§ 4. Типы нагревательных устройств, применяемых при свободной ковке и объемной штамповке

Типы нагревательных устройств и способы нагрева заготовок при свободной ковке и горячей объемной штамповке различны.

/ При свободной ковке используют обычно камерные печи и печи с выдвижным подом.]В камерных печах в зависимости от их размеров и конструкции нагревают мелкие и средние заготовки, а также слитки. В печах с выдвижным подом производят нагрев слитков, их подогрев и повторный нагрев. Слитки из легированной стали 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 закрь вающимися окнами, а для-лагрева прутковых и мерных заготово камерные щелевые или&5ч*ковые печи. Печи полуметодические ₍и осе бенно методические используют для нагрева мерных заготовок и легированной стали. В карусельных и'конвейерных печах нагреваю мерные и прутковые заготовки. Печи скоростного нагрева служа для нагрева заготовок всех типов.

Индукционный электронагрев токами высокой частоты применяю' для заготовок диаметром до 150 Ч- 200 мм, а нагрев токами промыш ленной частоты — для заготовок больших поперечных размеров Применяют «также комбинированный индукционный электронагрев,

Контактный нагрев используют для заготовок диаметром дс 60 -т- 70 мм при большой их длине.

Мелкие заготовки нагревают иногда в электролите [119]. Мелкие заготовки из высоколегированной стали можно нагревать в расплав­ленных солях и стекле. _

§ 5. Нагрев в пламенных печах

Нагрев должен обеспечить получение необходимой температуры заготовки 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 нагрева, 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 следующие факторы: тем- • пература печи (температурный напор), укладка заготовок в печи, форма и размеры нагреваемых заготовок, коэффициент теплопередачи k, коэффициент теплопроводности %, коэффициент температуропровод­ности а, удельная теплоемкость с, плотность заготовки р, пластич­ность материала.

Последние пять факторов являются внутренними факторами, не зависящими от условий нагрева.

Теплоту Q, подводимую к нагреваемой заготовке, можно подсчи­тать по формуле теплопередачи:

где t₁ — температура печи; . t_% — температура заготовки;

F — нагреваемая поверхность заготовки; Т_п — время нагрева. Теплопередача происходит в кузнечных печах главным образом излучением. Теплопередача конвекцией имеет преобладающее значе­ние при температуре печи 600 -г 700° С.

-Температура печи. Чем выше температура печи, тем быстрее нагрев.

Разница между температурой печи t„ и температурой заготовки t_3ar называется температурным напором.

Укладка заготовок в печи. Расположение заготовок в печи опре­деляет интенсивность нагрева излучением от стенок печи и возмож* ность для нагрева конвекцией, что определяет степень неравномер--ности нагрева и время нагрева.

Увеличение времени нагрева можно учесть коэффициентом К, зна­чения которого колеблются от 1 до 3 [55] в зависимости от расстояния между заготовками при нагреве в печи, от формы поперечного сече­ния заготовки и др.

Форма и размеры нагреваемых заготовок. Чем короче заготовка, тем быстрее она греется — сказывается влияние торцов.

Если / > 3D, то длина заготовки на скорость нагрева практически не влияет.

Это уравнение описывает изменение температуры тела при неста­ционарном состоянии. Коэффициент а явл-яется коэффициентом про­порциональности и таким образом влияет на скорость изменения

температуры тела во времени, т. е. на величину

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 наблюдается.

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 растяжения. Если напряжения растяжения во внутренних слоях достигают предела прочности, то при недостаточной пластичности металла возникают трещины и металл разрушается. Если же пластичность металла высокая, то происходит пластическая деформация, снимающая термические напряжения. При этом пластическая деформация не может быть больше величины теплового линейного расширения, вызвавшего данную пластическую деформацию. Поэтому, если металл имеет пластичность большую, чем величина линейного расширения, то в этом случае не может быть трещин.

Большой температурный градиент может вызвать в середине заготовки растягивающие напряжения, величина которых зависит от разности между удлинением при разрыве и линейным расширением при нагревании этих металлов [39].

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 температуре выше 600 -н 700° С сталь можно греть с высокой скоростью.

Окалина состоит из трех слоев. Наружный слой составляет Fe₂0₃ средний — Fe₃0₄ и внутренний (рыхлый) — FeO. Наружный ело] более богат кислородом, а внутренний — железом.

При нагреве мелких заготовок угар составляет 1,5 -4- 2,5% от массы нагреваемого металла. При нагреве слитков угар составляет 3%. При повторном нагреве слитков угар составляет дополнительно 1,5%. Подробные данные о величине угара имеются в литературе [2]. Неко­торые сведения об угаре даны ниже.

Обезуглероживание может протекать по следующим реакциям:

Fe₃C + Н_аО = 3 Fe + СО + Н₂; Fe₃C + С0₂=3 Fe + 2 СО; 2Fe₃C + 0₂ = 6Fe + 2CO; . Fe₃C + 2H₂ = 3Fe + CH₄.

Образующиеся газы СО, Н₂ и СН₄ диффундируют к поверхности металла.

.1 Наиболее способствует обезуглероживанию Н₂0, затем С0₂. Обе­зуглероживание увеличивается с повышением содержания углерода в стали и повышением температуры нагрева.

\$\ Легирующие элементы Сг и Мп уменьшают обезуглероживание, Ja/Al, СО, W увеличивают.

от При нагреве процесс обезуглероживания взаимно связан с про-/ цессом окисления. Обычно при нагреве стали под ковку или штам­повку, когда температура нагрева превышает 1100° С, процесс окис­ления происходит интенсивнее, чем процесс обезуглероживания. После удаления окалины на поверхности заготовки обезуглероженного слоя не оказывается. При низкой температуре нагрева РОО -н 1000° С), особенно при нагреве высокоуглеродистых сталей, может получиться обезуглероженный слой после удаления окалины, так как окисление здесь идет медленнее, чем обезуглероживание.

Для уменьшения образования окалины применяют:

1) увеличение скорости нагрева, скоростной нагрев или электро-нргрев;

2) защитный газовый слой в печи;

3) нагрев в защитной атмосфере. Такой атмосферой служит атмос­фера с содержанием СО более 16% [54, 49, 17]. Можно указать также ] а нагрев в атмосфере с добавлением карбоната лития — L₂C0₃ [129]; .' 4) защитные покрытия на заготовках (коллоидные растворы стекла в изопропаноле и др.), которые также являются смазкой.

Если предупредить образование окалины при нагреве невозможно, то нагретые заготовки при необходимости можно очищать от окалины. Очистку производят разными способами. Применяют стальные щетки, скребки, окалиноломатели и гидроочистку. Конструкция установки для гидроочистки описана в [72, 34]. :> Режим нагрева в пламенных печах. Ранее было указано, что чем меньше коэффициенты тепло- и температуропроводности, тем больше - температурный градиент, т. е. больше неравномерность прогрева и термические напряжения. Поэтому сажать в печь с высокой- темпера­турой холодные заготовки из металла с низким коэффициентом тем-пературопроводности, а также крупные заготовки (слитки) нельзя в этом случае их сажают в сравнительно холодную печь и постепенш повышают температуру вместе с печью.

В основном, температурный градиент зависит от температурной напора и температуры печи. Температурный градиент имеет обыч» наибольшее значение в зоне критических температур (t фазовых пре вращений). Большая величина термических напряжений может при вести к появлению микро- и макротрещин при нагреве, если пластич ность невысокая или слишком велики размеры слитка.

Однако слишком медленный нагрев приводит к большому окали нообразованию и низкой производительности печей. С учетом факто ров — снижение температурного градиента и минимальная окалина -были выработаны опти­мальные режимы нагрева.

Установлено, что заго­товки диаметром менее 100 мм 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 быстрорежущей и высоко­легированных хрупких ста­лей требуется предвари­тельный подогрев. '^г Слитки и заготовки, нагреваемые под ковку в

кузнечных цехах, поступают на нагрев в холодном или горячем сс стояниях. Заготовки под горячую штамповку поступают на нагре] в холодном состоянии.

Слитки, поступающие на нагрев с температурой поверхност) - металла ниже 650° С, считаются холодными. Нагрев их по сравнение [с горячими слитками более продолжителен.

\ Слитки, поступающие на" нагрев с температурой не ниже 650° С [ а также подогреваемые в процессе ковки заготовки, называются горя ,'чими. Горячие слитки поступают в кузнечный цех из сталеплавиль ) ного. Вместе с горячими заготовками они составляют основную част , металла, идущего на ковку [102].

Холодные слитки и крупные заготовки нагревают за 2 этапа (рис. 11). 1-й этап — нагрев до t = 700° С (начал' фазовых превращений). При этой температуре сталь'обладает пони женной пластичностью, а температурный градиент в этом интервал имеет максимальное значение.

Когда температура дойдет до" ковочной, то быстро нагревать не следует, так как опасна неравномерность прогрева слитка, вредно влияющая на течение металла при ковке. Поэтому 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. Их нагрев аналогичен нагреву холодных слитков на втором этапе. В печи при посадке слитков может быть ковочная температура. В конце нагрева необходима выдержка. Конечный тем­пературный перепад допустим в 50 ч- 100° С по сечению слитков из углеродистой и легированной сталей и в 30 -г 40° С для слитков из жаропрочной стали

^Х.олодные слитки греют очень медленно.

При нагреве крупных горячих слитков время нагрева сокращается в 2 раза по срав­нению с нагревом холодных слитков.