Режим нагрева заготовок и охлаждения поковок

Нагрев заготовок для ковки и штамповки следует осуществлять с технологически возможно большей скоростью, за возможно меньший промежуток времени. Это снижает рост зерна нагреваемого металла; уменьшает потери металла на окалину (угар) на поверхности нагреваемых заготовок под воздействием кислорода атмосферы; снижает расход топлива; уменьшает трудоемкость металлообработки; увеличивает производительность труда; повышает рентабельность нагрева.

Вместе с тем, при больших скоростях пламенного нагрева заготовок, из-за значительного температурного градиента (перепада температуры) между периферийными и срединными частями нагреваемого металла возникают термические напряжения, являющиеся причиной появления микро- и макротрещин. Поэтому наряду с технически возможной скоростью обязательно следует учитывать и допустимую скорость нагрева заготовок.

В пламенных печах, где нагрев заготовок осуществляется с их поверхности, технически возможная скорость нагрева зависит, в основном, от теплоотдачи, то есть от ее начальной температуры. Причем, температурный напор (разность между температурой печи и температурой заготовки) является основным фактором, с помощью которого можно регулировать скорость нагрева металла.

При данном температурном напоре допустимая скорость нагрева будет тем меньше, чем меньше температуропроводность нагреваемого металла, чем больше поперечное сечение заготовки и чем меньше отношение облучаемой поверхности

к объему заготовки. Стали с большим содержанием углерода и легирующих компонентов имеют меньшую температуропроводность и при этом нагревать их надо медленнее.

При различной форме поперечного сечения заготовок (круглой, квадратной и др.) и различной их укладке на поду печи, облучаемая поверхность будет разной и, следовательно, разным будет и время нагрева.

Вместе с тем, следует учитывать то, что при повышенной температуре (Т>800°С) металл становится более пластичным и опасность возникновения термических трещин снижается. Поэтому допускаемая скорость нагрева учитывается, обычно, только в начальной стадии нагрева металла.

В специальной технической литературе [5] имеется ряд рекомендаций для определения продолжительности времени нагрева различных заготовок. Обычно это развернутые табличные данные, в которых в зависимости от материала и размеров исходных заготовок, их укладки в печи и температуры печного пространства указано время (в минутах) продолжительности нагрева металла до ковочной температуры.

Время нагрева заготовок в методических или полуметодических печах может быть определено расчетным путем с достаточной для практики точностью и по формуле, предложенной Ю.М.Чижиковым [5]:

t = K·d,

где t – время нагрева в часах; d – диаметр заготовки в см; K =0,1–0,4 – коэффициент, меньшее значение которого приемлемо для малоуглеродистых, а большее значение – для высоколегированных сталей. Эта формула дает хорошие результаты для заготовок диаметром менее 300–350мм.

Время нагрева заготовок в камерных печах в интервале температур 20–1200°С может быть рассчитано по формуле, предложенной Н.Н. Доброхотовым [9]:

,

где t – время нагрева в часах; a – коэффициент учета формы заготовки и ее укладки на поду печи; K =10–20 – коэффициент, учитывающий содержание в нагреваемом металле углерода и легирующих элементов; d – диаметр заготовки в метрах.

При выборе коэффициента a его назначают из интервалов значений a=1–2 или a=1–4 соответственно для заготовок с круглым или квадратным поперечным сечением. При этом меньшие значения a принимают в случае загрузки печи еди

ничными заготовками, а большие значения – при загрузке печи партией заготовок «навалом».

При выборе коэффициента К его меньшие значения принимают для малоуглеродистых сталей, а большие значения – для высоколегированных сталей.

С учетом допустимой скорости нагрева металла, продолжительность первой стадии нагрева в интервале температур 20–800°С обычно составляет 2/3 всего времени нагрева. Продолжительность второй стадии нагрева в интервале температур 800–1200°С с учетом выдержки металла при конечной температуре составляет 1/3 всего времени нагрева.

Все сказанное выше относится к нагреву заготовок в пламенных печах. Что же касается электронагрева (индукционного, нагрева сопротивлением), когда нагрев заготовки осуществляется не теплопередачей с ее поверхности вглубь, а происходит одновременно по всему поперечному сечению металла, то тогда скорость нагрева увеличивается в 7–20 раз.

Температурный фактор оказывает существенное влияние на качество металла поковки не только в момент нагрева заготовки для последующей обработки давлением, но также и в момент охлаждения поковки после ее ковки или штамповки. При этом под воздействием атмосферы поверхность поковки остывает более интенсивно, чем ее внутренние слои. В результате в периферийных слоях поковки возникают растягивающие напряжения, а внутренние ее слои испытывают напряжения сжатия. Эта неравномерность напряженного состояния по поперечному сечению изделия может привести к возникновению поверхностных и внутренних микро- и макротрещин. Вероятность их образования тем больше, чем интенсивнее охлаждение поковки. Поэтому охлаждение металла нужно выполнять в режиме, обеспечивающем возможно большую равномерность остывания по поперечному сечению поковки.

Режимы охлаждения поковок (на воздухе, в штабелях, в термосах или в колодцах, вместе с печью) следует назначать, в зависимости от марки стали (низко-, средне- и высокоуглеродистые; мало-, средне- и высоколегированные) и размеров поперечного сечения изделий с учетом практических рекомендаций таблицы 6.2. При охлаждении на воздухе (на спокойном воздухе, но не сквозняке) поковки размещают на полу цеха в индивидуальном порядке (вразброс). Земляной (глинобитный) пол, на котором происходит охлаждение поковок, должен быть сухим. Металлический пол цеха (уложенный металлическими плитами) может вызвать быстрый отвод тепла от наружных слоев поковок.

Таблица 6.2

Рекомендуемые режимы охлаждения поковок

Вид сталей	Размеры поковок в поперечном сечении, мм
до 100	св. 100 до 200	св. 200
Низкоуглеродистые	на воздухе
Среднеуглеродистые и малолегированные	на воздухе	в штабелях	в колодцах
Высокоуглеродистые и среднелегированные	в штабелях	в колодцах	вместе с печью
высоколегированные	вместе с печью

При охлаждении на полу следует предотвращать возможность возникновения сквозняка, вызывающего местные интенсивные охлаждения поковок. Вреден сквозняк также при охлаждении поковок, имеющих значительное отношение длины к диаметру, или при охлаждении поковок с переменным сечением. В этих случаях из-за неравномерности охлаждения поковку может «повести» (искривится ее осевая линия).

При охлаждении в штабелях поковки укладывают в кучи (штабели) навалом и также охлаждают на воздухе.

Мелкие поковки охлаждают в металлическом ящике (футерованном огнеупорным кирпичом) на подстилке из песка, асбестовой ваты или шлака. Если ящик не футерован, то его сверху закрывают крышкой из асбестовых листов и засыпают слоем песка или шлака.

Крупные поковки, требующие медленного охлаждения, помещают в колодцы (ямы). Каждую поковку в колодцах также засыпают песком или шлаком, а заполненный колодец закрывают металлическими листами и присыпают песком или шлаком.

Охлаждение вместе с печью дает возможность активно регулировать скорость охлаждающего процесса. При этом в печь, нагретую до температуры около 700°С, помещают партию поковок и выдерживают их до выравнивания температуры всей садки. После чего начинают охлаждение поковок вместе с печью либо по специальному ступенчатому графику, либо произвольно по мере естественного остывания печи.