Способ изготовления поковки из слитка
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в металлургической и машиностроительной промышленности при изготовлении поковок и заготовок из слитков. Производят чередование операций нагрева и деформации слитка с отклонением осей первого порядка дендритов в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали. Отклонение осей первого порядка дендритов слитка осуществляют со степенью деформации ε=0,5-0,7 во всем объеме поковки. В результате обеспечивается оптимальный уровень физико-механических свойств. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в металлургической и машиностроительной промышленности при изготовлении поковок и заготовок из слитков.
Известны способы изготовления поковки (валов, пластин, дисков, обечаек и др.) из слитка, включающие удаление в отход дефектных прибыльной и донной частей слитка и последующую ковку заготовки на окончательные размеры поковки (см. кн. Ковка слитков на прессах/ Л.Н.Соколов, Н.М.Золотухин, В.Н.Ефимов и др. /Под ред. Л.Н.Соколова. - Киев.: Технiка, 1984. - С.24-39).
Недостатком указанных способов является то, что при таком изготовлении не достигается оптимальный уровень физико-механических свойств (вязкости разрушения) и структуры обрабатываемого материала в направлении действия максимальных рабочих напряжений в готовой детали.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления поковки из слитка, включающий чередование операций нагрева и деформации последнего с отклонением осей первого порядка дендритов слитка в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали (а.с. СССР №1747227, МКИ B21J 5/00, 1/04/ А.К.Онищенко и А.Б.Караев. Опубл. 15.07.92., Бюл. №26).
Недостатком указанного способа является отсутствие конкретных данных по параметрам процесса деформации слитка.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является обеспечение оптимального уровня физико-механических свойств (в том числе вязкости разрушения) в поковке.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления поковки из слитка, включающем чередование операций нагрева и деформации последнего с отклонением осей первого порядка дендритов слитка в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали, отклонение осей первого порядка дендритов слитка осуществляют со степенью деформации ε=0,5-0,7 во всем объеме поковки.
При этом степень деформации при кузнечной протяжке и сортовой прокатке рассчитывают по формуле 
, где ε - относительная степень деформации в любой локальной зоне сечения поковки; У - уков слитка, равный отношению F0/Fп начальной площади сечения слитка F0 к площади сечения поковки Fп.
Кроме того, степень деформации при осадке рассчитывают по формуле ε=Н0-Hk/Н0, где Н0 и Hk - соответственно высота слитка и поковки, а степень деформации при прокатке плит и раскатке колец - обечаек по формуле ε=t0-tk/t0, где t0 и tk - соответственно начальная толщина заготовки - слитка и конечная - толщина плиты и стенки кольца.
Многочисленными исследованиями по трансформации литой дендритной структуры слитка в деформированную волокнистую поковки показано, что при степени деформации 0,5 (У=4) происходит полная заварка дефектов типа несплошностей в слитке и направленная ориентация осей первого порядка дендритов исходного слитка в направлении главной деформации при горячей механической обработке (при смешанной дендритно-волокнистой структуре в объеме заготовки), а при степени деформации 0,7 (У=11) и более во всем объеме поковки имеет место волокнистая структура (см., например, Ковка крупных поковок, результаты исследования технологических режимов. / Под ред. В.Н.Трубина, И.Я.Тарновского. - М.-С.: Машгиз, 1962. - 224 с., Голиков И.Н. Дендритная ликвация в стали. - М.: Металлургиздат, 1958. - 206 с., Онищенко А.К. Мегапластическая деформация и оптимальная величина укова слитка. // Технология металлов. - 2006. - №10. - С.12-15). Этими же и многими другими исследованиями показано, что механические свойства поковок вдоль волокна, практически для всех металлических материалов слиткового производства, не менее чем на 30% выше, чем поперек, так как любая поковка представляет собой материал, армированный ориентированно направленными наиболее прочными осями I-го порядка дендритов слитка. Оси меньших порядков дендритов при степенях деформации более 0,7 сминаются и в макроструктуре поковок не просматриваются.
Автором в 1989 г. впервые было показано, что волокно поковок и проката это не просто условное понятие из фрактографии изломов, а реально существующая составляющая любой металлической заготовки, - ориентированные в направлении главной деформации оси 1-го порядка дендритов слитка. Позднее это было подтверждено и другими исследователями (см., например, Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлев Л.Г. Основы термической обработки стали. - М.: Наука и технологии, 2002. - 519 с.).
Процесс ковки - прокатки слитков охватывает 4 масштабных уровня пластической деформации (мега, мезо {d-f}, макро, мезо II), соответственно 4 структурных уровня: от дендритной до крупнозернистой структур. О квазиоднородном состоянии заготовки можно говорить, начиная от макроуровня - получения во всем объеме последней волокнистой структуры. Однако, т.к. литому металлу слитка присуща не только структурная (физическая) неоднородность, но и химическая - дендритная неоднородность, трансформация дендритной структуры в волокнистую должна проводиться с учетом химической неоднородности дендритов. С тем, чтобы оси I-го порядка дендритов слитка были ориентированы в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали.
Так как достижение степеней деформации до 0,7 (получения волокнистой структуры во всем объеме поковки) в практике ковки крупных поковок не всегда возможно, то фактор ориентации осей I-го порядка дендритов в изделии становится тем более определяющим. Однако при степенях деформации менее 0,5 в заготовке будет иметь место остаточная физическая и структурная неоднородность исходного слитка.
Следовательно, для изделий валов, работающих на изгиб, волокно в поковке должно располагаться вдоль оси и максимальный уровень свойств должен быть на образцах продольного направления. В обечайках - кольцах и дисках роторов турбин в тангенциальном направлении. А на роторах турбин и генераторов: на бочке - тангенциальном, а на шейках - продольном направлениях. Но во всех случаях, чтобы иметь плотную макроструктуру в поковке, степень деформации во всем объеме последней не должна быть менее 0,5.
Способ осуществляют следующим образом.
Слиток нагревают в печи до максимальной температуры ковки и передают на гидравлический ковочный пресс.
При изготовлении дисков и обечаек производят ковку цапфы под манипулятор из прибыли слитка, биллетировку годной части слитка, разметку и рубку дефектных прибыльной и донной частей. После чего производят повторный подогрев заготовки и осуществляют ее осадку на прессе со степенью деформации не менее 0,5 (50%). При этом после такой осадки (главная деформация - радиальная) оси I-го порядка дендритов слитка будут ориентированы в радиальном направлении.
Для поковки диска осаженную заготовку сначала обкатывают по диаметру, а затем после правки торцов на поворотной плите пресса плоским бойком разгоняют полученную заготовку до окончательных размеров поковки. Последние операции позволяют переориентировать волокно из радиального направления - в тангенциальное.
Для поковки обечайки осаженную заготовку прошивают и раскатывают на оправке или специальном стане. При этом степень деформации при раскатке должна составлять 0,5-0,7. Обеспечивая так же, как и на дисках, переориентацию радиального волокна прошитой заготовки в тангенциальное поковки обечайки.
При изготовлении поковки вала (например, гребного для судов) диаметром d, и длиной L, работающего на изгиб и усталость, и учитывая, что максимальные растягивающие рабочие напряжения в детали действуют вдоль продольной оси вала, необходимо обеспечить проковку слитка по сечению со степенью деформации не менее 0,7. Для такого изделия это возможно осуществить либо протяжкой круглого слитка в вырезных бойках, либо прокаткой в калибрах по схеме круг-круг. Из зависимости 
, находим, что уков слитка при этом должен составлять 11. То есть для изготовления круглого вала диаметром d необходим слиток диаметром D=3,32d.
В зависимости от длины вала и используемого оборудования изготовление поковки осуществляют с одного или нескольких нагревов.
Конкретная реализация способа рассмотрена на примерах изготовления поковки диска из высокохромистой стали для перспективной ГТУ и поковок роторов турбин и генераторов для ТЭС из стали 35ХН3МФА.
Принципиальная технология ковки слитка для диска (фиг.1) включала осадку в кольце до получения "грушевидной" формы заготовки, свободную осадку на плоских плитах до высоты 800 мм, промежуточную обкатку заготовки, окончательную осадку и разгонку до размеров поковки. С обкаткой и правкой заготовки после осадки и разгонки.
Поковку диска изготовили из слитка массой 20 т с предварительной газовой резкой дефектных участков длиной 250 мм и 150 мм соответственно со стороны донной и прибыльной частей слитка.
В результате заготовка под осадку имела высоту 2900 мм при диаметре 1000 мм. Ковку проводили на прессах 120 МН и 50 МН с использованием подкладного кольца и нижних поворотных плит. Температурные интервалы ковки 1200-950°С.
Предварительную осадку слитка проводили в специальном подкладном кольце. Слиток осадили в кольце сначала до высоты 2150 мм, а затем после повторного нагрева до 800 мм. В третьем выносе блок проковали через квадрат-восьмигранник-круг на плите плоским бойком, перекрывающим высоту заготовки.
После четвертого нагрева вновь произвели осадку заготовки до высоты 800 мм и обкатали по диаметру.
Разгонку на окончательные размеры проводили на прессе 50 МН на поворотной плите в два этапа. Сначала до высоты 680 мм разогнали и обкатали по диаметру, а затем разогнали до окончательных размеров поковки; при этом диаметр поковки после правки составил 2670 мм.
Под все операции ковки нагрев по металлу составлял 1180°С. А температура конца ковки при разгонке составляла 880°С. Разгонку осаженного блока проводили с регламентированными единичными обжатиями (150 мм) при скорости деформации 10-2 с-1 и температуре 1050-880°С.
По всем показателям механических свойств были получены результаты, значительно превышающие заданные техническими требованиями (фиг.2). В данном случае технология обеспечила получение ориентированно направленного волокна (тангенциальное направление).
Поковку ротора изготавливают за VII выносов (фиг.3). Масса поковки 136 т. Ковку проводят на прессе 120 МН в интервале температур 1220-700°С. Осадку слитка осуществляют до диаметра 3200 мм, затем проводят протяжку в плоских бойках шириной 1200 мм на квадрат 2500×2500 мм; после чего проводят прожимы заготовки по 2-4 граням с величиной обжатий не менее 150 мм с каждой стороны. При этом охлаждение осаженного блока по поверхности происходит до 800-700°С.
Решение о применении в том же выносе, что и осадка, операции прожима специальным параболическим бойком с использованием температурной (пластической) неоднородности стали по сечению было принято с учетом повышенных требований к металлу осевой зоны (изготовление заготовки без осевого канала).
В последующих выносах осуществляют протяжку заготовки, сначала через восьмигранник в бойках шириной 1400 мм и углом выреза 135°, а затем в вырезных шириной 1200 мм и углом выреза 120°.
Оформление шеек ротора до поковочных размеров производят в комбинированных бойках шириной 800 мм.
Ковку на окончательные размеры осуществляли с нагрева до температур 1050-1070°С. Во всех других выносах нагрев производили до температуры 1220°С. При этом уков по бочке ротора составляет более 2,8 (ε=0.41), без учета эффекта прожима при ковке с "подстуживанием", который обеспечивает дополнительную проковку центральной зоны до степеней более 0,5. А на шейках ротора более 11 (ε=0,7).
Всестороннее исследование качества металла роторов показало:
разработанная, с учетом теории мегапластической деформации слитков и метадинамической рекристаллизации при ковке крупных заготовок, технология ковки обеспечивает полную заварку несплошностей, направленную макроструктуру по ступеням поковки ротора и мелкозернистую микроструктуру (не более 4 номера шкалы ГОСТ 5639) во всем объеме поковки и высокий уровень механических свойств изделия (см. таблицу).
Схему ковки фиг.3 (с промежуточной осадкой) применяют для поковок роторов турбин.
Таким образом, предложенное техническое решение, обоснованное теоретическими положениями мегапластической деформации, разработанной автором, позволяет изготавливать крупные и особо крупные поковки ответственного назначения с высоким уровнем комплекса физико-механических свойств и повышает надежность работы изделий.
| Механические свойства заготовки ротора генератора 1200 мВт после окончательной термической обработки | ||||||
| Направление вырезки образцов | Место вырезки образцов | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | Ψ, % | ак, кгс см/см2 |
| Продольное из концов цапф | Требование ТУ не менее | 750 | 680 | 16 | 40 | 8 |
| Верх слитка | 912 | 767 | 20,0 | 66,3 | 18,6 | |
| 914 | 760 | 20,0 | 64,8 | 18,3 | ||
| Низ слитка | 903 | 760 | 20,0 | 67,0 | 20,2 | |
| 89,3 | 75,2 | 19,6 | 66,3 | 17,9 | ||
| Тангенциальное из концов бочки | Требование ТУ не менее | 750 | 680 | 15 | 30 | 5 |
| Верх слитка | 895 | 724 | 18,4 | 58,3 | 15,5 | |
| 897 | 730 | 20,8 | 62,0 | 13,2 | ||
| 890 | 720 | 18,8 | 58,3 | 11,7 | ||
| 895 | 725 | 19,2 | 57,8 | 13,2 | ||
| Низ слитка | 920 | 750 | 18,0 | 63,0 | 15,5 | |
| 919 | 738 | 17,8 | 59,5 | 16,5 | ||
| 919 | 738 | 17,8 | 59,5 | 15,3 | ||
| 919 | 738 | 17,8 | 63,0 | 13,6 |
1. Способ изготовления поковки из слитка, включающий осуществляемые с чередованием операции нагрева слитка и его деформирования с отклонением осей первого порядка дендритов слитка в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали, полученной из поковки, отличающийся тем, что деформирование слитка с отклонением осей первого порядка дендритов в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали осуществляют со степенью деформации ε=0,5-0,7 во всем объеме поковки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при кузнечной протяжке и сортовой прокатке слитка рассчитывают относительную степень деформации в любой локальной зоне сечения поковки ε по формуле: 
,
где У - уков слитка, равный отношению F0/Fп начальной площади сечения слитка F0 к площади сечения поковки Fп.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при осадке слитка рассчитывают степень деформации ε по формуле: ε=H0-Hk/H0,
где Н0 и Hk - соответственно высота слитка и поковки.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при прокатке слитка с получением плит и раскатке из слитка колец-обечаек рассчитывают степень деформации ε по формуле: ε=t0-tk/t0,
где t0 и tk - соответственно начальная толщина слитка и конечная толщина плиты или стенки кольца-обечайки.
