Правильно нагреть металл для ковки это значит: а) нагреть его до
заданной температуры, равномерно по сечению; б) нагреть с наибольшей
допустимой скоростью нагрева, но так, чтобы не нарушить качества
металла; в) нагреть с наименьшими потерями металла на угар и с
наименьшим расходом топлива.
Тепло на поверхность нагреваемого металла в пламенных печах передается
двумя способами — конвекцией и лучеиспусканием. Конвекция — это передача
тепла при непосредственном соприкосновении непрерывно перемещающихся
частиц печных газов с поверхностью нагреваемой заготовки. В результате
этого более нагретые частицы печных газов отдают свое тепло менее
нагретой поверхности нагреваемой заготовки. Лучеиспускание— это передача
тепла через пространство от более нагретого тела к менее нагретому. При
этом тепло передается в виде лучистой энергии, которая, попадая на
поверхность другого тела, полностью или частично превращается в тепло.
В кузнечных печах металл нагревается одновременно и конвекцией, и
лучеиспусканием. До температуры 600° С тепло передается металлу в
основном конвекцией; лучеиспусканием при нагревании до температуры 600°
С передается небольшое количество тепла. При температурах же выше 600° С
наибольшее количество тепла передается металлу не конвекцией, а
лучеиспусканием. Тепло передается нагреваемому металлу тем быстрее, чем
больше разность температур между нагреваемым металлом, печными газами,
подом, сводом и стенками печи. Тепло, переходящее к нагреваемому металлу
путем лучеиспускания и конвекции, воспринимается поверхностью заготовки
или слитка.
Дальнейшее распространение тепла в глубь заготовки или слитка
осуществляется благодаря теплопроводности стали.
Как известно, стали с различными химическими составами имеют
неодинаковую теплопроводность. Чем больше в стали содержится примесей,
тем ее теплопроводность слабее. Так как теплопроводность выражает собой
скорость распространения тепла с поверхности в глубь нагреваемой
заготовки или слитка, то отсюда следует, что малоуглеродистые (мягкие)
стали нагреваются до равномерной температуры по сечению быстрее, чем
легированные. Нагрев толстых и тонких заготовок происходит по-разному.
Температура в толстых заготовках или слитках распределяется
неравномерно: средние слои имеют более низкую температуру, чем наружные.
При этом разность между температурой металла в средних слоях слитка и
температурой наружной поверхности его будет тем больше, чем меньше
теплопроводность стали. Разность температур печи и поверхности
нагреваемого слитка будет тем больше, чем больше скорость нагрева и чем
толще слиток.
В результате неравномерного распределения температур по сечению слитка
или заготовки в металле образуются так называемые температурные
напряжения. Возникновение температурных напряжений вызывается тем, что
поверхностные слои металла, будучи нагреты до более высоких температур,
чем внутренние слои, будут увеличиваться в объеме больше, чем
внутренние. Вследствие этого поверхностные слоя металла слитка или
заготовки стремятся как бы оторваться от внутренних, менее нагретых
слоев, которые сдерживают расширение наружных слоев металла. Поэтому при
неравномерном прогреве слитка по сечению в наружных слоях слитка
появляются сжимающие напряжения (усилия), а во внутренних —
растягивающие напряжения (усилия); эти напряжения являются причиной
получения трещин при нагреве.
Процесс нагрева заготовок или слитков разделяется на два периода: первый
период — нагрев в области низких температур— до 500—700°С, второй — в
области высоких температур, т. е. до температуры ковки. Важным является
первый период нагрева, так как стали в области низких температур имеют
малую пластичность, а высоколегированные — малую теплопроводность.
Нагрев крупных слитков или заготовок, особенно из высоколегированных
сталей, должен производиться с большой осторожностью, чтобы в слитке или
заготовке не происходило таких температурных напряжений, которые могут
вызвать трещины. Поэтому скорость нагрева должна быть ограничена, а
температура посадки холодных слитков, особенно из высоколегированных
сталей, должна быть не более 600—800° С. Посадку заготовок из
углеродистых мягких сталей, а также тонких заготовок (до 100 мм) из
легированных сталей можно производить в печь, нагретую до ковочной
температуры.
Второй период — нагрев в области высоких температур — характеризуется
большими скоростями нагрева. Пластичность углеродистых сталей при
температуре более 500 — 700° С хорошая, поэтому внутренние температурные
напряжения, возникающие при нагреве, не могут вызвать трещин в слитке
или заготовке. Во втором периоде нагрева необходимо следить за тем,
чтобы не пережечь металл. Для этого в камерах печи, где производится
высокотемпературный нагрев, температура печных газов должна быть не
более чем на 100 — 150° выше, чем температура нагрева металла.