Режим нагрева заготовок

В процессе нагрева металла необходимо обеспечить достижение температуры начала ковки, равномерный прогрев заготовок, мини­мальное обезуглероживание и окисление поверхности, сохранение целостности заготовки.

Качество нагрева заготовок определяется режимом нагрева, ха­рактеризуемым рядом факторов, таких, как температура в нагрева­тельной печи во время загрузки заготовок, скорость нагрева, тем­пература металла перед ковкой и время выдержки при этой темпе­ратуре, продолжительность нагрева.

Температура печи в момент загрузки холодных заготовок за­висит от марки стали, размеров поперечного сечения и формы за­готовок. Заготовки с диаметром поперечного сечения или стороной квадрата менее 100 мм из углеродистых конструкционных сталей обычно сажают в печь с температурой в рабочей камере 1200 — 1300° С холодными. Нагрев высокоуглеродистых и высоколегиро­ванных сталей производят по ступенчатому режиму. Эти стали обладают низкой теплопроводностью и при высокой скорости нагрева в них могут образоваться трещины. Наиболее вероятно образова­ние трещин в таких сталях при нагреве до температуры 500— 700° С, так как при высокой скорости нагрева и низкой теплопро­водности наружные слои металла имеют более высокую температу­ру, чем внутренние. В результате наружные слои оказываются сжатыми, а внутренние — растянутыми. Возникшие термические напряжения при еще недостаточной пластичности металла приво­дят к образованию трещин. Чтобы на заготовках из высокоуглеро­дистых и легированных сталей не образовывались трещины, их за­гружают в печь с температурой рабочего пространства не выше 500° С и выдерживают при этой температуре определенное время, которое зависит от размера поперечного сечения и формы заготов­ки. После прогрева заготовки по всему объему проводят дальней­ший нагрев до ковочной температуры.

Скорость нагрева заготовок представляет собой величину воз­растания температуры металла заготовки в единицу времени. На величину скорости нагрева оказывают влияние теплопроводность и теплоемкость стали, сечение и форма заготовки, расположение за­готовок на поду печи и разность температур печи и заготовки.

Нагрев заготовок происходит излучением и конвекцией. При излучении передача тепловой энергии заготовке происходит по­средством электромагнитных волн от продуктов горения топлива и внутренней поверхности рабочей камеры печи. При конвекции передача теплоты происходит частицами нагретого газа. В пламен­ных печах нагрев заготовок начинается с их поверхности путем проникновения теплоты внутрь заготовки, которое в свою очередь зависит от теплопроводности металла. Поэтому при прочих равных условиях скорость нагрева заготовки тем выше, чем выше тепло­проводность металла.

Чистые металлы имеют более высокую теплопроводность, чем сплавы. Высокоуглеродистая сталь почти в 1,5 раза менее тепло­проводна, чем низкоуглеродистая.

Чем меньше теплоемкость металла, тем меньше требуется теп­лоты для нагрева его до заданной температуры. Скорость нагрева заготовки, изготовленной из металла с меньшей теплоемкостью, выше по сравнению со скоростью нагрева заготовки из металла с большей теплоемкостью.

Форма заготовок оказывает влияние на скорость нагрева, так как при равных объемах заготовки различной формы имеют раз­личную площадь поверхности, через которую заготовке передается теплота. Например, при равных объемах заготовка круглого сечения нагревается быстрее, чем прямоугольного или квадратного.

Скорость нагрева зависит от расположения заготовок на поду печи. Так, если заготовка прямоугольного сечения расположена од­на на поду печи, то теплота воспринимается всей поверхностью за­готовки; если заготовки уложены плотно одна к другой, то поверх­ность каждой отдельной заготовки, воспринимающая теплоту, уменьшается, и скорость нагрева снижается. Влияние расположения заготовок на поду печи на скорость нагрева учитывают с помощью поправочных коэффициентов, значения которых указаны на рис. 12.

Скорость нагрева металла также зависит от разности темпера­тур печи и заготовки. Чем выше разность температур или так назы­ваемый температурный напор, тем быстрее при прочих равных ус­ловиях нагревается заготовка.

Нагрев металла необходимо проводить с наибольшей скоростью. При этом происходит меньший рост зерна, снижаются потери ме­талла в окалину и выгорание углерода на поверхности стальных заготовок, уменьшается глубина обезуглероженного слоя.

Однако в связи с возникновением при нагреве термических на­пряжений скорость нагрева металла необходимо ограничивать определенной допустимой скоростью, превышение которой приводит к образованию трещин в нагреваемой заготовке. Допустимая ско­рость нагрева зависит от пластичности и теплопроводности метал­ла, размеров сечения, структуры металла заготовки и других фак­торов.

Рис. 12. Значения поправочных коэффициентов в за­висимости от расположения заготовок на поду печи.

Понятие о допустимой скорости нагрева относится к заготовкам большого сечения и к первоначальному периоду нагрева до 500— 700° С. Скорость нагрева заготовок небольшого поперечного сече­ния (80—100 мм) из достаточно пластичных сталей, как правило, не ограничивают.

Продолжительность нагрева заготовок зависит от химического состава стали, размера заготовки и скорости нагрева. Ориентиро­вочно продолжительность нагрева можно определить по следующей формуле:

T = akD√O,

где Т — продолжительность нагрева, ч; а — коэффициент, учиты­вающий расположение заготовок на поду печи (значения а при­ведены на рис. 12); k — коэффициент, зависящий от химического состава стали (для углеродистой стали k = 10, для легированной к = 20); D — диаметр или сторона квадрата нагреваемой заго­товки, м.

При нагреве заготовок из высокоуглеродистых и высоколегиро­ванных сталей могут появляться трещины, поэтому общую про­должительность нагрева делят на два периода. В первый период заготовку нагревают более медленно до температуры 650° С. Про-должителькость_первого периода можно определить по формуле Т1= 13,3* aD√ D, продолжительность второго периода — по фор­муле Т2 = 6,7 aD√ D, где Т1 и Т2 — продолжительность первого и второго периодов, ч.

Практически продолжительность нагрева мелких заготовок меньше времени, рассчитанного по этим формулам. В пламенных печах для скоростного нагрева продолжительность нагрева загото­вок сокращают в четыре — шесть раз.

Продолжительность нагрева заготовок определяют по табли­цам, составленным на основании опытных данных. В качестве при­мера в табл. 3 приведена продолжительность нагрева катаных за­готовок из углеродистых конструкционных сталей диаметром до 100 мм.

Продолжительность нагрева высоколегированных сталей следу­ет увеличивать в 1,5—2 раза по сравнению с табличными данны­ми, углеродистой инструментальной стали — в 1,25—1,5 раза.

От выбора режима нагрева зависят качество поковок, расход топлива, производительность труда кузнецов и эффективность ис­пользования оборудования и инструмента. При правильно назна­ченном режиме нагрева получают поковки с мелкозернистой струк­турой, имеющие высокие механические свойства. Ошибочные режи­мы нагрева могут приводить к образованию трещин в металле как в процессе нагрева, так и в процессе ковки.

Таблица3. Время нагрева, мин, до 1200 0С холодных заготовок из конструкционных углеродистых и среднелегированных сталей при температуре печи 1300 0С.

Диаметр d или сторона квадрата а, мм	Профиль заготовки
круглый	квадратный
Расположение заготовок на полу печи
Одиноч- ное d	На расстоя-нии d	На расстоя-нии 0,5d	вплотную	Одиночное d	На расстоя-нии d	На расстоя-нии 0,5d	вплотную
					2,5	3,5	4,5
		3,5			4,5
		5,5				8,5
	6,5		9,5
		9,5			10,5	14,5	17,5
		11,5		19,5	12,5	17,5
		13,5	16,5	22,5	14,5	20,5
		15,5	19,5			23,5	28,5
					19,5		33,5
		21,5				32,5
						36,5
	22,5				29,5	41,5
	27,5		36,5			50,5
		39,5
	39,5	47,5			51,5

Чтобы закончить ковку при температуре конца ковки, необходимо знать время охлаждения метала и за это время выполнить все кузнечные операции. Скорость охлаждения на воздухе стальных заготовок приведена в таб. 4.

Таблица 4. Зависимость снижения температуры стальных заготовок при охлаждении на воздухе, 0С мин, от их диаметра.

Температура заготовки, 0С	Диаметр заготовки, мм
900 - 800	16,7	15,2	14,5	13,6
800 - 700	12,4	11,3	10,7	10,0
700 – 600	9,6	8,3	7,9	7,4
600 - 500	6,7	6,0	5,7	5,4
500 - 400	4,8	4,3	4,1	3,8
400 - 300	3,3	3,0	2,9	2,7
300 - 200	2,3	2,1	2,0	1,9
200 - 100	1,5	1,4	1,4	1,2
100 - 50	1,2	1,0	1,0	0,8

Большая часть энергии деформации метала в процессе ковки превращается в тепловую, поэтому заготовки охлаждаются с меньшими скоростями, чем приведенные в таб. 4.

Если невозможно получить поковку за один нагрев, делают повторные нагревы. Время каждого повторного нагрева составляет 50—60% продолжительности нагрева холодной заготовки.

51 Кроме режима нагрева заготовок на качество поковок оказыва­ет влияние печная атмосфера, которая в зависимости от условий сгорания топлива может быть окислительной, нейтральной или вос­становительной. При высокой температуре печная атмосфера хи­мически взаимодействует с металлом нагреваемой заготовки и мо­жет вызывать окисление или обезуглероживание металла.

Окисление стали в процессе нагрева представляет собой слож­ный физико-химический процесс, при котором свободный кислород, соединяясь с железом, образует на поверхности заготовки слой окалины. Окалина обладает незначительной прочностью, поэтому она свободно разрушается и отделяется от металла. Обнаженная поверхность заготовки под воздействием кислорода снова окисля­ется с образованием нового слоя окалины. Окислительная атмосфе­ра печи (при сжигании топлива с избытком кислорода) создает более благоприятные условия для образования окалины.

Кроме состава газовой атмосферы на процесс окисления метал­ла оказывают влияние температура и продолжительность нагрева, химический состав стали, форма и размеры заготовки.

Интенсивное окисление углеродистых сталей начинается при температуре выше 700° С. С повышением температуры интенсив­ность окисления возрастает. Так, если количество окалины, образу­ющейся при 900° С, принять за единицу, то при 1000° С ее образу­ется в два раза, а при температуре 1300° С в семь раз больше. Чтобы снизить потери металла на окалинообразование, нужно на­гревать металл так, чтобы продолжительность нагрева при макси­мальной температуре была минимальной. Для этого необходимо повышать скорость нагрева и сокращать время выдержки при тем­пературе начала ковки.

С увеличением содержания углерода в сталях их окисляемость снижается. Наличие никеля в стали приводит к увеличению окалинообразования, других легирующих элементов, например хрома, снижает склонность стали к окислению.

Образование окалины приводит к безвозвратным потерям ме­талла. Так, в процессе нагрева в камерных пламенных печах в ре­зультате окалинообразования угар металла составляет 2—3% мас­сы нагреваемой заготовки. При повторных нагревах заготовок угар увеличивается еще на 1—1,5% за каждый подогрев. Несоблюдение режима нагрева и нарушение оптимального газового состава ат­мосферы печи могут увеличить потери на окалинообразование до 5% массы заготовки за один нагрев.

Кроме того, наличие окалины, обладающей большой твердо­стью, приводит к быстрому износу кузнечного инструмента. Окали­на, не удаленная с поверхности заготовки и будучи закованной в тело поковки, снижает ее качество, приводит к браку и увеличению припусков на механическую обработку. Механическая обработка таких поковок затруднена.

Окалина вступает в химическую реакцию с огнеупорной клад­кой печи, в результате которой образуются шлаки, разрушающие под печи.

Во время нагрева металла одновременно с его окислением про­исходит выгорание углерода из поверхностных слоев заготовки, т. е. происходит их обезуглероживание. Выгорание углерода проис­ходит под воздействием газов, входящих в состав окислительной печной атмосферы. Обезуглероживание происходит на глубину до 2 мм. Особенно интенсивно выгорает углерод у инструментальных и высокоуглеродистых сталей, поковки из которых могут иметь низкую твердость. Поэтому для ответственных поковок иногда пре­дусматривают дополнительные припуски, снимая которые, удаля­ют обезуглероженный слой, и поверхностные слои поковки имеют такие же механические свойства, как и металл заготовки.

Чтобы уменьшить потери металла на окалинообразование ипредотвратить обезуглероживание, нагрев ведут в восстановитель­ной атмосфере печных газов, получаемой за счет неполного сгора­ния топлива. Нагрев заготовок ведут с максимально возможной скоростью, что сокращает время пребывания заготовок в печи при высоких температурах. При этом нельзя допускать подсоса воз­духа в топочное пространство печи. На поде рабочей камеры печи следует поддерживать положительное давление, что исключает по­падание избыточного кислорода, приводящего к интенсивному окислению и потерям металла.

Для снижения окалинообразования нагрев заготовок иногда ве­дут со стеклопокрытиями, которые предохраняют металл от окис­ления. Стеклопокрытия являются хорошими теплоизоляционными и смазывающими материалами, снижают неравномерность дефор­мации при ковке и повышают стойкость кузнечного инструмента. В процессе ковки поковок высокой точности применяют также раз­личные способы безокислительного нагрева, которые проводят в среде защитных газов (азота, аргона или продуктов неполного сго­рания топлива).

Дата добавления: 2015-08-17