Основную долю металла для машиностроения деформируют в нагретом состоянии. В кузнечнопрессовые цехи, как правило, слитки поступают из сталеплавильного Цеха при температуре их поверхности не ниже 650 °С. В большинстве процессов горячей обработки металлов давлением предусматривают равномерный нагрев слитков и заготовок, что достигают за счет выдержки при температуре нагрева. Технологически допустимым перепадом температуры по сечению слитка считают 50—100 °С для конструкционных углеродистых и легированных сталей и 30—40 °С для сталей высокоуглеродистых и высоколегированных. Изменение свойств пластичности в интервале температур 1100— 1200 °С для сталей названных классов практически ничтожно, т. е. технологически допустимый температурный перепад обеспечивает равномерное сопротивление деформации металла по сечению заготовки.
При первом нагреве металла температуру ограничивают с целью предотвращения пережога и назначают на 150—200 °С ниже линии солидуса по диаграмме железо — углерод. Заканчивают деформирование при температуре не выше Лс3 + (20 -80 °С). Температуру нагрева металла назначают в зависимости от величины накопленной деформации, а минимальную деформацию устанавливают в зависимости от температуры рекристаллизации. Термомеханические условия деформации определяют размер зерна стали, являющейся одной из важнейших характеристик качества деформированных изделий. При малых деформациях на отделочных операциях металл нагревают до невысокой температуры (900—1050 °С), чем обеспечивают незначительный рост зерна при нагреве. Но если на последней операции деформирования предусмотрена уковка не менее 1,5, то температуру нагрева можно назначить до 1200 °С. Исследованиями было показано, что для большинства углеродистых и конструкционных сталей допустим нагрев до 1200—1250 °С даже без последующей деформации, если заготовки потом подвергают термообработке с перекристаллизацией .
Последующей стадией технологического процесса является деформирование нагретых заготовок. Для машиностроительной промышленности большинство слитков перерабатывают посредством ковки. Ковка поковок включает три основные операции: биллетировку слитка, осадку биллета и его протяжку до поковочных размеров.
С точки зрения проковки металла операция биллетировки наименее производительна, и для ее выполнения обычно необходим нагрев слитка. Принято считать, что биллетировка слитков способствует заварке газовых пузырей и других подкорковых дефектов слитка, созданию пластичного поверхностного слоя металла, благоприятно влияющего на дальнейшее протекание ковки и в особенности операции осадки. При неудовлетворительном качестве поверхности стальных слитков операция биллетировки обязательна, независимо от марки стали, как важнейший фактор предупреждения развития пороков в крупные поверхностные дефекты. На некоторых заводах можно наблюдать осадку небиллетированных слитков, в основном из углеродистых сталей. Устранение биллетировки позволяет увеличить производительность ковки на 10 %. Исследования и заводской опыт показали, что биллетировка — операция не необходимая. Биллетировка предшествует операции осадки. Применение осадки в качестве промежуточной операции в процессе изготовления поковок вызвано тем, что только протяжкой слитка с небольшим уковом нельзя обеспечить высокий уровень механических свойств металла, так же как нельзя получить поковки, размер сечения которых больше сечения слитка. Существует мнение, что осадка способствует улучшению качества поковок, повышению пластичности и вязкости металла в результате раздробления литой структуры, измельчения дендритов. В связи с этим при изготовлении особо ответственных поковок, к механическим свойствам которых предъявляют повышенные требования, нередко применяют две или даже три промежуточные осадки.
Осадку считают основной операцией, во время которой обеспечивают заковку внутренних несплошностей. Принято считать, что закрытие дефектов происходит при осадке на 50 % и более. Однако при этом имеет значение соотношение размеров заготовки. Если осадку заканчивают при отношении НЮ Щ1, то повышение плотности металла и заваривание внутренних дефектов происходят не полностью.
Осадка необходима в том случае, когда у металла поковки требуются повышенные свойства в поперечно-ориентированных образцах. Но следует иметь в виду, что осадка может быть лишней, а иногда и вредной операцией. Применение осадки связано со значительным увеличением трудоемкости, снижением производительности и увеличением мощности оборудования. В связи с этим осадку в качестве промежуточной операции (в целях повышения пластичности и вязкости металла) целесообразно применять тогда, когда для поковки не обеспечивается уковка, равная 2.
Закрытие внутренних дефектов слитка при осадке значительно зависит от схемы напряженно-деформированного состояния, а также от распределения потоков металла, особенно в месте расположения дефекта. Для свободной ковки наиболее характерна осадка слитков с H D jj 1,5-1-2,6. В этом диапазоне размеров HID неравномерность деформации, обусловленная также трением на контактных поверхностях и формой осадочных плит, увеличивается по мере уменьшения отношения H/D. Влияние степени осадки на распределение деформации поэтому также связано с сопутствующим изменением соотношения размеров H;D.
По мере осадки наиболее интенсивно металл деформируется лишь в средней зоне, составляющей не более 30 % высоты заготовки. В то же время в приконтактных зонах деформация металла значительно меньше. В соответствии с распределением деформаций происходит и закрытие дефектов. Для закрытия крупных дефектов при осадке достаточна уковка 3, но необходимо, чтобы соотношение размеров заготовки было более 4, так как несплошности в приконтактных зонах не устраняются даже при уковке, равной 3. Применение осадки большой степени как промежуточной операции может отрицательно сказаться на качестве поковок, так как с ростом диаметра осаженного блока уменьшается величина относительной подачи при последующей протяжке и в осевой зоне заготовки могут появиться растягивающие напряжения. В процессе осадки внутренние слои металла испытывают неравномерное объемное сжатие, а вблизи боковой поверхности появляются растягивающие напряжения, причем наряду с тангенциальными растягивающими напряжениями действуют и радиальные напряжения того же знака.
Трехосное неравномерное сжатие играет большую роль для полной заварки усадочных дефектов. При ковке поковок типа валов промежуточная осадка слитка резко увеличивает неравномерность деформации и соответствующую неравномерность распределения механических свойств металла.
Задачу заварки пористостей усадочного происхождения при осадке надо решать с учетом влияния неметаллических включений на качество металла поковки. Например, если в кованой детали предусмотрено выполнить сверление, то не допускается выход неметаллических включений на поверхность сверленого канала, и ковка с осадкой может не дать желаемых результатов, так как при осадке и особенно при двух осадках поперечное сечение осевой зоны с неметаллическими включениями увеличивается по сравнению с зоной поковки, откованной без осадки. В этом случае применение промежуточной осадки нежелательно и даже вредно.
Многочисленные промышленные эксперименты показывают, что применение промежуточной осадки для повышения механических свойств на поковках типа валов нецелесообразно, если при последующей протяжке может быть получена уковка не менее 2,5, так как она обеспечивает примерно такие же свойства на образцах, ориентированных в продольном и поперечном направлениях, как уковка 4—5 при протяжке осаженного блока. Кроме того, увеличение уковки после осадки даже повышает склонность стали к шиферному излому. Если биллетировка и осадка являются вспомогательными и промежуточными операциями при изготовлении поковок типа валов, то протяжка служит основной операцией. В отличие от осадки, осуществляемой при полном перекрытии заготовки инструментом, протяжка состоит из некоторого числа чередующихся единичных обжатий и кантовок при наличии одной или двух внешних не обжимаемых зон.
Существенное влияние на распределение напряжений и деформаций в поковке при протяжке оказывают форма деформирующего инструмента и технологический режим ковки. К технологическим параметрам ковки относят единичное обжатие, относительную подачу; схема ковки включает последовательность и чередование обжатий и углов кантовки.
