3.1. Интервал ковочных температур

Одна из главных задач при разработке термического режима ковки, штамповки состоит в определении соответствующего тем­пературного интервала, т. е. температуры начала и конца обра­ботки металла.

Различают допустимый и технологически необходимый, опти­мальный интервалы температур ковки, штамповки. Допустимый интервал температур зависит от состава и структуры обрабатывае­мой стали, необходимый интервал температур — от условий технологического процесса обработки стали.

Допустимый интервал ковочных температур определяют в ре­зультате раздельного установления температур начала и конца ковки, штамповки. Эти температуры устанавливают на основании металлургических и металловедческих данных о металле. Затем эти данные уточняют исходя из конкретных обстоятельств ковки и штамповки и устанавливают оптимальный интервал темпера­тур. Главным фактором, определяющим температуры начала и конца горячей деформации, является химический состав сплава и его Физические свойства. Ковочные температуры находятся между температурами плавления и интенсивной рекристаллизации сплава. Более низкие температуры относятся к полугорячему, полухолодному и, наконец, холодному деформированию. Обра­ботка давлением при температурах, отвечающих промежутку между линиями солидуса и ликвидуса на диаграммах состояния, носит название штамповки или прокатки металла в период кри­сталлизации.

Для уточнения интервала ковочных температур используют дополнительные сведения о сплаве в условиях ковки. Вблизи температуры плавления сплава находится температура потери его пластичности; несколько ниже этой температуры происходит пере­жог стали, связанный с оплавлением и окислением границ зерен, поэтому ковать или штамповать металл при указанных темпера­турах нельзя. Еще ниже находятся температуры перегрева сплава, который характеризуется значительным ростом зерен. Однако большинство сталей с крупнозернистой структурой поддается ковке (при этом зерна измельчаются), так что максимальная тем­пература ковки или штамповки может находиться и в области температур перегрева, который начинается при температуре кри­тического роста зерна. Например, сталь, содержащая 0,4— 0,45% С, имеет критическую температуру роста зерна 1150° С, однако успешно куют эту сталь при 1200—800° С. Для стали 38ХМЮА и 18ХВА критические температуры составляют 1100 и 1200° С, а ковочные температуры — соответственно 1160—880 и 1200—850° С. Иногда технологи снижают верхнюю границу тем­пературного интервала ковки из-за необходимости уменьшить чрезмерное окалинообразование или обезуглероживание металла. Это снижение более значительно для крупных заготовок, поскольку при их нагреве требуется большое время выдержки в печи. При ковке литого металла (слитков) температура начала ковки может быть немного повышена. Применение ускоренного режима нагрева также позволяет повысить верхний предел температурного ин­тервала, но во всех случаях металл должен выдерживать обжатия, предусмотренные технологическим процессом, без трещинообразования. В начале ковки допускаются небольшие обжатия, поэтому их можно осуществить при температурах, более высоких, чем при последующей ковке с большими обжатиями.

Нижнюю границу температур ковки, штамповки уточнить более сложно. Здесь приходится считаться не только с типом стали (заэвтектоидная или доэвтектоидная), но и с объемом поковок, качеством требуемого металла, наличием или отсутствием терми­ческой обработки поковок, способом их охлаждения (в том числе с использованием ковочной теплоты для термической обработки и т.п.). Важным фактором при установлении ковочных температур являются требования, предъявляемые к механическим свойствам металла с учетом характера эксплуатации детали. Если для данной детали предусмотрена термическая обработка, напри­мер закалка с отпуском, то правильно выбранная температура конца ковки, штамповки (выше точки Аг₃ для среднеуглеродистой доэвтектоидной стали) позволяет использовать ковочную теплоту для последующей термической обработки, это так называемая термомеханическая обработка. Если термическая обработка в виде отжига или нормализации не предусмотрена, то нижний предел интервала ковочных температур ограничивается условиями по­лучения мелкого зерна. Для небольших поковок (массой до 1000 кг) температура конца ковки, штамповки может быть высокой (на 200—300°С выше точки Аг₃) или низкой (вблизи этой точки) в зависимости от режима охлаждения. При высокой температуре конца ковки или штамповки есть опасность получения крупного зерна. Однако в результате ускоренного охлаждения можно полу­чить тонкое строение структуры сплава и соответствующие этому высокие механические свойства. Высокая температура конца обработки способствует повышению некоторых технико-экономи­ческих показателей (повышению производительности, уменьшению расхода энергии на ковку, штамповку). Для поковок с большой массой и не подлежащих термической обработке получение высо­ких механических свойств за счет увеличения скорости их охла­ждения маловероятно из-за трудности в этих условиях ускорить остывание поковок. Определенная комбинация температуры и величины последних обжатий обеспечивает оптимальную струк­туру. Однако сталь, подвергнутая деформации в интервале крити­ческих обжатий (4—12%), после рекристаллизации имеет нежела­тельную крупнозернистую структуру.

Для углеродистых сталей интервалы ковочных температур даны на диаграмме состояния «железо—углерод» (рис. 29). Для низкоуглеродистой стали область ковочных температур совпадает с однофазной аустенитной областью и частично распространяется на двухфазную область межкритических температур, где свобод­ной структурной фазой является феррит. Заэвтектоидные стали куют в аустенитной и в двухфазной областях со структурно сво­бодным цементитом. Ковка, штамповка среднеуглеродистой стали оканчивается выше точки Ar_s, что обеспечивает устойчивую мел­козернистую структуру стали. Для низкоуглеродистой стали (до 0,3% С) допустима более низкая температурная область конца ковки, штамповки (в промежутке между точками Аr₃ и Л/ί), особенно для крупных поковок. При этом окончательный размер зерен меньше, чем при завершении ковки при температуре выше точки Аr₃. Для заэвтектоидной стали, у которой структурно-свободной фазой является хрупкий цементит, температура конца ковки, штамповки должна быть по возможности более низкой, а охлаждение поковок быстрым во избежание образования цементитной сетки при высокой температуре и в конце обработки. Для разрушения цементитной сетки следует оканчивать ковку, штамповку в интервале тем­ператур критических точек Аr_m—Аr₁. В этом случае пе­ред отжигом стали на зер­нистый перлит нет необхо­димости проводить нормали­зацию, отжиг же можно осу­ществить, используя ковоч­ную теплоту. Рекомендации, связанные с окончанием ков­ки и штамповки заэвтектоид-ной стали как можно ближе к точке Ar_l неприемлемы для стали с большим содержанием углерода, у которой вслед­ствие графитизации может появиться такой вид брака, как «черный излом». При построении графика на рис. 29 это обстоя­тельство учтено.

В цеховых условиях интервал ковочных температур иногда уточняют субъективно. Конец штамповки корректируют исходя из стойкости инструмента. Разогретые штампы быстро «садятся» при штамповке остывающей заготовки вследствие значительного увеличения сопротивления деформации. Иногда повышение тем­пературы штамповки вызывается недостаточной мощностью ис­пользуемого оборудования. Руководствоваться подобными сооб­ражениями

допустимо лишь в тех случаях, когда отклонения от оптимального режима не снижают качества поковок.

Рис. 29 Температурные интервалы

к овки и штамповки поковок сечением свыше 70 мм из углеродистой стали:

I - верхний предел при форсирован­ном нагреве; 2 — то же при обычном нагреве для слитков; 5 — то же для прутков и болванок; а, б, г — ниж­ний предел для ковки доэвтектоидной стали; а, б, в — область конца ковки низкоуглеродистой стали; е, д, е — то же для заэвтектоидной стали (масштаб по оси абсцисс — условный)

Как видно из графика на рис. 29, максимальный интервал ковочных температур для низкоуглеродистой стали достигает 600° С, для эвтектоидной — 400—450° С, а для заэвтектоидных сталей — 200—300° С. Для высоколегированной стали этот интер­вал температур еще меньше, и, например, для жаропрочной он составляет 50—100° С, что приближает режим обработки давле­нием к изотермическому режиму.

Для уточнения интервала ковочных температур обычно про­водят следующие лабораторные исследования: выявление пластич­ности стали при осадке до появления первой трещины в пределах ориентировочного интервала ковочных температур; построение кривой изменения ударной вязкости в той же температурной области, с тем чтобы избежать при ковке, штамповке температур, при которых резко падает ударная

Рис. 30. Ориентировочные данные для сни­жения верхнего предела температур ковки в зависимости от коэффициента уковки

вязкость; опре­деление сопротивления деформации при температурах ориентировочного конца ковки, штамповки с тем, чтобы не подвергать рабочий инст­румент перенапряжению; построение графика рекристаллизации металла после обработки металла с различной степенью деформа­ции, для того, чтобы не применять в установленном интервале температур деформаций такой величины, которая вызывает чрез­мерный рост зерна.

Используемый интервал ковочных температур может совпасть с оптимальным интервалом, например, в случае равенства вре­мени t_K, затрачиваемого на ковку, штамповку, и времени t₀ осты­вания стали в интервале ковочных температур при данных усло­виях обработки. Обе эти величины могут значительно изме­няться в зависимости от сложности поковки и темпа работы, за­висящего от степени механизации процесса и быстроходности оборудования. Если t_K < t₀, что чаще бывает при штамповке, то допустимый интервал температур не используется, и технолог решает, за счет какой из температур сократить этот интервал. Нагрев до высоких температур без достаточной проковки металла не обеспечивает необходимого его качества даже за счет регулиро­вания скорости охлаждения, поэтому в подобных случаях, чтобы избежать дополнительной термической обработки, сокращают интервал температур обработки за счет снижения температуры начала процесса (рис. 30). Если t_K> t₀, что чаще бывает при ковке, то куют за два или большее число выносов. При этом уточ­няют ковочные температуры, с тем чтобы на последнем выносе соблюсти рациональный интервал ковочных температур, обеспе­чивающий наилучшее качество поковок.