- •Часть 1. Ковка
- •Часть 1. Ковка
- •1. Введение
- •1.1 Ковка и объёмная штамповка как виды обработки металлов давлением.
- •1.2 Основные операции в кузнечном производстве.
- •1.3 Направления развития кузнечного производства.
- •1.4 Задачи дисциплины «Технология ковки и объёмной штамповки»
- •2. Исходные материалы и их подготовка для ковки, штамповки
- •2.1. Слитки, болванки, прутки
- •19 Т из стали 55х:
- •2.2. Разделка исходных материалов на заготовки
- •2.2.1 Безотходная разделка
- •2.2.2 Классификация способов безотходной разделки проката
- •2.2.3 Разрезка с образованием отходов
- •2.3 Точность разделки и отходы металла
- •3. Термический режим ковки и штамповки
- •3.1. Интервал ковочных температур
- •3.2 Типы нагревательных устройств и способы нагрева металла
- •3.3 Нагрев слитков
- •3.4. Нагрев заготовок
- •3.5. Термический режим ковки и охлаждения металла
- •VIII — выдержка 6—10 ч; IX — охлаждение в печи
- •3.6. Согласование производительностей нагревательного и ковочного оборудования
- •4. Влияние кузнечной обработки на структуру и механические свойства металла
- •4.1. Структура металла при ковке и штамповке. Уковка
- •4.2. Влияние ковки на механические свойства
- •4.3. Способы ковки и штамповки в зависимости от формы и назначения поковок
- •5. Технология и оборудование ковки
- •Характеристика процесса ковки
- •5.2 Основные операции ковки
- •5.2.1 Осадка
- •5.2.2 Протяжка
- •5.2.3 Прошивка, отрубка, скручивание, гибка, кузнечная сварка
- •5.3 Разработка чертежа кованной поковки
- •5.4 Разработка технологического процесса ковки
- •Список иллюстраций
- •Список таблиц
- •Часть 1. Ковка
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
3.1. Интервал ковочных температур
Одна из главных задач при разработке термического режима ковки, штамповки состоит в определении соответствующего температурного интервала, т. е. температуры начала и конца обработки металла.
Различают допустимый и технологически необходимый, оптимальный интервалы температур ковки, штамповки. Допустимый интервал температур зависит от состава и структуры обрабатываемой стали, необходимый интервал температур — от условий технологического процесса обработки стали.
Допустимый интервал ковочных температур определяют в результате раздельного установления температур начала и конца ковки, штамповки. Эти температуры устанавливают на основании металлургических и металловедческих данных о металле. Затем эти данные уточняют исходя из конкретных обстоятельств ковки и штамповки и устанавливают оптимальный интервал температур. Главным фактором, определяющим температуры начала и конца горячей деформации, является химический состав сплава и его Физические свойства. Ковочные температуры находятся между температурами плавления и интенсивной рекристаллизации сплава. Более низкие температуры относятся к полугорячему, полухолодному и, наконец, холодному деформированию. Обработка давлением при температурах, отвечающих промежутку между линиями солидуса и ликвидуса на диаграммах состояния, носит название штамповки или прокатки металла в период кристаллизации.
Для уточнения интервала ковочных температур используют дополнительные сведения о сплаве в условиях ковки. Вблизи температуры плавления сплава находится температура потери его пластичности; несколько ниже этой температуры происходит пережог стали, связанный с оплавлением и окислением границ зерен, поэтому ковать или штамповать металл при указанных температурах нельзя. Еще ниже находятся температуры перегрева сплава, который характеризуется значительным ростом зерен. Однако большинство сталей с крупнозернистой структурой поддается ковке (при этом зерна измельчаются), так что максимальная температура ковки или штамповки может находиться и в области температур перегрева, который начинается при температуре критического роста зерна. Например, сталь, содержащая 0,4— 0,45% С, имеет критическую температуру роста зерна 1150° С, однако успешно куют эту сталь при 1200—800° С. Для стали 38ХМЮА и 18ХВА критические температуры составляют 1100 и 1200° С, а ковочные температуры — соответственно 1160—880 и 1200—850° С. Иногда технологи снижают верхнюю границу температурного интервала ковки из-за необходимости уменьшить чрезмерное окалинообразование или обезуглероживание металла. Это снижение более значительно для крупных заготовок, поскольку при их нагреве требуется большое время выдержки в печи. При ковке литого металла (слитков) температура начала ковки может быть немного повышена. Применение ускоренного режима нагрева также позволяет повысить верхний предел температурного интервала, но во всех случаях металл должен выдерживать обжатия, предусмотренные технологическим процессом, без трещинообразования. В начале ковки допускаются небольшие обжатия, поэтому их можно осуществить при температурах, более высоких, чем при последующей ковке с большими обжатиями.
Нижнюю границу температур ковки, штамповки уточнить более сложно. Здесь приходится считаться не только с типом стали (заэвтектоидная или доэвтектоидная), но и с объемом поковок, качеством требуемого металла, наличием или отсутствием термической обработки поковок, способом их охлаждения (в том числе с использованием ковочной теплоты для термической обработки и т.п.). Важным фактором при установлении ковочных температур являются требования, предъявляемые к механическим свойствам металла с учетом характера эксплуатации детали. Если для данной детали предусмотрена термическая обработка, например закалка с отпуском, то правильно выбранная температура конца ковки, штамповки (выше точки Аг3 для среднеуглеродистой доэвтектоидной стали) позволяет использовать ковочную теплоту для последующей термической обработки, это так называемая термомеханическая обработка. Если термическая обработка в виде отжига или нормализации не предусмотрена, то нижний предел интервала ковочных температур ограничивается условиями получения мелкого зерна. Для небольших поковок (массой до 1000 кг) температура конца ковки, штамповки может быть высокой (на 200—300°С выше точки Аг3) или низкой (вблизи этой точки) в зависимости от режима охлаждения. При высокой температуре конца ковки или штамповки есть опасность получения крупного зерна. Однако в результате ускоренного охлаждения можно получить тонкое строение структуры сплава и соответствующие этому высокие механические свойства. Высокая температура конца обработки способствует повышению некоторых технико-экономических показателей (повышению производительности, уменьшению расхода энергии на ковку, штамповку). Для поковок с большой массой и не подлежащих термической обработке получение высоких механических свойств за счет увеличения скорости их охлаждения маловероятно из-за трудности в этих условиях ускорить остывание поковок. Определенная комбинация температуры и величины последних обжатий обеспечивает оптимальную структуру. Однако сталь, подвергнутая деформации в интервале критических обжатий (4—12%), после рекристаллизации имеет нежелательную крупнозернистую структуру.
Для углеродистых сталей интервалы ковочных температур даны на диаграмме состояния «железо—углерод» (рис. 29). Для низкоуглеродистой стали область ковочных температур совпадает с однофазной аустенитной областью и частично распространяется на двухфазную область межкритических температур, где свободной структурной фазой является феррит. Заэвтектоидные стали куют в аустенитной и в двухфазной областях со структурно свободным цементитом. Ковка, штамповка среднеуглеродистой стали оканчивается выше точки Ars, что обеспечивает устойчивую мелкозернистую структуру стали. Для низкоуглеродистой стали (до 0,3% С) допустима более низкая температурная область конца ковки, штамповки (в промежутке между точками Аr3 и Л/ί), особенно для крупных поковок. При этом окончательный размер зерен меньше, чем при завершении ковки при температуре выше точки Аr3. Для заэвтектоидной стали, у которой структурно-свободной фазой является хрупкий цементит, температура конца ковки, штамповки должна быть по возможности более низкой, а охлаждение поковок быстрым во избежание образования цементитной сетки при высокой температуре и в конце обработки. Для разрушения цементитной сетки следует оканчивать ковку, штамповку в интервале температур критических точек Аrm—Аr1. В этом случае перед отжигом стали на зернистый перлит нет необходимости проводить нормализацию, отжиг же можно осуществить, используя ковочную теплоту. Рекомендации, связанные с окончанием ковки и штамповки заэвтектоид-ной стали как можно ближе к точке Arl неприемлемы для стали с большим содержанием углерода, у которой вследствие графитизации может появиться такой вид брака, как «черный излом». При построении графика на рис. 29 это обстоятельство учтено.
В цеховых условиях интервал ковочных температур иногда уточняют субъективно. Конец штамповки корректируют исходя из стойкости инструмента. Разогретые штампы быстро «садятся» при штамповке остывающей заготовки вследствие значительного увеличения сопротивления деформации. Иногда повышение температуры штамповки вызывается недостаточной мощностью используемого оборудования. Руководствоваться подобными соображениями
допустимо лишь в тех случаях, когда отклонения от оптимального режима не снижают качества поковок.
Рис. 29 Температурные интервалы
к овки и штамповки поковок сечением свыше 70 мм из углеродистой стали:
I - верхний предел при форсированном нагреве; 2 — то же при обычном нагреве для слитков; 5 — то же для прутков и болванок; а, б, г — нижний предел для ковки доэвтектоидной стали; а, б, в — область конца ковки низкоуглеродистой стали; е, д, е — то же для заэвтектоидной стали (масштаб по оси абсцисс — условный)
Как видно из графика на рис. 29, максимальный интервал ковочных температур для низкоуглеродистой стали достигает 600° С, для эвтектоидной — 400—450° С, а для заэвтектоидных сталей — 200—300° С. Для высоколегированной стали этот интервал температур еще меньше, и, например, для жаропрочной он составляет 50—100° С, что приближает режим обработки давлением к изотермическому режиму.
Для уточнения интервала ковочных температур обычно проводят следующие лабораторные исследования: выявление пластичности стали при осадке до появления первой трещины в пределах ориентировочного интервала ковочных температур; построение кривой изменения ударной вязкости в той же температурной области, с тем чтобы избежать при ковке, штамповке температур, при которых резко падает ударная
Рис. 30. Ориентировочные данные для снижения верхнего предела температур ковки в зависимости от коэффициента уковки
вязкость; определение сопротивления деформации при температурах ориентировочного конца ковки, штамповки с тем, чтобы не подвергать рабочий инструмент перенапряжению; построение графика рекристаллизации металла после обработки металла с различной степенью деформации, для того, чтобы не применять в установленном интервале температур деформаций такой величины, которая вызывает чрезмерный рост зерна.
Используемый интервал ковочных температур может совпасть с оптимальным интервалом, например, в случае равенства времени tK, затрачиваемого на ковку, штамповку, и времени t0 остывания стали в интервале ковочных температур при данных условиях обработки. Обе эти величины могут значительно изменяться в зависимости от сложности поковки и темпа работы, зависящего от степени механизации процесса и быстроходности оборудования. Если tK < t0, что чаще бывает при штамповке, то допустимый интервал температур не используется, и технолог решает, за счет какой из температур сократить этот интервал. Нагрев до высоких температур без достаточной проковки металла не обеспечивает необходимого его качества даже за счет регулирования скорости охлаждения, поэтому в подобных случаях, чтобы избежать дополнительной термической обработки, сокращают интервал температур обработки за счет снижения температуры начала процесса (рис. 30). Если tK> t0, что чаще бывает при ковке, то куют за два или большее число выносов. При этом уточняют ковочные температуры, с тем чтобы на последнем выносе соблюсти рациональный интервал ковочных температур, обеспечивающий наилучшее качество поковок.