2. Исходные материалы и их подготовка для ковки, штамповки

Для ковки и горячей штамповки применяют различные деформируемые металлы и сплавы, к числу которых относятся угле­родистые, легированные и высоколегированные стали, жаропрочные, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы.

Деформируемые металлы и сплавы характеризуются относительно высокими пластическими свойствами, которые, в первую очередь, определяются относительным поперечным сужением и относительным удлинением при разрыве и ударной вязкостью в интервале ковочных температур.

Для ковки и горячей штамповки применяют в основном стали углеродистые обыкновенного качества; углеродистые качественные конструкционные; легированные конструкционные, а также высоко­легированные коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие и инструментальные (углеродистые, быстрорежущие, легированные).

Углеродистые стали содержат примеси: марганец от 0,25 до 0,80 %, кремний до 0,35 %, серу до 0,05 %, фосфор не более 0,04 %. К числу легирующих элементов относятся кремний (более 0,35 %), никель, кобальт, марганец, хром, вольфрам, молибден, ванадий и титан.

Углеродистые стали, в зависимости от содержания углерода, подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25—0,60 % С) и высокоуглеродистые (свыше 0,60 % С)

2.1. Слитки, болванки, прутки

В качестве исходного материала для кузнечно-штамповочного производства применяют металлы в виде слитков, проката раз­личных профилей, прессованных прутков и даже жидкий металл. В соответствии с учебной программой в настоящем учебнике пре­имущественно будут рассмотрены стальные материалы.

Для ковки, штамповки используют сталь, получаемую в мар­тенах, конвертерах и электропечах. Для ковки существенное зна­чение имеет способ выплавки стали, в результате которого полу­чают сталь, подразделяемую на спокойную и кипящую. Спокой­ная сталь, раскисляемая полностью до разливки, застывает в плот­ные слитки, с сосредоточенной в прибыльной части (при разливке сверху) усадочной раковиной. Ее отделяют вместе с прибыльной частью слитка в процессе ковки. При разливке кипящей стали раскисление происходит в изложнице, причем, несмотря на бур­ное выделение газов, получаемые слитки имеют большое число пузырей и пустот по всему сечению. Для непосредственной ковки кипящая сталь менее пригодна, так как в слитках из нее трудно обеспечить полную заварку пустот и пузырей в процессе ковки. Однако после прокатки эту сталь применяют для штамповки.

Стальные слитки. В качестве исходного металла слитки при­меняют для ковки в кузнечном производстве. Штамповка литых заготовок имеет незначительное применение в кузнечно-штамповочном и специализированном производствах. Литые заготовки получают не в обычных изложницах, а в формах с конфигурацией, близкой к поковке. Обычные кузнечные слитки отливают сверху в изложницы с полостью, имеющей форму усеченной пирамиды и поперечное сечение шести-, восьми- или двенадцатиугольника. Начали применять слитки и с большим числом граней, вплоть до 24. Форма слитка учитывает условия кристаллизации металла и требования к поковке. В отлитом слитке к нижнему (меньшему) основанию пирамиды примыкает донная, а к верхнему — при­быльная части слитка, составляющие, как уже указывалось, отходы сталелитейного цеха, удаляемые в кузнечном цехе. В табл. 1 приведены некоторые размеры слитков, выплавляемых на заводах Р по различным ведомственным нормалям, мало отличающимся друг от друга.

Как видно из этой таблицы, отходы, приходящиеся на донную часть слитков, не превышают 2—3% (если ограничиваются уда­лением участков /_к). При обрубке донной части по телу слитка отходы увеличиваются до 5—8% (как правило, это относится к легированной стали). Отход на прибыльную часть составляет 18—22%, а для легированной стали в отдельных случаях дости­гает 30% и более. Отношение наибольшей длины L₀, используе­мой для изготовления поковок, к среднему поперечному раз­меру D_cp слитка обычно не превышает 2,5. Размеры слитков, указанные в табл. 4, не являются предельными. Слитки меньших размеров (но не менее 200 кг) чаще применяют для высоколеги­рованных сплавов. Слитки массой более 350 т могут быть исполь­зованы для уникальных изделий. Емкость мартеновских печей (1000 т и

Табл. 1

С тальные слитки

более) обеспечивает получение слитков большой массы без применения слива металла из разных печей.

Однако при ковке таких слитков производство столкнется с определенными трудностями. При ковке на прессе усилием 150 МН максимальный диаметр слитка не должен превышать 3400 мм. В связи с отсутствием крана соответствующей грузо­подъемности можно работать на сдвоенных кранах, но это создает неудобства при выполнении некоторых операций. Известные трудности связаны также с необходимостью переоборудования печного хозяйства для нагрева слитков очень больших масс.

Номенклатура слитков, приведенных в табл. 4, позволяет широкое варьирование их подбором в зависимости от массы и конфигурации поковок.

Удлиненные слитки. В промышленности используют удлиненные слитки с отношением L₀/D_ср= 3…5, если отсутствует осадка или предусмотрена разрубка слитка на части. Здесь прибыльная часть является продолжением пирамидальной формы слитка. Отходы при отделении прибыльной части слитка состав­ляют всего около 12%, а донной части 1—3%. Химический состав металла удлиненных слитков однороднее состава металла обыч­ных слитков, а металл имеет большую плотность за счет меньшего количества пустот и пузырей; это позволяет уменьшить уковку для устранения следов литой структуры при ковке. Из табл. 5 видны преимущества удлиненных слитков перед обычными при их ковке. В отечественной промышленности освоена отливка удлиненных слитков массой до 12 т.

Разновидностью кузнечных слитков являются полые слитки, которые могут быть получены, например, разливкой в изложницы со вставленными в них холодильниками. Этот спо­соб опробован ещё в СССР для слитков массой до 80 т. В изложницу помещают тонкостенную трубу, внешний диаметр которой соот­ветствует диаметру отверстия полого слитка (для 80 т слитка этот диаметр составляет 800 мм, толщина стенки трубы 15 мм).

Табл. 2

Сопоставление показателей для обычных и удлиненных слитков

Масса слитка, т	1 Выход годного, %	Продолжи тельность нагрева перед ковкой, ч	Экономия от применения удлиненных слитков, %
			Топлива	Машинного времени
3,8/2,95 4,2/3,5 7,3/5,8 12,0/10,5	59,8/77,0 64,0/77,0 61,0/77,0 63,2/77,0	12,0/5,5 12,0/5,5 17,5/7,0 19,3/13,0	54 54 60 68	31 25 35 37
П р и м е ч а и и е. Цифры в числителе относятся к обычным, а в знаменателе — к удлиненным слиткам.

Перед заливкой металла в изложницу в трубу вставляются стальные стержни для предотвращения ее расплавления и дефор­мирования. Хорошо себя зарекомендовали стержни секторного сечения, которые прилегают к внутренней стенке трубы, распи­раемые коническими пробками с обоих концов. По окончании заливки изложницы стержни извлекают из трубы, а на их место устанавливают холодильник водяного действия. Внешние раз­меры и форма полого слитка такие же, как и у обычного сплош­ного слитка, исключение составляет несколько меньшая его длина (отношение L_cл„ : D_cp = 1,25). У этих слитков важным условием для кристаллизации является соотношение L_cp : δ ~ 4 (δ — тол­щина стенки полого слитка). Применение полых слитков эф­фективно для поковок с отверстиями, так как устраняется опера­ция прошивки. Нагрев полых слитков может быть менее продолжи­тельным, чем нагрев сплошных слитков, без предварительных выдержек и проходить до более высоких температур. Эти слитки не имеют осевой рыхлости и внецентренной ликвации, за исключе­нием предприбыльной части слитка.

Малоприбыльные слитки получают при подогреве и специальном утеплении надставки в период заливки и остыва­ния стали в изложнице. Металл, находящийся относительно про­должительное время в жидком состоянии, питает небольшую по объему зону усадочной раковины, которая оказывается высоко расположенной. Коэффициент выхода годного при ковке из та­ких слитков достигает 0,84—0,87.

Бесприбыльные слитки получают в обычных излож­ницах с недоливом. Раковина получается небольшой по сечению, но удлиненной, что удобно для полых поковок, у которых сере­дина удаляется прошивкой.

Слитки с повышенной конусностью (до 12° вместо обычных 5°) применяют для укорачивания области, в которой расположена усадочная раковина. Компактная рако­вина получается в результате уменьшения перемещения металла вдоль оси слитка в процессе его остывания.

Увеличенная конусность слитка способствует повышению однородности металла, что приводит к уменьшению разброса показателей механических свойств по сечению слитка.

На УЗТМ отливают слитки массой до 70 т конусностью 12°. На этом же заводе применяют слитки с двойной конусностью корпуса массой до 13 т восьмигранного сечения и крупные слитки с тройной конусностью. Число граней слитка в большой степени обусловлено кристаллизацией ме­талла.

Технологи-кузнецы вынуж­дены приспосабливать условия ков­ки и форму инструмента к данному профилю сечения слитка. В Москов­ском институте стали и сплавов раз­работана конструкция трехлепесткового девятигранного слитка, ко­торый удовлетворяет одновременно требованиям кристаллизации и ковки в вырезных и комбинированных бойках. Основной причиной неоднородности механических свойств по сечению слитка является его химическая неоднородность и, в частности, различное содержание углерода в разных местах слитка.

Рис. 2. Распределение углерода по оси слитка массой