4. Влияние кузнечной обработки на структуру и механические свойства металла

4.1. Структура металла при ковке и штамповке. Уковка

При ковке слитков протяжкой, как и при прокатке слитков, наблюдаются следующие явления В начальный момент обработки происходит заварка расположенных в глубине слитков газовых пузырей, микропор, некоторых долевых трещин и прочих неплот­ностей при условии, если их поверхность не окислена. В связи с этим происходит некоторое незначительное повышение плотности ме­талла. Затем крупные кристаллиты первичной кристаллизации (дендриты), дробясь, начинают вытягиваться в направлении удли­нения заготовки. Вместе с ними вытягиваются скопления неметал­лических включений, расположившихся при кристаллизации по границам дендритов. По мере вытягивания эти скопления постепенно принимают форму прядей и придают макроструктуре металла вид более или менее ярко выраженного волокнистого строения. При этом направление волокон всегда совпадает с направлением вытяжки.

Процесс образования волокнистого макростроения начинается в средней части слитка, состоящей из равноосных дендритов, затем постепенно он охватывает периферийные слои и заканчивается в зоне столбчатых дендритов. Это объясняется тем, что в указанной зоне дендриты расположены перпендикулярно к направлению вы­тяжки и поэтому требуется большая деформация, чем для получения такой же макроструктуры в центральной зоне.

Степень протяжки обычно характеризуется уковкой, измеряе­мой отношением площадей поперечных сечений слитка — началь­ной F_нач и конечной F_KOH, что равно отношению конечной длины заготовки L_K0H к начальной ее длине L_нач, т. е.

По данным Н.И. Корнеева, средняя часть слитка, которой соот­ветствует зернистая и путано-дендритная зоны кристаллизации, в процессе ковки приобретает волокнистое строение после уковки y=2…3. Столбчатые дендриты после такой уковки только начинают заметно отклоняться от направления, которое они имели в слитке перед ковкой. По мере повышения степени деформации, например до уковки у = 4…6, дендриты этой зоны слитка претерпевают большую деформацию, продолжая оставаться направленными под некоторым углом к его оси. Таким образом, в периферийной зоне сечения стальной заготовки, прокованной с уковкой 4—6, всегда можно наблюдать дендриты, еще не ориентированные в на­правлении течения металла, и лишь после уковки, превышающей 10, кованая сталь приобретает волокнистое строение по всему се­чению.

Если протяжку выполняют постепенно за несколько приемов с получением каких-либо промежуточных размеров поперечного се­чения, то конечная макроструктура получается почти такой же, как при протяжке сразу до конечных размеров, и общая уковка определяется также отношением начальных и конечных размеров или как произведение промежуточных уковок. Например, при про­тяжке за две операции, если в результате первой из них получается площадь поперечного сечения, равная F (при условии F_нач > F > > F_кон), то общая уковка

Для создания требуемой макроструктуры вовсе не обязательно увеличить длину исходного слитка во столько раз, чтобы его удли­нение было равно числу уковки. Можно получить требуемую уковку при меньшем удлинении, если протяжку сочетать с осадкой слитка в направлении его оси для увеличения площади поперечного сече­ния слитка от F_нач до такого значения F > F_нач, чтобы отношение F/F_кон было равно величине требуемой уковки.

Требуемую макроструктуру можно получить при ковке поковок, длина которых равна или даже меньше длины исходного слитка, если осуществить соответствующее количество последовательно вы­полняемых протяжек и осадок. Отметим, что промежуточные зна­чения F могут быть здесь больше F_нач и меньше F_кон. При этом общую уковку следует определять как произведение уковок, по­лучаемых в результате отдельных протяжек не только когда они следуют одна за другой, но и когда они чередуются с осадками.

Степень осадки характеризуется отношением Н_нач/Н_кон или F_кон/F_нач, т. е. величинами, обратными значениям уковки, а степень деформации при осадке

Осадку исходного слитка сопровождают явления несколько иные, чем при протяжке. Прежде всего, наблюдается заварка неко­торых поперечных трещин. Продольные трещины, хорошо заваривае­мые при протяжке, наоборот, раскрываются. Дробление дендритов и измельчение первичной кристаллизации протекает в общем, как при протяжке. Однако зерна начинают вытягиваться с тенденцией к образованию волокон, расположенных радиально, а не в направ­лении осадки. Все это оказывает влияние на конечную макрострук­туру. Специфика влияния осадки и протяжки на изменения структуры исходного литого металла столь заметна, что при ковке слитка с целью получения необходимой деформированной структуры эти операции не могут заменять друг друга. Изменение соотношения между уковкой и степенью осадки также приводит к соответствую­щему изменению конечной макроструктуры.

Произведение у ковки (в том числе общей у ковки) на обратную величину степени осадки (в том числе общей осадки) называют общей деформацией при ковке. Определение общей деформации может оказаться полезным, например, при приближенном расчете суммар­ной работы деформации в течение всего процесса, но отнюдь не для характеристики конечной макроструктуры и механических свойств материала поковки.

Дальнейшая обработка давлением, а также термическая обработка не могут устранить волокнистого макростроения, полученного при начальной ковке (или прокатке) слитка. Последующая ковка и штам­повка приводят лишь к тому, что с изменением внешней формы обра­батываемой заготовки изменяется направление волокон. Волокни­стость может быть устранена только в отдельных случаях (при незна­чительном количестве неметаллических включений) посредством высокотемпературного и очень продолжительного отжига, какой в технологии обработки металлов практически не применяют.

В отличие от этого, микроструктура металла после ковки и штамповки не является окончательной. Для получения окончатель­ной микроструктуры все кованые и штампованные изделия (за редким исключением) подвергают термообработке. При этом желательно, чтобы металл после ковки-штамповки имел более мелкое зерно. Это облегчает его термообработку, особенно крупных поковок, поскольку термообработка последних сложнее. Однако следует иметь в виду, что для сплавов не претерпевающих фазовых превращений при более низких температурах и поэтому не подвергаемых термообработке, обработка давлением является единственным средством измельчения зерен. Особенно в этом случае следует не забывать о росте зерен при нагреве под ковку-штамповку, о том, ^то конечный размер зерна в поковке в известной мере зависит от его размера, полученного к концу нагрева (к началу ковки-штамповки), и о том, что по этой причине нагрева до ковочных температур без последующей горячей деформации вообще допускать не следует. При этом все участки на­гретой заготовки должны быть прокованы. Наконец, не следует забывать, что процесс роста зерен продолжается и после ковки-штамповки (рис. 51). Поэтому ковку-штамповку, как было сказано, следует заканчивать при температурах, по возможности близких к нижнему пределу допускаемых температур ковки.

У углеродистой и обыкновенной легированной сталей скорость рекристаллизации, происходящей при горячей пластической дефор­мации, обычно настолько велика, что она успевает полностью завер­шиться во время деформирования.

Используя диаграммы рекристаллизации обработки, показывающие величину зерна, получающуюся в результате обжатия за один рабочий ход при той или иной температуре, можно определять температуру и величину деформаций, при которых достигается мелкозернистая микрострукту­ра. Эти диаграммы показы­вают, что при каждой темпера­туре деформации (в пределах температурного интервала ковки и штамповки) наблюдаются такие степени деформации (кри­тические), которые обусловли­вают интенсивный рост зерен, и кроме того, показывают, как с изменением температуры сужается или расширяется и перемещается зона этих критических степеней деформации.

Рис. 51. Схема рекристаллизации при ковке (вытяжке) крупных поковок

Из диаграмм рекристаллизации видно, например, что стали целе­сообразно ковать или штамповать при высоких температурах (1000° С и выше) с большими обжатиями (20—30%). Чтобы избежать крупнозернистой структуры, заканчивая обработку стали при 800— 900° С, следует применять обжатия со степенями деформации до 6%, т. е. меньшими, чем критические, или же, наоборот, при степенях, их превышающих.