Основные требования к нагреву заготовок

 

Обработка давлением является одним из самых экономичных, высокопроизводитель­ных способов получения заготовок или деталей в машиностроении.

Обработке давлением подвергаются материалы, имеющие пластиность, т.е. способ­ность необратимо (пластически) деформироваться без разрушения под давлением внешних сил. Способность металлов и сплавов при пластическом деформировании принимать задан­ную конструктивную форму обеспечивает все возрастающее применение различных методов обработки давлением. Хрупкие металлы и сплавы обрабатывать давлением нельзя, т.к. они не имеют достаточной пластичности и под давлением разрушаются.

Пластичность материала зависит от химического состава сплава; температуры, при которой осуществляется деформирование; скорости деформации, которая определяется ско­ростью перемещения деформирующего инструмента.

Некоторые металлы и сплавы, недостаточно пластичные при обычной температуре, при высокой температуре нагрева приобретают достаточную пластичность и могут быть об­работаны давлением. К числу таких сплавов можно отнести и сталь.

При пластической деформации изменяется не только внешняя форма металла, но и его внутреннее строение, а значит и свойства. Пластическая деформация зависит от природы материала, температуры, скорости и степени деформации.

В зависимости от температуры и скорости деформирования материала различают хо­лодную, горячую и неполную горячую обработки давлением.

Холодной обработкойназывают такую обработку, которая сопровождается упрочне­нием металла, т.е. повышаются прочностные характеристики механических свойств, тогда как все пластические характеристики резко снижаются. Чем выше степень деформации, тем больше изменяются механические свойства деформированного металла, происходит непре­рывное деформационное упрочнение за счет наклепа. Проводится холодная обработка без нагрева или с нагревом при температурах ниже (0,2–0,3) Т_{плавления}.

Пластическая деформация происходит за счет внутризеренных и межзеренных сдви­гов (скольжения) атомарных плоскостей друг относительно друга в деформируемом металле под действием приложенного усилия. Чем больше образуется сдвигов, тем больше упрочне­ние (или наклеп), полученное металлом, тем меньше его пластичность и тем большее усилие потребуется для дальнейшего деформирования металла. При этом в металле изменяется форма зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла, получается волокнистая структура, (рис. I).

Наклепомназывают процесс происходящих изменений внутреннего строения метал­ла при холодной обработке давлением и полученное в результате этого повышение прочно­стных и одновременное снижение пластических характеристик механических свойств де­формированного металла. Появление наклепа делает металл твердым и хрупким, его невоз­можно подвергать дальнейшему деформированию или механической обработке.

Снижение пластических свойств может быть очень значительным, например у низко­углеродистых сталей пластичность может быть уменьшена в 5-6 раз. Кроме механических свойств при наклепе изменяются также и другие свойства: уменьшаются плотность, тепло­проводность и электропроводность.

 

Рис 1 Изменение формы зерна при холодной пластической деформации:

а) до деформации: б) после деформации

 

Таким образом, в процессе холодной пластической деформации изменяются форма исходной заготовки, структура металла, его физические и механические свойства. Поэтому, если от полученной продукции не требуются повышенные пластические свойства, то холод­ная обработка давлением является наиболее предпочтительной, т.к. этой обработкой можно в 2-3 раза повысить прочностные характеристики металла.

Если же изменение свойств металла под влиянием холодной обработки нежелательно, то полученный наклеп устраняется путем нагрева.

Горячей обработкойназывают обработку металла, при которой протекают одновре­менно процессы наклепа и рекристаллизации. Проводится горячая обработка при температу­рах выше (0,5-0,6) Т,_и. При этих температурах упрочнение, вызванное наклепом, тут же сни­мается за счет процесса рекристаллизации, т.к. при горячей обработке скорость рекристалли­зации выше скорости наклепа. После горячей обработки деформированный металл имеет структуру и свойства без следов упрочнения. В основе технологического процесса горячей обработки давлением (ГОД) лежат явления, происходящие при горячей пластической де­формации.

При нагреве наклепанного металла его структура из неустойчивого состояния наклепа переходит постепенно в устойчивое равновесное состояние, что сопровождается изменением свойств металла.

Так, уже при невысокой температуре нагрева (для сталей 200-300 °С) наблюдается частичное восстановление кристаллической решетки, измененное наклепом; некоторое сни­жение твердости, прочности; повышение пластичности металлов. Эти явления называются возвратом.

При дальнейшем нагреве наклепанного металла до более высоких температур проис­ходит полное снятие искажений кристаллической решетки, образование и рост новых зерен взамен деформированных, восстановление пластичности, снижение твердости и прочности. Этот процесс носит название первичной рекристаллизации.

Температуру, при которой начинают возникать новые мельчайшие равноосные зерна, называют температурой начала рекристаллизации(Т_{н. рек}).

Температура рекристаллизации не является постоянной для каждого металла и зави­сит:

– от степени деформации (чем больше деформация, тем нагрев должен быть выше);

– от времени выдержки, с его увеличением легче протекает процесс рекристаллиза­ции;

– от величины зерен (для крупнозернистого металла температура должна быть выше, чем для мелкозернистого).

Процесс обработки давлением, при котором скорость рекристаллизации недостаточна для полного снятия упрочнения называется неполной горячей обработкой.Такая обработка приводит к получению неоднородной структуры, снижению как прочностных, так и пласти­ческих свойств.

Температура рекристаллизации имеет большое практическое значение для выбора

Пластическая деформация, проведенная при температуре выше температуры рекри­сталлизации, протекает также с образованием сдвигов, вызывающих упрочнение (наклеп), но получаемое упрочнение немедленно устраняется протекающим при этих температурах про­цессом рекристаллизации. Следовательно, горячекатанная сталь наклепа после окончания обработки не получает.

При горячей деформации сопротивление металла деформированию уменьшается в 8-10 раз и остается на этом уровне, если температура металла будет выше, чем температура рекристаллизации.

По А.А. Бочвару, температура начала рекристалличации чистых металлов по шкале Кельвина равна:

(1)

где Т,_пл – температура плавления металла, °К,

К – шкала по Кельвину; (шкала Кельвина Т=°С – 273°).

При горячей пластической деформации, т.е. при проведении ГОД требуется постоян­но поддерживать необходимую температуру процесса. Поэтому нагрев стали перед обработ­кой давлением должен быть достаточно высоким, однако ниже, чем температура начала рас­плавления металла при нагреве. Кристаллизация любого сплава, так же, как и его расплавле­ние происходит в интервале температур. Температура начала кристаллизации сплава называ­ется температурой ликвидуса, а температура окончательной кристаллизации – температурой солидуса.

Систему сплавов любых компонентов можно представить в виде диаграммы в коор­динатах температура-состав сплава. Тогда температура плавления всех сплавов этой системы будет иметь вид линии, которая называется линией ликвидуса ( от латинского слова ликва -жидкость). Линия температур окончательной кристаллизации сплавов носит название линии солидуса (от латинского слова солид – твердый).

Если учесть, что температурный интервал плавления сталей заключен между линиями ликвидус и солидус диаграммы состояния железо-углерод (рис. 2), тогда температуру начала рекристаллизации сплава можно определить по формуле:

 

(2)

При температуре начала рекристаллизации лишь уменьшается наклеп, а рекристалли­зация идет весьма медленно. Скорость рекристаллизации с повышением температуры воз­растает. Поэтому нагрев стали перед обработкой давлением должен быть достаточно высо­ким, однако ниже, чем температура начала расплавления металла при нагреве. Таким обра­зом, нагрев до температуры солидуса сплава и выше может вызвать его расплавление. Если нагреть сплав до температур, близких к значениям Т_сол, могут возникнуть дефекты, снижаю­щие качество обработки давлением и свойства материала. К этим дефектам относятся:

Пережогметалла наблюдается при нагреве, близком к температурам линии солидуса, значительном времени нагрева и выдержки при этих температурах. Пережженный металл является неисправимым браком, приводит к полной потери пластичности за счет интенсив­ного окисления границ кристаллов и возможного их подплавления.

Конец обработки давлением

Начало обработки давлением

Солидус

Ликвидус

 

Рис. 2. Температурный интервал горячей обработки давлением углеродистых сталей

 

Перегрев.Нагрев металла до температуры несколько меньше, чем температура пере­жога. Перегреву способствует большое время нагрева и выдержки заготовки. Перегрев вы­ражается резким ростом кристаллов, что приводит к образованию крупнозернистой структу­ры охлажденной стали и к снижению пластичности. Перегретый металл также является бра­ком, который можно исправить дополнительной термической обработкой.

Трещинывозникают при чрезмерно быстром нагреве в печи вследствие неравномер­ного теплового расширения внешних и внутренних слоев заготовки. Особенно это касается высокоуглеродистых и легированных сталей, имеющих низкую теплопроводность. Для них нагрев должен быть более продолжительным, чем для более теплопроводных материалов.

Окалинаобразуется при окислении поверхности заготовки при нагреве в результате активного химического взаимодействия металла с окружающими газами. Окалина ускоряет в 1,5-2 раза износ деформирующего инструмента, так как ее твердость значительно больше твердости горячего металла. Для уменьшения окалинообразования заготовки нагревают в нейтральной восстановительной атмосфере или применяют безокислительный индукцион­ный нагрев.