Вопросы для самопроверки к теме 5.4

1. В чём проявляется различие между инерционным и регулярным периодами нагрева металла при его плавлении?

2. В чём заключается сущность регулярного режима?

3. Что является критерием разделения тел на тонкие и массивные с точки зрения их плавления?

4. Приведите уравнение динамики плавления тел по М.А. Глинкову.

5. Почему действительную удельную теплоёмкость плавящегося металла в расчётах заменяют условной?

6. Что называют скрытой теплотой (плавления или затвердевания)?

7. Существует ли линейная зависимость между толщиной расплавляемого металлического слоя и временем, необходимым для его расплавления?

Раздел 6. Динамика нагрева и превращений в металлах при нагреве

Температурный режим нагрева сталей зависит от конструкции и назначения печи, марки стали или сплава, формы и размеров слитков, заготовок, изделий и расположения их в печи.

При разработке режима нагрева в первую очередь устанавливают конечную температуру металла и допустимую разность температуры по сечению заготовки в конце нагрева, а затем вычисляют температуры печи, газов, кладки, тепловые потоки, тепловые мощности и расход топлива.

Отжиг (полный) осуществляется путем нагрева до температуры на 30... 50 °С выше точки А_сз, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения до 500... 600 °С для доэвтектоидных и эвтектоидных углероди­стых сталей со скоростью 50... 100 град/ч, для легированных 20….60 град/ч; далее — на воздухе [3], [4].

Нормализация является разновидностью полного отжига и отличается от него тем, что охлаждение деталей после выдержки производится на воздухе.

Нормализация применяется для поковок и штамповок из углелеродистой и легированной конструкционной сталей с малым и средним содержанием углерода.

При нагреве металла, находящегося в упругом состоянии, наружные слои испытывают напряжения сжатия, а внутренние – растяжения. Эти напряжения обусловлены неравномерным нагревом металла и, следовательно, неравномерным тепловым расширением отдельных слоев металла.

Значение механических (внутренних) напряжений определяется коэффициентом линейного теплового расширения , модулем упругости металла Е, МПа, и разностью температур.

Распределение напряжений по сечению нагреваемого тела аналогично распределению температур. Чрезмерно быстрый нагрев вызывает значительные напряжения, что может вызвать образование трещин в металле.

Если при нагреве металла напряжения не достигают предела упругости, то с исчезновением перепада температуры они исчезают.

В противном случае, с достижением предела текучести металла, эти напряжения сначала исчезают, но после неравномерного охлаждения возникают вновь.

Конечная температура t_k нагрева металла является одним из основных параметров, так как она определяет достижение металлом пластичного состояния, необходимого для термической обработки металлов, где t_k выбирают соответственно критическим точкам металла.

Чем выше t_k, тем пластичнее становится металл. Однако t_{k max} ограничивается явлениями окисления стали, её обезуглероживания, перегрева и пережога металла.

Окисление поверхностного слоя металла обусловлено химическим взаимодействием окислительных компонентов печной атмосферы, таких как О₂, СО₂, Н₂О, SО₂, с элементами металла (C, Si, Mn и др.). В результате металл с поверхности покрывается слоем окалины (смесью FeO и Fe₂O₃), на образование которой – угар – теряется до 5 … 6 % металла. Особенно быстро окисление происходит при высоких (выше 1275 С) температурах стали. Точка плавления FeO составляет 1377 С, Fe₂O₃ – 1565 С. Однако из-за присутствия других элементов образуются легкоплавкие эвтектики, окалина плавится и, стекая, обнажает металл, способствуя его дальнейшему окислению. Содержание в металле Cr, Ni, Al способствует получению плотной окалины и, тем самым, меньшему окислению металла.

Для того, чтобы уменьшить окисление металла, применяют следующие решения:

1) скоростной нагрев металла, сокращающий продолжительность контакта металла с печными газами;

2) муфелирование нагреваемых изделий или пламени с нагревом металла в восстановительной (СО, Н₂) или нейтральной (N₂, продукты диссоциации NH₃ – «азотный газ») средах;

3) минимизация избытка воздуха при сжигании топлива;

4) поддержание положительного давления газов в рабочем пространстве печи во избежание подсоса атмосферного воздуха;

5) применение электронагрева;

6) применение для кладки пода основных или нейтральных огнеупорных материалов, поскольку кислый материал (SiO₂) шлакует окалину, переводя её в жидкое состояние.

Выбор конкретных решений зависит от технологических особенностей конкретного производства.

Обезуглероживание стали вызывается теми же факторами, что и окисление вообще, но здесь речь идет об окислении С из Fe₃C за счёт газов СО₂, Н₂О, О₂, а также и Н₂. В последнем случае

Fe₃C + 2 Н₂ = 3 Fe + CH₄.

Обезуглероживание всегда предшествует окалинообразованию, так как окалина защищает металл от потери содержания углерода в поверхностном слое.

Специальными мерами борьбы с обезуглероживанием является применение защитных атмосфер с регулируемым химическим потенциалом углерода.

Перегрев металла выражается в росте зерна аустенита при нагреве значительно выше А_С3. В результате ослабляется связь между зернами металла. Вследствие снижения механической прочности по углам слитка или заготовки возможно появление рванин и трещин.

Последствия перегрева металла исправимы путем проведения нормального отжига, то есть медленным нагревом до температуры несколько выше А_С3 и медленным охлаждением.

Пережог, в отличие от перегрева, является неисправимым браком металла. Слишком высокая температура нагрева и присутствие в атмосфере рабочего пространства печи завышенного содержания кислорода вызывают не только поверхностное окисление зерен металла, но и расплавление легкоплавких эвтектик, располагающихся по границам зерен. В результате при обработке давлением пережженный металл рассыпается в порошок. Поэтому такой металл направляют в переплавку.

Теоретическим пределом пережога является линия солидуса, однако ликвационные примеси и легкоплавкие неметаллические включения в стали снижают температуру начала пережога.

Заканчивая рассмотрение материала, посвященного технологии нагрева металла, подведем некоторые итоги.

Итак, важнейшими параметрами процесса нагрева металла являются допустимая конечная его температура t_{k max}, скорость нагрева С_Н и перепад температуры Δt по сечению нагреваемого тела.

Узким местом в выборе С_Н являются возможности печи, а не металла. Пластичный металл в некрупных заготовках можно нагревать с любой скоростью, допускаемой тепловой мощностью печи.

Тем не менее, крупные заготовки из хрупкой стали с высокими содержаниями C, Si, Cr, к тому же обладающей пониженной теплопроводностью, необходимо нагревать до 500 С медленно и лишь затем переходить к более высокой величине С_Н.