Глава XVIII

НАГРЕВ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

§ 109. Термический режим

Нагрев металла вызывает изменения его механических характеристик. Эти изменения будут способствовать обработке давлением, если сопротивле­ние металла деформированию с повышением температуры будет падать, а пластичность, наоборот, будет увеличиваться. Чем меньше сопротивление деформированию и чем больше пластичность, тем выше ковкость металла. Существуют специальные методы для определения сопротивляемости метал­лов деформированию и их пластичности при различных температурах и видах обработки. Ориентировочные данные можно получить испытанием на растя­жение. Если предел текучести и предел прочности с увеличением температуры падают, а относительное удлинение и сужение увеличиваются, то ковкость металла обычно увеличивается. Ковкость стали с повышением температуры выше ~300° непрерывно увеличивается вплоть до температур, близких к температуре плавления, как это видно из приведенных (см. фиг. ПО) графи­ков изменения и для стали с содержанием углерода 0,1%.

При нагреве до температуры, близкой к линии АЕ (см. фиг. 5), наступает пережог, выражающийся в появлении хрупкой пленки в стали между зер­нами металла вследствие окисления их границ. При пережоге происходит полная потеря пластичности. 'Пережженный металл представляет собой неисправимый брак и может быть пущен только на переплавку.

Таким образом, температура нагрева металла под обработку давлением должна быть ниже температуры пережога. Однако соблюдение этого условия для получения качественного изделия недостаточно, так как ниже темпера­туры пережога лежит зона перегрева. Последний выражается в резком росте аустенитного зерна. Вследствие того, что крупнозернистой первичной кристал­лизации (аустенит), как правило, соответствует крупнозернистая вторичная кристаллизация (феррит 4- перлит или перлит + цементит), механические качества изделия, полученного обработкой давлением из перегретой заго­товки, оказываются низкими. Брак по перегреву можно исправить отжигом. Однако для некоторых сортов стали (например, хромоникелевой) исправление перегретого металла сопряжено со значительными трудностями, и простой отжиг оказывается недостаточным

Таким образом, максимальную температуру нагрева, т. е. температуру начала горячей обработки (прокатки, ковки, штамповки и т. д.), следует

назначать так, чтобы не было ни пережога, ни перегрева.

Заканчивать горячую обработку давлением следует также при опре­деленной оптимальной температуре. Если продолжать обработку при бо­лее низких температурах, сталь по­лучит наклеп, и в поковке могут образоваться трещины. Если кончать обработку при температурах, значи­тельно превышающих оптимальную, сталь получит крупнозернистую структуру, которая, однако, может быть исправлена отжигом.

Фиг. ПО Изменение механических свойств стали с содержанием углерода 0,1% в зави­симости от температуры

Итак, при горячей обработке да­влением необходимо соблюдать опре­деленный температурный интервал, зависящий от химического состава сплава. Температурные интервалы горячей обработки различных спла­вов приведены в табл. 5. Первым, кто обратил внимание на температурные условия обработки давлением, был русский ученый металлург Д. К. Чернов. Он еще в 1868 г. указал, что сталь следует ковать при температурах, лежащих в пределах точек х и б. Точка X является температурой, лежащей ниже температуры начала плавления, а точка б соответствует современной точке А₈.

Правильно проведенный процесс нагрева должен обеспечить получение требуемой температуры заготовки при максимальной равномерности прогрева по ее сечению и длине, сохранение целостности металла, минимальное обез­углероживание поверхностного слоя и минимальный отход в окалину (угар). Скорость нагрева до заданной температуры зависит от ряда факторов, главнейшими из которых являются температура рабочего пространства печи, способ укладки заготовок на поду (одиночная, вплотную, на подставке и т. д.), размеры и конфигурация заготовки и физические свойства металла.

Чем выше температура рабочего пространства, тем меньше продолжитель­ность нагрева заготовки. Разница между температурой рабочего пространства печи и требуемой температурой нагрева носит название конечного температур­ного напора. Величина его обычно составляет 100—150°.

Одиночная заготовка, лежащая на поду печи, предоставляет большую поверхность для облучения. Она нагревается быстрее, чем заготовки, рас­положенные вплотную друг к другу или на некотором расстоянии.

Чем больше размеры нагреваемой заготовки, тем больше времени тре­буется для ее нагрева. Чем меньше теплопроводность металла, тем больше время нагрева. Теплопроводность стали уменьшается с увеличением содер­жания углерода и легирующих компонентов.

Таблица 5

Температурные интервалы ковки и горячей штамповки

Вид сплава	Характеристика химического состава или марка сплава	Температура в °С
		начала ковки штамповки	конца ковки штамповк
Углеродистая сталь	Углерода до 0,3% 0,3-0,5% 0,5—0,9% 0,9—1,5%	1200—1150 1150—1100 1100—1050 1050—1000	850—900 850—880 820—850 800—850
Легированная сталь	Низколегированные Средне легированные Высоколегированные	1100 1100—1150 1150	825—850 850—875 875—900
Алюминиевые сплавы	Д-1 АК-2, АК-4.АК-5, АК-6 АК-8	470 490 470	350 380 400
Магниевые сплавы	MAI, MA2 МАЗ МА5	430 400 370	350 300 300
Медные сплавы	Бр. А Ж 9-4 Бр. АЖМц 10-3-1,6 Бр. АЖН 10-4-4 ЛС59	850 750	700 600

Из перечисленных факторов основным, позволяющим при прочих равных условиях регулировать скорость нагрева металла в печах, является темпе­ратура рабочего пространства печи. Однако чем больше температурный пере­пад между рабочим пространством печи и поверхностью заготовки, тем выше будет и разница температур (температурный градиент) по сечению заготовки в процессе нагрева. Последний вместе с тем увеличивается с уменьшением теплопроводности металла.

Температурный градиент обусловливает появление в нагреваемом ме­талле термических напряжений. Последние, особенно при наличии остаточ­ных напряжений в холодной заготовке и при переходе через интервал струк­турных превращений Л_} (см. фиг. 6), могут вызвать нарушение целостности металла — появление внутренних микро- и макротрещин. Поэтому необходи­мо нагревать металл с определенной допустимой для него скоростью нагрева.

В настоящее время для ориентировочного определения допустимой ско­рости нагрева холодных заготовок и слитков может служить формула Н. Н. Доброхотова

Т = KD ,

где Т — время нагрева в час;

D — диаметр заготовки (слитка) в м;

К — коэффициент, равный для углеродистой и низколегированной ста­ли 12,5, для высоколегированной 25.

Время, определяемое по приведенной формуле, включает выдержку, необходимую в конце нагрева для выравнивания температуры по сечению слитка или заготовки.

Приведенные сведения о продолжительности нагрева относятся к нагреву в пламенных печах, а при применении электрических нагревательных устройств продолжительность нагрева уменьшается в несколько раз.

Для качества изделий, получаемых горячей обработкой давлением, имеет существенное значение не только режим нагреве, но и режим охлаждения. Слишком быстрое охлаждение может повести к образованию трещин в резуль­тате термических напряжений. Чем меньшую теплопроводность имеет сталь и чем больше размер изделия, тем медленнее должно быть охлаждение.