4.2 Ковка

Крупные поковки из черных и цветных металлов и сплавов, а также из тугоплавких и радиоактивных металлов изготовляют ковкой. Так масса стальных поковок может быть до сотен тонн. Для наиболее ответственных деталей самых разнообразных отраслей машиностроения заготовками являются поковки. Это колонны мощных гидравлических прессов, котлы высокого давления, реакторы атомных установок, коленчатые валы судовых установок и др. В последние годы область применения ковки расширяется. Это вызвано тем, что применение безокислительного нагрева и создание кузнечного оборудования (радиально-обжимные машины), оснащенного автоматизированным программным управлением, обеспечивают возможность получения высокоточных поковок с хорошим качеством поверхности, а универсальный инструмент (бойки) обеспечивает наивысшую гибкость автоматизированного производства.

4.2.1 Влияние заготовок для ковки на качество поковок

Качество поковок деталей, обеспечивающее требуемые эксплуатационные характеристики, определяется качеством исходных для ковки заготовок и выбором рационального технологического процесса в каждом частном случае.

При обработке давлением, как показано в предыдущем параграфе, од­новременно с внешним формоизменением заготовки протекают внутренние процессы, в результате которых видоизменяются микро- и макростроение заготовки, что, в свою очередь, приводит к изменению механических характеристик, а в некоторых случаях - физических и химический свойств обрабатываемого металла.

Исходной заготовкой для ковки могут быть слитки, сортовой прокат и прессованные прутки.

Внутреннее строение слитка содержит несовершенства, определяемые его металлургической природой, условиями разливки и охлаждения.

Химическая неоднородность или ликвация, наблюдаемая в отдельных дендритах (микронеоднородность) и в зонах слитка: мелкозернистой, столбчатой и дендритной (макронеоднородность), снижают пластичность литого металла.

Чем больше масса слитка, тем больше его химическая неоднородность, так как скорость кристаллизации уменьшается. Процентное содержание углерода в поверхностных слоях слитков стали и в центре изменяется весьма значительно. Так, в слитках углеродистой стали массой 1т разница составляет 10%, а в слитках массой 172т - более 100%.

Для уменьшения химической неоднородности легированных сталей применяют специальные способы выплавки: открытая дуговая плавка, вакуумный и электрошлаковый переплавы, открытая и вакуумная индукционные плавки.

Такие несовершенства литой структуры стального слитка снижают его пластичность. Это учитывают при ковке в начальной ее стадии тем, что назначают степени деформации (относительное сжатие) на первых ходах пресса или ударах молота не более 10%.

В зависимости от величины деформации литая структура может быть частично или полностью превращена в деформированную. Количественной оценкой деформации при ковке приняты уковка и, реже, степень деформации.

4.2.2 Понятие уковки и ее значение для качества поковок

Под уковкой понимают отношение площадей поперечных сечений слитка (заготовки) и поковки после протяжки. Уковка всегда больше единицы. Протяжкой называют технологическую формоизменяющую операцию ковки, в процессе которой происходит удлинение всей заготовки или ее части в результате уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку производят за несколько обжатий на плоских, вырезных или комбинированных (верхний - плоский, нижний - вырезной) бойках. Обжатие по всей длине заготовки называют проходом. После каждого прохода заготовку кантуют (поворачивают на 90° относительно ее оси).

На протяжке происходит формирование микро- и макроструктуры, характерной для кованого деформированного металла. Протяжка способствует устранению внутренних дефектов и улучшает механические характеристики металла в осевом направлении.

Для достижения высоких значений уковки при ковке необходимо чередовать протяжку с осадкой.

При наличии волокнистой структуры механические характеристики проч­ности, ударная вязкость и другие в образцах, вырезанных вдоль волокна, выше, нежели в вырезанных поперек.

При ковке труб специального назначения применяют уковку, равную 4, а в тех случаях, когда необходимы высокие механические характеристики и в первую очередь ударная вязкость, уковка должна достигать 7…9. При ковке поковок бандажей вагонных колес уковка должна быть не меньше 7, а для поковок затворов артиллерийских орудий (необходимо обеспечить высокие механические характеристики прочности и ударную вязкость) уковка составляет 6…8.

Установлено, что у прокованной стали механические характеристики: относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость в поперечном направлении волокон составляют не более 60% от таких же показателей в продольном направлении волокон. При этом, чем больше уковка, тем относительно ниже механические характеристики в поперечном направлении волокон.

Учитывая это обстоятельство, при ковке, например, валов, колонн гидравлических прессов и других ответственных деталей, у которых в процессе эксплуатации напряжения возникают вдоль волокон, уковка должна быть не менее 10.

Что касается прочности на разрыв, то ее значение вдоль и поперек волокна остается примерно одинаковым. Однако предел выносливости образцов углеродистой стали с поперечным расположением волокон на 20% ниже, чем с продольным.

Для хромоникелевой и хромоникельвольфрамовой сталей механические характеристики в направлении поперек волокон повышаются при увеличении уковки до 3…5. При уковках свыше 10 они снижаются. Так, ударная вязкость составляет только 60% по отношению к ударной вязкости в продольном направлении волокон, а относительное сужение площади поперечного сечения - 80%. При повышении уковки до 10 механические характеристики в продольном направлении заметно повышаются. Дальнейшее увеличение уковок их почти не изменяет.

На качество поковок по механическим характеристикам влияют размеры слитка. Так, например, механические характеристики поковок, откованных из стальных слитков массой 45 и 100т, с одной и той же уковкой, равной 5, будут различными (в первом случае выше).

Установлено, что с увеличением уковки сопротивление усталости углеродистых, хромованадиевых и хромоникельвольфрамовых сталей повышается. Однако различие сопротивления усталости в продольном и поперечном направлениях в некоторых случаях достигают почти 30%. При ковке коленчатых валов из мартеновской хромоникельвольфрамовой стали при уковке 5,0…6,5 различия в сопротивлении усталости вдоль волокна и под углом 45° в щеках коленчатого вала не установлено, а в поперечном направлении происходит уменьшение сопротивления усталости на 10%.

Для оценки качества поковок важно знать, каким значениям уковки соответствует та или иная волокнистость структуры. Следовательно, макроструктура прокованной стали может служить в производстве показателем качества. Если в макроструктуре шлифа, вырезанного из поковки в продольном направлении, наряду с ориентированным направлением волокон содержится первичное дендритное строение, то такие поковки относят ко второму сорту.