2.2. Нагрев металла перед обработкой давлением

Металл нагревают перед обработкой давлением в нагревательных печах или в электронагревательных устройствах. Наиболее распространены камерные печи (рис. 2.4), в которых рабочее пространство печи нагревается путем передачи тепла конвекцией и излучением из окружающего пространства нагревательной камеры до необходимой и контролируемой температуры сжиганием газообразного или жидкого топлива (мазута).

Максимальную температуру нагрева заготовок под обработку давлением назначают такой, чтобы снизить механические характеристики до требуемого уровня, но избежать при этом пережога и перегрева.

Рис. 2.4. Камерная нагревательная печь

1 – под, 2 – заготовки, 3 – горелки, 4 – окно загрузки-выгрузки

заготовок

Рациональные температуры нагрева различных материалов определяются на основании опытных или теоретических данных с учетом диаграмм состояния сплавов (табл. 2.1.).

Таблица 2.1

Рациональные температуры нагрева различных сплавов

под обработку давлением

Материал	Диапазон рациональных температур, С
Алюминиевый сплав АК4	470–350
Медный сплав БрАЖМц	900–750
Титановый сплав ВТ8	1100–900
Сталь 45	1200–750
Сталь У10	1100–850

Пережог металла может произойти при температурах, близких к температуре плавления. Он проявляется в окислении границ между зернами и появлении хрупкой пленки, вызывающей потерю пластичности. Пережог не подлежит исправлению, такой металл отправляется в переплавку. Перегрев металла происходит при несколько более низких температурах, чем пережог. Перегрев проявляется в чрезмерном росте размеров аустенитных зерен при первичной кристаллизации и как следствие в крупнозернистой вторичной кристаллизации (феррит и перлит или перлит и цементит). Это приводит к снижению механических характеристик. Последствия перегрева в большинстве случаев удается устранить с помощью термообработки, однако это сопряжено со значительными трудностями и дополнительными затратами.

Нагрев заготовок в нагревательных печах происходит медленнее, чем в электронагревательных устройствах. Этот способ менее производителен, экологически менее чист, однако он с большей надежностью позволяет избежать перегрева и пережога. Это связано с тем, что внутри рабочего пространства печи устанавливается требуемая максимальная контролируемая и регулируемая температура, которая не может быть превышена. Время нагрева заготовки может быть приближенно оценено с помощью известного решения о количестве тепла, поступающего в стержень, торец которого находится при постоянной температуре. Существуют и другие, более точные теоретические решения, учитывающие конечные размеры и форму заготовок, однако для качественного анализа ограничимся упомянутым более простым решением.

При большом времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, в результате чего образуется окалина – слой, состоящий из оксидов железа: Fe₂О₃, Fe₃O₄, FeO. Кроме того, происходит обезуглероживание поверхностного слоя металла. Толщина обезуглероженного слоя в отдельных случаях достигает 1,5 – 2 мм. Для уменьшения окисления заготовки нагрев следует производить в нейтральной или восстановительной атмосфере.

Определим количество тепла Q , поступившего через торец стержня площадью F при его нагреве:

. (2.7)

Общее количество теплоты, которое должно быть сообщено заготовке соответствует

. (2.8)

Приравнивая количество тепла Q требуемому Q^*, найдем время нагрева.

Из приведенных примеров видно, что увеличение размеров заготовки существенно влияет на время ее нагрева. Если для нагрева заготовки под штамповку весом 7,8 кг до температуры 1200 С потребовалось около 5 минут, то для нагрева слитка весом 7,8 т, предназначенного для обжима на блюминге, – 8,5 часа (рис. 2.5).

а)

б)

Рис. 2.5. Оценка времени нагрева заготовок из стали 45