способ изготовления поковок с мелкозернистой структурой

Формула изобретения

1. Способ изготовления поковок с мелкозернистой структурой, включающий ковку нагретой заготовки в четырехбойковом ковочном устройстве на ковочном прессе с двумя манипуляторами путем обжатий заготовки одновременно четырьмя бойками с созданием усилий сдвига двумя парами бойков, верхний из которых во время обжатия движется вертикально вниз навстречу нижнему неподвижному бойку, а два боковых бойка движутся вниз и навстречу друг другу с одновременным кручением манипуляторами ковочного пресса участков заготовки и с подачами и кантовками ее при каждом единичном обжатии, отличающийся тем, что осуществляют ковку заготовки, нагретой до температуры не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации, а при обжатиях сохраняют постоянной длину заготовки путем жесткого закрепления ее концов в манипуляторах, расстояние между которыми сохраняют постоянным.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед обжатиями заготовку предварительно обжимают со степенью деформации 1-5% при каждом единичном обжатии, предпочтительно за один или два прохода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что периферийную зону заготовки нагревают до температуры, на 10-60°С превышающей температуру в осевой зоне заготовки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют реверсивное кручение участков заготовки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют кручение одновременно двух участков заготовки, зажатых в манипуляторах, в противоположных направлениях.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют кручение одновременно двух участков заготовки, зажатых в манипуляторах, в одном направлении.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что по окончании ковки к заготовке прикладывают растягивающие осевые усилия посредством манипуляторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления поковок с заданными механическими свойствами и структурой металла, для получения длинномерных заготовок с подготовленной мелкозернистой структурой, в том числе с субмикрокристаллической и нанокристаллической структурой.

Изобретение может быть использовано в машиностроительной и металлургической промышленности при изготовлении поковок из различных сталей, сплавов и цветных металлов в кузнечно-прессовых цехах, имеющих гидравлические ковочные прессы, оснащенные одним или несколькими четырехбойковыми ковочными устройствами с манипуляторами.

Известен способ изготовления поковок, заключающийся в том, что заготовку устанавливают в зажимной головке манипулятора, обжимают ее двумя парами противоположно расположенных бойков, прикладывая при этом усилия нормального обжатия и одновременно усилия сдвига, после чего заготовку перемещают вдоль продольной оси и поворачивают вокруг продольной оси. При этом операцию обжатия заготовки осуществляют одновременно на двух ее участках, расположенных последовательно вдоль ее продольной оси, а усилия сдвига прикладывают на этих участках в противоположных направлениях. Причем усилия сдвига создают не только путем обжатия бойками, но и путем поворота зажимной головки манипулятора (RU 2008994 С1, МПК⁵ B21J 1/04, опубл. 15.03.94).

Известный способ позволяет получить плотную макроструктуру металла в осевой зоне поковки, сходную со структурой металла в поверхностных слоях поковки. Однако недостатком известного способа является то, что он не позволяет получить поковку с плотной макроструктурой металла в осевой зоне и одинаково равномерной деформацией литой структуры как в поверхностных, так и в осевой зонах поковки.

Наиболее близким к предлагаемому способу изготовления поковок является способ, включающий нагрев заготовки до ковочной температуры, ее ковку в четырехбойковом ковочном устройстве на ковочном прессе, при которой создают усилия сдвига в заготовке двумя парами бойков так, что верхний боек устройства во время обжатия заготовки движется вертикально вниз навстречу нижнему неподвижному бойку, а два боковых бойка во время обжатия заготовки движутся вниз и навстречу друг другу, с одновременным кручением манипуляторами ковочного пресса участков заготовки и с подачами и кантовками при каждом единичном обжатии (RU 2406588 С2, МПК (2006.01) B21J 1/04, 5/00, опубл. 20.12.2010).

В известном способе за счет ковки заготовки в четырехбойковом ковочном устройстве с одновременным кручением участков заготовки получают поковки с плотной макроструктурой металла в осевой зоне и равномерной деформацией литой структуры по всему поперечному сечению поковки.

Недостатком известного способа является невозможность получения поковок с мелкозернистой структурой и, соответственно, повышенными физико-механическими свойствами, вследствие ограниченности применяемых схем деформации, которая приводит к недостаточно интенсивной деформации металла заготовки.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание такого способа изготовления поковок, в котором путем изменения схемы и режимов деформации обеспечивается более интенсивная деформационная проработка структуры металла по всей толщине заготовки, что приводит к получению микрокристаллической, в том числе субмикрокристаллической и нанокристаллической, структуры металла поковок большого поперечного сечения (диаметром 100-250 мм и более) и, как следствие, повышению их физико-механических характеристик.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления поковок с мелкозернистой структурой, включающем ковку нагретой заготовки в четырехбойковом ковочном устройстве на ковочном прессе с двумя манипуляторами путем обжатия одновременно четырьмя бойками, при которой создают усилия сдвига в заготовке двумя парами бойков так, что верхний боек устройства во время обжатия заготовки движется вертикально вниз навстречу нижнему неподвижному бойку, а два боковых бойка во время обжатия заготовки движутся вниз и навстречу друг другу, с одновременным кручением манипуляторами ковочного пресса участков заготовки, с подачами и кантовками при каждом единичном обжатии, новым является то, что температуру заготовки доводят до температуры из интервала не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации, а при обжатиях сохраняют постоянной длину заготовки путем жесткого закрепления ее концов в манипуляторах, расстояние L между которыми сохраняют постоянным.

Поставленная задача решается также тем, что перед указанным обжатием заготовку предварительно обжимают со степенью деформации 1-5% при каждом единичном обжатии предпочтительно за один или два прохода.

Поставленная задача решается также тем, что периферийную зону заготовки нагревают на 10-60°С выше температуры в осевой зоне заготовки.

Поставленная задача решается также тем, что осуществляют реверсивное кручение участков заготовки.

Поставленная задача решается также тем, что осуществляют кручение одновременно двух участков заготовки, зажатых в манипуляторах, в противоположных направлениях.

Поставленная задача решается также тем, что осуществляют кручение одновременно двух участков заготовки, зажатых в манипуляторах, в одном направлении.

Поставленная задача решается также тем, что по окончании обжатия к заготовке прикладывают растягивающие осевые усилия посредством манипуляторов.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Изменение схемы и режимов деформации, а именно:

- выбор температуры заготовки из интервала не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации;

- сохранение постоянной длины заготовки в процессе ее обжатия путем закрепления концов заготовки в манипуляторах, расстояние L между которыми выдерживают постоянное;

в совокупности с известными признаками заявляемого изобретения обеспечивает при температуре ниже обычной ковочной температуры воздействие на заготовку, кроме схем деформации обжатия и кручения, дополнительной схемы деформации сжатия за счет того, что при обжатии длина заготовки не увеличивается, а это приводит к утолщению (осадке) необжимаемых в определенный момент участков заготовки, которые по мере ее продвижения также обжимаются, вызывая многократное обжатие одних и тех же участков. Таким образом, на заготовку действуют усилия обжатия бойками, сжатия и кручения манипуляторами, т.е. происходит одновременное сочетание схем деформации редуцирования (обжатия), осадки (сжатия) и кручения. В результате в заготовке накапливаются большие деформации, обеспечивающие при указанной температуре формирование микрокристаллической, в т.ч. субмикрокристаллической и нанокристаллической, структуры металла в поковках большого поперечного сечения и, как следствие, повышение их физико-механических характеристик.

Кроме того, предварительное обжатие заготовки со степенью деформации 1-5% при каждом единичном обжатии предпочтительно за один или два прохода с одновременным ее кручением обеспечивает смещение бойков по закручиваемой поверхности заготовки, вследствие чего достигается дополнительная деформация поверхностных слоев металла, которая приводит к формированию мелкозернистой структуры в поверхностных слоях заготовки.

Нагрев периферийной зоны заготовки на 10-60°С выше температуры в осевой зоне заготовки обеспечивает в процессе ковки, при потере температуры в периферийной зоне более чем в осевой, равномерность температуры по всей толщине заготовки и, соответственно, равномерность структуры металла полученной поковки. Кроме того, повышаются пластические характеристики металла в периферийной зоне заготовки, что позволяет устранить разрывы металла на поверхности заготовки при ее интенсивной деформации.

Осуществление реверсивного кручения участков заготовки и/или кручения одновременно двух участков заготовки, зажатых в манипуляторах, в одном направлении и/или в противоположных направлениях способствует получению равномерной деформации в объеме всей заготовки и получению более равномерной структуры металла как в периферийной, так и в осевой зонах заготовки.

Приложение растягивающих осевых усилий к заготовке посредством манипуляторов по окончании обжатия обеспечивает не только выравнивание заготовки, но и в случае применения этой схемы получение дополнительной интенсивной деформации по всему поперечному сечению заготовки, приводящей к измельчению зерна в поковках большого поперечного сечения.

Заявляемый способ изготовления поковок поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема обжатия заготовки в четырехбойковом ковочном устройстве; на фиг.2 - схема обжатия заготовки без увеличения ее длины, зажатой в манипуляторах с неизменным расстоянием L между ними; на фиг.3 - схема обжатия заготовки без увеличения ее длины, зажатой в манипуляторах с неизменным расстоянием L между ними, после смещения манипуляторов на величину подачи заготовки.

Патентуемый способ изготовления поковок с мелкозернистой структурой осуществляют следующим образом.

На первом этапе осуществляют подготовку заготовки к обработке по предлагаемому способу, для чего заготовку 1 нагревают в нагревательной печи до ковочной температуры и с помощью манипулятора 2 с зажимной головкой 3 подают в рабочую зону гидравлического ковочного пресса, где производят его ковку в четырехбойковом ковочном устройстве, которое предварительно установлено на этом прессе. После каждого единичного обжатия осуществляют подачу и кантовку заготовки 1 с помощью манипулятора 2. В процессе обжатия заготовка вытягивается в осевом направлении, и манипулятор 2 передает ее в зажимную головку 4 второго манипулятора 5 (фиг.1, 2).

После этого температуру заготовки 1 доводят до температуры из интервала не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации, при этом периферийную зону заготовки могут нагреть на 10-60°С выше температуры в осевой зоне заготовки. Оба конца заготовки 1 закрепляют в манипуляторах, расстояние L между которыми остается неизменным, для чего манипуляторы 2, 5 могут быть соединены между собой рейками.

Ковку заготовки 1 осуществляют в четырехбойковом ковочном устройстве с подачами и кантовками при каждом единичном обжатии. В процессе ковки создают усилия сдвига в заготовке 1 двумя парами бойков так, что верхний боек 6 устройства во время обжатия заготовки 1 движется вертикально вниз навстречу нижнему неподвижному бойку 7, а два боковых бойка 8, 9 во время обжатия заготовки 1 движутся вниз и навстречу друг другу. При этом при обжатии заготовки 1 четырьмя бойками 6-9 за счет постоянства расстояния L между манипуляторами 2, 5 ее длина остается неизменной, а при обжатии участков заготовки объемы металла из-под бойков перемещаются в направлении к манипуляторам 2, 5, воздействуют на эти манипуляторы, а затем последние за счет сил противодействия сжимают их также в осевом направлении, гася силы деформации и приводя к бочкообразному утолщению (осадке) того участка заготовки, который в данный момент не обжимается. В дальнейшем, при подаче заготовки, именно этот участок обжимается бойками, а необжимаемый утолщается (фиг.2, 3). Таким образом происходит многократное обжатие одних и тех же участков заготовки без увеличения ее длины, что приводит к накоплению больших деформаций и получению поковок с мелкозернистой структурой.

Одновременно с обжатием осуществляют кручение манипуляторами 2, 5 участков заготовки, за счет чего обеспечиваются дополнительные интенсивные сдвиговые деформации в осевой зоне заготовки и по всему поперечному сечению заготовки. При этом могут осуществлять реверсивное кручение участков заготовки одним манипулятором или кручение одновременно двух участков заготовки, зажатых в манипуляторах, в одном и/или противоположных направлениях.

Заготовку могут предварительно (до обжатия с неизменным расстоянием между манипуляторами) обжать со степенью деформации 1-5% при каждом единичном обжатии предпочтительно за один или два прохода с одновременным кручением. При этом осуществляется интенсивная деформация поверхностных слоев металла.

А по окончании обжатия манипуляторы могут быть расцеплены и к заготовке приложены растягивающие осевые усилия посредством этих же манипуляторов для выравнивания заготовки и получения дополнительной деформации по всему ее поперечному сечению.

Кроме того, в начале ковки могут производить биллетировку (выравнивание) слитка за несколько проходов, а в конце ковки - калибровку поковки.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Перед началом ковки в рабочее пространство гидравлического ковочного пресса силой 25 MН с двумя манипуляторами установили четырехбойковое ковочное устройство с четырьмя бойками. Слиток массой 1200 кг из стали Р6М5 нагрели в газовой камерной печи до температуры 1200°С и ковали на гидравлическом ковочном прессе силой 25 МН в четырехбойковом ковочном устройстве. Вначале произвели биллетировку слитка до диаметра 360 мм. После этого заготовку проковали до диаметра 225 мм по способу, принятому в качестве прототипа. Полученную заготовку довели до температуры 850°С и редуцировали в четырехбойковом ковочном устройстве со степенью деформации 3-5% при каждом единичном обжатии с приложением крутящих моментов со стороны манипуляторов до получения заготовки диаметром 200 мм. На следующем этапе заготовку зажали двумя манипуляторами одновременно и выполнили ее обжатия в четырехбойковом ковочном устройстве с приложением крутящих моментов за четыре прохода без увеличения длины заготовки. Диаметр заготовки остался 200 мм. На последнем этапе выровняли заготовку до диаметра 190 мм с приложением к ней растягивающих усилий со стороны манипуляторов. Была получена мелкозернистая структура с равномерным распределением карбидов в объеме заготовки. Выполнили оценку структуры в баллах карбидной неоднородности по сечению поковки (по ГОСТ 19265-73):

- в поверхностном слое (толщиной 10 мм) - 1-й балл;

- на половине радиуса - 3-4-й балл;

- в осевой зоне - 5-й балл.

Пример 2. Слиток массой 5 тонн из стали 45 проковали на прессе силой 25 МН с двумя манипуляторами и четырехбойковым ковочным устройством. Температуру заготовки довели до 600°С и произвели обработку по патентуемому способу. Обжатие осуществляли с одновременным кручением обоих концов заготовки в противоположных направлениях. Получили заготовку диаметром 120 мм. Температура в конце ковки заготовки составляла 410°С. После отжига микроструктурный анализ показал, что в заготовке сформировалась нанокристаллическая структура с размером зерен в периферийном слое около 40-70 нм и в осевой зоне с размером зерен или фрагментов 100-200 нм.