Для изготовления колец двух типоразмеров 0 3120x1900 (внутренний диаметр 1500 мм) и 0 2880X1580 (внутренний диаметр 1850 мм) потребовались слитки массой (соответственно названным размерам) 185 и 110 т. Реализация схем пластического течения, отработанных на реальных промышленных поковках, дала возможность производить раскатку прошитой заготовки вырезным ромбическим бойком. Улучшение качества металла, гарантируемое этим приемом, позволило снизить уковку заготовки на предыдущих операциях осадки в результате сокращения числа осадок и соответственно числа последующих протяжек, а также вследствие уменьшения степени осадки (т. е. ограничения ее получением требуемых габаритных размеров блока перед прошивкой). Учитывая величину припусков на механическую обработку и расположение наиболее ответственного участка детали посередине толщины поковки, для раскатки был "применен ромбический боек с углом выреза 135°, обеспечивающий повышение интенсивности деформаций в аналогичной зоне примерно в 2 раза по сравнению с раскаткой плоским инструментом.
По предложенной технологии для слитков предусмотрена лишь одна операция осадки, общая уковка уменьшена с 11,5 до 4, число нагревов уменьшено с10до7ис7до 4 (соответственно для поковок диаметром 3120 и 2880 мм), выход годного соответственно по поковкам повышен до 66 и 60 %; последнее позволило выбрать для поковок слитки массой соответственно 145 и 84 т. Трудоемкость предложенных процессов в 1,94 раза меньше, чем трудоемкость обычных процессов. В технологическом процессе ковки поковок ^"из стали 12Х18Н10Т использовали термозональный фактор для заварки дефектов металла осевой зоны с любой ориентировкой и рассредоточение зон затрудненной деформации, позволившее компенсировать потоки вытеснения металла в средней части высоты слитка (где расположено наибольшее количество дефектов). В качестве инструмента для обжатия подприбыльного объема слитка применили охлажденную в воде цапфу. Внедрение в производство предложенной технологии позволило сократить брак по внутренним несплошностям поковок в 5 раз.
Для штанг квадратного поперечного сечения 185x185 мм из стали 12Х18Н10Т проверяют механические свойства при 400 °С и макроструктуру. Браковочным признаком является ковочный крест, обнаруживаемый металлографическим контролем. В соответствии с предложенным в п. 1.2 алгоритмом технологический процесс построили на обжатии с непрямолинейным фронтом. Проведенные испытания механических свойств подтвердили уменьшение неоднородности металла: анизотропия ударной вязкости металла, откованного плоскими бойками, составила 2,6, а откованного по-новому — 1,6; поперечное сужение образцов, испытанных при 400 °С, увеличилось на 10 %.
Полученные убедительные подтверждения эффективности регулирования потоков пластического течения для повышения качества металла послужили основанием применения сформулированных принципов и алгоритма для построения технологических процессов ковки гребных валов, заготовок валопроводов, баллеров рулей, штырей крупнотоннажных судов.
Технологический процесс с биллетировкой на вогнутую боковую поверхность опробован и внедрен при ковке слитков массой 50 т для заготовок штыря рулевого управления. Опыт ковки показал приемлемость расчетов профиля боковой поверхности, которая становилась близкой к цилиндрической при заданной степени осадки; уковка при осадке снижена до 1,4 вместо 2,8, как при ковке с обычной биллетировкой. Кроме того, получено существенное уменьшение трещин на боковой поверхности осаженного блока. За счет экономии времени на их удаление при последующей протяжке удалось сократить один нагрев.
С биллетировкой на местную вогнутую боковую поверхность была откована поковка уникального гребного вала диаметром свыше 1000 мм и длиной 11 470 мм, имеющего фланец диаметром 1645 мм.
Подтверждением эффективности биллетировки на вогнутую боковую поверхность явилось повышение механических свойств металла в темплетах от того конца вала, на котором была выполнена вогнутость, по сравнению с ковкой обычным способом. У тангенциальных образцов поперечное сужение выше на 10 %. Конфигурация вала (наличие осевого отверстия диаметром более 100 мм) позволила провести исследование металла осевой зоны поковок. До термообработки на поперечных образцах получено увеличение показателя поперечного сужения на 7—9 % на участке длины, соответствующем вогнутому профилю боковой поверхности. На продольных образцах это различие в сужении достигает 10 %. Расчетные данные, полученные* анализом модели теплового состояния слитка, дали основание для усовершенствования процессов ковки баллера из слитка массой 125 т.
Равномерная проработка металла в осевой зоне по всей длине вала достигнута при ковке без операции осадки, но с предварительным охлаждением поверхности слитка на заготовительных операциях ковки. В ходе промышленного применения этого способа ковки установлена его высокая технологичность, повышение производительности работ в среднем на 20 %. Перископический осмотр просверленного осевого отверстия (диаметром 140 мм) показал хорошую деформационную проработку металла осевой зоны. Способ ковки гребного вала из слитка массой 40 т в условиях форсированного нагрева позволил отказаться от выдержки слитков в печи перед операцией биллетировки. Время выдержки слитка в печи перед биллетировкой уменьшено на 20,5 ч. Общее время пребывания слитка в печи сокращено на 17 ч (с учетом увеличения на 3,5 ч времени нагрева перед осадкой). При ковке поковок из слитков массой 65 т рекомендации, выполненные в соответствии с расчетами, позволили сократить время эксплуатации печи на 30 ч. Исследования макроструктуры, механических свойств и ультразвуковой контроль показали высокое качество металла поковок, откованных с применением заданного режима нагрева. Наиболее экономичное решение вопроса при ковке слитков холодного посада в печь состояло в разработке способа ковки, обеспечивающего закрытие и заварку продольных и поперечных трещин слитка. Использование термозонального фактора позволило добиться закрытия продольных и заварки поперечных трещин уже на первой операции ковки, а построение очага деформации при протяжке дало возможность заварить и продольные несплошности. Технологический процесс осуществлен при минимальных затратах на инструмент — роль второго конического бойка выполняет охлажденная в воде цапфа (применяемая обычно для захвата манипулятором). После внедрения в производство предложенного способа ковки в результате контроля всех заготовок установлено снижение брака по микротрещинам в 7 раз.
Эффективность регулирования пластического течения металла для заварки дефектов несплошности, присущих металлу слитков, проверена возможностью надежной кузнечной сварки заготовки. Кузнечной сварке подвергли четыре пары слитков массой 1,5 т из сталей 25 и 40Х. Надежное соединение поковок, не уступающее по механическим свойствам основному металлу, обеспечивается коническим сопряжением и вогнутым профилем боковой поверхности заготовок при осадке. Электронно - микроскопические исследования (Х5000) угольных реплик, снятых с поверхностей разрыва испытуемых образцов, дали углубленное представление о качестве кузнечной сварки. Характер разрушения стали 25 вязкохрупкий с «чашечной» структурой; хрупкая составляющая имеет небольшую протяженность и окаймлена участками волокнистого излома с чашечной структурой. В поковке из стали 40Х качество сварки повсеместно хорошее.
Для заготовок, испытывающих при эксплуатации внутреннее давление, в соответствии с разработанным алгоритмом было предложено построить процесс ковки с «закручиванием » макроструктуры по винтовой линии относительно оси поковки. Перераспределение анизотропии металла, достигаемое таким способом, позволило увеличить механические свойства металла по направлению действия наибольших эксплуатационных напряжений.
Результаты испытаний механических свойств металла в тангенциальном направлении показали повышение предела пропорциональности до 1260—1290 МПа (при норме 1200 МПа) и ударной вязкости при температуре —40 °С до 260—280 кДж/м2 (при норме 200 КДж/м2). Таким образом, перераспределение анизотропии металла, достигнутое регулированием макро течения металла, обеспечило заданные механические характеристики металла, соответствующие условиям эксплуатации изделий. Рассмотренные научно-технические исследования неоднородного пластического течения металла при ковке позволяют сделать выводы и дать практические рекомендации, направленные на дальнейшее совершенствование технологии ковки, а также на изменение нормативных материалов по качеству металла, регламентируемого усредненным показателем — уковкой.
Разработанная методика расчета и анализа полей температур, наводимых в слитке перед ковкой, позволяет конструировать режимы нагрева, обеспечивающие заданную очередность проработки металла в зонах макро строения слитка.
Положительное влияние дополнительных макро сдвигов при ковке в бойках со скрещивающимися рабочими поверхностями можно использовать в производстве, располагая еде дующими данными: 1) установленной связью нормальных и макро сдвиговых деформаций; 2) наличием экспериментальных зависимостей макро сдвиговых деформаций при ковке новым инструментом, количественной оценкой эффективности дополнительных макро сдвигов в зависимости от параметров технологического режима ковки. Например, полные выражения для конечных деформаций получают из выражения тензора конечных деформаций. Относительное удлинение отрезка вдоль оси 00
