Факторы, влияющие на качество поковок

Во время ковки в заготовке протекают два противоположно направленных процесса. Первый - результат пластической деформации (дробление зерен, вытягивание их в направлении главной деформации, увеличение плотности дислокации, повышение уровня потенциальной энергии и упрочнение). Второй - результат влияния высоких температур и неоднородного распределения потенциальной энергии (увеличение скорости диффузии, направленной миграции атомов, образование устойчивых центров рекристаллизации, рост новых зерен, снижение плотности дислокаций). Эффективность этих процессов определяется термомеханическим и скоростным режимами ковки. Первый процесс определяется скоростью и значением пластической деформации, а второй - скоростью рекристаллизации. В зависимости от соотношения между скоростью деформации и скоростью рекристаллизации, а также скоростью охлаждения в поковке могут быть получены различные размеры зерен. Известно, что механические характеристики поковки с крупнозернистой структурой ниже, чем с мелкозернистой. Для некоторых марок легированных сталей крупнозернистая структура, сформированная в процессе ковки, не может быть переведена в мелкозернистую при последующей термической обработке. Размеры зерен особенно ухудшают ударную вязкость при низких температурах (-20...-40°С).

Для получения мелкозернистой структуры в поковках термомеханический режим ковки должен устанавливаться с учетом диаграмм рекристаллизации. При ковке распределение деформации в заготовке неравномерное, в результате наблюдается неоднородность макроструктуры. При осадке в центральных слоях заготовки степень деформации наибольшая и соответственно зерно наименьшее. Однако в результате неравномерного охлаждения поковки возможно появление крупнозернистого строения и в центральной части после осадки. Для получения мелкозернистой структуры при повышении температуры горячей обработки необходимо увеличивать степень деформации.

Запас прочности, т.е. способности деформироваться, зависит от природы металла, схемы напряженного состояния, температуры и степени однородности деформации. При ковке слитка на неоднородность схемы напряженного состояния в объеме заготовки существенно влияют условия трения на контактных поверхностях заготовки и рабочего инструмента. В результате в отдельных частях заготовки появляются растягивающие напряжения, что приводит к уменьшению запаса пластичности.

При применении плоских бойков в процессе протяжки по схеме круг-круг или квадрат-круг в осевой части заготовки возникают растягивающие напряжения в поперечном направлении; в результате возможно образование продольных трещин (разрыхления, вскрытие полостей). При ковке заготовок из малопластичных сталей более благоприятная схема напряженного состояния слитка возникает при протяжке в ромбических бойках с углом развала 135°. В этом случае схема напряженного состояния приближается к двухосному сжатию в плоскости поперечного сечения. Наиболее благоприятные условия возникают при протяжке в вырезных бойках, если радиус вырезных бойков приближается к радиусу слитка. Рациональная форма профиля бойка зависит от назначения протяжки.

В зависимости от скорости нагрева, а также внешних условий (в защитной атмосфере или вакууме) окалинообразование или обезуглероживание поверхностных слоев заготовки и возникновение температурных напряжений будут различными. При высоких скоростях нагрева окалинообразование или обезуглероживание будет меньше, однако температурные напряжения выше. Наличие окалины на поверхности заготовки при ковке приводит к ухудшению качества поверхности и увеличению припуска для последующей обработки резанием. Интенсивное образование окалины происходит при температурах, близких и выше температур рекристаллизации (600…700 °С). При этих же температурах пластичность металла повышается. Скорость нагрева заготовки по достижении температуры рекристаллизации повышают до предельно возможной для нагревательных устройств. Скорость нагрева до температуры рекристаллизации определяется в зависимости от пластичности нагреваемой заготовки и ее размеров.

Температурные напряжения наиболее опасны при охлаждении поковок. Это необходимо учитывать при выборе режима охлаждения.

Применение нагрева в защитной атмосфере (безокислительной) или малоокислительного, а также очистка заготовок от окалины перед ковкой позволяют улучшить качество поверхности поковки (толщину дефектного поверхностного слоя) и снизить припуска на механическую обработку.