Способ изготовления поковок типа дисков из высоколегированных жаропрочных сплавов Советский патент 1981 года по МПК B21K1/32 B21J1/04 

I

Изобретение относится к обработке ме,таллов давлением, а именно к способам изготовления поковок типа тел вращения, и может быть использовано при производстве поковок турбинных дисков,дефлекторов, лабиринтов, шайб, шестерен и т.п. деталей из высоколегированных жаропрочных сплавов.

Известны способы изготовления поко - вок турбинных дисков, включающие в себя протяжку конусного слитка, получениего выплавкой в открытых индукционных электрических печах, на плоских бойках, рубку на заготовки, осадку квадратной заготовки с предварительной сбивкой и кругпения, штамповку поковок дис- ком турбины с относительной степенью деформации 30-50% и термообработку СИ и Г2.

Однако большие колебания размеров исходной заготовки приводят в ряде случаев к двойному бочкообразованию, возникновению складок и появлению наружных и внутренних трещин в процессе осадки. Кроме

того, заготовка со сбитыми углами после осадки имеет форму многогранника, что весьма затрудняет укладку ее в штамп при штамповке. В результате имеет место неравномерность течения металла в процессе штамповки, незапопнение фигуры штампа, что может привести и часто приводит к браку.

Известен способ изготовления поковок турбинных дисков, включающий выплавку слитка вакуумно-дуговым переплавом, обг дирку поверхности, рхлаждение слитка, нагрев до ковочной температуры, горягаую протяжку в вырезных бойках, рвз1 на заготовки, осадку и штамповку. Применение способа позволяет изготавливать поковки сложной конфигурации с достаточно высх кими механическими и жаропрочными свсАствами Гз.

Недостатком известного способа явля ется низкое качество поковок ввиду зна- читеяьной разнозернистости, слоистого излома, а также анизотропии механических

38

и жаропрочных свойств по Bceivfy объему металла поковки,

Цель изобретения - повышение качества поковок, а именно повышение механи ческих и жаропрочных свойств металла поковок за счет создания однородной структуры и исключения слоистого излома.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления типа дисков из высоколегированных жаропрочных кикелевыХ сплавов, включающем выплавку слитка вакуумно дуговым переплавом, охлаждение слитка, обдирку его поверхности, нагрев до ковочных температур, протяжку слитка, резку на заготовки и горячую осадку, охлаждение сяитка ведут со скоростью ЗО-бО С/мин, нагрев под протяжку до ковочнь1Х температур ведут со скоростью 8О-90 град/ч и выдерживают при этой температуре 8-12 ч, протяжку слитка производят за три перехода с последовательной ковкой прибыльной, а донной частей со степенью укова на первом и втором переходах 1,4-1,65, на третьем переходе 1,2-1,4, при суммарной степени укова не менее 3, а осадку заготовок производят со степенью деформации 5О- 80%.

Повьпиение температуры деформации до 1160 С и увеличение степени деформации до 50-80% позвол$пот резко снизить разнозернистость при оптимальной величине зерна. Осадка с большими степенями деформации приводит к значительному охлаждающему влиянию инструмента и, как следствие, к увеличению разнозер- йистости. Деформация металла при пониженных степенях (менее 5О%) приводит к неполной проработке структуры, что ведет к возникновению разнозернистости,увеличению анизотропии и снижению механических и жаропрочных свойств, PekrreHo- структурный анализ выявляет ряд закономерностей формирования структуры при различных термомеханических режимах обработки металла. Заготовки, нагретые до 106СГС и деформированные с относительными степенями деформации €- - 40%, имеют значительный наклел металла по всему сечению. Повышение темпера1уры до приводитК наклепу поверхиостных слоев, а в центральной части поковки наряду с деформированными зернами появляются новые, рскристаллизованные, что дает разнозеряистость по сечению. Повышение температуры нагрева заготовок до . 1160С и той же относительной степени деформации (40%) приводит к полному завершедаю рекристаллизационных процес194

сов в центральной зоне поковки, в периферийной зоне эти процессы происходят частично, при этом равнозернистость по сечению поковки также значительна.

Однако достигнуть больших степеней деформации при завершающей операции ковке-осадке, равным образом как и достичь минимальной .разнозернистости и отсутствие слоистого излома, можно только при использовании определенных режимов охлаждения слитка, последующего его нагрева под деформирование и деформирования формирующих в заготовке перед осадкой оптимальную макро- и микроструктуру.

Охлаждение слитка из высоколегированных жаропрочных сплавов со скоростью 30-20 С/мин позволяет получить направленную кристаллизацию вдоль оси слитка. Это имеет значение для последующей деформации слитка, так как создает условия, при которых деформирующее усилие направлено перпенди1сулярно направлению дендритов и не разрушает участки их границ. Расположение кристаллитов вдоль оси слитка дает возмой ность производить деформацию его в начальной стадии с более повышенными степенями деформации, выше критически: степеней, что позволяет существенно снизить не только разно- зернистость, но и слоистый излом деформированного металла уже в начальной стадии процесса обработки давлением слитков из высоколегированных жаропрочных сплавов.

Для снижения слоистого излома в за- пэтовках и поковках следует перевести металл в однофазное состояние. Этому способствует нагрев слитка до температуры деформации со скоростью 80-90 С/ч в сочетании с последующей выдержкой при этой температ ре в течение 8-12 ч. Такая скорость нагрева в сочетании с выдержкой способствует наиболее полному протеканию фазовых превращений и переходу карбидных и нитридных пленочных включений в твердый аустенитный раствор.

Характерным для хромоникелевых жаропрочных сплавов является наличие нит- ридных, карбидных и карбонитридных фаз,

распределяющихся в структуре неравномерно. Наличие нитридных, карбидных и кар- бонитридных фаз связано со значительной ликвидацией легируюших элементов.

Таким образом, в предлагаемом способе скорость нагрева и выдержка лимитированы не временем прогрева слитка и возможностью трещинообразования, как в известном способе, а скогюстью фазовых 58 превращений карбидных и нитрндных пленочных включений. Режимы деформирования при протяжке имеют своей целью дальнейшее совершенствование макроструктуры заготовки. Протяжку ведут за три перехода с последовательной ковкой прибыльной, а зате донной частейза три перехода. Вначале деформируют прибьшьную часть, где величина зерна больше. Степень укова на каждом переходе составляет 1,2-1,65. Деформация с этими степенями укова при ковке слитков в вырезных бойках позволяет полу.чить заготовки без внутренних и наружных разрывов с однородной мел- козернистой макроструктурой и высокими механическими и жаропрочными свойствами. Ковка слитков со степенями укова меньше 1,2 приводит к разнозернистости что связано с попаданием в область критических степеней деформации. Кроме того, из-за высокого сопротивления деформации высоколегированных жаропрочных сплавов ковка с малыми степенями укова не позволяет разбить литую структуру ос ВОЙ зоны слитка. При этом в осевой з не слитка возникают значительные внутренние растягивающие напряжения, под действием которых происходит разрыхление металла, что в конечном итоге приводит к его разрушению. Ковка слитков с высокими степенями укова (более 1,65 ведет к попаданию в область второго мак симума величины зерна, что такж являет ся одной из причин возникновения разнозернистости в поковках из высоколегиро ванных жаропрочных сплавов. Жаропрочные сплавы обладают пониженной пластич ностью, что особенно характерно для литой структуры. Таким образом, при первом переходе производят деформацию со степенями уко- ва 1,4-1,6, что с одной стороны гарантирует ковку за пределами первого максиму ма величины зерна и в то же время дает возможность предупредить образование трешин при первичной обработке литой структуры. Второй переход ведется с максимально возможными степенями укова, т.е. 1,5-1,65 для заготовки, где осевая зона после первого перехода проработана еще не полностью, при этом обеспечивает ся выравнивание величины зерна по сечению заготовки. Наконец, на третьем переходе ковки должна быть обеспечена точность размеров, поэтому протяжку ведут с минимальными степенями укова 1,2 1,4, при которых обеспечивается, тем не 19.6 менее, оптимал11иая величина зерна и минимальная разнозернистость. Три стадии деформирования с указанными степенями укова позволяют вести процесс с достаточно хорошей проработкой всей массы металла с учетом его исходного состо5гаия (лнтое, деформированное), что дает возможность получить равномерно распределенную макроструктуру по всему объему поковки. Полученные таш1М образом заготовки подвергают осадке со степенью-деформации 50-80%, что в сочетании с предварительной протяжкой позволяет получить поковки с однородной структурой и повьпиенными по сравнению с техническими условиями механическими и жаропрочными свойствами. Пример. Изготавливают поковки турбинных дисков из жаропрочного сплава ХН73МБТЮВД (ЭИ698 БД) (выплавка слитка методом вакуумно-дугового переплава). Слиток имеет размеры: Н 1000мм, D 4ОО мм (где Н и D - высота и диаметр кристаллизатора соответственно). Слиток охлаждается в водоохлаждаемом кристаллизаторе со скоростью 30 - В ОС/мин и подвергается обдирке на специальных токарных станках для удаления поверхностных дефектов. Глубина снимаемого .слоя при этом составляет 8-12 мм на сторону. Нагрев под протгокку производят в пламенных печах методического типа. Слиток загружают в печь при температуре не выше 750°С (у окна посадки) и нагревают со скоростью 80-90 с/ч до 116О + + 10 С. При достижении заданной температуры дают технологическую выдержку в течение 8-12 ч для выравнивания темпе- ратуры слитка по сечению. Ковку протяжки слитков диаметром D 400 мм (D 380 4 мм после обдирки) производят на круг диаметром 220мм за три перехода в вырезных радиусных бойках с углом выреза 1О5 . Каждый переход состоит из двух выносов, заключающихся в последовательной ковке прибыльной, а затем донной частей слитка и промежуточных подогревов до температуры деформации после каждого выноса. Схема процесса протяжки следующая. . Первый переход Первь1й BbfHoc; ковка прибыльной части слитка с D 380± 4 мм HaD 310± ± 5 мм, подогрев; второй вынос: ковка донной части слитка с D 3801: 4 мм на D 31О± 5 мм, подогрев; степень укова на первом переходе 1,5. Второй переход Третий вынос: ковка прибыльной части слитка с В 31015 мм на 3) 250±5м подогрев; четвертый вынос ; ковка донной части слитка с 15 3 101 5 мм на 13 250 ±5 мм, подогрев, степень кова на втором переходе 1,5, Третий переход Пятый вынос: ковка прибыльной части слитка cD 25015 мм на D 220±5мм подогрев} шестой вынос: ковка донной чао ти слитка с 15 .25015 мм на D 2201 .1;5 мм, охлаждение на воздухе; степень укова иа третьем переходе -1,3. Суммарная степень укова слитка рав- на . Откованные штанги разрезают на заго товки с отношением размеров ,82,2 для проведения последующего этапа осадки их на шайбы с относительной сте- пенью деформации 5О-8О% и штамповки поковок; турбинных дисков. Осадка произв дится на ковочных молотах с м,п,ч. 5 7 т, штамповка - на штамповочных, паровоздушных молотах с м.п.ч. 16-25 т, Пе ред осадкой и штамповкой заготовки нагреваюо; 4i газовых камерных печах до 116О (+20 -30)С. При этом багеп разнозернистости составляет 1«-2 вме(го 3 - 4 по известному способу, на два балла снижается слоистый излом, резко улучшаются механические свойства. Предел проч I нести металла повышается на 10-12%, величина относительного удлинения и относительного сужения увеличивается в 1,5-2 раза, ударная вязкость возрастает в 2,5-2,7 раза, резко возрастает длительная жарюпрочность, в ряде случаев она достигает 395 ч (при норме 5О ч °ТУ). Наряду с общим повышением механичес ких и жаропрочных свойств повышается их стабильность (нижний предел диапазона показателей свойств повышен на 10-12%). Формула изобретения Спею об изготовления поковок типа дисков из высоколегированных жаропрочных сплавов, включающий выплавку слитка вакуумно-дуговым переплавом, охлаждение слитка, обдирку его поверхности, нагрев до ковочных температур, горячую протяжку слитка; резку его на заготовки и горячую их осадку, отличающийся тем, что, с целью повышения качества поковок, охлаждение слитка ведут со скоростью 30- бО С/мин, нагрев под протяжку до ковочных температур ведут со скоростью 8090 С/ч и вьщерживают при этой темпера- туре 8-12 ч, протяжку спитка производягг за три перехода с последовательной ковкой прибыльной, а затем донной частей со степенью укова на первом и втором переходе 1,4-1,65, на-третьем переходе 1,2- 1,4 при суммарной степени укова не менее 3, а осадку заготовок производят со степенью деформации 5О-8О%. Источни :и информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Казаринов Б. Н. Улучшение технологии ковки слитков весом 700 кг. Инфор- мационный листок. ИБТИ Челябинского Совнархоза, 1962, 2.Юдович С. 3.. Ковка на молотах заготовок из йысоколегированных сталей. М., Машиностроение, 1968, 216с. 3.Казаринов Б. Н., Кузнецов Б. М., Шабуров В. Е. и др. Усовершенствование технологии ковки слитков и штамповки . поковок турбинных дисков из сплава ЭИ437БУ ВД. - Кузнечно-штамповочное производство, 1969, ХЬ 1О, с, 8-9.