Изменение свойств металла при нагреве и ковке

1. Режимы нагрева металлов

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

Режим нагрева металла - это порядок и способ нагрева металла, который обеспечивает температуру и скорость, необходимые 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.  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. При нагреве металла в горнах, как правило, можно приближенно определять температуру нагрева металлов на глаз по следующим цветам каления, при дневном освещении в тени:

Цвет нагретого металла               |               Температура………….. °С

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. 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.

Время нагрева сталей зависит от размеров заготовок и Химического состава. 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.

2. Дефекты при нагреве и меры их предупреждения

При нагреве заготовок в них могут появиться следую­щие дефекты:

- окалинообразование или угар,

- обезуглеро­живание,

- недогрев металла,
- перегревмстальной заготовки,

- 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.

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

Процесс обезуглероживания начинается при темпера­туре 800 … 850 °С. Интенсивность обезуглероживания зависит от содер­жания углерода в стали.

Чем больше углерода, тем мед­леннее идет обезуглероживание.

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. Недогрев может появляться при плохом тепловом ре­жиме.

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.

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.

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.

3. 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.

Зернистое строение металла изменяется в зависимости от температуры и скорости деформирования его. Соот­ветственно этим воздействием на металл изменяется и прочность его.

Износостойкость стальной заготовки. 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, 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 Нагартовкой. Наклеп не желателен, так как при этом, кроме хрупкости, резко уменьшается свойство металла обрабаты­ваться резанием.