Что будет с металлом если его нагревать

Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении

Строение стали

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Рис. 1. Строение кристаллической решетки: а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются Аrпри охлаждении и Ас при нагревании. В точках Аr2и Ас2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А с3и Аr3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки AC1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe3C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм 2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше Rc= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

а — с содержанием углерода -0,1%

б — с содержанием углерода -0,85%

в — с содержанием углерода -1,1%

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

  1. Сталь с содержанием углерода 0,83%. Структура стали представляет собой перлит. При температуре 723° в точке Aс1 перлит переходит в аустенит.
  2. Сталь с содержанием углерода 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При температуре 723° в точке К1 перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При пересечении линии GS в точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К1на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К2— верхней критической точкой Ас1,.
  3. Сталь с содержанием углерода 1,2%. Структура стали представляет собой перлит и цементит. При температуре 723° в точке Pi перлит переходит в аустенит, и при дальнейшем повышении температуры происходит постепенное растворение цементита в аустените. При пересечении линии SEв точке Р2 это растворение закончится. Для этой стали точка Р1 явится нижней критической точкой Ас1, а точка Ρ2 — верхней критической точкой, которая для заэвтектоидных сталей обозначается Асm.

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии Аcт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки ACl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Читайте также:  Как быстро зачистить металл от ржавчины

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры — мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и феррита повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При несколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении углеродистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали.

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже Aс1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия Мн — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью Rc=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

Источник

Изменение свойств металла и химического состава при нагреве и ковке

5.1. Влияние углерода, постоянных примесей и легирующих элементов на свойства сталей

Углерод (С) оказывает сильное влияние на механиче­ские, физические и технологические свойства сталей. Сталь с небольшим содержанием углерода более пластич­ная, имеет большую теплопроводность и температуру плав­ления, меньшую прочность и твердость, хорошо куется. С увеличением в стали содержания углерода увеличива­ется прочность, закаливаемость, но ухудшаются ков­кость, пластичность, свариваемость, теплопроводность, уменьшается температура плавления. Чем больше в стали углерода, тем медленнее ее надо нагревать.

Сплав железа с углеродом (больше 2,14%) становится твердым и хрупким. Он не поддается ковке даже в горя­чем состоянии и его называют Чугуном.

Кремний (Si) — постоянная примесь и при содержа­нии до 0,4% не оказывает существенного влияния на свойства стали, а при добавлении его, сверх указанного, в виде легирующего элемента, увеличивает прочность и упругость, ухудшает пластичность, теплопроводность и, незначительно, свариваемость стали. Кремний добав­ляют при получении пружинно-рессорных сталей (до 2,8%), жаростойких (до3,5%) и трансформаторных (до 4%).

Марганец (Mn) — постоянная примесь и при содержа­нии до 0,8% не оказывает существенного влияния на свойства, а при большем содержании, как легирующий элемент, увеличивает прочность и упругость, улучшает свариваемость стали. Стали с большим количеством мар­ганца имеют хорошую сопротивляемость изнашиванию при трении. Добавление марганца ухудшает пластичность

И теплопроводность. Марганец добавляют при получении пружинно-рессорных сталей.

Сера (S) и фосфор (Р), хотя и не желательны, но яв­ляются постоянными примесями в сталях. Сера представ­ляет большую опасность при кузнечной обработке сталей, так как может вызвать Красноломкость, т. е. излом стали при температуре красного цвета каления. Фосфор в ко­личестве, превышающем нормы, приводит к Хладнолом­кости, т. е. к излому металла при пониженной или отри­цательной температурах.

Никель (Ni) увеличивает вязкость и прочность сталей, улучшает теплопроводность и способствует сохранению пластичности сталей при отрицательных температурах. Стали, содержащие никель, хорошо куются. Отрицатель­ным свойством является то, что с никелевых сталей трудно удалять окалину.

Хром (Сг) увеличивает прочность, но ухудшает вяз­кость сталей. Сильно уменьшает теплопроводность ста­лей. Чем больше хрома в стали, тем медленнее ее надо нагревать, тщательнее следить за температурой нагрева и за выдержкой при высоких температурах во избежание перегрева. Ковка хромистых сталей при высоких темпе­ратурах протекает удовлетворительно, при подстывании твердость быстро возрастает, что может вызвать появление трещин.

Сведения о влиянии на свойства стали других легирую­щих элементов имеются в работах [4, 7, 23].

5.2. Режимы нагрева металлов

Чтобы правильно вести процесс ковки, любому куз­нецу необходимо знать температуру начала и конца ковки каждого металла, каждой марки стали, т. е. знать ре­жимы нагрева.

Под режимом нагрева понимают определенные пра­вила, порядок и способы нагрева металла, обеспечиваю­щие температуры и скорость, которые необходимы для получения заготовок, пригодных для ковки и получения из них качественных поковок.

Температура ковки для различных марок сталей не одинакова и зависит от их химического состава. Для углеродистых сталей нагрев их определяется наличием углерода, т. е. чем больше углерода встали, тем ниже тем­пература плавления и ковки.

Температура’нагрева металла для ковки имеет очень важное значение, так как может влиять на качество де­талей получаемых ковкой, поэтому за ней требуется по­стоянный контроль. Для этого в кузницах с нагреватель­ными печами используют термопары и различные виды пирометров, описание которых имеется в работах [9, 23]. При нагреве металла в горнах, как правило, кузнец должен уметь сам приближенно определять температуру нагрева металлов на глаз по следующим цветам каления, при дневном освещении в тени:

Темно-коричневый (заметен в темноте). . , 530 . 580

Коричнево-красный. 580 . 650

Темно-красный. 650. 730

Темно-вишнево-красный. 730 . 770

Вишневый. 720 . 830

Светло-вишневый. 780. 830

Красный. 830. 900

Светло-красный. 900 . 1050

Желтый. 1050 . 1150

Светло-желтый. 1150. 1250

Белый. 1250 . 1300

При охлаждении металла цвет каления изменяется в об­ратной последовательности.

Температура нагрева сталей в начале ковки должна быть ниже их температуры плавления на 150. 200°С. При более высокой температуре может наступить явление пережога (см. ниже). Во время ковки металл остывает и ковать его становится затруднительно, а затем и невоз­можно. Поэтому ковку металла следует заканчивать с температурой на 20 . 30 °С выше допускаемой темпе­ратуры ковки. Температурные интервалы ковки некото­рых марок сталей приведены в табл. 5.1. Границы тем­ператур начала ковки — линия Гн и конца ковки —• линия Гк обозначены на рис. 8.2. Сведения о температурах ковки цветных металлов и их сплавов имеются в гл. 2 и работе [15].

Время нагрева сталей зависит от размеров заготовок и Химического состава их. С одной стороны, для уменьшения образования Окалины и увеличения производительности желательно уменьшать время нагрева. С другой, — заго­товки больших размеров, а также из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей следует нагревать посте­пенно и даже ступенчато, так как они имеют меньшую теп­лопроводность, в результате чего внутренние слои ме-

Таблица 5.1 Температурные интервалы ковки некоторых марок сталей

Углеродистые и легированные стали

СтО, Ст1,Ст2,СтЗ, 10, 15

55,60, 15Х, 15ХА,20Х

Талла не успевают прогреваться — ив заготовках возни­кают внутренние температурные напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Ориентировочное время нагрева заготовок из углеро­дистых сталей с размерами в сечении до 100 мм можно принимать из табл. 5.2, если нагрев заготовок осуществ­ляется в горне, работающем на древесном угле. Чтобы гарантировать равномер­ный прогрев заготовок по всему сечению, их сле­дует еще выдержать на огне примерно до 25% от времени, указанного в табл. 5.2. Очевидно, что время нагрева заготовок при работе горна на ка­менном угле будет не­сколько больше, так как теплотворность его меньше, чем у. древес-

Читайте также:  Превращение металла при охлаждении

Таблица 5.2 Время нагрева заготовок в горне, работающем на древесном угле

Время нагрева, мин, в зависимости

От формы сечения

Наго угля. Это следует учитывать при нагреве заго­товок.

Особенность нагрева заготовок из высокоуглероди­стых, инструментальных и легированных сталей состоит в том, что время нагрева, указанное в табл. 5.2, рекомен­дуется увеличивать яа 30 .„ 50%, а лучше их нагревать по режиму, состоящему из трех периодов: первый — мед­ленно до температуры 550 . 600 °С, второй — быстро до температуры начала ковки (см. табл. 5.1), третий — выдержка при постоянной температуре для выравнивания температуры по всему сечению. При нагреве заготовок из таких сталей в горнах ступенчатость нагрева можно, в какой-то мере, достигать путем регулирования пламени воздушной струёй, подаваемой в очаг горна. Нормы на стуненчатые режимы нагрева заготовок в печах приведены в работал 19, 10, 231.

5.3. Дефекты при нагреве и меры их предупреждения

При нагреве заготовок в них могут появиться следую­щие дефекты: окалииообразование или угар, обезуглеро­живание. недогрев, перегрев и пережог металла.

Окалинообразование или угар получается в результате образования оксидов железа на поверхности заготовки яри ее нагреве. Образование окалины обычно называют угаром металла.

Окалина — это хрупкое и непрочное вещество с со­держанием до 30% железа. Угар стали, в результате об­разования окалины, может достигать 4 . 5% от массы заготовки за один нагрев в горнах и несколько меньше (до 3%) в нагревательных печах. Если учесть, что при ковке заготовку приходится нагревать несколько раз (иногда до шести), то станет ясно, какое большое коли­чество металла идет в отходы в результате угара металла,

Количество образующейся окалины зависит от ско­рости и температуры нагрева метелла, формы заготовки, химического состава стали, вида топлива, пламени и дру­гих факторов.

С повышением температуры процесс окалинообразова-ния идет быстрее. Если скорость окалинообразования при температуре 850. 900°С принять за единицу, то ско­рость окисления при 1000 °С будет равна двум, при 1200 °С — пяти, при 1300 °С — семи.

Чем больше отношение поверхности заготовки к ее объему (поковки сложной формы), тем больше количество металла, при прочих равных условиях, превращается в окалину, так как окисление происходит по поверхности W пропорционально ее величине.

Легированные стали окисляются меньше. Окалина получается тонкой, значит уменьшается угар металла. Однако такая окалина плотяо прилегает к металлу и плохо очищается.

Окалинообразовавие происходит интенсивнее при иа-греве металла на сжигаемом топливе со значительным содержанием серы и при избытке воздуха, когда полу­чается светлое короткое прозрачное пламя, называемое Окислительным.

Следует отметить, что окадинообразование происходит не только при нагреве заготовки, но и при переносе ее от нагревательного устройства к месту ковки и даже в про­цессе ковки. Если заготовка покрылась слоем окалины, то этот слой, как говорят кузнецы, — «шуба», защищает металл от дальнейшего окисления. Если окалина осы­палась, то металл снова окисляется и часто еще быстрее, чем при нагреве.

Для уменьшения потерь металла на окалинообразова-нне или угар необходимо соблюдать следующие условия. По возможности применять малосернистое топливо. На­гревать металл так, чтобы при горении топлива не было избытка воздуха и не получалось окислительного пла­мени. По возможности уменьшать время нагрева заготовок и выдержки их в зоне нагрева. Транспортировать заго­товки от места нагрева до места ковки надо осторожно, не допуская разрушения слоя окалины. С заготовки ока­лину следует счищать непосредственно перед самой ков­кой, на наковальне или нижнем бойке молота.

Обезуглероживание происходит одновременно с окисле­нием железа и выражается в том, что при нагреве стали углерод, содержащийся в ее верхних слоях, выгорает и сталь становится более мягкой. Значит химический со­став стали изменится и не будет соответствовать той марке, из которой должна быть изготовлена деталь. При умень­шении содержания углерода уменьшается прочность и твердость стали, ухудшается способность ее закалива­ться. Глубина обезуглероженного слоя может достигать 2 . 4 мм, поэтому обезуглероживание опасно и для мел­ких поковок, имеющих небольшие припуски и для поко-

Вок, которые после механической обработки подверга­ются закалке. Низкоуглеродистая сталь может не зака­литься.

Процесс обезуглероживания начинается при темпера­туре 800 . 850 °С. Интенсивность его зависит от содер­жания углерода в стали. Чем больше углерода, тем мед­леннее идет обезуглероживание.

Для крупных заготовок обезуглероживание не опасно, так как в процессе ковки и остывания заготовки углерод перемещается из внутренних слоев к наружным и хими­ческий состав стали выравнивается.

Интенсивное обезуглероживание происходит при со­прикосновении с заготовкой острого окислительного пла­мени в виде языков.

При термической обработке ответственных деталей и инструмента обезуглероживание недопустимо. Поэтому в таких случаях нагрев деталей ведут в специальных за­щитных атмосферах.

Для уменьшения обезуглероживания следует, по воз­можности, не допускать соприкосновения заготовок с окислительным пламенем.

Недогрев — это такой нагрев металла, при котором заготовка нагрелась неравномерно по сечению или участ­кам длины. Очевидно, что такую заготовку нельзя вы­нимать из горна или печи и ковать. Если заготовка с од­ной стороны имеет белый цвет каления, а с другой еще желтый или красный, то из нее будет затруднительно получить поковку требуемой формы. Недогрев заготовок по толщине нельзя обнаружить по цвету каления. Поэ­тому необходимо знать расчетную или опытную норматив­ную величину продолжительности нагрева различных по сечению заготовок и строго ее придерживаться (табл. 5.2). Недогрев может появляться при плохом тепловом ре­жиме. Следовательно, в горне нужно обеспечить соответ­ствующее пламя, а в печи проверить температуру.

Перегрев нельзя обнаружить по внешнему виду нагре­той заготовки и даже в процессе ее ковки. Деталь, изго­товленная из перегретого металла, быстро ломается, так как перегретый металл имеет крупнозернистую струк­туру и поэтому не прочен. Сильно перегретая заготовка иногда разрушается уже при ковке — в углах появляются трещины. Для предотвращения перегрева не следует допу­скать выдержки заготовки в горне или печи при высокой

Температуре больше, чем рекомендуется расчетами или нормативами.

Перегрев можно устранить, если заготовку охладить и снова нагреть до температуры 800 . 850 °С и медленно охладить,

Пережог является ^опасным дефектом нагрева металла. Явление пережога объясняется следующим образом. При температуре выше 1250 . 1300 °С зерна металла стано­вятся очень крупными, а связь между ними настолько ослабевает, что начинает проникать кислород и сталь при действии на нее небольших сил разрушается. Переж­женную сталь необходимо отправлять на переплавку.

Пережог можно обнаружить по внешнему виду нагре­ваемого металла. Поверхность металла при пережоге имеет ослепительно белый искрящийся цвет. При пере­движении пережженной заготовки от нее отлетают ярко-белые искры.

. Для предупреждения пережога необходимо соблюдать следующее. Не допускать нагрева заготовок острым окис­лительным пламенем и касания поверхностей заготовок этим пламенем. Следить за цветом каления при нагреве заготовок в горне или печи. Не допускать превышения установленного времени выдержки заготовки при вы­сокой температуре. При появлении признаков пережога немедленно удалять заготовку из зоны нагрева. В на­гревательных печах поддерживать температуру на 120 . 150 °С ниже температуры пережога, указанной в табл. 5.1.

Трещины и раскалывание поковок являются дефектами нагрева металла. Наиболее часто поковки с такими дефек­тами получают из легированных и инструментальных ста­лей вследствие несоблюдения режимов нагрева их и про­должения ковки с температурой ниже температуры окон­чания ковки (см. табл. 5.1). Например, Поперечные тре­щины образуются из-за быстрого нагрева заготовок для ковки до температуры 800 . 900 °С, при этом наружные слои заготовок успевают нагреться до высокой темпера­туры, достаточной для ковки (см. табл. 5.1), а середины заготовок остаются еще холодными. Поверхностные тре­щины образуются при ковке подстывшего металла, а Раскалывание заготовок от ударов свидетельствует о том, что металл пережжен. Поэтому кузнецам следует тща­тельно соблюдать режимы нагрева (см. выше) и пра­вила ковки указанных и других сталей (см. ниже).

5.4. Изменения, происходящие в металлах при нагреве и ковке

Пластичность стали увеличивается при нагреве, т. е. когда в ней начинаются внутренние превращения, состоя­щие в укрупнении зерен и ослаблении связей между ними. Поэтому прочность стали уменьшается, она становится мягкой и пластичной. Это позволяет с меньшими усилиями деформировать металлы. Например, для обычной угле­родистой стали 45 при нагревании до 600 °С временное сопротивление ее уменьшается с 600 до 250 МПа, т. е. больше чем в 2 раза. При дальнейшем нагревании стали 45 временное сопротивление ее уменьшается и имеет сле­дующие значения: при 700 °С—150 МПа, при 1000 °С — 55 МПа, при 1200 °С—25 МПа, при 1300 °С — 20 МПа. Следовательно, прочность стали, нагретой до температуры 1200 . 1300 °С, уменьшается в 25 . 30 раз по сравнению с холодной сталью. Однако следует иметь в виду, что при нагреве стали до температуры 200 . 400 °С прочность Ее увеличивается, а пластичность резко уменьшается и она становится хрупкой. Этот интервал температур назы­вают Зоной синеломкости. При таких температурах сталь­ные изделия легче всего ломаются.

При нагреве цветных металлов и их сплавов наблю­дается такое же явление. Разница состоит в том, что они имеют более низкие температуры плавления, чем Сталь, и все критические температуры у них имеют мень­шие значения, чем у сталей. Например, прочность меди уменьшается в 6 . 7 раз при нагреве с 15 до 800 °С, алюминия—в 30 . 35 раз при нагреве до 600 °С.

Зернистое строение металла изменяется в зависимости от температуры и скорости деформирования его. Соот­ветственно этим воздействием на металл изменяется и прочность его. Например, нр№ нагреве стали до критиче­ской температуры (723 °С) начинается рост зерен и про­должается вплоть до расплавления его. При нагреве стали до ковочной температуры (см. табл. 5.1) соответственно вырастают и зерна. Если после этого сталь охлаждать без деформации, то обратного явления не наблюдается, т. е. зерна не уменьшаются, а металл становится непрочным и хрупким. Если же сталь подвергать пластической де—формации, например путем ковки, вплоть до температуры окончания ковки (см. табл. 5.1), то зерна не восстанавли* ваются, а металл становится более прочным, твердым в

Читайте также:  Ультрафиолетовая краска для металла

Рис. 5.1. Изменение форм поковок по закону наименьшего сопроти­вления

Износостойким. Чем быстрее будет проходить процесс де­формации металла от начала ковки до конца ковки, тем металл будет прочнее, следовательно, ковку горячего металла рекомендуется проводить как можно быстрее и сильными ударами, потому что при ковке сильно нагре­того металла слабыми ударами в конце ковки он получа­ется — с крупнозернистым строением и поковка будет не прочной. Если требуется небольшая деформация металла, то перед ковкой его можно нагревать несколько ниже тем­пературы начала ковки (см. табл. 5.1), имея в виду, что ковка будет закончена до наступления критической тем­пературы (723 °С).

При продолжении ковки ниже критической температу­ры зерна пластически деформируются (вытягиваются) и остаются в напряженном состоянии, потому что при низкой температуре они уже не успевают переформиро­ваться в более мелкие зерна. После этого металл утрачи­вает пластичность и становится более прочным, твердым и хрупким. Упрочнение металла под действием пласти­ческой деформации называется Наклепом или Нагартов-кой. Наклеп не желателен, так как при этом, кроме хрупкости, резко уменьшается свойство металла обрабаты­ваться резанием.

Закон наименьшего сопротивле­ния заключается в том, что при пластической деформа­ции частицы металла всегда перемещаются по направле­ниям, где встречают наименьшее сопротивление. Напри­мер, брусок металла (рис. 5.1) длиной I и шириной Ь При ковке течет в направлении длины и ширины. Причем частицы металла перемещаются по кратчайшим расстоя­ниям. Увеличение ширины бруска происходит в большей степени, чем увеличение длины — При значительной осадке

Брусок принимает форму, близкую к овалу 1, а затем —• к кругу 2 (рис. 5.1, А). Форму круга принимают также квадратные заготовки и заготовки, имеющие в сечении форму треугольника, шестигранника и других много­угольников.

При осадке цилиндра (рис. 5.1, Б) металл течет интен­сивнее в середине по высоте, а не в местах установки и удара. Заготовка приобретает бочкообразную форму.

Зная этот закон, можно направлять течение металла по длине или ширине заготовки и быстрее выполнять опе­рации протяжки и разгонки, применяя более узкий удар­ный или накладной инструмент и соответственно нанося удары по заготовке (см. рис. 7.2, А, б, 7.21, Б и 7.23).

Закон о постоянстве объема указы­вает на то, что при пластической деформации объем ме­талла практически остается йостоянным, т. е. металл при ковке не уплотняется, а только изменяет форму. Если говорить строго, то некоторое уплотнение металла при ковке есть, но оно настолко незначительно, что им пренебрегают и считают, что объем поковки равен объ­ему заготовки за вычетом неизбежных отходов и потерь. Закон о постоянстве объема используется при определе­нии массы и размеров заготовок и поковок, а также пере­ходов ковки (см. гл. 6).

Степенью укова называется отношение пло­щади поперечного сечения заготовки 5з к площади по­перечного сечения поковки Sa после протяжки, т. е.

Y = 5,/sn, или, наоборот, отношение

Будет также уковом после осадки. Обычно степень укова для сталей из проката составляет 1,5 . 4, а для слитков достигает 12. С увеличением степени укова увеличивается прочность металла (он лучше прокован), так как полу­чаются более мелкие зерна, поэтому на поковки для от­ветственных деталей задают определенную величину степени укова.

Для поковок с известными диаметрами диаметры за­готовок, с учетом степени укова, можно определять по формулам:

Где с? з, Da — диаметры заготовки и поковки.

Из формул (5.1) и (5.2) можно получить формулы для определения размеров сечений заготовок, имеющих дру­гие формы. ^

Усадка металла, т. е. уменьшение размеров поковки, наблюдается при охлаждении металла. Для определения усадки надо знать, что при снижении температуры сталь­ной поковки с 750 . 800 °С (см. табл. 5.1) до 20 °С ее Размеры уменьшаются на 0,75 . 0,8 %.

Например, поковка длиной 400 мм в нагретом состоя­нии при охлаждении будет иметь длину 400—400.0,8/100= = 396,8 мм. Из примера видно, что усадку следует учи­тывать только при изготовлении достаточно крупных и длинных поковок. Для мелких и средних поковок усадка будет незначительной и находится в пределах допусков.

Влияние расположения волокон на прочность металла. Основным материалом при ковке мелких и средних поко­вок является сортовой прокат. Прокатанная сталь имеет волокнистое строение, получающееся в результате из­мельчения и сплющивания зерен, которые вытягиваются и образуют ориентированные волокна в направлении прокатки. Механические свойства (прочность) металла вдоль и поперек волокон различны. При действии сил вдоль волокон прочность металла больше, чем при дей­ствии их поперек волокон. Перерезание волокон умень­шает прочность деталей из проката.

Ковкой можно переориентировать эти волокна или перепутать их, что будет способствовать получению более прочных деталей из поковок, чем из проката. Примеры такого упрочнения показаны на рис. 5.2.

Изготовить болт можно тремя способами (рис. 5.2, A):

1 — точением из проката диаметром D; 2 — ковкой из проката диаметром D; 3 — осадкой головки из проката диаметром D. Наибольшей прочностью будет обладать болт, изготовленный третьим способом.

В шестерне (рис. 5.2, б), изготовленной из проката резанием, волокна направлены параллельно ее оси. При работе шестерни в зацеплении с зубчатым колесом силы будут направлены поперек волокон, т. е. неблагоприятно. При изготовлении той же шестерни из заготовки, полу­ченной осадкой (рис. 5.2, в), волокна будут иметь радиаль-

Рис. 5.2. Влияние расположения волокон на прочность металла

Ное направление, т. е. более благоприятное относительно действия на зуб силы от колеса.

Крюк, изготовленный гибкой и ковкой проката (рис. 5.2, г), будет прочнее, чем крюк, вырезанный из толстой плиты (рис. 5.2, Д).

Коленчатый вал, изготовленный гибкой и ковкой про­ката (рис. 5.2, Е> имеет волокна, направленные вдоль действия рабочих растягивающих сил. Такой же вал, полученный из проката резанием (рис. 5.2, Ж>, имеет неблагоприятное направление волокон, а в некоторых частях волокна перерезаны при обработке. Следовательно,

Вал, изготовленный гибкой и ковкой, будет более проч­ным и может иметь меньший диаметр и массу для восприя­тия одинаковой силы с валом, изготовленным с приме­нением обработки резанием.

На рис. 5.2, э показаны два способа образования усту­пов: при помощи топора и полукруглой пережимки. При получении уступа пережымкой вал будет более прочным.

В некоторых случаях требуются поковки, механиче­ская прочность которых должна быть одинаковой во всех направлениях. Очевидно, что в такой поковке волокна должны быть разориентированы и перепутаны во всем объеме поковки. Это достигается путем осадки заготовки в разных направлениях по нескольку раз. Подобная об­работка повышает стойкость, например, штампов в 1,5 . 2 раза и больше [23]. Иногда этого можно достичь путем кузнечной сварки многих мелких заготовок (отходов) в одну поковку при беспорядочном расположении этих заготовок.

Таким образом, при изготовлении поковок кузнец должен уметь ориентировать направления волокон так, чтобы они совпадали с направлением наибольших растя­гивающих сил, действующих на детали при эксплуатации, и по возможности не перерезать волокна металла при ковке.

Влияние рабочей поверхности инструмента на обра­батываемый металл выражается в следующем. При мень­шей лицевой поверхности инструмента он легче внедря­ется в металл и требуется меньшая сила удара по инстру­менту. Однако острые инструменты перерезают волокна и уменьшают прочность поковки. Поэтому при образова­нии переходов лучше применять инструмент без острых кромок, позволяющий получать плавные переходы у по­ковок.

Между рабочей поверхностью инструмента и металлом при ковке возникают силы трения. Этим и объясняется выпучивание металла (см. рис. 5.1). Силы трения как бы задерживают перемещение металла вдоль ударного или накладного инструмента и он течет преимущественно в ту сторону, где силы трения оказывают меньшее сопротив­ление. Поэтому при протяжке применяют узкие верхние бойки, так как металл течет не вдоль, а поперек бойков или раскаток.

Следует учитывать охлаждающее действие инстру­мента на нагретый металл. Особенно интенсивно это ох­лаждение в начале ковки, когда инструмент сравнительно

Холодный, а металл нагрет до ковочной температуры. Так как заготовка с опорным инструментом (наковальней, нижним бойком) соприкасается более продолжительное время, то для выравнивания температуры обрабатывае­мого металла необходимо периодически кантовать его на наковальне или нижнем бойке.

На рабочих поверхностях инструмента не должно быть выбоин, вмятин, нагаров, поэтому его периодически надо зачищать и шлифовать, иначе на металле будут получать­ся неровности, соответствующие выбоинам и вмятинам.

5.5. Особенности ковки легированных и инструментальных сталей

Поковки из легированных и инструментальных сталей, как правило, предназначаются для изготовления наиболее ответственных деталей машин и должны быть всегда вы­сококачественными. Поэтому при нагреве и ковке их необходимо вести ступенчатый режим нагрева. Поковки надо ковать частыми и сильными ударами, при этом пово­рачивая их после каждых двух-трех ударов и постоянно следить за тем, чтобы на заготовке не образовывались острые углы и кромки. При ковке на молотах следует использовать узкие бойки, чтобы хорошо проковать сталь. Нужно обязательно делать осадку не менее 2—3 раз в зависимости от характера ковки. После каждой осадки и последующей протяжки заготовки требуется подвергать промежуточному отжигу. Ковку следует за­канчивать при температуре на 30 . 50 °С большей, чем температура конца ковки (см. табл. 5.1). При невыпол­нении этих требований (особенно режима нагрева и конца ковки) в металле образуется не наклеп, как у углероди­стых сталей обыкновенного качества, а трещины. Нак­леп — устранимый дефект, а трещины чаще всего при­водят к окончательному браку.

Перед ковкой инструментальной стали марок У7 . У 13 рекомендуется убедиться, из той ли марки стали полу­чена заготовка. Для этого из нее отковывают брусок сече­нием 10 х 10 мм, который надрубают, затем закаливают и ло­мают. В месте излома металл должен иметь матовый цвет.

Из приведенного видно, что изготовление поковок из легированных и инструментальных сталей более трудо­емко, чем из углеродистых сталей обыкновенного ка­чества.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector