• Image 01
  • Image 02
  • Image 03
  • Image 04
  • Image 05
  • Image 06
Уважаемые покупатели! ВНИМАНИЕ: ООО "Ейский металл" дилеров и представительств не имеет! Все цены на представленную продукцию актуальны.

Режим нагрева заготовок

нагрев заготовок 1
нагрев заготовок 2
нагрев заготовок 3

В процессе нагрева металла необходимо обеспечить достижение температуры начала ковки, равномерный прогрев заготовок, минимальное обезуглероживание и окисление поверхности, сохранение целостности заготовки.

Качество нагрева заготовок определяется режимом нагрева, характеризуемым рядом факторов, таких, как температура в нагревательной печи во время загрузки заготовок, скорость нагрева, температура металла перед ковкой и время выдержки при этой температуре, продолжительность нагрева.

Температура печи в момент загрузки холодных заготовок зависит от марки стали, размеров поперечного сечения и формы заготовок. Заготовки с диаметром поперечного сечения или стороной квадрата менее 100 мм из углеродистых конструкционных сталей обычно сажают в печь с температурой в рабочей камере 1200 — 1300° С холодными. Нагрев высокоуглеродистых и высоколегированных сталей производят по ступенчатому режиму. Эти стали обладают низкой теплопроводностью и при высокой скорости нагрева в них могут образоваться трещины. Наиболее вероятно образование трещин в таких сталях при нагреве до температуры 500 — 700° С, так как при высокой скорости нагрева и низкой теплопроводности наружные слои металла имеют более высокую температуру, чем внутренние. В результате наружные слои оказываются сжатыми, а внутренние — растянутыми. Возникшие термические напряжения при еще недостаточной пластичности металла приводят к образованию трещин. Чтобы на заготовках из высокоуглеродистых и легированных сталей не образовывались трещины, их загружают в печь с температурой рабочего пространства не выше 500° С и выдерживают при этой температуре определенное время, которое зависит от размера поперечного сечения и формы заготовки. После прогрева заготовки по всему объему проводят дальнейший нагрев до ковочной температуры.

Скорость нагрева заготовок представляет собой величину возрастания температуры металла заготовки в единицу времени. На величину скорости нагрева оказывают влияние теплопроводность и теплоемкость стали, сечение и форма заготовки, расположение заготовок на поду печи и разность температур печи и заготовки.

Нагрев заготовок происходит излучением и конвекцией. При излучении передача тепловой энергии заготовке происходит посредством электромагнитных волн от продуктов горения топлива и внутренней поверхности рабочей камеры печи. При конвекции передача теплоты происходит частицами нагретого газа. В пламенных печах нагрев заготовок начинается с их поверхности путем проникновения теплоты внутрь заготовки, которое в свою очередь зависит от теплопроводности металла. Поэтому при прочих равных условиях скорость нагрева заготовки тем выше, чем выше теплопроводность металла.
Чистые металлы имеют более высокую теплопроводность, чем сплавы. Высокоуглеродистая сталь почти в 1,5 раза менее теплопроводна, чем низкоуглеродистая.
Чем меньше теплоемкость металла, тем меньше требуется теплоты для нагрева его до заданной температуры. Скорость нагрева заготовки, изготовленной из металла с меньшей теплоемкостью, выше по сравнению со скоростью нагрева заготовки из металла с большей теплоемкостью.

Форма заготовок оказывает влияние на скорость нагрева, так как при равных объемах заготовки различной формы имеют различную площадь поверхности, через которую заготовке передается теплота. Например, при равных объемах заготовка круглого сечения нагревается быстрее, чем прямоугольного или квадратного.

Скорость нагрева зависит от расположения заготовок на поду печи. Так, если заготовка прямоугольного сечения расположена одна на поду печи, то теплота воспринимается всей поверхностью заготовки; если заготовки уложены плотно одна к другой, то поверхность каждой отдельной заготовки, воспринимающая теплоту, уменьшается, и скорость нагрева снижается. Влияние расположения заготовок на поду печи на скорость нагрева учитывают с помощью поправочных коэффициентов, значения которых указаны на рис. 1.

Рис. 1. Значения поправочных коэффициентов в зависимости от расположения заготовок на поду печи.

Скорость нагрева металла также зависит от разности температур печи и заготовки. Чем выше разность температур или так называемый температурный напор, тем быстрее при прочих равных условиях нагревается заготовка.

Нагрев металла необходимо проводить с наибольшей скоростью. При этом происходит меньший рост зерна, снижаются потери металла в окалину и выгорание углерода на поверхности стальных заготовок, уменьшается глубина обезуглероженного слоя.
Однако в связи с возникновением при нагреве термических напряжений скорость нагрева металла необходимо ограничивать определенной допустимой скоростью, превышение которой приводит к образованию трещин в нагреваемой заготовке. Допустимая скорость нагрева зависит от пластичности и теплопроводности металла, размеров сечения, структуры металла заготовки и других факторов.
Понятие о допустимой скорости нагрева относится к заготовкам большого сечения и к первоначальному периоду нагрева до 500 — 700 °С. Скорость нагрева заготовок небольшого поперечного сечения (80 — 100 мм) из достаточно пластичных сталей, как правило, не ограничивают.

Продолжительность нагрева заготовок зависит от химического состава стали, размера заготовки и скорости нагрева. Ориентировочно продолжительность нагрева можно определить по следующей формуле:

T = akD√D


где Т — продолжительность нагрева, ч; а — коэффициент, учитывающий расположение заготовок на поду печи (значения а приведены на рис.1); k — коэффициент, зависящий от химического состава стали (для углеродистой стали k = 10, для легированной k = 20); D — диаметр или сторона квадрата нагреваемой заготовки, м.

При нагреве заготовок из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей могут появляться трещины, поэтому общую продолжительность нагрева делят на два периода. В первый период заготовку нагревают более медленно до температуры 650° С. Продолжительность первого периода можно определить по формуле Т1= 13,3* aD√D, продолжительность второго периода — по формуле Т2 = 6,7 aD√D, где Т1 и Т2 — продолжительность первого и второго периодов, ч.

Практически продолжительность нагрева мелких заготовок меньше времени, рассчитанного по этим формулам. В пламенных печах для скоростного нагрева продолжительность нагрева заготовок сокращают в четыре — шесть раз.

Продолжительность нагрева заготовок определяют по таблицам, составленным на основании опытных данных. В качестве примера в табл. 1 приведена продолжительность нагрева катаных заготовок из углеродистых конструкционных сталей диаметром до 100 мм.
Продолжительность нагрева высоколегированных сталей следует увеличивать в 1,5 — 2 раза по сравнению с табличными данными, углеродистой инструментальной стали — в 1,25 — 1,5 раза.

От выбора режима нагрева зависят качество поковок, расход топлива, производительность труда кузнецов и эффективность использования оборудования и инструмента. При правильно назначенном режиме нагрева получают поковки с мелкозернистой структурой, имеющие высокие механические свойства. Ошибочные режимы нагрева могут приводить к образованию трещин в металле как в процессе нагрева, так и в процессе ковки.

Диаметр d или сторона квадрата а, мм Профиль заготовки
круглый квадратный
Расположение заготовок на полу печи
Одиночное d На расстоянии d На расстоянии 0,5d вплотную Одиночное d На расстоянии d На расстоянии 0,5d вплотную
10 2 2 3 4 2,5 3,5 4,5 8
20 3 3,5 5 7 4,5 6 8 13
30 5 5,5 7 10 6 8,5 11 19
40 6,5 8 9,5 13 8 11 14 24
50 8 9,5 12 16 10,5 14,5 17,5 32
60 10 11,5 14 19,5 12,5 17,5 21 38
70 12 13,5 16,5 22,5 14,5 20,5 25 44
80 14 15,5 19,5 26 17 23,5 28,5 52
90 16 18 23 31 19,5 27 33,5 62
100 18 21,5 27 36 23 32,5 40 72
110 20 24 27 40 26 36,5 41 80
120 22,5 27 30 45 29,5 41,5 48 90
140 27,5 33 36,5 55 36 50,5 58 110
160 33 39,5 44 66 43 60 69 132
180 39,5 47,5 52 79 51,5 72 81 158
200 46 55 61 92 60 84 96 184
Таблица 1. Время нагрева, мин, до 1200 °С холодных заготовок из конструкционных углеродистых и среднелегированных сталей при температуре печи 1300 °С.

Чтобы закончить ковку при температуре конца ковки, необходимо знать время охлаждения метала и за это время выполнить все кузнечные операции. Скорость охлаждения на воздухе стальных заготовок приведена в таблице 2.

Температура заготовки, °С Диаметр заготовки, мм
70 80 100 120
900 - 800 16,7 15,2 14,5 13,6
800 - 700 12,4 11,3 10,7 10,0
700 - 600 9,6 8,3 7,9 7,4
600 - 500 6,7 6,0 5,7 5,4
500 - 400 4,8 4,3 4,1 3,8
400 - 300 3,3 3,0 2,9 2,7
300 - 200 2,3 2,1 2,0 1,9
200 - 100 1,5 1,4 1,4 1,2
100 - 50 1,2 1,0 1,0 0,8
Таблица 2. Зависимость снижения температуры стальных заготовок при охлаждении на воздухе, °С мин, от их диаметра.

Большая часть энергии деформации метала в процессе ковки превращается в тепловую, поэтому заготовки охлаждаются с меньшими скоростями, чем приведенные в таб. 2.
Если невозможно получить поковку за один нагрев, делают повторные нагревы. Время каждого повторного нагрева составляет 50—60% продолжительности нагрева холодной заготовки.

Кроме режима нагрева заготовок на качество поковок оказывает влияние печная атмосфера, которая в зависимости от условий сгорания топлива может быть окислительной, нейтральной или восстановительной. При высокой температуре печная атмосфера химически взаимодействует с металлом нагреваемой заготовки и может вызывать окисление или обезуглероживание металла.
Окисление стали в процессе нагрева представляет собой сложный физико-химический процесс, при котором свободный кислород, соединяясь с железом, образует на поверхности заготовки слой окалины. Окалина обладает незначительной прочностью, поэтому она свободно разрушается и отделяется от металла. Обнаженная поверхность заготовки под воздействием кислорода снова окисляется с образованием нового слоя окалины. Окислительная атмосфера печи (при сжигании топлива с избытком кислорода) создает более благоприятные условия для образования окалины.

Кроме состава газовой атмосферы на процесс окисления металла оказывают влияние температура и продолжительность нагрева, химический состав стали, форма и размеры заготовки.
Интенсивное окисление углеродистых сталей начинается при температуре выше 700° С. С повышением температуры интенсивность окисления возрастает. Так, если количество окалины, образующейся при 900° С, принять за единицу, то при 1000° С ее образуется в два раза, а при температуре 1300° С в семь раз больше. Чтобы снизить потери металла на окалинообразование, нужно нагревать металл так, чтобы продолжительность нагрева при максимальной температуре была минимальной. Для этого необходимо повышать скорость нагрева и сокращать время выдержки при температуре начала ковки.
С увеличением содержания углерода в сталях их окисляемость снижается. Наличие никеля в стали приводит к увеличению окалинообразования, других легирующих элементов, например хрома, снижает склонность стали к окислению.
Образование окалины приводит к безвозвратным потерям металла. Так, в процессе нагрева в камерных пламенных печах в результате окалинообразования угар металла составляет 2—3% массы нагреваемой заготовки. При повторных нагревах заготовок угар увеличивается еще на 1—1,5% за каждый подогрев. Несоблюдение режима нагрева и нарушение оптимального газового состава атмосферы печи могут увеличить потери на окалинообразование до 5% массы заготовки за один нагрев.

Кроме того, наличие окалины, обладающей большой твердостью, приводит к быстрому износу кузнечного инструмента. Окалина, не удаленная с поверхности заготовки и будучи закованной в тело поковки, снижает ее качество, приводит к браку и увеличению припусков на механическую обработку. Механическая обработка таких поковок затруднена.

Окалина вступает в химическую реакцию с огнеупорной кладкой печи, в результате которой образуются шлаки, разрушающие под печи.

Во время нагрева металла одновременно с его окислением происходит выгорание углерода из поверхностных слоев заготовки, т. е. происходит их обезуглероживание. Выгорание углерода происходит под воздействием газов, входящих в состав окислительной печной атмосферы. Обезуглероживание происходит на глубину до 2 мм. Особенно интенсивно выгорает углерод у инструментальных и высокоуглеродистых сталей, поковки из которых могут иметь низкую твердость. Поэтому для ответственных поковок иногда предусматривают дополнительные припуски, снимая которые, удаляют обезуглероженный слой, и поверхностные слои поковки имеют такие же механические свойства, как и металл заготовки.

Чтобы уменьшить потери металла на окалинообразование и предотвратить обезуглероживание, нагрев ведут в восстановительной атмосфере печных газов, получаемой за счет неполного сгорания топлива. Нагрев заготовок ведут с максимально возможной скоростью, что сокращает время пребывания заготовок в печи при высоких температурах. При этом нельзя допускать подсоса воздуха в топочное пространство печи. На поде рабочей камеры печи следует поддерживать положительное давление, что исключает попадание избыточного кислорода, приводящего к интенсивному окислению и потерям металла.

Для снижения окалинообразования нагрев заготовок иногда ведут со стеклопокрытиями, которые предохраняют металл от окисления. Стеклопокрытия являются хорошими теплоизоляционными и смазывающими материалами, снижают неравномерность деформации при ковке и повышают стойкость кузнечного инструмента. В процессе ковки поковок высокой точности применяют также различные способы безокислительного нагрева, которые проводят в среде защитных газов (азота, аргона или продуктов неполного сгорания топлива).