2 Термический режим ковки и горячей штамповки

2.1 Температурные интервалы горячей обработки сталей и сплавов

Температурный интервал горячей обработки является одним из основных термомеханических параметров, без знания которого невозможна разработка технологического процесса горячей обработки металлов.

Нагрев металла вызывает изменение его механических характеристик, т.е. при температуре свыше (0,65–0,75)Тпл происходит уменьшение прочности, твердости и повышение пластических характеристик – удлинения, сужения и увеличение ударной вязкости.

При повышенных температурах деформации в металле возникают процессы разупрочнения – возврат и рекристаллизация. При возврате происходит уменьшение искажений кристаллической решетки, снижаются дополнительные и остаточные напряжения. Однако, при температурах возврата признаки упрочнения ещё проявляются, хотя в меньшей степени.

Основную роль в разупрочнении играет рекристаллизация металла при температурах свыше 0,4Т_пл. Процесс рекристаллизации заключается в появлении в деформированном металле новых центров кристаллизации и росте вокруг них новых зерен с новой ориентировкой кристаллографической решетки и новыми границами между зернами. После рекристаллизации металл не имеет следов упрочнения. Завершение процесса рекристаллизации зависит не только от температуры, но и от скорости деформации.

Под термином «температурный интервал ковки» подразумевается максимальная температура нагрева металла в печи и температура окончания ковки поковки.

Температурный интервал имеет верхний и нижний пределы. Для одной и той же стали (сплава) температурные интервалы ковки и штамповки могут иметь разные значения. Объясняется это тем, что ковка проводится за несколько ударов молота или ходов пресса (дробная деформация), а штамповка на механических прессах или на автоматах (кроме молотов), как правило, за один ход. Тепловой эффект деформации и потеря тепла при ковке и штамповке разные.

Максимальная температура нагрева металла в печи перед обработкой, т.е. верхний предел температурного интервала обработки, не совпадает с температурой начала горячей обработки, а всегда выше последней. Объясняется это тем, что при переносе металла из печи к кузнечному агрегату температура поверхностных слоев нагретого тела снижается из-за потери тепла излучением в окружающую среду, а также теплопроводностью через инструмент и конвективными потоками. Температура внутренних слоев массивных слитков и заготовок остается на том же уровне, что была в печи. Нижний предел температурного интервала обработки – это температура поверхности поковки в момент последнего хода пресса или удара молота.

Температурный интервал горячей обработки металла зависит от химического состава стали (сплава), металлургической технологии, структуры (литая или деформированная), скорости деформирования (молот, пресс), степени деформации (дробная или единичная, частная и суммарная), схемы напряженного состояния (осадка, протяжка, отрубка) и массы поковки.

Чем сложней химический состав, тем уже температурный интервал обработки. Так, например, у стали 20 температурный интервал ковки 1280–700°С, т.е. составляет 580°C, а у сплава ХН35ВТЮ – 1170–900 °С, т. е. только 270°C. Слитки в зависимости от химического состава в ряде случаев имеют более узкий или более широкий температурный интервал ковки, чем заготовки. При ковке на молоте температурный интервал деформирования уже, потеря тепла в инструмент и окружающую среду меньше, чем на прессе, вследствие меньшей продолжительности контакта.

Следует различать допустимый и рациональный температурные интервалы ковки. Допустимый интервал является универсальной характеристикой данной стали (сплава) для обработки давлением. Он не зависит от размеров и формы поковки, процесса, операции, оборудования и др. Допустимый температурный интервал ковки устанавливают по результатам исследования на образцах механических свойств (пластичности, сопротивления деформации и упрочнения), а также рекристаллизации (первичной, собирательной и вторичной) металла, подлежащего деформации. Рациональный интервал устанавливают на основе допустимого интервала и опыта освоения технологического процесса изготовления конкретной поковки в конкретных условиях данного кузнечного цеха (кузнечно-прессовое оборудование, печь, расстояние от печи до машины, инструмент и т. п.) и последующей термической обработки с учетом требований к металлу поковки по ТУ. Если нет ТУ, температурный интервал должен быть таким, чтобы обеспечивались наилучшая структура и свойства металла поковки.

Методика установления допустимого температурного интервала ковки следующая. Из слитка, если требуется установить температурный интервал горячей обработки металла, в трех взаимно перпендикулярных направлениях вырезают образцы для механических испытаний из различных зон слитка. Механические испытания проводят на растяжение, кручение и ударный изгиб при 20–1300°С. Столь широкий диапазон температур вызван необходимостью выявить зоны пониженной пластичности или хрупкости и учесть их при назначении режимов нагрева и охлаждения.

По зависимости показателей пластичности , , , , прочности , , , , , ударной вязкости KCV и ковкости от температуры строят диаграммы пластичности. По ним находят область температур наиболее высокой пластичности и наиболее низкого сопротивления деформации. С учетом необходимости создания резерва температуры устанавливают допустимый температурный интервал ковки. Это температуры, при которых металл имеет наиболее высокие значения пластичности, ударной вязкости и наиболее низкие значения прочности. По кривым прочности устанавливают температуру резкого падения прочностных характеристик. По диаграммам пластичности и рекристаллизации устанавливают допустимый температурный интервал горячей обработки.