книги из ГПНТБ / Кордюков, В. П. Свободная ковка на молотах

Механические свойства хладнодеформированного металла вдоль волокна выше, чем поперек волокна.

В процессе холодной деформации, как правило, не удается получить значительного формоизменения из-за ограниченного запаса пластичности металлических тел.

Неполная холодная деформация сопровождается упрочне­ нием и возвратом. Возврат для чистых металлов проявляется при абсолютных температурах выше (0,25—0,30) 7’пл ( Дш— абсолютная температура плавления). При температуре возврата происходит снятие остаточных напряжений, вызванных холодной деформацией, незначительное увеличение показателей пластич­ ности и снижение сопротивления деформированию. Однако дан­ ной температуры еще недостаточно для того, чтобы произошло изменение формы и размеров зерен. Следовательно, при непол­ ной холодной деформации текстура и анизотропия свойств остаются. Возврат протекает с определенной скоростью, зави­ сящей от температуры: чем выше температура, тем выше ско­ рость возврата. Эффект возврата будет проявляться наиболее полно в том случае, если скорость возврата будет превышать скорость деформации.

Явление возврата происходит при отпуске, применяемом для снятия внутренних напряжений в деталях (заготовках), полу­ чаемых литьем, сваркой, холодной обработкой -давлением. Такие детали лучше сопротивляются коррозии.

Неполную холодную деформацию можно назначить в том случае, когда необходимо получить деталь без остаточных на­ пряжений с ярко выраженной направленностью механических свойств.

Неполная горячая деформация будет в том случае, если одновременно с упрочнением полностью происходит возврат и частично (не по всему объему) рекристаллизация.

Рекристаллизацией называется процесс появления новых * равноосных зерен взамен деформированных. Для такой пере­ стройки структуры требуется большая тепловая энергия, чем для возврата. Рекристаллизация происходит при абсолютной температуре, равной 0,4 от абсолютной температуры плавления чистых металлов, с определенной скоростью. Скорость рекрис­ таллизации повышается с увеличением температуры и степени деформации. Чем выше скорость рекристаллизации по сравне­ нию со скоростью деформации, тем более полно произойдет

холодной деформацией: наклеп, появление текстуры, анизотро­ пия. Практически при ковке на молоте в металле, нагретом до соответствующей температуры, рекристаллизация успевает произойти полностью между двумя последовательными ударами.

Величина зерна металла после деформации с рекристалли­ зацией зависит от температуры и степени деформации. Графи-

29

чески эта взаимосвязь выражается объемными диаграммами рекристаллизации, которые строятся для каждого материала на основе экспериментальных данных (рис. 5). На диаграмме отчетливо видна критическая степень деформации (до 10%), при которой наблюдается максимальный рост рекристаллизованных зерен, что приводит к резкому снижению механических свойств металла. Поэтому необходимо так рассчитывать техно­

равноосных, так и вытянутых зерен. Наличие такой структуры металла способствует увеличению неравномерности деформации, снижению пластичности и появлению остаточных напряжений, в результате чего получаются поковки низкого качества с не­ равномерно распределенными механическими свойствами.

Горячая деформация является наиболее благоприятным ви­ дом деформации для получения максимального формоизмене­ ния. При этом характеристики прочности металла значительно уменьшаются (табл. 4), а следовательно, снижается потребное усилие деформирования.

В процессе горячей деформации рекристаллизация происхо­ дит полностью и по всему объему поковки, а после деформации следы упрочнения отсутствуют.

При ковке поковок из литых заготовок, имеющих крупно­ зернистую структуру, микро- и макротрещины, неметаллические включения, в условиях горячей деформации происходит дроб­ ление зерен, заваривание несплошностей, а также вытягивание

21

Т а б л и ц а 4

Значения предела прочности при растяжении сталей

неметаллических включений в направлении наиболее интенсив­ ного течения металла. В результате образуется полосчатость макроструктуры (в отличие от полосчатости микроструктуры при холодной и неполной деформации), приводящая к анизо­ тропии свойств в различных направлениях. Если характеристики прочности вдоль и поперек волокна отличаются значительно, то показатели пластичности различаются существенно, причем с- увеличением деформации это различие возрастает. Данную анизотропию учитывают при проектировании технологического процесса. В поковках стремятся получить такое расположение волокон, чтобы максимальные нагрузки, возникающие в дета­ лях при работе машин, были направлены вдоль волокна.

Таким образом, в основу рассмотренной классификации видов пластической деформации положено более правильное условие протекания разупрочняющих процессов, а не абсолют-

22

ная величина температуры, при которой происходит деформа­ ция. Так, ковка свинца и цинка при комнатной температуре является горячей деформацией, так как температура рекристал­ лизации этих металлов равна 0°С, а ковка вольфрама при температуре 1000°С является холодной, так как рекристалли­ зация в нем происходит лишь при температуре 1210° С.

Температурный режим ковки

Для каждого металла и сплава горячая деформация должна

ских бойках можно установить температурный интервал, в ко­ тором данная сталь допускает наибольшую степень деформации (до появления первой трещины). Результаты лабораторных ис­ пытаний проверяются в производственных условиях и стано­ вятся нормативными материалами.

В табл. 5 приведены температурные интервалы ковки некото­ рых углеродистых и легированных сталей.

Несоблюдение указанных температур начала и конца ковки может привести к перегреву и пережогу металла.

1 Аустенит — немагнитный твердый раствор углерода и легирующих при­ месей в у-железе. В углеродистых сталях аустенит в смеси с ферритом или цементитом получается при нагреве выше критических температур.

23

Т а б л и ц а 5

Температурные интервалы ковки некоторых сталей

Перегрев возникает при незначительном превышении макси­ мальной температуры ковки и связан с интенсивным ростом зерна в металле. Крупнозернистая структура снижает меха­ нические свойства стали. Ковка перегретой стали сопровож­ дается, как правило, появлением трещин при сильных ударах молота. Перегрев можно устранить термической обработкой (отжиг, нормализация) или ковкой с большими степенями де­ формации, приводящей к измельчению зерна, увеличивающегося в результате перегрева. Однако последний способ устранения перегрева возможен лишь при условии достаточной (для ковки без трещин) пластичности перегретого металла и необходимого соотношения размеров заготовки и поковки, обеспечивающего интенсивную сквозную проработку структуры.

Пережог сопровождается окислением межкристаллитных оболочек, потерей прочной связи между зернами и возникает при нагреве стали до температуры, близкой к температуре плав­ ления. Такой металл рассыпается при ковке или самопроизволь­ но при длительной выдержке. Пережог является окончатель-

24

зшм видом брака, не поддающимся исправлению. В связи с этим необходимо тщательно следить за температурой печи в конеч­ ной стадии нагрева. Наиболее склонны к перегреву и пережогу высоколегированные стали, имеющие низкую теплопроводность.

Окончание ковки при температуре выше допустимой приво­ дит к крупнозернистости структуры, а следовательно, и к сни­ жению механических свойств поковки. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы продолжительность технологического процесса изготовления поковки соответствовала времени охлаж­ дения поковки до рекомендуемой температуры конца ковки. Отсюда можно сделать практический вывод о том, что в случае ковки поковки простой конфигурации, отличающейся малой трудоемкостью изготовления (например, гибка, рихтовка — правка и т. п.), необходимо нагревать заготовку в печи до мини­ мально потребной температуры начала ковки.

Окончание ковки при температуре ниже допустимой приво­ дит к образованию в поковке мелкозернистой структуры с нали­ чием упрочнения. Чем ниже температура конца ковки, тем больше упрочнение и опасность появления трещин вследствие потери пластичности.

Как наклеп, так и крупнозернистость, вызванную преждевре­ менным окончанием ковки, устраняют соответствующей терми­ ческой обработкой.

Для того, чтобы обеспечить качественный нагрев заготовок до ковочной температуры, необходимо задавать определенный режим нагрева, представляющий собой изменение температуры печи и нагреваемого металла во времени. Режим нагрева зави сит от марки стали, типа и размеров заготовок, расположения их на поду печи, типа нагревательного устройства, а также от теплового состояния заготовки до начала ее нагрева в печи и характера обработки металла посл§ нагрева. Чем крупнее заготовка и сложнее состав стали, тем сложнее режим нагрева. Наиболее распространены одноступенчатый, двухступенчатый и трехступенчатый режимы.

Одноступенчатый режим нагрева характеризуется постоянной температурой печи в течение всего периода нагрева. Нагрев ведут, как правило, с максимальной, технически возможной ско­ ростью. При достижении поверхностью заготовки температуры начала ковки нагрев прекращают. Равномерный прогрев по се­ чению обеспечивается за счет высокой теплопроводности и не­ больших размеров заготовок. Данный режим рекомендуется для «тонких» заготовок (диаметром до 70—80 мм) из углероди­ стых сталей.

Двухступенчатый режим предполагает быстрый нагрев заго­ товок до ковочной температуры с последующей выдержкой для равномерного нагрева, причем в период нагрева заготовок тем­ пература печи — максимально возможная, а в период вы­ держки— незначительно превышающая температуру поверх­

25

ности металла. Этим достигается экономия топлива и снижение общей стоимости нагрева, так как скорость прогрева по сечению зависит от температуры поверхности заготовки и теплофизи­ ческих параметров материала. По данному режиму нагревают заготовки средних размеров из углеродистой и низколегиро­ ванной сталей.

Трехступенчатый режим (рис. 7) включает нагрев с допусти­ мой для данного металла скоростью щ в первом периоде, про­ межуточную выдержку для вырав­ нивания температуры по сечению, нагрев с максимально возможной для данной печи скоростью Уц во втором периоде и окончательную выдержку при ковочной температу­ ре. Наиболее ответственным этапом трехступенчатого режима является первый период (до ^=5004-700°С), когда в нагреваемом металле могут возникнуть трещины из-за больших термических напряжений и еще не­ достаточной пластичности, так как при скоростном нагреве и малом

коэффициенте теплопроводности наружные слои металла, интенсивно разогреваясь, оказываются сжатыми, а внутренние (холодные) — растянутыми. При температурах фазовых пре­ вращений, сопровождающихся снижением пластичности, воз­ можность появления трещин увеличивается. После выдержки при критической температуре tKр металл обладает достаточной пластичностью и его можно нагревать с максимально возмож­ ной скоростью без появления трещин. Выдержка при ковочной температуре tKов обеспечивает равномерный прогрев заготовок больших сечений, что оказывает существенное влияние на рав­ номерность механических свойств и качество получаемых поко­ вок. Данный режим назначается для нагрева крупных загото­ вок (слитков) из углеродистых и, особенно, легированных сталей.

Продолжительность нагрева зависит (при прочих равных условиях) от химического состава и размеров заготовок, а так­ же от способа их укладки на поду печи. Ориентировочно про­ должительность нагрева (в ч) можно определить по формуле Н. Н. Доброхотова

26

При нагреве заготовок из углеродистой стали продолжи­ тельность нагрева первого периода (в случае трехступенчатого режима) принимается равной продолжительности нагрева вто­ рого периода:

Рис. 8. Значение коэффициента а при различном рас­ положении заготовок на поду печи

В связи с тем, что при нагреве холодных заготовок из леги­ рованных сталей могут появиться трещины, продолжительность первого периода нагрева заготовок из таких сталей увеличивают вдвое по сравнению со вторым периодом:

+ r „ = 20aDj/D .

Для мелких заготовок продолжительность нагрева опреде­ ляется по графикам в зависимости от температуры печи и необ­ ходимой температуры нагрева металла.

В табл. 6 приведены данные о продолжительности нагрева круглых заготовок из углеродистой конструкционной стали при одиночном их расположении на поду печи.

27

Продолжительность нагрева заготовок из инструментальной углеродистой и среднелегированной стали должна быть увели­ чена по сравнению с данными таблицы на 25—30%, а продол­ жительность нагрева заготовок из высоколегированной — на 30—50%.

Проведенные исследования показали возможность нагрева заготовок с повышенными технически достижимыми скоростями. Внедрение режимов ускоренного нагрева металла способствует увеличению производительности, повышению качества нагрева

и всех технико-экономических показателей производства по­ ковок.

Основной задачей при разработке и проведении нагрева яв­ ляется достижение равномерности прогрева металла, что яв­ ляется важнейшим условием для получения поковок с однород­ ными по объему механическими свойствами.

В большей степени равномерность нагрева зависит от спо­ соба расположения заготовки на поду нагревательной печи.

Окисление и обезуглероживание металла при нагреве

При нагреве стали в обычных пламенных печах происходит окисление и обезуглероживание поверхности.

О к и с л е н и е стали при нагреве (окалинообразование) пред­ ставляет собой сложный химический процесс, зависящий от со­ става газовой атмосферы печи, температуры нагрева и его про­ должительности, формы, размеров и марки стали нагреваемой заготовки.

28

ствующие конструкции нагревательных печей в кузнечных цехах имеют, как правило, окислительную атмосферу, поэтому тща­ тельный уход за печью в процессе эксплуатации и своевремен­ ный ее ремонт позволяют ликвидировать излишний подсос воз­ духа и тем самым уменьшить окисление нагреваемого металла. Необходимо также осуществлять постоянный контроль за дози­ ровкой подаваемого топлива и воздуха.

Активное окалинообразование начинается при температуре выше 900° С. Углеродистые стали начинают интенсивно окис­ ляться с 700° С. Если количество окалины, образовавшейся при

снижения угара целесообразно нагревать металл так, чтобы продолжительность пребывания его при максимальной темпера­ туре была наименьшей. Это может быть достигнуто повышением скорости нагрева и сокращением выдержки при ковочной тем­ пературе на заключительном этапе нагрева.

Окисляемость различных по химическому составу сталей при нагреве неодинакова. С уменьшением содержания углерода в стали окалинообразование увеличивается. Никелевые стали окисляются сильнее углеродистых. Однако присутствие других легирующих элементов снижает склонность стали к окислению (например, хромоникелевые стали).

Опыт работы кузнечных цехов показывает, что при нагреве в камерных пламенных печах угар составляет 2—3% от массы нагреваемого металла (за один нагрев). При изготовлении сложных поковок, требующих нескольких подогревов (выносов),, количество окалины увеличивается еще на 1—1,5% за каждый подогрев. Так, при изготовлении поковки с двумя подогревами суммарное количество окалины составит 3 + 1,5X2 = 6% от массы заготовки. Эта величина значительно возрастает (до 5% за один нагрев) при несоблюдении заданного режима нагрева

инарушении оптимального газового состава атмосферы печи. Наличие окалины, плотно соединенной с неокисленным

металлом и обладающей большой твердостью, приводит к быст­ рому износу инструмента. Окалина, имеющая примерно одина­ ковую плотность с основным металлом, как правило, не отслаи­ вается при ковке, а заковывается в тело поковки, что приводит к вынужденному увеличению припусков на механическую обра­ ботку. Механическая обработка таких поковок представляет значительные трудности.

Рекомендации по сокращению продолжительности нагрева и соответствующему уходу за печным хозяйством не решают полностью проблемы снижения окалинообразования.

291