Файл: Чашников Д.И. Деформируемость судостроительных сталей при обработке давлением.pdf

при достаточно высокой температуре, которая тем ниже, чем выше

приложенное напряжение, наклон кривых ln 'e = / (1/7") резко увеличивается (рис. 27). Одновременно с этим уменьшение L

также способствует увеличению наклона кривой ln е = f (1/Г), а увеличение L приводит к снижению m и увеличению а при &=

= const (рис. 28). При скоростях, которые выше скоростей, соответ­

ствующих перелому на кривых ln e .= f (1IT), показатель m < 0,33. Применительно к сверхпластичности превращения, по А. А. Прес­ някову [3.9], механизм деформации имеет тоже диффузионный характер, причем суть последнего сводится к взаимодействию про­ цессов стабилизации и деформации. Механизм сверхпластичности превращения еще менее исследован, чем предыдущий, и работы

в'области его изучения продолжаются и расширяются.

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

ВСОСТОЯНИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

Впрактике обработки давлением наибольшее количество металла перерабатывают, используя схему сжимающих напряжений (прокатка, ковка, прессование). Лишь сравнительно немногие процессы (ли­ стовая штамповка, волочение, чеканка) используют растяжение. Поэтому, с точки зрения практического применения эффекта сверх­ пластичности, большие удлинения представляют для группы «сжи­

мающих» процессов меньший интерес, чем низкие сопротивления деформированию, тогда как для группы «растягивающих» процессов большие удлинения имеют первостепенное значение.

85

Следует отметить, что вопрос промышленного применения в об­ работке металлов давлением такого перспективного для нее явления, как сверхпластичность, теснейшим образом сйязан с вопросом полу­ чения в исходном материале субмелкой кристаллической структуры. Поэтому не случайно значительное количество публикаций, в кото­ рых освещены эти вопросы [58 и др. ], рекомендуют применять деформацию с очень высокими степенями (90% и более), специаль­ ную термическую обработку, охлаждение после ^ интенсивной де­ формации в специальных средах, методы многократной прокатки слоистых (из разнородных материалов) пакетов, теплую прокатку, термомеханическую обработку и ряд других методов [6].

В будущем использование эффекта сверхпластичности окажется зависящим от успехов в разработке и освоении дешевых сплавов, в которых при определенных условиях возникает эффект сверх­ пластичного течения. Прогресс в этом направлении можно считать весьма обнадеживающим: он свидетельствует о том, что обработка давлением сверхпластичных металлов может стать приемлемым технологическим процессом. Малая скорость деформирования яв­ ляется недостатком, а необходимость мелкозернистой структуры в ряде случаев — преимуществом деформирования металла в 'сверх­ пластичном состоянии, ибо мелкозернистая структура позволяет получать в изделиях гладкую поверхность, идеальную для полировки или металлизации. Следует отметить, что с повышением температуры скорость деформирования можно повысить.

В некоторых случаях сверхпластичные сплавы можно обрабаты­ вать обычными способами. Однако более вероятно, что будут при­ менять новые технологические процессы, которые позволят в полной мере использовать новые свойства сверхпластичного состояния: низкое сопротивление деформации, частичную вязкость металла и способность деформироваться при растяжении без местных уто­ нений, вызываемых локализацией деформации. При разработке про­ цессов деформирования сверхпластичных сплавов следует учиты­ вать наличие значительного влияния на сверхпластичность масштаб­ ного фактора. Интерес, вызываемый явлением сверхпластичности, влечет за собой в первую очередь развитие прогрессивных способов производства и обработки металлов и использование особенностей явления сверхпластичности в конструкционном поведении мате­ риалов.

Прокатка. В процессах прокатки малые сопротивления дефор­ мации приводят к мальтм нагрузкам на инструмент и низким затра­ там энергии. Положительный эффект от снижения сопротивления деформации в некоторой степени компенсирует отрицательный эффект снижения скорости, необходимый для достижения сверх­ пластичного состояния. Для ряда сплавов суммарный эффект ока­ зывается . положительным, например, при прокатке сплава Ті— 6А1—4Ѵ в состоянии сверхпластичности (при 925° С), сопротивление деформации снижается в десять раз.

В работе [67] сообщается о получении резкого снижения давле­ ния металла на валки при прокатке хромоникелевых сплавов в усло-

86

виях сверхпластичности. Особый интерес представляет сверхпла­ стичное состояние для нового процесса прокатки «прокатка-волоче­ ние» [8], где способность металла к неограниченному удлинению может быть в большой степени реализована. В настоящее время, чтобы исключить нагрев инструмента, необходимый для достижения стабильной сверхпластичности, предложена по аналогии в бесфильерным волочением схема обжатия листового металла по тол­ щине без помощи валков. По этому методу один конец листа жестко закрепляется, а второй конец под действием растягивающего усилия протягивается через индуктор, движущийся навстречу второму концу листа. Скорость растяжения листа и скорость встречного перемещения индуктора зависят от химического состава металла, его размеров и формы индуктора.

Объемная штамповка. В случае объемной штамповки вследствие низкого сопротивления деформации, невысоких усилий деформиро­ вания и большого удлинёния появляется возможность: а) получать высокоточное заполнение ручья в штампе, что особенно ценно при обработке тонкостенных изделий сложной формы; б) снижать износ штампов; в) применять менее мощное оборудование; г) уменьшать число переходов и себестоимость готового изделия не менее чем на 25%. Поскольку поведение обрабатываемого материала в состоянии сверхпластичности приближается к поведению расплава, то для штам­ повки можно использовать методы технологии литья под давлением.

Прессование. В таких процессах, как обычное (прямое или обрат­ ное) прессование или гидростатическое прессование, где прочность и жесткость оборудования накладывают ограничения, изделия, которые нельзя получить методом прессования из обычных материа­ лов, можно изготовить из металлов, находящихся в состоянии сверхпластнчности. В сверхпластичном состоянии можно прессовать обычно непрессуемые сплавы, а у прессуемых можно увеличить степень вытяжки (к). Известно, что некоторые сверхпластичные металлы прессовали с вытяжкой до X = 250.

Волочение. В этом процессе можно пользоваться новой техноло­ гией, основанной на высокой устойчивости сверхпластичных метал­ лов против образования шейки. Новый технологический процесс заключается в следующем: один конец заготовки жестко закрепляют в держателе, к другому концу заготовки прикладывают растягива­ ющее усилие- и заготовку протягивают через индуктор, который перемещается в направлении, противоположном направлению растя­ жения. При таком бесфильерном волочении отсутствует износ инстру­ мента, отпадает необходимость в смазке и промежуточных отжигах. Периодическое изменение отношения скорости протяжки к скорости перемещения катушки индуктора позволяет также изготавливать изделия с периодическим ступенчатым профилем. Метод бесфильерного удлинения прутков и конических деталей применяется при местном нагреве с удлинением до 400%; вытяжка титановой прово­ локи производится со скоростью 3 см/мин.

В настоящее время методом бесфильерного волочения получают изделия, которые невозможно получить обычным методом, напри-

87

мер, трубки малого диаметра из титановых сплавов (их применяют в электрохимическом машиностроении, самолете- и ракетостроении).

Вакуумная листовая штамповка. Использование сверхпластич­ ных металлов для формовки изделий из листа привлекает в настоя­ щее время наибольшее внимание. Это касается прежде всего сплава Престаль (78% Zn и 22% Al). Из него штампуют панели кузовов автомобилей и холодильников, сложная форма которых не позволяет штамповать их обычным способом.

Сплав Престаль при быстром охлаждении имеет мелкозернистую структуру. Слитки сплава прокатывают при температуре 275— 325° С. Последующую штамповку ведут при 270° С в вакууме. Удельные усилия штамповки низкие, порядка 1 кгс/см2. Так как рабочая температура обработки выше комнатной, то для процесса формования используют инструмент из тугоплавкого цемента. При изготовлении больших партий применяют оснастку из алюминия или литого чугуна. Время штамповки в зависимости от формы и величины детали колеблется в пределах от нескольких секунд до нескольких минут. В этом процессе весьма важное значение имеет вязкость материала, так как толщина стенок готового изделия будет тем равномернее, чем больше отношение приращения напря­

жения течения (d ln а) к приращению скорости деформации (d ln е), т. е. чем больше коэффициент чувствительности напряжения к ско­

Недостатки вакуумной листовой штамповки следующие: неболь­ шая производительность, увеличение которой связано с увеличе­ нием количества рабочих линий штамповки; стоимость процесса дороже обычного и сам процесс при 270° С более сложен, чем при комнатной температуре. Однако эти недостатки штамповки деталей из сплава Престаіль компенсируются преимуществами. Из указан­ ного сплава можно штамповать крупные и сложные детали, при этом снижается величина отходов и процент брака; уменьшается объем ручных работ, уменьшается количество деталей изделия, так как составные части изделия можно заменить цельными, и, следовательно, снижается стоимость сборки; отсутствуют проме­ жуточные отжиги; снижаются производственные затраты за счет удешевления штамповочного инструмента.

Пневмостатическая выдувка и гидростатическая формовка. Тех­ нология выдувки, используемая для формовки различных полых изделий из стекла и пластмассы и непригодная для формовки изде­ лий из обычных металлов, уже при небольшой модификации с успе­ хом применяется в полупромышленных условиях для обработки металлов в сверхпластичном состоянии. Таким методом из-за низ­ кого значения коэффициента т и пониженной стабильности дефор­ мации у сверхпластичных металлов их труднее формовать, чем термо­ пластические массы. Выдувка и гидроформовка сверхпластичных сплавов требуют стрргого контроля скорости деформации, которая

88

доллена соответствовать максимальному значению т. Однако это осложнение перекрывается широкими перспективами, связанными с развитием процесса получения полых металлических изделий различной конфигурации.

В настоящее время освоено изготовление труб методами гидро­ формовки с различной формой поверхности (свободная раздача ■труб, раздача труб в матрицах с разными профилями рабочих поверх­ ностей) и из листовых заготовок (свободная формовка в эллиптиче­ скую матрицу и глубокая вытяжка).

С применением метода пневмостатической формовки из сплава Пре­ сталь изготовлены различные коробчатые детали с волнообразным полусферическим и рельефным дном. Так, например, глубокая вытяжка листа под давлением воздуха позволила объединить две детали пишущей машинки в одну, дно которой вытянуто в литерную головку, где четко отштампованы все мельчайшие детали. Экспери­ менты по выдувке выпуклых форм из листа показали, что необычно высокие деформации осуществимы без местных утонений и металл ведет себя при этом как нагретая пластмассовая пленка.

Глубокая вытяжка. При изготовлении типичных для . глубокой вытяжки деталей из сверхпластичных сплавов можно получить значительный эффект вследствие высокой пластичности и низкого сопротивления сплава деформации. Недостаток глубокой вытяжки — низкая скорость деформирования; Так, например, при вытяжке тонкостенного стакана диаметром 25 мм время обработки составило около 60 с.

Необходимо отметить, что в настоящее время наряду с созданием сверхпластичных сплавов с целью использования их преимуществ в процессах обработки давлением начали создавать сверхпластич­ ные сплавы для изготовления конструкций, работающих в области низких и сверхнизких температур, а также высокотемпературных деталей, где не допускается охрупчивание во всем рабочем диапазоне.

Приведенный обзор состояния вопроса о сверхпластичности металлических материалов позволяет сделать вывод о том, что в на­ стоящее время определилась тенденция создания сверхпластичных материалов, с последующим решением вопроса о возможных обла­ стях его применения.

С этой точкой зрения трудно согласиться. Установление области существования состояния сверхпластичности для применяемых в на­ стоящее время металлов и сплавов (интервал температур, скоростей и т. д.), а также для создаваемых применительно к специфике исполь-' зования в той или иной конструкции открывает возможности прин­ ципиально нового подхода к технологии производства изделий и полуфабрикатов методами обработки давлением. С другой стороны, Возникает возможность использования явления сверхпластнчности для повышения эксплуатационной надежности конструкций, изго­ товленных из такого металла.

Высказанное положение можно пояснить на ряде примеров. Широко применяемые в настоящее время жаропрочные высоко­ легированные стали и сплавы на основе никеля, хрома и тугоплавких

89