Любая нагревательная печь должна удовлетворять требованиям технологического процесса, для которого она предназначена, т.е. обеспечивать нужные температуру и качество нагрева.
Неравномерно нагретый металл при горячей пластической деформации будет деформироваться по-разному: более нагретые слои станут деформироваться интенсивнее, чем холодные. В результате этого возникает неоднородное деформированно-напряженное состояние металла, которое ведет к разнозернистости и браку поковки.
Неравномерность нагрева заготовок может быть вызвана отклонениями в работе отдельных горелок в пламенных печах (или электронагревателей в электропечах), неравномерным их расположением в печи, подсосом в печь холодного атмосферного воздуха и т.п.
Кроме равномерности нагрева особое место в технологии нагрева металла занимает скорость нагрева. С ее повышением увеличивается производительность печи, снижается расход топлива на единицу нагреваемого металла и уменьшается окисление и обезуглероживание стали. При нагреве в окислительной (воздушной) среде окисляется поверхность нагреваемого металла. При окислении на поверхности металла (заготовок) образуется слой оксидов железа (Fe2O3, Fe3O4, FeO) – окалина, которая по сравнению со сталью имеет в ~20 раз меньшую теплопроводность и поэтому является тепловой изоляцией, замедляющей поступление теплоты в заготовку.
Наличие окалины нежелательно и при горячей пластической деформации, так как она ухудшает качество поверхности штамповок и поковок, а также может быть заштампована в тело поковки. Поэтому опытные кузнецы удаляют окалину перед горячей штамповкой с помощью ударов молота по поковке и стряхивания окалины.
С поверхности готовых штамповок (поковок) окалина обычно удаляется механическим путем (в галтовочных барабанах или песко- и дробеструйных камерах и т.п.) или травлением поковки (штамповки) в растворах кислот или щелочей.
На практике часто применяют комбинированный метод очистки поверхности штамповок от окалины: химическое ее разрыхление, а затем механическое удаление дробеструйной или иной обработкой. Вследствие образования окалины размеры заготовки под штамповку приходится увеличивать.
Как и окисление, обезуглероживание стали является нежелательным процессом. При обезуглероживании стали в ее поверхностных слоях уменьшается содержание углерода, что снижает механические свойства металла. Обезуглероженный слой удаляется, например, при последующей обработке заготовки резанием. Для того чтобы поковки (штамповки) имели минимальный по толщине окисленный и обезуглероженный слой, необходимо качественно выполнить процесс нагрева заготовки.
Окисление и обезуглероживание стали и меры борьбы с ними
Под окислением стали понимают процесс окисления железа – основной составляющей стали, печными газами содержащими кислород (О2) , водяной пар (Н2О) и оксид углерода (СО2) по следующим реакциям:
2Fe + O2 ↔ 2FeO;
Fe + H2O ↔ FeO + H2;
Fe + CO2 ↔ FeO + CO.
Кроме FeO, называемого вюститом, в процессах окисления образуются оксиды железа Fe3O4 (магнетит), Fe2O3 (гематит). Непосредственно к слою стали примыкает слой вюстита (~ 80 % железа), затем располагается магнетит (~ 82 % железа) и гематит (~ 70 % железа) (рис. 1). Кроме того, наружные слои содержат повышенное содержание кислорода.
Количество окисленного металла называют угаром и относят к единице поверхности нагреваемой заготовки (измеряют в граммах на квадратный сантиметр). Углерод в сталях находится в химическом соединении с железом, называемым цементитом (Fe3C). Окисление цементита при нагреве происходит по следующим реакциям:
2Fe3C + O2 ↔ 6Fe + 2CO;
Fe3C + H2O ↔ 3Fe + CO + H2;
Fe3C + CO2 ↔ 3Fe + 2CO;
Fe3C + 2H2 ↔ 3Fe + CH4.
Рис. 1. Схема расположения окисных слоев на заготовке из стали
В результате этих химических реакций, протекающих на поверхности при нагреве стали, происходит ее обезуглероживание, т.е. снижение содержания углерода в поверхностном слое. Обезуглероживание особенно опасно для шарикоподшипниковых, пружинных, инструментальных и некоторых других марок сталей. Обезуглероженный слой с поверхности изделия удаляют обработкой резанием (точением, шлифованием и т.п.). Процессы окисления и обезуглероживания диффузионные, поэтому они зависят от времени, температуры поверхности стали, ее химического состава и состава атмосферы печи.
Большое влияние на скорость протекания окисления и обезуглероживания оказывает температура поверхности стали. Окисление и обезуглероживание начинаются при достижении поверхностью стали температуры 700…800 °С. Эти процессы протекают одновременно, но с различными скоростями. До температур, близких к 1000 °С, скорость процесса обезуглероживания опережает скорость окисления. При температуре нагрева > 1000 °С скорость окисления, наоборот, опережает скорость обезуглероживания. При нагреве стали > 1300 °С угар резко возрастает.
Различные газы, содержащиеся в печной атмосфере, разным образом взаимодействуют с железом и углеродом. Интенсивнее всего окисляет железо и обезуглероживает сталь кислород О2, слабее – оксид углерода СО2. Последний восстанавливает оксиды железа. Восстановитель – водород, однако он вызывает обезуглероживание стали. Метан способствует науглероживанию. Направление реакции зависит от соотношения окислителей и восстановителей СО2/СО и H2О/H2 в атмосфере печи, а также и температуры нагрева стали.
Учитывая данное обстоятельство, при подборе состава атмосферы печи можно полностью исключить как окисление, так и обезуглероживание. Нагрев в специальных контролируемых атмосферах чаще используется в термических печах для термообработки изделий, ранее подвергнутых обработке резанием. Контролируемый состав атмосферы печи обычно получают разложением (диссоциацией) аммиака на водород и азот или путем неполного сжигания природного газа за счет коэффициента расхода воздуха α*, который меняется от 0,25 (для эндотермических смесей) до 0,95 (для экзотермических).
*α = Vг Vв , где Vг и Vв – объемы газа и воздуха, участвующие в процессе горения, соответственно.
Контролируемый состав атмосферы получают в специальных установках – эндогенераторах. В печах для нагрева стали под горячую пластическую деформацию топливо сжигают с коэффициентом расхода воздуха α > 1. Поэтому в продуктах сгорания восстановительные газы СО и H2 практически отсутствуют. С увеличением коэффициента избытка воздуха от 1 до 1,3 угар возрастает пропорционально росту α. Поэтому с целью снижения угара необходимо выбирать горелки, обеспечивающие устойчивое горение с минимальным избытком воздуха в печной атмосфере.
Наиболее эффективным способом защиты заготовок в кузнечных печах является создание газовой завесы, которая окутывает нагреваемый металл продуктами неполного горения газообразного топлива (рис. 2). Газовая завеса образуется струями газа, подаваемого из сплющенных и охлаждаемых водой сопл горелки 4, направленных под небольшим углом к поверхности нагреваемых заготовок 1. Защитный газ смешивается затем с воздухом, поданным через горелки в избыточном количестве, и сгорает.
При отоплении печей природным газом через завесу подают 10…20 % от всего топлива, расходуемого на отопление печи. Газ сжигают с коэффициентом расхода воздуха α = 0,6. Это позволяет получить атмосферу печи следующего состава, %: 6 СО2; 8 СО; 13 H2;2 СH4, остальное – азот (N). Также эффективным способом снижения окисления и обезуглероживания стали является сжигание газа с изменением коэффициента расхода воздуха α. В начальный период нагрева газ сжигают с α > 1, после достижения поверхностью заготовок температур 900…950 °С уменьшают коэффициент расхода воздуха α до 0,85…0,95.
Рис. 2. Часть методической печи с газовой завесой (схема): 1 – заготовки; 2 – откидная заслонка; 3 – водоохлаждаемая торцевая емкость; 4 – горелки для создания газовой завесы; 5 – горелки для отопления печи; 6 – газовая завеса
Полностью процессы окисления и обезуглероживания можно исключить в случае применения нагрева заготовок в жидких средах (расплавленных солях, стеклах, щелочах и металлах).
Уменьшить окисление и обезуглероживание можно также с помощью высокоскоростных процессов нагрева стали в индукционных и электроконтактных установках.