НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕД ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ

§ 6. Температурный интервал и режим нагрева

повышения пластичности и уменьшения сопротивления деформи-рованию металлы и сплавы перед обработкой давлением нагревают до ОПре I МНОЙ температуры. Для каждого металла существует такой тем­пературный интервал (диапазон температур начала и окончания обработ­ки), в котором обеспечиваются оптимальные условия горячей обработки давлением. Нагрев металла сопровождается рядом явлений, которые необходимо учитывать при выборе температуры и режима нагрева.

1. Окисление металлов. При нагревании стали выше 700 °С происходит
интенсивное окисление поверхностного слоя с образованием окалины,
состоящей из оксидов железа Ре₂0₃, Ре₃0₄, РеО. С повышением темпера-
туры до 1330—1350 °С окалина плавится и железо горит с образованием
снопа ярко-голубых искр. Потери металла на окалину (угар) при одно-,
кратном нагреве в пламенной печи составляют 1,5—2,5 %, при электро-
нагрезе — 0,4—0,7 %. Кроме безвозвратных потерь металла, образо-
вание окалины в 1,5—2 раза повышает интенсивность изнашивания де-
формирующего инструмента, так как твердость ее выше твердости
деформируемого металла.

При высоких температурах наряду с окислением железа происходит также обезуглероживание поверхностного слоя стали вследствие выгора­ния углерода. Толщина обезуглероженного слоя составляет обычно 0,2—0,5 мм, достигая иногда 1,5—2,0 мм.

Для уменьшения окисления металла применяют электронагрси, а также нагрев заготовок в защитной атмосфере.

2. Перегрев и пережог. При высоких температурах нагрева интенсив-
но растет зерно; Это явление называется перегревом. Перегретая сталь ха-
рактеризуется более низкими механическими свойствами—уменьше-
ние относительного удлинения и ударной вязкости составляет около

■1

25 %. Структуру перегретой стали в большинстве случаев можно испра­вить отжигом.

При нагреве стали до температуры, близкой к температуре плавле­ния, происходит интенсивная диффузия в нее кислорода, образование оксидов по границам зерен и расплавление легкоплавких межзеренных прослоек, что приводит к появлению трещин и потере пластичности. Это явление называется пережогом. Оно не устраняется термической обра­боткой, и пережженный металл приходится отправлять на переплавку.

3. Температурный интервал горячей обработки давлением. Для макси-
мального повышения пластичности металла температура начала обработ-
ки должна быть возможно более высокой, но не вызывающей перегрева
и пережога. Температура окончания обработки должна быть выше тем-
пературы рекристаллизации и фазовых превращений.

Температурный интервал горячей обработки давлением углероди­стых сталей с 0,2—0,7 % углерода -- 1280—800 °С; с 0,8—1,3 % углеро­да— 1100—760 °С. Медные сплавы обрабатывают в интервале температур 900—700 °С; дуралюмин — 470—400 °С; титановые сплавы — 1100—900 °С.

4. Режим нагрева. Нагрев заготовок обычно происходит неравномер-
но. Вначале нагреваются наружные слои, а затем за счет теплопровод-
ности — сердцевина. При большой разности температур поверхности и
сердцевины возникают температурные напряжения (снаружи — сжима-
ющие, внутри — растягивающие), которые могут привести к образованию
трещин. Опасность их появления больше у легированных и литых сталей,
у которых теплопроводность меньше, и она возрастает с увеличением
сечения заготовки. Поэтому заготовки из легированных сталей и заготов-
ки диаметром больше 150 мм нагревают постепенно (методически) в два
этапа: медленный нагрев и выдержка при 700—800 °С, а затем нагрев до
необходимой температуры с максимально возможной скоростью.

§ 7. Основные типы нагревательных устройств

1. Виды нагревательных устройств. Устройства для нагрева заготовок
перед обработкой давлением разделяют на нагревательные печи и электро-
нагреватели. Первые чаще используют для нагрева слитков, крупных и
иногда средних заготовок. Электронагревательные устройства наряду с
печами применяют для нагрева мелких и средних заготовок.

В печах передача тепла от стенок нагревательной камеры к заготовкам осуществляется излучением и частично конвекцией. В электронагрева­тельных устройствах теплота выделяется в самом металле, который нагре­вается под воздействием электромагнитного поля (индукционный на­грев) или тока (электроконтактный нагрев).

2. Типы печей. В зависимости от источника энергии нагревательные
печи бывают пламенные, получившие наибольшее распространение, и
электрические. В пламенных печах тепло образуется при сгорании
жидкого (мазута) или газообразного топлива. В электрических печах
тепло образуется при прохождении тока через металлические или карбо-
рундовые сопротивления, вмонтированные в стенках нагревательной
камеры. Они используются преимущественно для нагрева цветных
сплавов.

По принципу действия различают печи камерные и методические.

Рабочее пространство печи (нагревательная камера) 1 (рис. IV.4, а),
\\\,\ южеппое огнеупорным кирпичом, нагревается при сжигании топлива
I ПОМОЩЬЮ ЦВУЯ форсунок 2 (ИЛИ горелок) и имеет одинаковую температу-
ру 1||......... и. и устанавливаемый па иод печи, загружаются и выгру-

жаются ЧврвЭ окно •/. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5 , И ИСПОЛЬ 1уются ДЛЯ нагрева ДО 200—300 °С поступающего в печь возду­ха, что повышает к. п. д. печи.

I [ечи для нагрева крупных заготовок оборудуют различными устрой-ствами, облегчающими загрузку и выгрузку. Используют печи с толка-ТвЛЯМИ, карусельные, конвейерные, с выдвижным подом.

Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, которые применяют для нагрева крупных слитков при прокатке и ковке. И них заготовки располагаются вертикально и загружаются сверху а краном.

4. Методические печи предназначены для нагрева крупных заготовок под прокатку и в крупносерийном производстве. Печи характеризуются большой протяженностью (8—22 м) и наличием трех зон с различной тем­пературой. Заготовки 3 (рис. ^.4, б), постепенно перемещаясь навстречу горячим газам вдоль печи, проходят зоны подогрева I (600—800°С), максимального нагрева II (1350 °С), где происходит основное сгорание топлива с помощью форсунок или горелок 2, и зону выдержки III (1200--1300 °С), в которой выравнивается температура по сечению заготовки. Продукты сгорания с температурой 700 °С направляются в рекуператоры для подогрева воздуха. Заготовки с помощью толкателя 6 проталкивают­ся через печь по охлаждаемым водой направляющим трубам 7 и выгружа-|. ются через окно 8.

Печи для нагрева заготовок диаметром до 120 мм имеют две зоны на­грева (600—700 °С и 1250—1300 °С) и называются полуметодическпмн.

5. Электрические нагревательные устройства. Индукционный нагрев основан на возникновении в заготовке, помещенной в переменное элект­ромагнитное поле, вихревых токов. Вследствие поверхностного эффекта (скин-эффекта) с ростом частоты тока толщина поверхностного слоя, в котором индуцируются вихревые токи и который нагревается, уменьша­ется. Поэтому при нагреве заготовок диаметром до 150 мм используется частота 500—8000 Гц, а для больших заготовок — 50 Гц. Индуктор в виде многовиткового соленоида по диаметру заготовки выполняют из медной трубки, охлаждаемой водой.

Электроконтактный нагрев, основанный на выделении тепла при прохождении тока через заготовку (по закону Джоуля — Ленца), при­меняют при нагревании стальных заготовок диаметром до 75 мм. Исполь­зуемое напряжение — 5—15 В, сила тока — до 5000 А. Концы заготовок, зажатые между медными токоподводящими контактами, нагреваются на 200—300 °С ниже средней ее части. Поэтому данный метод рационально использовать для нагрева стальных заготовок постоянного сечения и зна­чительной длины.

Скорость электронагрева в 8—10 раз выше, а интенсивность образова­ния окалины в 4—5 раз меньше, чем при нагреве в печах. Достоинствами его также являются улучшение санитарных условий труда и возможность автоматизации процесса. Ограничивающими факторами являются: вы­сокая стоимость высокочастотного генератора и необходимость замены ин­дуктора с изменением размеров и формы заготовки при индукционном нагреве; низкая стойкость (до 1000 циклов) токоподводящих контактов при электроконтактном нагреве.