Основные операции кузнечного производства

Основные операции делятся на три группы: заготовительные, собственно ковочные и штамповочные, завершающие и отделочные.

К заготовительным операциям относятся: подготовка слитков к ковке, пруткового материала к ковке или штамповке и разделка его на мерные заготовки.

К ковочным и штамповочным операциям относятся все операции, ведущие к существенному изменению формы обрабатываемого слитка или заготовки. В их число входят все операции ковки и объемной штамповки, выполняемые на молотах и прессовом оборудовании, а также вальцовка, накатка и другие операции.

В число завершающих операций входит, прежде всего, обрезка заусенца, образующегося у поковок при некоторых способах штамповки, прошивка и пробивка отверстий в штамповых поковках.

В число отделочных операций входит правка поковок разными способами и различные виды калибровки штамповочных поковок, применяющиеся для повышения точности их размеров и повышение чистоты поверхности. К числу завершающих операций относится термообработка поковок, очистка их от окалины.

§ Исходные материалы и заготовки для ковки и штамповки.

К материалам, обрабатываемым ковкой, относятся в первую очередь сталь разных марок, многие цветные сплавы, главным образом алюминиевые (дюралюмины) магниевые и медные (латунь, бронза), а также большинство сплавов на основе никеля (люнель, нихром) и титана.

Для ковки и штамповки используют сталь, получаемую в мартеновских печах, конвертерах и электропечах. По способу раскисления лучшее качество имеет спокойная сталь – полностью раскилеснная. Кипящую сталь после прокатки используют при штамповке.

В качестве исходного материала для кузнечного производства используют металл в форме слитков, обжатых болванок (блюмов), а также прокат разных видов.

Стальные слитки используют для ковки, масса от 200 кг до 350 т.

1 – прибыльная часть (в отход)

2 – средняя часть

3 – донная часть (в отход)

При массе 350 т максимальный диаметр равен 3255 мм; вся длинна 7190 мм; число граней 4…24.

Слитки обычные: Lo/Dср≤2,5; удлиненные – Lo/Dср=3…5.

(Данные – по нормалям и РТМ)

Катаный металл. В качестве заготовок под ковку и штамповку применяют стальной прокат следующих видов: обжатая болванка (блюм) по ГОСТ 4692-57 со стороной квадрата от 140±5 до 450±10 мм; квадратная заготовка с прямыми или закругленными углами по ГОСТ 4693-57 со стороной квадрата от 40 (-1.5, +1) до 250 (-7, +5) мм; сталь горячекатаная круглая по ГОСТ 2590-71 и квадратная по ГОСТ 2591-71 с диаметром или стороной квадрата от 5 (-0.5, +0.3) до 250 (-3, +1.2) при обычной точности и от 5 (-0.3, +0.1) до 150 (-0.2, +0.6) при повышенной; сталь калиброванная (подвергнутая волочению) круглая по ГОСТ 7417-75 с диаметром 3…30 мм с точностью h7…h12, с диаметром 31…65 мм с точностью h8…h12 и с диаметром 67…100 мм с точностью h11…h12 (все допуски в минус).

Профильный прокат позволяет сократить подготовительные операции и значительно упростить процесс штамповки, при этом стоимость поковок обычно снижается.

Прокат периодического профиля – имеет неодинаковые поперечные сечения по длине. Получают его продольной и поперечной прокаткой. Находит большее применение в крупносерийном производстве поковок, при штамповке исключаются подготовительные операции.

§ Разделка пруткового материала на мерные заготовки.

Основными способами получения мерных заготовок являются резка прутков на сортовых ножницах и прессах, ломка на хладноломах, газовая резка и резка на металлорежущих станках.

Резка на сортовых кривошипных ножницах наиболее дешева, производительна и наиболее распространена, нет потерь в металле на отрезку.

1 – нож нижний;

2 – нож верхний;

3 – упор;

4 – прижим;

5 – пруток;

6 – рольганг;

7 – мерная заготовка;

Z = 2…4% от d

Прутки из меди и других мягких металлов рубят в холодном состоянии. Холодная рубка стали и других хрупких сплавов по условиям техники безопасности запрещена.

Заготовки из мягкой стали при резке подвергаются значительному смятию ножом. Подогрев до 250…300°С, как известно, приводит к увеличению сопротивления деформации, но и хрупкому разрушению, что используется для получения более чистого среза прутков из мягкой стали. Среднеуглеродистую сталь обычно нагревают при резке больших сечений (свыше 120…150 мм). Высокоуглеродистую и легированную стали, нагревают (свыше 350°С) для улучшения сопротивления деформации и во избежание образования трещин при резке. Практически эти стали нагревают до 400…700°С в зависимости от химсостава и размеров заготовок.

Практически отношение длины заготовки к ее толщине при резке на кривошипных ножницах принимают не менее 1,2. Кроме того, длина заготовки должна, по крайней мере, на 10 мм превышать ширину верхнего ножа, чтобы использовать упор.

Основные формы ножей:

1). Открытые ручьевые (кроме *) ножи.

2). Закрытый (универсальный) многоручьевой нож.

К недостаткам резки на ножницах относятся утяжка, смятие и искажение концов заготовок. Допускаемые искажения концов регламентируются в зависимости от диаметров: (справочник Т.1 Сторожев стр. 53 табл. 3)

Для d = 100 мм u1 t1 i1 u2 t2 i2

54 9 10 48 3 6

Точность при резке на ножницах дается отраслевыми нормалями (Сторожев стр. 81 табл. 42).

Диаметр или сторона квадрата, мм	Допуск (±) при заливке заготовки, мкм
до 300	300…600	600…1000	св. 1000
до 25	до 0,8	0,8…1,0	1,0…1,5	1,5…2
-	-	-	-	-
150…200	2,5…3,0	3,0…3,5	3,5…4,0	4,0…4,5

Усилие резки ручьевыми ножами

P = i ·σ _b · F i = 0,6…0,9 – для стали

Существуют ножницы сортовые, сортофасонные (для угловых и фасонных профилей), комбинированные (имеют три механизма сразу – листовые ножницы, сортофасонные ножницы и дыропробивной пресс).

Имеют усилие до 1000 т., размер сечения заготовок d_max = 250 мм, квадрат 220х220, число ходов от 45 до 9 мин^-1.

При должной автоматизации подачи и прижима заготовки – прутка производительность высокая (при d = 40 и l = 100 – Q = 1600 шт./час).

d = 40 и l = 200…400 – Q = 100…80 шт./час

Резка прутков на штампах.

Для повышения точности размеров заготовок и качества среза применяют специальные отрезные штампы, устанавливаемые на кривошипных прессах.

Повышенное (в 3 – 5 раз) число ходов прессов по сравнению с ножницами сопровождается соответственным увеличением скорости резки, что приводит к уменьшению глубины пластического внедрения и увеличению зоны скола. Профиль среза становится ровней, чем при резке на ножницах, а усилие резки несколько увеличивается.

При резке прутков в штампах используются три схемы:

1 – резка незакрепленного прутка с образованием естественного скола в результате образования опережающей трещины;

2 – резка поперечно или радиально закрепленного прутка в отрезных штампах и

3 – резка прутка при его продольном (осевом) сжатии.

Первая схема аналогична резке на ножницах.

Вторая схема осуществляется чаще как резка в ножах цельновтулочной формы (*) или (рациональнее) в сопряженных профильных полувтулках (**).

По (**) можно резать пруток с минимальной косиной.

Пруток при НВ > 200 режут при α = 0˚ и z = 0.

Получаем заготовки L ≥ 0,6 D, а из твердой стали L ≥ (0,3…0,4) D.

Третья схема сложна по исполнению, т.к. требует осевой усадки заготовки во втулочных ножах, зато нет косины, т.к. z = 0 и α = 0. Получают даже L = 0,1 D. Точность ±0,1 мм.

На прессах используют и двух опорные штампы для одновременной отрезки двух заготовок.

Конструкция ножей, в основном, для прессовой резки аналогична как у ножниц.

На штампах режут мелкие профили и прутки диаметром до 40 мм. По производительности они выше, чем ножницы, дают более высокую точность. Допуски на длину заготовок при резке в штампах на прессах (см. справочник Сторожев стр. 81 табл. 43).

D или сторона квадрата	Допуск (±) при длине заготовки
До 300	300…600	600…1000	Св. 1000
До 10	0,5…0,6	0,6…0,7	0,7…0,8	0,8…0,9
10…20	0,6…0,7	0,7…0,8	0,8…0,9	0,9…1,0
20…30	0,7…0,8	0,8…0,9	0,9…1,0	1,0…1,2
30…40	0,8…0,9	0,9…1,0	1,0…1,1	1,2…1,5

Калибровку режут в штампе с подвижным глазком, глазок втулочный, z = 0, α = 0.

Ломка на хладноломах.

Заготовки круглых сечений (и сравнительно небольших) получают холодной ломкой. В зависимости от расположения ломателей различают ломку одноопорную и двухопорную. Одноопорная безопаснее, т.к. отделяемая заготовка отламывается вниз. Вообще различают ломку в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Перед ломкой заготовку размечают и надрезают.

k’ = 1-2 – коэффициент хрупкости (у хрупкой стали k’ = 1).

Ширина надреза – “ b ” получаемого пилой или ножовкой, определяется инструментом. Надрез газовым резаком – b = 6…8 мм.

Усилие ломки для круглого сечения

Для квадратного сечения при ломке по диагонали

Для квадратного сечения при ломке по стороне

k = 0,7-1,1 – коэффициент формы сечения и места нагрузки.

Процесс позволяет по излому металла контролировать его качество. Обычно ломка производится на быстроходных кривошипных или эксцентриковых прессах, имеющих небольшой ход. Иногда используют и относительно тихоходные вертикальные и горизонтальные гидравлические прессы. Производительность обычно несколько тысяч заготовок за смену. Точность ±1,0…±3,0.

Кислородная резка.

Газовой резке поддаются металлы, у которых:

1. Температура воспламенения в кислороде меньше температуры плавления. Качественная резка лишь при сгорании металла в твердом состоянии. Стали с 0,7 % С и более и горят и плавятся одновременно – не подходят для резки.

2. Окислы металла должны быть жидкотекучи, их температура плавления ниже, чем у металла.

3. Теплота сгорания металла должна быть достаточной для поддержания непрерывности процесса.

4. Теплопроводность металла должна быть возможно ниже для локализации тепловой зоны.

5. Число примесей ухудшающих резку должно быть малым.

Температура пламени разогревающей горелки не ниже 1800°С (ацетилен – 3100…3800°С, бензин – 2500…2600°С).

На ширину реза и чистоту его поверхности оказывает влияние толщина металла и способ резки.

Ширина реза: b = 2 + 0,03· δ мм. δ – толщина металла.

Следует учитывать, что на выходной стороне реза ширина его на 10…15% больше чем на входе.

Примерные значения ширины реза и чистоты, мм.

Элементы реза	Толщина стали, мм
5…25	25…50	50…100	100…200	200…300
Ширина	Ручная	3…4	4…5	5…6	6…8	8…10
Машинная	2,5…3	3…4	4…5	5…6,5	6,5…8
Величина гребней и впадин	Ручная	0,5…1	1…1,5	1,5…2	2…3	3…4
Машинная	0,1…0,25	0,25…0,5	0,5…1	1,0…1,5	1,5…2,5

При резке заготовок (машинная) скорость при δ = 5 мм – 600 мм/мин

При δ = 300 мм – 110 мм/мин. Вообще толщина реза достигает до 2000 мм. Точность ±1,0…±3,0.

Резка пилами.

Получают заготовки с точной длиной и ровным перпендикулярным к оси торцом. Используются два типа дисков для пил: зубчатые и гладкие (для пил трения и электромеханических). Для жаропрочной стали, диаметром 20 мм применяют абразивные пилы.

Зубчатые пилы разделяются на проволочные (из нержавеющей проволоки диаметром 0,2 мм покрытой абразивом), ленточные и дисковые. Ленточные пилы бесконечные (с соединенными концами) и ножовочные (с возвратно-поступательным движением).

Вообще пилами режут металл в холодном и горячем состоянии (применяют главным образом в прокатном производстве, t = 700˚С; v = 110 м/с, за 1 сек разрезает сечение 2000 мм² - диаметр прутка 45 мм).

Дисковые пилы имеют диаметр 300…800 мм, зубья постоянные и сменные сегменты. Скорость холодных пил 0,5…1,0 м/с. Ширина реза 2…8 мм. Механическая ножовка имеет длину полотна 450 мм, число двойных ходов 75…97, максимальный диаметр заготовки – 220 мм.

Пилы трения – производительны, но сильно шумят. Диск из низкоуглеродистой стали 08 и 10. Принцип действия основан на выделении большого количества тепла при трении о металл гладкого диска или диска с тупыми П-образными зубьями. Скорость диска до 125 м/сек, частота вращения до 2500 мин ֿ¹. В месте контакта разрезаемый металл нагревается до температуры плавления. Элементы поверхности диска находятся в контакте с металлом заготовки очень малое время и потому не успевают нагреться до высокой температуры.

Допуски на длину заготовки при резке на дисковых пилах, ленточных и ножовочных (мм).

Диаметр или сторона квадрата	Допуск (±) при длине заготовки
до 300	300…600	600…1000	св. 1000
до 50	0,8	0,8…1,0	1,0…1,3	1,3…1,5
50…70	0,8…1,0	1,0…1,3	1,4…1,5	1,5…1,8
70…100	1,0…1,3	1,3…1,5	1,5…1,8	1,8…2,0
100…130	1,2…1,4	1,4…1,6	1,6…1,9	1,9…2,1
130…160	1,3…1,5	1,5…1,8	1,8…2,0	2,0…2,5

Электромеханические пилы – сходны с пилами трения, но в зоне контакта, кроме разогрева металла трением, создается электрическая дуга, которая способствует расплавлению металла заготовки. Время резки в 10 раз меньше, чем у тел трения, расход энергии меньше, качество реза высокое.

Электроискровая и анодно-механическая резка применяется для резки весьма прочных и труднообрабатываемых сплавов. Используют низкоуглеродистые (Сталь 08 и 10) диски и ленты, медные и латунные. Скорость резки от 14 до 25 м/с. Диаметр дисков 200…1100 мм. Режут заготовки диаметром 300 мм. Ширина реза в 1,5…2 раза больше толщины дисков – 0,5…2,0 мм. Точность резки электроискровой ±0,1…±0,25; анодно-механической ±0,1...±0,5.

Производительность диаметр 40 мм за 1,5 мин; 300 мм за 35 мин.

§§ Термомеханический режим ковки и объемной штамповки.

§ Температурный интервал ковки.

При определенных температурах сталь и другие пластичные материалы обладают высокой пластичностью и низким сопротивлением деформированию. Эти температуры имеют верхний и нижний пределы, между которыми лежит температурный интервал ковки.

Для получения хорошего качества поковки сталь следует ковать при определенных температурах. При этом нижний предел ковки определяется температурой фазовых превращений.

Различают оптимальный и технологический интервалы температур ковки. Оптимальный интервал устанавливается на основании конкретных данных о поведении металла при различных температурах. Это максимальный интервал.

Необходимый интервал температур ковки определяется временем операции или части ее. Он (интервал) лежит в пределах оптимального варианта.

Оптимальный интервал зависит главным образом от химсостава металла и определяемых этим составом свойств. Он определяется комплексом испытаний.

Для определения оптимального температурного интервала ковки целесообразно рассмотреть диаграмму изменения механических характеристик в зависимости от температуры.

Изменение σ_в и δ стали 15 в зависимости от температуры испытания.

При холодном деформировании, т.е. при t ≤ 0,3 t_абс. плавления, происходит уплотнение (наклеп) деформируемого металла. При этом наблюдается вытягивание его зерен в направлении деформации, создается определенная кристаллографическая ориентировка зерен (текстура), происходит искажение кристаллографических решеток, накопление дополнительных (вторичных) напряжений и другие явления. Пределы прочности и текучести и твердость металлов увеличиваются, а относительное удлинение, поперечное сужение и ударная вязкость уменьшаются. Изменяются и другие физические и химические свойства: теплопроводность, электропроводность, растворимость и т.д.

С увеличением деформации упрочнение вырастает, дальнейшая деформация становится затруднительной и, наконец, невозможной. Тогда наступает разрушение деформируемого металла.

Нагрев металла вызывает изменение его механических свойств, но не у всех металлов при этом повышается ковкость, например, у чугуна. У стали же и других деформируемых металлов нагрев до температуры max называемой горячей деформацией (т.е. температуры обычно свыше 0,65…0,75 абсолютной температуры плавления) приводит к уменьшению пределов прочности и текучести, твердости и повышению относительного удлинения, сжатия, а также к увеличению ударной вязкости.

Вместе с тем при повышении температуры деформации в металле возникают процессы, препятствующие упрочнению, а именно возврат (отдых) и рекристаллизация (разупрочняющие процессы).

Возврат, признаки которого появляются при температуре обычно свыше 0,3 абсолютной температуры плавления, заключается в уменьшении получаемых при деформировании искажений кристаллографической решетки, снижении дополнительных напряжений и т.п. Однако при наличии возврата признаки упрочнения все же проявляются, хотя и в меньшей степени, поэтому основную роль в разупрочнении играет рекристаллизация, признаки которой проявляются при температуре обычно свыше 0,4 абс. температуры плавления.

Рекристаллизация заключается в появлении в деформированном металле новых центров кристаллизации и росте вокруг них новых зерен с новой ориентировкой кристаллической решетки и новыми границами между зернами. При полностью протекшей рекристаллизации деформированный металл не имеет следов упрочнения.

У многих деформируемых металлов и сплавов ковкость с повышением температуры не вырастает непрерывно. Так у углеродистой стали при температуре около 300°С наблюдаются повышение показателей сопротивления деформированию и снижение показателей пластичности. Кроме того, в области температур, при которых в условиях деформации рекристаллизация протекает не полностью, так же наблюдается снижение пластичности. Это объясняется тем, что в данном случае структура металла при обработке (давлением?) становится неоднородной в результате одновременного наличия рекристаллизованных и перекристаллизованных зерен, а часто и неоднофазного состояния, когда эта температура совпадает с температурами фазовых превращений. В результате такой не полной горячей деформации поковки получаются, как правило, низкого качества. Поэтому необходим нагрев до температуры, обеспечивающей рекристаллизацию металла во время ковки и штамповки.

Завершение процесса рекристаллизации зависит не только от температуры, но и от скорости деформации, так как рекристаллизация протекает не мгновенно и не всегда успевает завершиться во время деформации при большой ее скорости. Практически это встречается главным образом при обработке сплавов с низкими скоростями рекристаллизации, например при ковке и штамповке некоторых алюминиевых и магниевых сплавов. Этим объясняется, например, что некоторые сплавы хорошо куются на гидравлических прессах, но разрушаются при ковке на молотах. При обработке с высокими скоростями деформации разрушения стали, не наблюдается, но работа деформации при ковке на молотах требуется больше, чем при ковке на прессах за счет отставания разупрочняющего процесса (рекристаллизации) от упрочняющего (наклепа). Следовательно, сопротивление деформации приковке на молоте больше, чем при ковке на прессах. Кроме того, следует учитывать тепловой эффект молотового удара, который повышает температуру обрабатываемого металла.

Таким образом, с повышением скорости деформации наблюдается одновременно два явления, оказывающие взаимно противоположные влияния на ковкость. В начале ковкость обычно снижается потому, что превалирует влияние отставания процесса рекристаллизации. При дальнейшем повышении скорости деформации превалирует влияние теплового эффекта, благодаря чему ковкость, как правило, повышается.

В пределах температур горячей деформации ковкость с повышением температуры возрастает обычно непрерывно, хотя у некоторых сплавов (арико-железо) имеются зоны хрупкости и при высоких температурах.

Диаграмма зависимости σ _в и δ от t °С для низкоуглеродистой стали показывает, что с увеличением t °С σв падает, а δ увеличивается.

Однако это происходит до температуры порядка 1470°С, выше которой вблизи температуры плавления находится зона хрупкости металла – зона пережога.

Температура пережога для различных сталей различна. Например для стали 50 температура пережога 1350°С, для стали 70 - 1280°С.

При пережоге кислород диффундирует внутрь металла и окисляет границы зерен, которые при этом оплавляются, так как окислы железа имеют меньшую температуру плавления, чем сам металл. Ковка при пережоге невозможна. Таким образом, верхняя граница температурного интервала ковки находится ниже зоны пережога.

Однако при температурах близких к пережогу, наблюдается большой рост зерна (собирательная рекристаллизация). Чем продолжительнее находится металл при высокой температуре и чем выше эта температура, тем интенсивнее рост зерна. Для большинства металлов и сплавов характерна такая температура, выше которой рост зерна становится особенно интенсивным. Эту температуру называют критической, а само явление перегревом. Для большинства сталей крупнозернистость не является препятствием при ковке и штамповке; при этом зерно измельчается.

Однако, крупнозернистость не всегда можно изменить (размельчить) ковкой или штамповкой, что приводит к крупнозернистому строению металлов в поковке. Следовательно, для большинства сталей верхний предел температуры начала ковки может находиться в зоне перегрева (выше критической температуры) или ниже ее (ниже критической температуры). Из диаграммы видно, что при t =750…800°С сопротивление деформированию остается примерно постоянным, а пластичность уменьшается. Это объясняется фазовыми превращениями, происходящими в металле. Температуру фазовых превращений и структуру стали при различных температурах определяют по диаграмме «железо – углерод».

Наиболее пластичной структурой является структура аустенита. При наличии двухфазной структуры пластичность падает.

Для низкоуглеродистой и углеродистой стали при t = 1100…1200°С структура чисто аустенитная и по однофазности структуры и повышенной пластичности температуру 1200°С можно принять как верхний предел температурного интервала ковки для углеродистой стали.

У высокоуглеродистой стали при температуре 1100°С структура двухфазная – аустенит и цементит, причем цементит образует хрупкую сетку по границам зерен. В целях повышения пластичности стали необходимо эту цементитную сетку разрушить (раздробить) с тем, чтобы цементит образовал отдельные зерна в металле поковки. При этом твердость и прочность металла останутся высокими. Верхний предел температур ковки для высокоуглеродистой стали целесообразно принимать 1100°С, а ковку проводить с предосторожностями, учитывая, что пластичность понижена ввиду двухфазной структуры.

Диаграмма состояния помогает так же выбрать нижний предел температур ковки, который должен лежать выше температур фазовых превращений. Однако низкоуглеродистые стали можно ковать и при структурах феррит плюс аустенит ввиду относительно высокой пластичности.

Заэвтектоидные стали имеют нижний предел температур ковки в зоне аустенит плюс цементит. Эта температура должна быть по возможности более низкой, чтобы не образовалась цементитная сетка.

При установлении нижнего предела температур необходимо учитывать массу поковки, наличие или отсутствие последующей термической обработки, способ охлаждения и т.п. Так при большой массе поковки и высокой температуре окончания процесса ковки или штамповки поковка будет остывать медленно, и размельченное деформацией зерно может вырасти снова. При малой массе поковки (до 100 кг.) температура конца ковки может быть более высокой, но ввиду быстрого охлаждения зерно не успеет вырасти и останется измельченным. Ковка при t < 723°С приводит к наклепу. У некоторых металлов и сплавов нет фазовых превращений. Практически температурный интервал ковки и штамповки – интервал между максимальной температурой нагрева и минимальной температурой, при которой заканчивается ковка – штамповка, устанавливается по результатам обработки комплексных испытаний, определяющих, каким образом с изменением температуры деформации изменяется пластичность металла и его сопротивление деформированию, какова закономерность роста зерен при нагреве (собирательная рекристаллизация) и при различных степенях деформации (рекристаллизация обработки), а так же каково фазовое состояние сплава при этих температурах.

§ Нагревательные устройства и нагрев заготовок при свободной ковке и объемной штамповке.

Типы нагревательных устройств и способы нагрева заготовок при свободной ковке и объемной штамповке различны. При свободной ковке используют обычные камерные печи и печи с выдвижным подом. В камерных печах в зависимости от их размеров нагревают мелкие и средние заготовки, а также слитки.

В печах с выдвижным подом производят нагрев слитков, их подогрев и повторный нагрев. Слитки из легированных сталей нагревают в методических перекатных печах с наклонным подом и в методических печах с толкателем. Подогрев и нагрев слитков и охлаждение крупных поковок по заданному режиму производят в шахтных колодцевых печах.

При горячей объемной штамповке нагревательные устройства и способы нагрева более разнообразны. Преимущественно используют полуметодические печи и индукционный электронагрев токами высокой частоты.

Для нагрева мерных заготовок применяют камерные печи с закрывающимися окнами, а для нагрева прутковых и мерных заготовок камерные щелевые или очковые печи.

В карусельных и конвейерных печах нагревают мерные и прутковые заготовки.

Печи скоростного нагрева служат для нагрева заготовок всех типов.

Индукционный нагрев ТВЧ применяют для заготовок диаметром до 150…200 мм, а нагрев токами промышленной частоты – для заготовок больших диаметров.

Применяют так же комбинированный электронагрев.

Контактный нагрев используют для диаметров 60…70мм при большой длине заготовок.

Мелкие заготовки нагревают в электролите, в расплавленных солях и стекле.

Нагрев в пламенных печах.

Нагрев должен обеспечить получение необходимой температуры заготовок, без каких либо пороков, минимальный отход металла на окалину, минимальное обезуглероживание поверхности и требуемую производительность. Нагрев необходимо вести с определенной скоростью, чему соответствует определенное время нагрева.

Различают технически возможные и допустимые скорости нагрева.

Технически возможная скорость нагрева – это максимальная скорость, которую можно получить на данной печи. Технически возможная скорость нагрева не всегда является допустимой скоростью и может привести к браку и трещинам ввиду большого перепада температур и термических напряжений по сечению заготовки.

На скорость или время нагрева влияют факторы: температура печи (температурный напор), укладка заготовок в печи, форма и размеры нагреваемых заготовок, коэффициент теплопередачи – “ k ”, коэффициент теплопроводности – λ, коэффициент температуропроводности – “ a ”, удельная теплоемкость - ” c ”, плотность заготовки – ρ, пластичность металла.

Последние пять факторов не зависят от условий нагрева.

Теплопередача в кузнечных печах происходит главным образом излучением (конвекция преобладает до 600…700°С).

Влияние температуры:

чем выше температура, тем быстрее нагрев. Разница между t печи и t заготовки называется температурным напором. Превышение t печи над температурой окончания нагрева называется окончательным температурным напором. Возможные t_n зависят от огнеупоров кладки (до 1450…1500°С), чаще t_n = 1300…1350°С.

При увеличении температуры печи растет не только скорость нагрева, но и температурный градиент. С увеличением размеров заготовки температурный градиент увеличивается, максимальное значение градиента наблюдается в зоне температур фазовых превращений (grad t – у центра).

Влияние укладки заготовок в печи и формы и размеров заготовок.

Расположение заготовок в печи определяет интенсивность нагрева излучением от стенок и возможность для нагрева конвекцией, что определяет степень неравномерности нагрева и время нагрева.

Время нагрева холодных заготовок диаметром 100…300мм, и мелких слитков можно определить по формулам Доброхотова:

, где Т – время, ч; D – диаметр или сторона квадрата, м. Формула пригодна при нагреве стали в обычных условиях: t_и = 1300°С и t_н = 1200°С. “ a ” – коэффициент, учитывающий содержание углерода и легирующих элементов в стали.

Для катаной и кованой заготовки из низкоуглеродистой стали и низколегированной а = 12,5; из высокоуглеродистой инструментальной стали а = 25.

Для холодных слитков из углеродистой и низколегированной сталей а = 20; из среднелегированной стали а = 24; из высоколегированной стали а = 28…30.

По формуле Доброхотова (без К и К_т) определяют общее время нагрева холодных одиночных заготовок и слитков при длине более двух диаметров. В случае необходимости в формуле следует учитывать коэффициент укладки – К и коэффициент торцев – К_т (при коротких заготовках).

При l > 3· D K_т = 1;

при l = 2· D K_т = 0,98;

при l = 1.5· D K_т = 0,92;

при l =D K_т = 0,71.

Влияние коэффициента теплопередачи – К.

Коэффициент теплопередачи определяется удельным тепловым потоком, отнесенным к разности в один градус между температурами нагревающего и нагреваемого потоков. Тепловой поток определяется количеством теплоты, падающей на поверхность в единицу времени.

Коэффициент теплопередачи зависит от излучения и поверхности, воспринимающей теплоту. Влиять на теплопередачу затруднительно.

Темная заготовка нагревается быстрее, чем блестящая. Однако очень сильно влияет температура печи и связанное с ней излучение. Коэффициент теплопередачи падает с увеличением температуры металла и увеличивается с увеличением температуры печи.

Влияние коэффициента теплопроводности, теплоемкости, плотности и коэффициента температуропроводности.

Коэффициент теплопроводности λ определяется удельным тепловым потоком, передаваемым на единицу длины, при температурном перепаде в 1°С в единицу времени (Вт/м · град). Чем он больше, тем быстрее теплота отводится с поверхности и передается внутрь заготовки. Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем больше grad t в заготовке – с целью уменьшения grad t следует применять меры по выравниванию температур.

λ зависит от химсостава металла и его температуры, растет с уменьшением углерода и легирующих элементов. Для всех сталей при t = 1100°С уравнивается и ≈ 26,8 Вт/м·град. Удельная теплоемкость – “ с ” – количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы заготовки на 1°С (Дж/кг·град). Чем больше “ с ”, тем больше время нагрева. У сталей с изменением температуры меняется мало (от 0,,13 до 0,16 ккал/кг·град) – при изменении от 0 до 1000°С.

Чем больше плотность – ρ, тем больше теплоты нужно подавать в единицу объема.

Посредством коэффициента температуропроводности – “ a ” (м²/час; м²/сек) можно оценить скорость нагрева или прогреваемость металла.

Он зависит от химсостава (0,04…0,06 м²/ч – углерод стали); с повышением температуры до 1200°С снижается вдвое; влияет на скорость изменения температуры тела во времени.

Пластичность нагреваемого металла.

При нагреве возникают термические и структурные напряжения, которые могут привести к разрушению металла. Если металл достаточно пластичен при данных температурах, то в местах наибольших термических напряжений происходит пластическая деформация, и разрушения не наблюдаются.

Наибольшие термические напряжения возникают обычно в начале нагрева, когда поверхностный слой заготовки имеет высокую температуру, а сердцевина заготовки еще холодная и температурный градиент наибольший. При этом поверхностные слои заготовки под влиянием теплового расширения стремятся вытянуться. Внутренние холодные слои удерживают поверхностные слои от расширения.

В результате в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, а во внутренних слоях напряжения расширения. Если напряжения расширения достигают предела прочности, то при недостаточной пластичности металла возникают трещины и металл разрушается. Если же пластичность высокая, то происходит пластическая деформация, снимающая термические напряжения. При этом пластическая деформация не может быть больше величины теплового линейного напряжения, вызвавшего данную пластическую деформацию. Поэтому, если металл имеет пластичность большую, чем величина линейного расширения, то в этом случае не может быть трещины. Большой температурный градиент может вызвать в сердцевине поковки растягивающие напряжения, величина которых зависит от разности между удлинением при разрыве и линейным расширением при нагреве этих металлов.

Чем выше пластичность металла, тем выше может быть скорость нагрева. Пластичные металлы и сплавы можно нагревать быстро, несмотря на низкую теплопроводность и большой температурный градиент. Пластичность стали увеличивается по мере нагрева, и при 600…700°С и больше сталь можно греть с высокой скоростью.

Окалинообразование и обезуглероживание при нагреве в пламенных печах.

При нагреве в пламенных печах происходит обезуглероживание поверхностей заготовок и окисление или окалинообразование. Окисление:

Окалина состоит из трех слоев: наружный составляет , средний - и внутренний (рыхлый) – FeO. Наружный богат кислородом, внутренний – железом. Окисление происходит путем диффузии окисляющих газов к металлу через окалину и ионов железа через окалину к поверхности.

Интенсивность окисления зависит от атмосферы в печи, которая обычно является окислительной и состоит из газов О₂, СО₂ и Н₂О. Если в печи много нейтрального газа N₂ или восстановительных СО, H₂ и CH₄, то скорость окисления снижается или вообще может прекратиться.

Окисление увеличивается при наличии серы, которая проникая в поверхность металла ухудшает его качество, особенно у никелевых сталей, образуя легкоплавкую эвтектику. С увеличением температуры интенсивность окисления увеличивается. Увеличение времени нагрева также увеличивает окалинообразование.

Поэтому для уменьшения окалины необходимо увеличивать скорость нагрева, т.е. сокращать время нагрева.

Окисление зависит от химсостава и состояния поверхности.

Ni,Cr,Si и др. образуют плотную клетку и уменьшают окалину. Чем больше поверхность заготовки и меньше ее масса, тем количество окалины меньше, т.к. нагрев происходит быстрее наибольшее значение имеет температура. При температуре меньше 650°С окисления не происходит; при t ≈ 900°С – слой окалины мал, при температуре 900…1100°С окисление вырастает в три раза, и при температуре до 1300°С – в 7 раз.

Величина поверхностного угара “ a ” в граммах на 1 см² поверхности (в пределах от 600 до 1150°С) определяется:

, где Т – время, мин; t – в °К.

При нагреве мелких заготовок угар составляет 1,5…2,5% от массы заготовки, для слитков – 3%, при повторном нагреве – 1,5% дополнительно.

Обезуглероживание может протекать по реакциям:

Образующиеся газы СО, H2 и CH₄ диффундируют к поверхности металла. Наиболее активен H₂O, затем CO₂.

Обезуглероживание увеличивается с повышением содержания углерода в стали и с повышением температуры нагрева.

Cr и Mn уменьшают, а Al, Co и W увеличивают обезуглероживание. При нагреве обезуглероживание связано с окислением. При нагреве выше 1100°С окисление интенсивнее, чем обезуглероживание, и после удаления окалины с поверхности обезуглероженного слоя не оказывается.

При низкой температуре нагрева (700…1000°С), особенно при нагреве высокоуглеродистых сталей, может получиться обезуглероженный слой, т.к. окисление здесь идет медленнее, чем обезуглероживание.

Для уменьшения образования окалины применяют:

1. Увеличение скорости нагрева, скоростной нагрев, электронагрев.

2. Защитный газовый слой в печи.

3. Нагрев в защитной атмосфере (СО > 16%; L₂CO₃ - карбонат лития).

4. Защитные покрытия заготовок (коллоидные растворы стекла в изопропаноле, которые также являются смазкой).

Если предупредить образование окалины при нагреве невозможно, то заготовки очищают от окалины.

При ковке и штамповке на молотах окалина легко сбивается с заготовки и затем сдувается или сметается с нижнего бойка или штампа. При ковке и штамповке на гидропрессах для ее удаления используют металлические щетки, скребки, окалиноломатели. При штамповке на ГКМ используют фигурные скребки (на каркасе печи). Перед штамповкой на быстроходных прессах, когда удаление окалины затруднено, применяют гидроочистку (сопла диаметром 1мм, давление 100…200 атм., струи в течение 1…3 с).

Режим нагрева в пламенных печах.

Сажать в печь с высокой температурой холодные заготовки из металла с низким коэффициентом температуропроводности, а также крупные заготовки нельзя; в этом случае их сажают в сравнительно холодную печь и постепенно повышают температуру вместе с печью.

Однако слишком медленный нагрев приводит к большому окалинообразованию и низкой производительностью печи. С учетом факторов – снижение grad t и минимальная окалина – выбираются оптимальные режимы нагрева. Так, заготовки диаметром 100 мм и менее из всех сортов конструкционной и низколегированной сталей можно сажать в горячую печь и греть с технически возможной скоростью, которую обеспечивает печь при конечном температурном напоре в 100…150°С. Для быстрорежущих и высоколегированных хрупких сталей требуется предварительный подогрев.

Слитки и заготовки, нагреваемые под ковку, поступают на нагрев в холодном и горячем состоянии.

Заготовки под горячую штамповку – в холодном состоянии.

Слитки с температурой ниже 650°С считаются холодными. Нагрев их по сравнению с горячими более продолжителен.

Слитки, поступающие на нагрев с температурой более 650°С, а также подогреваемые в процессе ковки заготовки, называют горячими.

Холодные слитки и крупные заготовки нагревают в два этапа.

Первый этап – нагрев до температуры 700°С (начало фазовых превращений). При этой температуре сталь обладает пониженной пластичностью, а grad t в этом интервале имеет максимальное значение. Поэтому первый этап должен проходить медленно и тем медленнее, чем более легирована сталь и чем больше размеры заготовки. При температуре 800°С делают выдержку для выравнивания температуры по сечению слитка с тем, чтобы фазовые превращения (переход в аустенит) происходили при минимальной grad t.

Второй этап. На этом этапе образования трещин нет, т.к. пластичность высокая и требуется нагрев с максимальной скоростью для уменьшения окалинообразования.

Когда температура достигает ковочной, то быстро нагревать не следует, т.к. опасна неравномерность прогрева слитка, вредно влияющая на течение металла при ковке.

По этому при верхней температуре дают выдержку для выравнивания температуры по сечению. При быстром нагреве после выдержки температурный перепад небольшой, а пластичность высокая.

Горячие слитки и заготовки нагревают с максимальной скоростью – аналогично второму этапу. В печи при посадке может быть ковочная температура. В конце нагрева необходима выдержка. Ковочный температурный перепад допустим в 50…100°С по сечению слитков на углеродистой и легированной сталей и в 30…40°С для слитков из жаропрочной стали.

Скоростной нагрев в пламенных печах присущ для мелких по диаметру заготовок, когда величина термических напряжений небольшая даже при больших скоростях нагрева и высокой температуре печи (1400°С и больше).

Скоростной нагрев имеет преимущество: большую производительность, небольшие размеры печи, снижение отхода на окалину.

Недостатки: опасность перегрева, что требует автоматизации управления процессом; применение огнеупоров высокого качества.

§ Охлаждение и термообработка поковок.

Режим охлаждения после обработки давлением имеет такое же значение, как и режим нагрева.

Скорость охлаждения влияет на величину термических напряжений, которые в случае быстрого охлаждения приводят к наружным трещинам. При переходе через критический интервал температур возникают структурные напряжения. В легированных сталях есть опасность поверхностной закалки, трудно устранимой даже отпуском.

Чем более легирована сталь, и чем больше размеры поковки, тем медленнее должно быть охлаждение.

Низкоуглеродистая и низколегированная стали при малых размерах поковок не требуют специальных условий охлаждения.

Виды охлаждения: на воздухе одиночные поковки; на воздухе в штабелях; в ящиках с песком, с золой или окалиной; в термостатах и неотапливаемых колодцах; в подогреваемых колодцах; вместе с печью.

При ковке и горячей штамповке производится промежуточная и последующая термообработка.

Промежуточный отжиг применяется, когда крупные поковки диаметром 500 мм и больше изготавливают из слитков за несколько нагревов во избежание измельчения зерна. Отжиг снимает остаточные напряжения (охлаждение до 650°С, выдержка, нагрев до 850°С, выдержка, охлаждение до 700°С, нагрев под ковку).

Гомогенизационный отжиг при температуре 1200°С для выравнивания структуры по всему сечению. При этом легирующие элементы диффундируют по всему сечению и распространяются более равномерно.

Полный отжиг производят путем нагрева поковок до температуры Ас ₃ + 30-50°С (770…800°С) затем дается выдержка и медленное охлаждение. После ковки и штамповки производят также неполный отжиг, изотермический отжиг, нормализацию, светлый отжиг и др. виды термообработки.

Время охлаждения поковок при ковке и на воздухе играет большую роль при выборе количество нагревов и подогревов при ковке и корректировке температурного интервала ковки и штамповки.

Продолжительность охлаждения определяет возможную длительность процесса ковки в интервале ковочных температур. Скорость охлаждения зависит от тех же факторов, что и при нагреве и увеличивается, помимо всего, по причине большей теплопередачи за счет плотного контакта металла заготовки и инструмента. На воздухе скорость охлаждения меньше. (Имеются таблицы и графики времени охлаждения в зависимости от массы поковок).

Для увеличения производительности при ковке сокращают количество подогревов и увеличивают объем и время ковки за один нагрев. Это достигается путем теплоизоляции частей заготовки, которые отковывают в последнюю очередь. Наиболее эффективной является теплоизоляция при ковке сравнительно длинных поковок. Теплоизоляцию выполняют в виде стальных кожухов с асбестовой прокладкой внутри (удлиняется время охлаждения от 1,5 до 5 раз); в виде экранирования поковок трубчатыми отражателями из алюминиевого листа (в виде кожуха), которые хорошо сохраняют тепло; применяют радиационный подогрев в процессе ковки (инфракрасное излучение).

Дата добавления: 2014-01-07