4.2. Влияние ковки на механические свойства

Влияние ковки на механические свойства металла, особенно стали, изучалось рядом исследователей. Для получения сравнимых ре­зультатов необходимо было испытуемые образцы той или иной кова­ной стали и исходной литой подвергать одинаковой термообработке для получения идентичных микроструктур.

Исследования показали, что прочностные характеристики — пределы прочности σ_Β и текучести σ_s, — практически не зависят ни от степени уковки, ни от направления волокон макроструктуры. Вместе с тем, ковка существенно влияет на характеристики пластич­ности (относительное удлинение δ, относительное сужение ψ, удар­ную вязкость а_н и предел выносливости σ_r. Эти характеристики раз­личны и зависят от направления оси образца: вдоль волокон (доле­вые образцы) или поперек волокон (поперечные образцы). У образ­цов вдоль волокон всегда более высокие значения δ, ψ, а_н и σ_r, чем у образцов поперек волокон. Это явление носит название анизотропии или векториальности механических свойств.

На рис. 52 показано, как изменяются механические свойства ме­талла в зависимости от угла между направлением волокон и осью образцов, вырезанных из проката бессемеровской стали, содержа­щей 0,23% С, 0,9% Μn и 3,08% Ni. С увеличением уковки анизо­тропия механических свойств увеличивается и получается больше в центральной зоне и меньше в периферийной зоне кованой или про­катанной заготовки. При этом осадка слитка, осуществляемая перед протяжкой, обычно уменьшает анизотропию.

Рис. 52. Изменения механических свойств стали в зависимости от угла между напра­влением прокатки и осью образца.

Многочисленные исследования показали, что обычно с увеличе­нием уковки σ_в и σ_s практически не изменяются или изменяются в пределах всего от 3 до 5% и реже до 8%. Анизотропия характери­стик δ, ψ, α_н и σ_r вначале (при уковке до 6—10) увеличивается весьма интенсивно, а затем более медленно. Для продольных образцов δ и ψ не изменяются, а для поперечных при уковке до 10 уменьшаются соответственно на 30—40% и 40—45% с тенденцией к последующему, но уже незначительному уменьшению. Значения а_н для продольных образцов либо также не изменяются, либо возрастают, а для попе­речных образцов уменьшаются на 50% и более, так что при уковке более 10 для поперечных образцов а_н может быть в 2—3 раза меньше, чем для продольных. При этом σ_r для продольных образцов увеличи­вается примерно на 7—8%, а для поперечных снижается примерно на 15%. На рис. 53, по данным Н.И. Корнеева и Н.Г. Скугарева, Сказано, как при уковке 2—20 увеличивается анизотропия механических свойств в пери­ферийной зоне кованых за­готовок. При этом сплош­ные линии относятся к продольным, штриховые - к поперечным образцам.

Рис. 53. Влияние уковки на ме­ханические свойства в перифе­рийной части заготовки из хромоникелевольфрамовой стали

4.3. Способы ковки и штамповки в зависимости от формы и назначения поковок

Из изложенного сле­дует, что, во-первых, де­зориентированное макро­строение, которое весьма желательно иметь, напри­мер в кованых кубиках молотовых штампов, может быть обеспечено только при ковке слитков с уковкой не более 4,5. Однако далеко не всегда представляется возможным получить при уковке не более 4,5 поковку более сложной формы, чем кубик. Во-вторых, при ковке слитков с большей уковкой, как и во всех случаях ковки и штамповки пруткового ме­талла, поковки всегда полу­чаются с довольно ярко вы­раженной волокнистой ма­кроструктурой, а следовательно, и с присущей этой структуре анизотропией механических свойств. По­этому, разрабатывая тот или иной технологический процесс ковки или штам­повки, необходимо, с одной стороны, учитывать напра­вление волокон в исходной заготовке, с другой, желательное или может быть необходимое направление этих волокон в поковке и, наконец, подобрать такой метод формоизменения исходной заготовки, при

Р ис. 54. Расположение волокон в болте, полученном штамповкой (а) и обработкой резанием (б)

Рис. 55. Расположение волокон в шестерне при различных способах ковки - штамповки

Рис. 56. Расположение волокон в кованых и штампованных ко­ленчатых валах (линия I-I - расположение осевой части ис­ходной заготовки в готовом из­делии)

осуществлении которого волокна металла этой заготовки, ра; мещаясь в поковке, непременно приняли бы требуемое направленш Поясним это на примерах.

Болт с головкой, полученной высадкой конца заготовки (рис. 54, а), имеет более благоприятную макроструктуру, чем болт, изготовленный из катаного прутка проточкой стержня (рис. 54, б), так как в последнем случае касательные напряжени возникающие в головке при нагружении болта, оказываются направленными вдоль волокон. Здесь следует отметить, что и стержень штампованного болта прочие чем точеного, так как при точении стержня в стружку удаляется наиболее качественный слой, а менее качественная сердцевинная часть прутка остается в изделии.

П ри ковке или штамповке поковок шестерен катаная заготовка (рис. 55а) подвергается осадке в торец. При этом волокна располагаются радиально (рис. 55, б). Далее после ковки заготовки менее качественная ее сердцевина может быть удалена при прошивке в отход (рис. 55, в). При радиальном расположении в поковках волокна остаются благоприятно расположенными в зубьях шестерен и после наре­зания последних (рис. 55, г). Еще лучше располагаются волокна в зубьях, получен­ных штамповкой или накаткой (рис. 55 д), а при штамповке мелких шестерен от прутка на молотах с подкаткой вместо осадки и при расположении заготовки плашмя зубья шестерни получаются разной прочности (рис. 55 е).

Р ис. 57. Расположение наружных и внутренних слоев заготовки в двутавровом сечении поковки

Рис. 58. Макроструктура заплечиков поковки кор­пуса авиавинта

Чтобы при изготовлении поковок бандажей колес, колец шариковых и ролико­вых подшипников и тому подобных поковок получить благоприятное для них тан­генциальное расположение волокон (рис. 55, ж), их заготовки после осадки и про­шивки (рис. 55, в) подвергают раздаче или раскатке. Очевидно, что использование раскатанных поковок для изготовления из них шестерен привело бы к получению зубьев (после их нарезания) низкого качества (рис. 55, з).

При штамповке коленчатых валов гибка заготовок обеспечивает наилучшее расположение волокон по всему валу (рис. 56, а). При ковке таких поковок в единич­ном производстве каждое колено изготовляют обычно в виде пластины (рис. 56, б). Тогда после механической обработки получается не только неудовлетворительное расположение волокон, но и ослабление щек вала выводом на· поверхность изделия сердцевинной части материала заготовки (рис. 56, в). Во избежание этого при мелко­серийном производстве валов на каждом колене отдельно прожимают в простейших штампах выемку (рис. 56, г), чтобы волокна принимали форму колена, как это по­лучается при штамповке.

Поковки с двутавровым сечением в стержневой части следует штамповать с за­усенцем минимального размера (рис. 57, а). В противном случае (рис. 57, б) при выходе сердцевинной части заготовки в заусенец, она после обрезки заусенца ого­ляется (рис. 57, в), что при повышенной загрязненности материала неметалличе­скими включениями может, например, при закалке привести к образованию по линии обрезки трещин вплоть до сквозных.

У заплечиков корпуса авиавинта разъем штампа, выбранный исходя из мини­мальных массы поковки и отхода при механической обработке (рис. 58, а), не прием­лем, так как расположение волокон относительно опасного сечения А—А не обе­спечивает достаточной прочности изделия, как это может быть достигнуто при дру­гом разъеме (рис. 58, б).

Во всех приведенных и других случаях следует учитывать, что при последу­ющей механической обработке, неизбежно связанной с перерезанием волокон и на­рушением цельности волокнистого строения в поковке, снижается качество деталей также и потому, что при этом очень часто удаляется в стружку наиболее ценный слой металла поковки. С этой точки зрения механическая обработка целесообразна лишь при удалении с ее помощью сердцевинной части поковок, например при сверле­нии и расточке центрально расположенных отверстий.

Приведенное указывает на необходимость применять такие технологические приемы и способы ковки-штамповки поковок (с учетом формы и назначения послед­них), при которых можно обеспечить: требуемое для данной поковки расположение в ней волокон; соответствующее распределение в ее теле наружных и внутренних слоев материала заготовки и минимальную механическую обработку поверхностей, получаемых из наружных слоев металла заготовки. При этом таких ковочно-штамповочных операций, как надрубка при ковке, по возможности следует избегать или заменять другими, при которых цельность волокнистого строения поковок не нару­шается.