Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Практика теплой деформации металлов и сплавов

20.04.2019

Еще в конце 20-х годов Помп с сотр. исследовали теплую деформацию с целью уменьшения сопротивления деформированию и повышения пластичности труднодеформируемых и хрупких при комнатной температуре сталей и сплавов. За прошедшие со времени первых исследований 50 лет формоизменение при повышенных (не вызывающих рекристаллизации) температурах было предметом многих технологических разработок, что привело в конечном счете к достаточно широкому распространению процессов теплой прокатки труб, листов, теплого волочения проволоки и др.

В упомянутых выше работах Помпа указывалось, что теплую деформацию трансформаторных или динамных сталей желательно проводить (в зависимости от содержания кремния) в интервале температур от 50 до 250° С. Так, например, полосы из стали с 4% Si нагревали на 200° С в масляной ванне, а затем за пять проходов подвергали теплой прокатке без промежуточных нагревов от 1,75 до 0,8 мм (на 55%).

В ГДР проводятся систематические эксперименты на электротехнических сталях с различным содержанием кремния. Особый интерес проявляется к изысканию условий, позволяющих осуществить формоизменение (с минимальными трудностями) высококремнистых сталей (до 6% Si). При понижении температуры деформации отмечается сильное возрастание сопротивления деформации, причем тем большее, чем выше содержание кремния (рис. 111). Лишь при температурах, превышающих 1000°С, нивелируется влияние содержания кремния и стали.
Практика теплой деформации металлов и сплавов

При создании трансформаторных листов исследователи столкнулись со столь незначительной пластичностью высококремнистых сталей, что их формоизменение было невозможным при холодной прокатке. Деформирование листов в диапазоне температур 220—350° С позволило осуществить обжатие на 40%. При этом пластичность теплодеформированных (на 40%) листов из трансформаторной стали осталась еще на таком достаточном уровне, что оказалась возможной дальнейшая прокатка при комнатной температуре.

Нa рис. 112 показано, что число гибов (мера пластичности) при комнатной температуре трансформаторной стали с 5% Si возрастает а результате теплой деформации при ~250°С. Этому, по-видимому, способствуют перестройка дислокационной структуры по типу полигонизации при оптимальных температурах теплой деформации и частичная аннигиляция дислокаций, особенно в их напряженных группировках.

Целесообразным сказалось применение теплого волочения (при ~ 200° С) для получения проволоки (диаметр 9—13 мм) из стали типа снльхром (0,4% С, 3% Si, 9—10% Cr), используемой при производстве клапанов. Операция теплого волочения при этом настолько облегчается, что в качестве заготовки оказалось возможным использовать горячую катанку без специальной смягчающей обработки.

В случае быстрорежущих и жаропрочных сталей получение проволока малых сечений сопряжено с большими трудностями. При использовании для этой цели многократного холодного волочения требуется проведение промежуточных смягчающих нагревов, что ведет к обезуглероживанию и необходимости шлифовки поверхности. Кроме высокой трудоемкости всех операций, холодное волочение идет с большим трудом, с частыми обрывами. Суммарные потери этих весьма дорогих высоколегированных сталей составляют даже на хорошо оснащенных производствах 1,5—3% (по массе).

Одним из эффективных путей снижения потерь является использование для холодного волочения более тонких заготовок. Их получение оказывается возможным при использовании специальных станов, иных заготовок и определенной калибровки, позволяющих довести размер полуфабриката под холодное волочение труднодеформируемых быстрорежущих и жаропрочных сталей до 5 мм.

Значительная роль в процессах получения тонких заготовок под холодное волочение принадлежит теплой прокатке. Нагрев на определенные температуры проводится либо индукционным, либо контактным методами (путем пропускания тока), но чаще всего при использовании проходных печей — ванн, заполненных расплавленными металлами или солями. Схема одной из таких печей — ванн приведена на рис. 113. В результате теплого волочения и применения ряда технологических мероприятий удалось получить заготовку для холодного волочения быстрорежущей стали диаметром 2,5 мм, а из аустенитной стали с 14% Mn диаметром 4 мм.

В качестве смазки чаще всего используют полуколлоидный раствор графита в спирте. Вообще, требованием к смазке, используемой при теплом волочении, является ее неизменяемость до температур порядка 600° С. Инструменты (волочильные доски) должны быть подогреты, причем эта температура поддерживается в течение всего времени волочения, что достигается при нагреве током.

Проволоку при теплом волочении быстрорежущих сталей нагревают обычно до температуры несколько выше 500° С и вводят в волочильную доску при 350° С, поддерживая эту температуру в течение всего времени деформации. Обычно за одну протяжку задают деформацию величиной до 25%, причем повторные протяжки оказываются возможными без промежуточной обработки. Скорость волочения составляет 60—100 м/мин и выбирается в зависимости от толщины проволоки и длины нагревательной ванны. При этом необходимо добиваться сквозного прогрева проволоки. Качество тепловолоченной проволоки из быстрорежущей стали определяется температурой, степенью деформации и скоростью волочения. При отлаженном процессе достигается значительная экономия во времени (за счет ликвидации промежуточных подогревов, необходимых при холодном волочении) при сохранении достаточно высокого качества поверхности и высоких механических свойств (в связи с комбинацией полугорячего наклепа и полигонизации).

При теплом деформировании склонных к старению малоуглеродистых сталей следует учитывать явление синеломкости, связанное с взаимодействием подвижных дислокаций с атомами азота, кислорода и углерода. При этом нежелательно, чтобы температура теплой деформации совпадала с интервалом синеломкости, сопровождающейся падением пластичности (рис. 114). При возрастании степени обжатия растет и сопротивление деформации в температурном диапазоне теплой деформации. Влияние скорости деформации на сопротивление деформации нужно рассматривать в связи с температурой, отвечающей развитию синеломкости; при возрастании скорости деформации температура максимального охрупчивания сдвигается к более высоким значениям. Вследствие этого при разных температурах деформации сопротивление деформации с возрастанием скорости деформации может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от того, попадаем ли мы в интервал интенсивного деформационного старения (синеломкости) или не попадаем (т. е. важно соотношение между скоростью движения дислокаций и диффузионной подвижностью примесей).

При оценке расхода энергии, необходимой для совершения теплой деформации, в зависимости от температуры необходимо учитывать изменение коэффициента трения, который увеличивается с возрастанием температуры. На рис. 115 показана схема изменения коэффициента трения, сопротивления деформации и склонности к старению и температурном диапазоне теплой деформации. Реальные кривые для низкоуглеродистой стали, подверженной старению, и латуни 70/30, не склонной к старению, имеют в основном один и тот же вид. Вначале усилие протяжки падает, так как преобладает влияние температуры на общее смягчение материала (падение сопротивления деформации). При повышенных температурах теплой деформации начинает проявляться фактор, связанный с повышением коэффициента трения. Co склонностью к старению приходится считаться при осуществлении теплого волочения ряда аустенитных сталей и трансформаторной стали.

Заслуживают внимания работы по теплой деформации, выполненные в Японии (Исаи Гокью), по производству проволоки не в фильерах, а в роликовых калибрах, применение которых резко уменьшает коэффициент трения. Проволока тянется через свободные (не закрепленные) калиброванные ролики, причем можно использовать две роликовые пары, одна расположена вертикально, другая горизонтально. При появлении уширения использовали также калибры овал — круг, известные при прокатке проволоки.

Так как при применении роликовых калибров коэффициент трения очень мал, то возникает меньше трудностей со смазочными средствами, в том числе и при больших скоростях деформации. Производство проволоки в роликовых калибрах позволяет осуществлять при теплой деформации одноразовые обжатия до 45%.

При необходимости получения проволоки с жесткими допусками иногда дополнительно включают в схему теплой деформации калибрование через фильеры.

Применение теплой деформации в роликовых калибрах особенно целесообразно при производстве различных профилей, в том числе тонкой проволоки из труднодеформируемых сталей (например, высокоуглеродистых). Было показано, что теплодеформированная высокоуглеродистая проволока имеет такую же пластичность (по числу гибов), как и холоднотянутая, подвергнутая промежуточным смягчающим нагревам. Предполагается использование теплой деформации в роликовых калибрах для производства арматуры напряженного железобетона. Сечение профилей при этом способе теплой деформации может быть доведено до 2,5 мм при диаметре роликов, составляющем 90 мм.

Для сложнолегированных сталей использование теплой деформации оказывается целесообразным не только для облегчения процессов формоизменения, но и для существенного повышения их свойств. В частности, подбором температуры и скорости теплой деформации можно в ряде случаев подавить деформационное старение, что приводит к повышению прочности, не сопровождаемому падением пластичности.

Известно применение теплой штамповки выдавливанием (стали при 600° С, алюминия при 400° С) в автомобильной промышленности. Стальные детали нагреваются током, в качестве смазки используют графит. Инструмент не подогревается, но при его изготовлении требуется замена обычных инструментальных сталей на теплоустойчивые инструментальные.

При теплой штамповке выдавливанием оказалось возможным штамповать несимметричные детали за один прием, тогда как при холодной штамповке (также выдавливанием) требовалось несколько переходов. Потребление энергии при теплом выдавливании уменьшается (по сравнению с холодным) примерно вдвое, резко сокращается брак. Пожалуй, самым важным преимуществом теплой штамповки вылавливанием является получение высокого комплекса механических свойств в деталях: наряду с резко повышенной прочностью сохраняется высокий уровень пластичности и вязкости. Структурные исследования показали, что этот высокий уровень механических свойств обусловлен формированием развитой и устойчивой субструктуры и общей фрагментацией тонкого строения в результате теплой деформации.

Итак, при определенных условиях теплой деформации наряду с облегчением деформирования могут изменяться физические и главным образом механические свойства некоторых сплавов в связи с одновременно протекающими структурными и субструктурными превращениями. Исходя из этого очевидно, что выбор условий теплого деформирования, в частности температуры, степени и скорости процесса. проводится с учетом не только деформируемости данного материала, но и тех превращений, которые желательно либо развить (учитывая к тому же инициирующее влияние деформации), либо подавить.

Выбор оптимального температурного режима теплого волочения прутков из углеродистой стали позволяет исключить последующую термическую обработку, так как сразу же после такого волочения обеспечивается требуемое сочетание прочности и пластичности (за счет развития процессов типа полигонизации).

Перспективные работы по совмещению скоростного нагрева закаленной проволоки под отпуск с теплой пластической деформацией при тех же температурах были выполнены В.Н. Гридневым, Ю.Я. Мешковым, В.А. Рафаловским и др. Нагрев осуществлялся контактным путем (одним из контактов служит фильер), а теплая деформация волочением. При таком комбинированном воздействии значительно ускоряются процессы распада мартенсита и остаточного аустенита, а также изменяется сама структура электротермомеханически отпущенной стали. Так, уже после деформации на 10% при 350° С наблюдается ориентированное выделение цементита, чередующегося с тонкими прослойками феррита. Пластическая деформация на 20—35% при 300° С приводит к получению структуры, внешне сходной со структурой стали, изотермически закаленной при 450—550° С.

Получение тонкопластинчатых структур создает предпосылки для успешного холодного волочения такой стали и изготовления из нее высокопрочной проволоки различного назначения. Электротермо-механическая обработка с успехом может быть применена для повышения качества канатной проволоки (с пределом прочности до 250 кгс/мм2) из углеродистых сталей 60 и 70, арматурной проволоки из стали 50, высокопрочной пружинной проволоки из сталей У9 и 70С2ХА.

Ряд работ по прокатке таких «неудобных» для деформирования сталей, как аустенито-мартенситных, показал, что при повышении температуры до 150—300° С удельные давления существенно уменьшаются. Это определяется не только собственно процессом разупрочнения стали при нагреве, но и изменением соотношения количества присутствующих в стали структурных составляющих (уменьшением количества мартенсита). Отсюда открываются возможности регулирования свойств аустенито-мартенситных сталей в результате теплой прокатки, а также корректирования режима их последующей термической обработки, учитывая, что она во многом проходит в процессе теплой деформации.

Так, исследование влияния температуры и скорости деформации на сопротивление деформированию сталей Х18Н10Т и Х17Н5МЗ позволило установить оптимальные температуры теплой прокатки этих сталей, которые оказались равными 200 и 300° С соответственно (Северденко, Грибовский). Исследование энергосиловых параметров показало, что полное давление металла на валки снижается при теплой прокатке в 1,5—2 раза; обжатие за один проход может быть увеличено на 25—30%. Если после холодной деформации исследованных сталей Х18Н10Т и Х17Н5МЗ появляется в значительном количестве мартенсит, что и приводит к резкому ухудшению деформируемости, то после теплой деформации в стали Х18Н10Т мартенсит полностью отсутствует, а в стали Х17Н5МЗ его количество незначительно. Отсюда становится возможным увеличение суммарного обжатия при теплой прокатке аустенитных и аустенито-мартенситных сталей в 3—3,5 раза по сравнению с холодной прокаткой без применения промежуточной смягчающей термической обработки.

Изучения изменения плотности, электросопротивления и магнитного насыщения в зависимости от температуры и степени деформации подтвердили наличие у—>а-превращения при холодной прокатке и отсутствие его при теплой. При температурах выше 300—350° С в исследованных аустенитных и аустенито-мартенситных сталях происходит деформационное старение, приводящее к упрочнению, а также к последующему образованию мартенсита при охлаждении от температур прокатки из обедненного (после выделения частиц фаз) аустенита.

Существенное улучшение деформируемости нержавеющих аустенитных хромоникелевых сталей, а также быстрорежущей стали при нагреве на температуры 300—500° С позволило внедрить эти процессы при производстве труб и волочении проволоки и получить продукцию, имеющую не только точные размеры и хорошее качество поверхности, но и повышенный комплекс свойств.

Железоалюминиевые (8—16% Al) сплавы, используемые в качестве нагревательных элементов, обладают весьма плохой деформируемостью (высокой хрупкостью), и поэтому теплое деформирование является необходимым условием производства проволоки или ленты из этих сплавов (Суворов).

Было изучено распределение дислокаций в сплаве железа с 11,5% Al после деформации с различными степенями сжатия (до 40%) при температурах от 200 до 800°С (Чижевски и Панфил). Использовался метод «ямок» травления, который позволил качественно оценить распределение, а в некоторых случаях и плотность дислокаций. Наблюдение вели преимущественно на зернах, ориентированных относительно поверхности шлифа параллельно плоскости (111) или немного от нее отклоненных. Найдено, что при 200° С наблюдается сравнительно хаотическое распределение дислокаций. При 300° С формируются единичные стенки по механизму полигонизации; при 400—500° С процесс полигонизации продолжается и формируются четкие субзерна. При 600—800° С распределение дислокаций становится гетерогенным, они начинают собираться в полосы. Часть объемов освобождается от дислокаций (которые уходят в полосы), и эти объемы являются по существу зародышами первичной рекристаллизации.

Таким образом подтверждается механизм рекристаллизации по Кану—Бюргерсу (см. выше), причем зародыши появляются преимущественно в зернах (или в полосах скольжения), ориентированных перпендикулярно к поверхности образца.

Все эти явления наблюдаются в случае умеренной степени деформации (примерно до 25%). При более высокой степени деформации (40—44%) и температуре деформации 700—800° С наблюдается интенсивная миграция участков большеугловых границ в районе скопления дислокаций у включений или у этих границ, направленная в сторону скоплений дислокаций. Тогда процесс формирования зародышей первичной рекристаллизации не связан с полигонизацией и реализуется механизм Бейли — Хирша.

Рентгеновские исследования теплодеформированных с большими степенями обжатия сталей показали резкое уменьшение остроты текстуры (по сравнению с такой же деформацией при комнатной температуре). Это позволило сделать вывод (А.В. Крупин, С.С. Горелик), что при определенном нагреве увеличивается число систем скольжения, участвующих в деформации, что по существу и определяет наблюдаемое облегчение деформируемости. Учитывая тот факт, что, изменяя температуру, можно регулировать число систем скольжения, а отсюда изменять характер текстуры, образующейся в ходе теплой деформации, оказалось целесообразным использовать этот процесс при производстве листов из трансформаторной стали, для которой процессы текстурования (в результате заключительного нагрева) являются решающими для формирования требуемых свойств. Опыты по теплой прокатке трансформаторной стали (Н.М. Федосов, В.Н. Бринза, I. Шульц) показали, что при выборе оптимальной температуры нагрева удается осуществить деформацию, не возможную при комнатной температуре. Однако выбрать эту оптимальную температуру нагрева не легко, так как кривая зависимость удельных давлений от температуры для трансформаторной стали имеет экстремальный характер с минимумом в районе 200° С (причем эта температура и спою очередь находится в некоторой зависимости от состава стали).

Сложный характер изменения удельного давления от температуры теплой прокатки (рис. 116) определяется тем, что, как указывалось выше, имеется ряд факторов, влияние которых на удельное давление при нагреве оказывается противоположным друг другу. Так, при повышении температуры падает предел текучести (облегчается перемещение дислокаций), что должно определять падение удельного давления. Одновременно, когда облегчается скольжение по разным, в том числе и пересекающимся, системам, и оно становится множественным, должно наблюдаться в соответствии с увеличивающимся коэффициентом деформационного упрочнения затруднение деформации. Этому же способствует старение, имеющее место в трансформаторной стали при нагреве на определенные повышенные температуры, а также образование на поверхности листов окислов, увеличивающих коэффициент трения. Отсюда становится понятным, почему облегчение деформируемости трансформаторной стали наблюдается в довольно узком интервале температур 150—250° С, а при нагреве на более высокие температуры удельные давления при прокатке резко возрастают. Однако теплая прокатка трансформаторной стали (-3,5% Si) при 200° С важна не только для облегчения ее деформируемости, но и для формирования совершенной текстуры вторичной рекристаллизации (рис. 117), для получения после вторичной рекристаллизации более равновесной, достаточно крупнозернистой (в поперечнике 4—5 мм), структуры и для достижения более низких суммарных удельных потерь (рис. 118).
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: