Какие предъявляются требования к нагреву при обработке давлением
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.
Пережог — 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.
Камерные печи (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.
Нагревательные колодцы (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.
Щелевые печи — печи периодического действия для нагрева только концов прутков, имеют загрузочные окна в виде круглых отверстий.
Методические печи (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:
, где H — напряженность пода, Gт — производительность печи (кг/ч), Fп- площадь пода (м²).
Напряжённость пода определяет производность печи. Для методических печей Н = 800…1000.
б) Коэффициент полезного действия печи η:
, где Q — 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)
Лекция № 6
Тема 5:Обработка металлов давлением (продолжение).
Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:
Источник
Перед обработкой давлением металл обычно нагревают. Это повышает пластичность металла и уменьшает его сопротивление деформированию. Для получения металла существует такой температурный интервал, в котором обеспечиваются оптимальные условия горячей обработки давлением. Нагрев металла сопровождается таким рядом явлений, которые необходимо учитывать при выборе температуры нагрева. 1 Окисление металлов. При нагревании стали выше 700 0С происходит интенсивное окисление поверхностного слоя с образованием окалины (Fe2O3, Fe3O4, FeO). Потери металла на окалину при однократном нагреве в пламенной печи составляют 1,5…2,5%, при электронагреве — 0,4…0,5%. Образование окалины, которая отличается повышенной твердостью, кроме того, повышает износ деформирующего инструмента. Наряду с окислением при высоких температурах вследствие выгорания углерода происходит обезуглероживание поверхностного слоя стали. Для уменьшения окисления металла применяют электронагрев или нагрев в защитной атмосфере. 2 Перегрев и пережог — явления, связанные с нагревом металла до высоких температур. При нагреве стали до температуры, близкой к температуре плавления, наступает пережог, выражающийся в появлении хрупкой пленки между зернами металла вследствие окисления их границ и расплавления легкоплавких межзёренных прослоек. При этом происходит полная потеря пластичности, что приводит к появлению трещин. Пережог исправить нельзя, и такой металл приходится отправлять на переплавку. Ниже температуры пережога находится температура перегрева. Явление перегрева заключается в интенсивном росте размеров зерен. Перегретая сталь характеризуется более низкими механическими свойствами (уменьшением пластичности до 25%). Структуру перегретой стали в большинстве случаев можно исправить отжигом. Температурный интервал горячей обработки давлением. Максимальная температура нагрева (температура начала обработки давлением) должна быть возможно более высокой, но не вызывающей перегрева и пережога. Температура окончания обработки давлением должна быть выше температуры рекристаллизации и фазовых превращений. Для углеродистых сталей с 0,2…0,7% С температурный интервал — 1280…800 0С; для сталей с 0,8…1,3% С — 1100…760 0С; дуралюмина — 470…400 0С; титановых сплавов — 1100…900С. Режим нагрева. Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до заданной температуры. В противном случае в заготовке возникают термические напряжения (вследствие разности температур по сечению) которые могут привести к появлению трещин. Разность температур по сечению заготовки увеличивается с повышением скорости нагрева, поэтому существует допустимая скорость нагрева. Для крупных заготовок из высоколегированных сталей (массой до 40 т) время нагрева составляет более 24 часов. Чаще крупные заготовки нагревают постепенно (методически) в два этапа: медленный нагрев и выдержка при 700…800 0С, а затем нагрев до необходимой температуры с максимально возможной скоростью. Нагревательные устройства можно подразделить: 1 Нагревательные печи (для нагрева слитков, крупных и иногда средних) 2 Электронагревательные устройства (для нагрева мелких и средних заготовок) Нагревательные печи (пламенные на мазуте или газообразном топливе и электрические, используемые в основном для цветных сплавов) по их принципу действия делятся на камерные и методические. Камерная печь — наиболее распространенный вид печи. Рабочее пространство печи нагревается при сжигании топлива и имеет одинаковую по всему объему температуру. Заготовки устанавливаются на под печи, загружаются и выгружаются через окно. Продукты сгорания отводятся через дымоход и используются для нагрева поступающего в печь воздуха (это позволяет экономить до 25% топлива). Для нагрева крупных заготовок используют печи с толкателями, карусельные, конвейерные, с выдвижным подом, т.е. оборудованные устройствами для загрузки и выгрузки заготовок. Разновидностью камерных печей являются нагревательные колодцы, применяемые для нагрева крупных слитков при прокатке и ковке. Методическая печь — предназначена для нагрева крупных заготовок под прокатку в крупносерийном производстве. Заготовки при этом загружают с одной стороны печи, перемещают по поду и выгружаются с другой стороны печи нагретыми. В печи различают три зоны с различной температурой: I — 600…800 0С (зона подогрева); II — 1350 0С (зона максимального нагрева); III — 1200…1300 0С (зона выдержки). В зоне выдержки происходит выравнивание температуры по сечению заготовки. Электронагревательные устройства по принципу действия подразделяются на индукционные и электроконтактные. Применяют только при необходимости нагрева достаточно большого количества одинаковых заготовок. Скорость электронагрева в 8…10 раз выше, а интенсивность образования окалины в 4…5 раза ниже, чем в печах. |
Источник
Нагрев металла при обработке давлением
Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? | Общие положения К процессам горячей деформации относят процессы, протекающие при температуре выше температуры рекристаллизации, составляющей 0,65 — 0,75 абсолютной температуры плавления (для углеродистой стали эта температура составляет 9000 — 11500С). В интервале температур горячей деформации пластичность повышается в несколько раз, а прочностные характеристики снижаются в 10 раз по сравнению с этими характеристиками при комнатной температуре (рис. 3), поэтому процессы горячей обработки являются менее трудоемкими и энергоемкими. Рис.3 Изменение d и sв стали, содержащей 0,15% С, в зависимости от температуры Однако изделия, полученные горячей обработкой, обладают худшим качеством поверхности (слой окисленного металла на поверхности, называемой окалиной) и меньшей точностью геометрических размеров по сравнению с изделиями, полученными методом холодной деформации. Нагревать сталь до температур, близких к температуре плавления, нельзя, так как развиваются перегрев, состоящий в интенсивном росте зерна нагреваемого металла, и пережог, сопровождающийся окислением и оплавлением границ зерен, нарушением связей между ними и, как следствие, полной потерей пластичности. Пережог является неисправимым браком. Таким образом, с учетом требований технологии и окончательных свойств обрабатываемого металла для разных металлов и сплавов устанавливается оптимальный интервал температур нагрева (начала деформации) и окончания процесса горячей деформации. Для уменьшения роста зерна и выгорания углерода с поверхности стальных заготовок, а также снижения отходов металла на угар (образование окалины за счет взаимодействия с кислородом атмосферы печи) необходимо осуществлять нагрев с наибольшей скоростью. Температура посадки металла в нагревательное устройство и скорость нагрева определяются его пластичностью и теплопроводностью в соответствующем температурном интервале (рис.4). Рис.4 Интервалы температур нагрева при обработке давлением В процессе нагрева из-за перепада температур между внутренними и наружными зонами заготовки возникают температурные напряжения, которые из-за недостаточной пластичности металла могут привести к образованию и развитию трещин. Выдача заготовки из печи должна производиться после нагрева заготовки по всему сечению, при этом скорость нагрева при постоянной температуре на поверхности пропорциональна квадрату толщины или диаметра слитка. Для бесконтактного контроля температуры нагреваемой заготовки служит оптический пирометр (рис.5). Рис.5 Оптический пирометр 1-линза, 2,7- светофильтры, 3- корпус, 4- лампа накаливания 5- линза окуляра, 6- окуляр, 8- миллиамперметр, 9- источник тока, 10- рукоятка, 11- реостат Нагревательные устройства В современных процессах обработки металлов давлением нагрев заготовок осуществляют в пламенных и электрических печах, в установках контактного и индукционного электрического нагрева. Нагрев в пламенных печах происходит за счет лучеиспускания, конвекции и теплопроводности металла. При этом основные виды топлива — мазут и газ. Для подачи и регулирования подачи топлива в печь используют форсунки (рис.6). Рис.6 Форсунка Нагрев в электропечах сопротивления осуществляется за счет лучеиспускания тепла от нагревательных элементов сопротивления. Нагревательные печи бывают камерные (рис.7) и методические (рис.8) Рис.7 Камерная печь 1- под , 2- заготовка, 3- горелка, 4- окно, 5- дымоход Рис.8 Методическая печь 2- заготовки, 8 — толкатель, 6 — под печи, 7 — окно, I-подогревательная зона (600o-800oC) , II- зона максимального нагрева (1250о- 1350оС), III-зона выдержки. В камерных печах заготовку сажают в нагретую до температуры посадки печь и дальнейший нагрев осуществляется вместе с печью. Поэтому так можно нагревать заготовки, допускающие в начальный момент нагрева воздействие высоких температур. Методические печи имеют несколько зон (камер), при перемещении через которые металл постепенно нагревается до заданной температуры. Существенным недостатком нагрева в пламенных печах с обычной атмосферой является обезуглероживание поверхности стальных заготовок и высокий угар металла ( при нагреве слитков — 1,5 — 2%, сортового металла — 3-4% от общей массы нагреваемого металла, при каждом последующем нагреве составляет 50-75% от получаемого при первом нагреве). Кроме того, образующаяся окалина во избежание брака изделий и повреждений деформирующего инструмента должна перед обработкой удаляться. Обезуглероженный слой подлежит удалению зачисткой или механической обработкой готовых изделий. Обе эти операции не только трудоемки, но и связаны с большими потерями металла. Для уменьшения и предохранения металла от окисления и обезуглероживания в пламенных печах в качестве защитной атмосферы чаще всего используют оксид углерода, получаемый путем неполного сжигания топлива. Электрические печи сопротивления заполняют нейтральным газом. Нагрев металла с применением электрической энергии осуществляется за счет тепла , выделяющегося при прохождении тока через нагреваемую заготовку ( контактный метод) (рис.9), или за счет токов гистерезиса (индукционный метод) (рис.10). При этом обезуглероживание практически отсутствует, слой окалины уменьшается в 4 — 5 раз (0,8-1%) по сравнению с нагревом в пламенных печах, обеспечивается точность регулирования температур. К недостаткам электронагрева относятся ограничения по сортаменту нагреваемых изделий и маркам сталей, высокая стоимость установок и электроэнергии. Применение в последние годы нагревательных установок с вакуумированием печного пространства и заполнением его нейтральными газами (гелием, аргоном и др.) высокой степени очистки для безокисного нагрева дорогостоящих высокореактивных металлов и сплавов, как правило, окупаются. Рис.9 Схема контактного электронагревательного устройства 1- заготовка, 2- медные контакты Рис.10 Схема индукционного электронагревательного устройства 1- заготовки, 2- соленоид ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОВКИ Молоты Свободная машинная ковка осуществляется на молотах и прессах. Молотами называют машины ударного действия, в которых энергия привода перед ударом преобразуется в кинетическую энергию линейного движения масс с закрепленным на них инструментом, а во время удара — в полезную работу деформирования поковки. Для привода молотов чаще всего используют пар, сжатый воздух или газ, а также жидкость под давлением, горючую смесь, взрывчатые вещества, магнитные и гравитационные поля. Существуют молоты с массой падающих частей от 160кг до 16т. Обычно операции осуществляют последовательными ударами, высокоскоростные штамповочные агрегаты рассчитывают на один удар, за который полностью осуществляется деформационная операция. По конструкции и типам привода молоты можно разделить следующим образом: паровоздушные, пневматические, механические, электромеханические, газовые и высокоскоростные. Паровоздушные ковочные молоты, предназначенные для изготовления поковок средней массы (от 20кг до 350кг) из прокатанных заготовок, приводятся в действие паром или сжатым воздухом, подающимся от котлов или компрессоров. Поступая в рабочий цилиндр, энергоноситель разгоняет поршень и связанные с ним подвижные части молота до скоростей 6-7 м/с. Молоты по конструкции станины подразделяются на мостовые, одностоечные и арочные (рис.11). Рис.11 Паровоздушный молот арочного типа 1- рабочий цилиндр, 2- поршень, 3- шток, 4- станина, 5- баба, 6,7- бойки, 8- шабот, 9- направляющие, 10,12- канал, 11- парораспределительное устройство. Паровоздушные молоты имеют массу падающих частей от 1000 до 8000 кг, давление сжатого пара или воздуха 0,7….0,9МПА. Парораспределительное устройство позволяет с помощью незначительных усилий управлять мощным силовым цилиндром, который и создает усилие, осуществляющее ковку (рис.12). Рис.12. Парораспределительное устройство Пневматические ковочные молоты также используют сжатый воздух, но воздух является пружиной, связывающей два поршня — рабочий и компрессорный, Компрессор приводится от коленчатого вала двигателя. Компрессор фактически встроен в молот. На пневматических молотах, имеющих массу падающих частей от 50 до 1000кг, производят мелкие поковки (до 20 кг). В электромеханических молотах на поршень действует давление газов, возникающее в результате вспышки горючего. Прессы К механическим прессам относятся винтовые фрикционные прессы (рис.13). В высокоскоростных молотах высокое давление создается с помощью специальных гидравлических устройств. Энергоноситель — сжиженный газ, порох и др. В этих молотах чаще используют метод встречного движения бойков. Такие молоты называются бесшабот Рис.13 Винтовой фрикционный пресс 1- электродвигатель, 2- ременная передача, 3- вал, 4- фрикционные диски, 5- маховик. 6- гайка, 7- ходовой винт, 8- ползун, 9- заготовка, 10- рукоятка ными. Преимущество данной конструкции состоит в отсутствии громоздких фундаментов или амортизационных систем. При ударе молота (бойка) по заготовке часть энергии расходуются за тысячные доли секунды на ее пластическую деформацию, остальная поглощается нижним бойком и его основанием (шаботом). Коэффициент полезного действия молота определяется как отношение полезной работы деформации Ад ко всей энергии удара А, т.е. к.п.д. = Ад/А. Чем больше масса шабота, чем выше к.п.д.. На ковочных гидравлических прессах — машинах статического действия (рис.14), где деформирование заготовки может продолжаться десятки секунд, — перерабатывают крупные заготовки, в основном слитки. Прессы развивают усилия от 55 до 100МН. Рис.14 Гидравлический пресс 1- рабочий цилиндр, 2- плунжер, 3- подвижная поперечина, 4- колонна, 5- верхний боек, 6- нижний боек, 7- верхняя поперечина, 8- плунжер, 9- возвратный цилиндр, 10- верхняя неподвижная поперечина, 11- тяга, 12- нижняя поперечина |
Источник