumlegeringen vormen geen schaal tijdens hete smeedoperaties, de levensduur is dus uitstekend.

Koper en messing met 30% of minder zink hebben een uitstekende smederij in koude bewerkingen. Hoge zinkkoperijen kunnen in beperkte mate koud gesmeed worden, maar zijn uitstekende warmsmeedwerklegeringen. Magnesiumlegeringen worden gesmeed op persen bij een temperatuur boven 400 ° C. Bij hogere temperaturen moet magnesium worden beschermd tegen oxidatie of ontsteking door een inerte atmosfeer van zwaveldioxide.

De smeedbaarheid van verschillende metalen voor smeedwerk in afnemende volgorde, voor sommige van de gebruikelijke legeringen, is zoals gegeven in tabel 1.1:

Vanwege de kneedactie bij het smeden zijn de door smeden geproduceerde componenten normaal gesproken de sterkste en hebben ze de minste materiaaldikte nodig. Alle kritieke componenten zijn daarom normaal vervalst.

Enkele van de typische voorbeelden van vervalste componenten zijn de volgende:

Krukassen, drijfstangen, tractie- en hijshaken, schroefveren, assen, naadloze buizen en pijpen, schaallichamen, staven, platen, secties, tandpastabuizen, enz.

Techniek # 3. Bewerking:

Het is het proces van het geven van de gewenste vorm aan een bepaald materiaal door het extra of ongewenst materiaal te verwijderen door in de vorm van spaanders te snijden. Het materiaal van het snijgereedschap is noodzakelijkerwijs harder en sterker dan het te snijden materiaal. De gebruikelijke bewerkingsprocessen zijn draaien, frezen, boren, vormgeven, plannen, ruimen, boren etc.

Hoewel draaibanken en freesmachines werden gebruikt in verband met het maken van horloges, zelfs in de vijftiende en zestiende eeuw, maar de meeste van deze processen werden geïntroduceerd in de hoogvolume industrieën in hun huidige vorm voor het maken van stoommachinedelen in de late negentiende eeuw, maar zijn volwassen geworden in de huidige eeuw.

Bijna alle materialen kunnen echter niet door hetzelfde gemak worden bewerkt. In de regel zijn hardere materialen met een hoge treksterkte moeilijker te bewerken. Ook zijn zeer zachte materialen lastig te bewerken omdat er beslag komt tussen het werkmateriaal en het gereedschap. Er kan dus worden gezegd dat er een specifiek hardheidsbereik is boven en waaronder de efficiëntie van de bewerking afneemt.

Om het gemak van het snijden van de materialen te vergelijken, wordt een bewerkbaarheidindex gegeven.

De bewerkbaarheid van een materiaal hangt af van de verschillende factoren en het is gebruikelijk om er vier te beschouwen, namelijk:

(i) Levensduur van het gereedschap,

(ii) Snijdende krachten,

(iii) Oppervlakteafwerking, en

(iv) Stroomverbruik.

Op basis van deze factoren krijgt het freesstaal gespecificeerd door AISI (American Institution of Steel and Iron) als B 1112 met de volgende samenstelling en gedraaid tot 180 SFM (oppervlakvoeten per minuut) of 55 SMM (oppervlaktemeters per minuut) een bewerkbaarheidindex van 100.

C = 0-13% (max.)

Mn = 0-9%

P = 0-1%

S = 0-2%

IJzer = rust

Er zijn een aantal formules ontwikkeld voor het bepalen van de bewerkbaarheidindex en een dergelijke formule die Janitsky naar voren heeft gebracht is als volgt:

waar,

c = een functie van TS,

TS = treksterkte,

YP = zwichtpunt.

De materiaaleigenschappen die van invloed zijn op de bewerkbaarheid van een metaal omvatten het volgende:

1. Materiaalsamenstelling:

Het hoge gehalte aan legeringen en de aanwezigheid van harde insluitsels zoals Al 2 O 3 in staal en een koolstofgehalte van minder dan 0, 30% of meer dan 0, 60% verminderen de bewerkbaarheid, terwijl kleine hoeveelheden lood, mangaan, zwavel en fosfor dit verbeteren.

2. metalen structuur:

Uniforme microstructuur met kleine ongestoorde korrels verbetert de bewerkbaarheid. De lamellaire structuur in koolstofarme en middelzware koolstofstaalsoorten en de sferoïdale structuur in koolstofstaal zorgt ook voor een betere bewerkbaarheid.

3. Werken en warmtebehandeling:

Heet werken van harde legeringen en koud bewerken van zachte legeringen resulteren in verbeterde bewerkbaarheid.

Gloeien, normaliseren en ontlaten verbeteren in het algemeen de bewerkbaarheid. Afblussen vermindert normaal gesproken de bewerkbaarheid.

De bewerkbaarheidindices van enkele van de bekende materialen staan ​​vermeld in tabel 1.2.

Enkele typische voorbeelden van machinaal bewerkte componenten zijn Vee-wegen, klepzittingen, auto-cilindervoeringen, tandwieltanden, geschroefde spindels, machineonderdelen, moeren en bouten, enz.

Techniek # 4. Lassen:

Lassen zoals het vandaag de dag normaal wordt begrepen, is in vergelijking een nieuwkomer tussen de fabricageprocessen, hoewel smeden van smeden om metalen stukken te verenigen al vóór Christus werd toegepast. Hoewel er een aantal beproefde lasprocessen zijn, maar booglassen met gecoate elektroden nog steeds het meest populaire lasproces is over de hele wereld.

Booglassen in zijn huidige vorm verschenen op het industriële toneel in 1880's. Hoewel er tegenstrijdige beweringen zijn over de uitvinder van dit proces, wordt het zeer vaak toegeschreven aan een Rus genaamd Slavianoff, die zou hebben gepatenteerd in 1881. Booglassen werd echter niet geaccepteerd voor de vervaardiging van kritische componenten tot ongeveer 1920 waarmee tijd coatings voor elektroden waren goed ontwikkeld.

De vraag naar grootschalige productie van zware voorwerpen zoals schepen, drukvaten, constructie van bruggen en dergelijke vormde echter de noodzakelijke impuls voor het lassen om volwassen te worden en de tweede wereldoorlog vestigde het stevig als het belangrijkste fabricageproces.

Lassen, een proces waarbij twee of meer delen materiaal worden samengevoegd, levert een permanente verbinding op, maar heeft normaal gesproken invloed op de metallurgie van de componenten. Het gaat daarom meestal gepaard met warmtebehandeling na de las (PWHT) voor de meeste kritieke componenten.

De meeste materialen kunnen worden gelast door het ene proces of door het andere. Sommige zijn echter gemakkelijker te lassen dan andere. Om dit gemak bij het lassen te vergelijken, wordt vaak een term 'lasbaarheid' gebruikt. Lasvermogen van een materiaal hangt af van verschillende factoren, zoals de metallurgische veranderingen die optreden als gevolg van lassen, veranderingen in hardheid in en rondom de las, gasontwikkeling en -absorptie, mate van oxidatie en het effect op scheurneiging van het gewricht. Afhankelijk van deze factoren hebben koolstofarme staalsoorten (C <0-12%) het beste lasvermogen onder metalen. Vaak hebben materialen met een hoge gietbaarheid meestal een laag lasvermogen.

Lasprocessen die op grote schaal in de industrie worden gebruikt, omvatten oxy-acetyleen, handmatige metaalboog of afgeschermde metaalboog (SMA), ondergedompelde boog (SA), gasmetaalboog (GMA), gaswolfraambooglassen (GTA), weerstandlassen, thermit lassen en koud druk lassen. De meeste van deze processen hebben speciale invloedsgebieden, zoals weerstandlassen is populair bij de auto-industrie, thermit lassen voor het verbinden van rails in situ. GM AW is met name geschikt voor het lassen van koolstofarme staalconstructies, maar ook voor het lassen van roestvrij staal en aluminium. GTAW is populairder bij de luchtvaart- en nucleaire industrie, SAW voor scheepsbouw, koudedruklassen door de voedselverwerkende industrie en dergelijke. SMAW- of laselektrode-lassen en oxy-acetyleen lasprocessen zijn echter de algemene processen met een breed scala aan toepassingen.

Enkele van de typische toepassingen van lassen zijn de fabricage van schepen, drukvaten, automobielcarrosserieën, off-shore platforms, bruggen, gelaste buizen, afdichting van splijtstoffen en explosieven, enz.