>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Профессиональное обучение

Ручная ковка

Явления, происходящие в металле при нагреве, и режимы нагрева

Для повышения пластичности металла и снижения усилий, необходимых для его обработки, заготовки перед ковкой и горячей штамповкой нагревают до ковочной температуры, которая для стали составляет в среднем 1200 . . . 1250 ° С. Нагрев металлов перед ковкой является ответственной операцией, от которой во многом зависит не только качество будущих деталей, но также производительность труда, исправная работа оборудования, стойкость инструмента и себестоимость продукции.

В процессе нагрева изменяются размеры заготовок, состояние поверхностных слоев металла, его строение и свойства.

Изменение размеров заготовки. При нагреве металлы расширяются, а при охлаждении сжимаются на величину, называемую усадкой. При ковке стальных поковок усадку определяют приближенно, считая, что она составляет 1,2 % от размера заготовки в горячем состоянии. Например, горячая поковка длиной 500 мм после охлаждения до цеховой температуры будет иметь длину 494 мм. Если усадку металла не учесть, то получится брак поковки по размерам.

Влияние усадки на форму и размеры поковки особенно следует учитывать при ковке заготовок деталей сложной формы с длинными отростками, так как усадка может привести к сильному короблению поковки. Очень важно также принимать во внимание усадку металла при изготовлении рабочих ручьев штампов для объемной штамповки, особенно при точной объемной штамповке дорогостоящих сплавов. <

strong>Изменения в поверхностных слоях заготовок. С повышением температуры активность взаимодействия металлов с атмосферой печи увеличивается. При нагреве сталей на поверхности заготовки образуется слой оксидов железа (FeO, Fe₂О₃, Fe₃О₄), называемый также окалиной. Толщина слоя окалины зависит от температуры и времени нагрева, расположения заготовок в печи, состава печных газов и химического состава сплава. Наиболее интенсивно стали окисляются при температуре выше 900 ° С. Так, при увеличении температуры заготовки с 900 до 1000 ° С скорость окисления увеличивается в 2 раза, а до 1200 ° С - в 5 раз.

Образование окалины ведет к потерям металла, увеличению припусков на механическую обработку, снижению производительности труда. Кроме того, окалина, являясь твердым веществом, снижает стойкость инструмента при обработке давлением и резанием.

Нагрев углеродистых сталей сопровождается образованием рыхлого слоя окалины, который легко удаляется, но не предохраняет металл от дальнейшего окисления. У сталей, легированных хромом, кремнием, вольфрамом, никелем, слой окалины имеет малую толщину, плотное строение, не растрескивается и является защитой от дальнейшего окисления. Хромоникелевая сталь, содержащая 15 ... 20 % никеля, практически не окисляется и называется поэтому жароупорной. При нагреве углеродистых сталей происходит также выгорание углерода с поверхностного слоя на глубину до 2 мм. Уменьшение содержания углерода, называемое о бе зугле ро живанием, ведет к снижению прочности и твердости стали и ухудшению закаливаемости детали. Обезуглероживание особенно вредно для поковок небольших размеров, имеющих малые припуски на механическую обработку и подвергаемых последующей закалке. Для крупных поковок обезуглероживание менее опасно, поскольку в процессе ковки и охлаждения углерод из внутренних слоев заготовки диффундирует в наружные и химический состав сплава выравнивается.

Для уменьшения окалинообразования и обезуглероживания применяют нагрев в защитной атмосфере (специальные сплавы нагревают и обрабатывают в вакууме), скоростной нагрев, различные покрытия и обмазки, наносимые на заготовки перед нагревом. Обмазки не только защищают металл от окалинообразования, обезуглероживания и насыщения газами, но и, являясь смазками, снижают усилие деформирования и нагрев деформирующего инструмента, а также облегчают пластическое течение металла при обработке давлением.

Однако полностью защитить металл от окисления в производственных условиях не удается, поэтому применяют различные способы удаления окалины с нагретых заготовок перед штамповкой — с помощью разнообразных скребков, щеточных приспособлений, окалиноломателей, а также гидроочистки за счет кратковременного воздействия струй воды высокого давления на поверхность заготовки.

Распределение температуры по сечению заготовки. Прогрев заготовки по сечению осуществляется за счет теплопередачи от наружных слоев к внутренним. Чем меньше коэффициент теплопередачи металла, больше скорость нагрева1 и площадь поперечного сечения заготовки, тем больше разность температур между наружными и внутренними слоями заготовки. Под действием высокой температуры наружные слои расширяются больше внутренних, вследствие чего между ними возникают напряжения, которые могут привести к разрушению металла. В большинстве своем заготовки из углеродистых конструкционных сталей сечением до 100 мм благодаря высоким теплопроводности и пластичности металла ”не боятся” быстрого нагрева, поэтому их можно закладывать холодными в печь с температурой до 1300 ° С.

Высокоуглеродастые и высоколегированные стали и многие сложные сплавы, имеющие низкие теплопроводность и пластичность, во избежание образования трещин требуют медленного нагрева. Заготовки из таких сталей и сплавов загружают в печь, имеющую сначала невысокую температуру, некоторое время выдерживают при этой температуре и только после прогрева заготовок по всему сечению увеличивают ее. После того как наружные слои заготовок нагреются до ковочной температуры, заготовки оставляют еще некоторое время в печи для выравнивания температуры металла по всему сечению. Это время называется временем выдержки. Крупные слитки из легированных сталей при нагреве подвергают нескольким выдержкам при различных температурах.

Ковать неравномерно нагретую заготовку опасно вследствие различных по ее сечению деформаций металла и возможного его разрушения. При объемной штамповке и ковке в подкладных штампах неравномерный нагрев приводит к незаполнению рабочего ручья штампа и снижению стойкости инструмента.

Следует иметь в виду, что в процессе ковки, особенно при больших скоростях деформации и невысокой температуре заготовки, выделяется теплота, распределяемая неравномерно по объему заготовки.

Влияние нагрева на структуру металла связано с аллотропическими превращениями (различные кристаллические решетки при разных температурах) в железе. При нагреве свыше 723 °С сталь имеет гранецентрированную кубическую решетку с внедренными в нее атомами углерода — твердый раствор внедрения, называемый аустенитом. Стали с аустенитной структурой имеют наибольшую пластичность.

Режим нагрева. Выбор режима нагрева заключается в обоснованном выборе температуры нагрева заготовок с учетом температурного интервала их обработки, а также определении времени нагрева заготовок. Нижняя граница температурного интервала ковки превышает 723 °С, а верхняя должна быть на 100 . . . 150 °С ниже температуры плавления. При нагреве до более высоких температур в металле появляются два вида дефектов — перегрев и пережог. При перегреве увеличиваются размеры зерен, уменьшается пластичность металла и ухудшаются его механические свойства. Этот дефект можно устранить дополнительной ковкой или термической обработкой, что требует дополнительных расходов. Нагрев до более высокой температуры (1350 . . . 1400 °С) ведет к пережогу — окислению металла по границам зерен, В результате связь между зернами нарушается и металл при ковке разрушается. Пережог является неисправимым браком.

Таким образом, металлы обрабатывают давлением в определенном для каждого из них интервале температурТ_н ... Т_к, где Т_н и Т_к — температуры соответственно начала и конца ковки. Чтобы поковки имели высокие механические свойства, стремятся заканчивать ковку при температуре, близкой к Т_к, что обеспечивает мелкозернистую структуру металла. Если ковку или штамповку заканчивать при более высоких температурах, в процессе охлаждения поковок размеры зерен увеличиваются, а механические свойства стали ухудшаются.

Температурный интервал обработки давлением зависит от марки обрабатываемого сплава. Низкоуглеродистые стали имеют широкий (до 500°С) температурный интервал обработки и кузнец успевает выполнить большое число операций без дополнительного нагрева заготовки. Однако в современном машиностроении все чаще приходится обрабатывать сплавы, имеющие очень узкий температурный интервал деформирования. Например, алюминиевые сплавы ВД17, Д19 и другие необходимо обрабатывать в интервале от 400 до 470 °С, т. е. температурный интервал обработки составляет всего 70 ° С, поэтому в ряде случаев требуется дополнительный нагрев заготовок для завершения их обработки.

При ковке крупных и сложных поковок, когда требуется длительное время на выполнение кузнечных операций, заготовки остывают и возникает необходимость в их дополнительных нагревах. Чтобы уменьшить количество последних, принимают меры для замедления охлаждения металла при ковке. Для этого применяют откидные экраны-отражатели из алюминиевого листа, один конец заготовки при ковке другого конца закрывают асбестом или специальным кожухом, покрывают слитки теплоизолирующими обмазками на стеклянной основе специального состава.

Температуру начала ковки Т_н выбирают такой, чтобы с расчетом подстывания заготовки ковка заканчивалась при температуре, на 20. . . 30 °С превышающей допустимую температуру Т_к, а температуру нагрева устанавливают несколько выше Т_н с учетом остывания заготовки за время ее передачи от нагревательного устройства к молоту или прессу.

Температурные интервалы ковки сталей и никелевых сплавов

Время нагрева определяют, исходя из двух противоречивых требований. С одной стороны, с целью уменьшения образования окалины и повышения производительности желательно сократить время нагрева, увеличив его скорость, с другой, во избежание образования трещин — уменьшить скорость нагрева и увеличить его продолжительность. Последнее особенно относится к заготовкам большого сечения из высоколегированных сплавов.

Заготовки из углеродистых сталей, имеющие площадь сечения до 100 мм² и обрабатываемые ручной ковкой, допускают высокую скорость нагрева и их можно загружать холодными в печь, имеющую температуру около 1300 °С. В этом случае время нагрева можно определить либо по табл., либо по формуле Н.Н. Доброхотова: , где Т — время нагрева, ч; k — коэффициент, зависящий от марки стали (для углеродистых и низколегированных сталей k = 10, для высокоуглеродистых и высоколегированных сталей k = 20); d — диаметр (или сторона квадрата) заготовки, м; α — коэффициент, учитывающий способ укладки заготовок в печи (рис. 4.1). Чем плотнее уложены заготовки в печи, тем больше коэффициент α и большее время требуется для нагрева заготовок.

Рис. 4.1. Влияние способа укладки заготовок в печи на коэффициент α

Продолжительность нагрева, мин, холодных заготовок из углеродистых сталей до 1200 ° С при температуре печи 1300 С

Заготовки из высоколегированных сталей из-за возможного их разрушения нагревают в два приема: сначала их медленно подогревают до 650 С, а затем, когда пластичность сплава увеличится, окончательно нагревают с большой скоростью до ковочной температуры. Общее время нагрева Т = Т₁ + Т₂, где Т₁ и Т₂ — время соответственно первого и второго нагревов.

Следующий за ковкой процесс охлаждения поковок (особенно из легированных сталей) является ответственной технологической операцией, которая при неправильном выполнении может привести к их браку. При охлаждении поковок трещины в них образуются чаще, чем при нагревании, поэтому скорость охлаждения поковок не должна превышать допустимых значений. Поковки из средне углеродистых сталей можно охлаждать на воздухе поштучно или на стеллажах. Крупные поковки из легированных сталей охлаждают медленно вместе с печью, давая выдержки по нескольку часов при определенных температурах.

В табл приведены данные о времени нагрева заготовок в стационарном горне, работающем на древесном угле.

Время нагрева заготовок в горне, мин

Цикл охлаждения зависит от химического состава металла и размеров поковки и может длиться несколько суток