Способ изготовления поковок из сталей

(51) 21 1/04 (2006.01) 21 5/00 (2006.01) 21 5/02 (2006.01) 21 5/12 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ заготовок из сталей под штамповку с регламентированной структурой. Данный способ включает предварительную деформацию заготовки с относительными подачами 0,6 - 0,8, единичными обжатиями 2030 и углами кантовок 90 - 45 - 30 в плоских бойках при температурах на 300-350 С выше температуры полиморфного превращения. Далее протяжку заготовки осуществляют с относительными подачами 0,5-0,6, единичными обжатиями 10 - 15 и углами кантовок 30 в плоских бойках при температурах ниже Тпп на 20 40 С. Окончательное деформирование производят с относительными подачами 0,4-0,5, углами кантовок 30 , единичными обжатиями 15 - 20 в плоских или комбинированных бойках при температурах выше Тпп на 150 - 200 С.(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Машеков С.А., Тозикова Т.А., Зимаков Е.А.,Дюсекенов С.М. Развитие процессов ковки поковок типа валов. Бюллетень института Черметинформация, 1995, вып. 8, с.19-28, вып. 10,с.3-14.(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК ИЗ СТАЛЕЙ(57) Способ изготовления поковок из сталей относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении поковок и Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении поковок и заготовок из сталей под штамповку с регламентированной структурой. Известны способы изготовления поковок или заготовок из сталей, включающие протяжку заготовок плоскими, комбинированными, вырезными или другими по конфигурации бойков при температурах- области (Ковка и штамповка Справочник в 4-х томах./Под ред. Е.И.Семенова. -М. Машиностроение,1985. -т. 1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка./Под ред. Е.И.Семенова, 1985. с.432). Однако при ковке поковок прямоугольного или круглого сечения плоскими, комбинированными,вырезными или другими по конфигурации бойков могут появиться такие дефекты как трещина и разнозернистая структура, то есть в результате больших сдвиговых деформаций в осевой,поверхностной или других зонах поковки (в зависимости от формы бойков) по диагоналям сечения могут появиться нарушения сплошности металла и разнозернистая структура. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления поковок или заготовок из сталей или сплавов,включающий предварительную,промежуточную и окончательное деформирования в плоских бойках с относительной подачей 0,4 - 0,8,углами кантовки 90, 45, 30, соответственно и единичными обжатиями 15 - 30 при температурах выше температуры полиморфного превращения (Тпп)(Развитие процессов ковки поковок типа валов / С.А. Машеков, Т.А. Тозикова, Е.А. Зимаков,С.М. Дюсекенов //Черная металлургияБюл. института Черметинформация. 1995, Вып. 8. с. 19-28 и Вып. 10. с. 3-14.). Однако такой способ ковки не позволяет равномерно распределять суммарную деформацию по сечению заготовки, что свою очередь не позволяет улучшить качество поковок или заготовок. Это связано с тем, что неравномерное распределение суммарной деформации при протяжке только в области выше температуры полиморфного превращения (Тпп)не приводит к равномерному упрочнению структуры металла, а при последующем нагреве и деформации в структуре металла не проходит первичная рекристаллизация по всему сечению деформируемой заготовки. Все это приводит к разнозернистой структуре, а разнозернистая структура ухудшает качество металла поковок. Технической задачей является получение поковок или заготовок с заданной структурой и механическими свойствами. Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение качества получаемых поковок. Технический результат достигается тем, что в способе изготовления поковок из сталей и сплавов,включающий предварительную деформацию заготовки плоскими бойками, промежуточную протяжку полученной заготовки в комбинированных бойках при последовательном чередовании кантовок на 180 и 90 и окончательном ее деформирования в 2 вырезных бойках, предварительную деформацию заготовки проводят с относительными подачами 0,6 0,8, единичными обжатиями 20 - 30 и углами кантовок 90 - 45 - 30 в плоских бойках при температурах на 300 - 350 С выше температуры полиморфного превращения (Тпп),промежуточную протяжку заготовки осуществляют с относительными подачами 0,5-0,6, единичными обжатиями 10-15 и углами кантовок 30 в плоских бойках при температурах ниже Тпп на 20 - 40 С, а окончательное деформирование - с относительными подачами 0,4-0,5, углами кантовок 30, единичными обжатиями 15-20 в плоских или комбинированных бойках при температурах выше Тпп на 150 - 200 С. Способ осуществляют следующим образом Слиток нагревают до температуры 1150 - 1200 С(выше температуры полиморфного превращенияна 300 - 350 С). Далее производят протяжку слитка в плоских бойках с относительными подачами 0,6 - 0,8, единичными обжатиями 20 - 30 и кантовками на 90 - 45 - 30. После этого полученную заготовку охлаждают на воздухе в течение 2-5 часов (в зависимости от размера заготовки). Затем заготовку нагревают до температуры 820-860 С (ниже температуры полиморфного превращенияна 20 - 40 С) и протягивают в плоских бойках с относительными подачами 0,5 - 0,6, единичными обжатиями 10 - 15 и углами кантовок 30. На окончательном этапе полученную заготовку нагревают до температуры 1000 - 1050 С (выше температуры полиморфного превращения на 150-200 С) и проводят деформирование в плоских или комбинированных бойках с относительными подачами 0,4 - 0,5, углами кантовок 30, единичными обжатиями 15-20. Предварительная протяжка в плоских бойках с относительными подачами 0,6 - 0,8, единичными обжатиями 20 - 30 и углами кантовок 90 - 45 - 30 при температурах на 300 - 350 С выше температуры полиморфного превращенияобеспечивает преимущественное деформирование осевой зоны заготовки, следствием которого является активное прохождение здесь процесса динамической рекристаллизации. В результате в этой зоне формируется мелкозернистая структура, при этом пластические свойства литой стали повышаются. Относительные подачи меньше 0,6 не приводят к преимущественному деформированию осевой зоны заготовки, при этом в данной зоне возникают растягивающие напряжения,приводящие к нарушению сплошности литого металла. Относительные подачи больше 0,8 приводят к локализации деформации по ковочному кресту из-за увеличения трения между деформируемой заготовкой и инструментом. Такая локализация деформации может привести к нарушению сплошности литого материала по ковочному кресту. Протяжка с углами кантовок 90 - 45 - 30 способствуют равномерному распределению деформации в центральных слоях заготовки. Единичные обжатия меньше 20 не приводят к локализации деформации в центральных слоях заготовки, а больше 30 может привести к нарушению сплошности литого металла. Протяжка при температурах выше температуры полиморфного превращения (Тпп)меньше на 300 С может привести к снижению пластичности литого металла и нарушению сплошности материала заготовки, а повышение температуры больше на 350 С от Тпп может привести к перегреву или пережогу зерен материала заготовки. Все это снижает качество получаемой поковки. Протяжка в плоских бойках с относительными подачами 0,5 - 0,6, единичными обжатиями 10 - 15 и углами кантовок 30 при температурах ниже Тпп на 2040 С обеспечивают преимущественное деформирование близлежащей к осевой зоне зон заготовки, следствием которого при последующем нагреве выше температуры полиморфного превращения является активное прохождение в данной зоне процесса статистической рекристаллизации. Протяжка с углами кантовок 30 способствуют равномерному распределению деформации в близлежащих к осевой зоне зонах заготовки. В результате в этих зонах формируется мелкозернистая структура. Относительные подачи меньше 0,5 приводят к возникновению в центральных слоях заготовки растягивающих напряжений,приводящей к разрушению сплошности материала, а также не позволяют преимущественно деформировать близлежащие к осевой зоне зон заготовки. Относительные подачи больше 0,6 не позволяют преимущественно деформировать близлежащие к осевой зоне зон заготовки. Протяжка при температурах ниже температуры Тппна 20 - 40 С с единичными обжатиями меньше 10 вызывают менее активное прохождение рекристаллизации в близлежащей к осевой зоне зонах заготовки, что может привести к сохранению в этих зонах остатков нерекристаллизованной структуры с относительно крупным зерном. Единичные обжатия больше 15 приводят к нарушению сплошности поковок. Протяжка при температурах ниже температуры полиморфного превращениябольше на 40 С приводит к снижению пластичности материала заготовки, приводящей к нарушению сплошности металла. Протяжка при температурах ниже температуры полиморфного превращенияменьше на 20 С не позволяет достичь требуемое упрочнение металла заготовки, из-за чего первичная рекристаллизация в структуре металла не проходит. Дальнейшее деформирование в плоских или комбинированных бойках при температурах выше Тпп на 150 - 200 С с относительными подачами 0,4 - 0,5,углами кантовок 30, единичными обжатиями 15 - 20 способствуют перенесению акцента деформации в поверхностные слои заготовки и прохождению динамической рекристаллизации в этой области с формированием мелкозернистой структуры. Протяжка с углами кантовок 30 способствует равномерному распределению деформации в периферийных слоях заготовки. При относительных подачах меньше 0,4 в центральных слоях появляются по величине большие растягивающие напряжения,приводящие к нарушению сплошности материала заготовки. Относительные подачи больше 0,5 не позволяют преимущественно деформировать периферийные слои заготовки. Единичные обжатия менее 15 не обеспечивают получения требуемой структуры, а единичные обжатия более 20 приводят к снижению производительности. При температурах деформирования выше Тпп меньше на 150 С, динамическая рекристаллизация в заготовке может пройти частично, что может привести к формированию разнозернистой структуры, а при температурах деформирования выше Тпп больше на 200 С может произойти укрупнение рекристаллизованных зерен. Все это ухудшает качество получаемых поковок. Пример в начале исследования предлагаемые режимы деформирования исследовали с помощью компьютерного моделирования. Исследование объемного НДС заготовки в процессе протяжки в плоских и комбинированных бойках с точки зрения математического моделирования является сложным процессом из-за очень большого числа определяющих параметров и неоднозначным характером их влияния. Корректная постановка задачи даже для простых случаев протяжки приводит к системе интегральнодифференциальных уравнений, решить которую аналитически не представляется возможным. Однако в настоящее время для решения подобных задач широко применяется метод конечных элементов,реализованный в программных продуктах конечноэлементного анализа. Построенная впрограмметрехмерная геометрическая модель плоского и комбинированного бойка была импортирована в САЕ программу . и рассчитана степень деформации сдвига или накопленная деформация, а также степень использования ресурса пластичности(СИРП) при многократных кантовках и обжатиях. Результаты расчетов показали следующее 1. При протяжке в плоских бойках с относительными подачами 0,6-0,8 и единичными обжатиями 20 - 30 при температурах на 300 - 350 С выше Тппстепень деформации сдвига локализуется в центральных и в прилегающих к инструменту зонах заготовки, а в поверхностных зонах из-за возникновения силы трения степень деформации сдвига по величине является минимальной 2. При протяжке в плоских бойках с относительными подачами 0,6 - 0,8 и единичными обжатиями 20 - 30 при температурах на 300 - 350 С выше температуры полиморфного превращенияСИРП меньше единицы, то есть нарушения сплошности не ожидается. 3. При протяжке с относительными подачами 0,4 0,5, углами кантовок 30, единичными обжатиями 15 20 в плоских или комбинированных бойках при температурах выше Тпп на 150 - 200 С степень деформации сдвига локализуется на поверхностных зонах заготовки, при этом в центральных слоях деформация имеет минимальную величину 4. При протяжке с относительными подачами 0,4 0,5, углами кантовок 30, единичными обжатиями 15 20 в плоских или комбинированных бойках при температурах выше Тпп на 150 - 200 С СИРП меньше 3 единицы, то есть нарушения сплошности не ожидается. 5. При протяжке с относительными подачами 0,5 0,6, единичными обжатиями 10 - 15 и углами кантовок 30 в плоских бойках при температурах ниже Тпп на 20 - 40 С степень деформации сдвига имеет большое значение на участках близлежащих к осевой зоне заготовки, в то время как в периферийных и центральных зонах заготовки - минимальную величину 6. При протяжке с относительными подачами 0,5 0,6, единичными обжатиями 10 - 15 и углами кантовок 30 в плоских бойках при температурах ниже Тпп на 20 - 40 С СИРП меньше единицы, то есть нарушения сплошности не ожидается. 7. Ковка в плоских и комбинированных бойках приводит к сосредоточению степени деформации сдвига в прилегающих к инструменту зонах поковки 8. Протяжка в плоских или комбинированных бойках по режимам ковки, которые отличаются от вышеописанных температурно-деформационных режимов ковки приводят или к нарушению сплошности металла заготовки, или к не достаточной степени деформации сдвига для прохождения статической или динамической рекристаллизации. Все это может привести к разнозернистости структуры или к нарушению сплошности материала заготовки, что ухудшает качество получаемых поковок. Зона вырезки Направление образца Поверхностная Поперечное Продольное Осевая Поперечное Продольное Вышеописанное распределение деформации при протяжке в комбинированных и плоских бойках позволило разработать технологию ковки стали. В качестве исходной заготовки использовали трехтонные слитки из стали 40 Х. Вначале слитки подвергали протяжке в плоских бойках с относительными подачами 0,6 - 0,8 и единичными обжатиями 20 - 30 и углами кантовок 90 - 45 - 30 на диаметр 350 мм при температуре 1200 С. Полученную заготовку разрезали на три части. Затем заготовку нагревали до 850 С и подвергали протяжке в плоских бойках с углами кантовок 30 и с относительными подачами 0,5 0,6, единичными обжатиями 10-15. Полученные после этого заготовки разрезали на две части и деформировали при температуре 1050 С в плоских или комбинированных бойках с углами кантовок 30, единичными обжатиями 15-20 и относительными подачами 0,4-0,5. После деформирования с каждой поковки отрезались поперечные гемплеты с целью изучения макро- и микроструктуры. Поковка откованная по вышеописанному технологическому режиму имела микроструктура соответствующую 9-10 баллу во всем поперечном сечении. Нарушения сплошности материала поковки не наблюдались. Механические свойства соответствовали требованиям стандарта. Ниже приведены механические свойства поковок. Таким образом, в способе изготовления поковок из сталей достигнуто повышение качества получаемых поковок. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ изготовления поковок из сталей,включающий предварительное, промежуточное и окончательное деформирование в бойках,отличающийся тем,что предварительную деформацию заготовки проводят с относительными подачами 0,6-0,8, единичными обжатиями 20-30 и углами кантовок 90-45-30 в плоских бойках при температурах на 300-350 С выше температуры полиморфного превращения (ТПП),промежуточную протяжку заготовки осуществляют с относительными подачами 0,5-0,6, единичными обжатиями 10-15 и углами кантовок 30 в плоских бойках при температурах ниже Т ПП на 20-40 С, а окончательное деформирование - с относительными подачами 0,4-0,5, углами кантовок 30, единичными обжатиями 15-20 в плоских или комбинированных бойках при температурах выше ТПП на 150-200 С.