Представление об эффективности того или иного способа перераспределения локализации сдвиговых деформаций при ковке дают следующие примеры. Ковка осадкой. Когда осадка является формообразующей операцией, ее следует использовать с учетом соответствующей схемы течения металла и особенностей строения применяемого кузнечного слитка. В типичной технологии ковки с осадкой предусмотрено обжатие плоскими плитами для создания основной схемы течения металла. При этом в объеме поковки имеет место значительная неравномерность деформации и как следствие этого — неоднородность структуры, механических свойств и качества металла. Эту технологическую схему совершенствуют в направлении улучшения проработки металла в торцовых зонах поковки, обеспечения закрытия и заварки усадочных дефектов литого металла.
В частности, проработку торцовых зон улучшают применением для осадки выпуклых плит, а условия ликвидации несовершенств литой структуры — ужесточением схемы напряженного состояния. По одному из вариантов такой технологии нагретый до ковочной температуры слиток подают под пресс, где производят операции предварительной ковки без биллетировки — закатку цапфы (под патрон противовеса или клещи манипулятора), рубку противоположного конца заготовки. Во время этих операций слиток охлаждается с поверхности; производится смена кузнечного инструмента под осадку. По достижении температуры на поверхности слитка, соответствующей нижнему пределу ковочной, производят осадку. Слиток с закатанной цапфой помещают в нижнюю осадочную плиту и осаживают коническим бойком.
Коническая осадочная плита воздействует преимущественно на осевую область слитка, охлажденные поверхностные слои которого оказывают значительный боковой подпор. Повышение жесткости напряженного состояния сжатия усиливается, кроме того, наличием оребрения. Во время этих операций происходит дальнейшее охлаждение цапфы. В связи с этим сопротивление деформации металла в цапфе становится гораздо выше, чем во внутренних осевых слоях. Поэтому при последующей осадке плоскими плитами цапфа выполняет роль инструмента, оказывающего сосредоточенное силовое воздействие на осевую зону слитка со стороны цапфы. Таким образом, охлажденная цапфа заменяет специальную нижнюю осадочную плиту. После этих операций осадки слиток передают на подогрев, затем производят ковку ребер. При этом конические полости выполняют на плоских плитах до заданной конечной степени деформации. Применение этого способа ковки для слитков из коррозионно-стойкой стали позволяет получить поковки без макро дефектов. Для уплотнения осевой зоны литого металла можно применить эффект подпирающего воздействия вогнутых боковых поверхностей. Подготовленный для биллетировки слиток (с закатанной цапфой под патрон противовеса) обжимают таким образом, чтобы получить боковую поверхность его в форме вогнутой бочки. При последующей осадке слитка средняя по высоте его осевая зона находится в резко выраженном объемном напряженном состоянии сжатия. После осадки боковые бойком поверхности блока становятся близкими к цилиндрическим. При этом значительно уменьшаются растягивающие напряжения в наружных слоях в отличие от условий, создающихся при осадке цилиндрического биллета с образованием выпуклой бочки.
Схема напряженного и деформированного состояния при осадке заготовок с вогнутой боковой поверхностью оказывается благоприятной и для закрытия осевых дефектов в начальные моменты деформирования без достижения больших общих уковок. В кузнечном производстве для осадки применяют, как правило, сферические вогнутые плиты. Средняя по оси часть осаженного блока оказывается при этом деформированной в большей степени, чем зоны, примыкающие к осадочным плитам. Если не ставится задача такого распределения деформаций, то улучшения проработки частей объема заготовки, расположенных вблизи торцовых поверхностей, можно достичь применением специальных бойков — осадочных плит. Такая конструкция кузнечных бойков с комбинированной рабочей поверхностью обеспечивает проработку приторцовых зон поковки в начале процесса осадки, а потом позволяет обжать и центральную область поковки в условиях напряженного состояния всестороннего сжатия. Применение этих бойкое создает последовательную проработку металла по всему объему заготовки, в результате чего достигается повышение механических свойств и выравнивание их в объеме изделия. В тех случаях, когда осадка не имеет самостоятельного формообразующего назначения, необходимость ее применения надо рассматривать в связи со схемой течения металла при протяжке и при осадке и происходящими при этом изменениями элементов строения слитка. Проведенными исследованиями для конструкционных сталей было показано значительное влияние формы неметаллических включений — сульфидов — на пластические свойства металла поковок, откованных по различным схемам. При осадке металла первоначальная глобулярная форма сульфидов изменяется — сульфид превращается в эллипсоид с двумя длинными и одной короткой осями. При ковке протяжкой сульфиды образуют эллипсоиды с двумя малыми и вытянутой третьей осями (в направлении протяжки). Из трех слитков стали 40Х развесом 2,8 т один был откован только осадкой, второй — только протяжкой, а на третьем исследовали форму сульфидов и механические свойства металла в литом состоянии. Из опытного металла вырезали пластины, а затем образцы в трех взаимно перпендикулярных направлениях (продольном, радиальном, тангенциальном) в наиболее характерных точках сечений (по зонам слитка и зонам деформации при осадке и протяжке).
Обработка микрошлифов в соответствии с их пространственной ориентировкой в поковках позволила установить значительную вытянутость сульфидов в радиальном и тангенциальном направлениях у осаженной поковки и увеличение их площади живого сечения на продольных шлифах. Изучение механических свойств образцов, испытанных разрывным и ударным нагружением, в зависимости от формы и распределения сульфидов показывает, что в большей мере форма сульфидов влияет на свойства в продольном направлении (поперечное сужение "ф по характерным зонам уменьшается с 44 до 17%), несколько меньше — в радиальном направлении уменьшается с 56 до 31 %) и незначительно —в тангенциальном направлении уменьшается с 56 до 47 %). Соответствующее изменение формы сульфидов на шлифе (отношение [большего размера к меньшему) составляет 1,2—7. Результаты ударных испытаний подтверждают существенное влияние ориентировки испытуемых образцов относительно элементов формы сульфидов. Механические свойства в поковке, откованной только протяжкой с идентичным уковом, зависят в меньшей мере от ориентации образцов в металле поковки. Уменьшение живого сечения сульфидов, обусловленное схемой продольного течения металла, привело к меньшему их влиянию на анизотропию механических свойств металла. Кузнечная сварка осадкой является одним из прогрессивных направлений при производстве крупных заготовок. Наиболее надежное соединение отдельных частей получают при ковке осадкой с сопряжением в экваториальной плоскости. Качество сварной зоны для крупных изделий зависит от следующих этапов: 1) от обеспечения плотного контакта свариваемых поверхностей и 2) от создания оптимальных термических условий для диффузии в пограничном соединяемом слое. Результаты второго этапа в значительной мере определяются эффективностью операций первого этапа. Качество кузнечной сварки существенно улучшается при наличии сдвиговых деформаций по поверхности сопряжения. Применительно к осесимметричным поковкам это условие соблюдается при выполнении сопрягаемых поверхностей с элементами наклона и зазорами между ними (рис. 4.9). Наличие таких зазоров вызывает сдвиговые деформации, значительно улучшающие качество кузнечной сварки. Поверхности механических свойств. Сведения о преобразовании элементов макро строения слитка под действием двух просварки схем течения — при осадке и протяжке плоскими бойками — служат исходными данными для построения схем течения металла в кузнечных процессах. Количественно оценить эффективность той или иной схемы течения металла помогают испытания механических свойств образцов, ориентированных в различных направлениях. Схема вырезки испытуемых образцов дает возможность использовать аппарат математической статистики для объективной оценки свойств металла по малым выборкам. Для этого требуется выяснить вид поверхности, на которой лежат концы радиус-векторов механических свойств металла. Уравнение поверхности порядка общего вида запишем в виде. Минимум среднеквадратичной ошибки приближает заданную совокупность экспериментальных данных путем нахождения коэффициентов уравнения. Для определенности предполагается а44 = 1. Для описания вероятных значений определяют минимум функционала ошибка для набора экспериментальных данных. В данном случае получается система из девяти уравнений относительно девяти неизвестных а и, а12, 34, решение которой, если оно существует и. является единственным, отвечает поставленным условиям.
Полученные коэффициенты определяют поверхность порядка. Для установления вида этой поверхности вычисляют I, II и III инварианты.
Если знать уравнения поверхностей механических свойств металла поковок, то можно вычислить значения механических свойств в любом желаемом направлении, оценить анизотропию и установить влияние сочетания простых схем течения. Например, три слитка массой 2,5 т из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т отковали по идентичной технологии с целью анализа свойств по трем стадиям: 1) после биллетировки; 2) после биллетировки и осадки; 3) после биллетировки, осадки, прошивки и раскатки. Из сопоставления полученных поверхностей свойств пластичности металла (рис. 4.11) можно сделать следующие выводы:
1) максимальные свойства пластичности получены у сбиллитированной поковки на осевых образцах (Ф = 75 %) и минимальные — на радиальных (= 50 %);
2) максимальные свойства пластичности у осаженной поковки получены на радиальных образцах (г|) Щ 64 %);
3) у поковки, подвергавшейся операции раскатки, максимальные свойства пластичности получены на тангенциальных образцах (я) = 65 %) и минимальные — на осевых (ф. = 35 %).
Дальнейший анализ формы трех поверхностей убеждает в том, что для повышения механических свойств металла целесообразно снизить степень осадки, а для операции раскатки обеспечить условия ковки без действия растягивающих напряжений. Увеличение выхода годного. Дальнейший рост мощности крупных машин ответственного назначения вызвал необходимость увеличения массы слитков для получения соответствующих поковок. Однако с увеличением массы слитка в значительной мере снижается его качество. В связи с этим повышение выхода годного с целью увеличения массы поковок становится одной из первоочередных задач ковки для машиностроения.
Типичная технологическая схема ковки колонны пресса из слитка массой 242 т, принятая в Чехословакии, позволяет получить поковку массой-140 т, т. е. выход годного составляет 58 %. Однако этот технологический процесс не включает операцию осадки, которая предусматривается для поковок ответственного назначения.
По зарубежным данным, при ковке заготовок валов турбогенераторов из слитка массой 45 т выход годного составил 48 %. Эта цифра соответствует уровню использования металла при ковке подобных поковок и может считаться типичной для технологических процессов ковки изделий ответственного назначения.
Применяя новые, усовершенствованные способы ковки, удается снизить трудоемкость производства поковок, не ухудшая качество готовой продукции. Но даже при относительно совершенных режимах деформации второстепенные операции лимитируют повышение выхода годного.
Однако выход годного можно повысить и за счет улучшения самого слитка. Так, во Франции при ковке вала ротора тихоходной турбины из двадцатичетырехгранного слитка массой 190 т из вакуумированной стали удалось довести выход годного до 60 %. Положительный результат достигнут за счет применения слитка более высокого качества и приближения его формы к форме сбиллетированной поковки (двадцатичетырехгранный слиток вместо традиционного восьмигранного). Это мероприятие позволило сократить время биллетировки слитка и соответствующего нагрева после него. Отходы при рубке с донной части составили 14 %, с прибыльной — 18 % и потери на угар —7,7 %.
Этот результат остается непревзойденным в зарубежной прокатке. Но вакуумированный металл обеспечивает потенциальную возможность дальнейшего увеличения коэффициента использования металла. Учитывая, что в донной части металл вакуумированного слитка обладает лучшим качеством по сравнению с подприбыльным металлом и подвергается большей уковке, целесообразно использовать его полностью, удалив лишь кюмпельную часть, а прибыль слитка применять для цапфы под патрон противовеса. Поэтому при условии обеспечения достаточной проработки подприбыльной части слитка массу годной поковки можно довести до массы корпуса слитка за вычетом угара металла при нагреве и обсечки при рубке.
