11.2. Нагрев металла и нагревательные устройства
Нагрев заготовок при ОМД производят для повышения пластичности и снижения сопротивления металла деформированию (т. е. энергозатрат). Поскольку в процессе обработки температура заготовки снижается (заготовка остывает), говорят о температурном интервале горячей ОМД.
Верхний предел горячей обработки t в выбирается таким образом, чтобы не было перегрева, пережога, интенсивного окисления и обезуглероживания (для сталей) нагреваемого металла. Нижний предел – tн должен быть не ниже температуры мгновенной рекристаллизации во избежание появления наклепа. Основанием для правильного выбора температурного интервала служит диаграмма состояния сплавов. Так, для углеродистых сталей этот интервал показан на диаграмме «железо – углерод». Верхний предел tв располагается на 100 – 200°С ниже линии солидус, а нижний tн – на 30 – 50°С выше линии GS для доэвтектоидных и на 30 – 50°С выше линии PSK для заэвтектоидных сталей.
Температурный интервал ОМД для легированных сталей характеризуется некоторым сужением с небольшим понижением предельных температур.
Медь обрабатывается в зоне температур 900–700 °С, латунь – 760–600 °С, бронза – 900–750 °С, алюминиевые сплавы – 470–380°С, магниевые – 430– 300 °С.
Для качества изделий, получаемых горячей обработкой давлением, имеет существенное значение не только режим нагрева, но и режим охлаждения. Слишком быстрое охлаждение может привести к образованию в результате термических напряжений наружных трещин. Чем меньшую теплопроводность имеет сплав, и чем больше размер изделия, тем медленнее должно быть охлаждение. Последнее (в порядке увеличения продолжительности) осуществляется: на воздухе; на воздухе в штабелях; в ящиках (ямах) с закрытыми крышками; в закрытых ящиках (ямах) с засыпкой песком, золой, шлаком и т. п.; в печах.
Так, например, поковки из высоколегированной инструментальной стали даже самых малых размеров охлаждаются в печах; крупные поковки из конструкционной стали, начиная примерно с диаметра 500 мм, также охлаждаются в печах.
В производстве применяют два способа нагрева заготовок под горячую ОМД: а) прямой, при котором тепло аккумулируется непосредственно в металле (электроконтактный, индукционный); б) косвенный, при котором тепло передается металлу какой-либо средой , нагретой до более высокой температуры (нагрев в пламенной печи, расплавах солей, электролитах).
Наиболее широко применяются камерные печи периодического действия с пламенным нагревом (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Схема камерной печи:
1 – под; 2 – кожух; 3 – стенки;
4 – свод; 5 – окно; 6 – канал; 7 – форсунки; 8 – заслонка
В них нагревают слитки под ковку стволов, казенников, клиньев затворов других деталей. Металл загружается отдельными партиями (садками). После нагрева до требуемой температуры заготовки последовательно вынимают и деформируют. После обработки всей партии заготовок в печь загружают следующую садку.
Печь состоит из металлического каркаса 2, выложенного внутри огнеупорным кирпичом из шамота. В боковой стенке расположено окно 5 для загрузки и разгрузки печи; оно закрывается массивной чугунной заслонкой 8. Сжигание топлива (мазут, горючий газ, пылевидный кокс) производится при помощи горелок или форсунок 7. Раскаленные газы, отдавшие тепло металлу, размещенному на поду 1, уходят через канал 6.
При ручной ковке мелких заготовок в полевых условиях применяют горны. Горны отличаются от нагревательных печей небольшими размерами, отапливаются каменным углем или коксом; металл нагревается в них при непосредственном контакте с топливом.
Прогрессивным способом нагрева является электрический. Основные виды электронагрева: индукционный, контактный и в печах сопротивления.
Сущность индукционного нагрева состоит в том, что через индуктор – катушку из витков медной трубки, в которой циркулирует вода для охлаждения, пропускается переменный ток повышенной или промышленной частоты. Вокруг витков катушки возникает переменное магнитное поле, которое создает в стальной заготовке, помещенной в индуктор, вихревые токи, быстро нагревающие металл до требуемой температуры.
При контактном нагреве к концам заготовки через медные контакты-зажимы подводят переменный ток силой в десятки тысяч ампер, напряжением от 2 до 15 вольт.
Электропечи сопротивления оборудованы металлическими спиралями из нихромовой ленты или карборундовыми нагревателями, через которые пропускают ток. Тепло от нагревателей передается заготовкам атмосферой и стенками печи. В таких печах температура не превышает 1000°С, их применяют для нагрева заготовок из цветных металлов и сплавов.