3.2. Нагрев металла для обработки давлением

Металлы и сплавы перед обработкой давлением нагревают до определенной температуры для повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформации. Эту температуру называют температурой начала горячей обработки давлением. Однако в про­цессе обработки температура металла понижается. Минимальная температура, при которой можно производить обработку, называет­ся температурой окончания обработки давлением. Область темпера­тур между началом и окончанием обработки, в которой металл или сплав обладает наилучшей пластичностью, наименьшей склонно­стью к росту зерна и минимальным сопротивлением деформации, называют температурным интервалом горячей обработки дав­лением.

Температурный интервал обработки давлением выбирают с уче­том диаграммы состояния сплава. Желательно, чтобы в этом тем­пературном интервале металл находился в однофазном состоянии. В двух- или многофазном состоянии при низкой пластичности одной из фаз возможно разрушение металла. Исключение представляют доэвтектоидные стали (рис. 3.2), которые при температурах двух­фазного состояния между линиями GS и PS обладают достаточной пластичностью. Достаточную пластичность имеют и заэвтектоидные стали выше 750 °С, в которых между линиями ES и SK фикси­руется двухфазная структура из аустенита со вторичным цементи­том.

Цементит располагается в виде сетки по границам зерен и снижает пластичность стали. Однако после разрушения этой сетки методом обработки давлением сталь восстанавливает свои пласти­ческие свойства.

Температурный интервал обработки сплавов зависит от их хи­мического состава. Так из диаграммы железо-углерод видно, что с увеличением количества углерода в стали температурный интервал обработки сужается. Особенно резко при этом снижается темпера­тура начала обработки.

Рис. 3.2. Температурный интервал ков­ки углеродистых

сталей по диаграм­ме состояния железо-углерод

При нагреве металлов и сплавов выше температуры на­чала горячей обработки начи­нается интенсивный рост аустенитного зерна. Благодаря это­му структура становится круп­нозернистой, и происходит понижение ее пластических свой­ств. Сталь с крупнозернистой структурой получается при пе­регреве. Перегрев является дефектом и его мож­но устранить отжигом или нормализацией.

При дальнейшем повыше­нии температуры нагрева происходит расплавление легко­плавких составляющих, распо­ложенных по границам зерен. Окисление этих границ кисло­родом, содержащимся в рабо­чем пространстве печи, вызы­вает явление, называемое пе­режогом. Пережог металла — неисправимый брак, так как при этом насту­пает полная потеря пластичности металла.

Металл нагреваемой заго­товки, соприкасаясь и химиче­ски взаимодействуя с печными газами, содержащими кислород (водяной пар и углекислый газ), окисляется и обезуглероживается. При этом на поверхности метал­ла образуется окалина, состоящая из окислов железа. Кроме печ­ных газов на количество образующейся окалины влияют темпера­тура нагрева, химический состав металла заготовки и отношение ее поверхности к объему. С повы­шением отношения поверхности заготовки к ее объему количество окалины возрастает. С увеличением содержания углерода в ста­ли количество окалины при нагреве уменьшается. Уменьшают окалинообразование и некоторые химические элементы — алюминий, хром, кремний. Кроме прямых убытков от угара металла, до­стигающего 3% при нагреве в пламенных печах, окалина являет­ся весьма твердым веществом, увеличивающим износ инструмента. Толщина обезуглероженного слоя металла достигает 1,5…2 мм, что вынуждает увеличивать припуски на механическую обработку для его удаления.

Нагрев должен обеспечить равномерное распределение темпера­туры по сечению и длине заготовки, минимальное обезуглерожива­ние поверхностного слоя и минимальное образование окалины.

Холодные слитки и заготовки, загруженные в печь, нагреваются неравномерно. Вначале нагреваются их наружные слои, а затем по мере выдержки в печи они прогреваются по всему сечению. Наруж­ные слои, нагретые до более высокой температуры, расширяются больше, чем внутренние, поэтому в металле появляются темпера­турные напряжения растяжения. Если температурные напряжения превышают предел прочности металла, то в нем возникают тре­щины.

Во избежание образования трещин, металл необходимо нагре­вать с определенной скоростью. Скорость нагрева до заданной температуры зависит от теплопро­водности и теплоемкости металла, размеров и формы заготовок, характера расположения заготовок в печи.

Температура окончания процесса горячей обработки давлением не должна быть слишком низкой, так как происходящий при этом процесс упрочнения и снижения пластичности может вызвать об­разование трещин. Эта температура не должна быть и чрезмерно высокой вследствие опасности получения крупнозернистой струк­туры.

Если сталь или сплав имеет структурные и фазовые превраще­ния, то в области перекристаллизации при термической обработке зерно можно измельчить. Если же такие превращения отсутствуют, то зерно остается таким, каким оно было получено после обработ­ки давлением.

В зависимости от сечения и химического состава заготовки ее охлаждение после горячей обработки давлением может произво­диться либо на воздухе, либо медленно в теплоизолирующих средах (песке, шлаке и др.) или в печи. Заготовки крупного сечения и заго­товки из легированных сталей, предрасположенных к образованию макро- и микротрещин водородного происхождения, охлаждают медленно.