Herstellungsprozess von Metallen: 4 Techniken
Dieser Artikel beleuchtet die vier wichtigsten Techniken, die bei der Herstellung von Metallen verwendet werden. Die Techniken sind: 1. Gießen 2. Formen 3. Bearbeiten 4. Schweißen.
Technik Nr. 1. Casting:
Gießen ist vielleicht die älteste bekannte Methode, um Metallen und Legierungen Formen zu geben. Wenn es sich als geeignet herausstellt, ist dies der kürzeste Weg vom Erz zum Endprodukt und in der Regel der wirtschaftlichste. Heutzutage wurden Techniken entwickelt, um fast alle Metalle und deren Legierungen zu gießen, aber es gibt immer noch bestimmte Materialien, die sehr gute Gusseigenschaften aufweisen, beispielsweise Grauguss.
Die Gießfähigkeit eines Materials hängt von einer Reihe von Faktoren ab, nämlich Fließfähigkeit, Schrumpfung, Porosität, Beanspruchung und Entmischungseigenschaften. Der Gießfähigkeitsindex eines Materials ist hoch, wenn es eine hohe Fließfähigkeit, eine geringe Schrumpfung, eine geringe Affinität für das Absorbieren von Gasen, geringe Spannungen und eine gleichmäßige Festigkeit aufweist.
Diese Eigenschaften treten hauptsächlich bei reinen Metallen und Eutektika auf, die zumindest theoretisch einen bestimmten Schmelzpunkt haben. Reine Metalle haben jedoch meist eine geringe Festigkeit, daher werden für die meisten Anwendungen hauptsächlich Legierungen gegossen. Daher fällt die Wahl offensichtlich auf Eutektika und nahezu eutektische Legierungen.
Gussteile können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden, nämlich Gussblöcke und geformte Gussteile. Von den insgesamt gegossenen Materialien sind fast 75% in Form von Barren. Unser Hauptanliegen in der vorliegenden Diskussion sind jedoch geformte Gussteile.
Gussteile können von wenigen Gramm bis zu vielen Tonnen wiegen. Das schwerste Objekt, das jemals durch Gießen hergestellt wurde, war vielleicht die Bronzestatue von Clossus von Rhodos, die in die sieben Weltwunder eingeht. Abgesehen von diesem Wunder umfassen schwere Gussteile heutzutage oft die Maschinenkonstruktionen, Schwungräder und Grundplatten für Turbinen usw.
Gussteile weisen in der Regel eine gute Druckfestigkeit auf, weisen jedoch eine schlechte Dehnung und eine geringe Zugfestigkeit auf. Zu den Werkstoffen, die für den Guss außergewöhnlich gut sind, gehören neben Gusseisen die Legierungen von Kupfer, Aluminium, Zink, Nickel und Magnesium.
Zu den typischen Gussteilen gehören folgende:
Riemenscheiben, Schwungräder, Motorblöcke, Werkzeugmaschinenbetten, Zahnradrohlinge, Turbinenschaufeln, Gussrohre usw.
Technik # 2. Formieren:
Nach dem Gießen folgte der Umformprozess, bei dem die Metalle und ihre Legierungen durch Druckbeaufschlagung die gewünschten Formen erhalten, entweder durch plötzlichen Aufprall wie bei Hammerschlägen oder durch langsame Knetwirkung wie bei hydraulischen Pressen. Die mechanische Bearbeitung eines Metalls unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur wird als "Kaltumformung" bezeichnet und oberhalb dieser Temperatur wird als "Warmumformung" bezeichnet. Sowohl Warm- als auch Kaltumformen (oder Umformen) wird in der Industrie intensiv praktiziert.
Die meisten Materialien können geformt oder geschmiedet werden, aber in der Regel haben die Materialien, die am besten zum Gießen geeignet sind, schlechte Umformungseigenschaften. Im Allgemeinen sind die Materialien, die zum Umformen am besten geeignet sind, solche, die während der Verfestigung einen langen breiigen Bereich aufweisen, beispielsweise Legierungen in fester Lösung.
Viele Legierungseigenschaften werden durch die Art von festen Lösungen beeinflusst, z. B. nehmen Festigkeit und Härte mit der Menge an gelöstem Stoff zu, während die Duktilität und elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt werden. Die Formungsqualität eines Materials wird üblicherweise als Formbarkeit für Blechmaterial und Schmiedefähigkeit für dickere Materialien bezeichnet Abschnitte und ist mit der Duktilität des Materials verbunden. Die Prozesse, die in das Umformen einbezogen werden können, sind die Blechumformverfahren, wie Biegen, Tiefziehen, Extrusion, HERF (Umformen mit hoher Energierate), Drehen, Walzenbiegen, Streckformen; Das Schmieden kann Stauchen, Kaltdrehen, Rotationsstempeln, Prägen usw. umfassen.
Formbarkeitstests werden üblicherweise durch den Erichsen-Schrumpftest durchgeführt, bei dem das Folienmaterial bis zum Reißen gedehnt wird. Die Schmiedefähigkeit dagegen ist die Fähigkeit eines Metalls, unter Schmiedebedingungen ohne Rissbildung verformt zu werden. Einer der besten Schmiedefähigkeitstests ist der Stauchversuch, ausgedrückt als Verhältnis des erzielbaren maximalen Stauchdurchmessers zum anfänglichen Stabdurchmesser. Bei kaltem Kurs wird dieses Verhältnis normalerweise als Kursgrenze bezeichnet.
Schmiedefähigkeitsindex, F = Dm / Di
Wobei Di = Anfangsstabdurchmesser
D m = Maximaler Durchmesser, der durch Stauchen ohne Reißen erhalten werden kann.
Materialien zum Schmieden:
Die Materialien treten normalerweise in drei Arten von Elementarzellen auf, nämlich BCC (kubisch raumzentriert), FCC (kubisch flächenzentriert) und HCP (hexagonal dicht gepackt), wie in Fig. 1.2 gezeigt, zusammen mit einem Teil der Vertiefung bekannte Metalle unter diesen drei Kategorien von Zellstrukturen.
Die kubischflächenzentrierten Metalle weisen im Allgemeinen die beste Duktilität auf. Sie sind in der Regel auch die am meisten verzeihbaren. Die hexagonal dichtgepackten Metalle sind bei Raumtemperatur am wenigsten schmiedbar, aber die meisten können heiß geschmiedet werden. Wenn ein Metall in Blechform tiefgezogen werden kann, kann es kalt geschmiedet oder in Form eines Stabes kalt geformt werden, und dies gilt für alle Metalle. Die maschinelle Bearbeitung von Metallen hat eine begrenzte Schmiedefähigkeit.
Die besten Schmiedetypen, kalt oder heiß, sind die meisten Aluminium- und Kupferlegierungen, einschließlich der relativ reinen Metalle. Kohlenstoffstähle mit 0, 25% Kohlenstoff oder weniger sind heißgeschmiedet oder kaltgepresst. Hochkohlenstoff- und hochlegierte Stähle werden fast immer heißgeschmiedet. Magnesium als HCP weist bei Raumtemperatur eine geringe Duktilität auf, ist aber leicht heißgeschmiedet.
Aluminiumlegierungen werden zwischen 385 ° C und 455 ° C oder etwa 40 ° C unter der Verfestigungstemperatur geschmiedet. Aluminiumlegierungen bilden während des Warmschmiedens keine Zunder, die Lebensdauer der Form ist daher hervorragend.
Kupfer und Messing mit 30% oder weniger Zink haben eine ausgezeichnete Schmiedefähigkeit bei der Kaltumformung. Messing mit hohem Zinkanteil kann bis zu einem gewissen Grad kalt geschmiedet werden, ist aber eine hervorragende Warmschmiedelegierung. Magnesiumlegierungen werden in Pressen bei Temperaturen über 400 ° C geschmiedet. Bei höheren Temperaturen muss Magnesium vor Oxidation oder Entzündung durch eine inerte Schwefeldioxidatmosphäre geschützt werden.
Die Schmiedefähigkeit verschiedener Metalle für das Gesenkschmieden beim Gesenkschmieden in abnehmender Reihenfolge für einige der üblichen Legierungen ist in Tabelle 1.1 angegeben:
Aufgrund der Knetwirkung beim Schmieden sind die durch Schmieden hergestellten Bauteile normalerweise am stärksten und erfordern die geringste Materialstärke. Alle kritischen Komponenten werden daher normalerweise gefälscht.
Einige typische Beispiele für geschmiedete Komponenten sind folgende:
Kurbelwellen, Pleuel, Zug- und Aufhängehaken, Schraubenfedern, Achsen, nahtlose Rohre und Schläuche, Schalenkörper, Stangen, Platten, Profile, Zahnpastatuben usw.
Technik Nr. 3. Bearbeitung:
Es ist der Prozess, einem gegebenen Material die gewünschte Form zu geben, indem das zusätzliche oder unerwünschte Material durch Schneiden in Form von Spänen entfernt wird. Das Schneidwerkzeugmaterial ist notwendigerweise härter und fester als das zu schneidende Material. Die üblicherweise eingesetzten Bearbeitungsprozesse sind Drehen, Fräsen, Bohren, Formen, Planen, Reiben, Bohren usw.
Obwohl Drehmaschinen und Fräsmaschinen bereits im fünfzehnten und sechzehnten Jahrhundert in Verbindung mit der Uhrmacherei verwendet wurden, wurden die meisten dieser Prozesse in der heutigen Industrie für die Herstellung von Dampfmaschinenteilen für die Herstellung von Dampfmotorteilen im späten neunzehnten Jahrhundert eingeführt, sind aber alt geworden im heutigen Jahrhundert.
Nahezu alle Materialien können bearbeitet werden, wenn auch nicht mit derselben Leichtigkeit. Härtere Materialien mit hoher Zugfestigkeit sind in der Regel schwieriger zu bearbeiten. Sehr weiche Materialien sind auch mühsam zu bearbeiten, da zwischen dem Arbeitsmaterial und dem Werkzeug Anfälle auftreten. Somit kann gesagt werden, dass es einen bestimmten Härtebereich gibt, oberhalb und unterhalb dessen die Bearbeitungseffizienz abnimmt.
Um die Leichtigkeit des Schneidens zu vergleichen, werden die Werkstoffe mit dem Bearbeitbarkeitsindex versehen.
Die Zerspanbarkeit eines Materials hängt von den verschiedenen Faktoren ab, und es ist üblich, vier davon zu betrachten, nämlich:
(i) Werkzeugstandzeit,
(ii) Schnittkräfte
(iii) Oberflächengüte und
(iv) Stromverbrauch.
Basierend auf diesen Faktoren wird Automatenstahl, der von AISI (American Institution of Steel und Iron) als B 1112 mit der folgenden Zusammensetzung und mit 180 SFM (Oberflächenfuß pro Minute) oder 55 SMM (Oberflächenmeter pro Minute) angegeben, angegeben wird, der Bearbeitbarkeitsindex von 100.
C = 0-13% (max.)
Mn = 0-9%
P = 0-1%
S = 0-2%
Eisen = Ruhe
Eine Reihe von Formeln wurde zur Bestimmung des Bearbeitbarkeitsindex entwickelt. Eine von Janitsky vorgeschlagene Formel lautet wie folgt:
woher,
c = eine Funktion von TS,
TS = Zugfestigkeit
YP = Fließgrenze.
Zu den Materialeigenschaften, die die Bearbeitbarkeit eines Metalls beeinflussen, gehören folgende:
1. Materialzusammensetzung:
Ein hoher Legierungsgehalt und das Vorhandensein von harten Einschlüssen wie Al 2 O 3 in Stählen sowie der Kohlenstoffgehalt unter 0, 30% oder über 0, 60% verringern die Bearbeitbarkeit, während geringe Mengen an Blei, Mangan, Schwefel und Phosphor dies verbessern.
2. Metallstruktur:
Eine einheitliche Mikrostruktur mit kleinen ungestörten Körnern verbessert die Bearbeitbarkeit. Die Lamellenstruktur in Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt und die Kugelstruktur in Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt führen zu einer besseren Bearbeitbarkeit.
3. Arbeiten und Wärmebehandlung:
Die Warmumformung von Hartlegierungen und die Kaltumformung von Weichlegierungen führen zu einer verbesserten Bearbeitbarkeit.
Tempern, Normalisieren und Tempern verbessern im Allgemeinen die Bearbeitbarkeit. Das Abschrecken reduziert normalerweise die Bearbeitbarkeit.
Die Bearbeitbarkeitsindizes einiger der bekannten Materialien sind in Tabelle 1.2 angegeben.
Typische Beispiele für bearbeitete Bauteile sind Vee-Ways, Ventilsitze, Kfz-Zylinderlaufbuchsen, Verzahnungen, Schraubspindeln, Maschinenteile, Muttern und Bolzen usw.
Technik # 4. Schweißen:
Das Schweißen, wie es heute allgemein verstanden wird, ist vergleichsweise ein Neuling unter den Fertigungsprozessen, obwohl Schmieden, das Metallteile verbindet, bereits vor Christus praktiziert wurde. Zwar gibt es eine Reihe etablierter Schweißverfahren, aber das Lichtbogenschweißen mit beschichteten Elektroden ist nach wie vor das weltweit beliebteste Schweißverfahren.
Das Lichtbogenschweißen in seiner jetzigen Form erschien 1880 in der industriellen Szene. Zwar gibt es widersprüchliche Behauptungen über den Erfinder dieses Verfahrens, wird aber sehr oft einem Russen mit dem Namen Slavianoff zugeschrieben, der es angeblich 1881 patentieren ließ. Das Lichtbogenschweißen wurde jedoch bis 1920 nicht für die Herstellung kritischer Bauteile akzeptiert Zeitbeschichtungen für Elektroden waren gut entwickelt.
Die Nachfrage nach der Produktion von schweren Gegenständen wie Schiffen, Druckbehältern, dem Bau von Brücken und dergleichen im großen Maßstab lieferte jedoch den notwendigen Anstoß für das Schweißen, und der zweite Weltkrieg machte es als wichtigen Fertigungsprozess fest.
Das Schweißen, bei dem zwei oder mehr Teile des Materials bzw. der Werkstoffe miteinander verbunden werden, bietet zwar eine dauerhafte Verbindung, beeinflusst jedoch normalerweise die Metallurgie der Bauteile. Daher geht für die meisten kritischen Komponenten in der Regel eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) nach.
Die meisten Materialien können durch den einen oder den anderen Prozess geschweißt werden. Einige sind jedoch einfacher zu schweißen als andere. Um diese Leichtigkeit beim Schweißen zu vergleichen, wird häufig der Begriff "Schweißbarkeit" verwendet. Die Schweißfähigkeit eines Materials hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie den metallurgischen Änderungen, die durch das Schweißen auftreten, Änderungen der Härte in und um die Schweißnaht, der Gasentwicklung und -absorption, dem Ausmaß der Oxidation und der Auswirkung auf die Rissneigung der Verbindung. Abhängig von diesen Faktoren haben einfache kohlenstoffarme Stähle (C <0–12%) die beste Schweißbarkeit unter Metallen. Sehr oft haben Materialien mit hoher Gießfähigkeit eine geringe Schweißfähigkeit.
In der Industrie weit verbreitete Schweißverfahren umfassen Oxy-Acetylen, manuelles Metalllichtbogen- oder abgeschirmtes Metalllichtbogen (SMA), Tauchlichtbogen (SA), Gas-Metalllichtbogen (GMA), Gas-Wolfram-Lichtbogen (GTA) -Schweißen, Widerstandsschweißen, Wärmeschweißen und Kaltpressschweißen. Die meisten dieser Prozesse haben spezielle Einflussbereiche, wie das Widerstandsschweißen in der Automobilindustrie, das Heißschweißen zum Verbinden von Schienen vor Ort. GM AW eignet sich besonders für das Schweißen von Stahlkonstruktionen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sowie für das Schweißen von nichtrostenden Stählen und Aluminium. GTAW ist in der Luftfahrt- und Nuklearindustrie, SAW für den Schiffbau, Kaltpressschweißen in der Lebensmittelindustrie und dergleichen beliebt. SMAW- oder Stabelektrodenschweißen und Sauerstoff-Acetylen-Schweißverfahren sind jedoch die allgemeinen Prozesse mit einem breiten Anwendungsbereich.
Zu den typischen Anwendungen des Schweißens zählen die Herstellung von Schiffen, Druckbehältern, Automobilkarosserien, Offshore-Plattformen, Brücken, geschweißten Rohren, Abdichten von Kernbrennstoff und Sprengstoffen usw.
