Нагрев металлов перед обработкой давлением

Металлы, обрабатываемые давлением, должны обладать пластичностью, которая определяется механическими характеристиками: относительным удлинением, поперечным сужением, удельной ударной вязкостью и др. Ориентировочные данные пластичности металла можно получить испытанием на растяжение. Если предел прочности с увеличением температуры падает, а относительное удлинение и сужение увеличиваются, то сопротивление деформированию уменьшается.

Наилучшая пластичность стали достигается нагревом, так как она непрерывно увеличивается в интервале температур от 300 до 1200°С в зависимости от содержания в стали углерода.

При нагреве стали выше температуры ковки наступает перегрев, который проявляется в резком росте аустенитных зерен и пониженной пластичности. Последняя может нарушить целостность заготовки. Перегрев углеродистых сталей исправляют термообработкой (отжигом). Однако исправление перегрева некоторых сталей (например, хромоникелевой) сопряжено с большими трудностями, поэтому его следует избегать.

При нагреве стали до температур, близких к температурам начала плавления, наступает пережог, характеризующийся появлением хрупкой пленки между зернами вследствие окисления их границ. Пережженный металл теряет пластичность, представляет собой неисправимый брак.

Обработка металлов давлением в зоне повышенных температур снижает сопротивление деформированию примерно в 10—15 раз по сравнению с обычным холодным состоянием. Следует заметить, что на перегрев и на пережог влияют и температура, нахождения металла в зоне высоких температур.

При горячей обработке давлением необходимо соблюдать определенный температурный интервал, зависящий от рода и химического состава металла. Для углеродистой стали область горячей обработки приведена на рис. 9. Температурные интервалы горячей обработки различных сплавов приведены в табл. 5.

Таблица.5. Температурные интервалы горячей обработки сплавов

* В зависимости от марки сплава и применения ковки или штамповки температура обработки уточняется.

Режим нагрева металла перед обработкой давлением должен обеспечить получение требуемой температуры заготовки при равномерном прогреве ее по сечению и длине; сохранение целостности заготовки, минимальное обезуглероживание поверхностного слоя и минимальный отход металла в окалину (угар).

Время нагрева металла до заданной температуры зависит от температуры рабочего пространства печи, размеров заготовки, физических свойств металла и способа укладки заготовки на поду печи, например заготовки, уложенные в разрядку, нагреваются быстрее, чем заготовки, уложенные вплотную.

Чем выше температура рабочего пространства печи, тем меньше времени затрачивается на нагрев заготовки. Разница между температурой рабочего пространства печи и требуемой температурой нагрева заготовки носит название температурного напора. Величина его при обычном нагреве составляет 100 — 150°С.

При скоростном нагреве температурный напор составляет 200 — 300°, т. е. значительно выше температуры нагрева заготовки и величины температурного напора при обычном нагреве. При скоростном нагреве заготовки во избежание перегрева транспортируются через печь в течение точно установленного времени, а температура печи регулируется автоматически.

Скоростной нагрев в пламенных печах по скорости нагрева заготовок увеличивается в 3 — 4 раза по сравнению с обычным нагревом. Такому нагреву подвергают заготовки из конструкционной углеродистой стали диаметром или стороной квадрата до 100 мм. Он допускает скорость нагрева в минуту около 1 см толщины заготовки.

При нагреве металлы расширяются, расширение происходит неравномерно. Поверхностные слои, нагретые до более высоких температур, расширяются больше, чем внутренние слои. Расширение поверхностных слоев притормаживается соседними внутренними слоями, которые при этом будут растягиваться вследствие расширения наружных. В результате этого наружные слои металла при нагреве будут испытывать напряжения сжатия, а внутренние — растяжения.

Напряжения, возникающие в металле вследствие неравномерного прогрева, называются температурными, или термическими, напряжениями. Эти напряжения тем больше, чем больше разность температур по сечению заготовки. Термические напряжения могут возрасти настолько, что будет нарушена целостность металла (образуются трещины). Вероятность разрушения металла будет большая у высоколегированных и легированных сталей, а также при нагреве крупных заготовок. Поэтому металл необходимо нагревать с определенной допустимой для него скоростью нагрева.

Для ориентировочного определения времени, потребного на нагрев заготовок толщиной более 150 мм или слитков в пламенных печах до температур начала обработки давлением, может служить формула Н. Н. Доброхотова — В. Ф. Копытова:

Т = αKD√D,

где Т — время нагрева в часах; D — диаметр или толщина заготовки в м; К — коэффициент, равный для углеродистой и низколегированной стали 10, а для высоколегированной 20; α — коэффициент, зависящий от расположения заготовок на поду печи.

Коэффициент α берется из таблиц. Для круглой одиночной заготовки, нагреваемой в печи, коэффициент α = 1, а при нагреве таких заготовок, уложенных на поду печи в ряд вплотную друг к другу, коэффициент α = 2; для одиночных квадратных и прямоугольных заготовок, уложенных на подставках и в ряд вплотную, заготовка к заготовке непосредственно на поду печи, значение коэффициентов будет соответственно α = 1 и α = 4.

Время, затрачиваемое на нагрев металла, больше времени, затрачиваемого на обработку давлением. Для создания условий нормальной непрерывной работы обычно одновременно нагревают несколько заготовок.При нагреве крупных заготовок, для уменьшения возникающих термических напряжений, температура печи при их загрузке должна быть значительно ниже конечной температуры нагрева, особенно при нагреве слитков из легированной стали.

На качество продукции при горячей обработке давлением влияет не только температурный режим нагрева и обработки давлением, но и режим охлаждения. Быстрое охлаждение продукции может: привести, в результате термических напряжений, к образованию наружных трещин, особенно у металла с небольшой теплопроводностью.

• Нагревательные устройства для обработки металла