3.5. Термический режим ковки и охлаждения металла

Всесторонний нагрев заготовки большой Длины характеризуется условно одинако­вым разогревом каждого слоя металла, очерченного изотермическими замкнутыми линиями (рис. 45,а). Температура наружного слоя наивысшая и постепенно умень­шается для каждого последую­щего слоя. Чем выше темпера­тура наружного слоя, тем в боль­шей степени (вследствие тепло­вого расширения) он стремится увеличиться в диаметре, по тол­щине и в длину. Однако сплошность заготовки

Рис. 45. Характеристика прогрева заготовок при подведении теплоты:

а — со всех сторон; б — преимущественно с одной стороны (показаны изотермы наг­рева)

препятствует нор­мальному расширению металла и в результате в наружном слое воз­никнут напряжения сжатия по всем трем осям (в радиаторном, тангенциальном и осевом направлениях). В тот период нагрева, когда теплота проникла только в наружный слой, он, будучи всесторонне сжат и стремясь оторваться от остальной заготовки, вызывает в ней напряжения растяжения. По мере проникновения теплоты в следующие слои зона появления растягивающих на­пряжений отодвигается к оси до тех пор, пока при полном вырав­нивании температуры тепловые напряжения исчезнут вовсе. При нагреве заготовок, расположенных на поду печи, прогрев их происходит неодинаково со всех сторон, что усложняет схему распределения напряжений (рис. 45, б). Преимущественный на­грев с одной стороны приводит к тому, что зона наиболее холодного металла сдвинута от центра в сторону прилегания заготовок поду.

Табл. 14

Влияние температуры деформации на повышение теплосодержания и температуры металла

Начальная температура металла t°C	Энергия деформ ации Дж	Удельное теплосодержание		Конечная температура металла tK. °с	Отношение qк/qн
		до деформа­ции qН, Дж/кг	после деформации qK, Дж/кг
20 500 800 1200	1960 1080 590 100	9,24 273 504 806	162,5 356,6 557 815	315 604 837 1210	17,6 1,3 1,1 1,01
Примечание Теплосодержание отнесено к 1кг деформируемого металла.

Перепад температур в различных радиальных направле­ниях сечения становится неодинаковым. В тангенциальных на­правлениях также появляется температурный перепад. В соответ­ствии с этим неравномерность напряженного состояния при деформации металла возрастает. Непрогрев металла, наличие напряжений теплового происхождения и смещения наименее прогретой зоны относительно оси заготовки приводят к воз­растанию неравномерности деформаций, которая, в свою очередь, вызывает увеличение вредных остаточных напряжений у поковок.

При рассмотрении теплового воздействия на сталь не следует ограничиваться только процессами, связанными с нагревом ее перед ковкой. Некоторую роль играет теплота, выделяемая в период деформации (особенно при больших ее скоростях и не­высокой температуре).

Рассмотрим соответствующие количественные данные на при­мере осадки под молотом простого действия стальных образцов диаметром и высотой 12,2 мм, деформированных на 50% при температурах 20—1200°С и при коэффициенте перехода энергии в теплоту 0,85 (табл. 14).

Из анализа данных таблицы следует, что с возрастанием теплосодержания по мере увеличения температуры металла зна­чительно уменьшается роль тепловыделения, поскольку энергия и сопротивление деформации также уменьшаются. Если при 20°С теплосодержание после деформации возрастет в 17,6 раза, то при 1200°С это возрастание совсем незначительное (в 1,01 раза). Эти данные являются усредненными. На самом деле тепловыделе­ние (так же как и деформация) локализовано и распространяется на небольшую часть объема металла. Появление при протяжке на боковой поверхности нагретой заготовки более светлых полос под углом 45° к направлению ударов иллюстрирует эффект лока­лизации тепловыделения.

Качественную сторону процесса горячей деформации, напри­мер ковки, с учетом изменения средней температуры металла по объему можно проследить по графику на рис. 46. По оси абсцисс отложена средняя величина зерна стали, а по оси ординат — средняя температура. У стали со среднестатистической величиной зерна, указанной буквой а, при нагреве до точки б никаких изме­нений не происходит. Дальнейшее повышение температуры в об­ласти перехода перлита в аустенит приводит к измельчению зерна, после перехода области критических температур сталь имеет мел­кое зерно (например, в среднем соответственно точке в). После перехода через Лг₃ зерно увеличивается вследствие собирательной рекристаллизации. К моменту достижения температуры нагрева под ковку (точка г) зерно стали увеличивается, а в процессе осты­вания заготовки (в период, когда ее извлекают из печи и подно­сят к ковочному агрегату) продолжает расти (точка д).

Первое обжатие заготовки приведет к измельчению зерна и не­которому повышению температуры вследствие перехода части

Р ис. 46. Изменение температуры и величины зерна в стали при ковке и остывании металла:

I — температура нагрева металла; II — температура начала штамповки; III — темпе­ратура конца штамповки; IV — область верхних критических температур; V — область нижних критических температур; VI — температура начала заметной рекристаллизации.

энергии деформации в тепловую (точка е), затем в период между двумя обжатиями сталь частично рекристаллизуется (рекристал­лизация обработки) при одновременном понижении температуры из-за естественной потери теплоты. Если на этом обработка закан­чивается, то рост зерна замедляется до точки ж, при этом размер зерна стали соответствует точке з, т. е. оно более крупное, чем в исходном состоянии. Если продолжить обработку, то для сле­дующего обжатия будет характерна структура металла, соответ­ствующая точке к (изменение по линии и—к) и отличающаяся от предыдущей более мелким зерном и более высокой температу­рой. Затем все повторяется в том же порядке в зависимости от величины деформации, которая уменьшается по мере остывания металла, числа обжатий и от величины промежутков между ними, что обычно приводит к измельчению зерна при снижении температуры ковки металла (см. точки л, м, н, о). Если последнее обжатие при температурах, отвечающих примерно концу ковки (точка о), соответствует линии н—о, то остывание стали будет про­текать по линии о—п, и зерно, характеризуемое точкой р, ока­жется б олее мелким, чем в исходном состоянии.

Рис. 47. Экранирование заготовки в процессе ковки (увеличение продолжитель­ности остывания на 40—60%):

1,8 — станины молота (пресса); 2 — фиксирующая тяга; 3 — асбестовая заглушка; 4 — задний, убирающийся трубный рефлектор; 5 — стопор; 6 — боек нижний; 7 — шарнир; 9 — секции переднего рефлектора; 10 — средний кольцевой стационарный реф­лектор; 11 — клещи манипулятора.

Для уменьшения скорости остывания металла при ковке известны попытки (в РФ и за рубежом) применения экраниро­вания его в процессе деформации. Эффективно применение труб­чатых откидных экранов-отражателей (из алюминиевого листа) при ковке длинных поковок протяжкой (рис. 47). Другой способ уменьшения теплоотдачи состоит в теплоизоляции проковывае­мого металла, который помещают в особый кожух или укрывают асбестовым одеялом один конец заготовки при ковке другого конца. В кузнечном цехе Уралмашзавода этим способом удается замедлить охлаждение стали в 1,5—5,0 раз, что позволяет сокра­тить число выносов при ковке и несколько приблизиться к изо­термическому режиму ковки. Известен также способ ковки одного конца заготовки с одновременным газовым подогревом другого ее конца, зажатого в клещи манипулятора. Подача горячего газа между концами и заготовкой не сложна и безопасна, особенно при дистанционном управлении манипулятором.

Хорошие результаты получены при использовании теплоизо­лирующих обмазок для слитков. Кроме замедления остывания, эти обмазки уменьшают силы трения (что снижает энергетические затраты), соответственно уменьшают неравномерность деформа­ции (что повышает качество поковок) и угар металла.

По графику на рис. 48 можно определять продолжительность остывания углеродистой и низколегированной стали на воздухе при наличии асбестового теплоизолятора. Чем меньше зазор между металлом и стенкой теплоизолирующего кожуха, тем длительнее период остывания стали для слитка каждого диаметра. Необходимо иметь в виду, что теплоизоляцию можно осуществлять только для той части заготовки, которая в данный момент не подлежит ковке, и что остывание металла в процессе ковки идет медленнее, чем на воздухе (см. кривые на рис. 48).

Время остывания заготовок из стали t₀ (в с)

где: ΔT — среднее падение температуры по сечению заготовки, °С; D₀ — диаметр заготовки, мм.

Следующий за ковкой процесс охлаждения поковок по су­ществу является термической операцией. Трещинообразование при охлаждении поковок встречается более часто, чем при на­гревании. В начальный период охлаждения поковок поверхностные слои испытывают напряжения растяжения, а внутренние — сжатия. При дальнейшем охлаждении получается обратная картина, так как средняя часть поковки, уменьшаясь в объеме, будет сдерживаться более остывшими наружными слоями, которые при этом подвергаются сжимающим напряжениям. Так происходит охлаждение мягкой стали.

При охлаждении твердой стали растягивающие напряжения в поверхностных ее слоях вследствие пониженной релаксацион­ной способности лишь немного уменьшаются, при этом перемена знака напряжений маловероятна.

При наличии на поверхности микро- и макротрещин опасность их развития под действием растягивающих напряжений очень

Р ис. 48. Определение продолжительности остывания заготовок на воздухе и в асбестовом кожухе (УЗТМ):

I - для кожуха с зазором между металлом и асбестом до 50 мм; II - то же при зазоре до 120 мм;

К_т=(продолжительность остывания: под кожухом /на воздухе)

Рис. 49. Графики режимов охлаждения слитка массой 45000 кг (а) и поковки коленчатого вала (б) при диаметре цапф 600 мм (ЧССР):

1 — поверхность; 2 — на расстоянии 1/3 радиуса; 3 — в середине слитка; 4 — печь; 5 — разность температур по сечению слитка; I — падение температуры до укладки в печь; II — выравнивание температуры, 12°/ч; III — охлаждение с печью, 10°/ч; IV — выдержка 10 ч; V — охлаждение 10°/ч;

VI — выдержка 10 ч; VII — охлаждение;