Технология металлов и сплавов


ʡʔʤʜʝʚʝʒʗʮʛʔʡʏʚʚʝʑ
ʗʠʞʚʏʑʝʑ
УЧЕБНИК 






ʞˑˇ˓ˈˇ˃ˍ˙ˋˈˌˇˑˍ˕ˑ˓˃˕ˈ˘ːˋ˚ˈ˔ˍˋ˘ː˃˖ˍ,
˒˓ˑ˗ˈ˔˔ˑ˓˃ʏ.ʔ.ʒ˅ˑˊˇˈ˅˃
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 

УДК 621.7+669 
ББК 34 
Т38 
 
 
 
 
 
Авторы: 
 
Н. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, В. И. Золотухин, А. Н. Сергеев,  
А. Д. Бреки, О. В. Кузовлева, Г. М. Журавлёв, Д. А. Провоторов 
 
 
 
Рецензенты: 
 
Гадалов В. Н., проф., д-р техн. наук,  
Юго-Западный государственный университет; 
Епархин О. М., проф., д-р техн. наук, директор Ярославского филиала  
Московского государственного университета путей сообщения 
 
 
 
 
 
Т38  
Технология металлов и сплавов : учебник / [Н. Н. Сергеев и др. ] ; 
под ред. д-ра техн. наук, проф. А. Е. Гвоздева. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. – 480 с.: ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-0464-8 
 
Рассмотрены технологии производства чугуна, стали и цветных металлов, получения из них заготовок методами литья, обработки давлением, порошковой металлургии, сварки, пайки, склеивания, резания, сверхпластического деформирования, 
лучевого, лазерного, элекрохимического, электрофизического воздействия, термической, химико-термической, полугорячей штамповки и термомеханической обработки. 
Приведены примеры инновационных технологических разработок в области процессов внепечной обработки металлических расплавов и современных сталеразливочных 
систем, применяемых на промышленных предприятиях. Показаны перспективы развития наноматериалов и современных композиционных материалов триботехнического назначения.  
Для студентов бакалавриата технических специальностей. Учебник может быть 
полезен студентам экономических направлений подготовки. 
 
УДК 621.7+669 
ББК 34 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0464-8 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 7
1. ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА 
................. 8
1.1. Структура и продукция металлургического производства .......................... 8
1.2. Производство чугуна ........................................................................................ 9
1.3. Производство стали ........................................................................................ 11 
1.4. Основы внепечной обработки металлических расплавов .......................... 15 
1.5. Современные сталеразливочные системы 
.................................................... 17 
1.6. Особенности производства цветных металлов ............................................ 21 
2. ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ..................................... 25 
2.1. Сущность и основные способы литья 
........................................................... 25 
2.2. Литье в песчаные формы 
................................................................................ 26 
2.3. Оболочковое литье 
.......................................................................................... 29 
2.4. Литье по выплавляемым моделям 
................................................................. 30 
2.5. Литье в кокиль 
................................................................................................. 32 
2.6. Литье под давлением ...................................................................................... 34 
2.7. Основные дефекты литья и их исправление ................................................ 36 
3. ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ .................... 37 
3.1. Сущность и основные способы ..................................................................... 37 
3.2. Нагрев металла и нагревательные устройства ............................................. 39 
3.3. Прокатка 
........................................................................................................... 42 
3.4. Волочение ........................................................................................................ 46 
3.5. Ковка 
................................................................................................................. 49 
3.6. Штамповка ....................................................................................................... 52 
3.7. Ротационное обжатие ..................................................................................... 58 
4. ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ .................................. 60 
4.1. Технологии получения порошковых быстрорежущих сталей ................... 62 
4.2. Технология получения и применение порошковой  
проволоки для производства качественных сталей 
............................................ 67 
4.3. Конструкции и технологии изготовления порошковой проволоки 
........... 68 
5. ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ, ПАЙКИ И СКЛЕИВАНИЯ .............................. 76 
5.1. История развития сварочного производства 
................................................ 76 
5.2. Физические основы сварки ............................................................................ 76 
5.3. Классификация способов сварки 
................................................................... 78 
5.4. Типы сварных соединений ............................................................................. 78 
5.5. Ручная электродуговая сварка открытой дугой 
........................................... 80 
5.6. Дуговая сварка под слоем флюса .................................................................. 82 
5.7. Дуговая сварка в среде защитного газа ........................................................ 84 
5.8. Электроконтактная сварка ............................................................................. 86 
5.9. Оборудование и технология электродуговой сварки 
.................................. 88 
5.10. Газовая сварка и резка металла ................................................................... 93 
5.11. Оборудование и технология газовой сварки 
.............................................. 98 
5.12. Пайка материалов 
........................................................................................ 103 
5.13. Склеивание материалов 
.............................................................................. 108 
3 

6. ТЕХНОЛОГИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ ....................................................... 111 
6.1. История развития .......................................................................................... 111 
6.2. Структура наноматериалов .......................................................................... 114 
6.3. Классификация наноматериалов ................................................................. 115 
6.4. Способы получения наноматериалов 
.......................................................... 117 
6.5. Свойства наноматериалов ............................................................................ 118 
6.6. Высокая деформационная способность наноматериалов 
......................... 119 
6.7. Области применения наноматериалов 
........................................................ 120 
7. ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ ...................... 129 
7.1. Основы процесса резания металлов 
............................................................ 129 
7.2. Трение и деформация металла при резании 
............................................... 135 
7.3. Силы и тепловыделение в процессе резания ............................................. 139 
7.4. Типы и геометрия резцов ............................................................................. 143 
7.5. Точение и строгание ..................................................................................... 147 
7.6. Сверление, зенкерование и развертывание ................................................ 157 
7.7. Фрезерование и протягивание ..................................................................... 165 
7.8. Шлифование металлов.................................................................................. 172 
8. ТЕХНОЛОГИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ................. 185 
8.1. Основные понятия, признаки и количественные оценки 
сверхпластичности ............................................................................................... 185 
8.2. Закономерности развития и условия проявления  
сверхпластичности ............................................................................................... 187 
8.3. Модели состояния сверхпластичности ....................................................... 190 
8.4. Механизмы сверхпластичности 
................................................................... 196 
8.5. Объекты сверхпластичности 
........................................................................ 199 
8.6. Применение эффекта сверхпластичности .................................................. 207 
9. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ 
СТАНКОВ 
............................................................................................................... 210 
9.1. Основы устройства металлорежущих станков (МРС) .............................. 210 
9.2. Токарно-винторезный станок ...................................................................... 220 
9.3. Сверлильные станки ..................................................................................... 227 
9.4. Фрезерные станки ......................................................................................... 233 
9.5. Строгальные и шлифовальные станки 
........................................................ 239 
10. ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО 
НАЗНАЧЕНИЯ ...................................................................................................... 253 
10.1. Композиционные материалы триботехнического назначения  
с полимерными матрицами и наполнителями из высокодисперсных  
частиц слоистых модификаторов трения .......................................................... 253 
10.2. Нефтяные масла триботехнического назначения: дисперсные 
компоненты и наполнители ................................................................................ 272 
10.3. Микробиологические повреждения масел, смазок  
и специальных жидкостей 
................................................................................... 291 
4 

11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ 
................ 296 
11.1. Электрофизические методы обработки материалов ............................... 297 
11.2. Электрохимические методы обработки материалов ............................... 301 
11.3. Лучевые методы обработки ....................................................................... 311 
11.4. Ультразвуковая обработка ......................................................................... 315 
12. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ ................................... 317 
12.1. Технологические особенности процессов ................................................ 317 
12.2. Анализ процессов обработки сталей 
......................................................... 322 
12.2.1. Исследование деформированного состояния 
.................................... 322 
12.2.2. Исследование температурного состояния ......................................... 329 
12.3. Исследование процессов деформирования .............................................. 334 
12.3.1. Постановка задачи и выбор метода анализа ..................................... 335 
12.3.2. Расчет силовых параметров пластической  
деформации материала в процессах обратного и прямого  
выдавливания 
.................................................................................................... 337 
12.3.3. Синтез точных D-оптимальных планов экспериментов  
для прямого выдавливания ............................................................................. 344 
12.3.4. Построение математических моделей эффекта  
сверхпрочности сталей при прямом выдавливании ..................................... 347 
12.3.5. Расчет температурного поля в заготовке и в зоне  
пластической деформации .............................................................................. 348 
12.3.6. Закономерности изменения критериев сверхпластичности  
при прямом выдавливании сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП 
............................. 351 
12.3.7. Определение рациональных температурно-скоростных  
областей деформирования и оптимальных условий  
сверхпластичности для прямого выдавливания сталей ............................... 357 
12.3.8. Анализ напряженно-деформированного состояния 
......................... 359 
12.3.9. Влияние напряженного состояния на сверхпластичность 
быстрорежущих сталей ................................................................................... 368 
12.3.10. Определение показателя напряженного состояния  
и расчет ресурса пластичности 
....................................................................... 372 
12.3.11. Определение остаточных напряжений в зоне  
деформации после охлаждения ...................................................................... 375 
12.3.12. Структурные изменения в сталях в результате  
сверхпластической деформации при различных схемах  
напряженного состояния ................................................................................. 377 
12.4. Проектирование технологических процессов 
.......................................... 386 
12.4.1. Методика проектирования технологических процессов ................. 387 
12.4.2. Реализация технологий изготовления полуфабрикатов  
кольцевого и стержневого инструмента 
........................................................ 399 
12.4.3. Особенности подготовки производства заготовок  
быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности 
.................. 401 
12.4.4. Производство заготовок концевого быстрорежущего  
инструмента прямым выдавливанием в условиях 
сверхпластичности 
........................................................................................... 403 
5 

12.4.5. Производство заготовок дисковых резаков из  
быстрорежущих сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП сверхпластическим 
деформированием ............................................................................................ 409 
13. ТЕРМИЧЕСКАЯ И КОМБИНИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА  
СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ........................................................................................ 414 
13.1. Основы термической обработки 
................................................................ 414 
13.1.1. Сущность и виды термообработки 
..................................................... 414 
13.1.2. Превращения в сталях при нагревании ............................................. 417 
13.1.3. Превращения в сталях при охлаждении ............................................ 420 
13.2. Отжиг и нормализация ............................................................................... 425 
13.2.1. Назначение и сущность основных видов отжига ............................. 425 
13.2.2. Режимы проведения отжига 
................................................................ 428 
13.2.3. Дефекты отжига и меры их устранения ............................................ 429 
13.3. Закалка и отпуск сталей.............................................................................. 429 
13.3.1. Сущность и основные способы закалки ............................................ 429 
13.3.2. Отпуск сталей ....................................................................................... 436 
13.3.3. Дефекты закалки и отпуска 
................................................................. 440 
13.4. Сущность и виды химико-термической обработки 
................................. 440 
13.5. Цементация и азотирование стали ............................................................ 442 
13.6. Термомеханическая обработка .................................................................. 448 
ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................... 450 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 
.................................................................................................. 469 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 
.................................................................................................. 472 
6 

ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
В учебнике рассматриваются различные технологии конструкционных 
и эксплуатационных материалов. Анализируются металлургические технологические процессы производства важнейших конструкционных материалов: 
стали и чугуна, а также широко применяемых цветных металлов (меди, алюминия, магния и титана) для машиностроительной, авиационной, ракетной, 
автомобильной, электротехнической и микроэлектронной промышленности, 
объём выпуска которых составляет индустриальную, экономическую и оборонную мощь любого государства.  
Рассмотрены новые перспективные процессы внепечной обработки 
жидких металлических расплавов, которые обеспечивают получение металлов и сплавов высокого качества. Проанализированы технологии обработки 
металлов давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение, ротационное 
обжатие) и литьем (в песчаные формы, под давлением, по выплавляемым моделям, в кокиль, в оболочковые формы) при получении поковок и отливок из 
деформируемых и литейных металлических материалов. Обсуждаются различные процессы сварки, пайки и склеивания, порошковой металлургии и 
обработки материалов резанием (точение, строгание, фрезерование, протягивание, сверление, зенкерование, развертывание, шлифование), электрические 
и лучевые методы обработки, технологии сверхпластического деформирования и различных композиционных материалов триботехнического назначения, полугорячего формообразования, термической и термомеханической обработки. Показаны перспективы развития наноматериалов и области их применения в народном хозяйстве. Данные технологии являются основой производства изделий высокого качества и их безотказной эксплуатации. 
Анализируются конструкции новых разливочных систем и направления 
их использования – разработки сотрудников научно-производственного 
предприятия «Вулкан-ТМ», которые внедрены на десятках передовых промышленных предприятий РФ. Приведено описание новых авторских конкурентоспособных решений, позволяющих получать металлические сплавы высокого качества с малыми экономическими затратами по сравнению с зарубежными аналогами. Предлагаемые технологии являются дальнейшим развитием отечественной металлургии, основанной славными представителями 
династии Демидовых, сделавших наш Тульский край родиной российской 
металлургии и оружейного дела. Учебник позволяет развивать традиции патриотического воспитания молодёжи, основываясь на научных, технологических и профессиональных достижениях учёных, технологов и инженерных 
работников, педагогов, преподавателей и учителей. 
7 

1. ʡʔʤʜʝʚʝʒʗʗʛʔʡʏʚʚʢʟʒʗʦʔʠʙʝʒʝʞʟʝʗʖʑʝʓʠʡʑʏ 
1.1. ʠ˕˓˖ˍ˕˖˓˃ˋ˒˓ˑˇ˖ˍ˙ˋˢˏˈ˕˃ˎˎ˖˓ˆˋ˚ˈ˔ˍˑˆˑ˒˓ˑˋˊ˅ˑˇ˔˕˅˃ 
Металлы и сплавы на их основе являются основными конструкционными 
материалами, основой современного машино- и приборостроения. Объем производства черных и цветных металлов и сплавов всегда является важнейшим показателем уровня развития экономики, мощи и обороноспособности государства [6]. 
Металлургия – наука об извлечении металлов из природных соединений 
(руд) и дальнейшей их переработке с целью придания металлу определенных 
свойств. 
Различают черную металлургию, занимающуюся производством железа 
и его сплавов, и цветную – производство всех остальных металлов и их сплавов.  
Металлургическое производство – сложная система производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. 
Структура металлургического производства включает: шахты и карьеры 
по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты (ГОК), где 
обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цеха для получения сжатого воздуха  
и кислорода, очистки металлургических газов; доменные цеха для выплавки  
чугуна и ферросплавов; сталеплавильные цеха (мартеновские, конвертер- 
ные, электроплавильные) для производства стали; прокатные цеха для переработки выплавленного металла в сортовой, трубный, листовой и специальный 
прокат. 
Основная продукция черной металлургии: передельный (белый) чугун для 
переработки на сталь; литейный (серый) чугун для получения фасонных отливок на машиностроительных заводах; ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и другие) для выплавки легированных сталей; стальные 
слитки для производства проката; кузнечные слитки для изготовления крупных 
кованых валов, роторов турбин, дисков и т. п. 
Продукция цветной металлургии: слитки (чушки) цветных металлов  
для прокатки различных профилей; лигатуры – сплавы из цветных металлов 
для получения легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых метал- 
лов для приборостроения, электронной техники и других отраслей. 
Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, 
флюсы, топливо и огнеупорные материалы. 
Промышленной рудой называют горную породу, из которой на данном 
уровне целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в 
настоящее время целесообразно извлекать металлы, если их содержание в руде 
составляет: железа не менее 30–60 , меди 1–6 , молибдена 0,005–0,02 . 
Бедные руды обогащают на ГОКах, то есть удаляют из руды часть пустой 
породы и получают концентрат с повышенным содержанием металла. 
8 

Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения (сплавления) пустой породы, золы из топлива и 
других веществ, которые нужно удалить из конечного продукта. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак легче металла, располагается в печи 
сверху (всплывает) и может быть удален (слит) в процессе плавки. Шлак защищает расплавленный металл от контакта с воздухом и печными газами. Шлак 
бывает кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2; Р2О5) 
и основным, если преобладают основные оксиды (CaO; MgO; FeO). 
Топливом в металлургических печах служат кокс, природный газ, мазут, 
печные газы. Кокс получают на коксохимических заводах путем сухой перегонки при температуре 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля специальных коксующихся сортов. 
Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. По химическим свойствам огнеупоры разделяют на кислые, основные и нейтральные. 
Кислые огнеупоры содержат большое количество кремнезема SiO2 (динасовые, 
кварцеглинистые, кварцевый песок). Основные огнеупоры содержат основные 
оксиды CaO, MgO (магнезитовый, магнезитохромитовый кирпич). Нейтральные 
огнеупоры состоят из оксидов Al2O3; Cr2O3 (шамотный кирпич, высокоглиноземный, углеродистые блоки из графита). 
При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами  
и шлаками, поэтому в основной печи нельзя применять кислые флюсы и наоборот, в печи с кислой футеровкой – основные флюсы, так как это приведет к разрушению футеровки печи. 
1.2. ʞ˓ˑˋˊ˅ˑˇ˔˕˅ˑ˚˖ˆ˖ː˃ 
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топлива и флюсы. 
Железные руды содержат железо в различных соединениях (чаще всего 
оксидах и карбонатах): магнитный железняк Fe3O4 (50–70 % Fe); красный железняк Fe2O3 (50–60 % Fe); бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа Fe2O3ǜH2O (30–50 % Fe); шпатовый железняк FeCO3 (30–50 % Fe). 
Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получить необходимую температуру и создать условия для восстановления железа из руды. 
В целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом. 
Флюсом при доменной плавке служит известняк CaCO3. Это необходимо 
для удаления серы и фосфора из металла, в который они переходят из кокса  
и руды. 
Сущность выплавки чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом  
и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи. 
Доменная печь (рисунок 1.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри 
шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, 
9 

распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту [6].  
При работе печи шихта, проплавляясь, опускается вниз. В верхней части 
горна находятся фурмы, через которые в печь поступает горячий воздух (дутье), необходимый для горения топлива. 
Рисунок 1.1. Устройство доменной печи:  
1 – чугунная летка, 2 – горн, 3 – фурмы, 4 – заплечики, 5 – распар, 6 – шахта, 
7 – колошник, 8 – засыпной аппарат, 9 – вагонетка подъемника,  
10 – мост, 11 – лещадь, 12 – шлаковая летка [6] 
Воздух нагревается (для уменьшения потерь тепла и снижения расхода 
кокса) в воздухонагревателях за счет тепла отходящих из домны горячих газов. 
Воздухонагревателей три: один подает горячий воздух в домну, второй в это 
время сам нагревается, третий находится в резерве (или на ремонте). Периодически воздухонагреватели переключаются. 
Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает. 
В результате выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO, 
CO2, N2, H2, CH4 и другие газы. 
10