Нагрев металла

Нагрев металла для обработки давлением производится главным образом с целью повышения его пластичности и уменьшения сопротивления деформированию. Нагрев является одной из важнейших операций обработки металлов давлением, от которой в большой степени зависит точность размеров изделий, их качество, правильное использование оборудования, инструмента и др. Нагрев должен обеспечить равномерную температуру по сечению заготовки, её минимальное окисление и обезуглероживание.

Способ нагрева определяется характером передачи тепла металлу. Если тепло передаётся металлу за счёт соприкосновения его поверхности с какой-либо средой (газообразной, жидкой или твёрдой), нагретой до более высокой температуры, то такой способ является косвенным. Если тепло аккумулируется непосредственно в самом металле (в поверхностном слое или во всем сечении), а температура окружающей среды остаётся ниже температуры металла, то такой способ нагрева называется прямым.

Производительность нагревательного устройства зависит от скорости нагрева металла и при прочих равных условиях возрастает с увеличением скорости нагрева. Однако для качества металла небезразлично, с какой скоростью производить нагрев. При медленном нагреве помимо снижения производительности может возникнуть брак металла из-за обезуглероживания, окисления. При быстром нагреве из-за чрезмерно большой разницы температуры между поверхностью и серединой заготовки могут появиться трещины.

Таким образом, существует максимальная скорость нагрева, при которой будет обеспечено высокое качество изделия при наименьших затратах; эту скорость называют допустимой. Скорость нагрева может быть выражена величиной, показывающей повышение температуры металла в единицу времени (град/с, град/мин), или временем нагрева, приходящимся на каждую единицу толщины (мин/см, с/мм).

Скорость нагрева зависит от ряда факторов, главными из которых являются: перепад температур по сечению заготовки, форма и размер поперечного сечения заготовки, теплофизические свойства металла, способ нагрева.

Процесс нагрева может быть разбит на два периода. Первый характеризуется максимальным перепадом температур по сечению заготовки ∆t_max; второй – конечным перепадом температур ∆t_к, когда поверхность заготовки достигла температуры верхнего предела ∆t_в.п..

Первый период является наиболее опасным с точки зрения образования трещин, так как в этот период получается максимальный перепад температур между поверхностью и центром заготовки ∆t_max. Перепад температур ∆t_max вызывает появление в заготовке тепловых напряжений, являющихся следствием различного теплового расширения наружных и центральных слоёв заготовки. Поверхностные слои заготовки, как более нагретые, стремятся расшириться, увеличиться в объёме, чему препятствуют внутренние, более холодные слои. В результате этого в поверхностных слоях возникают сжимающие напряжения, а во внутренних – растягивающие. Величина этих напряжений тем больше, чем больше разность температур и чем ниже общая температура металла, при которой они возникли. Если в нагреваемой заготовке имелись остаточные внутренние напряжения, то при быстром нагреве последние, суммируясь с тепловыми напряжениями, могут превысить прочность металла и вызвать образование в ней трещин.

Помимо указанных напряжений при нагреве могут возникать структурные напряжения, являющиеся результатом структурных превращений, сопровождающиеся изменением объёма фаз. Однако эти напряжения возникают при таких температурах, при которых металл обладает достаточно высокой пластичностью, и поэтому не представляют опасности.

Так как различные металлы и сплавы обладают различной пластичностью и различными скоростями протекания процесса рекристаллизации, то в каждом конкретном случае деформирования необходимо опытное определение допустимого перепада температур. Установлено, что при обработке давлением малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей перепад температур ∆t_к в 100˚ не оказывает влияния на качество металла.

Размер поперечного сечения сказывается на величине тепловых напряжений, которые тем больше, чем больше сечение. Следовательно, с увеличением поперечного сечения заготовки скорость нагрева должна уменьшаться.

Основными характеристиками теплофизических свойств, влияющими на скорость нагрева металла, являются: теплопроводность, теплоёмкость, удельный вес, электросопротивление и магнитная проницаемость. Влияние теплоёмкости, теплопроводности и удельного веса может быть учтено так называемой температуропроводностью, характеризующей скорость распространения температуры в металле.

Коэффициент температуропроводности определяется из выражения

, (8)

где а – коэффициент температуропроводности, м²/ч;

λ – коэффициент теплопроводности, ккал/м∙ч∙град (Вт/м∙град);

с – удельная теплоёмкость, ккал/кг∙град (Дж/кг∙град);

γ – удельный вес, кг/м³ (Н/м³).

При электрических способах нагрева на распространение тепла в металле помимо температуропроводности оказывает влияние электросопротивление и магнитная проницаемость, так как они характеризуют количество поглощаемой заготовкой энергии при протекании по ней электрического тока. При нагреве возможно образование дефектов или брака.

Нагрев стали до температуры выше верхнего предела температурного интервала ∆t_в.п. сопровождается интенсивным ростом зерна. Это явление называется перегревом. Перегрев также может явиться результатом длительной выдержки металла и при более низкой температуре. Перегрев снижает механические свойства стали, особенно ударную вязкость. В большинстве случаев перегрев можно исправить отжигом или нормализацией, однако в случаях, когда зёрна стали теряют способность к рекристаллизации, перегрев неисправим. При нагреве до температуры, значительно превышающей верхний предел выше температуры перегрева, интенсивное окисление металла происходит не только с поверхности, но и по границам зёрен с частичным их оплавлением; при этом связь между зёрнами нарушается, и металл при деформации разрушается. Это явление носит название пережога. Пережог является неисправимым видом брака.

При высоких температурах происходит активное химическое взаимодействие стали с окружающими газами (печными и воздухом), в результате чего её поверхностные слои окисляются и обезуглероживаются. Окисление поверхности металла называется угаром. Окисленный слой представляет собой окалину, образующуюся в результате диффузионного процесса окисления железа и примесей, входящих в состав стали. Окалина состоит из окислов железа в виде соединений Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO, располагающихся как бы в трёх слоях. Окислителями стали помимо кислорода являются углекислый газ, сернистый газ и водяной пар.

Активное окалинообразование при нагреве стали начинается при температуре около 700 ˚С и возрастает особенно быстро при температурах выше 900 ˚С. На величину угара влияют: температура нагрева, атмосфера рабочего пространства нагревательного устройства, продолжительность нагрева, химический состав металла, а также форма и размеры нагреваемой заготовки.

Угар причиняет ущерб производству, так как кроме безвозвратных потерь металла окалина при деформации вдавливается в поверхность металла, вызывая необходимость увеличения припусков на механическую обработку.

Окалина, являясь весьма твёрдым веществом, подобным наждаку, ускоряет в 1,5–2 раза износ инструмента (штампов, бойков, прокатных валков и т.п.), кроме того, взаимодействуя с подом и футеровкой нагревательных устройств, подвергает их разрушению.

В связи с причиняемым угаром ущербом необходимо принимать меры по его снижению и устранению его влияния на инструмент. С этой целью применяются методы ускоренного нагрева, нагрев металла с покрытиями, нагрев в нейтральной, восстановительной или защитной атмосферах. Однако полную защиту металла в процессе нагрева осуществить не удаётся, поэтому перед пластической деформацией применяют различные способы удаления окалины: при прокатке – предварительное пропускание слитков между рифлёными валками, сбивающими окалину; при штамповке – предварительную осадку заготовок или гидроочистку, заключающуюся в кратковременном действии на заготовку несколькими струями воды под давлением 10–15 МН/м².

Обезуглероживание стали, распространяющееся в отдельных случаях на глубину до 1,5–2 мм, заключается в выгорании углерода из её поверхностных слоёв (за счёт взаимодействия с кислородом и водородом).

Принципиально обезуглероживание зависит от тех же факторов, что и угар, поэтому мероприятия, снижающие угар, одновременно уменьшают и обезуглероживание.

Дата добавления: 2014-01-20