книги из ГПНТБ / Повышение точности поковок С. И. Ключников. 1960- 23 Мб

ратуры в печи, выводит из равновесия электрический мостик. Это нарушение вызывает немедленное действие уравнительного меха­ низма, который вновь регулирует контактор для повторного урав­ новешивания мостика.

За последние годы начали широко применяться пневматические регуляторы, в которых перестановка регулирующих органов —

дроссельных заслонок, задвижек, клапанов производится при по­

мощи сжатого воздуха. В настоящее время освоено производство нескольких типов пневматических регуляторов, что в значительной степени облегчает обеспечение нефтяных и газовых кузнечных пе-

Фиг. 21. Схема автоматического регулирования температуры кузнечной печи у штамповочного молота:

1_ радиационный пирометр с керамическим чехлом; 2—приспособление для воздушного охлаж­ дения радиационного элемента; 3 — асбестовая прокладка; 4—печь; 5 —электронный потенцио­ метр; 6 — ввод дутьевого воздуха; 7 — диафрагменный газовый клапан; 8 — газопровод; 9 — га­ зовые горелки; 10— нагреваемые заготовки.

чей приборами для автоматического регулирования. Регуляторы температуры воспринимают импульс от манометрического термо­ метра и через пневматическое приспособление регулируют откры­ тие и закрытие клапана в зависимости от температуры.

Равномерность нагрева по сечению заготовки особенно необхо­ дима при изготовлении точных поковок с применением операции прошивки или наметки глухих отверстий. Различная же темпера­

тура нагрева в разных точках по сечению обусловливает различное сопротивление металла осаживающему действию пуансонов, что неизбежно приводит к смещению оси пуансона относительно оси прошиваемого отверстия.

Неравномерность нагрева получается в результате конструк­

тивных особенностей пламенных печей, не обеспечивающих в ус-

70

ловиях раскладки заготовок на поде всестороннего и одинакового обогрева заготовок. Неравномерность нагрева увеличивается по ме­ ре ухудшения раскладки заготовок на поде печи. Известно, напри­

мер, что при нагреве квадратных заготовок, уложенных на поде

вплотную друг к другу, увеличивается время нагрева до заданной

температуры в 4 раза против времени, необходимого при всесто­ роннем обогреве. Металл заготовок в участках, расположенных со стороны пода печи, всегда имеет температуру меньше, чем в уча­

стках заготовок, обращенных к пламени (к своду печи). Для вы­

равнивания температуры приходится металл выдерживать при вы­ сокой температуре, что неизбежно приводит к большему окалинообразованию.

Для более равномерного нагрева слитков могут быть рекомен­ дованы печи с двухсторонним нагревом слитков конструкции УЗТМ

[11]. Если в обычных регенеративных печах с выкатным подом ле­ жащий на поде слиток попеременно нагревается то с одной, то с

другой стороны печи при горении соответственно то правого, то левого ряда горелок, то в печах в двухсторонним нагревом каждая сторона печи имеет горелки, расположенные в два ряда в шахмат­ ном порядке. Одновременно горят горелки одного ряда на обеих

сторонах печи. При этом дымовые газы идут по первому каналу,

соединенному с первым регенератором. Путем автоматического переключения горевшие до этого горелки выключаются, а горелки второго ряда на обеих сторонах печи включаются. Переключив­

шийся при этом клапан меняет направление дымовых газов, кото­ рые теперь идут по второму каналу, соединяющему их со вторым регенератором. В печах новой конструкции газ (мазут) подводится одновременно к обеим сторонам печи. Двухсторонний нагрев слит­ ков весом 10,3 т в печах новой конструкции, по данным завода,

дает повышение производительности до 27% при нагреве холод­ ных слитков и до 35% при нагреве горячих слитков. Ускорение вре­ мени нагрева и уменьшение окалины достигается за счет равно­ мерного обогрева слитков.

Разностенность поковок вследствие неравномерного нагрева при производстве изделий формы корпусов снарядов впервые вызвало применение сквозного индукционного нагрева кузнечных загото­ вок. Хороший результат дает пламенный нагрев таких заготовок с вертикальной («на попа») их посадкой на под печи. Для осуществ­ ления нагрева заготовок в таком положении применяется кару­ сельная печь с вращающимся подом. Всестороннее омывание го­

рячими газами установленной на торец заготовки обеспечивает бо­ лее равномерный нагрев металла до заданной температуры и умень­ шает в процессе штамповки не менее как в два раза эксцентрич­ ность прошитой заготовки.

Неравномерность нагрева обусловливает и неравномерность

образования окалины по периметру заготовки. Важным условием

уменьшения неравномерности нагрева является правильная рас­ кладка заготовок на поду печи. Способ же раскладки, когда заго­ товки загружаются в печь «(залогом», т. е. одновременно, в бес-

71

порядке и большой партией, является непригодным. Более раци­ ональным является загрузка заготовок по одной штуке с таким расчетом, чтобы по мере выдачи нагретых заготовок из печи на каждое освобожденное место загружалась холодная заготовка. Раскладка заготовок на поду должна производиться с интервала­ ми для возможности трехстороннего (не считая торцов) омывания

ее горячими газами. При нагреве концов круглого проката под

высадку поковок типа колец, муфт, фланцев необходимо стре­ миться нагревать материал в печах с порогом, для возможности

всестороннего нагрева концов, выступающих над порогом, или нагревать в печах с очковыми отверстиями.

НАГРЕВ КУЗНЕЧНЫХ ЗАГОТОВОК БЕЗ ОКАЛИНЫ

Образование окалины при нагревании кузнечных заготовок яв­

ляется основной причиной назначения кузнечных припусков под механическую обработку. Поэтому повышение точности поковок требует в первую очередь решения проблемы безокислительного нагрева.

Окисление металла имеет не только техническое, но и большое экономическое значение. Если в среднем угар при кузнечной об­ работке принять в 4%, то только за один год потери металла от угара в нашей промышленности составят по стоимости не менее 150 млн. рублей.

Окалинообразование. Химическое сродство железа с кислоро­ дом, являющееся причиной угара, больше, чем сродство меди, ни­ келя, олова, цинка и др. металлов. Поэтому железо быстрее окис­ ляется под действием кислорода, воздуха и кислородосодержащих газов. Из газов, содержащихся в атмосфере кузнечных пламен­

ных печей, сталь окисляют: кислород, водяной пар, углекислый газ; а высокохромистая сталь, кроме того, окисляется кислородом,

вводимым с окисью углерода. Окисление железа, являющееся диф­

фузионным процессом, начинается с образования низших окислов, постепенно переходящих в высшие. По мере окисления кислород поверхностных окислов диффундирует в близлежащий слой ме­

талла, а его место занимает кислород, поступающий из окислитель­ ной печной атмосферы. Так, по мере выдержки при высокой темпе­ ратуре растет толщина слоя окалины. Постепенное окисление стали свободным кислородом может происходить по следующим реак­ циям:

Все эти реакции являются обратимыми, и, следовательно, каж­ дый из образовавшихся окислов при определенных условиях мо­

жет находиться в состоянии диссоциации, которая совершается в

72

обратном направлении по этим же уравнениям, т. е. с постепенным

отщеплением кислорода, а именно РегОз->Ре3О4 -> FeO -> Fe.

На фиг. 22 [И] приведена диаграмма состояния системы желе­ зо—кислород. Для интервалов температур, имеющихся в кузнечных нагревательных печах, следует отметить следующие области на диаграмме состояния:

1) бивариантные двухфазные системы, состоящие из газообразно­ го кислорода и твердых растворов кислорода (переменного соста­ ва) в 7 Fe(I), в a Fe(III), в вюстите (VI) и в Fe3O4 (VIII);

2) моновариантные трехфазные системы, образованные двумя из

перечисленных выше насыщенных твердых растворов и газообраз­

Fe2O3, следующий слой Fe3O4 и, наконец, непосредственно приле­

гающий к чистому металлу слой FeO или Fe + Fe3O4. При низких температурах на железе образуются цвета побежалости, объясня­

ющиеся интерференцией света при прохождении через тонкий слой окиси железа Ре20з.

Некоторые элементы, как кремний, алюминий, хром, вольфрам

и медь с повышением их содержания образуют плотную пленку окалины, которая затрудняет дальнейшую диффузию кислорода в глубь металла и уменьшает способность стальных заготовок

кокислению.

Впечах, где производится нагрев металла до 1100—1200°, среди

73

продуктов горения, кроме азота, находятся газы СО2, О2, СО и

Н2О, причем, примерные колебания этих газов в продуктах горе­ ния составляют: СО2 — от 10 до 14%; О2 — от 8 до 4%; СО — от 2

до 4%; Н2О — от 5 до 6%. Если принять давление печных газов равным атмосферному, то парциальное давление отдельных компо­

При температуре 1300—1400° газов в кузнечной печи, являю­ щейся температурой наиболее активного окисления железа, пар­ циальные упругости, соответствующие условиям равновесия, нич­ тожно малы и выражаются дробями, меньшими единицы, за исклю­ чением упругости для Fe2O3. То же самое следует сказать и об от­ ношениях упругостей Н2О и Н2; СО2 и СО. Следовательно, условия нагрева металла таковы, что парциальные упругости окисляющих газов больше, нежели требуется для равновесия, а потому и атмос­ фера печи окислительная.* Лишь при большом содержании СО и

малом содержании О2 окислительная способность печных газов могла бы быть доведена до минимума, но тогда температура в печи была бы недостаточна для требуемого нагрева металла.

В окалине легированных сталей никель, хром, вольфрам, вана­ дий, кремний диффундируют медленнее, чем железо, поэтому их кон­ центрация в наружных слоях окалины мала. Окисление высоколе­ гированных жаропрочных сталей ограничивается образованием на

поверхности заготовок очень тонкого слоя окислов.

Согласно Р. В. Хешау 14] способность различных сталей к окисле­ нию следующая: хромоникелевая сталь (0,43% С и 2,8% Ni) у нее очень легко образуется окалина при температуре 650—700°; быстро­ режущая сталь (0,73 % С; 3,78 % Сг: 18,9 % W и 0,5 % Va) до темпера­ туры 725—750° окисляется ничтожно, а выше 850° скорость окисле­ ния ее резко увеличивается; нержавеющая сталь (0,4°/»С; 0,89°/° Si; 13°/оСг) хорошо сопротивляется окислению до 825°, после чего окис­

ляется, но медленно; высокохромистая сталь (0,61 % С и 9,59 % Сг) сопротивляется окислению хуже, чем нержавеющая, но лучше, чем быстрорежущая; сильхромовая сталь (0,54%С; 2,5% Si; 8,2% Сг; 1,96%W) показывает наилучшее (по сравнению с рассмотренными выше сталями) сопротивление окислению; до 1000° она держится почти без окалины; аустенитные стали (0,40^-0,45% С; 1,47-^- <-l,83%Si; 1 l,9-j-13,2%Сг; 12,8^-22,3% Ni; 0-3,l%W) также яв­ ляются в отношении окисления наиболее стойкими, в особенности до 950°. Небольшая окалина, образующаяся на них при высоких температурах, является сильно приставшей и при кузнечной обра­ ботке не отделяется. Количество окалины, образующейся при на­

74

По данным Г. С. Диккенсона, окисляемость сталей, по составу

не совпадающих близко с указанными выше, при нагреве в газовой кузнечной печи при 1100° образца диаметром 12,5 мм, длиной 50 мм составляет (в г)см2 час):

Следует отметить, что указанные данные об окисляемости ста­ лей являются оптимальными, полученными в условиях эксперимен­ тов, без учета неизбежного влияния побочных факторов, увеличи­ вающих окисляемость стали. Если учесть, что в штамповочных куз­ нечных цехах средний процент угара составляет 4%, то скорость окисления при этом будет порядка 0,02—0,03 г/см2 • мин. В мето­ дических печах скорость окисления снижается до 0,007 г/ши2 • мин и даже меньше.

На величину окалинообразования влияют: температура нагре­ ва металла, продолжительность нагрева, характер печных газов, содержание в печи избыточного воздуха, химический состав нагре­ ваемого металла, форма заготовки, состояние поверхности заготов­ ки, конструкция печей и устройств для сжигания топлива, скорость движения газов в печи. Важнейшими из указанных факторов яв­ ляются: температура нагрева, время нагрева и характер печных газов.

Чем выше температура в печи, тем больше образуется окалины за данный период нагрева. Повышение температуры способствует увеличению концентрации насыщения в твердом растворе и увели­ чению коэффициента диффузии компонентов.

Влияние температуры нагрева на окалинообразование. Ско­

рость окисления металла при заданной температуре (количество окалины, образующейся в единицу времени на единице поверхно­ сти заготовки) постепенно уменьшается, так как уменьшается ско­ рость диффузии кислорода вследствие увеличения толщины окислов. Окалина плавится при разной температуре: FeO — при 1370°, Fe3O4 при 1527° и Fe2O3 при 1565°. При оплавлении окалина обна­ жает часть поверхности металла, и процесс окисления, несмотря на

длительную выдержку, может вновь усилиться. Окислы металла

могут иметь пористую и плотную структуру, что зависит от хими­ ческого состава стали и определяется следующим отношением:

Wd u>D ’

где TF — молекулярный вес окисла; и> — молекулярный вес металла;

76

D — плотность окисла; d—плотность металла.

Если указанное отношение <]1, то окалина получается пористая,

если же отношение >1, то окалина плотная.

Для целого ряда реакций окисления металла при высокой тем­ пературе может быть применено следующее выражение изменения

скоростей реакции с температурой:

изменения угара стали при температуре 1000° и 1100° с выдержкой

в течение одного часа в пламенной кузнечной печи для трех видов топлива: генераторного газа, мазута и кокса. Как видно из диа­

граммы, наиболее активное окисление стали происходит при из­ менении коэффициента избытка воздуха в пределах от 0,9 до 1,1- В среднем можно принять, что если скорость окалинообразования

76

при нагреве до 900° равна 1, то при повышении температуры нагре­ ва скорость составит : при 1000° — 2; при 1100°—3; при 1200° — 4;

при 1300° —5.

Влияние времени нагрева на окалинообразование. Если темпе­

ратура нагрева кузнечной заготовки есть величина технологически более или менее постоянная, то время нагрева заготовки данного сечения может меняться в широких пределах, в зависимости от тем­ пературного напора (в пламенных печах) или от способа передачи

тепла внутрь металла (в установках контактного и индукционного нагрева).

Согласно В. Ф. Копытову [14], угар углеродистой стали в зави­

симости от времени приближенно может быть выражен формулой

at = а У t кг!м?,

где а — угар за 1 час в кг/ж2; t — время нагрева в часах.

Очевидно, что толщина окалины на поверхности заготовки мо­

жет быть определена по формуле

7

где б — толщина слоя окалины в мм;

Зная время нагрева одинаковых заготовок при пламенном и ин­ дукционном нагревах, пользуясь указанной выше формулой, мож­ но определить толщину слоя окалины, образующегося в том и

другом случае.

Количество образующихся на поверхности заготовки окислов в

зависимости от продолжительности нагрева выражается функцией

линейной, логарифмической или параболической и зависит от строения окисла. При низких температурах и тонких слоях окали­ ны (при наличии хрупких окислов) действие получающихся в ока­ лине трещин обусловливает окисление металла по логарифмиче­

скому закону. С повышением температуры и увеличением толщины окалины окисление металла замедляется. При плотном слое ока­ лины (характерном для железа), без трещин и пузырей, проникно­ вение окисляющих газов и их поверхностная адсорбция происхо­ дят активно, не лимитируя процесса окисления. В этом случае ско­ рость окисления стали в зависимости от времени будет выражаться

в виде кривой, близкой к параболе.

Считая, что окисление стали представляет в основном процесс диффузионный, представляется возможным выразить зависимость

между толщиной окалины и временем в виде уравнения

х2 = kt,

77

где х — вес или толщина окисленного металла; t— время;

k — константа уравнения.

Это уравнение достаточно точно выражает характер процесса окисления для практических случаев, но для количественных рас­ четов не всегда применимо.

По данным Н. Ю. Тайц [40], интенсивность окисления железа

ворит о большом разнообразии условий нагрева. Более стабиль­ ный режим нагрева в печах методического типа улучшает это от­

окалинообразования не зависит от коэффициента избытка возду­

ха. Как было показано на фиг. 23, степень окисления железа в пе­ чах, отапливаемых газом, мазутом и углем, различна (при одной и той же температуре), что объясняется различным составом про­ дуктов горения. Окислители по химической активности можно рас­ положить в следующем порядке: кислород, воздух, водяной пар, углекислый газ.

78

На фиг. 24 приведены кривые, характеризующие степень окис­ ления углеродистой стали марки 40 в зависимости от времени на­ грева и температуры [5]. На диаграмме прямыми прерывистыми линиями показаны границы допустимой степени окисления стали

при изготовлении точных поковок. Очевидно, что предпочтитель­ ной температурой нагрева в технологии изготовления точных поко­ вок будет 850—950°. Нагрев выше этой температуры в условиях обычной (окислительной или восстановительной) атмосферы неиз­ бежно приводит к образованию окалины толщиной больше 0,2 мм

и является непригодным при изготовлении точных поковок.

Для стали марки 15 при нагреве до температуры 1260° Морфи, Вуд и Жомини выражают следующими формулами влияние време­ ни выдержки на скорость образования окалины для различных

кокса; обратное явление наблюдается при недостатке воздуха. Это объясняется более сильным восстановительным действием водоро­

да, входящего в коксовый газ, по сравнению с окисью углерода. Сильное окисляющее действие продуктов горения коксового газа

при сжигании его с избытком воздуха объясняется окисляющим действием водяного пара. Окалина, полученная на стальных куз­ нечных заготовках в печах с восстановительной атмосферой, дер­ жится на них прочнее, чем окалина, полученная на заготовках в печах с окислительной атмосферой. Образовавшаяся окалина в печи при сжигании топлива с недостатком воздуха содержит уве­ личенное количество FeO и имеет черный цвет. Образовавшаяся же в печи при избытке воздуха окалина содержит большое количе­ ство Fe2O3 и имеет блестящий серый цвет.

Присутствие в печных газах сернистых соединений в количе­ стве 0,1—0,2% увеличивает количество окалины на заготовках в два-три раза. В пламенной печи окалина образуется в том случае, если в продуктах горения содержится менее 12% СО. При содер­

жании СО выше 12% окисление быстро уменьшается и при 16,5%

СО фактически прекращается (фиг. 25) [36].

Получение требуемых температур для кузнечной обработки при содержании в печных газах (12—16,5%) СО возможно при

условии подачи к горелкам печи только 50% теоретически необхо­

димого воздуха, предварительно подогретого в регенераторе (в противном случае температура печи не будет достигнута). При нагреве одинаковых заготовок в кузнечной пламенной печи с пло­

79