Явища відбуваються в металі при нагріванні, режими нагріву
0 С. Нагрівання металів перед куванням є відповідальною операцією, від якої багато в чому залежить ие тільки якість майбутніх деталей, але також продуктивність праці, якість його функціонування обладнання, стійкість інструменту і собівартість продукції.
В процесі нагрівання змінюються розміри заготовок, стан поверхневих шарів металу, його будова і властивості.
Зміна розмірів заготовки. При нагріванні метали розширюються, а при охолодженні стискаються на величину, яка називається усадкою. При куванні сталевих поковок усадку визначають наближено, вважаючи, що вона становить 1,2% від розміру заготовки в гарячому стані. Наприклад, гаряча кування довжиною 500 мм після охолодження до цехової температури матиме довжину 494 мм. Якщо усадку металу не врахувати, то вийде шлюб поковки за розмірами.
Вплив усадки на форму і розміри поковки особливо слід враховувати при куванні заготовок деталей складної форми з довгими відростками, так як усадка може привести до сильного викривлення поковки. Дуже важливо також брати до уваги усадку металу при виготовленні робочих струмків штампів для об'ємного штампування, особливо при точної об'ємної штампування дорогих сплавів.
Зміни в поверхневих шарах заготовок. З підвищенням температури активність взаємодії металів з атмосферою печі збільшується. При нагріванні сталей на поверхні заготовки утворюється шар оксидів заліза (FeO, Fe2 03. Fe3 04), званий також окалиною. Товщина шару окалини залежить від температури і часу нагрівання, розташування заготовок в печі, складу пічних газів і хімічного складу сплаву. Найбільш інтенсивно стали окислюються при температурі вище 900 ° С. Так, при збільшенні температури заготовки з 900 до 1000 ° С швидкість окислення збільшується в 2 рази, а до 1200 ° С - в 5 разів.
Освіта окалини веде до втрат металу, збільшення припусків на механічну обробку, зниження продуктивності праці. Крім того, окалина, будучи твердим речовиною, знижує стійкість інструменту при обробці тиском і різанням.
Нагрівання вуглецевих сталей супроводжується утворенням пухкого шару окалини, який легко видаляється, але не оберігає метал від подальшого окислення. У сталей, легованих хромом, кремнієм, вольфрамом, нікелем, шар окалини має малу товщину, щільне будова, не розтріскується і є захистом від подальшого окислення. Хромонікелева сталь, що містить 15 ... 20% нікелю, практично не окислюється і називається тому жаротривкої. При нагріванні вуглецевих сталей відбувається також вигорання вуглецю з поверхневого шару на глибину до 2 мм. Зменшення вмісту вуглецю, зване про бе зугле ро ня, веде до зниження міцності і твердості сталі і погіршення закаливаемости деталі. Обезуглероживание особливо шкідливо для поковок невеликих розмірів, що мають малі припуски на механічну обробку і піддаються подальшій загартуванню. Для великих поковок обезуглероживание менш небезпечно, оскільки в процесі кування і охолодження вуглець з внутрішніх шарів заготовки дифундує в зовнішні і хімічний склад сплаву вирівнюється.
Для зменшення окалинообразования і обезуглероживания застосовують нагрів в захисній атмосфері (спеціальні сплави нагрівають і обробляють у вакуумі), швидкісний нагрів, різні покриття і обмазки, що наносяться на заготовки перед нагріванням. Обмазки не тільки захищають метал від окалинообразования, обезуглероживания і насичення газами, але і, будучи мастилами, знижують зусилля деформування і нагрів деформуючого інструменту, а також полегшують пластичне протягом металу при обробці тиском.
Однак повністю захистити метал від окислення у виробничих умовах не вдається, тому застосовують різні способи видалення окалини з нагрітих заготовок перед штампуванням - за допомогою різноманітних скребків, щіток пристосувань, окаліноломате- лей, а також гідроочищення за рахунок короткочасного впливу струменів води високого тиску на поверхню заготовки .
Розподіл температури по перетину заготовки. Прогрів заготовки по перетину здійснюється за рахунок теплопередачі від зовнішніх шарів до внутрішніх. Чим менше коефіцієнт теплопередачі металу, більше швидкість нагріву і площа поперечного перерізу заготовки, тим більше різниця температур між зовнішніми і внутрішніми шарами заготовки. Під дією високої температури зовнішні шари розширюються більше внутрішніх, внаслідок чого між ними виникають напруги, які можуть призвести до руйнування металу. Здебільшого заготовки з вуглецевих конструкційних сталей перетином до 100 мм завдяки високим теплопровідності і пластичності металу «не бояться» швидкого нагріву, тому їх можна закладати холодними в піч з температурою до 1300 0 С.
Високоуглеродастие і високолеговані стали і багато складних сплави, що мають низькі теплопровідність і пластичність, щоб уникнути утворення тріщин вимагають повільного нагріву. Заготовки з таких сталей і сплавів завантажують в піч, що має спочатку невисоку температуру, деякий час витримують при цій температурі і тільки після прогріву заготовок по всьому перетину збільшують її. Після того як зовнішні шари заготовок нагріються до кувальної температури, заготовки залишають ще деякий час в печі для вирівнювання температури металу по всьому перетину. Це час називається часом витримки. Великі злитки з легованих сталей при нагріванні піддають декільком витягів при різних температурах.
Кувати нерівномірно нагріту заготовку небезпечно внаслідок різних за її перетину деформацій металу і можливого його руйнування. При об'ємної штампування і кування в підкладних штампах нерівномірний нагрів призводить до незаповнених робочого струмка штампа і зниження стійкості інструменту.
Слід мати на увазі, що в процесі кування, особливо при великих швидкостях деформації і невисокій температурі заготовки, виділяється теплота, що розподіляється нерівномірно за обсягом заготівлі.
Вплив нагрівання на структуру металу пов'язане з аллотропическими перетвореннями (різні кристалічні решітки при різних температурах) в залозі. При нагріванні понад 723 ° С сталь має гране- центрированную кубічну решітку з впровадженими в неї атомами вуглецю - твердий розчин впровадження, званий аустенітом. Стали з аустенітної структурою мають найбільшу пластичність.
Режим нагріву. Вибір режиму нагріву полягає в обгрунтованому виборі температури нагріву заготовок з урахуванням температурного інтервалу їх обробки, а також визначенні часу нагріву заготовок. Нижня межа температурного інтервалу кування перевищує 723 ° С, а верхня повинна бути на 100. 150 ° С нижче температури плавлення. При нагріванні до більш високих температур в металі з'являються два види дефектів - перегрів і перевитрата. При перегрів збільшуються розміри зерен, зменшується пластичність металу і погіршуються його механічні властивості. Цей дефект можна усунути додаткової куванням або термічною обробкою, що вимагає додаткових витрат. Нагрівання до більш високої температури (1350. 1400 ° С) веде до пережогу - окислення металу на межі зерен, В результаті зв'язок між зернами порушується і метал при куванні руйнується. Перевитрата є невиправним браком.
Таким чином, метали обробляють тиском в певному для кожного з них інтервалі температур Гн ... Гк. де Гн і Тк - температури відповідно початку і кінця кування. Щоб поковки мали високі механічні властивості, прагнуть закінчувати ковку при температурі, близькій до Гк. що забезпечує дрібнозернисту структуру металу. Якщо ковку або штампування закінчувати при більш високих температурах, в процесі охолодження поковок розміри зерен збільшуються, а механічні властивості стали погіршуються.
Температурний інтервал обробки тиском залежить від марки оброблюваного сплаву. Низьковуглецевих сталі мають широкий (до 500 ° С) температурний інтервал обробки і коваль встигає виконати велику кількість операцій без додаткового нагріву заготовки. Однак в сучасному машинобудуванні все частіше доводиться обробляти сплави, що мають дуже вузький температурний інтервал деформування. Наприклад, алюмінієві сплави ВД17, Д19 та інші необхідно обробляти в інтервалі від 400 до 470 ° С, т. Е. Температурний інтервал обробки складає всього 70 ° С, тому в ряді випадків потрібне додаткове опалення заготовок для завершення їх обробки.
При куванні великих і складних поковок, коли потрібно тривалий час на виконання ковальських операцій, заготовки остигають і виникає необхідність в їх додаткових нагревах. Щоб зменшити кількість останніх, вживають заходів для уповільнення охолодження металу при куванні. Для цього застосовують відкидні екрани- 66 відбивачі з алюмінієвого листа, один кінець заготовки при куванні іншого кінця закривають азбестом або спеціальним кожухом, покривають злитки теплоізоляційними обмазками на скляній основі спеціального складу.
Температуру початку кування Ті вибирають такий, щоб з розрахунком подстиванія заготовки кування закінчувалася при температурі, на 20 .... 30 ° С перевищує допустиму температуру Тк (табл. 4.1), а температуру нагрівання встановлюють трохи вище Ті з урахуванням охолодження заготовки за час її передачі від нагрівального пристрою до молота або пресу.
Час нагріву визначають, виходячи з двох суперечливих вимог. З одного боку, з метою зменшення утворення окалини і підвищення продуктивності бажано скоротити час нагріву, збільшивши його швидкість, з іншого, щоб уникнути утворення тріщин - зменшити швидкість нагріву і збільшити його тривалість. Останнє особливо відноситься до заготовок великого перерізу з високолегованих сплавів.
Заготовки з вуглецевих сталей, які мають площу перетину до 100 мм 2 і оброблювані ручним куванням, допускають високу швидкість нагріву і їх можна завантажувати холодними в піч, що має температуру близько 1300 ° С. В цьому випадку час нагрівання можна визначити або за табл. 4.2, або за формулою М.М. Доброхотова: Т = akd \ fd, де Т - час нагрівання, ч; до - коефіцієнт, що залежить від марки стали (для вуглецевих і низьколегованих сталей к = 10, для високовуглецевих і високолегованих сталей к = 20); d - діаметр (або сторона квадрата) заготовки, м; а - коефіцієнт, що враховує спосіб укладання заготовок в печі (рис. 4.1). Чим щільніше укладені заготовки в печі, тим більше коефіцієнт а й більший час потрібно для нагріву заготовок.
4.1. Температурні інтервали кування сталей і нікелевих сплавів
Заготовки з високолегованих сталей через можливе їх руйнування нагрівають в два етапи: спочатку їх повільно підігрівають до 650 С, а потім, коли пластичність сплаву збільшиться, остаточно нагрівають з великою швидкістю до кувальної температури. Загальний час нагріву Т = ТХ + Т2. де Тх і Г2 - час відповідно першого і другого нагревов (Г, = а = ab, ld -у ^ Ггде d - діаметр
або сторона квадрата заготовки).
Наступний за куванням процес охолодження поковок (особливо з легованих сталей) є відповідальною технологічною операцією, яка при неправильному виконанні може привести до їхнього шлюбу. При охолодженні поковок тріщини в них утворюються частіше, ніж при нагріванні, тому швидкість охолодження поковок не повинна перевищувати допустимих значень. Поковки з середньо вуглецевих сталей можна охолоджувати на повітрі поштучно або на стелажах. Великі поковки з легованих сталей охолоджують повільно разом з піччю, даючи витримки впродовж кількох годин при певних температурах. 68
Цикл охолодження залежить від хімічного складу металу і розмірів поковки і може тривати кілька діб.
Класифікація. Від правильного вибору і роботи нагрівальних пристроїв в значній мірі залежать продуктивність кування і якість виготовлених поковок. У ковальському виробництві застосовують різні по конструкції і принципу дії нагрівальні пристрої. При виборі нагрівальних пристроїв керуються різними факторами, головними з яких є технологічні особливості кування або штампування, хімічний склад металу, що нагрівається, розміри і форма заготовок, масштаб виробництва поковок і умови праці. Нагрівальні пристрої класифікують за способом нагріву заготовок і за конструктивними ознаками, визначальним режим завантаження заготовок.
За способом нагріву нагрівальні пристрої ділять на печі і електронагрівальні пристрої (рис. 4.2). У печах заготовки нагріваються до необхідної температури за рахунок теплоти робочого простору печі (джерело теплоти знаходиться поза заготовки), а в електронагрівальних пристроях теплота виникає всередині самої заготовки. Печі, в свою чергу, поділяють на полум'яні і електричні. У полум'яних печах робочий простір нагрівають спалюванням палива (газу або мазуту), в електричних - пропусканням електричного струму через елементи опору, встановлені всередині нагрівальноїкамери.
За конструктивними ознаками нагрівальні пристрої підрозділяють на пристрої з періодичної і з безперервним завантаженням і розвантаженням заготовок. У перших, званих камерними, заготовки завантажуються і вивантажуються з нагрівального пристрою через один і той же вікно, а в процесі нагрівання вони залишаються нерухомими. Другий тип нагрівальних пристроїв, званих методичними чи прохідними, характеризується тим, що заготовки завантажуються через завантажувальний вікно, переміщаються в процесі нагрівання і видаються для обробки через вікно вивантаження.
Механізовані печі складної конструкції і електронагрівальні пристрої рентабельні в великосерійному виробництві. В умовах дрібносерійного виробництва через часті переналадок технологічних процесів і неминучих змін темпу роботи доцільно застосовувати менш досконалі універсальні печі.
Незважаючи на го що електричні печі і електронагрівальні пристрої мають ряд переваг перед полум'яними печами, послед- 70 ня частіше застосовують в ковальському виробництві, особливо в одиничному і дрібносерійного. Пояснюється це тим, що вартість і час нагрівання в електропечах вище, ніж в газових, а електронагрівальні пристрої недоцільно застосовувати в одиничному виробництві внаслідок їх недостатньої універсальності.
