СПОСОБ ТЕРМОУПРАВЛЯЕМОЙ КОВКИ Российский патент 1996 года по МПК B21J1/04 B21K1/32 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при получении ковкой сплошных и полых поковок из слитков и проката различных материалов и сплавов.

Известен способ получения поковок со сквозной полостью (заявка Японии N 60-148641, кл. В 21 К 21/06, 1985), который включает нагрев сплошной заготовки и ее деформирование в два этапа, на первом из которых заготовку прошивают путем сквозного внедрения в нее со стороны торца технологического вкладыша (прошивня), а на втором этапе после удаления вкладыша из промежуточной поковки стенки ее деформируют бойком молота на оправке. Этот известный способ получения полых поковок характеризуется хорошей проработкой металла вблизи наружной поверхности.

Недостатком же этого способа является наличие в теле заготовки при ее ковки градиента температуры из-за самопроизвольного охлаждения заготовки с поверхности. Более медленное охлаждение металла в центральной части поковки вызывает в этой области рост зерна и выделение в межзеренном пространстве избыточной хрупкой фазы. Это приводит к разнородности структуры и механических свойств металла по всему объему поковки с понижением последних по направлению от периферии к ее центру.

Известен способ получения поковок со сквозной полостью (авт.св. СССР N 685407, кл. В 21 К 1/38, В 21 J 5/00, В 21 J 13/02, 1977), включающий нагрев сплошной заготовки и ее деформирование в два этапа. На первом из них заготовку прошивают путем сквозного внедрения в нее со стороны торца технологического вкладыша, а на втором после удаления вкладыша из промежуточной поковки стенки ее деформируют бойком молота на оправке, чередуя ковку на профилированном и на гладком участках ее.

Этот известный способ характеризуется получением мелкозернистой структуры металла только со стороны поверхности канала, но не лишен недостатка, связанного с образующимся естественным образом градиентом температуры в объеме промежуточной поковки, вследствие чего металл в окончательной поковке характеризуется разнородными структурой и механическими свойствами.

Известен также способ получения cплошных поковок, который по технической сущности и количеству общих признаков наиболее близок к предлагаемому способу и принят за прототип. Способ включает нагрев слитка и его деформирование до требуемых размеров в два этапа. На первом из них слиток деформируют на глубину дефектной зоны путем вдавливания технологического вкладыша (конуса) по оси слитка со стороны донной части, а на втором, после удаления вкладыша из промежуточной поковки, осуществляют ее осадку до получения окончательной поковки с требуемыми размерами. Данный известный способ исключает заков в тело поковки осевой дефектной зоны донной части слитка. Вместе с тем, способ не устраняет различие температуры на поверхности и в центре поковки и обусловленную этим неоднородность структуры и механических свойств в объеме поковки.

Таким образом, в известных способах не обращено внимание на устранение градиента температуры в металле заготовки при ее ковке, а все усилия, направлены на поиск путей нейтрализации последствий негативного влияния этого фактора.

Цель изобретения создания в теле заготовки при ее деформировании таких термомеханических условий, при которых бы достигалось получение однородной мелкозернистой структуры и одинаковых повышенных механических свойств металла во всем объеме окончательной поковки.

Цель достигается тем, что по способу термоуправляемой ковки деформирование заготовки ведут, по меньшей мере, в две стадии, в каждой из которых на первом этапе поочередное внедрение одного или нескольких вкладышей с рабочей частью разных размеров производят в противоположные торцы, а на втором этапе осадку промежуточной заготовки чередуют с последовательным извлечением вкладышей, при этом вкладыши делают предпочтительно с полостью, например, для охлаждающего вещества и с формой рабочего торца, обращенного в сторону заготовки, преимущественно сферической.

Внедрение относительно холодных вкладышей в нагретую заготовку с обоих торцов имеет целью двухсторонний симметричный теплоотвод из центральной области промежуточной поковки для создания перед ее осаживанием, по крайней мере, квазиравномерного теплового поля во всем ее объеме. При определенных условиях достижимо получение даже обратного естественному градиенту температуры, когда температура в центре поковки ниже температуры наружных ее слоев, а возрастание общего числа этапов термомеханического воздействия на заготовку при увеличении количества циклов улучшает структуру металла, делая ее более однородной и мелкозернистой.

При получении полой поковки первый этап последней стадии включает формирование сквозной полости в промежуточной поковке путем внедрения в нее технологического вкладыша в виде прошивня с последующим его удалением.

В случае, если температура промежуточной поковки в процессе ковки снизится настолько, что выйдет из интервала ковочных температур, поковку подогревают, после чего ковку продолжают.

При проведении ковки необходимо своевременно удалять вкладыши из поковки, не допуская их прогрева до температуры рекристаллизации металла вкладышей, в противном случае будет трудно осуществить выем их из поковки.

Таким образом, предлагаемое техническое решение за счет увеличения общего числа этапов термомеханического воздействия на заготовку и двухстороннего теплоотвода из центральной части ее во внедренные с обоих торцов технологические вкладыши позволяет, в отличие от известных способов ковки, создать в объеме поковки квазиравномерное тепловое поле, увеличить скорость охлаждения металла и, как следствие обеспечить формирование в нем мелкозернистой однородной структуры с повышенными механическими свойствами.

На фиг. 1 изображена исходная заготовка с расположенным на ее верхнем торце первым технологическим вкладышем; на фиг. 2 промежуточная поковка с внедренным первым технологическим вкладышем; на фиг. 3 перевернутая промежуточная поковка с первым внедренным и вторым на другом ее торце; на фиг. 4 промежуточная поковка с двумя внедренными вкладышами; на фиг. 5 перевернутая в исходное положение промежуточная поковка после удаления первого вкладыша; на фиг. 6 промежуточная поковка со вторым внедренным вкладышем после ее первого осаживания; на фиг. 7 перевернутая промежуточная поковка после удаления второго вкладыша; на фиг. 8 промежуточная поковка без вкладышей после ее второго осаживания; на фиг. 9 промежуточная поковка с расположенным на ее торце технологическим вкладышем; на фиг. 10 промежуточная поковка с внедренным на всю ее толщину вкладышем; на фиг. 11 окончательная полая поковка; на фиг. 12 промежуточная поковка с первым внедренным вкладышем на одном ее торце и вторым на другом; на фиг. 13 промежуточная поковка с удаленным первым вкладышем; на фиг. 14 промежуточная поковка с двумя внедренными вторыми вкладышами.

Применение предлагаемого способа для изготовления сплошной поковки осуществляют следующим образом.

Исходную заготовку 1 нагревают до ковочной температуры и устанавливают на нижний кузнечный боек 2 (фиг.1). При этом в материале заготовки 1 имеет место градиент температуры. В первом цикле деформирования в заготовку 1 со стороны обоих ее торцов поочередно внедряют два технологических вкладыша 3А и 3Б с получением соответственно промежуточных поковок 1А (фиг.1 и 2) и 1Б (фиг.3 и 4). Внедренные относительно холодные вкладыши аккумулируют тепло из центральной части нагретой заготовки, обеспечивая достижение в объеме промежуточной поковки квазиоднородного теплового поля.

Далее прогретые вкладыши 3А и 3Б поочередно удаляют с получением промежуточных поковок 1В (фиг.5) и 1Д (фиг.7). Осаживание промежуточной поковки после выема каждого из вкладышей обеспечивает получение соответственно промежуточной поковки 1Г (фиг.6) и промежуточной (окончательной на последней стадии ковки) поковки 1Е (фиг.8). Эта операция завершает первую стадию ковки сплошной поковки. На второй и последующих стадиях ковки с промежуточной поковкой 1Е поступают так же, как с исходной заготовкой 1 в первом цикле, повторяя в той же последовательности все операции, указанные на фиг.1-8.

В случае изготовления полой поковки последняя стадия включает на первом этапе операцию формирования сквозной полости в промежуточной поковке 1Е. Эту операцию осуществляют следующим образом. На верхний торец промежуточной поковки 1Е устанавливают технологический вкладыш- прошивень 3В (фиг.9), который верхним бойком молота внедряют на всю толщину поковки. В результате получают промежуточную поковку 1Ж с внедренным соответственно на всю ее толщину вкладышем 3В (фиг. 10). После удаления вкладыша 3В из промежуточной поковки 1Ж получают окончательную поковку 1К со сквозным отверстием (фиг.11). Что касается устройства вкладышей, то внутри их целесообразно изготавливать полость, например, для охлаждающего вещества 4 (фиг.12), а форму торца, обращенного в сторону заготовки, для повышения работоспособности и ресурса вкладыша желательно иметь сферической (фиг.12-14). В качестве охлаждающего вещества могут применяться, в частности, металлы с повышенными относительно стали теплопроводностью и теплоемкостью, а также сплавы с температурой плавления, меньшей температуры рекристаллизации материала вкладыша. Последний случай с точки зрения эффективности теплоотвода более перспективен, особенно при использовании сплавов с высоким значением теплоты плавления, однако, предполагает, чтобы полость во вкладыше для охлаждающего вещества была герметичной. Кроме того, применяя на последнем цикле деформации соответствующие комбинации из рассмотренных выше технологических операций и вкладыши со специальной формой рабочей части, можно получить окончательную поковку о ступенчатой сквозной полостью, а также поковки с некруглыми полостями, включая случай асимметричного их расположения.

П р и м е р 1. Для получения сплошной поковки взята цилиндрическая заготовка из стали 40Х диаметром 80 мм и высотой 100 мм, полученная механической резкой пруткового проката. Были изготовлены три комплекта технологических вкладышей по два одинаковых в каждом комплекте, но различающихся в разных комплектах, в виде усеченного конуса с углом при вершине 120^о (см. табл.1).

Заготовку нагревали до 1250^оС в электропечи. Контроль нагрева производили платино-родиевой термопарой и прибором КВП-503. Ковку проводили на молоте с массой падающих частей 1 т.

Нагретую заготовку 1 установили на нижний боек 2 молота, а на ее верхнем торце по оси положили первый технологический вкладыш 3А (фиг.1) из комплекта 1 и ударом верхнего бойка молота внедрили его в заготовку 1 (фиг.2). После того перевернули промежуточную поковку 1А и на ее нижний торец, оказавшийся теперь вверху, по оси установили второй технологический вкладыш 3Б (фиг.3). Ударом верхнего бойка молота его также внедрили в поковку (фиг.4) и затем полученную промежуточную поковку 1Б перевернули в исходное положение верхним торцом вверх.

После прогрева вкладыша 3А до 720^оС его удалили из промежуточной поковки 1В (фиг.5) и ударами верхнего бойка молота осадили ее до высоты 85 мм (фиг. 6). Полученную промежуточную поковку 1В перевернули нижним торцом вверх и после прогрева вкладыша 3Б до 720^оС его удалили из промежуточной поковки 1Д (фиг. 7). Затем ударами верхнего бойка поковку 1Д осадили до высоты 70 мм и получили промежуточную поковку 1Е (фиг.8). На этом первый цикл ковки был завершен.

После подогрева остывшей промежуточной поковки 1Е в электропечи до 1220^оС ее установили на нижний боек 2 молота и начали второй цикл ковки, включающий те же технологические операции и в той же последовательности, что и в первом цикле, с тем отличием, что применяли технологические вкладыши из второго комплекта. В этом цикле промежуточную поковку 1В (фиг.5) после удаления из нее прогретого до 700^оС первого из двух вкладышей этого комплекта осадили до высоты 58 мм, а промежуточную поковку 1Д (фиг.7) после удаления второго из них до высоты 46 м. Полученную на этом цикле промежуточную поковку 1Е (фиг. 8) опять подогрели в электропечи до 1220^оС, установили на нижний боек 2 молота и начали третий цикл ковки по содержанию и последовательности технологических операций, аналогичный двум предыдущим. При этом технологические вкладыши применяли из комплекта 3. В этом цикле промежуточную поковку 1В (фиг.5) после удаления из нее прогретого до 680^оС первого из двух вкладышей осадили до высоты 36 мм, а промежуточную поковку 1Д (фиг. 7) после удаления из нее второго вкладыша до требуемой высоты 22 мм.

Полученную окончательную поковку 1Е (фиг.8) закалили в масле при 850^оС и сделали отпуск при 500^оС. Из нее изготовили стандартные образцы, испытания которых показали следующие механические свойства металла поковки: σ_0,2 168 МПа; σ_в 190 МПа; δ 2% ψ 65% KCU 14 Дж/см². Металлографический анализ стали выявил однородную мелкозернистую структуру по всему объему поковки.

П р и м е р 2. Для получения поковки со сквозной полостью квадратного сечения взята цилиндрическая сплошная заготовка из стали 40Х диаметром 80 мм, высотой 75 мм, полученная механической резкой пруткового проката. Были изготовлены три комплекта технологических вкладышей, в двух из которых было по два одинаковых вкладыша в виде шарового сегмента, различающихся размерами, а третий включал вкладыш-прошивень (см.табл.2).

Заготовку 1 нагревали до 1250^оС в электропечи. Контроль нагрева производят платино-родиевой термопарой и прибором КВП-503. Нагpев до данной температуры обеспечивает полное растворение легирующих элементов в стали. Ковку осуществляли на молоте с массой падающих частей 1 т.

В первом цикле ковки нагретую заготовку 1 установили на нижний боек 2 молота, а на ее верхний торец по оси технологический вкладыш 3А (фиг.1) из первого комплекта и ударом верхнего бойка молота внедрили его в заготовку 1 (фиг. 2). После этого перевернули промежуточную поковку 1А и на ее нижний торец, оказавшийся вверху, по оси установили второй технологический вкладыш 3Б (фиг.3) из того же комплекта. Ударом верхнего бойка молота его также внедрили в заготовку (фиг.4) и затем перевернули полученную промежуточную поковку 1Б в исходное положение верхним торцом вверх. На этом завершился первый этап ковки.

После прогрева вкладыша 3А до 700^оС его удалили из промежуточной поковки 1В (фиг. 5) и ударами верхнего бойка осадили до высоты 65 мм (фиг.6). Полученную промежуточную поковку 1Г перевеpнули нижним основанием вверх и после достижения температуры вкладыша 3Б, равной 700^оС, вкладыш удалили из промежуточной поковки 1Д (фиг. 7). Затем ударами верхнего бойка молота поковку осадили до высоты 55 мм и получили промежуточную поковку 1Е (фиг.8). Этим завершился первый цикл ковки.

Второй цикл ковки провели аналогично первому с вкладышами комплекта 2. Первую осадку промежуточной поковки во втором этапе этой стадии выполнили, доведя ее высоту до 40 мм, а вторую до 25 мм.

Для формирования в полученной промежуточной поковке 1Е (фиг.8) сквозной полости дополнительно выполнили завершающий полуцикл деформирования, используя технологический вкладыш-прошивень 3В (фиг.9) рабочей частью квадратного сечения 50х50 мм. Вкладыш 3В внедрили в промежуточную поковку на всю ее высоту (фиг. 10), а после полного извлечения и осадки полуфабриката получили окончательную полую поковку 1К (фиг.11).

Окончательную поковку закалили в масле при температуре 850^оС, сделали отпуск ее при 500^оС и изготовили стандартные образцы, испытания которых показали следующие механические свойства металла: σ_0,2 1260 МПа; σ_в 1500 МПа; δ 15% KCU10 Дж/см².

Анализ металла выявил однородную мелкозернистую структуру стали по всему объему поковки.

П р и м е р 3. Для получения сплошной поковки взята цилиндрическая литая заготовка из стали УЗА диаметром 80 мм и высотой 60 мм, полученная механической обработкой слитка. Был изготовлен из стали ХВГ комплект из двух пар технологических вкладышей. Одинаковые вкладыши первой пары в виде усеченного конуса имели угол при вершине 60^о, высоту 18 мм и диаметр малого основания 10 мм. Вкладыши второй пары в виде цилиндра с одним торцом сферической формы, а другим плоским имели со стороны плоского торца цилиндрическую полость, полностью заполненную охлаждающим веществом в виде меди, имеющей высокую теплопроводность. Размеры этих вкладышей были: наружный диаметр 80 мм, высота сегмента сферы 18 мм, радиус сферы 55 мм, общая высота 40 мм, диаметр и высота полости соответственно 40 и 20 мм.

Заготовку 1 нагрели до температуры 1180^оС в электропечи и установили на нижний боек 2 молота. В ее верхний торец ударом верхнего бойка внедрили вкладыш 3А из первой пары (фиг.1 и 2), а после кантовки на 180^о аналогичным образом внедрили в другой торец второй вкладыш (3Б) из той же пары (фиг.3 и 4). После этого промежуточную поковку 1Б перевернули в исходное положение и после прогрева вкладыша 3А до температуры 750^оС его извлекли (фиг.5), а в образовавшуюся выемку соосно внедрили на глубину 18 мм первый технологический вкладыш 3Г из второй пары (фиг.12). После кантовки промежуточной поковки 1Л на 180^о из нее извлекли прогретый до 750^оС второй вкладыш 3Б из первой пары (фиг.13), а в образовавшуюся выемку внедрили второй вкладыш 3Д из второй пары (фиг.14) и перевернули промежуточную поковку 1М в исходное положение. После прогрева вкладыша 3Г до 750^оС его извлекли из поковки по схеме фиг.5 и ударами верхнего бойка молота поковку осадили до высоты 42 мм по схеме фиг.6. Полученную промежуточную поковку перевернули нижним торцом вверх и после прогрева вкладыша 3Д до 750^оС его извлекли по схеме фиг.7. Затем ударами верхнего бойка молота поковку осадили до требуемой высоты 20 мм по схеме фиг.8. Этим завершилась стадия ковки с получением окончательной поковки, после охлаждения которой на воздухе, из нее изготовили стандартные образцы. Испытания их показали следующие механические свойства металла: σ_0,2 1280 МПа, σ_в 1470 МПа; δ 19% ψ 54% KCU 9 Дж/см². Анализ микроструктуры стали по всему объему поковки выявил равномерную мелкозернистую структуру.

Таким образом, изобретение позволяет за счет применения новой схемы ковки осуществить отвод тепла из центральной части заготовки, обеспечивающий однородное тепловое поле и более высокую скорость охлаждения металла, и на этой основе достичь мелкозернистости структуры и повышенных механических свойств по всему объему поковки без дополнительного легирования стали.

Сущность изобретения: деформирование заготовки осуществляют, по меньшей мере, в две стадии. В каждой стадии на первом этапе производят поочередное внедрение технологических вкладышей в противоположные торцы заготовки. Рабочая часть вкладышей имеет разные размеры. На втором этапе чередуют осадку заготовки с последовательным извлечением вкладышей. Вкладыши выполняют с полостью для размещения, например, охлаждающего вещества. Рабочий торец вкладышей имеет преимущественно сферическую форму. 14 ил., 2 табл.

СПОСОБ ТЕРМОУПРАВЛЯЕМОЙ КОВКИ, включающий нагрев сплошной заготовки и стадию ее деформирования, состоящую из двух этапов, на первом из которых в заготовку со стороны торца поочередно внедряют технологический вкладыш, а на втором после удаления последнего вкладыша осуществляют осадку полученной на первом этапе промежуточной поковки, отличающийся тем, что деформирование заготовки осуществляют по меньшей мере в две стадии, в каждой из которых на первом этапе поочередное внедрение вкладыша или нескольких вкладышей с рабочей частью разных размеров производят в противоположные торцы, а на втором этапе осадку промежуточной заготовки чередуют с последовательным извлечением вкладышей, при этом вкладыши выполняют с полостью для размещения, например, охлаждающего вещества и предпочтительно со сферической формой рабочего торца.