Процессы, происходящие при нагреве.

Прошивка.

Прошивка - кузнечная операция, служащая для получения в поковках сквозных отверстий или глухих полостей (углублений). Используется в качестве основной, а также вспомогательной операции при ковке.

В качестве инструмента для прошивки используются прошивни двух видов - сплошные и пустотелые.

Прошивку применяют для получения отверстий в изделиях в процессе ковки.
Методом прошивки получают отверстия в тонких деталях, для чего нагретый кусок металла (до температуры 900—1000°) кладется на наковальню так, чтобы место, где будет произведена прошивка, находилось над отверстием наковальни; или под изделие подкладывается кольцо, у которого внутренний диаметр несколько больше прошиваемого отверстия. Затем на место, где нужно прошить отверстие, устанавливают пробойник и ударяют молотком по обушку пробойника. Пробойник прорезает металл почти без раздачи его в стороны. В конце прошивки в отверстие наковальни или кольца выпадает вырезанная часть металла (выдра) в виде шайбы, высотой почти равная высоте прошиваемой заготовки.
Прошивка отверстий в стали при ручной ковке производится с помощью пробойников или бородков. Конец бородка, которым пробивается металл, имеет различную форму—квадратную, круглую. По другому концу бородка наносят удары кувалдой или ручником. Конец бородка делается в виде конуса, что дает возможность одним и тем же бородком пробивать или прошивать отверстия разных размеров, а также облегчает извлечение бородка из отверстия. Бородок насаживается на деревянную ручку.
Для получения различных отверстий в поковке применяется кузнечная форма. Форма представляет собой толстую квадратную плиту из стали или чугуна, в которой сделаны отверстия всевозможных размеров и очертаний. Подобрав подходящее отверстие, кладут на него поковку и, наставив сверху пробойник, производят пробивку отверстия. По бокам формы сделаны различные вырезы, которые служат для придания поковкам разнообразных форм и для выглаживания, для чего подбирают подходящий вырез, кладут в него поковку, сверху на поковку накладывается гладилка или обжимка, и производится необходимая операция.
Прошивку отверстий производят в горячем металле. Металл в том месте, где должно быть сделано отверстие, нагревается до оранжево-желтого цвета, что соответствует примерно температуре 900—1000°. Прошивать отверстия в холодном металле, даже в тонких заготовках, не рекомендуется, так как по краям отверстия могут получиться трещины и заусенцы.
Пробойник на поковку необходимо ставить вертикально. Первый удар кувалдой по обушку пробойника наносится слабый; при сильном и не прямом ударе пробойник может вырваться из рук кузнеца и поранить окружающих рабочих. После каждого удара по пробойнику его следует слегка покачивать, чтобы он не заклинивался в металле.
Если толщина поковки большая, то пробойник во время работы рекомендуется периодически вынимать и конец его охлаждать в воде; иначе пробойник нагреется и будет гнуться, не пробивая металла.
В пробиваемое отверстие рекомендуется подсыпать древесный уголь (порошок). Газы, образующиеся при сгорании угля во время пробивки, не дадут бородку завязнуть в металле.
После прошивки стенки отверстия не будут прямыми, так как пробойник имеет конусообразную форму. Для того чтобы выгладить стенки отверстия и придать отверстию цилиндрическую форму, через него прогоняется бочкообразная оправка.
Дефекты при прошивке. При прошивке могут наблюдаться следующие дефекты:
1) неправильное отверстие с затянутыми краями, получающееся при прошивке толстой заготовки сразу же на всю толщину;
2) смещение отверстия при пробивке от неправильной установки бородка после поворота на 180°;
3) появление заусенцев, когда диаметр отверстия в наковальне, форме или подкладном кольце намного больше, чем диаметр прошиваемого отверстия;
4) появление рванин или трещин по краям отверстия, когда пробивается или прошивается холодный или недостаточно нагретый металл.

Для повышения пластичности металла и снижения усилий, необходимых для его обработки, заготовки перед ковкой и горячей штамповкой нагревают до ковочной температуры, которая для стали составляет в среднем 1200 . . . 12500 С. Нагрев металлов перед ковкой является ответственной операцией, от которой во многом зависит ие только качество будущих деталей, но также производительность труда, исправная работа оборудования, стойкость инструмента и себестоимость продукции.

В процессе нагрева изменяются размеры заготовок, состояние поверхностных слоев металла, его строение и свойства.

Изменение размеров заготовки. При нагреве металлы расширяются, а при охлаждении сжимаются на величину, называемую усадкой. При ковке стальных поковок усадку определяют приближенно, считая, что она составляет 1,2 % от размера заготовки в горячем состоянии. Например, горячая поковка длиной 500 мм после охлаждения до цеховой температуры будет иметь длину 494 мм. Если усадку металла не учесть, то получится брак поковки по размерам.

Влияние усадки на форму и размеры поковки особенно следует учитывать при ковке заготовок деталей сложной формы с длинными отростками, так как усадка может привести к сильному короблению поковки. Очень важно также принимать во внимание усадку металла при изготовлении рабочих ручьев штампов для объемной штамповки, особенно при точной объемной штамповке дорогостоящих сплавов.

Изменения в поверхностных слоях заготовок. С повышением температуры активность взаимодействия металлов с атмосферой печи увеличивается. При нагреве сталей на поверхности заготовки образуется слой оксидов железа (FeO, Fe203, Fe304), называемый также окалиной. Толщина слоя окалины зависит от температуры и времени нагрева, расположения заготовок в печи, состава печных газов и химического состава сплава. Наиболее интенсивно стали окисляются при температуре выше 900 ° С. Так, при увеличении температуры заготовки с 900 до 1000 ° С скорость окисления увеличивается в 2 раза, а до 1200 ° С – в 5 раз.

Образование окалины ведет к потерям металла, увеличению припусков на механическую обработку, снижению производительности труда. Кроме того, окалина, являясь твердым веществом, снижает стойкость инструмента при обработке давлением и резанием.

Нагрев углеродистых сталей сопровождается образованием рыхлого слоя окалины, который легко удаляется, но не предохраняет металл от дальнейшего окисления. У сталей, легированных хромом, кремнием, вольфрамом, никелем, слой окалины имеет малую толщину, плотное строение, не растрескивается и является защитой от дальнейшего окисления. Хромоникелевая сталь, содержащая 15 … 20 % никеля, практически не окисляется и называется поэтому жароупорной. При нагреве углеродистых сталей происходит также выгорание углерода с поверхностного слоя на глубину до 2 мм. Уменьшение содержания углерода, называемое о бе зугле ро живанием, ведет к снижению прочности и твердости стали и ухудшению закаливаемости детали. Обезуглероживание особенно вредно для поковок небольших размеров, имеющих малые припуски на механическую обработку и подвергаемых последующей закалке. Для крупных поковок обезуглероживание менее опасно, поскольку в процессе ковки и охлаждения углерод из внутренних слоев заготовки диффундирует в наружные и химический состав сплава выравнивается.

Для уменьшения окалинообразования и обезуглероживания применяют нагрев в защитной атмосфере (специальные сплавы нагревают и обрабатывают в вакууме), скоростной нагрев, различные покрытия и обмазки, наносимые на заготовки перед нагревом. Обмазки не только защищают металл от окалинообразования, обезуглероживания и насыщения газами, но и, являясь смазками, снижают усилие деформирования и нагрев деформирующего инструмента, а также облегчают пластическое течение металла при обработке давлением.

Однако полностью защитить металл от окисления в производственных условиях не удается, поэтому применяют различные способы удаления окалины с нагретых заготовок перед штамповкой — с помощью разнообразных скребков, щеточных приспособлений, окалиноломате- лей, а также гидроочистки за счет кратковременного воздействия струй воды высокого давления на поверхность заготовки.

Распределение температуры по сечению заготовки. Прогрев заготовки по сечению осуществляется за счет теплопередачи от наружных слоев к внутренним. Чем меньше коэффициент теплопередачи металла, больше скорость нагрева и площадь поперечного сечения заготовки, тем больше разность температур между наружными и внутренними слоями заготовки. Под действием высокой температуры наружные слои расширяются больше внутренних, вследствие чего между ними возникают напряжения, которые могут привести к разрушению металла. В большинстве своем заготовки из углеродистых конструкционных сталей сечением до 100 мм благодаря высоким теплопроводности и пластичности металла «не боятся» быстрого нагрева, поэтому их можно закладывать холодными в печь с температурой до 1300 0 С.

Высокоуглеродастые и высоколегированные стали и многие сложные сплавы, имеющие низкие теплопроводность и пластичность, во избежание образования трещин требуют медленного нагрева. Заготовки из таких сталей и сплавов загружают в печь, имеющую сначала невысокую температуру, некоторое время выдерживают при этой температуре и только после прогрева заготовок по всему сечению увеличивают ее. После того как наружные слои заготовок нагреются до ковочной температуры, заготовки оставляют еще некоторое время в печи для выравнивания температуры металла по всему сечению. Это время называется временем выдержки. Крупные слитки из легированных сталей при нагреве подвергают нескольким выдержкам при различных температурах.

Ковать неравномерно нагретую заготовку опасно вследствие различных по ее сечению деформаций металла и возможного его разрушения. При объемной штамповке и ковке в подкладных штампах неравномерный нагрев приводит к незаполнению рабочего ручья штампа и снижению стойкости инструмента.

Следует иметь в виду, что в процессе ковки, особенно при больших скоростях деформации и невысокой температуре заготовки, выделяется теплота, распределяемая неравномерно по объему заготовки.

Влияние нагрева на структуру металла связано с аллотропическими превращениями (различные кристаллические решетки при разных температурах) в железе. При нагреве свыше 723 °С сталь имеет гране- центрированную кубическую решетку с внедренными в нее атомами углерода — твердый раствор внедрения, называемый аустенитом. Стали с аустенитной структурой имеют наибольшую пластичность.