Як загартувати метал у домашніх умовах. Загартування металу в домашніх умовах: гартуємо сталь правильно Як швидко розігріти метал у побутових умовах

Якщо знати, як загартувати метал правильно, то навіть у домашніх умовах можна підвищити твердість виробів із нього в два-три рази. Причини, через які виникає необхідність у цьому, можуть бути різними. Така технологічна операція, зокрема, потрібна у тому випадку, якщо металу треба надати твердості, достатньої для того, щоб він міг різати скло.

Найчастіше загартувати треба ріжучий інструмент, причому виконується термічна обробка у тому разі, якщо треба збільшити його твердість, але й тоді, коли цю характеристикупотрібно зменшити. Коли твердість інструменту занадто мала, його ріжуча частина замінятиметься в процесі експлуатації, якщо ж вона висока, то метал кришитиметься під впливом механічних навантажень.

Мало хто знає, що існує простий спосіб, що дозволяє перевірити, наскільки добре загартований інструмент зі сталі, не тільки у виробничих або домашніх умовах, але і в магазині, при покупці. Для того, щоб виконати таку перевірку, вам знадобиться звичайний напилок. Їм проводять по ріжучій частині інструмента, що купується. Якщо той загартували погано, то напилок начебто прилипатиме до його робочої частини, а в протилежному випадку – легко відходити від інструмента, що тестується, при цьому рука, в якій знаходиться напилок, не відчуватиме на поверхні виробу ніяких нерівностей.

Якщо так вийшло, що у вашому розпорядженні виявився інструмент, якість гарту якого вас не влаштовує, переживати з цього приводу не варто. Вирішується така проблема досить легко: загартувати метал можна навіть у домашніх умовах, не використовуючи для цього складного обладнання та спеціальних пристроїв. Однак слід знати, що загартуванням не піддаються маловуглецеві сталі. У той же час твердість вуглецевих і досить просто підвищити навіть у домашніх умовах.

Технологічні нюанси загартування

Загартування, яке є одним з типів термічної обробки металів, виконується у два етапи. Спочатку метал нагрівають до високої температури, а потім охолоджують. Різні метали і навіть сталі, що стосуються різних категорій, відрізняються один від одного своєю структурою, тому режими виконання термічної обробки у них не збігаються.

Термічна обробка металу (загартування, відпустка та ін.) може знадобитися для:

• його зміцнення та підвищення твердості;
• покращення його пластичності, що необхідно при обробці методом пластичної деформації.

Загартовують сталь багато спеціалізованих компаній, але вартість цих послуг досить висока і залежить від ваги деталі, яку потрібно піддати термічній обробці. Саме тому доцільно зайнятися цим самостійно, тим більше, що зробити це можна навіть у домашніх умовах.

Якщо ви вирішили загартувати метал самотужки, дуже важливо правильно здійснювати таку процедуру, як нагрівання. Цей процес не повинен супроводжуватись появою на поверхні виробу чорних або синіх плям. Про те, що нагрівання відбувається правильно, свідчить яскраво-червоний колір металу. Добре демонструє даний процес відео, яке допоможе вам отримати уявлення про те, наскільки нагрівати метал, що піддається термічній обробці.

Як джерело тепла для нагрівання до необхідної температури металевого виробу, яке потрібно загартувати, можна використовувати:

• спеціальну піч, що працює на електриці;
• паяльну лампу;
• відкрите багаття, яке можна розвести у дворі свого будинку чи на дачі.

Вибір джерела тепла залежить від того, до якої температури треба нагріти метал, що піддається термічній обробці.

Вибір методу охолодження залежить не тільки від матеріалу, але також від того, яких результатів потрібно досягти. Якщо, наприклад, загартувати треба не весь виріб, а тільки його окрему ділянку, охолодження також здійснюється точково, для чого може використовуватися струмінь холодної води.

Технологічна схема, за якою гартують метал, може передбачати миттєве, поступове або багатоступінчасте охолодження.

Швидке охолодження, для якого використовується охолоджувач одного типу, оптимально підходить для загартовування сталі, що відносяться до категорії вуглецевих або легованих. Для виконання такого охолодження потрібна одна ємність, якою може використовуватися відро, бочка або навіть звичайна ванна(Все залежить від габаритів предмета, що обробляється).

У разі, якщо інших категорій або якщо крім гарту потрібно виконати відпустку, застосовується двоступінчаста схема охолодження. При такій схемі нагріте до необхідної температури виріб спочатку охолоджують водою, а потім поміщають у мінеральну або синтетичну олію, в якій відбувається подальше охолодження. У жодному разі не можна використовувати відразу олійне охолоджувальне середовище, оскільки масло може спалахнути.

Щоб правильно підібрати режими гарту різних марок сталей, слід орієнтуватися на спеціальні таблиці.

Як загартувати сталь на відкритому вогні

Як вже говорилося вище, загартувати сталь можна і в домашніх умовах, використовуючи для нагрівання відкрите багаття. Починати такий процес, природно, слід з розведення багаття, в якому має утворитися багато розпеченого вугілля. Вам також знадобиться дві ємності. В одну з них треба налити мінеральну чи синтетичну олію, а в іншу – звичайну холодну воду.

Для того, щоб витягувати розпечене залізо з багаття, вам знадобляться ковальські кліщі, які можна замінити будь-яким іншим інструментом такого призначення. Після того як усі підготовчі роботивиконані, а в багатті утворилася достатня кількість розпеченого вугілля, на них можна укласти предмети, які потрібно загартувати.

За кольором вугілля, що утворилося, можна судити про температуру їх нагріву. Так, розпеченішими є вугілля, поверхня яких має яскраво- білий колір. Важливо стежити і за кольором полум'я багаття, яке свідчить про температурний режим у його внутрішній частині. Найкраще, якщо полум'я багаття буде забарвлене в малиновий, а не білий колір. В останньому випадку, що свідчить про надто високу температуру полум'я, є ризик не лише перегріти, а й навіть спалити метал, який треба загартувати.

За кольором металу, що нагрівається, також необхідно уважно стежити. Зокрема, не можна допустити, щоб на ріжучих кромках інструменту, що обробляється, з'являлися чорні плями. Посинення металу свідчить про те, що він сильно розм'якшився і став надто пластичним. Доводити до такого стану його не можна.

Після того, як виріб прожариться до необхідного ступеня, можна приступати до наступного етапу - охолодження. У першу чергу, його опускають у ємність з маслом, причому роблять це часто (з періодичністю в 3 секунди) і якомога різкіше. Поступово проміжки між цими зануреннями збільшують. Як тільки розпечена сталь втратить яскравість свого кольору, можна приступати до її охолодження у воді.

При охолодженні водою металу, на поверхні якого залишилися крапельки розпеченого масла, слід бути обережним, оскільки вони можуть спалахнути. Після кожного занурення воду необхідно збовтувати, щоб вона постійно залишалася прохолодною. Отримати наочніше уявлення про правила виконання такої операції допоможе навчальне відео.

Є певні тонкощі при охолодженні свердлів. Так, їх не можна опускати в ємність з охолодною рідиною плашмя. Якщо вчинити таким чином, нижня частина свердла або будь-якого іншого металевого предмета, що має витягнуту форму, різко охолоне першою, що призведе до її стиснення. Саме тому занурювати такі вироби в охолодну рідину необхідно з боку ширшого кінця.

Для термічної обробки спеціальних сортів сталі та плавки кольорових металів можливостей відкритого багаття не вистачить, оскільки він не зможе забезпечити нагрівання металу до температури 700-9000. Для таких цілей необхідно використовувати спеціальні печі, які можуть бути електричними або муфельними. Якщо виготовити в домашніх умовах електричну піч досить складно та затратно, то з нагрівальним обладнанням муфельного типу це цілком можливо.

Самостійне виготовлення камери для загартовування металу

Муфельна піч, яку можна зробити самостійно в домашніх умовах, дозволяє загартувати. різні маркисталі. Основним компонентом, який буде потрібно для виготовлення цього нагрівального пристрою, є вогнетривка глина. Шар такої глини, якою буде покрита внутрішня частина печі, має становити трохи більше 1 див.

Схема камери для загартування металу: 1 — ніхромовий дріт; 2 - внутрішня частина камери; 3 - зовнішня частинакамери; 4 - задня стінказ висновками спіралі

Для того, щоб надати майбутній печі необхідну конфігурацію та бажані габарити, найкраще виготовити форму з картону, просоченого парафіном, на яку і наноситиметься вогнетривка глина. Глина, замішана з водою до густої однорідної маси, наноситься на виворітний бік картонної форми, від якої вона сама відстане після повного висихання. Металеві вироби, що нагріваються в такому пристрої, поміщаються в нього через спеціальні дверцята, які також виготовляються з вогнетривкої глини.

Камеру та дверцята пристрою після просушування на відкритому повітрі додатково просушують при температурі 100°. Після цього їх випалюють у печі, температуру в камері якої поступово доводять до 900°. Коли вони охолонуть після випалу, їх необхідно акуратно з'єднати один з одним, використовуючи слюсарні інструменти та наждачну шкірку.

На поверхню повністю сформованої камери намотують ніхромовий дріт, діаметр якого повинен становити 0,75 мм. Перший і останній шартакий намотування необхідно скрутити між собою. Намотуючи дріт на камеру, слід залишати між її витками певну відстань, яку теж треба заповнити вогнетривкою глиною, щоб унеможливити можливість короткого замикання. Після того, як шар глини, нанесений для забезпечення ізоляції між витками ніхромового дроту, засохне, на поверхню камери наноситься ще один шар глини, товщина якого повинна становити приблизно 12 см.

Готова камера після повного висихання поміщається в корпус із металу, а зазори між ними засипаються азбестовою крихтою. Для того щоб забезпечити доступ до внутрішньої камери, на металевий корпус печі навішуються дверцята, оброблені зсередини. керамічною плиткою. Усі наявні зазори між конструктивними елементамикрупним планом за допомогою вогнетривкої глини і азбестової крихти.

Кінці ніхромової обмотки камери, до яких необхідно підвести електричне живлення, виводяться із задньої сторони її металевого каркасу. Щоб контролювати процеси, що відбуваються у внутрішній частині печі муфельної, а також заміряти температуру в ній за допомогою термопари, в її передній частині необхідно виконати два отвори, діаметри яких повинні становити 1 і 2 см відповідно. З лицьової частини каркасу такі отвори закриватимуться спеціальними сталевими шторками. Саморобна конструкція, Виготовлення якої описано вище, дозволяє в домашніх умовах загартовувати слюсарні та ріжучі інструменти, робочі елементи штампового обладнання та ін.

Нагрівання металу зварювальним струмом. Закон Джоуля-Ленца. Електричний опір металу.

Усі струмопровідні елементи нагріваються електричним струмом, а кількість тепла, що виділяється на будь-якій ділянці електричного ланцюгаз активним опором R=R(t), який є функцією від t і τ при струмі I=I(t) залежно від часу t визначається законом Джоуля-Ленца:

Це загальна формулаяка не показує і не визначає конкретних температур у зоні з'єднання при нагріванні його зварювальним струмом.

Однак треба пам'ятати, що величина R і I значною мірою залежить від тривалості цього струму.

Контактні машини конструктивно виготовлені так, що найбільша кількістьтеплоти виділяється між електродами.

У шовного точкового зварювання найбільша кількість ділянок електрод-електрод, загальна кількість опору складаються з опору електрод-деталь + деталь-деталь+ деталь + електрод - деталь

Rэ = 2Rед + Rдд + 2Rд

Усі складові загального опору Rэ безперервно змінюються протягом термічного циклу зварювання.

Контактний опір – Rдд є найбільшим за величиною, т.к. контактування здійснюється мікровиступами і площа фізичного контакту мала.

Крім того на поверхні деталі присутні окисні плівки та різні забруднення.

Т.к. зварюємо в основному сталі і сплави, що мають значну міцність, то повне зминання мікроенрівностей відбувається лише при нагріванні їх зварювальним струмом до тепмератур близько 600°С

Опір у контакті електрод-деталь значно менше Rдд, т.к. більш м'який і високотеплоелектропровідний матеріал електродів активно впроваджується між виступами мікронерівностей деталей.

Підвищений опір в контактах також через те, що в контактних областях різке викривлення лінії струму, що визначає більш високий опір рахунок збільшення шляху струму.

Опір контактів Rдд і Ред значною мірою залежить від очищення поверхні під зварювання.

Вимірюючи 2 пластинки, товщиною 3мм дуже сильно стислі 200Н за схемою амперметр-вольтметр, отримали такі значення:

Зачищення поверхонь навколо та шліфуванням: 100мкОм

Висновок: шліфувати

На практиці застосовують травлення (при зварюванні великих поверхонь), обробка поверхонь металевими щітками, піскоструминна та дробоструминна обробка.

При контактному зварюваннінамагаються застосовувати холоднокатаний прокат на поверхні якого можуть бути залишки олії.

Якщо немає іржі на поверхні, то достатньо знежирити поверхні, що зварюються.

Контактний опір чистих, але покритих окисом деталей зменшується зі зростанням зусиль стиснення. Це пояснюватиметься більшою деформацією мікровиступів.

Включаємо струм, максимальна щільність лінії струму зосереджується на ювенільних поверхнях. Струм через контакти, що утворився при деформації мікровиступів.

У початковий час щільність струму у матеріалі деталі менше, т.к. лінії струму поширені щодо рівномірно, а контакті деталь- деталь струм тече лише через зони провідності, отже, щільність струму вище, ніж у більшості деталі і тепловиділення і нагрівання у цій галузі значніші.

Метал у контакті стане пластичним. Він деформується під дією зварювального зусилля, площа провідних контактів зростатиме і при досягненні t=600 градС (через соті частки секунди) мікровиступи повністю деформуються, окисні плівки частково руйнуватимуться, частково дифундують в масу деталі і роль контактного опору Rдд перестане бути першорядним. .

Однак до цього моменту температура в області контакту деталь-деталь буде найвищою, питомий опірматеріалу ρ - найбільше і тепловиділення буде інтенсивнішим все одно в цій зоні.

При достатніх густинах струму тривалості його протікання саме там починається плавлення металу.

Появі ізотерми плавлення саме в контакті деталь-деталь сприятиме найменше тепловідведення з цієї області, власний опір деталі.

Власний опір деталі

S-переріз провідника

Коефіцієнт А збільшує розтікання лінії струму в масу деталі, при цьому відбувається збільшення реальної площі розтікання

dk-діаметр розтікання

А= 0,8-0,95, залежить від твердості матеріалу, а переважно від питомого опору.

Від співвідношення dk/δ=3-5 А=0,8

Очевидно, що опір деталі залежить від товщини, це враховується коефіцієнтом А та від питомої. електричного опоруматеріалу деталі ρ, воно залежить від хімічного складу.

Крім цього питомий опір залежить від температури

ρ(t)=ρ0*(1+αp*T)

У процесі зварювання при протіканні струму t вимірюється від контактної до tпл та вище

Tпл = 1530 градС

При досягненні tпл питомий опір стрибком збільшується.

αρ- температурний коефіцієнт

αρ=0,004 1/градС- для чистих металів

αρ=0,001-0,003 1/градС- для сплавів

Значення αρ падає зі збільшенням ступеня лігування.

Зі зростанням температури метал як і контакті, і у більшості під електродами деформується, площа контакту зростає і якщо робоча повехность електродів сферична, то площа контакту може збільшуватися в 1,5-2 разу.

Графік зміни опору у процесі зварювання.

У початковий момент часу опір деталі зростає внаслідок збільшення температури та зростання питомого електричного опору, потім метал стає пластичним і починає збільшуватися площа контакту внаслідок вдавлювання електродів у поверхню деталі, а також збільшення розмірів площі контакту деталь-деталь.

Загальний опір знижуватиметься в міру вимкнення зварювального струму. Однак це справедливо для зварювання вуглецевих та низьколегованих сталей.

Для зварювання жароміцних Ni і Cr сплавів опір може навіть виростати.

Електричне та температурне поле.

Закон Джоуля-Ленца Q = IRt показує тепловиділення в струмопровідних елементах, а відбуваються процеси тепловідведення.

Завдяки активному охолодженню електродів і збільшенню тепловідведення в них отримуємо сочевицеподібну форму литого ядра.

Але таку форму не завжди вдається отримати, особливо при зварюванні різнорідних, різнотовщинних матеріалів та тонких деталей.

Знаючи характер температурного поля у зоні зварювання можна проаналізувати:

1) Розміри литого ядра.
2) Розмір ЗТВ (структури)
3) Величину залишкових напруг, тобто. властивості сполук.

Температурне поле- сукупність температур у різних точках деталі в певний моментчасу.

Крапки з однаковою температурою, з'єднані лінією, називаються ізотермою.

Розмір чистого ядра на мікрошліфі називає ізотерму плавлення по межах литого ядра.

У кінцевому рахунку на температуру та розмір ізотерми плавлення, тобто. литого ядра, впливає переважно опір деталі.

Основоположник-Гельман, взяв дві деталі 2+2мм, відшліфував, протруїв та отримав лите ядро; взяв деталі та отримав теж лите ядро.

Однак труднощі, що виникають при зварюванні різнорідних товщин змушують досліджувати розподіл теплових полів у зоні зварювання.

Щільність струму – це кількість зарядів, що проходять протягом 1 секунди через малий майданчик, перпендикулярну до напрямку руху зарядів, віднесена до довжини її поверхні.

Термообробка металів - це один з основних способів покращення їх механічних та фізико-хімічних характеристик: твердості, міцності та інших.

Одним із видів термообробки є загартування. Вона успішно застосовувалася людиною кустарним способомще з давніх-давен. У Середньовіччі цей спосіб термічної обробки використовували, щоб покращити міцність та твердість металевих предметів побуту: сокир, серпів, пилок, ножів, а також бойової зброїу вигляді копій, шабель та інших.

І зараз використовують такий спосіб покращення характеристик металу, не тільки в промислових масштабах, а й у домашніх умовах, в основному для загартування металевих предметів побуту.

Під гартуванням розуміють вид термообробки металу, що складається з його нагрівання до температури, при досягненні якої настає зміна структури кристалічних ґрат(поліморфне перетворення) та подальшого прискореного охолодження у воді або масляному середовищі. Метою такої термообробки є підвищення твердості металу.

Застосовується також загартування, при якому температура нагрівання металу не дає відбутися поліморфному перетворенню. У цьому випадку фіксується його стан, який властивий металу при температурі нагрівання. Цей стан називають пересиченим твердим розчином.

Технологію гарту з поліморфним перетворенням використовують в основному для виробів із сталевих сплавів. Кольорові метали піддають гартуванню без досягнення поліморфної зміни.

Після такої обробки сталеві сплави стають твердішими, але при цьому вони набувають підвищеної крихкості, втрачаючи пластичність.

Щоб знизити небажану крихкість після нагрівання з поліморфною зміною, застосовується термообробка, яка називається відпусткою. Вона проводиться при нижчій температурі з подальшим подальшим охолодженням металу. У такий спосіб знімається напруга металу після процесу загартовування, і зменшується його крихкість.

При загартуванні без поліморфного перетворення немає проблеми із зайвою крихкістю, але твердість сплаву не досягає необхідного значення, тому при повторній термічній обробці, яка називається старінням, її навпаки підвищують за рахунок розпаду пересиченого твердого розчину.

Особливості загартування стали

Загартовуються в основному нержавіючі сталеві вироби та сплави, призначені для їх виготовлення. Вони мають мартенситну структуру та характеризуються підвищеною твердістю, що призводить до крихкості виробів.

Якщо провести термообробку таких виробів з нагріванням до певної температури з подальшою швидкою відпусткою, то можна досягти підвищення в'язкості. Це дозволить використовувати такі вироби у різних сферах.

Види загартовування сталей

Залежно від призначення нержавіючих виробів, можна провести загартування всього предмета або тільки тієї його частини, яка повинна бути робочою і мати підвищені характеристики міцності.

Тому загартування нержавіючих виробів поділяють на два способи: глобальний та локальний.

Охолоджувальне середовище

Досягнення необхідних властивостей нержавіючих матеріалів багато в чому залежить від вибору способу охолодження.

Різні марки нержавіючих сталей піддаються охолодженню по-різному. Якщо низьколеговані сталі охолоджують у воді або її розчинах, то для нержавіючих сплавів для цього застосовують масляні розчини.

Важливо: При виборі середовища, в якому проводять охолодження металу після нагрівання, слід враховувати, що у воді охолодження відбувається швидше, ніж у маслі! Наприклад, вода температурою 18°C ​​здатна охолодити сплав на 600°C за секунду, а масло лише на 150°C.

Для того, щоб отримати високу твердість металу, охолодження проводять у проточній холодній воді. Також для підвищення ефекту загартування для охолодження готують соляний розчин, додаючи у воду близько 10% кухонної солі, або використовують кислотне середовище, В якій не менше 10% кислоти (частіше сірчаної).

Крім вибору охолоджуючого середовища, важливим є режим і швидкість охолодження. Швидкість зниження температури повинна бути не меншою за 150°C за секунду. Таким чином, протягом 3 секунд температура сплаву повинна знизитися до 300°C. Подальше зниження температури може проводитися з будь-якою швидкістю, тому що зафіксована в результаті швидкого охолодження структура при низьких температурахвже не зруйнується.

Важливо: Занадто швидке охолодження металу призводить до його надмірної крихкості! Це слід враховувати при самостійному загартуванні.

Розрізняють такі способи охолодження:

• З використанням одного середовища, коли виріб поміщають у рідину та тримають там до повного охолодження.
• Охолодження у двох рідких середовищах: олії та воді (або сольовому розчині) для нержавіючих сталей. Вироби з вуглецевих сталей спочатку охолоджують у воді, тому що вона є швидко охолоджуючим середовищем, а потім в маслі.
• Струменевим методом, коли деталь охолоджується струменем води. Це дуже зручно, коли потрібно загартувати певну область виробу.
• Методом ступінчастого охолодження із дотриманням температурних режимів.

Температурний режим

Правильний температурний режимпроведення гарту нержавіючих виробів є важливою умовоюїх якості. Для досягнення хороших характеристикїх рівномірно прогрівають до 750-850°C, потім швидко проводять охолодження до температури 400-450°C.

Важливо: Нагрів металу вище точки рекристалізації призводить до крупнозернистої будови, що погіршує його властивості: зайвої крихкості, що призводить до розтріскування!

Для зняття напруги після нагрівання до потрібної температури зміцнення металу іноді використовують поетапне охолодження виробів, поступово знижуючи температуру на кожному з етапів нагріву. Така технологія дозволяє повністю зняти внутрішні напруженнята отримати міцний виріб з потрібною твердістю.

Як загартувати метал у домашніх умовах

Користуючись елементарними знаннями, можна провести загартування сталі в домашніх умовах. Нагрівання металу зазвичай проводять за допомогою багаття, муфельних електропечей або пальників із використанням газу.

Загартування сокири на багатті та печі

Якщо потрібно надати додаткову міцність побутовим інструментам, наприклад, зробити сокиру більш міцною, то найпростіший спосіб її загартування можна провести в домашніх умовах.

На сокирах при виготовленні ставиться тавро, яким можна дізнатися марку сталі. Ми розглянемо процес гарту на прикладі інструментальної сталі У7.

Виконувати технологію потрібно з дотриманням таких правил:

1. Відпал. Перед обробкою затупити гостру кромку леза і помістити сокиру в цегляну піч, що горить, для нагрівання. За процедурою термообробки слід уважно стежити, щоб не допустити перегріву (допустиме нагрівання 720-780°C). Більше просунуті майстри температуру дізнаються за кольором гартування.

А новачки, про температуру можуть дізнатися за допомогою магніту. Якщо магніт перестав чіплятися до металу, значить сокира нагрілася понад 768 ° C (колір червоно-бордовий) і настав час охолодження.

Кочергою присунути розпечену сокиру до дверцят печі, жар прибрати вглиб, закрити дверцята і засувку, залишити нагрітий метал у печі на 10 годин. Нехай сокира поступово остигає з піччю.

2. Загартування сталі. Нагріти сокиру на багатті, буржуйці або печі до темно-червоного кольору - температура 800-830 ° C (магніт перестав магнітиться, почекати ще 2-3 хвилини).

Загартування виконується в підігрітій воді (30°C) та олії. Опустити лезо сокири у воду на 3-4 см, інтенсивно рухаючи її.

3. Відпустка леза сокири. Відпустка зменшує крихкість сталі та знімає внутрішню напругу. Зачистити метал наждаком, щоб краще розрізняти кольори перебігу.

Витримати сокиру протягом 1 години в духовці при температурі 270-320°C. Після витримки, дістати та остудити на повітрі.

Відео:термообробка сокири в домашніх умовах, три стадії: відпал, загартування, відпустка.

Загартовування ножа

Самостійно для гарту металів доцільно використовувати печі. Для предметів побуту у вигляді ножів, сокир та інших, найбільш підходящими є муфельні печі невеликого розміру. У них можна досягти температури гарту набагато вище, ніж на багатті і простіше досягти рівномірного прогріву металу.

Таку піч можна виготовити самостійно. В інтернеті можна знайти безліч простих варіантівїї конструкції. У таких печах можна розігріти металевий виріб до 700-900 °C.

Розглянемо, як загартувати ніж із нержавіючої сталі в домашніх умовах, використовуючи муфельну електропіч. Для охолодження замість води або олії використовується розплавлений сургуч (можна дістати у військовій частині).

Нагрівання металів і сплавів виробляють або для зменшення їх опору пластичної деформації (тобто перед куванням або прокаткою), або для зміни кристалічної структури, що відбувається під впливом високих температур (термообробка). У кожному з цих випадків умови протікання процесу нагрівання істотно впливають на якість кінцевого продукту.

Завдання, що вирішуються, визначають основні характеристики процесу нагрівання: температуру, рівномірність і тривалість.

Температурою нагріву зазвичай називають кінцеву температуру поверхні металу, за якої він відповідно до вимог технології може бути виданий з печі. Значення температури нагріву залежить від хімічного складу (марки) сплаву та від мети нагріву.

При нагріванні перед обробкою тиском температура видачі заготовок з печі повинна бути досить високою, оскільки це сприяє зменшенню опору пластичної деформації та призводить до скорочення витрати електроенергії на обробку, підвищення продуктивності прокатного та ковальського обладнання, а також збільшення терміну його служби.

Однак існує верхня межа температури нагріву, оскільки вона лімітується зростанням зерна, явищами перегріву та перепалу, а також прискоренням окиснення металу. У процесі нагрівання більшості сплавів при досягненні точки, що лежить на 30-100°С нижче лінії солідус на їхній діаграмі стану, завдяки ліквації та неметалічних включень, на межах зерен з'являється рідка фаза; це призводить до ослаблення механічного зв'язку між зернами, інтенсивного окиснення на їх межах; такий метал втрачає міцність і руйнується під час обробки тиском. Це явище, яке називається перепалом, лімітує максимальну температуру нагріву. Перепалений метал не може бути виправлений жодною подальшою термічною обробкою та придатний лише для переплавки.

Перегрів металу призводить до надмірного зростання зерна, внаслідок чого погіршуються механічні властивості. Тому прокатка повинна завершуватися при нижчій температурі, ніж температура перегріву. Перегрітий метал можна виправити за допомогою відпалу чи нормалізації.

Нижчу межу температури нагріву встановлюють виходячи з допустимої температури в кінці обробки тиском з урахуванням усіх втрат тепла від заготівлі навколишнє середовищета виділення тепла в ній самій за рахунок пластичної деформації. Отже, для кожного сплаву та для кожного виду обробки тиском існує певний діапазон температур, вище та нижче якого не слід нагрівати заготівлю. Ці відомості наведено у відповідних довідниках.

Питання про температуру нагрівання особливо важливий для таких складних сплавів, як, наприклад, високолеговані сталі, які в процесі обробки тиском чинять опір пластичної деформації, і в той же час, схильні до перегріву і перепалу. Ці фактори зумовлюють вужчий діапазон температур нагріву високолегованих сталей порівняно з вуглецевими.

У табл. 21-1 як ілюстрації наведені дані для деяких сталей про гранично допустимої температуриїх нагріву перед обробкою тиском та про температуру перепалу.

При термічній обробці температура нагрівання залежить лише від технологічних вимог, тобто від виду термообробки та її режиму, зумовлених будовою та структурою сплаву.

Рівномірність нагрівувизначається величиною різниці температур між поверхнею та центром (оскільки це зазвичай найбільша різниця) заготовки при видачі її з печі:

∆Т кон = Т кон пов - Т кон цін. Цей показник також дуже важливий, оскільки занадто велика різниця температур перерізу заготовки при нагріванні перед обробкою тиском може викликати нерівномірну деформацію, а при нагріванні під термообробку - спричинити незавершеність необхідних перетворень по всій товщині металу, тобто в обох випадках - шлюб кінцевої продукції. Разом з цим, Процес вирівнювання температура перерізу металу вимагає тривалої витримки його при високій температурі поверхні.

Однак, повної рівномірності нагріву металу перед обробкою тиском не потрібно, тому що в процесі транспортування його від печі до стану або пресу і прокатки (кування) неминуче відбувається вирівнювання температури по перерізу злитків і заготовок у зв'язку з віддачею тепла в навколишнє середовище з їх поверхні теплопровідністю усередину металу. Виходячи з цього, допустиму різницю температур перерізу приймають зазвичай за практичними даними при нагріванні перед обробкою тиском у таких межах: для високолегованих сталей ∆ Т кін= 100?; для всіх інших марок стали ∆ Т кін= 200δ при δ<0,1 м и ∆Т кін= 300δ при δ > 0,2 м. Тут δ - товщина металу, що прогрівається.

У всіх випадках перепад температур по товщині заготівлі в кінці її нагрівання перед прокаткою або куванням не повинен перевищувати 50 ° С, а при нагріванні під термообробку 20 ° С незалежно від товщини виробу. При нагріванні великих злитків допускається їх видача з печі при ∆ Т кін <100 °С.

Іншим важливим завданням технології нагрівання металу є забезпечення рівномірного розподілу температури по всій поверхні заготовок або виробів на момент їх вивантаження з печі. Практична необхідність цієї вимоги очевидна, оскільки при значній нерівномірності нагріву по поверхні металу (навіть при досягненні необхідного перепаду температур по товщині) неминучі такі дефекти, як нерівномірність профілю готового прокату або різні механічні властивості виробу, підданого термообробці.

Забезпечення рівномірності температури по поверхні нагрівається досягається за допомогою правильного вибору печі для нагріву певного типу заготовок або виробів і відповідного розміщення в ній теплогенеруючих пристроїв, що створюють необхідне поле температур у робочому просторі печі, взаємного розташування заготовок і т.п.

Тривалість нагріваннядо кінцевої температури також є найважливішим показником, оскільки від нього залежать продуктивність печі та її розміри. У той же час тривалість нагріву до заданої температури визначає швидкість нагріву, тобто зміна температури в деякій точці тіла, що нагрівається в одиницю часу. Зазвичай швидкість нагріву змінюється по ходу протікання процесу, і тому розрізняють швидкість нагріву в певний момент часу і середню швидкість нагріву за інтервал часу, що розглядається.

Чим швидше здійснюється нагрівання (тобто чим більша швидкість нагрівання), тим, очевидно, вища продуктивність печі за інших рівних умов. Однак у ряді випадків швидкість нагрівання не може бути обрана як завгодно великою, навіть якщо умови зовнішнього теплообміну і дозволяють його здійснити. Це пов'язано з певними обмеженнями, що накладаються умовами протікання процесів, що супроводжують нагрівання металу в печах та розглядаються нижче.

Процеси, що протікають під час нагрівання металу.При нагріванні металу відбувається зміна його ентальпії, а оскільки в більшості випадків підведення тепла проводиться до поверхні злитків і заготовок, їх зовнішня температура вище температури внутрішніх шарів. В результаті термічного розширення різних частин твердого тіла на різну величину виникають напруги, що отримали назву термічних.

Інша група явищ пов'язана з хімічними процесами на поверхні металу під час нагрівання. Поверхня металу, що знаходиться при високій температурі, вступає у взаємодію з навколишнім середовищем (тобто з продуктами згоряння або повітрям), в результаті чого на ній утворюється шар оксидів. У випадку, якщо якісь елементи сплаву взаємодіють з навколишнім металом середовищем з утворенням газової фази, відбувається збіднення поверхні цими елементами. Наприклад, окислення вуглецю стали при її нагріванні в печах, що викликає поверхневе знеуглерожування.

Термічна напруга

Як зазначено вище, у перерізі злитків і заготовок при їх нагріванні виникає нерівномірний розподіл температур і, отже, різні частини тіла прагнуть змінити свій розмір по-різному. Так як у твердому тілі існують зв'язки між усіма окремими його частинами, то вони не можуть незалежно деформуватися відповідно до тих температур, до яких вони нагріті. В результаті виникають термічні напруги, зумовлені різницею температур. Зовнішні, нагрітіші шари, прагнуть розширитися і знаходяться, тому в стислому стані. Внутрішні, більш холодні шари, схильні до цього розтягуючим зусиллям. Якщо ці напруги не перевищують межі пружності металу, що нагрівається, то з вирівнюванням температури по перерізу термічні напруги зникають.

Всі метали і сплави мають пружні властивості до певної температури (наприклад, більшість марок стали до 450-500 °С). Вище цієї певної температури метали переходять у пластичний стан і термічні напруги, що виникли в них, викликають пластичну деформацію і зникають. Отже, температурні напруги повинні враховуватися при нагріванні та охолодженні сталі тільки в інтервалі температур від кімнатної до точки переходу даного металу або сплаву з пружного стану пластичний. Така напруга називається зникаючою, або тимчасовою.

Крім тимчасових, існують залишкові температурні напруги, що збільшують небезпеку руйнування при нагріванні. Ці напруги виникають у разі, якщо злиток або заготівля раніше піддавалися нагріванню та охолодженню. При охолодженні зовнішні шари металу (холодніші) раніше досягають температури переходу з пластичного в пружний стан. У міру подальшого охолодження внутрішні шари виявляються під впливом зусиль, що розтягують, які не зникають внаслідок малої пластичності холодного металу. Якщо цей злиток або заготівля будуть знову нагріті, то тимчасові напруги, що виникають в них, накладуться з тим же самим знаком на залишкові, що посилить небезпеку виникнення тріщин і розривів.

Крім часових і залишкових температурних напруг при нагріванні та охолодженні сплавів виникають також напруги, викликані структурними змінами об'єму. Але оскільки ці явища мають місце зазвичай при температурах, що перевищують межу переходу з пружного стану пластичний, то структурні напруги розсіюються у зв'язку з пластичним станом металу.

Залежність між деформаціями та напруженнями встановлює закон Гука

σ= ( Т ср -Т)

де - коефіцієнт лінійного розширення; Т порівн- Середня температура тіла; Т- температура у цьому перерізі тіла; Е- модуль пружності (для багатьох марок стали величина Езнижується з (18÷22) . 10 4 МПа (14÷17) . 104 МПа зі збільшенням температури від кімнатної до 500 °С; σ - напруга; v - ставлення Пуассона (для сталі v ≈ 0,3).

Великий практичний інтерес представляє знаходження максимально допустимої різниці температур перетину тіла ∆Т доп = Т пов - Т цін. Найбільш небезпечними в цьому випадку є напруги, що розтягують, тому їх слід враховувати при розрахунку допустимої різниці температур. Як міцності слід приймати значення тимчасового опору сплаву розриву σ в.

Тоді, використовуючи розв'язання задач теплопровідності (див. гл. 16) та накладаючи на них вираз (21-1), для випадку регулярного режиму ІІ роду можна, зокрема, отримати:

для рівномірно і симетрично обігрівається нескінченної пластини

∆Тдоп = 1,5 (1 - v) σ в /();

для рівномірно і симетрично нескінченного циліндра, що обігрівається

∆Тдоп = 2 (1 - v) σ в / ().

Допустима різниця температур, знайдена за формулами (21-2) і (21-3), не залежить від розмірів тіла та його теплофізичних характеристик. Розміри тіла мають непрямий вплив на величину ∆ Тдодаткові, так як залишкові напруги в тілах більшого розміру більше.

Окислення та обезуглерожування поверхні при нагріванні.Окислення злитків і заготовок при нагріванні печах - явище вкрай небажане, оскільки його наслідком є ​​незворотні втрати металу. Це призводить до дуже великої економічної шкоди, яка стає особливо очевидною, якщо зіставити вартість втрат металу при окисленні з іншими витратами на переділ. Так, наприклад, при нагріванні сталевих злитків в нагрівальних колодязях вартість металу, що втрачається з окалиною, зазвичай вища за вартість палива, що витрачається на нагрівання цього металу, і вартості електроенергії, що витрачається на його прокатку. При нагріванні заготовок у печах сортопрокатних цехів втрати з окалиною дещо нижчі, але все ж таки вони досить великі і за вартістю сумірні з витратами на паливо. Так як на шляху від зливка до готового виробу метал зазвичай піддається нагріванню кілька разів у різних печах, то втрати внаслідок окиснення становлять дуже істотну величину. Крім цього, більш висока твердість оксидів у порівнянні з металом призводить до підвищеного зношування інструментів і збільшує відсоток шлюбу при куванні та прокатуванні.

Менша по відношенню до металу теплопровідність шару оксидів, що утворився на поверхні, збільшує тривалість нагріву в печах, що тягне за собою зниження їх продуктивності за інших рівних умов, а оксиди, що обсипаються, утворюють шлакові нарости на поду печей, ускладнюючи експлуатацію і викликаючи підвищену витрату вогнетривких.

Поява окалини також не дозволяє точно вимірювати температуру поверхні металу, що задається технологами, що ускладнює керування тепловим режимом печі.

Згадана вище взаємодія з газовим середовищем печі будь-якого елемента сплаву має практичне значення для сталі. Зниження вмісту вуглецю у ній викликає зниження твердості та межі міцності. Для отримання заданих механічних властивостей виробу доводиться знімати обезуглерожений шар (2 мм), що збільшує трудомісткість обробки в цілому. Особливо неприпустимим є обезуглероживание тих виробів, які в подальшому підлягають поверхневій термічній обробці.

Процеси окислення сплаву загалом та її окремих домішок при нагріванні в печах слід розглядати спільно, оскільки тісно пов'язані між собою. Наприклад, за досвідченими даними, при нагріванні стали до температури 1100°С і вище у звичайній пічної атмосфері окислення протікає швидше, ніж обезуглерожування поверхні, і окалина, що утворюється, грає роль захисного шару, що попереджає обезуглероживание. При більш низьких температурах окислення багатьох сталей (навіть у яскраво вираженому окислювальному середовищі) йде повільніше, ніж обезуглерожування. Тому сталь, що нагрівається до температури 700-1000 °С, може мати поверхню, що обезуглерожена. Це особливо небезпечно, тому що діапазон температур 700-1000 ° С характерний для термообробки.

Окислення металу.Окислення сплавів є процес взаємодії окислюючих газів з їх основою та легуючими елементами. Цей процес визначається як швидкістю протікання хімічних реакцій, а й закономірностями утворення оксидної плівки, що у міру зростання ізолює поверхню металу від впливу окислювальних газів. Тому швидкість зростання шару оксидів залежить не тільки від протікання хімічного процесу окислення сталі, а й від умов пересування іонів металу (від металу та внутрішніх шарів оксидів до зовнішніх) та атомів кисню (з поверхні до внутрішніх шарів), тобто від умов протікання фізичного процесу двосторонньої дифузії

Дифузійний механізм утворення оксидів заліза, докладно вивчений В. І. Архаровим, обумовлює тришарову структуру шару окалини, що утворюється при нагріванні сталі в окислювальному середовищі. Внутрішній шар (примикає до металу) має найвищий вміст заліза і складається головним чином з FeO (вюститу): Fe V 2 0 2 Ц| FeCX Температура плавлення вюститу 1317 °С. Середній шар - магнетит Fe 3 0 4 , що має температуру плавлення 1565 ° С, утворюється при наступному окисленні вюститу: 3FeO Ц 1 / 2 0 2 ift Fe s 0 4 . Цей шар містить менше заліза і в порівнянні з внутрішнім шаром збагачений киснем, хоча і не настільки, як найбільш багатий киснем гематит Fe 2 0 8 (температура плавлення 1538 °С): 2Fe 3 0 4 -f V 2 0 2 - Ц 3Fe 2 O s . Склад кожного з шарів не є постійним за перерізом, а поступово змінюється за рахунок домішок більших (ближчих до поверхні) або менших (ближчих до металу) багатих киснем оксидів.

Окислюючим газом при нагріванні в печах є не тільки вільний кисень, але і пов'язаний кисень, що входить до складу продуктів повного згоряння палива: СО 2 Н 2 0 і S0 2 . Ці гази, як і О 2 , називаються окислювальними на відміну відновлювальних: СО, Н 2 і СН 4 , які утворюються внаслідок неповного згоряння палива. Атмосфера в більшій частині паливних печей є сумішшю N 2 , С0 2 , Н 2 0 і S0 2 з невеликою кількістю вільного кисню. Наявність великої кількості відновлювальних газів у печі свідчить про неповне згоряння та неприпустимі точки зору використання палива. Тому атмосфера звичайних паливних печей має окисний характер.

Окислювальна та відновна здатність всіх перерахованих газів по відношенню до металу залежить від їх концентрації в атмосфері печі та від температури поверхні металу. Найбільш сильним окислювачем є О 2 , за ним слідує Н 2 Про найбільш слабким окислюючим впливом відрізняється СО 2 . Збільшення частки нейтрального газу в пічній атмосфері зменшує швидкість окислення, яка значною мірою залежить від вмісту Н 2 Про та SO 2 у пічній атмосфері. Присутність у пічних газах навіть дуже невеликих кількостей SO 2 різко збільшує швидкість окислення, так як на поверхні сплаву утворюються легкоплавкі сполуки з оксидів та сульфідів. Що стосується H 2 S, то це з'єднання може бути присутнім у відновній атмосфері і його вплив на метал (поряд з SO 2) призводить до збільшення вмісту сірки поверхневому шарі. Якість металу при цьому сильно погіршується, причому особливо шкідливий вплив сірка робить на леговані Сталі, тому що вони поглинають її більшою мірою, ніж прості вуглецеві, а нікель утворює з сіркою легкоплавку евтектику.

Товщина шару оксидів, що утворюється, на поверхні металу залежить не тільки від атмосфери, в якій нагрівається метал, але до ряду інших факторів, до яких в першу чергу відносяться температура і тривалість нагріву. Чим вище Температура поверхні металу, тим вища швидкість його окиснення. Однак встановлено, що швидкість зростання шару оксидів зростає швидше після досягнення певної температури. Так, окислення сталі при температурах до 600°З відбувається з порівняно малою швидкістю, а при температурах понад 800-900°С швидкість зростання оксидів шару різко зростає. Якщо прийняти швидкість окислення при 900 ° С за одиницю, то при 950 ° С вона складе 1,25, при 1000 ° С-2, а при 1300 - 7.

Тривалість перебування металу в печі дуже сильно впливає на кількість оксидів, що утворюються. Збільшення тривалості нагріву до заданої температури призводить до зростання шару оксидів, хоча швидкість окислення падає згодом через потовщення плівки, що утворюється, і, отже, зменшення щільності дифузійного потоку через неї іонів заліза і атомів кисню. Встановлено, що якщо товщина окисленого шару становить 1 при часі нагрівання t 1то при часі нагрівання t 2до тієї ж температури товщина окисленого шару дорівнюватиме:

δ 2 = δ1/( t 1/t 2) 1/2 .

Тривалість нагрівання металу до заданої температури може бути скорочена, зокрема, в результаті збільшення температури в робочій камері печі, що призводить до більш інтенсивного зовнішнього теплообміну і, таким чином, сприяє зменшенню окисленого товщини шару.

Встановлено, що фактори, що впливають на інтенсивність дифузії кисню до поверхні металу, що нагрівається з атмосфери печі, не робить істотного впливу на зростання шару оксидів. Це зумовлено тим, що дифузійні процеси в твердій поверхні протікають повільно і саме вони є визначальними. Тому швидкість руху газів мало впливає окислення поверхні. Однак картина руху продуктів згоряння в цілому може помітно впливати, оскільки місцеві перегріви металу, зумовлені нерівномірним полем температури газів у печі (яке може бути викликано надмірно великим кутом нахилу пальників, їх неправильним розміщенням по висоті і довжині печі і т. д.) , неминуче призводять до місцевого інтенсивного окиснення металу

Умови переміщення заготовок, що нагріваються всередині печей і склад нагрівається, сплаву також надають помітний вплив на швидкість його окислення. Так, при переміщенні металу в печі може відбуватися механічне відшаровування і відділення шару оксидів, що утворився, що сприяє більш швидкому подальшому окисленню незахищених ділянок.

Наявність у сплаві деяких легуючих елементів (наприклад, для сталі Сr, Ni, Al, Si та ін) може забезпечити утворення тонкої і щільної, добре прилеглої плівки оксидів, що надійно попереджає подальше окислення. Такі сталі називаються жаростійкими і добре опираються окисленню при нагріванні. Крім цього, сталь з більш високим вмістом вуглецю меншою мірою схильна до окислення, ніж маловуглецева. Це пояснюється тим, що в сталі частина заліза знаходиться у зв'язаному з вуглецем стані, у вигляді карбіду заліза Fe 3 C. Вуглець, що міститься в сталі, окислюючись, перетворюється на оксид вуглецю, що дифузує до поверхні і перешкоджає окисленню заліза.

Обезуглерожування поверхневого шару сталі. Обезуглероживание сталі при нагріванні відбувається в результаті взаємодії газів з вуглецем, який знаходиться або у вигляді твердого розчину, або у вигляді карбіду заліза Fe 8 C.

Fe 3 C + Н 2 О = 3Fe + СО + Н 2; 2Fe 3 C + Про 2 = 6Fe + 2СО;

Fe 3 C + СО 2 = 3Fe + 2СО; Fe 3 C + 2H 2 = 3Fe + CH 4 .

Аналогічні реакції протікають при взаємодії цих газів з вуглецем, що у твердому розчині.

Швидкість обезуглерожування визначається головним чином двосторонньої дифузії, що відбувається під дією різниці концентрацій обох середовищ. З одного боку, обезуглероживающие гази дифундують до поверхневому шару сталі, а з іншого - газоподібні продукти, що утворюються, рухаються в зворотному напрямку. Крім цього, вуглець із внутрішніх шарів металу переміщається в поверхневий обезуглерожений шар. Як константи швидкості хімічних реакцій, і коефіцієнти дифузії збільшуються з підвищенням температури. Тому глибина обезуглероженного шару зростає зі збільшенням температури нагріву. А оскільки щільність дифузійного потоку пропорційна різниці концентрацій дифундують компонентів, то глибина обезуглероженного шару більше у разі нагрівання високовуглецевої сталі, ніж у разі нагрівання маловуглецевої. Легуючі елементи, що містяться в сталі, також відіграють певну роль у процесі обезуглерожування. Так, хром і марганець знижують коефіцієнт дифузії вуглецю, а кобальт, алюміній і вольфрам збільшують його відповідно перешкоджаючи або сприяючи знеуглерожування сталі. Кремній, нікель та ванадій не мають істотного впливу на знеуглерожування.

До газів, що входять до складу пічної атмосфери і викликають обезуглероживание, відносяться Н 2 0, 2 , О 2 і Н 2 . Найбільш сильним обезуглероживающим впливом на сталь відрізняється Н20, а найбільш слабким Н2. При цьому обезуглероживающая здатність 2 збільшується зі зростанням температури, а обезуглероживающая здатність сухого Н 2 зменшується. Водень у присутності водяної пари має дуже сильну знеуглерожуючу дію на поверхневий шар сталі.

Захист стали від окислення та обезуглерожування.Шкідливий вплив окислення та знеуглерожування металу при нагріванні на його якість вимагає вжиття заходів, що запобігають цим явищам. Найбільш повний захист поверхні злитків, заготовок і деталей досягається в печах, де виключається вплив на неї газів, що окислюють і обезуглероживающих. До таких печей відносяться соляні та металеві ванни, а також печі, де нагрівання ведеться в контрольованій атмосфері. У печах подібного типу ізолюється від газів або метал, що нагрівається, зазвичай закривається спеціальним герметичним муфелем, або саме полум'я поміщається всередину так званих радіантних труб, тепло від яких передається до металу, що нагрівається без його контакту з окислюючими і обезуглероживающими газами. Робочий простір таких печей заповнюється спеціальними атмосферами, склад яких вибирається залежно від технології нагрівання та марки металу. Захисні атмосфери готуються окремо у спеціальних установках.

Відомий також спосіб створення слабоокислювальної атмосфери безпосередньо в робочому просторі печей, без муфелювання металу або полум'я. Це досягається з допомогою неповного спалювання палива (з коефіцієнтом витрати повітря 0,5- 0,55). До складу продуктів згоряння при цьому входять СО та Н а поряд з продуктами повного згоряння СО 2 і Н 2 О. Якщо співвідношення СО/С02 та H 2 /H 2 O не менше 1,3, то нагрівання металу в такому середовищі відбувається майже без окиснення його поверхні.

Зменшення окислення поверхні металу при його нагріванні в паливних печах з відкритим полум'ям (що становлять більшу частину парку печей металургійних та машинобудівних заводів) може бути досягнуто також за рахунок скорочення тривалості перебування його за високої температури поверхні. Це досягається вибором найбільш раціонального режиму нагрівання металу печі.

Розрахунки нагріву металу в печах виконуються для визначення температурного поля зливка, заготовки або готового виробу, виходячи з умов, продиктованих технологічною метою нагріву. При цьому враховуються обмеження, що накладаються процесами, що протікають при нагріванні, а також закономірності вибраного режиму нагрівання. Часто розглядається завдання визначення часу нагріву до заданої температури за умови забезпечення необхідної рівномірності до кінця його перебування в печі (останнє - у разі масивних тіл). При цьому зазвичай задаються законом зміни температури середовища, що гріє, вибираючи режим нагріву в залежності від ступеня термічної масивності металу. Для виявлення ступеня термічної масивності і для подальшого розрахунку нагріву дуже важливе питання про товщині зливка, що прогрівається, або заготовки.

Основні методи та способи перетворення електричної енергії на тепловукласифікують в такий спосіб. Розрізняють пряме і непряме електричне нагрівання.

При прямому електронагрівіперетворення електричної енергії в теплову відбувається в результаті проходження електричного струму безпосередньо по тілу або середовищі, що нагрівається (метал, вода, молоко, грунт і т. п.). При непрямому електронагрівіелектричний струм проходить по спеціальному нагрівальному пристрої (нагрівальному елементу), від якого тепло передається тілу або середовищу, що нагрівається, за допомогою теплопровідності, конвекції або випромінювання.

Існує кілька видів перетворення електричної енергії на теплову, які визначають Методи електричного нагрівання.

Перебіг електричного струму по електропровідних твердих тілах або рідких середовищах супроводжується виділенням тепла. За законом Джоуля - Ленца кількість тепла Q = I 2 Rt, де Q - кількість тепла, Дж; I - силаток, А; R - опір тіла чи середовища, Ом; t – час протікання струму, с.

Нагрів опором може бути здійснений контактним та електродним способами.

Контактний спосібзастосовується для нагрівання металів як за принципом прямого електричного нагріву, наприклад, в апаратах електроконтактного зварювання, так і за принципом непрямого електричного нагріву - в нагрівальних елементах.

Електродний спосібзастосовується для нагрівання неметалічних провідних матеріалів і середовищ: води, молока, соковитих кормів, ґрунту та ін. Матеріал, що нагрівається, або середовище поміщається між електродами, до яких підводиться змінна напруга.

Електричний струм, протікаючи по матеріалу між електродами, нагріває його. Звичайна (недистильована) вода проводить електричний струм, тому що в ній завжди міститься деяка кількість солей, лугів або кислот, які дисоціюють на іони, які є носіями електричних зарядів, тобто електричного струму. Аналогічна природа електропровідності молока та інших рідин, ґрунту, соковитих кормів тощо.

Прямий електродний нагрівання здійснюється тільки на змінному струмі, так як постійний струм викликає електроліз нагрівається матеріалу і його псування.

Електронагрівання опором знайшов широке застосування у виробництві у зв'язку з його простотою, надійністю, універсальністю та невисокою вартістю нагрівальних пристроїв.

Електродуговий нагрівання

В електричній дузі, що виникає між двома електродами в газоподібному середовищі, відбувається перетворення електричної енергії на теплову.

Для запалювання дуги електроди, приєднані до джерела живлення, на мить стикаються, а потім повільно розводять. Опір контакту в момент розведення електродів сильно нагрівається струмом, що проходить по ньому. Вільні електрони, які постійно рухаються в металі, з підвищенням температури в місці зіткнення електродів прискорюють свій рух.

Зі зростанням температури швидкість вільних електронів настільки зростає, що вони відриваються від металу електродів і вилітають у повітряний простір. Під час руху вони стикаються з молекулами повітря і розщеплюють їх на позитивно та негативно заряджені іони. Відбувається іонізація повітряного простору між електродами, що стає електропровідним.

Під впливом напруги джерела позитивні іони спрямовуються до негативного полюсу (катоду), а негативні іони - до позитивного полюса (аноду), цим утворюючи тривалий розряд - електричну дугу, що супроводжується виділенням тепла. Температура дуги неоднакова у різних її частинах і становить при металевих електродах: у катода – близько 2400 °С, у анода – близько 2600 °С, у центрі дуги – близько 6000 – 7000 °С.

Розрізняють прямий та непрямий електродуговий нагрівання.Основне практичне застосування знаходить пряме електродугове нагрівання в дугових електрозварювальних установках. В установках непрямого нагріву дуга використовується як потужне джерело інфрачервоних променів.

Якщо змінне магнітне поле помістити шматок металу, то ньому індуктуватиметься змінна э. д. с, під дією якої в металі виникнуть вихрові струми. Проходження цих струмів у металі викличе його нагрівання. Такий спосіб нагрівання металу називається індукційним. Пристрій деяких індукційних нагрівачів ґрунтується на використанні явища поверхневого ефекту та ефекту близькості.

Для індукційного нагріву використовуються промислові струми (50 Гц) і високої частоти (8-10 кГц, 70-500 кГц). Найбільшого поширення набуло індукційне нагрівання металевих тіл (деталей, заготовок) у машинобудуванні та під час ремонту техніки, а також для загартування металевих деталей. Індукційний спосіб може використовуватися також для нагрівання води, ґрунту, бетону та пастеризації молока.

Діелектричне нагрівання

Фізична сутність діелектричного нагріву полягає у наступному. У твердих тілах та рідких середовищах з поганою електричною провідністю (діелектриках), поміщених у швидкозмінне електричне поле, електрична енергія перетворюється на теплову.

У будь-якій діелектриці є електричні заряди, пов'язані міжмолекулярними силами. Ці заряди називаються пов'язаними на відміну вільних зарядів у провідникових матеріалах. Під впливом електричного поля пов'язані заряди орієнтуються чи зміщуються у бік поля. Усунення пов'язаних зарядів під впливом зовнішнього електричного поля називається поляризацією.

У змінному електричному полі відбувається безперервне переміщення зарядів, отже, пов'язаних із нею міжмолекулярними силами молекул. Енергія, що витрачається джерелом на поляризацію молекул непровідникових матеріалів, виділяється як тепла. У деяких непровідникових матеріалах є невелика кількість вільних зарядів, які створюють під дією електричного поля незначний за величиною струм провідності, що сприяє виділенню додаткового тепла в матеріалі.

При діелектричному нагріванні матеріал, що підлягає нагріванню, поміщається між металевими електродами - обкладками конденсатора, яких підводиться напруга високої частоти (0,5 - 20 МГц і від) від спеціального високочастотного генератора. Установка для діелектричного нагріву складається з лампового генератора високої частоти, силового трансформатора та сушильного пристрою з електродами.

Високочастотне діелектричне нагрівання - перспективний спосіб нагрівання і застосовується головним чином для сушіння та теплової обробки деревини, паперу, продуктів і кормів (сушіння зерна, овочів та фруктів), пастеризації та стерилізації молока тощо.

Електронно-променевий (електронний) нагрівання

При зустрічі потоку електронів (електронного променя), прискорених в електричному полі, з тілом, що нагрівається, електрична енергія перетворюється на теплову. Особливістю електронного нагріву є висока щільність концентрації енергії, що становить 5х10 8 кВт/см2, що у кілька тисяч разів вище, ніж за електродугового нагрівання. Електронне нагрівання застосовується в промисловості для зварювання дуже дрібних деталей та виплавки надчистих металів.

Крім розглянутих способів електронагріву, у виробництві та побуті знаходить застосування інфрачервоне нагрівання (опромінення).