Нагрев заготовок перед обработкой металлов давлением проводится в

Обновлено: 17.05.2024

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.

Понятие о процессах обработки металлов давлением

Обработкой давлением называется технологический процесс получения фасонных деталей и заготовок методом пластического деформирования в холодном и горячем состоянии.

Обработке давлением подвергается 90% выплавляемой стали, 55% цветных металлов и их сплавов, различные виды пластмасс и др. неметаллических материалов.

Обработка давлением является высокоэффективным и прогрессивным технологическим процессом. Кованные и штампованные детали составляют 60―85% от веса автомобилей, самолетов, тракторов и др. машин.

При обработке давлением получают не только определенную форму и размеры, но и достигают требуемых величин показателей механических и физико-механических свойств металла деталей машин.

§ 2. Пластическая деформация при обработке

Пластическая деформация – сложный физико-химический процесс, в результате которого наряду с изменением формы и строения исходного металла изменяются его физико-химические свойства.

Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся тем, что атомы в кристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго определенном для каждого металла порядке.

В промышленных условиях затвердевание металла начинается одновременно во многих центрах кристаллизации и поэтому металл получается поликристаллическим.

При холодной пластической деформации под действием внешних сил в кристалле возникают напряжения. Пока эти напряжения не превысили определенной для данного металла величины, называемой пределом упругости , происходит упругая деформация. При упругой деформации атомы отклоняются от мест устойчивого равновесия на расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки под действием межатомных сил атомы возвращаются в прежние места устойчивого равновесия, при этом изменений в строении и свойствах металла не происходит.

С увеличением внешней нагрузки увеличиваются и отклонения атомов. При определенных для данного металла напряжениях (пределе текучести) атомы смещаются в новые места устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие межатомные. После снятия нагрузки форма кристалла не восстанавливается, он получает пластическую деформацию.

Пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической структуры, образованием осколков и остаточных деформаций.

Эти явления, затрудняя процесс дальнейшей деформации, вызывают изменения механических и физико-химических свойств исходного металла: прочность, твердость, электросопротивление и химическая активность увеличивается, а пластичность, ударная вязкость и магнитная проницаемость уменьшается.

Совокупность изменений механических и физико-химических свойств в результате холодной пластической деформации называется наклепом (упрочнением).

В большинстве сплавов всегда присутствуют неметаллические примеси (окислы, карбиды), которые располагаются между зернами в виде пленок или отдельных шариков. При обработке давлением эти включения раздробляются и вытягиваются, придавая металлу волокнистое строение, которое при макроанализе обнаруживается глазом.

Величина пластической деформации металлов ограничена их пластическими свойствами.

Большинство металлов обрабатываются давлением в нагретом состоянии. Объясняется это тем, что с повышением температуры пластичность увеличивается, сопротивление деформации уменьшается.

Если пластическая деформация оказывает упрочняющее влияние на металл, то повышение температуры вызывает его разупрочнение. При незначительном нагреве, увеличивающем подвижность атомов, в холоднодеформированном металле уменьшаются остаточные напряжения и в некоторой степени устраняется искажение кристаллической решетки. При этом форма и размеры деформированных зерен не изменяются, волокнистая структура металла полностью сохраняется. В результате рассмотренных явлений, называемых возвратом , прочностные свойства металла уменьшаются , а пластичные – увеличиваются.

Возврат у чистых металлов происходит при температурах

где ― абсолютная температура плавления металла

Сплавы же имеют температуру возврата более высокую, чем чистые металлы.

Чем выше температура нагрева, тем подвижнее атомы и тем активнее протекает возврат. При температуре выше температуры возврата в деформированном металле происходит рекристаллизация, т. е. процесс зарождения и роста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической структурой взамен деформированных. В результате рекристаллизации остаточные напряжения снимаются, восстанавливаются его исходные свойства и, таким образом, полностью снимается упрочнение, полученное металлом в процессе его деформирования.

Для чистых металлов температура рекристаллизации:

Рекристаллизация не устраняет волокнистое строение, т. к. она не происходит в неметаллических примесях.

Таким образом, обработка металлов давлением при повышенных температурах сопровождается одновременным действием как упрочняющих, так и разупрочняющих процессов. В зависимости от того, какие из этих процессов преобладают, обработка давлением подразделяется на холодную, неполную горячую и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется интенсивным упрочнением и отсутствием возврата и рекристаллизации. Прочность резко увеличивается, а пластичность уменьшается.

При неполной горячей деформации – рекристаллизация отсутствует, а возврат происходит.

При горячей обработке давлением – упрочнение, полученное металлом в процессе пластической деформации, полностью снимается рекристаллизацией, а металл получает равновесную микроструктуру, причем волокнистое строение сохраняется.

§ 3. Нагрев металлов перед обработкой

Металлы, обрабатываемые давлением, должны обладать пластичностью. Чем выше пластичность и ниже прочность, тем большей ковкостью обладает металл.

Наилучшая пластичность стали достигается нагревом, т. к. она непрерывно увеличивается в интервале температур от 300º до 1200º в зависимости от содержания в стали углерода. Стали с меньшим содержанием углерода обрабатываются давлением при более высоких температурах, а стали с повышенным содержанием углерода – при несколько пониженных температурах.

Все примеси, входящие в сталь, ведут к понижению температуры. Температурный интервал для легированных сталей характерен некоторым сужением с небольшим понижением предельных температур обработки. Медь обрабатывается в зоне температур 900―700º, латунь 760―600º, бронза 900―750º.

Алюминиевые сплавы при 470―380º, магниевые 430―350º.

Термический режим нагрева стали перед обработкой давлением должен обеспечить: получение требуемой температуры заготовки при равномерном нагреве 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, формы сечения и размеров заготовки, физических свойств металла и способа укладки заготовок на поду печи.

§ 4. Нагревательные устройства

Для нагрева слитков и крупных заготовок чаще всего применяют пламенные печи, а для нагрева средних и мелких заготовок наряду с пламенными печами применяют электрические нагревательные устройства.

По технологическому признаку различают печи для нагрева исходного материала под прокатку, ковку и штамповку, прессование (выдавливание).

По конструктивным признакам нагревательные устройства можно разделить на печи периодического действия (камерные печи) и непрерывного действия (методические и полуметодические).

В камерных печах металл в процессе нагрева остается неподвижным, температура в любой точке печи примерно одинакова, загрузка и выдача металла производится периодически.

В печах непрерывного действия металл передвигается по поду печи или вместе с подом (конвейерные печи) от места загрузки в печь до места выгрузки из печи с помощью специальных механизмов-толкателей. Температурный режим по длине печи методически (постепенно) изменяется от минимальной температуры до заданной; загрузка и выдача металла осуществляется без нарушения теплового режима печи.

В прокатных и трубопрокатных цехах для нагрева слитков применяют нагревательные колодцы, а для нагрева заготовок – двух-трех- и многокамерные методические пламенные или реже электрические нагревательные печи непрерывного действия.

В кузнечных цехах нагрев слитков под ковку производят в камерных печах со стационарным или выдвижным подом. Применяют также камерные механизированные печи с непрерывной загрузкой, а также полуметодические и методические пламенные печи и печи с электронагревом.

В прессовых цехах слитки или заготовки нагревают в методических или камерных пламенных печах и в печах с электронагревом.

§ 5. Основные способы обработки

1. Прокатка ― один из важных способов обработки давлением, которым обрабатывается более 75% выплавляемой стали. Прокатка осуществляется захватом заготовки и деформации ее между вращающимися в разные стороны валками прокатного стана. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина увеличивается. Валки имеют гладкую поверхность для прокатки листов и вырезанные ручьи для получения различных профилей.

2. Волочение ― процесс, при котором заготовка протягивается на волочильном стане через отверстие инструмента, называемого волокой. При этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается.

3. Прессование ― представляет собой выдавливание заготовки, помещенный в специальный контейнер, через отверстие. В зависимости от формы и размеров отверстия получают разнообразные изделия.

4. Ковка металла заключается в обработке заготовки между верхним и нижним бойками молота с применением разнообразного кузнечного инструмента. Свободной ковкой получают поковки различных размеров простой и сложной формы на молотах или прессах.

5. Штамповка – процесс деформации металла в штампах, форма и размеры внутренней полости которых определяют форму и размеры получаемой поковки. Различают объемную и листовую штамповку.

Исходными материалами для обработки металлов давлением служат слитки и заготовки различных размеров и массы. Для производства проката на металлургических заводах чаще всего применяют стальные слитки массой 5―8 тонн. Слитки цветных металлов и сплавов обычно имеют массу от 50―1000 кг.

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.

Температурный интервал обработки давлением

1.Пластичность – это способность металла изменять под действием внешних сил свою форму и размеры не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы.

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры. При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900…1000°С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300…400°С называется синеломкостью, при температуре 850…1000°С – красноломкостью.

Влияние наклепа и скорости деформации. Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния. Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

2.Обработка металлов давлением является процессом пластичес­кой деформации. Выше указывалось, что между атомами металлов действуют внутренние уравновешивающие силы. Если приложить к металлу внешнюю силу, то это равновесие нарушается и атомы смещаются относительно друг друга до тех пор, пока не будет до­стигнуто новое равновесие между атомными силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой – с другой. Та­кой металл находится в напряженно-деформированном состоянии.

Пластической деформации металлов всегда предшествует упру­гая деформация. Она сохраняется до тех пор, пока действует внеш­няя сила. Если сдвиг атомов происходит в пределах параметра кристаллической решетки, то такую деформацию называют упру­гой. После снятия внешней силы искажение кристаллической ре­шетки исчезает и атомы возвращаются в исходное состояние. Если сдвиг атомов превышает параметр кристаллической решетки, то деформацию называют упруго – пластической. После снятия внешней силы искажение кристаллической решетки может исчезнуть (при со­ответствующей температуре), но атомы в исходное состояние не возвращаются.

В результате холодной деформации прочностные свойства металла и твердость с ростом степени деформации увеличиваются, а его пластические свойства уменьшаются.

Механические свойства после горячей обработки давлением литого металла значительно повышаются. Это повышение прочности и пластичности металла происходит главным образом за счет образования мелких зерен взамен дендритов литого металла, а также за счёт заварки усадочных пустот и рыхлости, образующихся в слитке в процессе кристаллизации жидкого металла.

3. Нагрев заготовок перед обработкой давлением произ­водится с целью повышения пластичности металла, в ре­зультате чего его сопротивление деформации значительно уменьшается (в 10…15 раз) по сравнению с обычным холодным состоянием. Следовательно, для деформации нагретых заготовок требуется прикладывать меньшие усилия, чем при деформации тех же заготовок в холод­ном состоянии, что позволяет снизить стоимость изготов­ляемых изделий. Нагрев должен обеспечить равномер­ную температуру по сечению заготовки, минимальное окисление и обезуглероживание стали.

Пережженный металл является неисправимым браком. Ниже зоны пережога лежит зона перегрева, выражающаяся резким ростом зерна аустенита, что приводит к образованию крупнозернистой структуры, определяющей пониженную пластичность при обработке давлением и пониженную прочность охлажденных Рис. 23

Заканчивать обработку давлением следует также при оптималь­ной температуре; продолжение обработки при более низкой темпе­ратуре приводит к неполной рекристаллизации и наклепу.

4. При обработке давлением металл нагревают для снижения сопротив­ления деформации, придания ему достаточной пластичности, умень­шения расхода энергии на обработку и увеличения обжатия.

Качество нагрева металла оказывает значительное влияние на производительность оборудования, размер зерен изделия, механи­ческие свойства, службу деформирующего инструмента, выход годного металла.

Для каждого металла установлен определенный интервал тем­ператур (начальная и конечная температуры), в котором его обра­ботка давлением осуществляется наилучшим образом, обеспечи­вая хорошую пластичность при минимальном сопротивлении дефор­мации.

При горячей обработке металлов давлением температура нагре­ва зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от способа обра­ботки и свойств металла. Так, прокатку ведут при более высокой температуре, чем ковку и штамповку. Температурный интервал нагрева выбирают по диаграмме состояния сплава.

Начальную температуру обработки tнрекомендуется выбирать по формуле

где tпл– температура плавления сплава, определяемая по диаграм­ме состояния, ° С;

α – коэффициент понижения температуры, α= 0,85…0,95.

Если с понижением температуры не происходит фазовых пре­вращений (например, при полной растворимости металлов), то ко­нечную температуру деформации tкможно определять по формуле

При этой температуре и выше в большинстве случаев возможна деформация с полным разупрочнением металла. Ниже этой тем­пературы сопротивление металла деформации наиболее интенсивно повышается.

В случае, если обработка давлением с нагревом должна обес­печить получение определенных механических свойств, то темпера­туру и степень обжатия в конце обработки выбирают по диаграммам рекристаллизации (см. рис. 22). В этом Рис. 22

случае температура конца обработки будет ниже 0,7tпл.

При разработке технологического процесса обработки давле­нием температурный интервал деформации углеродистых сталей определяется по диаграмме состояния сплавов железо – углерод (рис.22, заштрихованная область). Следует отметить, что тем­пература обработки заэвтектоидных сталей находится ниже ли­нии ES (двухфазное состояние).

5. Оборудование, применяемое для нагрева заготовок перед обработкой давлением, подразделяется на нагревательные печи и электронагревательные устройства.

К нагревательным печам относят оборудование, в котором теплота к заготовке передается конвекцией и излучением из нагревательной каме­ры.

Нагревательные печи классифици­руют по следующим основным признакам: 1) источнику энергии – пламенные, в которых теплоту получают за счет химических реакций горения топлива, и электриче­ские печи; 2) назначению – кузнечные печи и печи про­катного производства; 3) принципу действия – камерные и методические.

Снизу рабочее пространство печи ограничено подом, на котором располагают нагреваемые заготовки, с боков – стенками печи, на которые опирается свод, замыкающий верхнюю часть ра­бочего пространства. В стенках печи имеются одно или два окна для загрузки холодных и выгрузки нагретых заго­товок. Отработанные печные газы отводятся из рабочего пространства в вытяжную трубу через специальные ка­налы – боров или дымоход. Пол, стены и свод печей выполняются из огнеупорных материалов. Необходимую температуру (до 1300 °С и более) в печах получают сжи­ганием газообразного или жидкого топлива либо с помощью электриче­ских нагревателей. По принципу действия печи подразделяются на ка­мерные и методические.

К камерным относят печи, имеющие одинаковую тем­пературу по всему рабочему про­странству. Загрузку и выгрузку заготовок производят по мере не­обходимости. Такие печи обычно имеют одно окно. Нагрев под ковку крупных слитков и заготовок для облегчения их загрузки и выгрузки производят в больших камерных печах с выдвижным подом (рис.23, б), с приводом от электродвигателя или гидроцилиндра. Камерные печи используют в ковочно-штамповочном производстве.

Методические печи, как правило, вытянутые в одном направлении, имеют загрузочное окно, в районе которого устанав­ливается относительно невысокая температура, удлиненную камеру печи, по длине которой темпера­тура повышается, вплоть до ко­нечной, вблизи у окна выгрузки (рис. 23, а). Нагреваемые заго­товки перемещаются с установ­ленной скоростью от загрузочно­го до окна выгрузки. В методиче­ских печах пламенного типа по­ток нагревающих газов направлен навстречу движению заготовок, что способствует их равномерному нагреву.

С целью экономии топлива газы, отходящие из печи, используют для подогрева горючих смесей до 500…900 °С. Это позволяет повысить эффек­тивность работы и экономить до 35% топлива.


Рис.23. Нагревательные печи:

а – методическая печь; 1 – толкатель; 2 – методическая зона; 3 – сварочная зо­на; 4 – торцовые горелки; 5 – роликовый конвейер; 6 – нижние горелки; 7 - ре­куператоры; б – камерная регенеративная печь с выдвижным подом: 1 – под; 2 – слиток; 3 – горелки или форсунки; 4 – каналы для подачи нагретого воздуха или отвода продуктов горения; 5 – песчаный затвор; 6 – шибер для регулирования по­дачи воздуха; 7 – регенератор; 8 – канал для отвода продуктов горения (дымоход); в – карусельная печь с вращающимся по­дом: 1 – под; 2 – цилиндрический выступ; 3 – зона для подогрева; 4 – дымоход; 5 – окно загрузки; 6 - пе­регородка; 7 – окно выдачи; 8 – зона высоких температур; 9 – горелки или форсунки

На рис.2, а показаны методические печи, в которых продвижение слитков и за­готовок осуществляется толкательным механизмом с ме­ханическим или пневматическим приводом, а также на­гревательные колодцы, представляющие собой разновид­ность камерных печей. Крышка колодца выполнена на уровне пола цеха, а слитки устанавливают в них в верти­кальном положении для лучшего обогрева. Методические печи применяют в прокатном производстве.

В ковочно-штамповочном производстве используют ка­мерные, методические и полуметодические печи. Иногда нагрев небольших заготовок из черных или цветных металлов с целью предохранения их от окисления выполняют в гер­метичном муфеле, изготовленном из жаропрочного мате­риала и устанавливаемом в камеру печи, которую назы­вают муфельной печью. В цехах горячей объемной штампов­ки применяют полу- методические печи, которые короче ме­тодических, и печи с вращающимся подом (рис.23, в), пред­ставляющие собой разновидность полуметодических печей.


Рис.24. Схемы электронагревательных установок:

а – для индукционного нагрева: 1 – генератор (преобразователь частоты тока); 2 – индуктор; 3 – нагреваемая заготовка; 4 – батарея конден­саторов; 5 – контактор для включения и выключения установки; б – для нагрева методом сопротивления: 1 – нагреваемая заготовка; 2 – контакты; 3 – вторичная обмотка понижающего трансформатора; 4 – первичная обмотка трансформатора; 5 – контактор для включения и выключения установки

В электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредст­венно в самой заготовке в виде теплоты сопротивления при пропускании через нее большой силы тока (рис.24, б) либо при возбуждении в ней вих­ревых токов в специальных индукционных печах (рис.24, а).

При нагревании заготовки проходящим током основной частью является трансформатор, обеспечивающий необходимую силу тока. Первичная обмотка его обычно секционирована, что позволяет регулировать в необходимых преде­лах силу тока нагрева. Вторичная обмотка состоит чаще всего из одного, редко двух-трех витков. Такая конструкция обеспечивает напряжение на зажимах дета­лей 2…12 В и силу тока до 200…300 тыс. А. Сила тока выбирается исходя из рода материала, сечения нагреваемой заготовки и необходимой скорости нагрева. Установки для контактного нагрева сопротивлениемприменяют для нагрева длинных заготовок постоянного сечения диаметром 15…75 мм.

Основной частью установки для индукционного нагрева (рис.24, а), явля­ются генератор повышенной частоты (50…8000 Гц) и собственно индуктор, вы­полненный в виде многовитковой спирали из медной круглой или прямоуголь­ной трубы. В необходимых случаях индуктор охлаждается проточной водой, подаваемой по внутренней полости. Внутрь спирали помещается корпус камеры,выполненный из огнеупорного диэлектрического материала. Нагреваемые заго­товки помещаются в корпус и перемещаются в нем с помощью толкателя.

По индуктору, подключенному к генератору повышенной частоты, про­текает переменный ток, образующий поле индукции. Вследствие этого в за­готовках, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи, сосредоточенные, в основном, в поверхностных слоях заготовки. Тол­щина нагреваемого слоя зависит от частоты тока; чем она выше, тем более поверхностным и интенсивным будет нагрев. Поэтому для разогрева мас­сивных заготовок иногда применяют промышленную частоту (50 Гц). Глу­бина прогрева в этом случае может достигать 25…30% от толщины заготов­ки. Прогрев по всему сечению, т. е. центральной части заготовки, происходит за счет теплопроводности. За время прохождения заготовки от входа в индуктор до выхода должен быть обеспечен нагрев до необходимой температуры.

Тема 2.3.1 Понятие о прокатном производстве. Прокатка, её виды

Нагрев металла под ковку и штамповку

Процесс нагрева металла под ковку и штамповку должен обеспечивать: достижение требуемой температуры слитка или заготовки, достаточно равномерно распределенной по сечению, минимальное окисление и обезуглероживание поверхности, сохранение целостности нагреваемого металла т. е. отсутствие микро- и макротрещины. Чем выше скорость нагрева (т. е. чем меньше его продолжительность), тем меньше окисление и обезуглероживание поверхности и тем экономичнее (рентабельнее) нагрев.

Однако при чрезмерно быстром нагреве, в результате значительного температурного градиента по сечению слитка или заготовки в металле могут возникать термические напряжения, которые в некоторых случаях приводят к образованию микро- и макротрещин. Поэтому различают технически возможную и допускаемую скорости нагрева.

Технически возможная скорость нагрева при прочих равных условиях зависит от температуры печи, точнее от температурного напора, т. е. от разности между температурой печи и средней температурой поверхности заготовки. Температура печи и конечная разность температур печи и нагрева заготовки являются основными факторами, при помощи которых можно регулировать скорость нагрева.

Время нагрева кованых и катаных кузнечных заготовок из углеродистой и конструкционной стали при разной температуре рабочего пространства печи приведено в табл. 5 , а время нагрева подогретых до 700° С заготовок в печи с температурой 1300° С - в табл. 6 .

В зависимости от формы поперечного сечения (цилиндр, квадрат) нагреваемых заготовок и расположения их на поду печи, время нагрева будет различным ( рис. 2 ).

Рис. 2. Значение коэффициента К, учитывающего влияние взаимного расположения заготовок на поду печи во время нагрева (по данным ЦНИИТМАШ)

Нагрев заготовок и слитков с размером сечения (диаметр или сторона квадрата) более 200 мм приходится обычно вести не с технически возможной, а с допускаемой скоростью, которая обуславливается величиной термических напряжений и механическими свойствами (пластичностью) нагреваемого металла.

Величина термических напряжений будет тем выше, чем больше температурный градиент по сечению заготовки, а последний возрастает с увеличением температурного напора и размера сечения нагреваемого тела, а также с уменьшением температуропроводимости металла. Поэтому допустимую скорость нагрева можно считать прямо пропорциональной температуропроводности и обратно пропорциональной квадрату толщины заготовки, коэффициенту линейного расширения и модулю упругости.

При высоких температурах, когда металл обладает достаточной пластичностью, термические напряжения не могут вызвать нарушений сплошности. Поэтому понятие о допустимой скорости нагрева относится в основном к первому периоду нагрева, т. е. к нагреву в интервале температур 20-550° С (для углеродистой стали).

Характерный режим нагрева крупных слитков приведен на рис.3 .

Рис. 3. Схема температурного режима нагрева крупных слитков: t 1 - температура печи при посадке слитка; t 2 - температура печи в конце 1-го периода нагрева; t 3 - температура печи в конце 2-го периода, t 4 - температура в конце выдержки; τ 1 - время выдержки при температуре посадки слитка; τ 2 - время первого подъема температуры печи; τ 3 - время промежуточной выдержки; τ 4 - время второго подъема температуры печи; τ 5 - время выдержки при ковочной температуре

Более мелкие слитки и заготовки нагревают и по несколько упращенному режиму: выдержка при температуре посадки, нагрев с определенной скоростью до ковочной температуры и выдержка при ковочной температуре.

В табл. 7-12 приведено время нагрева заготовок и слитков из углеродистой, легированной и высоколегированной сталей.

При определении продолжительности нагрева заготовок и слитков в методических и полуметодических печах можно пользоваться формулой, предложенной Ю. М. Чижиковым

где D - диаметр или меньшая сторона сечения нагреваемого тела в см; К - коэффициент; для углеродистых сталей К =0,1÷0,15; для легированный конструкционных К =0,15÷0,2; для высоколегированных и инструментальных К =0,3÷0,4.

Читайте также: