Изотермическая штамповка точных поковок в условиях динамического разупрочнения

Термин «изотермическое деформирование», получивший распространение у нас в стране и за рубежом, отражает условия процесса, а не температуру металла, которая в процессе деформирования будет повышаться вследствие теплового эффекта деформации. Кроме того, в некоторых случаях целесообразно (как будет показано далее) изначально задавать неодинаковые температуры нагрева заготовки и штампа.

В настоящее время не существует единой классификации процессов обработки металлов давлением, объединенных общим признаком – деформацией в изотермичес­ких условиях, что вносит путаницу в терминологию и определения описываемых процессов.

Классификация относит все процессы высокотемпературного деформирования металла (Т_д > 0,5Т_п) с применением инструмента, нагретого до температуры деформации (или близкой к ней), к изотермическому деформированию. В основе классификации лежат механизмы пластической деформации. Условия их проявления при температурах выше 0,5Т_п определяются скоростью деформации и структурным состоянием металла (размером зерна в сплавах с матричной структурой или размерами частиц фаз в сплавах с дуплексной структурой). Предложенная классификация иллюстрируется схе­мой, которая носит условный характер, так как граница скоростных интерва­лов строго определена быть не может (рис. 3.46).

Рис. 3.46. Области существования процессов изотермического деформирования (Т_д > 0,5Т_п) с различными преобладающими механизмами пластической деформации:

1 - деформирование в условиях динамического разупрочнения:

а - несущественного; б - глубокого; 2 - деформирование в условиях сверхпластич­ности;

3 - деформирование в условиях диффузи­онной ползучести; Т_д - температура деформиро­вания; Т_п - температура плавления; D₃ - размер зерна; ε_i - скорость деформации

Для изготовления штампов, используемых при высоких температурах (1000 °С) для штамповки стали и никелевых сплавов, перспективны сплавы на основе тугоплавких металлов, керамические, металлокерамические материалы. Есть сведения о применении штампов из сплава TZM на основе молибдена, работающих при температуре 1100 °С. Однако при использовании молибденовых сплавов возникают трудности, связанные с интенсивным окислением молибдена при температурах выше 500 °С; поэтому для обеспечения работоспособности штампов необходимы специальные защитные меры. Для штамповки крупных поковок это может быть деформирование в вакууме или нейтральной среде, что требует применения специальных нагревательных установок для изотермического деформирования.

В качестве деформирующего оборудования для изотермической штамповки применяют в большинстве случаев гидравлические прессы.

Процессы изотермического деформирования позволяют получать точные поковки без припусков на механическую обработку или с небольшими припусками, что обусловливает высокие требования к качеству поверхностного слоя поковок. В результате химического взаимодействия металла заготовки с окружающей средой при нагреве под деформацию происходит изменение химического состава поверхностного слоя и, в частности, окисление с образованием окалины. Стеклосмазки, применяемые при изотермическом деформировании, действуют и как защитные покрытия, предохраняя заготовки от взаимодействия с окружающей средой при нагреве, защищая их в большей или меньшей степени от окисления, газонасыщения и обеднения поверхностного слоя легирующими элементами. Защитные свойства стеклопокрытий зависят от их химического состава, вязкости и смачивающей способности, т.е. от способности образовывать на поверхности металла непрерывную пленку.

Основными параметрами, характеризующими термомеханический режим изотермического деформирования, являются величина деформации за одну операцию, скорость деформирования, температура и усилие (рис. 3.47). Он должен обеспечить высокую производительность, удовлетворительную стойкость штампа и сохранение температуры заготовки в заданном диапазоне. Для повышения производительности необходимо увеличить скорость деформирования и величину деформации за одну операцию. Величина деформации определяется принятой в каждом конкретном технологическом процессе схемой деформации (например, при выдавливании), а в некоторых случаях она ограничивается условиями работы технической смазки или иными причинами. С увеличением скорости деформирования при прочих равных условиях менее полно протекают процессы динамического разупрочнения в материале заготовки, в связи с чем возрастает сопротивление деформированию, а, следовательно, растут нагрузки на штамп и величина теплового эффекта деформа­ции, повышающего температуру заготовки и рабочей поверхности штампа.

Нагревательный элемент

V

Заготовка

Штамп

Нагревательный элемент

Рис. 3.47. Схема изотермической штамповки

Есть еще одно обстоятельство, которое следует принимать во внимание при определении оптимальной скорости деформирования. Известно, что износ штампа при изотермической штамповке носит характер продавливания гравюры, возрастающего по мере эксплуатации штампа, т.е. материал штампа работает в режиме ползучести. Удельное усилие при заданной схеме деформации определяется сопротивлением материала заготовки деформированию и при прочих равных условиях возрастает с увеличением скорости деформации. Таким образом, с увеличением скорости, с одной стороны, возрастает нагрузка на штамп, с другой стороны, уменьшается время пребывания штампа под нагрузкой (время штамповки одной поковки). В такой ситуации не исключена возможность существования некоторой оптимальной скорости, соответствующей максимальному числу циклов нагружения (максимальному числу штамповок) до достижения предельно допустимого значения продавливания штампа, т.е. соответствующей максимальной стойкости штампа.

Как уже было сказано выше, при изотермической штамповке поковок из титановых сплавов проблем, связанных со стойкостью штампов, значительно меньше. С применением изотермической штамповки получены поковки лопаток из сплава ВТЗ-1 с припуском по перу 0,3...0,7 мм на сторону. Обжатие пера на изотермической штамповке составляло ~ 1 мм; предварительную штамповку выполняли на винтовом прессе. Следует отметить, что при большой закрутке пера лопатки при изотермической штамповке возникает сдвигающее усилие, которое воспринимается направляющими колонками штампа. Поэтому сечение колонок и расстояние между их осями должны быть достаточно большими. Расход металла при изготовлении лопаток с применением изотермической штамповки на 30...40 % меньше, чем по традиционной технологии.

Как уже отмечено выше, применение изотермической штамповки позволяет значительно уменьшить расход металла. Анализ показывает, что по всем остальным статьям, за исключением расходов на штампы, также имеет место экономия, при этом увеличение расходов на штампы значительно перекрывается общей экономией. Что касается трудоемкости, то в кузнечном цехе она возрастает, но снижение трудоемкос­ти механической обработки поковок, как правило, компенсирует этот рост.

Дополнительная информация приведена в прил. 5.