Кузница в современном хозяйстве

Шмаков В.Г.

Машиностроение, 1990 г.

Углерод (С) оказывает Сильное влияние на механические, физические и технологические свойства сталей. Сталь с небольшим содержанием углерода более пластичная, имеет большую теплопроводность и температуру плавления, меньшую прочность и твердость, хорошо куется. С увеличением в стали содержания углерода увеличивается прочность, закаливаемость, но ухудшаются ковкость, пластичность, свариваемость, теплопроводность, уменьшается температура плавления. Чем больше в стали углерода, тем медленнее ее надо нагревать.

Сплав железа с углеродом (больше 2,14%) становится твердым и хрупким. Он не поддается ковке даже в горячем состоянии и его называют чугуном.

Кремний (Si) — постоянная примесь и при содержании до 0,4% не оказывает существенного влияния на свойства стали, а при добавлении его, сверх указанного, в виде легирующего элемента, увеличивает прочность и упругость, ухудшает пластичность, теплопроводность и, незначительно, свариваемость стали. Кремний добавляют при получении пружинно-рессорных сталей (до 2,8%), жаростойких (доЗ,5%) и трансформаторных (до 4%).

Марганец (Мп) — постоянная примесь и при содержании до 0,8% не оказывает существенного влияния на свойства, а при большем содержании, как легирующий элемент, увеличивает прочность и упругость, улучшает свариваемость стали. Стали с большим количеством марганца имеют хорошую сопротивляемость изнашиванию при трении. Добавление марганца ухудшает пластичность и теплопроводность. Марганец добавляют при получейии пружинно-рессорных сталей.

Сера (S) и фосфор (Р), хотя и не желательны, но являются постоянными примесями в сталях. Сера представляет большую опасность при кузнечной обработке сталей, так как может вызвать красноломкость, т. е. излом стали при температуре красного цвета каления. фосфор в количестве, превышающем нормы, приводит к хладноломкости, т. е. к излому металла при пониженной или отрицательной температурах.

Никель (Ni) увеличивает вязкость и прочность сталей, улучшает теплопроводность и способствует сохранению пластичности сталей при отрицательных температурах. Стали, содержащие никель, хорошо куются. Отрицательным свойством является то, что с никелевых сталей трудно удалять окалину.

Хром (Сг) увеличивает прочность, но ухудшает вязкость сталей. Сильно уменьшает теплопроводность сталей. Чем больше хрома в стали, тем медленнее ее надо нагревать, тщательнее следить за температурой нагрева и за выдержкой при высоких температурах во избежание перегрева. Ковка хромистых сталей при высоких температурах протекает удовлетворительно, при подстывании твердость быстро возрастает, что может вызвать появление трещин.

Сведения о влиянии на свойства стали других легирующих элементов имеются в работах [4, 7, 23].

5.2. Режимы нагрева металлов

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

Под режимом нагрева понимают определенные правила, порядок и способы нагрева металла, обеспечивающие температуры и скорость, которые необходимы 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. Для углеродистых сталей нагрев их определяется наличием углерода, т. е. 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, описание которых имеется в работах [9, 23]. При нагреве металла в горнах, как правило, кузнец должен уметь сам приближенно определять температуру нагрева металлов на глаз по следующим цветам каления, при дневном освещении в тени:

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 (см. ниже). 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. Температурные интервалы ковки некоторых марок сталей приведены в табл. 5.1. Границы температур начала ковки — линия Т„ и конца ковки — линия Т„ обозначены на рис. 8.2. Сведения о температурах ковки цветных металлов и их сплавов имеются в гл. 2 и работе [15].

Время нагрева сталей зависит от размеров заготовок и химического состава их. 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, так как они имеют меньшую теплопроводность, в результате чего внутренние слои металла не успевают прогреваться — ив заготовках возникают внутренние температурные напряжения, которые могут привести к образованию трещин. процесс обезуглероживания начинается при температуре 800 ... 850 °С. Интенсивность его зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем медленнее идет обезуглероживание.

Для крупных заготовок обезуглероживание не опасно, так как в процессе ковки и остывания заготовки углерод перемещается из внутренних слоев к наружным и химический состав стали выравнивается.

Интенсивное обезуглероживание происходит при соприкосновении с заготовкой острого окислительного пламени в виде языков.

При термической обработке ответственных деталей и инструмента обезуглероживание недопустимо. Поэтому в таких случаях нагрев деталей ведут в специальных защитных атмосферах.

Для уменьшения обезуглероживания следует, по возможности, не допускать соприкосновения заготовок с окислительным пламенем.

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 (табл. 5.2). Недогрев может появляться при плохом тепловом режиме. Следовательно, в горне нужно обеспечить соответствующее пламя, а в печи проверить температуру.

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.

Перегрев можно устранить, если заготовку охладить и снова нагреть до температуры 800 ... 850 °С и медленно охладить.

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.

. Для предупреждения пережога необходимо соблюдать следующее. Не допускать нагрева заготовок острым окислительным пламенем и касания поверхностей заготовок этим пламенем. Следить за цветом каления при нагреве заготовок в горне или печи. Не допускать превышения установленного времени выдержки заготовки при высокой температуре. При появлении признаков пережога немедленно удалять заготовку из зоны нагрева. В нагревательных печах поддерживать температуру на 120 ... 150 °С ниже температуры пережога, указанной в табл. 5.1.

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 (см. табл. 5.1). Например, поперечные трещины образуются из-за быстрого нагрева заготовок для ковки до температуры 800 ... 900 °С, при этом наружные слои заготовок успевают нагреться до высокой температуры, достаточной для ковки (см. табл. 5.1), а середины заготовок остаются еще холодными. Поверхностные трещины образуются при ковке подстывшего металла, а раскалывание заготовок от ударов свидетельствует о том, что металл пережжен. Поэтому кузнецам следует тщательно соблюдать режимы нагрева (см. выше) и правила ковки указанных и других сталей (см. ниже).