Изменения, происходящие в металлах при нагреве и ковке

Пластичность стали увеличивается при нагреве, т. е. когда в ней начинаются внутренние превращения, состоя­щие в укрупнении зерен и ослаблении связей между ними. Поэтому прочность стали уменьшается, она становится мягкой и пластичной. Это позволяет с меньшими усилиями деформировать металлы. Например, для обычной угле­родистой стали 45 при нагревании до 600 °С временное сопротивление ее уменьшается с 600 до 250 МПа, т. е. больше чем в 2 раза. При дальнейшем нагревании стали 45 временное сопротивление ее уменьшается и имеет сле­дующие значения: при 700 °С—150 МПа, при 1000 °С — 55 МПа, при 1200 °С—25 МПа, при 1300 °С — 20 МПа. Следовательно, прочность стали, нагретой до температуры 1200... 1300 °С, уменьшается в 25... 30 раз по сравнению с холодной сталью. Однако следует иметь в виду, что при нагреве стали до температуры 200... 400 °С прочность ее увеличивается, а пластичность резко уменьшается и она становится хрупкой. Этот интервал температур назы­вают зоной синеломкости. При таких температурах сталь­ные изделия легче всего ломаются.

При нагреве цветных металлов и их сплавов наблю­дается такое же явление. Разница состоит в том, что они имеют более низкие температуры плавления, чем сталь, и все критические температуры у них имеют мень­шие значения, чем у сталей. Например, прочность меди уменьшается в 6... 7 раз при нагреве с 15 до 800 °С, алюминия—в 30... 35 раз при нагреве до 600 °С.

Зернистое строение металла изменяется в зависимости от температуры и скорости деформирования его. Соот­ветственно этим воздействием на металл изменяется и прочность его. Например, нр№ нагреве стали до критиче­ской температуры (723 °С) начинается рост зерен и про­должается вплоть до расплавления его. При нагреве стали до ковочной температуры (см. табл. 5.1) соответственно вырастают и зерна. Если после этого сталь охлаждать без деформации, то обратного явления не наблюдается, т. е. зерна не уменьшаются, а металл становится непрочным и хрупким. Если же сталь подвергать пластической де--формации, например путем ковки, вплоть до температуры окончания ковки (см. табл. 5.1), то зерна не восстанавли* ваются, а металл становится более прочным, твердым в

Рис. 5.1. Изменение форм поковок по закону наименьшего сопроти­вления

износостойким. Чем быстрее будет проходить процесс де­формации металла от начала ковки до конца ковки, тем металл будет прочнее, следовательно, ковку горячего металла рекомендуется проводить как можно быстрее и сильными ударами, потому что при ковке сильно нагре­того металла слабыми ударами в конце ковки он получа­ется -с крупнозернистым строением и поковка будет не прочной. Если требуется небольшая деформация металла, то перед ковкой его можно нагревать несколько ниже тем­пературы начала ковки (см. табл. 5.1), имея в виду, что ковка будет закончена до наступления критической тем­пературы (723 °С).

При продолжении ковки ниже критической температу­ры зерна пластически деформируются (вытягиваются) и остаются в напряженном состоянии, потому что при низкой температуре они уже не успевают переформиро­ваться в более мелкие зерна. После этого металл утрачи­вает пластичность и становится более прочным, твердым и хрупким. Упрочнение металла под действием пласти­ческой деформации называется наклепом или нагартов-кой. Наклеп не желателен, так как при этом, кроме хрупкости, резко уменьшается свойство металла обрабаты­ваться резанием.

Закон наименьшего сопротивле­ния заключается в том, что при пластической деформа­ции частицы металла всегда перемещаются по направле­ниям, где встречают наименьшее сопротивление. Напри­мер, брусок металла (рис. 5.1) длиной I и шириной Ь при ковке течет в направлении длины и ширины. Причем частицы металла перемещаются по кратчайшим расстоя­ниям. Увеличение ширины бруска происходит в большей степени, чем увеличение длины- При значительной осадке

брусок принимает форму, близкую к овалу 1, а затем —• к кругу 2 (рис. 5.1, а). Форму круга принимают также квадратные заготовки и заготовки, имеющие в сечении форму треугольника, шестигранника и других много­угольников.

При осадке цилиндра (рис. 5.1, б) металл течет интен­сивнее в середине по высоте, а не в местах установки и удара. Заготовка приобретает бочкообразную форму.

Зная этот закон, можно направлять течение металла по длине или ширине заготовки и быстрее выполнять опе­рации протяжки и разгонки, применяя более узкий удар­ный или накладной инструмент и соответственно нанося удары по заготовке (см. рис. 7.2, а, б, 7.21, б и 7.23).

Закон о постоянстве объема указы­вает на то, что при пластической деформации объем ме­талла практически остается йостоянным, т. е. металл при ковке не уплотняется, а только изменяет форму. Если говорить строго, то некоторое уплотнение металла при ковке есть, но оно настолко незначительно, что им пренебрегают и считают, что объем поковки равен объ­ему заготовки за вычетом неизбежных отходов и потерь. Закон о постоянстве объема используется при определе­нии массы и размеров заготовок и поковок, а также пере­ходов ковки (см. гл. 6).

Степенью укова называется отношение пло­щади поперечного сечения заготовки 5з к площади по­перечного сечения поковки Sa после протяжки, т. е.

Y = 5, /sn, или, наоборот, отношение

Y == 5п/5з

будет также уковом после осадки. Обычно степень укова для сталей из проката составляет 1, 5... 4, а для слитков достигает 12. С увеличением степени укова увеличивается прочность металла (он лучше прокован), так как полу­чаются более мелкие зерна, поэтому на поковки для от­ветственных деталей задают определенную величину степени укова.

Для поковок с известными диаметрами диаметры за­готовок, с учетом степени укова, можно определять по формулам:

, при протяжке

d^Ydly; (5.3) 84

где с? з, da — диаметры заготовки и поковки.

Из формул (5.1) и (5.2) можно получить формулы для определения размеров сечений заготовок, имеющих дру­гие формы. ^

Усадка металла, т. е. уменьшение размеров поковки, наблюдается при охлаждении металла. Для определения усадки надо знать, что при снижении температуры сталь­ной поковки с 750... 800 °С (см. табл. 5.1) до 20 °С ее размеры уменьшаются на 0, 75... 0, 8 %.

Например, поковка длиной 400 мм в нагретом состоя­нии при охлаждении будет иметь длину 400—400.0, 8/100= = 396, 8 мм. Из примера видно, что усадку следует учи­тывать только при изготовлении достаточно крупных и длинных поковок. Для мелких и средних поковок усадка будет незначительной и находится в пределах допусков.

Влияние расположения волокон на прочность металла. Основным материалом при ковке мелких и средних поко­вок является сортовой прокат. Прокатанная сталь имеет волокнистое строение, получающееся в результате из­мельчения и сплющивания зерен, которые вытягиваются и образуют ориентированные волокна в направлении прокатки. Механические свойства (прочность) металла вдоль и поперек волокон различны. При действии сил вдоль волокон прочность металла больше, чем при дей­ствии их поперек волокон. Перерезание волокон умень­шает прочность деталей из проката.

Ковкой можно переориентировать эти волокна или перепутать их, что будет способствовать получению более прочных деталей из поковок, чем из проката. Примеры такого упрочнения показаны на рис. 5.2.

Изготовить болт можно тремя способами (рис. 5.2, a):

1 — точением из проката диаметром D; 2 — ковкой из проката диаметром D; 3 — осадкой головки из проката диаметром d. Наибольшей прочностью будет обладать болт, изготовленный третьим способом.

В шестерне (рис. 5.2, б), изготовленной из проката резанием, волокна направлены параллельно ее оси. При работе шестерни в зацеплении с зубчатым колесом силы будут направлены поперек волокон, т.е. неблагоприятно. При изготовлении той же шестерни из заготовки, полу­ченной осадкой (рис. 5.2, в), волокна будут иметь радиаль-

Рис. 5.2. Влияние расположения волокон на прочность металла

ное направление, т. е. более благоприятное относительно действия на зуб силы от колеса.

Крюк, изготовленный гибкой и ковкой проката (рис. 5.2, г), будет прочнее, чем крюк, вырезанный из толстой плиты (рис. 5.2, д).

Коленчатый вал, изготовленный гибкой и ковкой про­ката (рис. 5.2, е} имеет волокна, направленные вдоль действия рабочих растягивающих сил. Такой же вал, полученный из проката резанием (рис. 5.2, ж}, имеет неблагоприятное направление волокон, а в некоторых частях волокна перерезаны при обработке. Следовательно,

вал, изготовленный гибкой и ковкой, будет более проч­ным и может иметь меньший диаметр и массу для восприя­тия одинаковой силы с валом, изготовленным с приме­нением обработки резанием.

На рис. 5.2, э показаны два способа образования усту­пов: при помощи топора и полукруглой пережимки. При получении уступа пережымкой вал будет более прочным.

В некоторых случаях требуются поковки, механиче­ская прочность которых должна быть одинаковой во всех направлениях. Очевидно, что в такой поковке волокна должны быть разориентированы и перепутаны во всем объеме поковки. Это достигается путем осадки заготовки в разных направлениях по нескольку раз. Подобная об­работка повышает стойкость, например, штампов в 1, 5... 2 раза и больше [23]. Иногда этого можно достичь путем кузнечной сварки многих мелких заготовок (отходов) в одну поковку при беспорядочном расположении этих заготовок.

Таким образом, при изготовлении поковок кузнец должен уметь ориентировать направления волокон так, чтобы они совпадали с направлением наибольших растя­гивающих сил, действующих на детали при эксплуатации, и по возможности не перерезать волокна металла при ковке.

Влияние рабочей поверхности инструмента на обра­батываемый металл выражается в следующем. При мень­шей лицевой поверхности инструмента он легче внедря­ется в металл и требуется меньшая сила удара по инстру­менту. Однако острые инструменты перерезают волокна и уменьшают прочность поковки. Поэтому при образова­нии переходов лучше применять инструмент без острых кромок, позволяющий получать плавные переходы у по­ковок.

Между рабочей поверхностью инструмента и металлом при ковке возникают силы трения. Этим и объясняется выпучивание металла (см. рис. 5.1). Силы трения как бы задерживают перемещение металла вдоль ударного или накладного инструмента и он течет преимущественно в ту сторону, где силы трения оказывают меньшее сопротив­ление. Поэтому при протяжке применяют узкие верхние бойки, так как металл течет не вдоль, а поперек бойков или раскаток.

Следует учитывать охлаждающее действие инстру­мента на нагретый металл. Особенно интенсивно это ох­лаждение в начале ковки, когда инструмент сравнительно

холодный, а металл нагрет до ковочной температуры. Так как заготовка с опорным инструментом (наковальней, нижним бойком) соприкасается более продолжительное время, то для выравнивания температуры обрабатывае­мого металла необходимо периодически кантовать его на наковальне или нижнем бойке.

На рабочих поверхностях инструмента не должно быть выбоин, вмятин, нагаров, поэтому его периодически надо зачищать и шлифовать, иначе на металле будут получать­ся неровности, соответствующие выбоинам и вмятинам.