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 сталиМарка сталиТемпературный

интервал

штамповки, °С

Охлаждение после

штамповки

НачалоКонец
I20Х, 40Х, 50Х, 38ХА,

18ХГТ, 12Х2Н4А,

18Х2Н4ВА, 12ХН3А,

40ХН2МА, 20ХН3А,

30Х3ВА, 38ХМЮА,

30ХГСА, 40ХФА,

50ХФА, 40ХН2СВА,

25ХГТ, 12Х2НВФА,

40ХН, 15ХМА, 40ХС,

45ХН, 40ХГМ, 20ХГНМ

1180850На воздухе
II14Х17Н2 (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

1160900На 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 сталиШтамповочное оборудование, vдеф < 9 м/сВСМ,

vдеф = 20…30 м/с

КГШП, ФП, ВПМ

vдеф = 0,5…4,0 м/с

ОсадкаВыдавливание
I809090
II60

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 сталиМарка сталиТемпература, °С
208009001000
I38ХА675794832
12ХН3А640815240
12Х2Н4А5007053624
30Х3ВА806042
40Х3ВА7530…4020
30ХГСА7007940…5036
18Х2Н4ВА122011350…7045
38ХМЮА806646
60С2А1021815734
18ХГТ8060…7048
II14Х17Н2 (ЭИ 268)8001408067
12Х18Н9Т (Х18Н9Т)554180100…14070…100
12Х13 (1Х13)4587560…7052
20Х13 (2Х13)500767060
12Х21Н5Т (ЭИ 811)7501457762
12Х17Г9АН4 (ЭИ 878)780250…280238117
12Х25Н16Г7АР (ЭИ 835)800…870290…360218106
95Х18 (9Х18, ЭИ 229)77011810285
08Х18Н12Б (ЭИ 402)612230…25018082
07Х16Н6 (Х16Н6, ЭП 288)900…110018510260
13Х11Н2В2МФ (ЭИ 961)82020614068
45Х14Н14В2М (ЭИ 69)72023014672

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

МатериаМарка материалаТемпературный интервал штамповки, °С
НачалоКонец
Жаропрочные стали2Х18Н12С4ТЮ (ЭИ 654)1160950
37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ 481)980
10Х11Н20Т3Р (ЭИ 696)1100900
10Х11Н23Т3МР (ЭП 33)
40Х15Н7Г7Ф2МС (ЭИ 388)1130980
ХН35ВТЮ (ЭИ 787)1100900
ХН35МТЮ (ЭП 105)
Жаропрочные сталиЭИ 3951100960
Х15Н30ВМТ (ЭП 437)1120900
Жаропрочные сплавыХН78Т (ЭИ 435)1180980
ХН77ТЮР (ЭИ 437Б)1150
ХН60ВТ (ЭИ 868)11801050
ХН70МВТЮБ (ЭИ 598)
ХН77ТЮ (ЭИ 437А)1150980
ХН77ТЮРУ (ЭИ 437БУ)
ХН70ВМТЮ (ЭИ 617)11901060
ХН70ВМТЮФ (ЭИ 826)1170
ХН62ВМКЮ (ЭИ 867)1190
ХН56ВМКЮ (ЭП 109)1070
ХН56ВМТЮ (ЭП 199)11801000
ХН55ВМТКЮ (ЭИ 929)1060
ЖС6-КП11201050
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, %

МатериалШтамповочное оборудование, vдеф < 9 м/сВСМ,

vдеф = 20…30 м/с

КГШП, ФП, ВПМ
ОсадкаВыдавливание
Жаропрочные стали6080…8590
Жаропрочные сплавы40…5080…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 сплаваДопустимая степень деформации (%)

за один ход машины при направлении

деформирования

вдоль оси заготовкиперпендикулярно

к оси заготовки

ХН77ТЮР (ЭИ 437Б),

ХН70МВТЮБ (ЭИ 598),

ХН70ВМТЮ (ЭИ 617)

65,540…50
ХН70ВМТЮФ (ЭИ 826),

ХН51ВМТЮКФР (ЭП 220),

ХН55ВМТФКЮР (ЭИ 929)

55,035…45
ХН56ВМКЮ (ЭП109),

ХН62ВМКЮ (ЭИ 867)

50,030…40
ЖС6-КП40,020…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

МатериаМарка материалаТемпература, °С
2090010001100
Жаропрочные стали2Х18Н12С4ТЮ (ЭИ 654)80
37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ 481)95
10Х11Н20Т3Р (ЭИ 696)95…110
10Х11Н23Т3МР (ЭП 33)90…100
40Х15Н7Г7Ф2МС (ЭИ 388)100251610
ХН35ВТЮ (ЭИ 787)105…12520…2514…16
ХН35МТЮ (ЭП 105)95…120247,34,5
ЭП395981812
Х15Н30ВМТ (ЭП 437)95…10718…20
Жаропрочные сплавыХН78Т (ЭИ 435)73…7810…126…74…5
ХН77ТЮР (ЭИ 437Б)95…110308,56,5
ХН60ВТ (ЭИ 868)75…9021…2513…168…9
ХН70МВТЮБ (ЭИ 598)100…11025…40
ХН77ТЮ (ЭИ 437А)10037…3897
ХН77ТЮРУ (ЭИ 437БУ)100…115389,17,2
Жаропрочные сплавыХН70ВМТЮ (ЭИ 617)1144914…18
ХН70ВМТЮФ (ЭИ 826)110…11550…6015…20
ХН55ВМТКФЮР (ЭИ 929)100…12060…7025…32
ХН62МВКЮ (ЭИ 867)110…12555…7025…35
ХН56ВМКЮ (ЭП 109)110…13065…8035…45
ХН56ВМТЮ (ЭП 199)100…11552…6512…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 сплаваСтруктура сплаваТемпературный интервал

штамповки, °С

на прессах

ВПМ, ГКМ

на молотах
ВТ1-0α890…650920…700
ВТ-181020…9001080…950
ВТ51020…8501100…900
ВТ5-1
ОТ4-0Псевдо-α890…650950…700
ОТ4-1910…700
ОТ4930…750950…800
ОТ4-2950…8001020…900
ВТ4970…800980…850
ВТ201000…8501020…900
ВТ3-1α + β950…800980…850
ВТ6950…750970…800
ВТ6С940…750960…800
ВТ8980…8001000…850
ВТ9
ВТ14940…750960…800
ВТ16840…700860…750
ВТ22840…750900…800
ВТ23870…750880…750
ВТ25990…8501020…850
ВТ15β920…700930…800
ВТ30930…700950…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 сплаваСтепень деформации, %
оптимальная при посадкедопустимая при штамповкекритическая 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…7040…7080…859090…952…12 и не

выше 85

1…15 и не

выше 90

ВТ15, ВТ2230…50
ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18,

ВТ16, ВТ25

40…60
ВТ1-0, ВТ20, ВТ2340…50

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

Марка сплаваТемпература фазового

превращения

α + β → β, °С

Температура

рекристаллизации, °С

НачалоКонец
ВТ1-0885…900600700
ВТ5980…1030750850
ВТ5-1950…990880950
ОТ4-0860…930680800
ОТ4-1910…950720840
ОТ4920…960760860
ВТ4960…1000780900
ВТ3-1850960
ВТ-15750…800500770
ВТ6980…1010850950
ВТ6С950…990
ВТ8980…1020900980
ВТ9
ВТ14920…960930
ВТ16840…880820840
ВТ18990…1030900980
ВТ20980…1020800950
ВТ22840…880825
ВТ23880…930
ВТ25990…1030900990

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

Группа сплаваМарка сплаваТемпература, °С
207008009001000
Повышенной пластичностиВТ1-0400…55070351816
ОТ4-1600…750120602015
Средней прочностиВТ5750…9502501107040
ВТ5-1800…1000210…23090…10025
ОТ4700…900100752515
ВТ16800…10002008020
ВТ20950…110040025012560
ВысокопрочныеВТ6950…11202501308030
ВТ142801206020
ВТ15900…11002501607055
ВТ221100…1250180604030
ВТ232501505050
ЖаропрочныеВТ3-11208025
ВТ81000..1200
ВТ91050…125060025010050
ВТ25400…500150…20090…100
ВТ181000…1200650380160…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 сплаваТемпературный

интервал

штамповки, °С

Применяемое оборудование
НачалоКонец
АМц, АМг2, АВ, АК6, АД31, АД35, АК4, АК1, Д20, АМг3470…420350Молот, гидравлический и кривошипный прессы
Д1, АК8, ВД17, Д19, ВАД1, Д21, ВАД23470…440400Гидравлический пресс
450…420380Молот
АМг6, АМг5430…400320Молот, гидравлический и кривошипный прессы
В92, В95, В96, В93350Гидравлический пресс
400…370320Молот, кривошипный пресс
САП-1, САП-2, САП-3520…480400Гидравлический пресс
600…570500Молот, 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 сплаваГидравлический

пресс

Молот,

КГШП

ВСМВыдавливание
Осадка
Пониженной прочности и сплав АК680…8580…8585…90, для марки сплава АМг5 40…50≥ 90
Средней прочности7050…6085…90 для марок сплава АМг6 и АМг7 40…50
Высокопрочные85…90
САП-150≥ 80
САП-240
САП-330

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 сплаваДопустимая степень деформации за один ход машины, %
вдоль оси заготовкиперпендикулярно к оси заготовки
Пониженной прочности и сплав АК680…8560…65
Средней и высокой прочности50…6040…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 сплавовМарка сплаваТемпература, °С
20300350
Сплавы средней прочностиАК4≥36016575
АК4-1≥40016070
Сплавы средней прочностиВД17440170110
АК626553…6042
АК8≤ 2408060
Д1≤ 2509063…73
Д1617070
Д19180
Д20≤ 240120
Д21450…470190
АМг632012070…100
В92≥ 400
ВАД1250170110
Пластичные сплавыАВ≤ 1507545…48
АМц≤ 17045
АМг2160…2307550
АМг31806540
АМг4250…380100…12050
АМг5270…40012060
АД33≥ 27090
АД35270
Высокопрочные сплавыВ93≥ 480
В95≥ 520100
В96720120
ВАД23≥ 560140
Спеченные порошковые сплавыСАП-1≥ 280170140…150
САП-2≥ 320180150
САП-3400210190

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 сплаваТемпература, °СМеханические свойства
σв, МПаσ0,2, МПаδ, %
МА11001609025
1501408030
2001106035
250704085
3004025140
МА210021015030
1501559045
2001056055
250803575
3004525125
МА310026516021
15019010528
20015080
2501154522,5
МА410028020021
15020014040
2001409050
МА4250955580
3007050120
МА510022013022
15017010030
2001257038
250855545
300703585
МА810022513
12520517,5
15017520,5
МА1120021011013
2501809015
МА1220016010
2501509512
МА152001205035
МА182018014030
МА193903408
200223015035
2501309050
МА202023012025
200907051
250705065
МА212026021019

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

Таблица 17. Температурный интервал горячей штамповки магниевых сплавов

Марка сплаваТемпературный

интервал штамповки, °С

Применяемое оборудование,

технологические рекомендации

НачалоКонец
МА1450260Молот, КГШП
МА2420230
МА3400
МА4350280
МА5385КГШП
МА8450350Молот
300КГШП
МА11480380Ковка, штамповка на гидравлическом прессе
МА12350
МА15380Молот
360250КГШП
МА18250200Пресс
280…200250…150При горячей прокатке (обжатие за проход 10…15 %)
250…200200…150При ковке, штамповке (степень деформации 80…90 %)
МА19360320Пресс
400340КГШП
380320Молот
МА20390340Пресс
350При прокатке
250150При листовой штамповке
МА21290260Пресс
300…260250…220При горячей прокатке (обжатие за проход 10…30 %)
290…260250…150При тепловой прокатке (обжатие за проход ~ 20 %)
300…250280…200При ковке, штамповке (обжатие за проход 40…60 %)

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *