Охлажденный с поверхности слитка слой металла и нагретая осевая область условно показаны на рис. 3.1, в. При этом возможно три варианта сочетаний их относительной деформации при обжатии заготовки.
1. Поперечный размер охлажденной оболочки увеличивается больше, чем поперечный размер сердцевины.
II. Поперечные размеры оболочки и сердцевины увеличиваются одинаково.
III. Поперечный размер сердцевины стремится увеличиться в большей степени, чем поперечный размер оболочки. В общем случае наличие того или иного варианта зависит от относительной толщины охлажденного слоя и геометрических условий деформации — формы инструмента и обжимаемой заготовки.
Площадь поверхности контакта заготовки с инструментом также является важным фактором деформирования, так как относительно большая толщина охлажденного слоя не всегда целесообразна и достижима с практической точки зрения (значительно возрастает усилие деформации; снижается пластичность металла, охлажденного с поверхности до более низкой температуры; требуются специальные устройства для более интенсивного охлаждения поверхности заготовок, чтобы осевая зона не успевала остыть, и др.).
С точки зрения возможности сосредоточения деформаций в осевой области слитка и реализации бокового подпора внешних охлажденных слоев металла надо стремиться к использованию охлажденной оболочки как продолжению недеформирующегося инструмента при отсутствии самостоятельной деформации наружных слоев металла. Это достигается в том случае, когда объем металла, смещаемый по высотному направлению в оболочке, оказывается меньше, чем объем металла, смещаемый в том же направлении в более нагретой осевой части заготовки. При малой площади контактной поверхности бойков с заготовкой сердцевинные слои металла незначительно деформируются, в то время как вне контактная деформация внешних слоев может привести к растягивающим напряжениям и деформациям осевой области. С увеличением поверхности соприкосновения бойков и заготовки деформации передаются на осевую область, уширение которой ограничивается внешним под стуженным слоем, не претерпевающим самостоятельной раздачи и вызывающим боковой подпор. Дальнейшее развитие контактной поверхности обеспечивает действие дополнительных напряжений сжатия, присущих обжатию в вырезном радиусном инструменте. Однако значительное увеличение потребного усилия деформирования охлажденной заготовки может снизить преимущества этого способа ковки, а для крупных слитков оказаться вообще непригодным.
Рассмотренные на примере деформирования "круглой заготовки закономерности процесса в равной степени действительны и для обжатия заготовок с другой формой поперечного сечения.
Так, при обжатии охлажденной с поверхности квадратной заготовки нежелательная локализация контактной поверхности наблюдается при операции переоквадрачивания и сбива ребер. Оптимальную схему деформации (с преимущественным обжатием осевой зоны заготовки) можно получить при обжатии как плоским (за исключением обжатия тонкой заготовки), так и вырезным инструментом. Следует иметь в виду, что полное перекрытие инструментом двух граней квадратной заготовки предопределяет возможность самостоятельного деформирования охлажденных внешних слоев металла. Для обжатия квадратной заготовки перекрытие грани плоским бойком должно составлять 70 % ширины грани. В общем случае величина перекрытия инструментом поверхности заготовки является переменной и зависит от абсолютных размеров заготовок. Фактор толщины охлажденной оболочки — перепад температуры АТ на единицу расстояния по глубине заготовки (отношение АГ/А) — будет разным для слитков различных размеров. Это в свою очередь потребует коррективов для выполнения условий по соотношению смещаемых объемов осевой зоны и внешних охлажденных слоев металла. Однако форма поперечного сечения заготовки остается основным фактором. Например, при деформировании заготовок типа пластин боковой подпор под стуженных слоев не оказывает преимущественного влияния на напряженно-деформированное состояние металла сердцевины слитка независимо от размеров инструмента. Форсированный нагрев слитков в ряде случаев может применяться не только (и не столько) для увеличения производительности труда за счет сокращения времени пребывания заготовок в печи, но и для улучшения качества проработки металла. При ковке с применением промежуточной осадки слиток нагревают до ковочной температуры на его поверхности, выдерживают в печи для прогрева по всему сечению, а затем биллетируют. Обжатие ребер многогранных слитков при биллетировке способствует уменьшению поверхностных дефектов при дальнейшей ковке и снижению теплоотвода от ребер. После биллетировки заготовку снова нагревают до верхней границы интервала ковочных температур и выдерживают в печи для выравнивания температуры по всему сечению. Затем производят осадку. Биллетировка равномерно прогретого слитка с одинаковыми прочностными характеристиками по сечению протекает в неблагоприятных условиях напряженного состояния для осевых, глубинных зон металла, в которых развиваются опасные растягивающие напряжения (рис. 3.4). Растягивающие напряжения появляются вследствие малых подач и обжатий, определенных сущностью биллетировки. При форсированном нагреве слитка перед биллетировкой, без выдержки в печи до достижения ковочной температуры на его поверхности, можно добиться такого распределения прочностных свойств в заготовке, что возникшие в осевой зоне растягивающие напряжения (определенные геометрическими условиями процесса) окажутся меньше сопротивления деформации металла в этой области и не приведут к нарушению сплошности металла. Повышенное сопротивление деформации глубинных слоев позволит более эффективно осуществить проработку поверхностной зоны слитка для создания пластичной рубашки.
Конкретное осуществление этого режима позволяет сократить время пребывания крупного слитка в печи на 30 ч (цикл ковки при обычной технологии составляет 88,7 ч, а при форсированном нагреве — 58,7 ч).
В обычном процессе ковки после нагрева поверхности слитка до температуры, соответствующей верхнему пределу ковочной температуры, предусмотрена выдержка его в печи для выравнивания температуры по всему сечению. В технологических процессах ковки крупных слитов с использованием нагревательных устройств, не обеспечивающих одинаковую температуру верха и низа слитка (а также со стороны подины и свода), окончание нагрева под биллетировку контролируют по нижней поверхности слитка. Предупреждение искривления оси заготовки в этом случае регулируют величиной подачи. Описанная технология форсированного нагрева обладает также очевидными преимуществами перед технологией с сокращенной выдержкой в печи перед осадкой. Комбинирование нагрева и охлаждения слитков является дополнительным источником требуемого распределения прочностных свойств металла в заготовке. Так, для первоочередной преимущественной проработки зон внеосевой ликвации может оказаться благоприятным сочетание форсированного нагрева слитка без выравнивания температуры по сечению с последующим охлаждением его поверхности. Слиток нагревают в печи до температуры 0,35—0,40Тил с прогревом по всему сечению (Тпл — температура плавления металла по абсолютной шкале; для среднеуглеродистой стали 0,35— 0,40ГПЛ составляет 500—550 °С). Затем следует форсированный нагрев с максимально возможной для печи скоростью до температуры верхнего предела ковочной — 0,9ТПЛ (для среднеуглеродистой стали 1250 °С). На этой стадии нагрева слиток прогревается не по всему сечению, а лишь по его части —до 2/з радиуса в направлении его оси. Нагретый таким образом слиток охлаждают на воздухе для снижения температуры его поверхности до 0,6— 0,65ГПЛ (850—900 °С для среднеуглеродистой стали). В результате комбинирования двухступенчатого нагрева и последующего охлаждения слитка наиболее нагретая зона (см. рис. 3.1) совпадает с зоной внеосевой ликвации, обладает наименьшим сопротивлением деформации и подвергается преимущественному первоочередному обжатию в условиях внешнего и внутреннего подпора охлажденных объемов металла.
Учитывая, что внеосевая ликвация расположена не на одинаковом расстоянии от поверхности по длине слитка, деформирование надо начинать со стороны донной части, затем перейти к подприбыльной, после чего к среднему участку; дальнейшее охлаждение слитка в ходе обжатия позволит сосредоточить деформации в центральных слоях, соответствующих более глубокому расположению зоны внеосевой ликвации.
