Высокотемпературная обработка давлением различных металлов нагретых до ковочной температуры

Обработка давлением, особенности технологии работы с металлом

Обработка материалов давлением основана на их пластичности. В результате процесса можно получить конечную деталь либо заготовку, близкую по форме к готовому продукту. Различные виды обработки металлов давлением применяются в машиностроении, авиационной промышленности, автомобилестроении и пр.

Физические основы обработки металлов давлением

Обработка материалов давлением основана на механическом свойстве атомов занимать новое устойчивое положение при воздействии на них нагрузки, превышающей предел упругости материала. Это называется пластической деформации. Помимо механических, изменяются и физико-химические свойства металла.

Штампованные детали

Существует горячая и холодная обработка металлов давлением.

  • Горячей называется обработка при температуре заготовки выше температуры рекристаллизации;
  • Холодная обработка материалов давлением происходит при температуре заготовки ниже температуры рекристаллизации.

Закалка и отпуск — очень важные этапы работы со сталью. Как правильно их выполнять, мы можете узнать, прочитав эту статью.

Существуют различные виды обработки материалов давлением:

  • прокатка;
  • ковка;
  • прессование;
  • волочение;
  • объемная штамповка;
  • листовая штамповка;
  • комбинированные методы.

Обработка металлов давлением: прокатка

Прокаткой называется вид пластической обработки, в процессе которого исходная заготовка обжимается вращающимися валками стана прокатного. Целью операции является уменьшение поперечного сечения заготовки и придания ей заданного профиля.

Способы прокатки

Существует три способа прокатки металла:

  • продольная: самый распространенный способ прокатки. Суть его заключается в следующем: заготовка пропускается между валками, вращающимися в разные стороны, при этом она обжимается до толщины, равной зазору между валками;
  • поперечная: применяется для обработки тел вращения (шаров, цилиндров, втулок и пр.). Заготовка при этом не имеет поступательного движения;
  • поперечно-винтовая: нечто среднее между двумя предыдущими способами. Применяется для изготовления полых заготовок.

Ковка

Ковка относится к высокотемпературным операциям. Заготовка предварительно нагревается до ковочной температуры, зависящей от конкретной марки металла.

  • ковка на молотах (пневматических, гидравлических и паровых);
  • штамповка;
  • ручная ковка.

Машинная (на молотах) и ручная ковка является свободной, так как металл при воздействии на него инструмента ничем не ограничен.

Штамповка свободной не является, так как заготовка находится в матрице штампа (т. е. ограничена со всех сторон). В результате штамповки металл принимает форму полости матрицы.

Ковка применяется в единичном и мелкосерийном производстве. Для получения поковки разогретую заготовку помещают между ударными частями (бойками) молота. В качестве подкладных инструментов используются:

Прессование

Это способ обработки металла, в процессе которого он выдавливается прессом из полости матрицы через ее отверстие. Применяется для обработки хрупких металлов.

Прессованием получают полые и сплошные профили из титановых сплавов, алюминия, меди и магния – детали для автомобилей, самолетов, лопатки, подвески, трубы.

Прессование может быть горячим и холодным. Обработка пластичных материалов производится в холодном состоянии (олово, медь, чистый алюминий). Тугоплавкие металлы и сплавы (содержащие никель, титан и др.) прессуются только после предварительного нагрева заготовки и инструмента.

С помощью этой операции можно получить детали различной конфигурации, с ребрами (внутренними и наружными), постоянным или периодическим профилем по длине.

Прессование выполняется на прессах со сменной частью (матрицей). Матрицы изготавливаются из жаропрочных штамповых сталей.

Волочение

Волочением называется метод обработки металлов, в процессе которого заготовка круглого (или фасонного) профиля принудительно протягивается через фильеру (волоку). Примером может служить изготовление проволоки, когда заготовка большого диаметра (катанка) протягивается через ряд фильер, на выходе из которых получается проволока гораздо меньшего диаметра.

  • по типу волочения:
  1. сухое (через мыльный порошок);
  2. мокрое (через эмульсию мыльную).
  • по чистоте обработки поверхности:
  1. черновое;
  2. чистовое.
  • по кратности переходов:
  1. однократное;
  2. многократное (с несколькими переходами с постепенным уменьшением поперечного сечения заготовки).
  • по температуре:
  1. холодное волочение;
  2. горячее волочение.

Объемная штамповка

Метод обработки металла, при котором придание заготовке заданной формы осуществляется с помощью штампа. При этом течение металла ограничивается полостями его частей.

Существует две разновидности штампов: открытые и закрытые.

В открытых штампах между подвижными частями предусмотрен зазор, в который выдавливается избыток металла – облой. Его приходится удалять на последующей операции механической обработки. Штамповка в открытых штампах хороша тем, что не требуется предъявлять особых требований к массе заготовки.

Закрытые штампы такого зазора не имеют. Весь металл находится в замкнутом пространстве, облоя не образуется. Но в этом случае заготовка тщательно рассчитывается по объему.

Листовая штамповка

Листовая штамповка заключается в изготовлении детали из листа, полосы или ленты, полученных прокаткой.

Существуют два основных вида операций:

  • разделительные: вырубка, отрезка и пробивка;
  • формообразующие: вытяжка, гибка отбортовка, раздача, чеканка и пр.

Листовая штамповка производится на кривошипных и гидравлических прессах. В качестве инструмента используются штампы, основными деталями которых являются матрицы и пуансоны.

В основном штампованная деталь не требует дальнейшей механической обработки. Поэтому матрицы и пуансона должны быть тщательно рассчитаны и изготовлены с соблюдением всех технических требований.

Несмотря на то, что листовая штамповка является в какой-то мере стандартной операцией, конструктора часто сталкиваются с нетипичными проблемами: обработка металлов давлением учебник, как правило, предоставляет множество примеров конструкторских разработок частных случаев.

Листовая штамповка широко применяется практически во всех отраслях промышленности. Детали, полученные этим методом, отличаются высокой точностью. От мельчайших деталей микроэлектроники до кузовов автомобилей – все это производится методом листовой штамповки. Специальность обработка металлов давлением наряду с обработкой металла резанием является одной из самых востребованных.

Источник

Нагрев металла перед обработкой давлением

Визуальное определение температуры нагретого металла

Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.

В зависимости от температуры нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки: закалка, отпуск и отжиг.

В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу.

Цвет каления стали Температура нагрева, °С
Темно-коричневый (заметен в темноте) Коричнево-красный Темно-красный Темно-вишнево-красный Вишнево-красный Светло-вишнево-красный Светло-красный Оранжевый Темно-желтый Светло-желтый Ярко-желтый 530-580 580-650 650-730 730-770 770-800 800-830 830-900 900-1050 1050-1150 1150-1250 1250-1350

Нагрев металла под ковку и штамповку

Процесс нагрева металла под ковку и штамповку должен обеспечивать: достижение требуемой температуры слитка или заготовки, достаточно равномерно распределенной по сечению, минимальное окисление и обезуглероживание поверхности, сохранение целостности нагреваемого металла т. е. отсутствие микро- и макротрещины. Чем выше скорость нагрева (т. е. чем меньше его продолжительность), тем меньше окисление и обезуглероживание поверхности и тем экономичнее (рентабельнее) нагрев.

Однако при чрезмерно быстром нагреве, в результате значительного температурного градиента по сечению слитка или заготовки в металле могут возникать термические напряжения, которые в некоторых случаях приводят к образованию микро- и макротрещин. Поэтому различают технически возможную и допускаемую скорости нагрева.

Технически возможная скорость нагрева при прочих равных условиях зависит от температуры печи, точнее от температурного напора, т. е. от разности между температурой печи и средней температурой поверхности заготовки. Температура печи и конечная разность температур печи и нагрева заготовки являются основными факторами, при помощи которых можно регулировать скорость нагрева.

Время нагрева кованых и катаных кузнечных заготовок из углеродистой и конструкционной стали при разной температуре рабочего пространства печи приведено в табл. 5, а время нагрева подогретых до 700° С заготовок в печи с температурой 1300° С — в табл. 6.

В зависимости от формы поперечного сечения (цилиндр, квадрат) нагреваемых заготовок и расположения их на поду печи, время нагрева будет различным (рис. 2).

Рис. 2. Значение коэффициента К, учитывающего влияние взаимного расположения заготовок на поду печи во время нагрева (по данным ЦНИИТМАШ)

Нагрев заготовок и слитков с размером сечения (диаметр или сторона квадрата) более 200 мм приходится обычно вести не с технически возможной, а с допускаемой скоростью, которая обуславливается величиной термических напряжений и механическими свойствами (пластичностью) нагреваемого металла.

Величина термических напряжений будет тем выше, чем больше температурный градиент по сечению заготовки, а последний возрастает с увеличением температурного напора и размера сечения нагреваемого тела, а также с уменьшением температуропроводимости металла. Поэтому допустимую скорость нагрева можно считать прямо пропорциональной температуропроводности и обратно пропорциональной квадрату толщины заготовки, коэффициенту линейного расширения и модулю упругости.

При высоких температурах, когда металл обладает достаточной пластичностью, термические напряжения не могут вызвать нарушений сплошности. Поэтому понятие о допустимой скорости нагрева относится в основном к первому периоду нагрева, т. е. к нагреву в интервале температур 20-550° С (для углеродистой стали).

Характерный режим нагрева крупных слитков приведен на рис.3.

Рис. 3. Схема температурного режима нагрева крупных слитков: t1 — температура печи при посадке слитка; t2 — температура печи в конце 1-го периода нагрева; t3 — температура печи в конце 2-го периода, t4 — температура в конце выдержки; τ1 — время выдержки при температуре посадки слитка; τ2 — время первого подъема температуры печи; τ3 — время промежуточной выдержки; τ4 — время второго подъема температуры печи; τ5 — время выдержки при ковочной температуре

Более мелкие слитки и заготовки нагревают и по несколько упращенному режиму: выдержка при температуре посадки, нагрев с определенной скоростью до ковочной температуры и выдержка при ковочной температуре.

В табл. 7-12 приведено время нагрева заготовок и слитков из углеродистой, легированной и высоколегированной сталей.

При определении продолжительности нагрева заготовок и слитков в методических и полуметодических печах можно пользоваться формулой, предложенной Ю. М. Чижиковым

где D — диаметр или меньшая сторона сечения нагреваемого тела в см; К — коэффициент; для углеродистых сталей К=0,1÷0,15; для легированный конструкционных К=0,15÷0,2; для высоколегированных и инструментальных К=0,3÷0,4.

  • Время нагрева заготовок и слитков
  • Угар и обезуглероживание металла при нагреве
  • Борьба с окисление металла при нагреве

Закалка стальных деталей

Закалка придаёт стальной детали большую твердость и износоустойчивость.

Для этого деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, чтобы весь объём материала прогрелся, а затем быстро охлаждают в масле (конструкционные и инструментальные стали) или в воде (углеродистые стали).

Обычно детали из конструкционных сталей нагревают до 880–900°C (цвет каления светло-красный), из инструментальных – до 750–760°С (цвет темно-вишнево-красный), а из нержавеющей стали – до 1050–1100°С (цвет темно-желтый).

Нагревают детали вначале медленно (примерно до 500°С), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в детали не возникли внутренние напряжения, что может привести к появлению трещин и деформации материала.

В ремонтной практике применяют в основном охлаждение в одной среде (масле или воде), оставляя в ней деталь до полного остывания. Однако этот способ охлаждения непригоден для деталей сложной формы, в которых при таком охлаждении возникают большие внутренние напряжения.

Детали сложной формы сначала охлаждают в воде до 300–400°С, а затем быстро переносят в масло, где и оставляют до полного охлаждения. Время пребывания детали в воде определяют из расчета: 1с на каждые 5–6 мм сечения детали. В каждом отдельном случае это время подбирают опытным путём в зависимости от формы и массы детали.

Качество закалки в значительной степени зависит от количества охлаждающей жидкости. Важно, чтобы в процессе охлаждения детали температура охлаждающей жидкости оставалась почти неизменной, а для этого масса ее должна быть в 30–50 раз больше массы закаливаемой детали. Кроме того, перед погружением раскаленной детали жидкость необходимо тщательно перемешать, чтобы выровнять ее температуру по всему объему.

В процессе охлаждения вокруг детали образуется слой газов, который затрудняет теплообмен между деталью и охлаждающей жидкостью. Для более интенсивного охлаждения деталь необходимо постоянно перемещать в жидкости во всех направления.

Нагрев металла перед обработкой давлением

Значение нагрева металла. Нагрев металла при обработке давлением – одна из основных операций, от которой в большой степени зависит точность размеров получаемых изделий, их качество, правильное использование оборудования, инструмента и т.п.

Главная цель нагрева металла при обработке давлением – повышение его пластичности и уменьшение сопротивления деформированию. Нагрев должен обеспечивать равномерную температуру по сечению заготовки, её минимальное окисление и обезуглероживание. Практикой установлено, что интенсификация нагрева снижает окалинообразование, за счёт чего повышается точность изделий и возрастает стойкость инструмента (прокатных валков, бойков, штампов и т.п.).

Температурный интервал горячей обработки давлением. Каждый металл и сплав имеет свой строго определённый температурный интервал горячей обработки давлением.

Верхний предел температуры нагрева, т.е. температуру начала обработки следует назначать, чтобы не было ни пережога, ни перегрева.

– образование хрупкой плёнки между зёрнами металла, вследствие окисления их границ с частичным оплавлением. При пережоге происходит полная потеря пластичности металла. Пережог – неисправимый вид брака. Пережженный металл отправляют на переплавку. Пережог наступает, если температура нагрева близка к линии солидус (для сталей – линия АЕ на рис.3.4). Например для стали 20 пережог наступает при 1470 оС, а для стали У11 – при 1180 оС.

Ниже зоны пережога лежит зона перегрева. Перегрев

приводит к резкому росту зерна. Так как крупнозернистому аустениту (первичная кристаллизация) соответствует крупное зерно структур, образовавшихся при вторичной кристаллизации (феррит + перлит, перлит + цементит), то механические свойства изделия, полученного из перегретой заготовки, оказываются низкими. Перегрев – исправимый брак, для этого проводят отжиг II рода.

В процессе обработки давлением металл остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом и внешней средой. Заканчивать горячую обработку следует не ниже определённой температуры. Если температура окончания обработки давлением будет близкой к температуре рекристаллизации или ниже её, то металл упрочнится, так как рекристаллизация не успеет произойти. Если же температура окончания обработки давлением будет значительно выше температуры рекристаллизации, то в процессе остывания зерно металла успевает вырасти (особенно у металлов, не испытывающих фазовых превращений), а следовательно, снизиться пластичность и вязкость металла.

Для сталей верхний предел температуры нагрева – температура начала обработки давлением – находится на 100 – 200 оС ниже линии солидус АЕ диаграммы состояния (см. рис.3.4), а нижний предел выбирают на 50 – 60 оС выше линии PS.

Скорость нагрева также должна лежать в определённом интервале. Скорость нагрева не должна быть слишком большой, так как с её увеличением увеличивается разность температур по сечению заготовки и, как следствие, опасность образования внутренних микро- и макротрещин. На практике пользуются эмпирическими формулами, устанавливающими связь между скоростью нагрева и размерами заготовки.

Рис.3.4. Температурный интервал обработки давлением углеродистых сталей.

Скорость нагрева не должна быть также слишком низкой, так как с уменьшением скорости нагрева возрастает время нагрева и интенсифицируется скорость окисления поверхности металла. Окисление называют угаром. При угаре на поверхности образуется окалина (на стали – оксиды FeO, Fe3O4, Fe2O3), которая увеличивает износ деформирующего инструмента, так как твёрдость некоторых оксидов, входящих в состав окалины выше твёрдости нагретого инструмента. На угар теряется около 5 % всей стали, подвергаемой обработке давлением. При высоких температурах окисляется не только железо, но и углерод – происходит так называемое обезуглероживание. Толщина обезуглероженного слоя может достигать 1,5… 2 мм. Для уменьшения окисления и обезуглероживания при нагреве в печи применяют нейтральные, защитные и восстановительные атмосферы. А после нагрева перед обработкой давлением применяют различные способы удаления окалины.

Режим охлаждения после обработки давлением также важен для качества получаемой стали: чем меньше теплопроводность материала заготовки, чем больше её масса и сложнее конфигурация, тем медленнее должно быть охлаждение.

Нагревательные устройства. Применяемые при обработке давлением нагревательные устройства классифицируются по следующим признакам:

1. По источнику энергии. Различают следующие типы печей:.

· Пламенные печи. В них осуществляется косвенный нагрев заготовки, т.е. за счет соприкосновения поверхности с какой – либо средой (газообразной жидкой, твердой). Передача тепла в этом случае идет за счет конвекции или излучение (основной способ при высоких температурах). Печи (пламенные) чаще применяют для нагрева слитков и крупных заготовок.

· Электронагревательные устройства. В них может реализоваться как прямой способ нагрева, т. е. когда тепло выделяется в самой заготовке, так и косвенный. Эти устройства наряду с нагревательными печами применяются для нагрева средних и мелких заготовок.

2. По назначению. По этому признаку различают:

· Устройства для нагрева под прокатку:

· Устройства для нагрева под ковку и штамповку

· Устройства для нагрева под прессование (выдавливание)

3. По принципу действия. В зависимости от принципа действия печи делятся на следующие типы:

· Устройства с периодической загрузкой. Заготовки в них неподвижны, загрузка и выдача их производится через то же сядочное окно.

· Устройства с непрерывной загрузкой (методические печи). В них заготовки в процессе нагрева непрерывно продвигаются от места загрузки к месту выдачи.

Характеристика пламенных печей.

(рис.3.5, а). Температура в камерных печах одинакова по всему объему рабочему. Для уменьшения температурных напряжений температура печи при загрузке заготовок (особенно из легированной стали) должна быть значительно ниже необходимой конечной. Эти печи универсальны поэтому очень распространены в мелкосерийном производстве; могут быть использованы для нагрева слитков массой до 300 т. Рабочее пространство 1 печи, выложенное огнеупорным кирпичом, нагревается с помощью двух форсунок 2. Заготовки 3 загружаются и выгружаются через окно 4. Продукты сгорания отводятся через дымоход 5

Рис.3.5. Схемы пламенных печей: а – камерная печь, б – методическая печь.

(они могут быть также электрическими) относятся к печам периодического действия; в них нагреваются крупные слитки под прокатку; слитки помещаются в колодце вертикально и загружаются сверху. Применяются, как правило, в прокатных цехах.

– печи периодического действия для нагрева только концов прутков, имеют загрузочные окна в виде круглых отверстий.

(рис.3.5, б) – печи непрерывного действия (непрерывной загрузки). Бывают пламенными и электрическими, последние чаще применяют в цехах по обработке цветных металлов и сплавов. Методическая печь имеет вытянутое рабочее пространство, разделенное на две (двухзонная печь) или три (трехзонная печь) зоны. В последнем случае различают:
I
– подогревательную зону (600…800 ºС),
II
– зону максимального нагрева (1250…1350 ºС);
III
– зону выдержки (томления), в ней температура выравнивается по сечению заготовки. Заготовки 1 с помощью толкателя 2 проталкиваются по водоохлаждаемым трубам 3 и постепенно проходят по зонам подогрева и максимального нагрева, где происходит основное сгорание топлива с помощью форсунок 4. Выгружаются заготовки через окно 5. Методические печи применяют в прокатном производстве и крупносерийном штамповочном.

Основные показатели эффективности работы пламенных печей:

а) Напряженность пода:

– напряженность пода,

– производительность печи (кг/ч),
Fп
– площадь пода (м²).

Напряжённость пода определяет производность печи. Для методических печей Н

б) Коэффициент полезного действия печи η

– тепло, затраченное на нагрев (Дж),
Qп
– тепло, внесенное в печь (Дж).

Основные потери теплоты происходят с уходящими газами, имеющими высокую температуру; чем выше температура уходящих газов, тем ниже η

. Поэтому к. п. д. методических печей выше чем у камерных, и достигает 40…60 %. Тепло уходящих газов в пламенных печах может использоваться для подогрева воздуха и топлива, подаваемых в печь. Для подогрева служат рекуператоры (в рекуператорных печах) – подогреватели непрерывного типа, и регенераторы (в регенеративных печах) – подогреватели периодического действия. В рекуператорах холодный воздух пропускается по трубам, омывающимся снаружи уходящими газами. Устройство регенераторов такое же, как и применяемых в доменных и мартеновских.

в) Удельный расход топлива – отношение количества затраченного топлива к весу нагретого металла.

Характеристика электронагревательных устройств.

1) Электропечи сопротивления

имеют вместо форсунок, вмонтированные в стены металлические или карборундовые (силитовые) элементы сопротивление, подключаемые к силовой электросети. Используются в основном для нагрева под обработку давлением цветных сплавов, имеющих сравнительно невысокую по сравнению со сталью температуру начала ковки. Для стальных заготовок нагрев в электропечах – дорогостоящий, т. к. стойкость нагревательных элементов при температурах нагрева стали под обработку – низка. Главное преимущество электропечей сопротивления – возможность точного регулирования температуры рабочего пространства.

2) Индукционные электронагревательные устройства

. Заготовка в этих устройствах помещается внутрь многовиткового соленоида, по которому пропускается переменный ток. В заготовке возникают вихревые токи, которые нагревают установку.

3) Электроконтактные устройства

. Нагрев в них осуществляется путем пропускания через заготовку электрического тока большой силы.

Наглядные учебные пособия, используемые на лекции

Кузнечные печи (плакат)

Тема 5:Обработка металлов давлением (продолжение).

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

Отпуск закаленных деталей

Отпуск закаленных деталей уменьшает их хрупкость, повышает вязкость и снимает внутренние напряжения. В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск применяют главным образом при обработке измерительного и режущего инструмента. Закаленную деталь нагревают до температуры 150–250°С (цвет побежалости – светло-желтый), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате такой обработки материал, теряя хрупкость, сохраняет высокую твердость и, кроме того, в нем значительно снижаются внутренние напряжения, возникшие при закалке.

Средний отпуск применяют в тех случаях, когда хотят придать детали пружинящие свойства и достаточно высокую прочность при средней твердости. Для этого деталь нагревают до 300–500°С и затем медленно охлаждают.

И, наконец, высокому отпуску подвергают детали, у которых необходимо полностью снять все внутренне напряжение. В этом случае температура нагрева еще выше – 500–600°С.

Термообработку (закалку и отпуск) деталей постой формы (валики, оси, зубила, кернера) часто делают за один раз. Нагретую до высокой температуры деталь опускают на некоторое время в охлаждающую жидкость, затем вынимают. Отпуск происходит за счет тепла, сохранившегося внутри детали.

Небольшой участок детали быстро зачищают абразивным брусочком и следят за сменой цветов побежалости на нем. Когда появится цвет, соответствующий необходимой температуре отпуска (220°С – светло-желтый, 240°С – темно-желтый, 314°C – светло-синий, 330°С – серый), деталь вновь погружают в жидкость, теперь уже до полного охлаждения.

Экономия энергоресурсов при нагреве металла в методических печах

Нагрев слябов и заготовок под прокатку в основном производят в методических печах (рис. 13). В трехзонной печи различают зоны подогрева, сварочную и томильную. В современных методических печах может быть от 5 до 7 зон нагрева. Существуют методические печи с глиссажными трубами, с шагающими балками и шагающим подом. Для подогрева металла в случае использование прямой прокатки и на ЛПА применяют роликовые проходные печи.


Рис. 13. Схема трехзонной методической печи:1 – нагреваемый металл; 2 – окно выдачи заготовок; 3 – горелки; 4 – дымоход; 5 –толкатель; 6 – томильная зона; 7- сварочная зона; 8 – зона подогрева

В среднем в современной методической печи распределение теплоты от сгорания топлива происходит следующим образом: на нагрев заготовок расходуется 58 % тепла, на охлаждающую воду/пар – 12%, через стенки печи теряется 11 %, и 19 % выносится с отходящими газами.

Известны следующие методы экономии энергоресурсов в методических печах:

  • увеличение длины неотапливаемой зоны печи за счет чего используется большее количество теплоты отходящих газов;
  • установка камер предварительного подогрева заготовок отходящими газами. При подогреве металла отходящими газами расход топлива может быть сокращен на 15%;
  • повышение температуры подогрева воздуха продуктами горения до 700° С, что позволяет при увеличении температуры нагрева воздуха на каждые 100°С экономить 4…5 кг у.т./т;
  • совершенствование конструкций горелок для обеспечения полного сжигания топлива;
  • установка газокислородных, в том числе беспламенных горелок, которые уменьшают расход топлива на 25…40 % (за счет того, что исключается нагрев азота в воздухе, который используется в обычных горелках), увеличивают производительность печи и ее нагревательную способность, а также снижают окалинообразование и выброс вредных веществ;
  • применение легковесных термоизоляционных материалов в т.ч. волокнистых огнеупоров. Например, термоизоляция подовых труб или балок, выполняемая из огнеупорных волокнистых материалов, позволяет сократить расход топлива на 18…25% и повысить производительность печи на 15%;
  • применение систем испарительного охлаждения, которые позволяют утилизировать тепло из системы охлаждения печи, в которой до 15…20% теплоты, подаваемой с топливом, отводится системой охлаждения конструктивных элементов печи. При этом около 90% теплоты, воспринимаемой охлаждаемыми элементами печи, приходится на долю подовых труб (балок);
  • оптимизация работы печей с использованием автоматики позволяет снизить расход топлива на 15…20 кг/т.;
  • использование физической теплоты отходящих газов нагревательных печей для выработки пара в котлах-утилизаторах;
  • применение технологии низкотемпературной прокатки.

Отжиг стальных деталей

Чтобы облегчить механическую или пластическую обработку стальной детали, уменьшают ее твердость путем отжига.

Так называемый полный отжиг заключается в том, что деталь или заготовку нагревают до температуры 900°С, выдерживают при этой температуре некоторое время, необходимое для прогрева ее по всему объему, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают до комнатной температуры.

Внутренние напряжения, возникшие в детали при механической обработке, снимают низкотемпературным отжигом, при котором деталь нагревают до температуры 500–600°С, а затем охлаждают вместе с печью. Для снятия внутренних напряжений и некоторого уменьшения твердости стали применяют неполный отжиг – нагрев до 750–760°С и последующее медленное (также весте с печью) охлаждение.

Отжиг используется также при неудачной закалке или при необходимости перекаливания инструмента для обработки другого металла (например, если сверло для меди нужно перекалить для сверления чугуна). При отжиге деталь нагревают до температуры несколько ниже температуры, необходимой для закалки, и затем постепенно охлаждают на воздухе. В результате закаленная деталь вновь становится мягкой, поддающейся механической обработке.

Отжиг и закаливание дюралюминия

дюралюминия производят для снижения его твердости. Деталь или заготовку нагревают примерно до 360°С, как и при закалке, выдерживают некоторое время, после чего охлаждают на воздухе. Твердость отожженного дюралюминия вдвое ниже, чем закаленного.

Приближенно температуру нагрева дюралюминия детали можно определить так. При температуре 350–360°С деревянная лучина, которой проводят по раскаленной поверхности детали, обугливается и оставляет темный след. Достаточно точную температуру детали можно определить с помощью небольшого (со спичную головку) кусочка медной фольги, который кладут на ее поверхность. При температуре 400°С над фольгой появляется небольшое зеленоватое пламя.

Отожженный дюралюминий обладает небольшой твердостью, его можно штамповать и изгибать вдвое, не опасаясь появления трещин.

. Дюралюминий можно повергать закаливанию. При закаливании детали из этого металла нагревают до 360–400°С, выдерживают некоторое время, затем погружают в воду комнатной температуры и оставляют там до полного охлаждения. Сразу после этого дюралюминий становится мягким и пластичным, легко гнется и куется. Повышенную твердость он приобретает спустя три-четыре дня. Его твердость (и одновременно хрупкость) увеличивается настолько, что он не выдерживает изгиб на небольшой угол.

Наивысшую прочность дюралюминий приобретает после старения. Старение при комнатной температуре называют естественным, а при повышенных температурах – искусственным. Прочность и твердость свежезакаленного дюралюминия, оставленного при комнатной температуре, с течением времени повышается, достигая наивысшего уровня через пять–семь суток. Этот процесс называется старением дюралюминия.

Отжиг меди и латуни

. Термической обработке подвергают и медь. При этом медь можно сделать либо более мягкой, либо более твердой. Однако в отличии от стали закалка меди происходит при медленном остывании на воздухе, а мягкость медь приобретает при быстром охлаждении в воде.

Если медную проволоку или трубку нагреть докрасна (600°С) на огне и затем быстро погрузить в воду, то медь станет мягкой. После придания нужной формы изделие вновь можно нагреть на огне до 400°С и дать ему остыть на воздухе. Проволока или трубка после этого станет твердой.

Если необходимо выгнуть трубку, ее плотно заполняют песком, чтобы избежать сплющивания и образования трещин.

позволяет повысить ее пластичность. После отжига латунь становится мягкой, легко гнется, выколачивается и хорошо вытягивается. Для отжига ее нагревают до 500°С и дают остыть на воздухе при комнатной температуре.

Скорость и время нагрева металла при ОМД

Производительность нагревательного устройства зависит от скорости нагрева металла и при прочих равных условиях возрастает с увеличением быстроты нагрева (Далее «нагрев» — «Н.»;). Однако для качества металла небезразлично, с какой скоростью производить Н.. При медленном Н. помимо снижения производительности может возникнуть нехватка металла через обезуглероживание. При быстром Н. за чрезмерно большой разницы температуры между поверхностью и серединой заготовки могут появиться трещины.

Таким образом, существует максимальная скорость нагрева, при которой будет обеспечено высокое качество изделий при наименьших затратах; эту быстроту называют допустимой. Скорость Н. может быть выражена величиной, показывающей повышение температуры металла в единицу времени (град/сек, град/мин), или время нагрева, приходящейся на каждую единицу толщины (мин/см, сек/см).

Скорость Н. зависит от ряда факторов, главными из которых являются:

  • перепад температур по сечению заготовки,
  • форма и размер поперечного сечения заготовки,
  • теплофизические свойства металла,
  • способ нагрева.

Для выяснения влияния перепада температур на скорость нагрева рассмотрим графики (рис. 2.1), показывающие изменение температуры поверхности и центра одной и той же заготовки при Н. ее до верхней границы температурного интервала (tв.п.) с различной скоростью и последующим остыванием на воздухе.

Из графиков видно, что процесс Н. можно разбить на два периода. Первый характеризуется максимальным перепадом температур по сечению заготовки дельта tmax, второй — конечным перепадом температур tк, когда поверхность заготовки достигла температуры верхней границы tв.п..

Первый период является наиболее опасным с точки зрения образования трещин, так как в этот период выходит максимальный перепад температур между поверхностью и центром заготовки дельта tmax (рис. 2.1, а и б, кривая 3). Перепад температур tmax вызывает появление в заготовке тепловых напряжений, что является следствием различного теплового расширения внешних и центральных слоев заготовки. Поверхностные слои заготовки, как более нагретые, стремятся расшириться, увеличиться в объеме, чему препятствуют внутренние, более холодные слои.

Рисунок. 2.1. Графики нагрева одной и той же заготовки с разной скоростью: а — при наличии перепада дельта tK1 б — при отсутствии перепада tK2 = 0: 1 — температура поверхности; 2 — температура центра, 3 — разница температур между поверхностью и центром; t — время нагрева заготовки

В результате этого в поверхностных слоях возникают сжимающие напряжения, а во внутренних — растягивающие. Величина этих напряжений тем больше, чем больше разница температур и чем ниже общая температура металла, при которой они возникли, то есть чем меньше время, в течение которого кривая 3 достигла своего максимума (рис. 2.1, а и б). Если в заготовке, имелись остаточные внутренние напряжения, то при быстром нагревании последние, прилагаемой к тепловому напряжения, могут превысить прочность металла и вызвать образование в ней трещин.

Помимо этих напряжений при нагревании возможны структурные напряжения, что является результатом структурных преобразований, сопровождающихся изменением объема фаз. Однако эти напряжения возникают при таких температурах, при которых металл имеет достаточно высокую пластичность, и поэтому не представляют опасности.

Потому что различные металлы и сплавы имеют различную пластичность и разные скорости протекания процесса рекристаллизации, то в каждом конкретном случае деформирования необходимо опытное определение допустимого перепада температур. Установлено, что при обработке давлением мало-и среднеуглеродистых сталей перепад температур tк в 100° влияет на качество металла.

При нагревании с большой скоростью в интервале температур от 20° до 500-700°, тепловые напряжения могут привести к разрушению металла. Однако это обстоятельство следует учитывать только при Н. заготовок больших сечений (слитков) из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей. Заготовки небольших сечений (до 100-150 мм в диаметре) из любой стали можно нагревать до 500 — 700° с любой технически возможной скоростью.

Размер поперечного сечения сказывается на величине тепловых напряжений, тем больше, чем больше сечение. Следовательно, с увеличением поперечного сечения заготовки скорость нагрева должна уменьшаться.

Основными характеристиками теплофизических свойств, влияющих на скорость нагрева металла являются:

  • теплопроводность;
  • теплоемкость;
  • удельный вес;
  • электрическое сопротивление и магнитная проницаемость.

Влияние теплоемкости, теплопроводности и удельного веса может быть учтено за счет температуропроводности, характеризующей скорость распространения температуры в металле.

Коэффициент температуропроводности определяется из выражения:

a = гама/c • y (2.2) где а — коэффициент температуропроводности в м2/год; гама — коэффициент теплопроводности в ккал/м • ч • град (Вт/м • град); с — удельная теплоемкость в ккал/кг • град (дж/кг • град); y — удельный вес в кг/м3 (Н/м3).

Страница 3 из 4 Читать далее >> На предыдущую страницу >>

Источник

Читайте также:  Гидравлическая гибка листового металла
Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector