Обработка Справочник

Обработка давлением авиационных материалов

1. Обработка давлением легированных тепло- и коррозионно-стойких сталей

Развитие современных отраслей промышленности, особенно авиационной, оборонной и др., связано с применением труднодеформируемых высокопрочных сталей и сплавов с особенными физико-химическими свойствами. Изготовление высококачественных поковок и штамповок из этих материалов усложняется тем, что эти материалы значительно трудней поддаются обработке давлением, чем обычные конструкционные углеродистые стали, что обусловлено их пониженной пластичностью, более высоким сопротивлением деформированию, низкой теплопроводностью и сравнительно узким температурным интервалом штамповки. Поэтому при изготовлении штамповок из труднодеформируемых материалов очень важно правильно установить температурный интервал горячей деформации, т.е. температуру начала и конца штамповки.

Главными факторами, определяющими температурный интервал штамповки, являются химический состав и свойства стали. Для данных материалов в силу их теплофизических свойств (низкой теплопроводности) важно строго соблюдать режимы нагрева и время выдержки заготовок в печи перед горячей штамповкой.

По режиму нагрева под горячую пластическую деформацию легированные, тепло- и коррозионно-стойкие стали можно разделить на две группы: группа I – конструкционные легированные стали; группа II – тепло- и коррозионно-стойкие стали. Время нагрева заготовок устанавливают в зависимости от диаметра (толщины) нагреваемой заготовки. Время выдержки заготовок в печи перед горячей штамповкой, определяемое с момента нагрева металла до заданной температуры, рекомендуется брать для группы I сталей из расчета 1 мин на каждые 4 мм диаметра (толщины) заготовки, а для сталей группы II – 1 мин на каждые 3 мм диаметра. Максимальное время пребывания в печи при температуре штамповки заготовок диаметром или стороной квадрата до 250 мм не должно превышать 1…2,5 ч.

Температурные интервалы горячей штамповки для данных материалов с увеличением степени легирования стали становятся более узкими: так, например, для углеродистых сталей температурный интервал штамповки составляет ~600 °С, для сталей группы I порядка 330 °С, а для сталей группы II ~260 °С. Для уменьшения окалины или обезуглероженного слоя в некоторых случаях верхнюю границу температурного интервала необходимо снижать.

Иногда из-за недостаточной мощности используемого оборудования требуется повышение температуры штамповки, но при этом необходимо иметь в виду, что отклонение от оптимального режима допустимо только в тех случаях, когда оно не оказывает отрицательного действия на качество штамповок.

Горячую штамповку указанных материалов не рекомендуется вести при температурах ниже температур конца интервала горячего деформирования, так как эти материалы отличаются повышенным сопротивлением деформации и сниженной температурой штамповки до значения ниже нижней границы интервала горячей деформации, что приводит к резкому возрастанию силы деформирования и увеличению неоднородности напряженно-деформированного состояния, а это, в свою очередь, грозит образованием трещин на штамповках.

Температурные интервалы штамповки для сталей приведены в табл. 1.

Таблица 1. Температурные интервалы штамповки для сталей

Группа стали Марка стали Температурный

интервал

штамповки, °С

Охлаждение после

штамповки

Начало Конец
I 20Х, 40Х, 50Х, 38ХА,

18ХГТ, 12Х2Н4А,

18Х2Н4ВА, 12ХН3А,

40ХН2МА, 20ХН3А,

30Х3ВА, 38ХМЮА,

30ХГСА, 40ХФА,

50ХФА, 40ХН2СВА,

25ХГТ, 12Х2НВФА,

40ХН, 15ХМА, 40ХС,

45ХН, 40ХГМ, 20ХГНМ

1180 850 На воздухе
II 14Х17Н2 (ЭИ 268),

13Х11Н2В2МФ (ЭИ 961), 20Х3МВФ

(ЭИ 415), 12Х21Н51

(ЭИ 811), 12Х17Г9АН4

(ЭИ 878), 12Х18Н9Т, 07Х16Н6, 45Х14Н14В2М

(ЭИ 69), 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13,12Х17,

95Х18,12Х25Н16Г7АР (ЭИ 835), 08Х18Н12Б

(ЭИ 402), ЭИ 962,

ЭИ 684, ЭИ 736

1160 900 На воздухе, кроме сталей марок

14Х17Н2, 12Х13,

20Х13, 30Х13, 40Х13,

12Х17, 95Х18, для

которых требуется медленное

охлаждение в таре, термостате

или песке

Кроме температурного интервала и режима нагрева важное влияние на качество штамповки оказывают степень и скорость деформации. Изготовление штамповок (поковок) в кузнечно-штамповочных цехах производят на кузнечно-прессовом оборудовании, имеющем различные скорости движения рабочего инструмента.

Скорости деформирования vдеф (м/с) для различного кузнечно-прессового оборудования

Молоты:

паровоздушный штамповочный (ПШМ) . . . . . . . . . . . 6…8

бесшамотный штамповочный (БШМ) . . . . . . . . . . . . 3…4

высокоскоростной (ВСМ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20…30

винтовой пресс-молот (ВПМ). . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,6…2

Прессы:

кривошипный горячештамповочный (КГШП). . . . . . . . 0,5…0,8

фрикционный (ФП) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3…4

гидравлический штамповочный (ГШП). . . . . . . . . . . . 0,1…0,2

Горизонтально-ковочная машина (ГКМ) . . . . . . . . . . . . . 0,5…0,8

Допустимая степень деформации для любых материалов, подвергаемых горячей штамповке, обусловливается запасом технологической пластичности при заданных термомеханических режимах штамповки (температуре, степени и скорости деформации). Допустимые степени деформации групп сталей при осадке и выдавливании на различном кузнечно-прессовом оборудовании для рекомендованного интервала горячей обработки приведены в табл. 2.

Представленные в этой таблице значения допустимых степеней деформации даны для различных схем напряженно-деформированного состояния. Наиболее неблагоприятную схему напряженно-деформированного состояния имеет свободная осадка, при которой наблюдаются две главные составляющие – напряжение и деформация (растяжение), а третья составляющая – сжатие. При других более мягких схемах объемного напряженного и деформированного состояния будет возрастать пластичность сталей и, соответственно, увеличиваться допустимые степени деформации.

Как видно из табл. 2, при штамповке на высокоскоростном оборудовании допустимые степени деформации при одной и той же схеме объемного напряженнодеформированного состояния выше, чем при штамповке на ином оборудовании со скоростью деформирования до 9 м/с. Повышение пластичности при штамповке на высокоскоростных молотах достигается путем улучшения температурного режима штамповки, обусловленного малым временем деформирования (в несколько тысячных долей секунды – деформирование осуществляется вследствие этого в узком температурном интервале при незначительном изменении температуры в квазиизотермических условиях); уменьшения окалинообразования в результате отсутствия снижения температуры заготовки из-за передачи теплоты от заготовки более холодному инструменту; благодаря повышению внутренней объемной температуры заготовки за счет деформационной теплоты, выделяющейся вследствие внутреннего трения при ее деформировании.

Таблица 2. Допустимые степени деформации сталей, в %

Группа стали Штамповочное оборудование, vдеф < 9 м/с ВСМ,

vдеф = 20…30 м/с

КГШП, ФП, ВПМ

vдеф = 0,5…4,0 м/с

Осадка Выдавливание
I 80 90 90
II 60

Критическая степень деформации для сталей групп I и II составляет 5…15 %. Для предотвращения образования трещин у штамповок из некоторых марок сталей их охлаждение после горячей штамповки следует выполнять медленно в специальных футерованных коробках-термостатах, металлических ящиках в песке или других устройствах.

Для мартенситных сталей после охлаждения для исключения трещин необходимо проводить высокотемпературный отпуск после каждого перехода горячей деформации.

Для расчета и правильного выбора мощности кузнечно-штамповочного оборудования кроме параметров штамповки, термомеханических режимов и применяемого класса оборудования необходимо знать напряжение текучести σs при температуре штамповки. При практических расчетах потребной силы штамповки значения σт при температуре деформирования заготовки можно принимать равными пределу прочности σв при той же температуре. Значения пределов прочности σв для некоторых марок сталей при различных температурах приведены в табл. 3.

Таблица 3. Пределы прочности sв (МПа) во время растяжения сталей при различных температурах

Группа стали Марка стали Температура, °С
20 800 900 1000
I 38ХА 675 79 48 32
12ХН3А 640 81 52 40
12Х2Н4А 500 705 36 24
30Х3ВА 80 60 42
40Х3ВА 75 30…40 20
30ХГСА 700 79 40…50 36
18Х2Н4ВА 1220 113 50…70 45
38ХМЮА 80 66 46
60С2А 1021 81 57 34
18ХГТ 80 60…70 48
II 14Х17Н2 (ЭИ 268) 800 140 80 67
12Х18Н9Т (Х18Н9Т) 554 180 100…140 70…100
12Х13 (1Х13) 458 75 60…70 52
20Х13 (2Х13) 500 76 70 60
12Х21Н5Т (ЭИ 811) 750 145 77 62
12Х17Г9АН4 (ЭИ 878) 780 250…280 238 117
12Х25Н16Г7АР (ЭИ 835) 800…870 290…360 218 106
95Х18 (9Х18, ЭИ 229) 770 118 102 85
08Х18Н12Б (ЭИ 402) 612 230…250 180 82
07Х16Н6 (Х16Н6, ЭП 288) 900…1100 185 102 60
13Х11Н2В2МФ (ЭИ 961) 820 206 140 68
45Х14Н14В2М (ЭИ 69) 720 230 146 72

Из этой таблицы видно, что для сталей группы I при температуре конца штамповки σв изменяется от 30 до 70 МПа , для сталей группы II σв изменяется от 10 до 200 МПа.

2. Обработка давлением жаропрочных сталей и сплавов на основе железа и никеля

Жаропрочные стали и сплавы, применяемые в авиационном двигателестроении для изготовления наиболее нагруженных деталей современных газотурбинных двигателей (дисков турбин, компрессорных и турбинных лопаток, крепежных деталей, силовых колец, турбинных и компрессорных валов, деталей турбонасосных агрегатов, сопловых устройств и т.д.) характеризуются тем, что термомеханические режимы их горячего деформирования коренным образом отличаются от термомеханических режимов деформирования легированных и тем более углеродистых конструкционных сталей.

Эти отличия заключаются в более высоком сопротивлении деформированию, более низкой технологической пластичности, более узком температурном интервале штамповки, более низкой теплопроводности, требующей более сложных условий нагрева.

Жаропрочные стали и сплавы на железоникелевой и никелевой основах относятся к сложнолегированным гетерофазным материалам, степень их легирования определяет уровень жаропрочности и технологической пластичности при горячей обработке давлением.

Термомеханические режимы горячей деформации жаропрочных сталей и сплавов сильно влияют на структуру, размер зерна и механические свойства изготавливаемых деталей. Поэтому при назначении термомеханических режимов горячей штамповки заготовок из жаропрочных сталей и сплавов следует учитывать возможность не только получения необходимой геометрической формы штамповки, но и получения заготовки с заданными в технических условиях механическими свойствами. Из-за низкой теплопроводности жаропрочных сталей и сплавов для исключения трещин и обеспечения равномерного прогрева по сечению нагрев под горячую деформацию данных материалов надо проводить до температуры 800…900 °С медленно, с выдержкой при определенных температурах.

Начиная с 800…900 °С, скорость нагрева может быть увеличена. Общее время нагрева заготовок из жаропрочных сталей и сплавов по сравнению с конструкционными легированными сталями того же сечения должно быть увеличено в 2–3 раза. Общее время нахождения в печи заготовок при температуре, соответствующей температуре штамповки, не должно превышать 2 ч. Температурные интервалы штамповки жаропрочных сталей и сплавов приведены в табл. 4.

Таблица 4. Температурные интервалы горячей штамповки жаропрочных сталей и сплавов

Материа Марка материала Температурный интервал штамповки, °С
Начало Конец
Жаропрочные стали 2Х18Н12С4ТЮ (ЭИ 654) 1160 950
37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ 481) 980
10Х11Н20Т3Р (ЭИ 696) 1100 900
10Х11Н23Т3МР (ЭП 33)
40Х15Н7Г7Ф2МС (ЭИ 388) 1130 980
ХН35ВТЮ (ЭИ 787) 1100 900
ХН35МТЮ (ЭП 105)
Жаропрочные стали ЭИ 395 1100 960
Х15Н30ВМТ (ЭП 437) 1120 900
Жаропрочные сплавы ХН78Т (ЭИ 435) 1180 980
ХН77ТЮР (ЭИ 437Б) 1150
ХН60ВТ (ЭИ 868) 1180 1050
ХН70МВТЮБ (ЭИ 598)
ХН77ТЮ (ЭИ 437А) 1150 980
ХН77ТЮРУ (ЭИ 437БУ)
ХН70ВМТЮ (ЭИ 617) 1190 1060
ХН70ВМТЮФ (ЭИ 826) 1170
ХН62ВМКЮ (ЭИ 867) 1190
ХН56ВМКЮ (ЭП 109) 1070
ХН56ВМТЮ (ЭП 199) 1180 1000
ХН55ВМТКЮ (ЭИ 929) 1060
ЖС6-КП 1120 1050
ХН70ВМЮТ (ЭИ 765) 1180
ХН65ВМТЮ (ЭИ 893)

Из данной таблицы видно, что жаропрочные стали и сплавы имеют более узкий температурный интервал горячей штамповки, чем легированные конструкционные стали. Для жаропрочных сталей он составляет ~200 °С, а для жаропрочных сплавов ~150 °С. Температуры начала горячей штамповки для жаропрочных сталей и сплавов назначают на 30…40 °С выше температуры нагрева под закалку. При данной температуре сплавы имеют однофазное состояние, обеспечивающее получение более качественных штамповок. Предел прочности жаропрочных сталей и сплавов при температуре конца горячей штамповки в 2–5 раз выше, чем у углеродистых конструкционных и легированных коррозионно-стойких сталей.

При температуре <1000 °С предел прочности σв жаропрочных сплавов резко возрастает. Это связано с тем, что при снижении температуры скорость рекристаллизации становится меньше скорости деформационного упрочнения и горячая обработка давлением будет сопровождаться динамическим наклепом. Оптимальными условиями горячей деформации являются условия, при которых соблюдается динамическое равновесие между деформационным динамическим упрочнением и разупрочнением-рекристаллизацией. При снижении температуры горячей штамповки до значения <950 °С деформация жаропрочных сплавов сопровождается интенсивным деформационным упрочнением, способствующим образованию грубой разнозернистости при последующем нагреве под термическую обработку. В этом случае в результате термообработки в поковке развивается зональная рекристаллизация с образованием крупных зерен, снижающих пластичность, жаро- и усталостную прочность деталей в эксплуатации.

Причиной разнозернистости могут быть также холодный или недостаточно прогретый штамповочный инструмент, чрезмерно обильная и неоптимальная смазка, которые могут вызвать местное захолаживание штамповки и, как следствие, высокие локальные напряжения, местный наклеп и зональную рекристаллизацию в штамповках при последующей термообработке.

Для предотвращения грубой разнозернистости в штамповках, связанной с зональной рекристаллизацией, необходимо обеспечить отсутствие подхолаживания заготовки в процессе горячей штамповки, быстрый перенос заготовки от печи к штамповочному оборудованию, а штамповку проводить в предварительно нагретых штампах.

При выполнении горячей штамповки на молотах нельзя допускать интенсивного разогрева металла в очаге деформации, для чего деформирование заготовки следует проводить слабыми ударами.

Если при изготовлении штамповки ее невозможно сдеформировать окончательно за один ход машины вследствие низкой технологической пластичности жаропрочных сплавов, допускается доштамповка ее за два-три хода машины с промежуточным подогревом или нагревами до температур, соответствующих температуре начала штамповки.

Допустимые степени деформации жаропрочных сталей и сплавов приведены в табл. 5.

Как уже отмечалось, при горячей штамповке труднодеформируемых жаропрочных сталей и сплавов с малыми скоростями деформирования диффузионные процессы протекают более полно, что обеспечивает завершение рекристаллизации и разупрочнения металла и повышает возможность увеличения допустимой деформации за один ход машины. При горячей штамповке с большими скоростями деформирования (20…30 м/с) допустимая степень деформации за один ход машины для жаропрочных сталей несколько возрастает, а для жаропрочных сплавов остается на том же уровне. Увеличение технологической пластичности жаропрочных сталей при горячей штамповке на высокоскоростном оборудовании происходит путем повышения температуры заготовки в процессе деформирования.

Таблица 5. Допустимые степени деформации жаропрочных сталей и сплавов, %

Материал Штамповочное оборудование, vдеф < 9 м/с ВСМ,

vдеф = 20…30 м/с

КГШП, ФП, ВПМ
Осадка Выдавливание
Жаропрочные стали 60 80…85 90
Жаропрочные сплавы 40…50 80…90

Чтобы улучшить производительность и качество штамповок посредством увеличения допустимых степеней деформации за один ход машины, горячую штамповку труднодеформируемых жаропрочных сталей и сплавов рекомендуется проводить методом горячего выдавливания или в закрытых штампах с противодавлением. В этом случае благодаря обеспечению мягкой схемы напряженно-деформированного состояния жаропрочные стали и сплавы можно деформировать при температуре начала горячей деформации без разрушения со степенями деформации за один ход машины до 90 % и тем самым сократить число предварительных переходов штамповки.

Таблица 6. Допустимые степени деформации жаропрочных сплавов за один ход машины в зависимости от направления деформирования

Марка сплава Допустимая степень деформации (%)

за один ход машины при направлении

деформирования

вдоль оси заготовки перпендикулярно

к оси заготовки

ХН77ТЮР (ЭИ 437Б),

ХН70МВТЮБ (ЭИ 598),

ХН70ВМТЮ (ЭИ 617)

65,5 40…50
ХН70ВМТЮФ (ЭИ 826),

ХН51ВМТЮКФР (ЭП 220),

ХН55ВМТФКЮР (ЭИ 929)

55,0 35…45
ХН56ВМКЮ (ЭП109),

ХН62ВМКЮ (ЭИ 867)

50,0 30…40
ЖС6-КП 40,0 20…30

При разработке технологических процессов изготовления штамповок из жаропрочных сталей и сплавов необходимо учитывать анизотропию свойств, проявляемую данными материалами в различных направлениях. Так, например, допустимая деформация при осадке вдоль оси заготовки будет больше, чем при штамповке перпендикулярно к оси заготовки. Допустимые степени деформации жаропрочных сплавов в зависимости от направления деформирования приведены в табл. 6.

Число переходов при горячей штамповке определяется допустимой степенью деформации за один ход машины и должно быть минимальным. Критические степени деформации при горячей обработке давлением жаропрочных сталей и сплавов находятся в пределах 1…12 %. Пределы прочности жаропрочных сталей и сплавов для различных температур приведены в табл. 7. Так как пределы прочности у жаропрочных сталей и сплавов при температуре конца горячей штамповки значительно выше, чем у конструкционных углеродистых и легированных коррозионно-стойких сталей, то для изготовления штамповок из них требуется оборудование большой мощности.

Таблица 7. Пределы прочности при растяжении sв (МПа) жаропрочных сталей и сплавов при различных температурах

Материа Марка материала Температура, °С
20 900 1000 1100
Жаропрочные стали 2Х18Н12С4ТЮ (ЭИ 654) 80
37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ 481) 95
10Х11Н20Т3Р (ЭИ 696) 95…110
10Х11Н23Т3МР (ЭП 33) 90…100
40Х15Н7Г7Ф2МС (ЭИ 388) 100 25 16 10
ХН35ВТЮ (ЭИ 787) 105…125 20…25 14…16
ХН35МТЮ (ЭП 105) 95…120 24 7,3 4,5
ЭП395 98 18 12
Х15Н30ВМТ (ЭП 437) 95…107 18…20
Жаропрочные сплавы ХН78Т (ЭИ 435) 73…78 10…12 6…7 4…5
ХН77ТЮР (ЭИ 437Б) 95…110 30 8,5 6,5
ХН60ВТ (ЭИ 868) 75…90 21…25 13…16 8…9
ХН70МВТЮБ (ЭИ 598) 100…110 25…40
ХН77ТЮ (ЭИ 437А) 100 37…38 9 7
ХН77ТЮРУ (ЭИ 437БУ) 100…115 38 9,1 7,2
Жаропрочные сплавы ХН70ВМТЮ (ЭИ 617) 114 49 14…18
ХН70ВМТЮФ (ЭИ 826) 110…115 50…60 15…20
ХН55ВМТКФЮР (ЭИ 929) 100…120 60…70 25…32
ХН62МВКЮ (ЭИ 867) 110…125 55…70 25…35
ХН56ВМКЮ (ЭП 109) 110…130 65…80 35…45
ХН56ВМТЮ (ЭП 199) 100…115 52…65 12…16

Таким образом, для изготовления высококачественных поковок из жаропрочных сталей и сплавов необходимо строго соблюдать термомеханические режимы горячей штамповки, установленные для каждого сплава и стали, и предельные степени деформации, допустимые за один ход машины.

3. Обработка давлением титановых сплавов

Титан является полиморфным металлом с фазовым превращением при температуре 882 °С. Ниже температуры фазового превращения титан имеет устойчивую гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку α-титана. При температуре выше температуры фазового превращения для титана устойчива объемноцентрированная кубическая решетка β-титана.

Титановые сплавы обладают важнейшими преимуществами перед другими конструкционными материалами: высокой удельной прочностью и жаропрочностью в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред. Поэтому титановые сплавы находят широкое применение в авиационном моторостроении, их применение позволяет уменьшить силу тяжести двигателя при сохранении запасов прочности.

Титановые сплавы превосходят по удельной прочности большинство коррозионно- и теплостойких сталей, работающих в диапазоне до 500 °С. Недостатками титановых сплавов являются низкие антифрикционные свойства и высокая химическая активность при определенных условиях. При трении титановые сплавы склонны к схватыванию, что необходимо учитывать при изготовлении деталей, длительно работающих при больших удельных давлениях.

В настоящее время разработаны научные основы ионного азотирования, альфирования, борирования титановых сплавов, что позволяет значительно расширить область их применения в авиационном двигателестроении. Основная область использования титановых сплавов – это диски, лопатки, кольца, опоры и другие детали компрессоров газотурбинных двигателей.

Горячая обработка давлением титановых сплавов имеет больше общего с горячей деформацией сталей, чем цветных сплавов. Однако есть и существенные особенности, которые необходимо учитывать при их горячей обработке давлением. Нарушение режимов нагрева и горячего деформирования титановых сплавов может привести к ухудшению макро- и микроструктуры, а также к снижению механических свойств. Причем для большинства титановых сплавов улучшить макро- и микроструктуру и поднять механические свойства последующей термической обработкой невозможно. Рекомендуемые температурные интервалы горячей штамповки титановых сплавов приведены в табл. 8.

Таблица 8. Температурные интервалы горячей штамповки титановых сплавов

Марка сплава Структура сплава Температурный интервал

штамповки, °С

на прессах

ВПМ, ГКМ

на молотах
ВТ1-0 α 890…650 920…700
ВТ-18 1020…900 1080…950
ВТ5 1020…850 1100…900
ВТ5-1
ОТ4-0 Псевдо-α 890…650 950…700
ОТ4-1 910…700
ОТ4 930…750 950…800
ОТ4-2 950…800 1020…900
ВТ4 970…800 980…850
ВТ20 1000…850 1020…900
ВТ3-1 α + β 950…800 980…850
ВТ6 950…750 970…800
ВТ6С 940…750 960…800
ВТ8 980…800 1000…850
ВТ9
ВТ14 940…750 960…800
ВТ16 840…700 860…750
ВТ22 840…750 900…800
ВТ23 870…750 880…750
ВТ25 990…850 1020…850
ВТ15 β 920…700 930…800
ВТ30 930…700 950…800

При нагреве титановых сплавов выше температуры 400…500 °С на поверхности заготовок появляется оксидная пленка и происходит насыщение газами (кислородом, азотом, водородом) поверхности титана с образованием альфированного слоя, который значительно снижает пластичность титановых сплавов. Для уменьшения газонасыщения и улучшения структуры металла время нагрева заготовок из титановых сплавов должно быть по возможности минимальным, но достаточным для выравнивания температуры по сечению заготовки. Для выравнивания температуры заготовки из титановых сплавов по всему сечению требуется ~ 40 с на 1 мм диаметра (толщины) при температуре выдержки ≥ 1000 °С и 60 с на 1 мм диаметра (толщины) при более низких температурах. Из-за узкого температурного интервала горячей штамповки (100…200 °С) горячую деформацию титановых сплавов необходимо выполнять в подогретых штампах.

Титановые сплавы деформируются крайне неравномерно, поэтому для получения однородной структуры и механических свойств их следует подвергать большой суммарной пластической деформации при горячей штамповке. Допустимые и критические степени деформации при горячей обработке давлением титановых сплавов приведены в табл. 9.

Как видно из табл. 9, для титановых сплавов имеются две области критических деформаций. Поэтому при разработке технологического процесса горячего деформирования титановых сплавов необходимо, чтобы назначаемые деформации заготовки на технологических переходах за один ход машины находились в области выше минимальных критических и ниже максимальных критических, т.е. >15 % и <85 %. Пластичность (α + β)-титановых сплавов снижается тем больше, чем заметнее разница в прочностных свойствах α- и β-фаз. При значительной разнице в прочностных свойствах фаз возрастает неоднородность пластической деформации.

Оптимальной деформацией за один нагрев или подогрев для горячей объемной штамповки является деформация, равная 40…50 % при штамповке ниже температуры α + β → β и 70 % – при штамповке в β-области. Допускается горячая деформация за один ход машины при штамповке из β-области до 40 % при температуре, не более чем на 30…40 °С, превышающей температуру фазового превращения α + β → β.

Температуры фазовых превращений в титановых сплавах приведены в табл. 10.

Сила деформирования титана и его низко- и среднелегированных сплавов при высоких температурах (β-область) ниже силы деформирования жаропрочных сплавов в 1,5–2 раза. При горячей деформации в двухфазной (α + β)-области сила деформирования титановых сплавов близка к силе деформирования жаропрочных сплавов. Сила деформирования высоколегированных титановых сплавов (ВТ15, ВТ18, ВТ20, ВТ22) при деформации в области температур, близких к температуре конца штамповки, на 30…50 % выше силы деформирования жаропрочных сплавов. Пределы прочности при растяжении титановых сплавов при различных температурах приведены в табл. 11.

Горячую деформацию титановых сплавов проводят на паровоздушных и высокоскоростных молотах, кривошипных, гидравлических, фрикционных и электровинтовых прессах. Наиболее перспективным методом горячей штамповки титановых сплавов является изотермическая штамповка.

Таблица 9. Допустимые и критические степени деформации при горячей деформации титановых сплавов

Марка сплава Степень деформации, %
оптимальная при посадке допустимая при штамповке критическая при штамповке
на прессе

ГКМ

на

молотах

на молоте,

прессе

на

ВСМ

выдавливанием на

КГШП, ФП, ВПМ

на молоте,

прессе

ВСМ
ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ4, ВТ5,

ВТ5-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14

40…70 40…70 80…85 90 90…95 2…12 и не

выше 85

1…15 и не

выше 90

ВТ15, ВТ22 30…50
ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18,

ВТ16, ВТ25

40…60
ВТ1-0, ВТ20, ВТ23 40…50

Таблица 10. Температуры фазового превращения, начала и конца рекристаллизации титановых сплавов

Марка сплава Температура фазового

превращения

α + β → β, °С

Температура

рекристаллизации, °С

Начало Конец
ВТ1-0 885…900 600 700
ВТ5 980…1030 750 850
ВТ5-1 950…990 880 950
ОТ4-0 860…930 680 800
ОТ4-1 910…950 720 840
ОТ4 920…960 760 860
ВТ4 960…1000 780 900
ВТ3-1 850 960
ВТ-15 750…800 500 770
ВТ6 980…1010 850 950
ВТ6С 950…990
ВТ8 980…1020 900 980
ВТ9
ВТ14 920…960 930
ВТ16 840…880 820 840
ВТ18 990…1030 900 980
ВТ20 980…1020 800 950
ВТ22 840…880 825
ВТ23 880…930
ВТ25 990…1030 900 990

Таблица 11. Пределы прочности при растяжении sв (МПа) титановых сплавов при различных температурах

Группа сплава Марка сплава Температура, °С
20 700 800 900 1000
Повышенной пластичности ВТ1-0 400…550 70 35 18 16
ОТ4-1 600…750 120 60 20 15
Средней прочности ВТ5 750…950 250 110 70 40
ВТ5-1 800…1000 210…230 90…100 25
ОТ4 700…900 100 75 25 15
ВТ16 800…1000 200 80 20
ВТ20 950…1100 400 250 125 60
Высокопрочные ВТ6 950…1120 250 130 80 30
ВТ14 280 120 60 20
ВТ15 900…1100 250 160 70 55
ВТ22 1100…1250 180 60 40 30
ВТ23 250 150 50 50
Жаропрочные ВТ3-1 120 80 25
ВТ8 1000..1200
ВТ9 1050…1250 600 250 100 50
ВТ25 400…500 150…200 90…100
ВТ18 1000…1200 650 380 160…180

4. Обработка давлением сплавов на основе алюминия

Деформируемые алюминиевые сплавы по механическим свойствам подразделяются на сплавы пониженной, средней и высокой прочности и материалы из спеченных алюминиевых порошков. К сплавам с пониженной прочностью относят сплавы марок АВ, АМц, АМг, АД, к сплавам средней прочности – сплавы марок АК, Д, ВАД, ВД, к высокопрочным сплавам – сплавы марок В, ВАД, к материалам из спеченных порошков – сплавы марок САП. Температурные интервалы горячей штамповки алюминиевых сплавов приведены в табл. 12.

Соблюдение термомеханических режимов горячего деформирования алюминиевых сплавов позволяет обеспечить достаточную пластичность в процессе горячей штамповки, однородную структуру и высокие механические свойства получаемых штамповок. При нагреве алюминиевых заготовок под горячую штамповку время выдержки устанавливают в зависимости от диаметра (толщины) нагреваемой заготовки. Заготовки диаметром (толщиной) до 100 мм следует выдерживать в печи при температуре горячей штамповки из расчета 1…1,2 мин на 1 мм диаметра (толщины), при диаметре (толщине) >100 мм – из расчета 0,8…1,0 мин на 1 мм диаметра (толщины). Общее максимально допустимое время нагрева алюминиевых сплавов до температуры начала горячей штамповки на должно превышать 10 ч.

Таблица 12. Температурные интервалы горячей штамповки алюминиевых сплавов

Марка сплава Температурный

интервал

штамповки, °С

Применяемое оборудование
Начало Конец
АМц, АМг2, АВ, АК6, АД31, АД35, АК4, АК1, Д20, АМг3 470…420 350 Молот, гидравлический и кривошипный прессы
Д1, АК8, ВД17, Д19, ВАД1, Д21, ВАД23 470…440 400 Гидравлический пресс
450…420 380 Молот
АМг6, АМг5 430…400 320 Молот, гидравлический и кривошипный прессы
В92, В95, В96, В93 350 Гидравлический пресс
400…370 320 Молот, кривошипный пресс
САП-1, САП-2, САП-3 520…480 400 Гидравлический пресс
600…570 500 Молот, кривошипный пресс

Алюминиевые сплавы пониженной прочности, а также сплав средней прочности марки АК6 обладают высокой технологической пластичностью при горячей штамповке, которая практически не зависит от скорости деформирования, за исключением сплава марки АМг5. Этот сплав при горячей штамповке на высокоскоростном оборудовании имеет пониженную технологическую пластичность. Алюминиевые сплавы средней и высокой прочности отличаются пониженными пластическими характеристиками, но в интервале температур горячей штамповки обладают хорошей технологической пластичностью, однако с увеличением скорости деформирования от статической (~0,3 м/с) до динамической (~9 м/с) технологическая пластичность этих сплавов снижается на 15…20 %, что необходимо учитывать при разработке технологии горячей штамповки с использованием молотового и кривошипно-прессового оборудования.

Для спеченных алюминиевых сплавов марки САП наблюдается обратная зависимость. С повышением скорости деформирования в диапазоне > 9 м/с и до 20…30 м/с пластичность алюминиевых сплавов средней и высокой прочности увеличивается вместе со скоростью деформирования, за исключением сплавов марок САП, АМг6 и АМг7. С повышением температуры горячего деформирования пластичность алюминиевых сплавов возрастает при любых скоростях деформирования. Допустимые степени деформации алюминиевых сплавов приведены в табл. 13.

Таблица 13. Допустимые степени деформации алюминиевых сплавов, %

Группа сплава Гидравлический

пресс

Молот,

КГШП

ВСМ Выдавливание
Осадка
Пониженной прочности и сплав АК6 80…85 80…85 85…90, для марки сплава АМг5 40…50 ≥ 90
Средней прочности 70 50…60 85…90 для марок сплава АМг6 и АМг7 40…50
Высокопрочные 85…90
САП-1 50 ≥ 80
САП-2 40
САП-3 30

Допустимые степени деформации алюминиевых сплавов в зависимости от направления деформирования представлены в табл. 14.

Таблица 14. Допустимые степени деформации алюминиевых сплавов в зависимости от направления деформирования при штамповке на молотах и КГШП

Группа сплава Допустимая степень деформации за один ход машины, %
вдоль оси заготовки перпендикулярно к оси заготовки
Пониженной прочности и сплав АК6 80…85 60…65
Средней и высокой прочности 50…60 40…45, для сплава АМг6 и АМг7 15…20

Для предотвращения образования в штамповках крупнозернистой структуры горячую штамповку алюминиевых сплавов необходимо проводить с деформацией  15…20 % за один ход пресса или удар молота. Для обеспечения равномерных деформаций по всему объему сложной штамповки ее горячую штамповку следует выполнять за несколько переходов с применением заготовительных ручьев.

При штамповке алюминиевых сплавов в открытых штампах обрезку облоя и проколку перемычек толщиной до 6 мм проводят в холодном состоянии (кроме сплавов марок АМг6, АМг7, В95 и САП), а при толщине облоя > 6 мм у сплавов марок АМг6, АМг7, В95 рекомендуется обрезку облоя осуществлять при температуре 250…300 °С, а у сплавов САП – при температуре 400…500 °С. Штамповку поковок из алюминиевых сплавов ведут в подогретых штампах.

Малопластичные и хрупкие алюминиевые сплавы необходимо деформировать методами прямого и обратного выдавливания, закрытой безоблойной штамповкой с применением противодавления и пластичных оболочек. При расчете силы деформирования алюминиевых сплавов в первом приближении можно использовать предел прочности σв при температуре деформирования вместо предела текучести σт. Пределы прочности σв при растяжении алюминиевых сплавов при различных температурах приведены в табл. 15.

Таблица 15. Пределы прочности sв (МПа) при растяжении алюминиевых сплавов в зависимости от температуры

Группа сплавов Марка сплава Температура, °С
20 300 350
Сплавы средней прочности АК4 ≥360 165 75
АК4-1 ≥400 160 70
Сплавы средней прочности ВД17 440 170 110
АК6 265 53…60 42
АК8 ≤ 240 80 60
Д1 ≤ 250 90 63…73
Д16 170 70
Д19 180
Д20 ≤ 240 120
Д21 450…470 190
АМг6 320 120 70…100
В92 ≥ 400
ВАД1 250 170 110
Пластичные сплавы АВ ≤ 150 75 45…48
АМц ≤ 170 45
АМг2 160…230 75 50
АМг3 180 65 40
АМг4 250…380 100…120 50
АМг5 270…400 120 60
АД33 ≥ 270 90
АД35 270
Высокопрочные сплавы В93 ≥ 480
В95 ≥ 520 100
В96 720 120
ВАД23 ≥ 560 140
Спеченные порошковые сплавы САП-1 ≥ 280 170 140…150
САП-2 ≥ 320 180 150
САП-3 400 210 190

При определенных термомеханических режимах горячей штамповки у алюминиево-магниевых сплавов марок СМг6, АМг61, АМг5 и др. может развиваться эффект сверхпластичности. Его использование при горячей штамповке поковок сложной формы позволяет значительно упростить технологию горячей штамповки и проводить формообразование заготовки за один переход. При горячей штамповке алюминиевых сплавов на высокоскоростных молотах нагрев заготовок перед горячим деформированием следует проводить до температур конца штамповки вместо рекомендуемой температуры начала штамповки при изготовлении поковок на молотах, прессах и горизонтально-ковочных машинах.

Нагрев заготовок под горячую штамповку на высокоскоростных молотах до нижнего значения температуры интервала штамповки связан с повышением температуры заготовки в процессе высокоскоростной штамповки. Алюминиевые сплавы чувствительны к повышению температур и склонны к перегреву. Пренебрежение этим фактором приводит к перегреву штамповок и, следовательно, к окончательному браку по микроструктуре и механическим свойствам. Это необходимо учитывать при назначении температуры штамповки в технологическом процессе высокоскоростной штамповки алюминиевых сплавов.

5. Обработка давлением магниевых сплавов

Магний и его сплавы относятся к числу перспективных металлических материалов, поскольку ресурсы магния в земной коре практически не ограничены. Фактором, сдерживающим его широкое применение, является высокая энергоемкость производства первичного магния.

Несовершенство процесса получения первичного магния таково, что на его получение тратится энергии в ~100 раз больше, чем этого требуется, если исходить из теплоты образования наиболее распространенных его соединений.

К числу достоинств магниевых сплавов следует отнести: малую плотность (1740 кг/м3), высокое сопротивление ударным нагрузкам, повышенное демпфирование (магниевые сплавы не звучат), высокие удельные механические свойства, отличное сопротивление коррозии в ряде органических (бензине, масле) и неорганических (щелочах) сред, хорошую обрабатываемость резанием, свариваемость сплавов на основе магния, прекрасные литейные свойства.

К недостаткам магниевых сплавов можно отнести недостаточную жесткость конструкций из-за низкого модуля упругости (0,457·105 МПа), высокий коэффициент теплового расширения (28·10-6 К-1) и относительно низкую рабочую температуру (до ~ 300 °С).

Особенностью горячей обработки давлением и термообработки магниевых сплавов является регламентированная скорость нагрева. Регламентированный нагрев магниевых сплавов имеет большое значение не только для формирования необходимых свойств сплава, но и для технологических переделов. Для нагрева сплавов из магния под горячую обработку давлением не рекомендуется применять быстрый нагрев (индукционный, электроконтактный) во избежание локального оплавления, лучше использовать выдержки при промежуточных температурах, лежащих вблизи 330…370 °С.

Магний имеет гексагональную решетку, и при температуре до 225 °С деформация магния и его сплавов возможна только в одной кристаллографической плоскости. Это обстоятельство ограничивает технологическую пластичность магниевых сплавов. При температуре >225 °С скольжение идет по двум кристаллографическим плоскостям, а в третьей плоскости развивается двойникование. С ростом температуры увеличивается число возможных вариантов скольжения и повышается технологическая пластичность магниевых сплавов.

Для получения однородной структуры и одинаковых механических свойств магниевые сплавы необходимо подвергать высокой суммарной степени деформации (~ 90 %). Механические свойства магниевых сплавов при различных температурах приведены в табл. 16.

Таблица 16. Механические свойства магниевых сплавов в зависимости от температуры

Марка сплава Температура, °С Механические свойства
σв, МПа σ0,2, МПа δ, %
МА1 100 160 90 25
150 140 80 30
200 110 60 35
250 70 40 85
300 40 25 140
МА2 100 210 150 30
150 155 90 45
200 105 60 55
250 80 35 75
300 45 25 125
МА3 100 265 160 21
150 190 105 28
200 150 80
250 115 45 22,5
МА4 100 280 200 21
150 200 140 40
200 140 90 50
МА4 250 95 55 80
300 70 50 120
МА5 100 220 130 22
150 170 100 30
200 125 70 38
250 85 55 45
300 70 35 85
МА8 100 225 13
125 205 17,5
150 175 20,5
МА11 200 210 110 13
250 180 90 15
МА12 200 160 10
250 150 95 12
МА15 200 120 50 35
МА18 20 180 140 30
МА19 390 340 8
200 2230 150 35
250 130 90 50
МА20 20 230 120 25
200 90 70 51
250 70 50 65
МА21 20 260 210 19

Температурные интервалы горячей штамповки магниевых сплавов представлены в табл. 17.

Таблица 17. Температурный интервал горячей штамповки магниевых сплавов

Марка сплава Температурный

интервал штамповки, °С

Применяемое оборудование,

технологические рекомендации

Начало Конец
МА1 450 260 Молот, КГШП
МА2 420 230
МА3 400
МА4 350 280
МА5 385 КГШП
МА8 450 350 Молот
300 КГШП
МА11 480 380 Ковка, штамповка на гидравлическом прессе
МА12 350
МА15 380 Молот
360 250 КГШП
МА18 250 200 Пресс
280…200 250…150 При горячей прокатке (обжатие за проход 10…15 %)
250…200 200…150 При ковке, штамповке (степень деформации 80…90 %)
МА19 360 320 Пресс
400 340 КГШП
380 320 Молот
МА20 390 340 Пресс
350 При прокатке
250 150 При листовой штамповке
МА21 290 260 Пресс
300…260 250…220 При горячей прокатке (обжатие за проход 10…30 %)
290…260 250…150 При тепловой прокатке (обжатие за проход ~ 20 %)
300…250 280…200 При ковке, штамповке (обжатие за проход 40…60 %)

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *