Нагрев металла при обработке давлением. Значение нагрева.

Тема 2.2. Физико-механические основы обработки металлов давлением. Нагрев металла

Вопросы:

1. Пластичность металлов и сопротивление деформиро­ванию. Влияние различных факторов на пластичность.

2. Физическая сущность пластической деформации. Влия­ние обработки давлением на структуру и свойства ме­талла.

5. Общая характеристика и принцип работы нагреватель­ных печей и электронагревательных устройств.

1. Пластичность – это способность металла изменять под действием внешних сил свою форму и размеры не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы.

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла . Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла , особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900…1000°С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300…400°С называется синеломкостью, при температуре 850…1000°С – красноломкостью.

Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния . Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

2. Обработка металлов давлением является процессом пластичес­кой деформации . Выше указывалось, что между атомами металлов действуют внутренние уравновешивающие силы. Если приложить к металлу внешнюю силу, то это равновесие нарушается и атомы смещаются относительно друг друга до тех пор, пока не будет до­стигнуто новое равновесие между атомными силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой – с другой. Та­кой металл находится в напряженно-деформированном состоянии.

Пластической деформации металлов всегда предшествует упру­гая деформация. Она сохраняется до тех пор, пока действует внеш­няя сила. Если сдвиг атомов происходит в пределах параметра кристаллической решетки, то такую деформацию называют упру­гой. После снятия внешней силы искажение кристаллической ре­шетки исчезает и атомы возвращаются в исходное состояние. Если сдвиг атомов превышает параметр кристаллической решетки, то деформацию называют упруго – пластической. После снятия внешней силы искажение кристаллической решетки может исчезнуть (при со­ответствующей температуре), но атомы в исходное состояние не возвращаются.

В результате холодной деформации прочностные свойства металла и твердость с ростом степени деформации увеличиваются, а его пластические свойства уменьшаются.

Механические свойства после горячей обработки давлением литого металла значительно повышаются. Это повышение прочности и пластичности металла происходит главным образом за счет образования мелких зерен взамен дендритов литого металла, а также за счёт заварки усадочных пустот и рыхлости, образующихся в слитке в процессе кристаллизации жидкого металла.

3. Нагрев заготовок перед обработкой давлением произ­водится с целью повышения пластичности металла, в ре­зультате чего его сопротивление деформации значительно уменьшается (в 10…15 раз) по сравнению с обычным холодным состоянием. Следовательно, для деформации нагретых заготовок требуется прикладывать меньшие усилия, чем при деформации тех же заготовок в холод­ном состоянии, что позволяет снизить стоимость изготов­ляемых изделий. Нагрев должен обеспечить равномер­ную температуру по сечению заготовки, минимальное окисление и обезуглероживание стали.

Рассмотрим изменения механических свойств отожженной мягкой (0,3 % С) стали в зависимости от температуры ее нагрева. При на­греве выше 300 °С идет процесс разупрочнения стали, увеличивается пластичность и облегчается обработка давлением, следовательно, для такой обработки нагрев стали должен быть достаточно высоким, однако нельзя допускать пережога, который наблюдается при на­греве, близком к температурам линии солидуса.

Пережженный металл является неисправимым браком. Ниже зоны пережога лежит зона перегрева, выражающаяся резким ростом зерна аустенита, что приводит к образованию крупнозернистой структуры, определяющей пониженную пластичность при обработке давлением и пониженную прочность охлажденных Рис. 23

изделий. Пере­гретый металл также является браком, но его можно исправить отжигом или нормализацией.

Заканчивать обработку давлением следует также при оптималь­ной температуре; продолжение обработки при более низкой темпе­ратуре приводит к неполной рекристаллизации и наклепу.

4. При обработке давлением металл нагревают для снижения сопротив­ления деформации, придания ему достаточной пластичности, умень­шения расхода энергии на обработку и увеличения обжатия.

Качество нагрева металла оказывает значительное влияние на производительность оборудования, размер зерен изделия, механи­ческие свойства, службу деформирующего инструмента, выход годного металла.

Для каждого металла установлен определенный интервал тем­ператур (начальная и конечная температуры), в котором его обра­ботка давлением осуществляется наилучшим образом, обеспечи­вая хорошую пластичность при минимальном сопротивлении дефор­мации.

При горячей обработке металлов давлением температура нагре­ва зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от способа обра­ботки и свойств металла. Так, прокатку ведут при более высокой температуре, чем ковку и штамповку. Температурный интервал нагрева выбирают по диаграмме состояния сплава.

Начальную температуру обработки t н рекомендуется выбирать по формуле

t н = αt пл,

где t пл – температура плавления сплава, определяемая по диаграм­ме состояния, ° С;

α – коэффициент понижения температуры, α= 0,85…0,95.

Коэффициент понижения температуры учитывает возможность предотвращения перегрева или пережога при температурах, близ­ких к температуре плавления. Чем выше температура плавления сплава и чем больше склонен сплав к перегреву и пережогу, тем ниже коэффициент α.

Если с понижением температуры не происходит фазовых пре­вращений (например, при полной растворимости металлов), то ко­нечную температуру деформации t к можно определять по формуле

t к = 0,7t пл .

При этой температуре и выше в большинстве случаев возможна деформация с полным разупрочнением металла. Ниже этой тем­пературы сопротивление металла деформации наиболее интенсивно повышается.

В случае, если обработка давлением с нагревом должна обес­печить получение определенных механических свойств, то темпера­туру и степень обжатия в конце обработки выбирают по диаграммам рекристаллизации (см. рис. 22). В этом Рис. 22

случае температура конца обработки будет ниже 0,7t пл.

При разработке технологического процесса обработки давле­нием температурный интервал деформации углеродистых сталей определяется по диаграмме состояния сплавов железо – углерод (рис.22, заштрихованная область). Следует отметить, что тем­пература обработки заэвтектоидных сталей находится ниже ли­нии ES (двухфазное состояние).

5. Оборудование, применяемое для нагрева заготовок перед обработкой давлением, подразделяется на нагревательные печи и электронагревательные устройства .

К нагревательным печам относят оборудование, в котором теплота к заготовке передается конвекцией и излучением из нагревательной каме­ры.

Нагревательные печи классифици­руют по следующим основным признакам: 1) источнику энергии – пламенные, в которых теплоту получают за счет химических реакций горения топлива, и электриче­ские печи; 2) назначению – кузнечные печи и печи про­катного производства; 3) принципу действия – камерные и методические.

Снизу рабочее пространство печи ограничено подом, на котором располагают нагреваемые заготовки, с боков – стенками печи, на которые опирается свод, замыкающий верхнюю часть ра­бочего пространства. В стенках печи имеются одно или два окна для загрузки холодных и выгрузки нагретых заго­товок. Отработанные печные газы отводятся из рабочего пространства в вытяжную трубу через специальные ка­налы – боров или дымоход. Пол, стены и свод печей выполняются из огнеупорных материалов. Необходимую температуру (до 1300 °С и более) в печах получают сжи­ганием газообразного или жидкого топлива либо с помощью электриче­ских нагревателей. По принципу действия печи подразделяются на ка­мерные и методические.

К камерным относят печи, имеющие одинаковую тем­пературу по всему рабочему про­странству. Загрузку и выгрузку заготовок производят по мере не­обходимости. Такие печи обычно имеют одно окно. Нагрев под ковку крупных слитков и заготовок для облегчения их загрузки и выгрузки производят в больших камерных печах с выдвижным подом (рис.23, б), с приводом от электродвигателя или гидроцилиндра. Камерные печи используют в ковочно-штамповочном производстве.

Методические печи , как правило, вытянутые в одном направлении, имеют загрузочное окно, в районе которого устанав­ливается относительно невысокая температура, удлиненную камеру печи, по длине которой темпера­тура повышается, вплоть до ко­нечной, вблизи у окна выгрузки (рис. 23, а). Нагреваемые заго­товки перемещаются с установ­ленной скоростью от загрузочно­го до окна выгрузки. В методиче­ских печах пламенного типа по­ток нагревающих газов направлен навстречу движению заготовок, что способствует их равномерному нагреву.

С целью экономии топлива газы, отходящие из печи, используют для подогрева горючих смесей до 500…900 °С. Это позволяет повысить эффек­тивность работы и экономить до 35% топлива.

Рис.23. Нагревательные печи:

а – методическая печь; 1 – толкатель; 2 – методическая зона; 3 – сварочная зо­на; 4 – торцовые горелки; 5 – роликовый конвейер; 6 – нижние горелки; 7 - ре­куператоры; б – камерная регенеративная печь с выдвижным подом: 1 – под; 2 – слиток; 3 – горелки или форсунки; 4 – каналы для подачи нагретого воздуха или отвода продуктов горения; 5 – песчаный затвор; 6 – шибер для регулирования по­дачи воздуха; 7 – регенератор; 8 – канал для отвода продуктов горения (дымоход); в – карусельная печь с вращающимся по­дом: 1 – под; 2 – цилиндрический выступ; 3 – зона для подогрева; 4 – дымоход; 5 – окно загрузки; 6 - пе­регородка; 7 – окно выдачи; 8 – зона высоких температур; 9 – горелки или форсунки

На рис.2, а показаны методические печи, в которых продвижение слитков и за­готовок осуществляется толкательным механизмом с ме­ханическим или пневматическим приводом, а также на­гревательные колодцы, представляющие собой разновид­ность камерных печей. Крышка колодца выполнена на уровне пола цеха, а слитки устанавливают в них в верти­кальном положении для лучшего обогрева. Методические печи применяют в прокатном производстве.

В ковочно-штамповочном производстве используют ка­мерные, методические и полуметодические печи. Иногда нагрев небольших заготовок из черных или цветных металлов с целью предохранения их от окисления выполняют в гер­метичном муфеле, изготовленном из жаропрочного мате­риала и устанавливаемом в камеру печи, которую назы­вают муфельной печью. В цехах горячей объемной штампов­ки применяют полу- методические печи, которые короче ме­тодических, и печи с вращающимся подом (рис.23, в), пред­ставляющие собой разновидность полуметодических печей.

Рис.24. Схемы электронагревательных установок:

а – для индукционного нагрева: 1 – генератор (преобразователь частоты тока); 2 – индуктор; 3 – нагреваемая заготовка; 4 – батарея конден­саторов; 5 – контактор для включения и выключения установки; б – для нагрева методом сопротивления: 1 – нагреваемая заготовка; 2 – контакты; 3 – вторичная обмотка понижающего трансформатора; 4 – первичная обмотка трансформатора; 5 – контактор для включения и выключения установки

В электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредст­венно в самой заготовке в виде теплоты сопротивления при пропускании через нее большой силы тока (рис.24, б) либо при возбуждении в ней вих­ревых токов в специальных индукционных печах (рис.24, а).

При нагревании заготовки проходящим током основной частью является трансформатор, обеспечивающий необходимую силу тока. Первичная обмотка его обычно секционирована, что позволяет регулировать в необходимых преде­лах силу тока нагрева. Вторичная обмотка состоит чаще всего из одного, редко двух-трех витков. Такая конструкция обеспечивает напряжение на зажимах дета­лей 2…12 В и силу тока до 200…300 тыс. А. Сила тока выбирается исходя из рода материала, сечения нагреваемой заготовки и необходимой скорости нагрева. Установки для контактного нагрева сопротивлениемприменяют для нагрева длинных заготовок постоянного сечения диаметром 15…75 мм.

Основной частью установки для индукционного нагрева (рис.24, а), явля­ются генератор повышенной частоты (50…8000 Гц) и собственно индуктор, вы­полненный в виде многовитковой спирали из медной круглой или прямоуголь­ной трубы. В необходимых случаях индуктор охлаждается проточной водой, подаваемой по внутренней полости. Внутрь спирали помещается корпус камеры,выполненный из огнеупорного диэлектрического материала. Нагреваемые заго­товки помещаются в корпус и перемещаются в нем с помощью толкателя.

По индуктору, подключенному к генератору повышенной частоты, про­текает переменный ток, образующий поле индукции. Вследствие этого в за­готовках, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи, сосредоточенные, в основном, в поверхностных слоях заготовки. Тол­щина нагреваемого слоя зависит от частоты тока; чем она выше, тем более поверхностным и интенсивным будет нагрев. Поэтому для разогрева мас­сивных заготовок иногда применяют промышленную частоту (50 Гц). Глу­бина прогрева в этом случае может достигать 25…30% от толщины заготов­ки. Прогрев по всему сечению, т. е. центральной части заготовки, происходит за счет теплопроводности. За время прохождения заготовки от входа в индуктор до выхода должен быть обеспечен нагрев до необходимой температуры.

А – САР тиску пари на виході з барабану котла; б – САР витрати повітря; в – САР тиску палива; г – САР температури палива; д – САР тиску пари перед форсунками

Ағыстағы газдың температурасын анықтау. Тежелу температурасы. Температураны өлшейтін қабылдағыштар.

Абиотические и биотические факторы, прямое и сигнальное действие абиотических фак-в. Действие температуры на живые орг-мы.

Аварийные переключения, как правило, производятся в ограниченном временном интервале и требуют от персонала четкости, самостоятельности и ответственности при их выполнении.

Адсорбция зависит от концентрации компонентов и температуры.

Анализ распределения судейских оценок для построения шкалы равных интервалов

В выводе необходимо отметить, образуют ли исследуемые вещества химические соединения; температуру плавления и состав эвтектической смеси.

Вероятностные, числовые и интервальная характеристики результатов измерений.

Конечная структура и механические свойства деформированного металла зависят от термомеханического режима горячей штамповки, определяемого наряду с температурой такими факторами, как степень деформации, скорость деформаций, вид напряженного состояния.

Температурный интервал штамповки при этом играет основную роль: максимальная температура нагрева обеспечивает наивысшую пластич­ность обрабатываемого металла, а минимальная температура конца штамповки предотвращает нежелательный рост зерна. Главными фак­торами, определяющими указанный допустимый интервал температур штамповки, являются химический состав сплава и его физические свойства.

Необходимый интервал температур штамповки определяется време­нем, нужным для выполнения данной операции, и лежит в пределах допустимого интервала. Иногда целесообразно снижать верхнюю гра­ницу температурного интервала из-за необходимости уменьшения окалинообразования или обезуглероживания металла.

Температура горячей штамповки находится между температурами плавления и конца рекристаллизации сплава. Вблизи температуры плавления стали находится область температур пережога, связанного с оплавлением и окислением границ зерен. Несколько ниже находится зона температур перегрева, которая характеризуется значительным ростом зерен. Однако крупнозернистая структура большинства марок стали хорошо поддается ковке. При этом зерно измельчается.

Максимальная температура нагрева может находится в области темпе­ратур перегрева, которая начинается при температуре критического роста зерна.

Установление температурного интервала ковки связано с именем Д.К. Чернова (1868 г.), который указывал, что сталь следует ковать при определенных температурах, которые обеспечивают хорошее ка­чество поковок.

Для низкоуглеродистой стали область ковочных температур совпадает с однофазной аустенитной областью и частично распро­страняется на двухфазную область, где свободной структурной составляющей является феррит.

Заэвтектоидные стали штампуют в аустенитной и двухфазной областях со структурно свободным цеметитом. Штамповка среднеуглеродистых сталей должна заканчиваться выше линии АС 3 , что обеспечивает устойчивую мелкозернистую структуру.

Для низкоуглеродистой стали допустима более низкая температу­ра конца штамповки (между АС 3 и АС 1 ) особенно для крупных поковок.

Для заэвтектоидной стали, у которой, структурно свободной фазой является хрупкий цементит, температура конца штамповки должна быть по возможности более низкой, а охлаждение быстрым во избежание образования цементитной сетки. Однако эти рекомендации приемлемы для стали с большим содержанием углерода, у которого вследствие графитизации возможен "черный излом».

Максимальный интервал ковочных температур для низкоуглеродистых сталей достигает 600°, для эвтектоидных сталей - 400 ¼ 450°, для заэвтектоидных сталей – 200 ¼ 300°. Для высоколегированных и жаропрочных сталей он уменьшается до 100 ¼ 150°.

Необходимый интервал может совпасть с допустимым лишь в частном случае при равенстве времени, затрачиваемого на штамповку, и времени остывания заготовки в интервале ковочных температур. Обе эти величины могут в значительной степени изменяться в зависимости от сложности поковки и темпа работы, зависящего от механизации про­цесса и быстроходности оборудования.

контрольная работа

3. Нагрев при штамповке. Температурный интервал и типы нагревательных устройств

Способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации. Для увеличения ковкости, то есть повышения пластичности и снижения сопротивления деформирования, обычно повышают температуру металла.

Температура нагрева для разных металлов различна. Эта температура имеет нижний и верхний пределы, между которыми находится температурный интервал штамповки, то есть область температур, при которых целесообразно проводить горячую штамповку.

Металл поковок хорошего качества получают при определенных температурах. При этом нижний предел определяется температурой фазовых превращений.

Температурный интервал объемной горячей штамповки зависит в основном от химического состава металла и от других свойств, определяемых этим составом. Температурный интервал обусловливается комплексом испытаний.

Для определения оптимального температурного интервала рассматривают изменение механических характеристик в зависимости от температуры.

Реальный металл представляет собой скопление зерен - кристаллов разнообразных размеров, форм и направлений кристаллографических осей. Подобное строение называется поликристаллическим.

Металлы и сплавы в нормальных условиях имеют кристаллическое строение. Горячая деформация поликристалла происходит в том случае, когда металл получает полностью или частично рекристаллизованную структуру. Рекристаллизация снимает упрочнение и исключает искажение форм зерен

Однако при температурах, близких к пережогу, наблюдается большой рост зерна и образование крупнозернистого строения металла - перегрев металла. Из крупнозернистого строения всегда можно получить мелкозернистое. Это приводит к крупнозернистому менее качественному строению металла поковки. Поэтому необходимо устанавливать верхнюю границу температурного интервала штамповки ниже температуры, при которой интенсивно растет зерно.

При температурах выше 1470 градусов и вблизи температуры плавления находится зона хрупкости металла - зона пережога. 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. Штамповка при пережоге не возможна. Таким образом, верхняя граница температурного интервала не должна находиться ниже зоны пережога.

При температурах 750 - 800 градусов сопротивление деформированию остаётся относительно постоянным, а пластичность уменьшается. Это объясняется фазовыми превращениями, происходящими в металле. Наиболее пластичной структурой является структура аустенита. При наличии двухфазной структуры пластичность снижается. Низкоуглеродистые и углеродистые стали при температурах 1100 - 1200 С имеют чисто аустенитную структуру. Исходя из однофазности структуры и повышенной пластичности, температуру 1200 С можно принять за верхний предел температурного интервала деформации для углеродистых сталей. У высокоуглеродистой стали при 1100 С структура двухфазная: аустенит и цементит, последний образует хрупкую сетку по границам зёрен. Для пластичности стали цементитную сетку надо раздробить с тем, чтобы цементит образовал отдельные зёрна в металле поковки. При этом твёрдость и прочность металлов останутся высокими.

Верхний предел температур деформации, для высокоуглеродистой стали, целесообразно принять за 1100 С, а давление должно производится осторожно с учетом того, что пластичность снижена из - за наличия двухфазной структуры.

Нижний предел температур деформации должен находиться выше температур фазовых превращений. При установлении нижнего предела температур штамповки необходимо учитывать массу поковки, наличие или отсутствие последующей термообработки, способ охлаждения и т. д. Так при большой массе поковки и высокой температуре окончания процесса штамповки, поковка остывает медленно, и размельченное деформацией может вновь, вырасти. При малой массе поковки, до 100 кг, температура конца штамповки может быть более высокой, но из - за быстрого охлаждения, зерно не успевает вырасти и остается измельченным.

Штамповка сталей при температурах ниже 723 С приводит к упрочнению. У некоторых металлов и сплавов нет фазовых превращений. В этом случае нижний предел температур определяется именно упрочнением

Данные о температурном интервале штамповки можно найти в соответствующих справочниках.

В цехах горячей объёмной штамповки применяют полуметодические печи и печи с вращающимся подом, представляющие собой разновидность полуметодических печей.

Кроме пламенных печей, для нагрева небольших заготовок из черных и цветных металлов и сплавов применяют электропечи сопротивления. При нагреве в этих печах угар значительно меньше, чем в пламенных. Температура в электропечах поддерживается автоматически в соответствии с заданным режимом.

В электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредственно в заготовке. Широкое распространение в промышленности нашли установки для индукционного нагрева и контактного нагрева сопротивлением. В электронагревательных устройствах скорость нагрева заготовок в 8 - 10раз больше, а угар металла в 4 - 5раз меньше, чем при печном нагреве. Практическое отсутствие окалины на заготовке уменьшает износ штампов и позволяет штамповать точные поковки. Эти установки в ряде случаев наиболее выгодно применять для нагрева заготовок под горячую объемную штамповку. Электронагрев улучшает санитарно - гигиенические условия труда благодаря отсутствию излучения и газообразования.

Установка для индукционного нагрева имеет индуктор в виде витков медной трубки, по которой циркулирует вода для охлаждения и генератор для получения токов высокой или промышленной частоты. При пропускании переменного тока через индуктор вокруг его витков возникает переменное поле индукции. При установке в индуктор заготовки, в последней, возбуждаются вихревые токи разогревающие ее.

Форма и размеры заготовок влияют на нагрев: чем меньше длина, тем быстрее нагрев. При длине заготовки большей трем диаметрам заготовки на скорость нагрева дальнейшее изменение длины не влияет.

Чем больше нагреваемая поверхность заготовки, тем больше теплоты перейдет в заготовку и тем быстрее протекает нагрев. Чем больше размеры заготовки, тем больше время нагрева вследствие того, что площадь поверхности, приходящаяся на единицу объёма нагреваемой заготовки, будет меньше.

Теплопроводность, теплоемкость и плотность заготовки влияют на нагрев.

Чем больше теплопроводность, тем быстрее отводится теплота с поверхности и передается внутрь заготовки. Чем меньше теплопроводность, тем больше температурный градиент в различных сечениях заготовки.

Чем больше теплоемкость, тем больше времени нагрева. Теплоемкость в зависимости от температуры изменяется незначительно.

Чем больше плотность заготовки, тем больше требуется теплоты для нагрева единицы объема. При нагреве возникают термические структуры напряжения, которые могут разрушить металл. Если металл достаточно пластичен, то в местах наибольших термических напряжений происходит пластическая деформация без его разрушения.

Чем выше пластичность металла, тем больше скорость нагрева. Пластичные металлы и сплавы можно нагревать быстро даже при низкой теплопроводности и большого температурного градиента. Пластичность стали увеличивается по мере нагрева при температурах свыше 600 - 700 С ее можно нагревать с большой скоростью.

горячая объемная штамповка

Автоматизация кузнечнопрессового участка

Более детально рассмотрим систему управления зоной нагревательных печей, где производится нагрев слитков по заданному режиму (рис. 3). Температура в печи замеряется тремя датчиками, расположенными в разных местах...

Горячая штамповка металла

Особенности штамповки на прессах Современные кузнечные цеха имеют большое количество кривошипных горячештамповочных прессов. Это связано с рядом преимуществ по сравнению со штамповкой на молотах...

Загрузочные устройства, параметры режима загрузки. Их влияние на технико-экономические показатели доменной печи

В мировой практике наиболее распространены модификации таких загрузочных устройств (ЗУ), как конусное загрузочное устройство...

Приводы средств механизации

Для автоматизации производства необходим расчет цикла. Исходный материал для проектирования систем управления и блокировки - цикловая диаграмма (ЦД)...

Расчет и проектирование электрической конвейерной печи

Принимаем сталь 30 Qт=Gc (t2-t1), где с=0,212Втч/кгєС G - вес вспомогательного устройства V=LBU, где U - толщина U=0,02м=20 мм V=0,3550,02=0,01м3 G=78500,02=78,5кг Qт=78,50,212 (830-400) =7...

Средние за интервал температуры вычисляются путем среднего арифметического между начальной температурой интервала и конечной равны (см. ): Парциальные давления излучающих компонентов продуктов сгорания равны (см. ): (кПа)...

Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной верхней горелкой.

Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. ): Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча (см. ) равны: (кПа м); (кПа м). По номограммам (см...

Расчет рекуперативного нагревательного колодца с одной верхней горелкой.

Средние за интервал температуры продуктов сгорания и поверхностей металла и кладки равны (см. ): Произведения парциальных давлений на эффективную длину луча (см. ) равны: По номограммам (см...

Слиток с жидкой сердцевиной

Нагрев 8,5-тонным слитков. При температуре посада слитков от 900 до 930С устанавливается продолжительность первого периода нагрева с ограниченной подачей топлива согласно таблицы 1. Таблица.1. Температура поверхности слитков при посаде...

Специальные методы штамповки

В результате применения магнитно-импульсной обработки представляется возможной штамповка листовых и трубчатых заготовок толщиной до 5 мм. Размеры заготовок (диаметр, обрабатываемая площадь) обуславливаются запасом энергии установки...

Специальные методы штамповки

Существует три основных направления повышения КПД штамповки: использование энергии отраженной волны, замыкание взрывной системы и метание передающей среда, совмещение нескольких операций на одном переходе...

Технологический процесс производства профилей для нужд строительной промышленности из сплавов на основе алюминия

При прессовании профилей из алюминиевых сплавов рациональный температурный интервал прессования должен обеспечить: высокую пластичность металла...

Технология Computer-to-Plate

В настоящее время по технологии CTP изготовляют формы офсетной, высокой, флексографской и глубокой печати...

Технология обработки материалов давлением

К основным методам нагрева металла при обработке его давлением относятся: 1) радиационный; 2) конвекционный; 3) индукционный; 4) контактный (электросопротивлением); 5) в расплавленных солях (в электролите); б) электронно-лучевой...

Холодная штамповка метизов

Металл, предназначенный для штамповки, должен иметь чистую и блестящую поверхность, свободную от окалины, жировых и других загрязнений, и содержать прочно удерживаемую на поверхности технологическую смазку...

Температурный интервал кипения (интервал перегонки)- это скорректированный интервал температур, в котором перегоняется все вещество или его определенная часть при нормальном атмосферном давлении, если определение проводят описанным ниже методом.

Подходящий прибор для определения состоит из перегонной колбы, холодильника, приемника, источника тепла с защитным экраном и термометра.

Перегонная колба емкостью 50-60 мл должна быть выполнена из термоустойчивого стекла. Удобны колбы следующих размеров: горло 10-12 см длиной и внутренним диаметром 14-16 мм; боковой отвод длиной 10-12 см и внутренним диаметром около 5 мм находится посредине горловины колбы и образует угол 70-75° с нижней частью горла.

Холодильник представляет собой прямой стеклянный холодильник из термоустойчивого стекла, длиной 55-60 см, с водяной рубашкой длиной около 40 см или холодильник

другой системы с такой же охлаждающей способностью. Нижний конец холодильника может быть изогнут, чтобы служить выходной трубкой, или к холодильнику для этой цели может быть присоединен изогнутый наконечник.

Приемник представляет собой мерный цилиндр емкостью 25-50 мл с делением шкалы 0,5 мл.

Источник тепла состоит из небольшой газовой горелки, предпочтительно горелки Бунзена, или электрического нагревателя, обеспечивающих такое регулирование нагрева, которое достигается с помощью газовой горелки. Если используют газовую горелку, основание колбы закрывают асбестовым экраном. Экран делают из листа асбеста толщиной 5-7 мм в форме квадрата со стороной 14-16 см и отверстием в центре. Диаметр последнего должен быть таким, чтобы часть вставленной в него колбы ниже верхней поверхности асбестового листа имела емкость 3-4 мл.

Желательно, чтобы термометр был откалиброван на частичное погружение на 100 мм, как описано в разделе А для определения температуры плавления и температурного интервала плавления измельчаемых веществ; в противном случае можно использовать термометр, откалиброванный на полное погружение, с соответствующей поправкой на выступающий столбик. После установления термометра столбик должен располагаться в центре горла колбы, а вершина шарика должна находиться непосредственно под основанием выхода бокового отвода.

Еще по теме Д. Определение температурного интервала кипения (интервала перегонки):

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА ПЛАВЛЕНИЯ, ТОЧКИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ, ТОЧКИ КИПЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА КИПЕНИЯ

НАГРЕВ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Металлы и сплавы перед обработкой давлением нагревают до определенной температуры для повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформации .

Эту температуру назы­вают температурой начала горячей обработки давлением .

Однако в процессе обработки температура металла понижается. Минималь­ную температуру, при которой можно производить обработку, на­зывают температурой окончания обработки давлением .

Область температур между началом и окончанием обработки, в которой металл или сплав обладает наилучшей пластичностью, наимень­шей склонностью к росту зерна и минимальным сопротивлением деформации, называют температурным интервалом горячей обра­ботки давлением .

Различают

оптимальный (допустимый)

и технологически необ­ходимый интервалы температур ковки, штамповки.

Оптимальный интервал определяется разностью температур начала и конца ков­ки, но точно установить эти температуры можно лишь на основа­нии конкретных данных, касающихся металла (с металлургичес­кой, металловедческой и эксплуатационной точек зрения). Поэто­му обычно указывают ориентировочные температуры, которые за­тем уточняют. Главный фактор, определяющий эти температуры, - химический состав сплава и определяемые им свойства.

Температурный интервал обработки давлением выбирают с учетом диаграммы состояния сплавов. Сталь следует деформиро­вать в определенном интервале температур, расположенном на диаграмме выше точки Аз и ниже температуры начала плавления. В общем случае температуру начала обработки принимают на

150...200°С ниже линии солидуса, а конца обработки - на 25…50 °С выше точки А3 (для доэвтектоидных сталей) или точки А 1 (для заэвтектоидных сталей).

Из диаграммы железо-углерод вид­но (рис. 22.1), что с увеличением количества углерода в стали тем­пературный интервал обработки сужается (заштрихованная об­ласть). При этом особенно резко снижается температура начала обработки.

При нагреве металлов и сплавов выше температуры начала го­рячей обработки начинается интенсивный рост зерна аустенита.

Структура становится крупнозернистой , и происходит понижение ее пластических свойств. Это явление называется перегревом . Его считают дефектом, который в большинстве случаев можно устра­нить отжигом или нормализацией. Однако для некоторых сталей (например, хромоникелевых) исправление перегретого металла сопряжено со значительными трудностями и простой отжиг ока­зывается недостаточным.

При дальнейшем повышении температуры нагрева происходит расплавление легкоплавких составляющих зерен , расположенных по границам. Кроме того, окисление границ зерен кислородом, содержащимся в рабочем пространстве печи, ведет к образованию между зернами хрупкой оксидной пленки и вызывает явление, на­зываемое пережогом и сопровождающееся полной потерей плас­тичности. Пережог - неисправимый брак.

Нагрев заготовок до больших температур сопровождается и другими вредными явлениями. Металл нагреваемой заготовки, со­прикасаясь и химически взаимодействуя с печными газами, со­держащими кислород (водяной пар и диоксид углерода), окисля­ется и обезуглероживается . При этом на поверхности металла об­разуется окалина , состоящая из оксидов железа. Угар металла при нагреве в пламенных печах достигает 3 %.

Кроме печных газов на количество образующейся окалины влияют

температура нагрева,

химический состав металла заготовки и

отношение ее поверхнос­ти к объему.

Например, при 1300 °С скорость окисления стальной заготовки в семь раз выше, чем при 850...900°С. С повышением отношения поверхности заготовки к ее объему количество окали­ны возрастает. С увеличением содержания углерода в стали коли­чество окалины при нагреве уменьшается. Уменьшают окалинообразование и некоторые химические элементы - алюминий, хром, кремний.

Окалина имеет большую твердость , чем разогретый металл, по­этому износ инструмента возрастает почти в два раза. Окалина ухудшает качество поверхности; толщина ее достигает 1,5...2 мм, что заставляет увеличивать припуски на последующую механичес­кую обработку. Одновременно с окалинообразованием происхо­дит обезуглероживание металла - выгорание углерода с поверхно­сти заготовки . Обезуглероженный слой металла необходимо пол­ностью удалять при обработке резанием.

Иногда технологи снижают верхнюю границу температурного интервала ковки из-за необходимости уменьшить чрезмерное окалинообразование или обезуглероживание металла. Это снижение более значительно для крупных заготовок, поскольку при их на­греве требуется большое время выдержки в печи.

При ковке литого металла (слитков ) температура начала ковки может быть несколько повышена .

Применение ускоренного ре­жима нагрева также позволяет повысить верхний предел темпе­ратурного интервала , но во всех случаях металл должен выдер­живать предусмотренные технологическим процессом деформа­ции без трещинообразования. Если в начале ковки требуются небольшие деформации, то их можно осуществить при темпе­ратурах, более высоких, чем при ковке с большими деформаци­ями.

Нижнюю границу температур ковки , штамповки уточнить бо­лее сложно. Здесь необходимо учитывать не только состав стали (заэвтектоидная или доэвтектоидная), но и объем поковки, каче­ство требуемого металла, наличие или отсутствие термообработки поковки, способ их охлаждения (в том числе и с использованием ковочной теплоты для термообработки и т. п.).

При установлении ковочных температур важно учитывать тре­бования, предъявляемые к механическим свойствам металла с уче­том характера эксплуатации детали.

Если для данной детали предусмотрена термическая обработка, например закалка с отпуском, то правильно выбранная температу­ра конца ковки, штамповки (выше точки А r 3 для среднеуглеродис­той стали) позволяет использовать ковочную теплоту для последующей термической обработки. Если термическая обра­ботка не предусмотрена, то нижний предел интервала ковочных температур ограничивается условиями получения мелкого зерна. Для небольших поковок (массой до 1000 кг) температура конца ковки, штамповки может быть высокой (на 200...300 °С выше точ­ки А r 3) или низкой (вблизи этой точки). Несмотря на то, что при высокой температуре конца ковки или штамповки зерно будет крупным, можно в результате быстрого охлаждения получить тон­кое строение структуры сплава и соответствующие этому механи­ческие свойства. Высокая температура конца обработки способ­ствует улучшению технико-экономических показателей производ­ства (росту производительности, уменьшению расхода энергии). Необходимо подбирать такое соотношение температуры и после­дних деформаций, которое обеспечивало бы оптимальную струк­туру. При этом следует иметь в виду, что сталь, подвергнутая де­формации в интервале критических значений деформации (4...10%), после рекристаллизации будет иметь нежелательную крупнозернистую структуру.

Желательно, чтобы в температурном интервале обработки дав­лением металл находился в однофазном состоянии. В двух- или многофазном состоянии при низкой пластичности одной из фаз возможно разрушение металла. Исключение представляют доэвтектоидные стали, которые при температурах двухфазного состоя­ния между линиями GS и PS (см. рис. 22.1) обладают достаточной пластичностью. Эта пластичность характерна и для заэвтектоидных сталей при температурах выше 750 °С, при которых между ли­ниями ES и SK фиксируется двухфазная структура аустенит + вто­ричный цементит. Цементит располагается в виде сетки по грани­цам зерен и снижает пластичность стали. Однако после разруше­ния этой сетки обработкой давлением пластичность стали восста­навливается.

Ковка, штамповка среднеуглеродистой стали оканчивается выше точки А r 3 , что обеспечивает устойчивую мелкозернистую структуру стали. Для низкоуглеродистой стали (до 0,3% С) допус­тима более низкая температурная область конца ковки, штампов­ки (в промежутке между точками А r 3 и А r 1), особенно для крупных поковок. При этом окончательный размер зерен меньше, чем при завершении ковки при температуре выше точки А r 3 Для заэвтектоидной стали, у которой структурно-свободной фазой является хрупкий цементит, температура конца ковки, штамповки должна быть по возможности более низкой, а охлаждение поковок - быстрым во избежание образования цементитной сетки при высо­кой температуре в конце обработки. Для разрушения цементитной сетки следует оканчивать ковку, штамповку в интервале темпера­тур критических точек А rm -А ri . В этом случае перед отжигом стали на зернистый перлит нет необходимости проводить нормализа­цию, а для отжига можно использовать ковочную теплоту. Окон­чание ковки и штамповки заэвтектоидной стали как можно ближе к точке А r 1 неприемлемо для стали с большим содержанием угле­рода, у которой вследствие графитизации может образоваться та­кой брак, как «черный излом».

В цеховых условиях интервал ковочных температур иногда уточняют исходя из субъективных причин. Конец штамповки кор­ректируют исходя из стойкости инструмента. Разогретые штампы быстро «садятся» при штамповке остывающей заготовки вслед­ствие значительного увеличения сопротивления деформации. Иногда повышение температуры штамповки вызывается недоста­точной мощностью используемого оборудования.

Как видно из графика на рисунке 22.1, максимальный интервал ковочных температур для низкоуглеродистой стали составляет -500 °С, для эвтектоидной стали - 400...450 °С, заэвтектоидной - 200...300 °С. Для высоколегированной стали этот интервал темпе­ратур еще меньше. Например, для жаропрочной стали он состав­ляет 100... 150 °С.

Интервал ковочных температур обычно уточняют в процессе следующих лабораторных исследований:

определяют пла­стичность стали при осадке до появления первой трещины в пре­делах ориентировочного интервала ковочных температур;

строят кривую изменения ударной вязкости в том же температурном ин­тервале;

определяют сопротивления деформации при температу­рах ориентировочного конца ковки, штамповки;

строят график рекристаллизации металла после обработки с различной степенью деформации.

Фактически используемый интервал ковочных температур мо­жет точно совпасть с оптимальным интервалом лишь в частном случае при равенстве времени t K , затрачиваемого на ковку, штам­повку, и времени t 0 остывания стали в интервале ковочных темпе­ратур при данных условиях обработки. Обе эти величины могут значительно изменяться в зависимости от сложности поковки и темпа работы, зависящего от степени механизации процесса и быстроходности оборудования. Если t K < t 0 , что часто встречается при штамповке, то допустимый интервал температур не исполь­зуется и технологу следует решить вопрос, за счет какой из тем­ператур сократить этот интервал. Высокий нагрев металла без достаточной его проковки не обеспечивает необходимого каче­ства металла даже за счет регулирования скорости охлаждения, поэтому в подобных случаях, чтобы избежать дополнительной термической обработки, приходится сокращать интервал темпе­ратур за счет снижения верхнего порога температуры процесса. Если t K > t 0 , то ковку осуществляют в два или большее число при­емов.

Температурные интервалы для ковки и штамповки различных легированных сталей и сплавов указаны в специальной литературе и справочниках.