Вопрос 7
Производство алюминия
По размерам производства алюминий в настоящее время занимает первое место среди всех цветных металлов. Он имеет высокую электро- и: теплопроводность (уступая только серебру и меди) и применяется как проводниковый материал и для деталей теплотехнических устройств. Алюминиевые деформируемые сплавы (дуралюмины и др.) - важнейшие конструкционные материалы в авиа- и других областях техники; алюминиевые литейные сплавы (силумины и др.) широко применяют в машиностроении. Вследствие высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы используют в химической и пищевой промышленности, для бытовых изделий.
Алюминий - наиболее распространенный металл в природе, он входит в состав более 250 минералов. Наиболее важные алюминиевые руды: бокситы, нефелины, алуниты. Основная руда - бокситы, горные породы сложного состава, содержащие гидраты окиси алюминия Al(ОН)3 и др. Содержание глинозема Al2О3 (в пересчете из гидратов) составляет от 30 до 70%.
Способы восстановления алюминия непосредственно из бокситов и других руд еще не разработаны. Современное производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозема Al2О3 из бокситов и получения металлического алюминия путем электролиза расплавленного глинозема.
Нужно отметить, что глинозем плавится при температуре 2050°С и требует слишком большой затраты энергии. Поэтому технически важным металлом алюминий мог стать только при условии, что будет найден способ снизить температуру плавления двуокиси алюминия хотя бы до 1000°С. Американец Холл и француз Эру нашли такой «обходной» маневр. Они установили, что глинозем хорошо плавится в расплавленном криолите AIF3 3NaF. Этот расплав и подвергают электролизу при Т=950°С. Поэтому процесс получения алюминия состоит из двух параллельных процессов.
Глинозем получают щелочными, электротермическими и другими способами. Наиболее распространенным является щелочной способ (схема), разработанный в конце XIX в. К. И. Байером.
Подготовка боксита - дробление, мокрый размол с добавками щелочи (NaOH).
Выщелачивание при температуре 105-250°С, в автоклавах под давлением до 25-30 ат. При выщелачивании образуется алюминат натрия:
AlО (ОН) + NaOH = NaAIO2 + Н2О;
AI (ОН)3 + NaOH = NaAIO2 + 2H2О.
Разбавление, сгущение и фильтрацию производят для получения чистого раствора алюмината натрия.
Выкручивание (или декомпозиция) - разложение раствора алюмината натрия с выделением гидроокиси алюминия Al(OH)3 по реакции NaAIO2 + 2Н2О = Al(ОН)3 + NaOH.
Кальцинацию, т. е. обезвоживание гидроокиси алюминия, производят ее прокаливанием при 1200°С: 2 AI(OH)3 = Al2Оз + ЗН2О. Выход глинозема составляет около 85%, на 1 т глинозема расходуется 2-2,5 т боксита.
Электролиз глинозема для получения металлического алюминия производят в электролизерах.
Корпус ванны служит катодным устройством установки. Анодное устройство состоит из вертикально установленного угольного электрода, нижняя часть которого погружена в электролит - расплав, состоящий из глинозема (8-10%) и криолита.
При электролизе в расплавленном электролите происходит диссоциация молекул криолита и глинозема:
Na3AIF6à 3Na+ + AIF3-; AI2O3 àAI3+ + АlO33-
На катоде разряжаются только катионы алюминия и, таким образом, для получения металлического алюминия практически расходуется только глинозем.
Для получения 1 т алюминия расходуется около 2 т глинозема, до 0,6 т угольных анодов, около 0,1 т криолита и 16500-18500 кВт-ч электроэнергии.
Полученный электролизом первичный алюминий содержит примеси (железо, кремний, частицы глинозема и.т.п.), ухудшающие его свойства, и поэтому подвергается рафинированию.
Рафинирование хлором заключается в продувке расплавленного алюминия при 700-750°С газообразным хлором в течение 10-15 мин. Образующийся при этом хлористый алюминий AlCl3 находится в парообразном состоянии. Выделяясь из металла, он обеспечивает его очистку от растворенных газов и примесей. Этому способствует также отстаивание расплавленного алюминия в ковше или в электрической печи при 690-750°С в течение 30-45 мин. После рафинирования хлором и отстаивания получают алюминий чистотой до 99,85%.
Электролитическое рафинирование применяют для получения алюминия более высокой чистоты. Его осуществляют в электролитической ванне. Рафинируемый алюминий сплавляют с медью. После расплавления в нижней части ванны образуется слой жидкого сплава (анод) с плотностью 3-3,5 г/см3. Поверх него находится слой расплавленного электролита, состоящего из ВаСl2 и других солей, плотностью 2,7 г/см3
Этим способом получают алюминий особой чистоты, до 99,999%. На рафинирование 1 т алюминия расходуется 17500-18500 кВт-ч электроэнергии, что значительно повышает стоимость металла.
Новым является способ рафинирования через субсоединения. При пропускании хлористого или фтористого алюминия над расплавленным алюминием при температуре около 1000°С образуются газообразные неустойчивые субсоединения алюминия
При охлаждении до 700-800°С они разлагаются с выделением алюминия чистотой до 99,999%. Алюминий такой же чистоты можно получать методом зонной плавки.
Разливка алюминия в чушки (небольшие слитки) массой 5-15 кг производится на разливочных машинах с бесконечной цепью чугунных изложниц. Слитки для прокатки других видов обработки давлением получают способом полунепрерывной разливки.
Полунепрерывная разливка алюминия и алюминиевых сплавов по своей сущности аналогична непрерывной разливке стали.
Вопрос № 25
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОКОВОК МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Виды поковок
Поковкой называют заготовку детали, полученную ковкой или штамповкой.
Поковки могут быть сгруппированы по признакам, определяющим технологию их изготовления. Такими признаками являются масса, конфигурация, марка сплава и тип производства.
Масса поковок [может быть до сотен тонн] определяет тип заготовки, вид деформации и схему деформирования.
Исходными заготовками для получения поковок являются слитки или сортовой прокат круглого, квадратного или прямоугольного сечения.
Поскольку при горячей деформации давления, необходимые для формоизменения нагретого металла, ниже, чем при холодной деформации, последняя используется для получения поковок малой массы (ориентировочно менее 1 кг).
Изготовление поковок может осуществляться по схемам свободного пластического течения между поверхностями инструмента или затекания металла в полость штампа. Для заполнения полости штампа необходимо давление, значительно превышающее давление при свободном пластическом течении металла. Вследствие этого поковки большой массы затруднительно изготовлять штамповкой. Для тяжелых поковок (массой 1…250 т) единственно возможным способом изготовления является ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование производят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские (или фигурные) бойки, а также различный подкладной инструмент. Т.о. при ковке используют универсальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент – штамп, изготовление которого при небольшой партии одинаковых поковок экономически нецелесообразно. Поэтому в единичном и мелкосерийном производстве обычно применяется ковка. Чем больше партия, тем более оправдано экономически применение штамповки.
Упрощенно поковки по форме делят на следующие группы:
- осесимметричные типа дисков и колец, втулок и колец;
- осесимметричные типа стаканов и втулок, размер которых вдоль оси больше поперечных;
- осесимметричные типа валов и осей, длина которых вдоль оси больше поперечных размеров;
- неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков (к этой группе относятся поковки гаечных ключей, шатунов, звеньев гусениц тракторов, лопаток турбин, коленчатых валов и др.).
Кроме такого деления по форме при технологических расчетах по конфигурации поковки делят на группы сложности. Критерием сложности поковки считают отношение объемов поковки и описанной вокруг нее простой геометрической фигуры – призмы или цилиндра.
Ковка
Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.
К основным операциям ковки относятся осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка.
Осадка (рисунок ниже) – операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. Осаживают заготовки между бойками или подкладными плитами (слева на рисунке осадка в кольцо).
Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осаживают лишь на часть длины заготовки (справа на рисунке осажена до большего диаметра только верхняя часть заготовки).
Заготовки, у которых отношение высоты к диаметру более 2,5, осаживать не рекомендуется во избежание возможного коробления.
Течение металла при деформировании сопровождается скольжением его частиц по поверхности инструмента. В результате между инструментом и заготовкой возникают напряжения контактного трения, направленные против течения металла. Наличие трения вызывает увеличение усилия деформирования, повышает износ инструмента, является причиной неоднородности деформации. При осадке в результате действия сил трения заготовка приобретает характерную бочкообразную форму, а различные ее части деформируются с разной степенью деформации. Деформируемый объем при осадке можно разбить на три области. В области I деформация затруднена благодаря влиянию сил трения. Наиболее интенсивно деформация происходит в области П, в которой линии течения расположены наиболее выгодным образом к направлению действующей силы. Области Ш получают меньшую степень деформации по сравнению с областью П, но большую, чем область I.
Протяжка (рисунок ниже) – операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с подачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 900 вокруг этой оси. При каждом нажатии уменьшается высота сечения, увеличиваются ширина и длина заготовки. Общее увеличение длины равно сумме приращений длин за каждое нажатие, а уширение по всей длине одинаково.
Сумма определенного числа обжатий, осуществляемых последовательно до определенной толщины заготовки, называется проходом. Два последовательных обжатия с промежуточной кантовкой между ними называется переходом.
Протяжку осуществляют плоскими и вырезными бойками. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть (особенно при протяжке круглого сечения) значительные растягивающие напряжения, которые приводят к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вырезных бойках силы, направленные с четырех сторон к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному течению металла и устранению возможности образования осевых трещин.
Деформация при протяжке может быть выражена величиной уковки:
У=Fн/Fк,
Где Fн - начальная (большая) площадь поперечного сечения; Fк - конечная (меньшая) площадь поперечного сечения после протяжки.
Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его механические свойства. Поэтому протяжку применяют не только для получения поковок с удлиненной осью (валы, рычаги, тяги и т.д.), но и в чередовании с осадкой – для большей уковки металла заготовки.
Протяжка имеет ряд разновидностей.
Протяжка с оправкой (рисунок слева) – операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок. Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном и верхнем плоском) на слегка конической оправке. Протягивают в одном направлении – к расширяющемуся концу оправки, что облегчает ее удаление из поковки.
Раскатка на оправке – операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рисунок ниже). Заготовка опирается внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку, устанавливаемую концами на 
подставках, и деформируется между оправкой и узким длинным бойком. После каждого нажатия заготовку поворачивают относительно оправки.
Силы трения оказывают влияние и на процесс протяжки. Силы трения пропорциональны длине контакта инструмент – металл, вдоль которого происходит течение металла при протяжке. Течение металла наиболее интенсивно происходит перпендикулярно большей стороне бойка, т.к. силы трения в этом направлении значительно меньше, чем силы трения, действующие вдоль большей стороны. Таким образом, чтобы добиться наилучшей вытяжки, необходимо тянуть металл узкими бойками.
Прошивка – операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие (пробивка – рисунок слева) или углубление (глухая прошивка – рисунок справа). 
Инструментом для прошивки служат прошивни сплошные и пустотелые (последние – для прошивки отверстий больших диаметров). При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца. Более толстые поковки прошивают без подкладных колец с двух сторон. Диаметр прошивня выбирают не более ½…1/3 наружного диаметра заготовки. Прошивка сопровождается отходом (выдрой).
Отрубка (рисунок слева) – операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента – топора. Отрубку получают для получения из заготовок большой длины нескольких коротких, для удаления излишков металла на концах поковки, а также прибыльной и донной частей слитков.
Гибка (рисунок справа) - операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки и т.д. Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления.
Перечисленными операциями ковки трудно изготовить поковки сложной формы. При изготовлении небольшой партии таких поковок применяют штамповку в подкладных штампах. Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в которых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного участка. В подкладных штампах изготавливают головки болтов, диски со ступицей и т.д.
Вопрос 43