Нагрев металла для обработки давлением

Обновлено: 17.05.2024

Нагрев заготовок позволяет проводить обработку дав­лением с меньшими усилиями и большими степенями де­формации.

При нагреве углеродистых сталей выше 300 °С умень­шается сопротивление деформированию (в десятки раз), увеличивается пластичность (на десятки процентов) и почти полностью исчезают упругие свойства. Также снимаются возникающие при обработке остаточные на­пряжения.

При нагреве для каждого материала выбирается стро­го определенный температурный интервал в зависимости от его химического состава и свойств.

Основой выбора температурного интервала для угле­родистых сталей служит диаграмма состояния системы железо—углерод. На рис. 13.4 представлен «стальной угол» диаграммы.

Прежде всего выбирается верхняя температура на­грева. Для углеродистых сталей нагрев до температур, близких к линии солидус, может привести к неисправи­мому дефекту — пережогу. Чуть меньшая температура может привести к перегреву сталей и резкому росту раз­меров зерен.

600\

Нагрев заготовок до больших температур сопровож­дается и вредными явлениями. При взаимодействии ме­талла с атмосферой происходит окисление, в результате чего образуется окалина, состоящая из оксидов железа. Окалина имеет большую твердость, чем разогретый ме­талл, поэтому износ деформирующего инструмента возрастает в два раза.

Рис. 13.4. Интервалы температур нагрева при об­работке давлением

Окалинообразование ухудшает качество поверхности заготовки. Окисляется и углерод, что приводит к обезуглероживанию поверхности заго­товки.

Нижняя температура (не ниже температуры рекрис­таллизации) также оказывает большое влияние на ме­талл. При обработке вследствие контакта с холодным ин­струментом и отбором теплоты окружающей средой заготовка может переохладиться сверх нормы. Это приве­дет к упрочнению и растрескиванию металла. Если же заканчивать обработку при температурах выше нижнего предела, то можно получить при остывании деформиро­ванной заготовки крупнозернистую структуру, что сни­жает ударопрочность деталей машин.

Помимо температурного диапазона устанавливаются скорость нагрева, время выдержки заготовки в нагрева­тельном устройстве и другие параметры.

Применяются различные типы нагревательных устройств, подразделяющиеся на нагревательные печи и электронагревательные устройства.

Печи по источнику энергии делятся на пламенные и электрические. Пламенные печи, работающие на жидком или газообразном топливе, подразделяются на камерные и методические. В камерных печах темпе­ратура одинакова по всему рабочему пространству, в ме­тодических — повышается в направлении от загрузочно­го к разгрузочному местам печи.

Камерные печи применяются в мелкосерийном произ­водстве для нагрева заготовок с большой массой,

Методические печи применяются в прокатном и круп­носерийном штамповочном производствах.

В стенках электрических печей устанавлива­ют металлические или карборундовые электронагревате­ли. Используют электропечи для нагрева заготовок из стали и цветных сплавов.

Электронагревательные устройства бывают индукционные и контактные. При пропускании по индуктору (рис. 13.5, а) тока в находящихся в переменном электромагнитном поле заготовках возникают вихревые токи, приводящие к нагреву заготовок. Во из­бежание окалинообразования нагрев проводится в атмо­сфере нейтральных газов. Этот тип нагревательных устройств применяется в условиях крупносерийного про­изводства, так как силовая электроустановка сравни­тельно дорога и для каждого типа деталей необходимо изготавливать сложные индукторы.

В устройствах электроконтактного нагрева (рис. 135 б) может осуществляться непрерывный нагрев (на­пример, прутка между двумя парами вращающихся ро­ликов) При прохождении тока большой силы через за­готовку, обладающую электросопротивлением, выделяет­ся теплота.

При загрузке и выгрузке крупных заготовок в пламен­ные печи применяются различные устройства и приспо­собления, а для открывания и закрывания дверей — вспо­могательные механизмы. Так, используют печи с вы­движным подом, карусельные с вращающимся подом, конвейерные с шагающим подом, непрерывные с ролико­вым подом.

Рис.13.5 Схемы электронагревательных устройств:

а – индукционного; б - контактного

В производстве используются механизированные ин­дукционные нагреватели методического действия. Двух- и трехручьевые нагреватели этого типа обеспечивают высокую производительность труда. Установка индукто­ров с переменным шагом витков сокращает время нагре­ва заготовок в три раза, что обеспечивает изготовление изделий на быстроходном оборудовании.

Нагрев металла при обработке давлением

Нагрев металла перед обработкой давлением

Значение нагрева металла. Нагрев металла при обработке давлением – одна из основных операций, от которой в большой степени зависит точность размеров получаемых изделий, их качество, правильное использование оборудования, инструмента и т.п.

Главная цель нагрева металла при обработке давлением – повышение его пластичности и уменьшение сопротивления деформированию. Нагрев должен обеспечивать равномерную температуру по сечению заготовки, её минимальное окисление и обезуглероживание. Практикой установлено, что интенсификация нагрева снижает окалинообразование, за счёт чего повышается точность изделий и возрастает стойкость инструмента (прокатных валков, бойков, штампов и т.п.).

Температурный интервал горячей обработки давлением. Каждый металл и сплав имеет свой строго определённый температурный интервал горячей обработки давлением.

Верхний предел температуры нагрева, т.е. температуру начала обработки следует назначать, чтобы не было ни пережога, ни перегрева.

Пережог – образование хрупкой плёнки между зёрнами металла, вследствие окисления их границ с частичным оплавлением. При пережоге происходит полная потеря пластичности металла. Пережог – неисправимый вид брака. Пережженный металл отправляют на переплавку. Пережог наступает, если температура нагрева близка к линии солидус (для сталей – линия АЕ на рис.3.4). Например для стали 20 пережог наступает при 1470 о С, а для стали У11 – при 1180 о С.

Ниже зоны пережога лежит зона перегрева. Перегрев приводит к резкому росту зерна. Так как крупнозернистому аустениту (первичная кристаллизация) соответствует крупное зерно структур, образовавшихся при вторичной кристаллизации (феррит + перлит, перлит + цементит), то механические свойства изделия, полученного из перегретой заготовки, оказываются низкими. Перегрев – исправимый брак, для этого проводят отжиг II рода.

В процессе обработки давлением металл остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом и внешней средой. Заканчивать горячую обработку следует не ниже определённой температуры. Если температура окончания обработки давлением будет близкой к температуре рекристаллизации или ниже её, то металл упрочнится, так как рекристаллизация не успеет произойти. Если же температура окончания обработки давлением будет значительно выше температуры рекристаллизации, то в процессе остывания зерно металла успевает вырасти (особенно у металлов, не испытывающих фазовых превращений), а следовательно, снизиться пластичность и вязкость металла.

Для сталей верхний предел температуры нагрева – температура начала обработки давлением – находится на 100 – 200 о С ниже линии солидус АЕ диаграммы состояния (см. рис.3.4), а нижний предел выбирают на 50 – 60 о С выше линии PS.

Скорость нагрева также должна лежать в определённом интервале. Скорость нагрева не должна быть слишком большой, так как с её увеличением увеличивается разность температур по сечению заготовки и, как следствие, опасность образования внутренних микро- и макротрещин. На практике пользуются эмпирическими формулами, устанавливающими связь между скоростью нагрева и размерами заготовки.

Рис.3.4. Температурный интервал обработки давлением углеродистых сталей.

Скорость нагрева не должна быть также слишком низкой, так как с уменьшением скорости нагрева возрастает время нагрева и интенсифицируется скорость окисления поверхности металла. Окисление называют угаром. При угаре на поверхности образуется окалина (на стали – оксиды FeO, Fe3O4, Fe2O3), которая увеличивает износ деформирующего инструмента, так как твёрдость некоторых оксидов, входящих в состав окалины выше твёрдости нагретого инструмента. На угар теряется около 5 % всей стали, подвергаемой обработке давлением. При высоких температурах окисляется не только железо, но и углерод – происходит так называемое обезуглероживание. Толщина обезуглероженного слоя может достигать 1,5… 2 мм. Для уменьшения окисления и обезуглероживания при нагреве в печи применяют нейтральные, защитные и восстановительные атмосферы. А после нагрева перед обработкой давлением применяют различные способы удаления окалины.

Режим охлаждения после обработки давлением также важен для качества получаемой стали: чем меньше теплопроводность материала заготовки, чем больше её масса и сложнее конфигурация, тем медленнее должно быть охлаждение.

Нагревательные устройства. Применяемые при обработке давлением нагревательные устройства классифицируются по следующим признакам:

1. По источнику энергии. Различают следующие типы печей:.

· Пламенные печи. В них осуществляется косвенный нагрев заготовки, т.е. за счет соприкосновения поверхности с какой – либо средой (газообразной жидкой, твердой). Передача тепла в этом случае идет за счет конвекции или излучение (основной способ при высоких температурах). Печи (пламенные) чаще применяют для нагрева слитков и крупных заготовок.

· Электронагревательные устройства. В них может реализоваться как прямой способ нагрева, т. е. когда тепло выделяется в самой заготовке, так и косвенный. Эти устройства наряду с нагревательными печами применяются для нагрева средних и мелких заготовок.

2. По назначению. По этому признаку различают:

· Устройства для нагрева под прокатку:

· Устройства для нагрева под ковку и штамповку

· Устройства для нагрева под прессование (выдавливание)

3. По принципу действия. В зависимости от принципа действия печи делятся на следующие типы:

· Устройства с периодической загрузкой. Заготовки в них неподвижны, загрузка и выдача их производится через то же сядочное окно.

· Устройства с непрерывной загрузкой (методические печи). В них заготовки в процессе нагрева непрерывно продвигаются от места загрузки к месту выдачи.

Характеристика пламенных печей.

Камерные печи (рис.3.5, а). Температура в камерных печах одинакова по всему объему рабочему. Для уменьшения температурных напряжений температура печи при загрузке заготовок (особенно из легированной стали) должна быть значительно ниже необходимой конечной. Эти печи универсальны поэтому очень распространены в мелкосерийном производстве; могут быть использованы для нагрева слитков массой до 300 т. Рабочее пространство 1 печи, выложенное огнеупорным кирпичом, нагревается с помощью двух форсунок 2. Заготовки 3 загружаются и выгружаются через окно 4. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5


Рис.3.5. Схемы пламенных печей: а – камерная печь, б – методическая печь.

Нагревательные колодцы (они могут быть также электрическими) относятся к печам периодического действия; в них нагреваются крупные слитки под прокатку; слитки помещаются в колодце вертикально и загружаются сверху. Применяются, как правило, в прокатных цехах.

Щелевые печи – печи периодического действия для нагрева только концов прутков, имеют загрузочные окна в виде круглых отверстий.

Методические печи (рис.3.5, б) – печи непрерывного действия (непрерывной загрузки). Бывают пламенными и электрическими, последние чаще применяют в цехах по обработке цветных металлов и сплавов. Методическая печь имеет вытянутое рабочее пространство, разделенное на две (двухзонная печь) или три (трехзонная печь) зоны. В последнем случае различают: I – подогревательную зону (600…800 ºС), II – зону максимального нагрева (1250…1350 ºС); III – зону выдержки (томления), в ней температура выравнивается по сечению заготовки. Заготовки 1 с помощью толкателя 2 проталкиваются по водоохлаждаемым трубам 3 и постепенно проходят по зонам подогрева и максимального нагрева, где происходит основное сгорание топлива с помощью форсунок 4. Выгружаются заготовки через окно 5. Методические печи применяют в прокатном производстве и крупносерийном штамповочном.

Основные показатели эффективности работы пламенных печей:

а) Напряженность пода:

, где H – напряженность пода, Gт – производительность печи (кг/ч), Fп – площадь пода (м²).

Напряжённость пода определяет производность печи. Для методических печей Н = 800…1000.

б) Коэффициент полезного действия печи η:

, где Q – тепло, затраченное на нагрев (Дж), Qп – тепло, внесенное в печь (Дж).

Основные потери теплоты происходят с уходящими газами, имеющими высокую температуру; чем выше температура уходящих газов, тем ниже η. Поэтому к. п. д. методических печей выше чем у камерных, и достигает 40…60 %. Тепло уходящих газов в пламенных печах может использоваться для подогрева воздуха и топлива, подаваемых в печь. Для подогрева служат рекуператоры (в рекуператорных печах) – подогреватели непрерывного типа, и регенераторы (в регенеративных печах) – подогреватели периодического действия. В рекуператорах холодный воздух пропускается по трубам, омывающимся снаружи уходящими газами. Устройство регенераторов такое же, как и применяемых в доменных и мартеновских.

в) Удельный расход топлива – отношение количества затраченного топлива к весу нагретого металла.

Характеристика электронагревательных устройств.

1) Электропечи сопротивления имеют вместо форсунок, вмонтированные в стены металлические или карборундовые (силитовые) элементы сопротивление, подключаемые к силовой электросети. Используются в основном для нагрева под обработку давлением цветных сплавов, имеющих сравнительно невысокую по сравнению со сталью температуру начала ковки. Для стальных заготовок нагрев в электропечах – дорогостоящий, т. к. стойкость нагревательных элементов при температурах нагрева стали под обработку – низка. Главное преимущество электропечей сопротивления – возможность точного регулирования температуры рабочего пространства.

2) Индукционные электронагревательные устройства. Заготовка в этих устройствах помещается внутрь многовиткового соленоида, по которому пропускается переменный ток. В заготовке возникают вихревые токи, которые нагревают установку.

3) Электроконтактные устройства. Нагрев в них осуществляется путем пропускания через заготовку электрического тока большой силы.

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

Характеристика или марка

Температура горячей обработки

Бр АЖ 9-4
Бр АЖМ 10—3 — 1,5
Бр АЖН 10 — 4 — 4
Бр КН 1 — 3
Лс 59 — 1

ВТ1, ВТЗ, ВТ4
ВТ5, ВТ6, ВТ8

* 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:

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.

Максимальную температуру нагрева, т.е. температуру начала горячей обработки давлением, следует назначать такой, чтобы не было пережога и перегрева. В процессе обработки нагретый металл обычно остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом и окружающей средой. Заканчивать горячую обработку давлением следует также при вполне определенной температуре, ниже которой пластичность вследствие упрочнения (рекристаллизация не успевает произойти) падает и в изделии возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформирование нецелесообразно (особенно для сплавов, не имеющих фазовых превращений). В этом случае после деформирования зерна успевают вырасти и получается крупнозернистая структура, характеризующаяся низкими механическими свойствами.

Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Например, алюминиевый сплав АК4 470 - 350 0 С ; медный сплав БрАЖМц 900-750 0 С; титановый сплав ВТ8 1100-900 0 С. Для углеродистых сталей температурный интервал нагрева можно определить по диаграмме состояния ( ) в зависимости от содержания углерода. Например, для стали 45 температурный интервал 1200-750 0 С, а для стали У10 1100 0 С - заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до требуемой температуры. Разность температур по сечению заготовки приводит к тому, что вследствие теплового расширения между более нагретыми поверхностными слоями металла и менее нагретыми внутренними слоями возникают напряжения. Последние тем больше, чем больше разность температур по сечению заготовки, и могут возрасти настолько, что в центральной зоне с растягивающими напряжениями при низкой пластичности металла образуются трещины. Разность температур по сечению увеличивается с повышением скорости нагрева, поэтому существует допустимая скорость нагрева. Наибольшее время требуется для нагрева крупных заготовок из высоколегированных сталей из-за их низкой теплопроводности. Например, время нагрева слитка массой 40 т из легированной стали составляет более 24 ч.

Однако с увеличением времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, так как при высоких температурах металл активнее химически взаимодействует с кислородом воздуха. В результате на поверхности, например, стальной заготовки образуется окалина - слой, состоящий из оксидов железа:

Кроме потерь металла с окалиной, последняя, вдавливаясь в поверхность заготовки при деформировании, вызывает необходимость увеличения припусков на механическую обработку. Окалина увеличивает износ деформирующего инструмента, так как ее твердость значительно больше твердости горячего металла.

При высоких температурах на поверхности стальной заготовки интенсивно окисляется не только железо, но и углерод: происходит так называемое обезуглероживание. Толщина обезуглероженного слоя в отдельных случаях достигает 1,5- 2 мм.

Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной или восстановительной атмосфере.

Читайте также: