Нагрев металла и температурный интервал ОМД

Цель нагрева — повышение обрабатываемости металла, т. е. уменьшение сопротивления деформации, усилия деформирования, энергоемкости процесса и повышение пластичности металла. Нагрев должен быть выполнен оптимальным образом с обеспечением нужных свойств по объему изделия без лишних энергозатрат.

Нагрев осуществляется в печах различных конструкций. По режиму нагрева печи подразделяются на камерные (температура рабочего пространства одинакова) и методические (температура изменяется по длине печи). По виду источников тепла различают электрические (в том числе индукционные) и пламенные печи. Используют печи с разным способом перемещения заготовок: толкательные, с шагающим подом, с шагающими балками и с вращающимся подом. Слитки перед прокаткой подогревают в нагревательных колодцах.

Режимы нагрева включают следующие параметры: скорость нагрева, температура нагрева, время выдержки. Рациональные режимы определяются опытным путем с учетом физико-химических свойств сплавов, прежде всего их пластичности и теплопроводности. Например, известно, что теплопроводность легированных сталей ниже, чем углеродистых, и с повышением температуры теплопроводность уменьшается.

Температура нагрева, с одной стороны, должна быть максимальной, чтобы обеспечить повышение пластичности и снижение сопротивления деформации (хотя для некоторых сплавов эта зависимость немонотонная); с другой стороны, не должна быть слишком высокой во избежание сильного окалинообразования и обезуглероживания поверхности. Практически температуру нагрева сталей принимают на 100—200 °С ниже линии солидуса JE (рис. 2.11, пунктирная кривая 1).

Рис. 2.11. Фрагмент диаграммы железо — углерод:

Ж — жидкая фаза; А — аустенит ; Ф — феррит; Ц — цементит; П = Ф + Ц — перлит;

JJ' — линия ликвидуса; JE — линия солидуса;

1 — температура нагрева; 2 — температура конца ОМД

Скорость нагрева устанавливают в зависимости от химического состава сплава, а также от размеров заготовки: чем она крупнее, тем медленнее нагрев. Скорость нагрева обычно повышают с течением времени. Например, нагрев стальных заготовок на первом этапе до температур 600—800 °С ведут медленно со скоростями 250—275 град/ч (для углеродистых сталей с содержанием углерода С < 0,3 %), 125—150 град/ч (для углеродистых сталей с содержанием углерода С > 0,3 %), 40—100 град/ч (для легированных сталей). Медленный нагрев объясняется низкой пластичностью металла и возможностью образования трещин из-за разности температур наружных и внутренних слоев металла. Чем ниже теплопроводность сплава, тем больше градиент температур и выше вероятность образования трещин. Поэтому скорость нагрева легированных сталей самая низкая. На втором этапе, при температурах выше 800 °С, скорость нагрева увеличивают, повышая температуру печи до заданной температуры или выше на 30—50 °С. При таких температурах пластичность стали увеличивается и заканчиваются структурные превращения.

Нагрев завершается выдержкой при заданной температуре с целью обеспечения равномерного нагрева по объему тела. В процессе выдержки улучшается качество металла, активизируется диффузия, завершаются структурные изменения, происходит выравнивание химического состава и т. п. Например, нагрев стального кузнечного слитка массой 45 т до 1200 °С длится 32 ч, а выдержка — 7 ч.

После нагрева заготовка подвергается ОМД, в процессе которой металл остывает. Важно завершить обработку при определенной температуре, так как это определяет структуру и механические свойства изделий. Если всю обработку в заданном температурном интервале завершить не удается, применяют промежуточный подогрев заготовки и многопроходную схему деформирования.

Обычно для сталей температура конца ОМД выбирается выше температуры рекристаллизации. Для доэфтектоидных сталей (содержание углерода С < 0,8 %) — выше линии GS (точки Ас₃) (рис. 2.11), т. е. в однофазной области аустенита, для которого характерна равноосная структура. Для заэфтектоидных сталей (содержание углерода С > 0,8 %) — ниже линии ES (см. рис. 2.11), в двухфазной области (аустенит + цементит), так как в однофазной области закончить обработку не удается из-за узкого температурного интервала. Для определения температурного интервала обработки легированных сталей, имеющих специфические свойства, проводятся специальные исследования.

Ниже для примера приведены допустимые температурные интервалы (°С) ОМД некоторых сталей и сплавов^[12]:

2.6. Нагрев металла и температурный интервал ОМД

Нагрев металла сопровождается следующими нежелательными процессами.

О к а л и н о о б р а з о в а н и е (угар металла), достигающее

4—8 кг/м². Интенсивность угара сильно зависит от температуры и продолжительности нагрева (резко увеличивается после 1200 °С), газовой среды печи (окислительная или в защитной атмосфере), химического состава сплава (определяет состав оксидов, из которых состоит окалина).

О б е з у г л е р о ж и в а н и е поверхности — уменьшение содержания углерода в поверхностном слое, что снижает твердость стали. Зависит от тех же факторов, что и окалинообразование.

При нарушении режимов нагрева возможны следующие виды брака.

П е р е г р е в — следствие превышения длительности выдержки при высокой температуре (выше Ас₃) , сопровождающейся ростом зерна, снижением механических свойств, образованием рванин при прокатке и ковке.

П е р е ж о г образуется в результате нагрева стали до температур, близких к температуре солидуса. При этих температурах межзеренное вещество расплавляется, связь между зернами нарушается, сталь становится красноломкой и разрушается во время прокатки.

⁷⁸3. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

ПРОКАТКИ