Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Структурно-химическая неоднородность в виде зональной и дендритной ликвации, сформировавшаяся в процессе кристаллизации, влияет на свойства металла, в частности на пластичность при горячей деформации.
Низкая технологическая пластичность жаропрочных никелевых сплавов приводит к интенсивному образованию трещин при горячей деформации слитка. На рис. 2.16, а приведен снимок заготовки диска из сплава ЭП742, полученного горячей деформацией осадкой слитка, на котором видны трещины глубиной 30—50 мм.
Совершенствование технологии выплавки крупных слитков (диаметром — 300 мм и высотой — 2000 мм) высоколегированного сплава ЭП742 позволяет улучшить качество слитков и их технологическую пластичность. Заготовка диска, полученная горячей деформацией слитка, выплавленного по усовершенствованной технологии, из предварительно спеченного электрода (СЭ), практически не имеет трещин (рис. 2.16, б).
Формирование более однородной и дисперсной макроструктуры слитков жаропрочных никелевых сплавов характерно для этой усовершенствованной технологии (рис. 2.17).
Неоднородность структуры литого металла в значительной степени наследуется в процессе деформации при изготовлении изделий, что существенным образом влияет на свойства деформированных изделий из высокопрочных никелевых сплавов. Типичные дефекты структуры деформированного металла выявляются при анализе поверхности разрушения — изломов изделий. Волокнистый и полосчатый рельеф, камневидный характер излома обусловлены наследственной структурно-химической неоднородностью металла (рис. 2.18).
Температурно-скоростные условия горячей деформации оказывают решающее влияние на механические свойства и структуру изделий и полуфабрикатов, а также ка производительность процесса деформации. Для оптимального проведения процесса горячей деформации необходимо учитывать не только начальную температуру заготовки, но и изменение ее в ходе деформации.
В зависимости от условий теплопередачи между деформируемым металлом, инструментом, окружающей средой, скорости деформации, свойств прессуемого металла и других факторов реальная температура металла в очаге деформации в процессе прессования может существенно отличаться от заданной при нагреве.
При быстрой деформации тепло в значительной степени аккумулируется в пластической зоне, в результате чего температура металла может резко возрастать, что сопровождается оплавлением.
Повышение эффективности технологии обработки металлов давлением может быть достигнуто при использовании режимов сверх пластической деформации в процессах объемной штамповки, формовки листовых заготовок, различных специализированных процессах формообразования, поскольку это позволяет добиваться существенной экономии металла, повышения КИМ.
В условиях сверхпластичности уменьшаются усилия деформирования сплава и увеличивается его технологическая пластичность.
Особо следует отметить уменьшение или исключение припуска на механическую обработку при производстве «точных» заготовок, уменьшение объема и трудоемкости механической обработки, снижение энергоемкости и усилий при формоизменении, повышение качества готовой продукции.
В общем случае деформация слитка приводит к формированию регламентированной волокнистой макроструктуры, что связано с вытягиванием зерен в направлении деформации растяжения (например, в направлении волочения или прокатки).
Для уменьшения сопротивления пластической деформации применяют нагрев до возможно более высокой температуры. Однако необходимо принимать во внимание процессы окисления металла, роста зерен и оплавления ликватов, протекающие при высоких температурах.
При горячей обработке давлением литого металла необходимо учитывать исходную дендритную неоднородность слитка. Перегрев металла может привести к интенсивному зернограничному окислению и даже к «осевому пережогу», поэтому верхнюю температуру нагрева слитка приходится ограничивать.
В связи с этим сплавы со значительной химической неоднородностью не подвергают высокому нагреву из-за опасности оплавления межосных участков. Оптимальная температура деформации зависит от состава сплава и технологии его производства. Таким образом, пластичность высоколегированных сплавов при горячей обработке давлением понижается из-за ограничения температуры нагрева под деформацию, а также наличия нерастворимых фаз эвтектического характера в межосных участках.
Легирование сплавов с целью повышения характеристик прочности, жаропрочности, малоцикловой усталости и др. достигло такого уровня, что по причине очень низкой пластичности и узкого диапазона температур деформации слитков их можно деформировать только при значительном усложнении технологии, что оказывается экономически невыгодным.
При нагреве слитков жаропрочных сплавов на основе никеля перед деформацией и в процессе горячей деформации характер ликвации, как и при термической обработке, практически не меняется, Однако в этих сплавах возможна реализация состояния сверхпластичности при наличии ультрамелкозернистой структуры исходных заготовок и регламентации температурно-скоростного режима сверхпластической деформации. Но для осуществления горячей деформации в условиях автоматического регулирования температурно-скоростных параметров требуется дорогостоящее оборудование.
Температурный интервал деформации при этом ограничен температурами начала рекристаллизации (0.47 Тпл) и развития собирательной рекристаллизации (0,8—0,9 Тпл); оптимальный интервал скоростей деформации для большинства металлов и сплавов составляет 10в-5—10в-2 с-1. В настоящее время известно множество металлов и сплавов, а также интерметаллидов, керамических и композиционных материалов, проявляющих эффект сверхпластичности. Следует отметить, что сверхпластическое поведение возможно при скоростях деформации, существенно превышающих скорости деформации, характерные для традиционных процессов обработки давлением металлов, например алюминиевых и медных сплавов. Рекордное удлинение 1250 % при скорости деформации 50 с-1 и температуре 525 °С получено у механически легированного алюминиевого сплава IN9021 (Аl — 4 %, Сu — 1,5 % , Мg — 1,1 %, Сr — 0,8 %).
Существуют две группы процессов горячей деформации, в которых используется сверхпластичность: принципиально новые процессы формообразования, реализация которых возможна лишь благодаря особенностям сверхпластической деформации, и традиционные процессы (в основном объемная изотермическая штамповка), где сверхпластичность используется для повышения их эффективности.
Процессы сверхпластической формовки листовых заготовок, термоупругой штамповки тонкостенных оболочек с оребрением и объемной штамповки изделий сложной формы многоканальным выдавливанием в закрытые полости позволяют в несколько раз увеличить КИМ, снизить трудоемкость производства, повысить качество готовых изделий.
Традиционная технология получения таких изделий механическим, химическим или электрохимическим фрезерованием приводит к потере в отход от 80 до 95% металла заготовки.
Отмеченные выше особенности горячей деформации сверхпластичных материалов позволяют расширить возможности точной изотермической объемной штамповки деталей сложной формы, добиваясь при этом снижения до минимума отходов металла, уменьшения усилия штамповки, затрат энергии на процесс деформации, снижения трудоемкости производства, повышения качества продукции.
Точная объемная штамповка представляет собой процесс получения деформированием в штампе детали без припуска на механическую обработку. Сверхпластичность целесообразно использовать также при штамповке тонкостенных деталей сложной формы с развитой поверхностью.
Наибольший эффект использования сверхпластнчности достигается при штамповке крупногабаритных изделий сложной формы с развитой поверхностью, особенно в случае труднодеформируемых материалов, обладающих повышенным сопротивлением деформации.
Например, крупногабаритную тонкостенную панель из магниевого сплава МА2-1 с лучевым оребрением, штампуемую в обычных условиях на прессах усилием 500—750 МН, в режиме сверхпластичности деформируют с усилием 120 МН.
Получение деформированных заготовок, максимально приближенных по форме и массе к готовым деталям, остается важнейшим направлением эффективного использования высокопрочных сплавов на основе титана, алюминия. В нашей стране и за рубежом нашли широкое применение такие методы производства точных заготовок, как изотермическая штамповка, изготовление тонкостенных калиброванных, полых, законцовочных профилей, тонкостенных труб, квадратных, шестигранных прутков, прецизионных кольцевых заготовок и др.
Анализ пластичности жаропрочных никелевых сплавов показывает, что температурный интервал горячей обработки давлением зависит от количества упрочняющей У -фазы и составляет 100 °С для сплавов ЭИ437, ЭИ617 с относительно малым содержанием γ-фазы и 20—30 °С для высоколегированных сплавов типа ЖС6КП, ЭП220 с содержанием γ-фазы, достигающим 50 %.
Горячую деформацию дисперсионно-твердеющих сплавов с небольшим количеством упрочняющей фазы осуществляют в однофазной области, когда упрочняющий эффект выделений этой фазы устраняется.
Однако в высоколегированных жаропрочных сплавах однофазное состояние практически отсутствует, поэтому большое значение имеет повышение их технологической пластичности при изотермической штамповке и при деформации в сверхпластичном состоянии.
При изотермической штамповке без предварительной подготовки структуры отмечается весьма ограниченная пластичность сложнолегированных никелевых сплавов из-за их гетерогенной структуры с дисперсными выделениями карбидных и интерметаллидных фаз. Эти фазы блокируют деформацию скольжения внутри зерен и на их границах. Поэтому процессы скольжения в таких сплавах значительно заторможены, материал быстро упрочняется и деформация его затруднена.