6 Выбор и расчет заготовительных операций

6.1 Очистка

В результате прокатки, выполнения горячей штамповки и других высокотемпературных операций на поверхности заготовок или готового изделия образуется окалина. За время транспортирования, хранения на металле могут появиться ржавчина и загрязнения.

Цель очистки – удаление с поверхности металла загрязнений. Обязательной очистке подлежат:

- кромки свариваемых элементов;

- участки металла, соприкасающиеся с флюсом;

- поверхности контакта соединяемых элементов (внахлестку и куда приваривается обкладка);

- поверхности отдельных деталей и аппаратов, в целом подлежащие окраске, эмалированию, металлизации и т.п.

Ржавчина – продукт коррозии железа, образуемый под действием кислорода в присутствии воды, является основным видом загрязнения металлической поверхности. Бурая рыхлая масса ржавчины состоит, главным образом, из водной окиси железа, не связанной с металлом, поэтому не защищающей его от дальнейшего разрушения. Ее состав приблизительно отвечает формуле

Fе₂О₃ ^. Н₂О.

В условиях высоких температур электрической дуги происходит

диссоциация воды

2^. Н₂О = 2 ^. Н₂ + О₂ – Q, калл.

Водород и кислород способствуют образованию пор и микротрещин в

металле шва, повышают хрупкость металла. Будучи эндотермической, реакция повышает скорость охлаждения сварного соединения.Аналогичные дефекты в шве обнаруживаются при недопустимой влажности сварочного флюса.Окалина – наиболее распространенный вид неметаллических соединений на поверхности проката и представляет собой закись-окись железа Fе_зО₄.

В расплавленном состоянии на границе раздела фаз металл-шлак протекает реакция по уравнению

Fе₃О₄+ Fе – 4FеО.

Количество FеО в металле и шлаке перераспределяется равномерно.

Следовательно, с ростом содержания в шлаке свободной FеО увеличивается содержание кислорода в металле шва, что приводит к снижению пластичности, ударной вязкости металла шва. При содержании кислорода О₂ больше 0,1 % металл теряет ковкость. Загрязнения типа SiO₂, Al₂O₃, (песок, глинозем и др.) оказывают влияние на химический состав и свойства шлаков, образующихся при сварке. Эти изменения могут влиять отрицательно на свойства металла шва из-за нарушения оптимального состава флюсов, покрытий, рассчитанных на получение качественного соединения.

6.1.1 Способы очистки

В промышленности используют многочисленные способы очистки металлических поверхностей от загрязнений, которые можно объединятьв химические, физические и механические методы.Выбор метода обработки зависит от вида и степени загрязненностиповерхности; целей подготовки поверхности (под сварку, пайку,склеивание, окраску, эмалирование и т.п.); габаритных размеров, массыизделия и типа производства.Химические методы обработки поверхности включают обезжиривание,травление, а также применение модификаторов ржавчины.Обезжириванием называют процесс растворения или эмульгирования жира и масел с помощью химически активных веществ.Осуществляется промывкой деталей в щелочных растворах, органических растворителях, водных моющих средствах, а в некоторых случаяхэлектрическим травлением в гальванических ваннах.Обезжиривание мелких деталей производят в ваннах или во вращающихся барабанах, в которые залит растворитель.Крупные изделия обезжиривают путем заливки растворителя во внутреннюю полость герметически закрытого аппарата. Внешнюю поверхность крупногабаритных аппаратов можно обезжиривать путем протирки растворителем или его распылением.После щелочного обезжиривания и электрического травления должнабыть произведена тщательная промывка водой и сушка. Ввиду токсичности большинства растворителей все работы по обезжириванию должны выполняться в закрытых помещениях или камерах, оборудованных вытяжной вентиляцией.Травление выполняется обычно растворами серной и соляной кислот вотдельности или сочетании. Скорость травления увеличивается также с повышением температурырастворов.Кислота проникает под слой окалины или ржавчины и образует, наряду с окислами, свободный водород, который механически отрывает разрыхленные слои окислов.Для предотвращения наводороживания поверхности металла в травильные ванны добавляют специальные присадки - замедлители. Замедлители адсорбируются на поверхности изделий и затрудняютпереход частичек металла в раствор.Рецепты травителей зависят от состава обрабатываемого металла. По мере роста объемов производства цехов холодной прокачки потребовалосьувеличение производительности травильных агрегатов, что привело к необходимости применения более сильного травителя соляной кислоты взамен серной.

В последнее время разработано множество составов, композитов,модификаторов или преобразователей ржавчины.Химические способы очистки не оказывают влияния на изменение толщины поверхностно-напряженного слоя и шероховатость поверхности.Это весьма трудоемкие, дорогостоящие технологические операции, с неблагоприятными условиями труда. Поэтому эти способы мало распространены на аппаратостроительных предприятиях.Физические методы обработки поверхностей – это ультразвуковая, обработка взрывом, электрогидравлическая – не оказывают значительного влияния на изменение геометрических параметров качества поверхности. Однако такие способы, как электроискровая, плазменноабразивная, лазерная обработки, значительно влияют на изменение шероховатости. Следует отметить, что некоторые способы обработки взрывом создают поверхностно - уплотняющий слой толщиной до 35 мм.Физические способы очистки отличаются большой энергоемкостью,трудоемкостью, в некоторых случаях - повышенной опасностью, шумом изагазованностью.

Из физических методов наиболее широкое применение в аппаратостроении находят термические способы очистки. Поверхность нагревается до температуры 150 °С. Отделение окалины происходит вследствие различия коэффициентов линейного расширения стали и окислов металла. При нагреве происходит обезвоживание ржавчины. В результате окалина растрескивается и легко отслаивается вместе с ржавчиной. Остатки окислов удаляют металлическими щетками.Наиболее распространен способ газопламенной очистки, когда нагрев выполняется многопламенной горелкой, вмонтированной на роликовых опорах.

Механические способы очистки. В промышленности для обработки

поверхности широко используют вращающиеся металлические щетки.Для зачистки кромок свариваемых элементов, снятия усилений сварногошва широко используются абразивные круги и иглофрезы. Очистку производят также ручными щетками, скребками, различными обдирочными и шлифовальными инструментами. Также применяют галтовку, пескоструйную, дробеструйную, дробеметную очистки.Большинство способов механической обработки устраняют или локализуют на поверхности металла концентраторы напряжений в виде рисок, царапин, что значительно повышает механическую прочность, надежно защищает их от коррозионного растрескивания. Однако на поверхности металла в отдельных случаях остается слой пыли, а некоторые способы сопровождаются шумом, вибрацией изделий и трудно поддаются механизации.

Галтовка. При этом виде обработки детали в течение нескольких часов,беспорядочно перемещаясь во вращающемся барабане, трутся друг о друга, очищая при этом свои поверхности от окислов и загрязнений. Вместе с деталями загружают известняк, гравий, песок, в некоторых случаях небольшие количества слабых растворов кислот, щелочей.

Галтовка с успехом может быть применена для очистки внутренних поверхностей баллонов и других сосудов малого диаметра. В этом случаевнутрь обрабатываемых изделий вводят каменную мелочь, гранитные осколки, окись алюминия и т.п., которые ударами и фением о поверхность очищают ее от окалины, окислов и загрязнений.

Пескоструйная очистка состоит в обработке поверхностей струей сжатого воздуха, в которой находятся частички кварцевого песка.Величина давления для остальных изделий составляет от 0,18 до 0,22 МПа,скорость струи при истечении из сопла распыляющего аппаратадостигает 350 м/с.Поверхность изделий после обработки песком приобретает равномерную шероховатость и становится матовой; она легко коррозирует и загрязняется, поэтому следует максимально сократить промежуток времени до нанесения антикоррозионного покрытия.Крупным недостатком пескоструйной очистки является образованиебольшого количества пыли. Этот недостаток в некоторой степени устраняется гидропескоструйной очисткой, где очистку производят пульпой - смесью песка и воды.Имеется большое количество пескоструйных аппаратов разнообразныхконструкций, размеров и назначений, применяемых для очистки деталейметаллическими песками.

Дробеструйная очистка. Вместо кварцевого или металлического пескаприменяют метшую чугунную или стальную дробь, имеющую размеры от0,5 до 2 мм.Дробеструйные установки по своему устройству не отличаются от пескоструйных; давление воздуха составляет от 0,5 до 0,6 МПа, расход дробипо весу в 30 раз меньше расхода песка.Дробеметная очистка. Вместо пневматических распылительных устройств применяют дробеметные установки, в которых струя абразивногоматериала создается под действием центробежной силы, возникающейпри вращении турбинки. Пескоструйный, дробеструйный и дробеметный способы очистки, являющиеся разновидностями ударно-дутьевой очистки поверхности стали, представляют собой процессы, при которых измельченные абразивы или металлы, обладающие большой твердостью, чем очищаемая сталь, при помощи воздуха, центробежных устройств подводят к поверхности металла. Ударяясь об очищаемую поверхность, измельченные частицы, обладающие большой кинетической энергией, расходуют ее на удаление находящихся на поверхности загрязнений, образование выбоин, вмятин и деформацию поверхностного слоя очищаемого металла, приводящую к появлению в нем остаточных напряжений сжатия и упрочнению (наклепу).