Нагрев стали

Перегретой стали в них могут появиться трещины, потому что крупнозернистая сталь очень хрупкая.

Перегретую сталь можно исправить последующей термиче ской обработкой — правильным нагревом или нагревом с про ковкой.

 Когда температура нагрева близка к точке плавления ста­ли, может наступить пере жог — окисление по границам зерен. При ковке пережжен ный металл дает трещины или распадается на части Испра вить пережог невозможно и по­этому такой металл идет в пе реплавку.

Продолжительность нагре ва до заданной температуры зависит от марки стали, разме ра заготовки. Стали разных марок имеют неодинаковую теплопроводность. Например, углеродистые стали более теп лопроводны, чем хромистые. Чем меньше теплопроводность и больше поперечное сечение, тем медленнее следует нагре вать заготовки

Передача тепла заготовкам при нагреве в горнах и печах происходит от наружных слоев к внутренним, а скорость этой передачи зависит от теплопро водности.

Чем меньше теплопроводность, тем больше разница между температурой внешних и внутренних слоев заготовки при одина ковой скорости нагрева. Так как все изделия из стали при на гревании расширяются и это расширение тем больше, чем выше температура, разница в нагреве внутренних и внешних слоев вызывает неравномерное расширение и, как следствие этого, возникают внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин.

Существует много способов и формул определения времени нагрева. Наиболее простой и распространенной является фор мула, предложенная академиком Н. И. Доброхотовым,

Z = KAD V ~ D ,

где Z — время нагрева, ч;

D — диаметр или сторона квадрата заготовки, м;

К — коэффициент, равный 10 для углеродистых (углерода до 0,4%) и 20 для легированных сталей;

А — коэффициент, учитывающий расположение заготовок в печи.

Значение коэффициента А указано на рис. 6.

Для определения времени нагрева можно пользоваться таб лицами, составленными на основании опытных данных (табл. 13)

Таблица 13

Время нагрева заготовок при температуре в печи 1200° С, мин

Профиль заготовки

квадратный

Расположение заготовок в печи

Время нагрева для легированных сталей необходимо увели чивать в 1,5—2,0 раза.

Данные формул и таблиц не всегда совпадают, так как они являются приближенными, но степень приближения обычно бывает достаточной.

§ 6. НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Сталь в кузнице нагревают в горнах и печах. Топливо в гор не соприкасается непосредственно с нагреваемым металлом. В печах с металлом соприкасаются продукты горения топлива —

 газы. Горн может быть закрытым и открытым, а по количеству очагов горения — одноочковым и многоочковым. Он применяет ся обычно для нагрева заготовок при ручной ковке небольших изделий или для местного нагрева длинных прутков.

На >рис. 7 показан (раз рез открытого горна. В горновом гнезде нахо дятся горящий уголь и на греваемая заготовка. Воз дух для горения подает ся от вентилятора по трубопроводу через фур му. Подача воздуха регу лируется рукояткой.

В настоящее время для горнов применяются вентиляторы центробеж ного типа с приводом от электромотора.

На рис 8 показан вен тилятор типа ЦАГИ СТД-57. В зависимости от размеров вентиляторы этого типа имеют различ ные номера. Для стационарного двухочкового горна наиболее удобен по габаритам и достаточен то производительности венти лятор № 4

Московский институт охраны труда сконструировал более совершенный горн (рис. 9). Для лучшей вытяжки дыма патру бок 5 опускают в горновое гнездо. Часть дыма проходит по патрубку 5 и трубе 2, остальная часть идет через зонт и трубу 1. При этом внутренняя труба нагревается и тяга улучшается.

Закрытый горн (рис. 10) состоит из металлического каркаса, выложенного огнеупорным кирпичом, и топки. Через трубу 5 в коллектор 6 и колосниковую решетку 4 поступает воздух. Чтобы продукты горения сгорали полностью, по трубкам 10 подается дополнительный воздух. Заготовку загружают через рабочее окно 8, топливо — через топочное окно 7.

Закрытые горны более экономичны, чем открытые. Исполь зуют их обычно для нагрева мелких однотипных деталей.

Перед тем как разжечь горн древесной стружкой или горя щим углем горновое гнездо очищают от шлака и золы и проду вают фурму. Затем засыпают уголь или кокс слоем примерно 150 мм. Для лучшего спекания (образования корки) уголь слегка поливают водой и утрамбовывают.

Топливо, применяемое в горнах, не должно содержать серы, так как при нагреве она переходит в металл и делает его не пригодным к ковке. Поэтому лучшее топливо для горна—дре весный уголь и кокс. Из каменных углей лучше использовать угли марок ОС, К и Т по ГОСТ 8180—59 (короткопламенные, спекающиеся). Пламя в горне должно быть ярким и слегка коптящим. Чтобы металл быстрее нагревался и на его поверх ности образовывалось меньше окалины, заготовка должна на ходиться под слоем угля примерно в 100—150 мм от дна очага. Уголь подбрасывают не прямо в очаг горения, а на край горна, чтобы часть серы выгорела до соприкосновения горящего угля с металлом.

Гореть полным пламенем должен не весь уголь, а только в том месте, где нагревается заготовка. Получить небольшой очаг огня можно, если вокруг металла уголь смочить водой и утрам бовать.

Густой дым, идущий из горна, свидетельствует о большом количестве воздуха, поступающего в горн.

Для ухода за горном необходимо иметь специальный инстру мент (кочережку, лопатку, метелку, брызгалку и пику). Лопат кой подбрасывают в горн уголь, кочережкой выгребают шлак и перемешивают уголь. Брызгалкой смачивают уголь, а пикой пробивают спекшуюся корку.

При нагреве металла в горнах температуру опеределяют на глаз по цветам каления.

Цвет каления

Температура металла, ° С

Начало свечения в темноте Темно-красный . . Вишнево-красный . Светло-вишневый Темно оранжевый Оранжевый . . Оранжево-желтый Соломенно-желтый Светло-желтый Белое каление Ярко-белый

500 650—700 700—750 750—850 850—950 950-1000 1000—1050 1050—1100 1100—1250 1250—1300 1300—1400

Нагревать металл можно и в пламенных печах. Эти печи ра ботают на твердом, жидком, газообразном или пылевидном топ ливе. Выбор топлива определяется местонахождением кузницы, возможностями и экономической целесообразностью для дан ной территориальной зоны. Конструкции печей зависят от вида топлива. Печи на твердом топливе (рис. 11) имеют топку, а на жидком топливе — форсунки для распыления мазута или неф ти, в газовых печах сделаны газовые горелки.

Каменный уголь сжигается в топке. Воздух для горения nd -ступает в топку через поддувало. Пламя поднимается вверх в

 / — топка, 2 — дверка топки, 3 — колос никовая решетка, 4 — поддувало, 5 — ос нование печи, 6 — рабочее окно, 7 — ме талл, 8 и 9 — каналы

рабочее пространство, где отдает тепло нагреваемому металлу. Продукты горения, отдав часть тепла нагреваемым заготовкам, уходят через каналы в дымовую трубу.

В печи на жидком топливе вместо колосниковой решетки устанавливают форсунку. Топка имеет более простую форму и занимает меньший объем. Форсунки могут быть различной кон струкции. Наиболее распространены в сельских мастерских форсунки низкого давления (рис. 12). Нефть подается или са мотеком, или под небольшим давлением. Воздух нагнетается вентилятором под давлением 200—600 мм вод. ст.

Печи на жидком топливе просты в эксплуатации и в них бы стрее нагревается металл.

Очень удобны в пользовании газовые камерные печи. В стен ках рабочего пространства на противоположных сторонах с

некоторым смещением для образования вихревого движения пламени установлены газовые горелки (обычно не менее двух).

 На рис. 13 показана камерная переносная печь, которая мо жет работать либо на жидком (с форсунками), либо на газооб разном (с горелками) топливе.

Этот тип печи наиболее удо бен для сельской кузницы, так как не требует капитальной уста новки, занимает мало места и в то же время обеспечивает быст рый и ^качественный нагрев заго товок.

В печи металл не соприкаса ется с топливом, поэтому сера в металл из топлива почти не про никает. Он меньше окисляется (угорает), так как воздух попада ет не прямо на заготовку, а сме шивается с топливом. Тепловая энергия топлива в печах исполь зуется полнее, чем в горне.

Однако простота устройства горна, возможность быстрого пус ка и получения высоких темпера тур в нужном месте делает его во многих случаях незаменимым для кузнечных работ на селе.

Контрольные вопросы

1. Для чего металл нагревают перед ковкой'

2. Почему стали разных марок нагревают перед ковкой до разных тем-
ператур'

3. Что называется перегревом стали?

4. Что такое пережог стали и как его устранить'

5. Можно ли исправить перегрев и пережог стали?

6. Почему легированные стали надо нагревать медленнее, чем угле-
родистые?

7. Чем отличается горн от нагревательной печи?

8. Какое топливо применяется в горнах?

Глава III

ПОНЯТИЕ О ДЕФОРМАЦИИ

Деформация — это процесс изменения формы и размеров те ла под действием внешних или внутренних сил. Если после сня тия действия сил тело не восстанавливает свою форму, такую деформацию называют пластической (необратимой). Если после снятия действия сил тело возвращается в исходное состо яние, деформацию называют упругой (обратимой).

При ковке в основном происходит пластическая деформация металла, в процессе которой объем тела не изменяется, меняется только взаимное расположение и форма зерен.

§ 7. ДЕФОРМАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ КОВКИ

Для того чтобы представить себе деформацию металла при ковке, возьмем металлическую заготовку и поставим ее на нако вальню. Сверху по заготовке будет ударять молот. Зерна, из которых состоит металл, условно принимаются в виде неболь­ших шаров (рис. 14). На каждое зерно торцевой поверхности действует небольшая сила; в сумме эти силы вызывают элемен тарные силы трения, которые не дают перемещаться в стороны зернам металла, соприкасающимся с молотом и наковальней Во втором слое зерен все частицы оказываются как бы закли ненными, кроме крайних, и т. д. В каждом следующем слое по сечению с левой и правой стороны оказывается на одну закли ненную частицу меньше, чем в предыдущем (заклиненные зер¹-на показаны на рис. 14 более жирными линиями). Таким обра зом, в пространстве образуется конус, который как монолит дей ствует на остальной металл. Этот конус называется конусом скольжения. Каждая частица металла, находящаяся в конусе скольжения, перемещается только со всем конусом. Следова тельно, объем металла, находящийся в конусе скольжения, не участвует в общей деформации, а конус действует как клин, вы жимая металл, расположенный снаружи от него, в стороны. В ре зультате диаметр взятой нами заготовки в средней части бу дет увеличиваться, высота ее уменьшаться и заготовка примет бочкообразную форму (рис. 15, а). Если высота цилиндра зна чительно выше его диаметра (например,=6), заготовка после

ковки будет похожа на цифру восемь (рис. 15, б). Это объясня ется тем, что верхний и нижний конусы скольжения расположены далеко др\'^г от друга и поэтому не смыкаются.

Рис. 14. Схема осадки ме- Рис. 15. Схема деформации

талла и образовании конусов под молотом заготовок разной

скольжения высоты.

а бочкообразная форма после осадки, б — заготовка после ков ки, похожая на цифру восемь

Если основание конуса скольжения равно поверхности верх него бойка (молота или другого инструмента), соприкасающе гося с торцом заготовки, то заготовка металла уменьшается по высоте (осадка). Если боек покрывает только часть металла, то хонусы скольжения раздают металл в стороны, вытягивая его.

§ 8. СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

В процессе ковки изменяется зернистое строение (макро структура) металла, которое хорошо видно после травления его водными растворами кислот (50% НС1 + 50% Н₂0). Количество примесей на границах зерен больше и они легко вытравли ваются. Ковка делает макроструктуру стали волокнистой (поло счатой). И хотя зерна в процессе ковки раздробляются и в нагре том состоянии меняются по размерам и форме, неметаллические

примеси, газовые пузыри, шлаковые включения остаются вытя нутыми в направлении ковки.

В связи с тем что меняется структура металла, изменяются и механические свойства его после ковки.

 При ковке прокатанного метал ла зерна* изменяются меньше (они уже в процессе прокатки деформи ровались). Качество прокованного металла выше, чем прокатанного, гак как в процессе ковки волокна получаются не только вытянутыми, но и перепутанными. Чтобы деталь была прочнее, необходимо стремить ся при изготовлении не перерезать волокна.

На рис. 16 показаны три спосо ба изготовления поковки звездочки.

Сравнивая звездочки, изготов ленные разными способами, видим, что у звездочки, полученной осад кой в торец, зубья будут более проч ными, так как волокна ее направле ны вдоль каждого зуба.

Структура и качество металла зависят от степени укова во время вытяжки. Уковом называется отно шение площади поперечного сече ния до ковш .к площади поперечно го сечения после ковки.

Для поковки из слитка нормаль ная степень укова 2,5—3, для дета лей из проката 1,3—1,5. При большем укове улучшаются меха нические свойства вдоль вытяжки, но значительно ухудшаются в поперечном направлении

Контрольные вопросы

1. Что называется деформацией тела'

2. Какая разница между пластической и упругой деформацией?

3. Какая деформация происходит при ковке'

4. Что такое конусы скольжения и как они возникают при ковке?

5. Как деформируются заготовки'

6. Какими способами можно изготовить заготовку шестерни?

7. Что называется уковом'

8. Какой уков считается нормальным?

Глава IV

ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНОЙ МАСТЕРСКОЙ