Неполная горячая деформация от горячей отличается:
1. Возможностью изготовления поковок повышенной точности (8…10 квалитет) с высоким качеством поверхности (Rа = 2,5мкм; Rz = 20мкм) и с улучшенными механическими характеристиками (деформационное упрочнение в зависимости от химического состава сплава и условий деформации составляет 20…150% от первоначального предела текучести);
2. Высокими технико-экономическими показателями (коэффициент использования металла достигает 0,68…0,95, трудоемкость последующей обработки резанием снижается на 25…75%);
3. Снижением уровня технологической себестоимости штампованной поковки, обусловленным меньшими затратами на нагрев и практическим отсутствием потерь металла в результате окалинообразования;
4. Повышением эксплуатационных характеристик деталей, изготовленных из штампованных поковок, в результате образования благоприятной макро- и микроструктуры поковки.
По сравнению с холодной штамповкой неполную горячую осуществляют при приложении меньших удельных деформирующих сил, что приводит к увеличению стойкости рабочих деталей штамповой оснастки, возможности изготовлять поковки из более высокопрочных сталей и сплавов, использовать кузнечное оборудование меньшей мощности.
В условиях неполной горячей деформации пластичность металлов и сплавов выше, чем при холодной. Это позволяет сократить число переходов при штамповке.
Наиболее широкое распространение объемная штамповка в условиях неполной горячей деформации получила для изготовления поковок из среднеуглеродистых и жаропрочных сталей, титановых сплавов.
Листовая штамповка
При листовой штамповке исходной заготовкой является лист, полоса или лента, свернутая в рулон, полученная прокаткой, имеющая постоянную толщину.
Листовой штамповкой могут быть изготовлены как плоские, так и пространственные заготовки, которые обычно подвергают незначительной последующей механической обработке, а в ряде случаев они могут поступать на сборку без механической обработки. Технологический процесс листовой штамповки обычно состоит из ряда операций и переходов, осуществляемых в штампах. Штампы представляют собой приспособления, содержащие рабочий инструмент, осуществляющий заданное формоизменение заготовки, а также направляющие, фиксирующие крепежные детали. Штампы закрепляют в рабочих элементах пресса, молота или иной машины - орудия. Сложность конструкции, а, следовательно, и стоимость штампа зависят от серийности производства и определяют целесообразность изготовления деталей листовой штамповкой. Себестоимость заготовок, получаемых листовой штамповкой, в основном определяется стоимостью расходуемого металла и доли стоимости штампа, приходящейся на штампуемую деталь. Количество операций и переходов, а, следовательно, и длительность технологического цикла штамповки определяется сложностью конфигурации штампуемой детали и требованиями к точности размеров и чистоте ее поверхности.
Инструментальные стали, жаропрочные стали и сплавы обладают пониженной пластичностью и высоким сопротивлением деформированию. Допустимые степени деформации таких материалов лежат в пределах 40…90 %. При горячей объемной штамповке заготовок применяют водно-графитовые смазки, сульфитно-спиртовую барду, соляной раствор с добавками селитры и масляные смазки. В некоторых случаях используют стеклосмазки и стеклоэмали. Для тяжелых условий эксплуатации штампов рекомендуются смазки, например, суспензия жидкого стекла (15…20 %) и коллоидного графита (10…15 %) и 30 % эмульсии КРПД (10 % олеиновой кислоты, 4 % триэтаноламина, остальное минеральное масло И-20А).
Назначение припусков, допусков и напусков, а также проектирование технологического процесса получения на молотах заготовок из труднодеформируемых жаропрочных сталей и сплавов имеет ряд особенностей. Чтобы исключить возможность образования в заготовке разнозернистой структуры, штамповку производят при степени деформации, превышающей критическую (5…15 %). Температура штамповки при этом должна быть выше температуры рекристаллизации, а степень деформации за один нагрев – не менее 15…20 %. Для получения оптимальной структуры и предупреждения образования трещин в заготовках из труднодеформируемых жаропрочных сплавов целесообразно штамповать крупные поковки на гидравлических прессах с применением инструмента из жаропрочного материала, нагретого до 600…800 о С.
Штамповка цветных металлов и сплавов имеет ряд специфических особенностей.
Штамповку алюминиевых сплавов
проводят на молотах, гидравлических и винтовых прессах.
Реже используются кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП). Наиболее высокие механические свойства при штамповке алюминиевых сплавов и наименьшую анизотропию получают при общей деформации 65…75 %. Критические деформации лежат в пределах 12…15 %, поэтому штамповку сплавов следует проводить с обжимом заготовки за каждый ход машины на 15…20 % и более. При изготовлении сложных поковок штамповку осуществляют за несколько переходов. Для штамповки малопластичных сплавов используются закрытые штампы. Хрупкие алюминиевые сплавы типа системы алюминий-берилий и спеченные алюминиевые порошки штампуют с противодавлением или с применением пластичных оболочек.
Штамповку магниевых сплавов следует осуществлять при степени деформации более 15 % на каждом переходе. Для этого используют механические и гидравлические прессы, а также молоты. Большинство магниевых сплавов становятся более пластичными при уменьшении скорости деформации, общая степень деформации при штамповке может достигать 70…80 %.
Объемную штамповку меди и медных сплавов осуществляют при температурах нагрева 900…950 о С, при этом за каждый ход пресса степень деформации должна превышать 15 %.
Титановые сплавы при объемной горячей штамповке деформируются крайне неравномерно с образованием разнозеренной структуры. Деформация титанового сплава за каждый ход пресса должна превышать критическую, равную 15…20 %. Общая степень деформации не должна быть более 85…90 %. Штамповку рекомендуется осуществлять в открытых штампах на молотах, винтовых, кривошипных и гидравлических прессах. Для предотвращения газонасыщения поверхности заготовки и образования альфированного слоя при нагреве на титановую заготовку рекомендуется нанести защитно-смазочное покрытие из стекла, эмали или водно-графитовой смеси.
Производство штамповок дисков из жаропрочных никелевых и титановых сплавов. Для решения важнейшей задачи обеспечения производства малоразмерных газотурбинных двигателей экономичными, высококачественными заготовками дисков из высокожаропрочных никелевых и высокопрочных титановых сплавов с эффективными технико-экономическими показателями разработан комплекс принципиально новых технологий, реализованных на вновь созданном специализированном уникальном оборудовании для выплавки и обработки давлением, не имеющих аналогов в отечественной и зарубежной промышленности.
Разработанный технологический процесс предполагает использование в качестве исходной заготовки для изотермической штамповки в режиме сверхпластичности как серийного пресс-прутка, так и впервые в мировой практике непосредственно мерного слитка, полученного методом высокоградиентной направленной кристаллизации (ВГНК).
Для реализации данного процесса в институте разработана специальная технология производства жаропрочных сплавов, включающая глубокое обезуглероживание и рафинирование расплава, применение шихтовых материалов повышенной чистоты по примесям, комплексное рафинирование редкоземельными металлами, использование всех видов отходов металлургического и литейного производств жаропрочных сплавов.
Разработанная технология обеспечивает ультравысокую чистоту жаропрочного сплава по примесям, достижение узких интервалов легирования, экономию дорогих и дефицитных материалов.
Создана не имеющая аналогов в мировой практике высокоградиентная технология направленной кристаллизации, для реализации которой впервые в отечественной и зарубежной практике спроектированы и изготовлены на производственной базе ВИАМ специализированные вакуумные плавильно-заливочные комплексы с компьютерными системами управления для высокоградиентной направленной кристаллизации заготовок из гетерофазных сплавов под деформацию УВНК-14, УВНК-10. В ВИАМ создана единая система компьютерного управления технологическими процессами литья заготовок.
Во ФГУП «ВИАМ» разработаны принципиально новые способы термомеханической обработки труднодеформируемых гетерофазных сплавов, обеспечивающие формирование регламентированных структур с повышенной технологической пластичностью и проявлением сверхпластичности при оптимальных температурно-скоростных параметрах деформации.
В результате разработана уникальная технология обработки давлением, обеспечивающая изготовление заготовок дисков сложной геометрии с гарантированным уровнем свойств из сложнодеформируемых никелевых сплавов – изотермическая штамповка на воздухе.
В качестве основного механизма для достижения пластичности металла и однородности его структуры используется процесс контролируемой динамической рекристаллизации.
Отличительной особенностью новой комплексной энерго-и ресурсосберегающей технологии, по сравнению с зарубежными, является то, что высокотемпературная изотермическая штамповка производится на воздухе, а не в конструкционносложных вакуумных установках с молибденовыми штампами.
В отличие от применяемой за рубежом штамповки в вакуумной атмосфере, впервые в отечественной практике разработаны и применены высокоресурсный жаропрочный сплав для штампов и специальные защитные антиокислительные покрытия, являющиеся одновременно высокотемпературной смазкой при деформации.
Разработаны специальные защитные технологические высокотемпературные эмалевые покрытия для защиты деталей из жаропрочных Ni и Ti сплавов. Разработанные в ВИАМ защитные технологические покрытия позволяют производить безокислительный технологический нагрев сталей в обычных печах вместо печей с контроллируемой атмосферой. Применение защитных покрытий в технологических процессах позволяет получать точные штамповки, экономить металл до 30%, электроэнергию – до 50%. Покрытия повышают стойкость штамповой оснастки в 2–3 раза.
Для практической реализации разработанных технологий в ВИАМ создано опытно-промышленное производство по изготовлению штамповок дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок. Проведена модернизация технологического оборудования, позволяющая осуществлять в автоматическом режиме процессы нагрева и формоизменения заготовки по разработанной компьютерной программе с точным исполнением оптимальных термомеханических параметров деформации. Изготовление штамповок осуществляется на изотермических прессах усилием 630 и 1600 тс с индукционным нагревом штампов.
Для изотермической штамповки при температурах до 1200°С на воздухе разработана композиция высокоресурсного жаропрочного штампового сплава, а также защитно-технологические покрытия, являющиеся одновременно эффективными технологическими смазками при штамповке. Разработанные технологии и комплекс созданного оборудования для их осуществления не имеют аналогов в отечественной и зарубежной промышленности, а технология высокотемпературной изотермической штамповки на воздухе превосходит мировой уровень.
Технология обеспечивает:
- получение экономичных высокоточных штамповок из высокожаропрочных труднодеформируемых сплавов за счет реализации эффекта сверхпластической деформации при оптимальных термомеханических параметрах;
- увеличение коэффициента использования материала КИМ в 2–3 раза за счет уменьшения технологических припусков в процессе штамповки и механической обработки;
- снижение трудоемкости и энергоемкости производства в 3–5 раз за счет сокращения операций при штамповке и механической обработке деталей;
- повышение производительности процесса в 4–5 раз;
- повышение однородности макро- и микроструктуры и снижение дисперсии механических свойств в 1,5–2 раза;
- снижение стоимости штамповок на 30–50%.
Таблица 10
Технические данные абразивно - отрезного станка модели 8552 .
Абразивный материал выбирают в зависимости от вида разрезаемого металла. Для разрезки сталей или жаропрочных сплавов рекомендуют круги из электрокорунда. Зернистость выбирают в зависимости от режима работы и требуемых шероховатости и точности поверхности реза. Для разрезания сталей применяют круги с менее крупным зерном, чем для цветных металлов. Твердость круга должна быть такой, чтобы при работе абразивные зерна выкрашивались по мере затупления, образовывались новые режущие грани и обнажались новые зерна. Преимущества абразивной разрезки: высокая геометрическая точность и малая шероховатость поверхности, среза (R а = 0,32 - 1,25 мкм), возможность разрезки высокопрочных металлов любой твердости, высокая производительность .
4.7. Нагрев заготовок под штамповку
Процессы ковки и штамповки, осуществляемые при высоких температурах, можно рассматривать как совместные процессы ОМД и термического воздействия на них. Тепловые воздействия на металл приводит к потере им упругих свойств, существенному уменьшению его сопротивления деформации и к резкому повышению пластичности. В процессе горячей ОМД происходит снятие появляющихся напряжений, в частности при возврате и рекристаллизации металла.
Оптимальный режим штамповки должен обеспечить необходимые условия для успешного проведения процесса, а также высокое качество поковок, при котором вредное влияние тепла ограничивается. Поэтому термический режим разрабатывается для каждого сплава с учетом исходной структуры металла, его объёма, соотношения размеров заготовки и назначения поковки. Одной из главных задач при разработке технологического процесса является определение соответствующего температурного интервала, т. е. температуры начала и конца обработки металла. Для правильного выбора температурного интервала необходимо учитывать следующие факторы:
- Металл должен обрабатываться давлением в температурном интервале максимальной пластичности. Для этой цели для большинства сплавов построены диаграммы пластичности, представляющие собой совокупность температурных зависимостей прочностных и пластических характеристик сплава.
Металл необходимо деформировать в состоянии, соответствующем области твердого раствора сплава без малейших признаков перенагрева или пережога и желательно заканчивать деформацию при таких температурах, чтобы не происходило вторичных фазовых превращений. Для этих целей используется анализ диаграммы состояния сплава .
Деформацию следует производить при таких температурах, когда в процессе ее происходит измельчение структуры, а не рост зерен. Эта информация устанавливается при анализе диаграммы рекристаллизации сплава.
Для сплава ЭИ868 температурный интервал под горячую объемную штамповку составляет от 1130 до 1150 0 С . Для сплава ЭИ868 рекомендуется применять нагрев в электрической печи. Электронагрев по расходу энергии на тонну заготовок менее экономичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко применяют, так как он повышает производительность труда, позволяет провести полную автоматизацию и обеспечить высокую стабильность процесса, улучшить условия труда и сократить потери металла на окалинообразование .
Потеря металла в виде окалины при нагреве в печах электросопротивления составляет 0,2 - 0,4 % массы нагреваемого металла, что почти в десять раз меньше, чем при нагреве в пламенных печах. Уменьшение окалины повышает качество поковок и увеличивает стойкость штампов кузнечно-прессового оборудования. Технологические преимущества электронагревательных устройств особенно эффективны в серийном поточном производстве.
В данном технологическом процессе предлагается использовать карусельную нагревательную печь электросопротивления, температура в печи 1140 ± 5 0 С, количество заготовок в печи - 50 штук. Время нагрева одной садки около 1,15 часа при разогреве печи или 0,3 часа в условиях работы с предварительно нагретой печью. Температуру в печи контролируют с помощью оптического пирометра М90 - Р1 с записью в специальном журнале. В табл. 12 приведены технические характеристики карусельной нагревательной печи.
Таблица 12
Технические характеристики печи электросопротивления .
4.8. Горячая объемная штамповка
4.8.1. Определение потребного усилия пресса и выбор технологического оборудования
В новом варианте технологического процесса штамповка производится на винтовом фрикционном прессе. Свободный ход фрикционного пресса позволяет деформировать металл в каждом ручье штампа за несколько ударов. Достигаемая при этом дробная деформация может быть в сумме даже больше деформации эквивалентного кривошипного горячештамповочного пресса. Возможность использования нижнего выталкивателя значительно расширяет номенклатуру штампуемых изделий и позволяет работать с небольшими штамповочными уклонами, а в разъёмных по вертикали матрицах - даже без уклонов для полостей, "попадающих в плоскость разъёма. Фрикционные прессы имеют относительно большую скорость деформирования по сравнению с другими прессами, однако течение металла при штамповке на этих прессах аналогично штамповке на других прессах. В последние годы фрикционные прессы значительно модернизировали, они стали более быстроходными, а в некоторых конструкциях выполнено хорошее направление ползуна, что позволяет производить штамповку в многоручьевых штампах. В данном случае штампуется сразу две детали. В таблице 13 приведена техническая характеристика фрикционного пресса.
Определим потребное усилие пресса.
В таблице 13 приведены технические параметры фрикционного пресса, рекомендуемого для горячей объемной штамповки.
Таблица 13
Технические характеристики винтового фрикционного пресса.
4.8.2 Технология изготовления штампа и материалы для изготовления штампов
Штампы для горячей объемной штамповки работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются многократному воздействию высоких напряжений и температур. Интенсивное течение горячего металла по поверхности штампа вызывает истирание ручья, а также дополнительный нагрев инструмента. На поверхности ручья образуются так называемые разгарные трещины. Поэтому штамповые стали должны отличатся высокими механическими свойствами, сочетая прочность с ударной вязкостью, износостойкостью, разгаростойкостью и сохранять эти свойства при повышенных температурах.
Материалы для штампов должны хорошо прокаливаться при термообработке и обрабатываться на металлорежущих станках. Желательно, чтобы штамповая сталь не содержала дефицитных элементов и была дешевой.
Валы и диски газотурбинных двигателей, работающие при повышенных температурах и нагрузках, передающие большие крутящие моменты изготовляют из высококачественных и дорогостоящих никелевых сплавов. Поставка валов и дисков ответственного назначения осуществляется в термически и механически обработанном состоянии с обеспечением полного металлургического контроля качества, включающего контроль свойств, ультразвуковой контроль, контроль поверхности люминесцентным (капиллярным) методом, а также контроль макро- и микроструктуры штамповок.
Многолетний опыт в области производства штамповок из жаропрочных сплавов позволяет успешно решать задачи изготовления сложных штамповок валов и дисков с учетом требований заказчика. Разработанные технологии, в первую очередь, ориентированы на минимизацию расхода металла и получение максимально высокого комплекса свойств за счет создания регламентированной структуры в процессе деформации и термической обработки.
Существуют три основных вида штамповки жаропрочных сплавов по температуре оснастки :
традиционная горячая штамповка в относительно холодных штампах;
штамповка в обогреваемых штампах, при которой Т штампа на 200400С ниже температуры заготовки;
изотермическая штамповка, при которой температуры штампа и заготовки равны.
Температурный интервал, в пределах которого жаропрочный сплав, может быть, подвергнут горячей обработке давлением, относительно невелик и зависит от состава сплава. Для жаропрочных сплавов на основе никеля температурный интервал деформируемости в горячем состоянии сужается при переходе от сплавов с малым объемным содержанием -фазы к сплавам с повышенным ее содержанием. Для большей части операций деформации этот интервал определяется температурой начала плавления, с одной стороны и температурой -сольвуса, с другой. С увеличением объемной доли -фазы температура начала плавления сплава понижается, а температура -сольвуса повышается. Одновременно повышается температура рекристаллизации и снижается пластичность. Ширина интервала технологической пластичности может составлять, т. о. всего 10С. Дополнительные трудности возникают в следствии адиабатического разогрева заготовки, особенно существенного при повышенных скоростях деформации, а также в следствии захолаживания материала стенками штампа. При выборе оптимальных условий горячей деформации жаропрочных сплавов необходимо учитывать всю совокупность технологических факторов, включающую:
характеристики пластического течения заготовки, зависящие от микроструктуры, температуры, степени деформации и скорости деформации;
свойства материала матрицы, определяемые составом, температурой и величиной контактных напряжений;
свойства смазки в зазоре между заготовкой и стенками штампа, выражаемые коэффициентом трения и коэффициентом теплопередачи;
характеристиками штампового оборудования;
микроструктуру штампованной детали и связанные с нею механические свойства.
Большинство поковок дисков выполняют на молотах и гидравлических прессах в стальных штампах, подогреваемых до температуры 200450°С, т.е. до лимитированной температуры отпуска материала штампа. При штамповке на молотах наблюдается существенная неравномерность температуры, степени и скорости деформации по объему заготовки. Неравномерность деформации проявляется в виде застойных зон и зон сосредоточенной деформации. При температуре заготовки в начале штамповки 1150°С ее поверхностные слои захолаживаются до 600-1000°С, а повышенная скорость деформирования (6-8 м/с) приводит к росту сопротивления деформации, затруднению заполнения полости ручья штампа и повышению его износа. Локализация деформации и теплового эффекта деформации приводят к структурной неоднородности поковок, которая не устраняется последующей термической обработкой. Однако высокая мощность молотового оборудования в сочетании с очень тонким контролем процесса штамповки позволяют решить сложную задачу получения заданной микроструктуры путем реализации широкого диапазона энергий удара (от легкого касания до полного удара), выполняемых с достаточно высокими воспроизводимостью и точностью.
Для штамповки вращающихся деталей реактивных двигателей рекомендуется штамповка в закрытых штампах с целью повышения деформационной проработки периферийных частей поковок, а для уменьшения захолаживания поверхностных слоев заготовок – использование в качестве материала штампов жаропрочных сталей, допускающих подогрев штампа до 500700°С. Кроме того известно, что штамповка на молотах значительно дешевле штамповки на гидравлических прессах.
Более благоприятные скоростные условия деформации реализуются при штамповке на гидравлических прессах. При штамповке на прессах появляется возможность снижать температуру нагрева на 50100°С при сохранении тех же удельных усилий, что и при молотовой штамповке. При переходе от динамического приложения нагрузки на молотах к статическому на прессах при той же пластичности сплавов снижается их сопротивление деформации. Однако быстрое остывание заготовок вследствие длительного контакта с относительно холодным штампом снижает эффект, достигаемый за счет снижения деформирующих усилий при штамповке с малыми скоростями.
Выходом из положения является применение изотермической штамповки и штамповки в обогреваемых штампах. Основной принцип изотермической штамповки заключается в обеспечении равенства температуры заготовки и температуры штампа. В этом случае поковка не охлаждается и деформирование может происходить с пониженной скоростью при небольшом сопротивлении деформации. Применение первого или второго варианта штамповки определяется как техническими, так и экономическими обстоятельствами.
При штамповке никелевых сплавов в обогреваемых штампах успех во многом определяется правильным выбором высокотемпературной смазки. Штамповка сплавов на основе никеля осуществляется с использованием смазок на основе стекла, поскольку эти смазки обеспечивают гидродинамический режим трения с коэффициентом трения < 0,05. Различные фирмы ограничивают температуру инструмента при штамповке в обогреваемых штампах 750850°С. Перепад температур в пределах 200400°С между заготовкой и штампом приводит к незначительному остыванию заготовки, которое компенсируют повышением скорости деформирования с целью сокращения времени контакта штампа с заготовкой. Этот прием является компромиссом между изотермической и обычной штамповкой и широкого практического применения при штамповке никелевых сплавов не нашел.
Перечисленные недостатки традиционных способов штамповки и штамповки в обогреваемых штампах поковок из никелевых сплавов, постоянно растущие мощности штамповочного оборудования и повышенные требования к точности и свойствам штампованных поковок заставили производителей обратить основное внимание на внедрение изотермической штамповки. Предотвращение потерь тепла и, как следствие, поверхностного захолаживания заготовки, обусловливают следующие преимущества изотермической штамповки: меньшие деформирующие усилия, лучшее заполнение полости штампа и возможность штамповки поковок сложной формы с тонкими ребрами и полотнами, возможность штамповки сплавов с узким температурным интервалом и при более низких температурах, повышение пластичности заготовок, большая равномерность деформации и высокая точность поковок.
Изотермическая штамповка требует дополнительных затрат, связанных с применением уникальных и дорогостоящих жаропрочных штамповых материалов, мощных электрических или газовых устройств для обогрева штампов, специальных гидравлических прессов с пониженной скоростью перемещения плунжера. При изотермической штамповке никелевых сплавов применяют штампы из молибденовых сплавов. Наиболее широкое распространение получил молибденовый сплав TZM (0,5 Ti; 0,1 Zr; 0,01-0,04 С) с карбидным упрочнением. Сплав плотностью 10,2 г/см 3 обладает высокими прочностью и сопротивлением ползучестью до 1200°С. Заготовки массой до 4,5 т получают порошковой металлургией путем изостатического прессования, спекания и последующей ковки. Основные недостатки молибденовых штампов – высокая стоимость и интенсивное окисление при температурах выше 600°С. Поэтому процесс штамповки проводят в вакууме или в защитной атмосфере, для осуществления которого разработаны специальные установки на станине пресса для подачи заготовки в рабочую зону через шлюз с помощью механической системы транспортировки и сложной системы контроля температуры.
Более простым и технологичным приемом изотермирования очага деформации является теплоизоляция нагретой заготовки от соприкосновения с холодным инструментом. В качестве теплоизолирующих слоев могут применяться расплавы солей, стекло, керамика, асбест и сталь. Они несколько затрудняют контроль размеров, но зато существенно снижают растрескивание, обусловленное захолаживанием заготовки инструментом. Затраты на защитные покрытия окупаются вследствие меньших припусков на механическую обработку. В промышленности для этих целей широко используют стеклянные, эмалевые и стеклоэмалевые покрытия, которые наряду с теплоизоляционными свойствами, выполняют роль смазки. Стеклосмазки обеспечивают незначительное падение температуры в процессе переноса заготовки из нагревательных устройств, однако не дают возможности поддерживать изотермические условия в течение всего процесса деформации заготовки. В последние годы появились публикации об исследованиях изотермической и соответственно сверхпластической штамповки в холодном инструменте за счет использования гибких органических тканей-прокладок между инструментом и нагретой заготовкой. Ряд американских фирм при штамповке титановых и никелевых сплавов использует гибкую керамическую ткань Nextell, применяемую для изоляции в космических системах «Шатл». Прокладка выдерживает температуру нагрева до 1400С. В отечественной промышленности в качестве теплоизолирующих прокладок опробуется муллитокремнеземный войлок.
Технология изотермической штамповки позволяет также осуществлять штамповку в условиях сверхпластичности, что является идеальным для точной штамповки поковок сложной формы с тонкими ребрами. Реализация условий сверхпластической деформации снижает расход металла более чем в 2 раза, при этом уменьшаются затраты на обработку резанием, появляется возможность штамповки поковок сложной формы за один ход пресса. Например, при штамповке турбинного диска из сплава Astroloy способом «геторайзинг» масса исходной заготовки – 72,6 кг, а масса диска после обработки резанием – 68 кг. Ранее такие диски получали обычной штамповкой из заготовки массой 181 кг. Как свидетельствуют расчеты, сверхпластическое деформирование является серьезной альтернативой при использовании обычных прессов усилием от 50 МН. Выгоды от снижения усилия прессования превосходят затраты на обогрев штампов и защитную атмосферу.
По сравнению с традиционными методами метод изотермической штамповки позволяет изготавливать изделия сложной формы с высокой точностью, с заданной структурой и физико-механическими свойствами. Максимальный диаметр штампуемых заготовок - 1000 мм. Благодаря минимальным припускам значительно сокращаются расходы на последующую механическую обработку изделий.
Технология обеспечивает:
повышение ресурса и эксплуатационных характеристик деталей на 20-25%
уменьшение в 1,5-3 раза расхода металла
снижение в 10 раз мощности используемого кузнечно-прессового оборудования
значительное сокращение себестоимости изделий
В частности, заготовка корпуса тормоза для самолета ТУ-204 получена методом изотермической штамповки при температуре 950 O С из титанового сплава ВТ9 (вес 48 кг, коэффициент использования металла - 0,53). Технология позволяет исключить болтовые и сварные соединения в конструкции корпуса, снизить на 19% массу детали, повысить в 2 раза срок эксплуатации, сократить расход титанового сплава, уменьшить на 42% объем механической обработки.
Заготовка диска привода подпорных ступеней авиационного двигателя получена газовой формовкой (аргон) в изотермических условиях при температуре 9600С из титанового сплава ВТ9 (вес - 18 кг, коэффициент использования металла - 0,58). Технология позволяет исключить сварные соединения в детали, повысить на 15% ресурс эксплуатации, сократить расход титанового сплава, снизить на 52% объем механической обработки.
Материалы используемые для штамповки: - алюминиевые, магниевые, медные, латунные сплавы; - электротехнические и автоматные стали.
Габариты штампуемых заготовок: - диаметр 10...250 мм; - высота 20...300 мм; - масса 0,05...5,0 кг.
Используемое оборудование: - пилы для разделки исходного материала; - прессы (гидропрессы усилием от 160тс до 630тс); - электропечи для разогрева исходных и для закалки штампованных заготовок; - универсальное металлорежущее оборудование.
Изотермическая штамповка заготовок сложного профиля
Магниевые заготовки
Рис.3.2. Титановый сплав
Рис.3.3.Титановый сплав
Потребность повышения рабочих температур никелевых сплавов и соответствующий рост степени их легирования, а также ограничения, связанные с ликвацией при литье слитков, гетерогенизация структуры и, как следствие, снижение технологической пластичности и стабильности эксплуатационных свойств открыли перспективу развития технологии порошковой металлургии . Уже к середине семидесятых годов стало возможным создание газовой турбины, практически полностью изготовленной методами порошковой металлургии . Известны следующие схемы обработки порошков-гранул с использованием пластической деформации :
спекание + изотермическая штамповка;
ГИП + обычная штамповка;
ГИП + экструзия + изотермическая штамповка.
Области применения определяют и границы использования порошковой технологии для изготовления деталей из суперсплавов для газовых турбин. Порошковые суперсплавы применяют в тех случаях, когда «обычные детали», изготовленные методами литья и штамповки, не отвечают предъявляемым рабочими условиями требованиям. Разрушение обычных материалов, как правило, происходит в результате образования сегрегации, что вызывает ухудшение механических свойств или их нестабильность и снижение термомеханических свойств. В таких случаях порошковая технология, вполне может заменить другие (более предпочтительные) методы изготовления деталей, не способные обеспечить требуемое качество изделий.
После того как в процессе летных испытаний дисков полученных ГИП в двигателе F 404 в 1980 с перерывом в два месяца два истребителя F 18 ВМС США потерпели аварию, зарубежные фирмы отдают предпочтение технологическим схемам, включающим пластическую деформацию.
Разработанный фирмой Pratt and Whitney в конце 60-х годов процесс «геторайзинг» позволил традиционно необрабатываемые литые никелевые сплавы, такие как сплав IN100, подвергать штамповке подобно деформируемым сплавам. Сущность процесса заключается в том, что материал заготовки методом прессования переводят в сверхпластичное состояние, а затем изотермической штамповкой в определенных температурно-скоростных условиях штампуют полуфабрикаты, близкие к конечной форме изделия. Процесс запатентован фирмой разработчиком и пригоден только для сплавов, способных проявлять сверхпластичность. В сочетании с термической обработкой этот процесс обеспечивает более высокую прочность при повышенных температурах и большую долговечность при жаропрочных испытаниях, чем у литейных и обычных деформируемых сплавов, и наиболее эффективен доя изготовления сплошных изделий типа дисков.
С помощью процесса «геторайзинг» получены из сплава IN100 на прессе усилием 18МН такие изделия, которые традиционным способом невозможно изготовить даже на прессе усилием 180МН (180000 т).
В настоящее время конфигурация штамповок для дисков авиационных двигателей определяется возможностями ультразвуковой дефектоскопии, хотя применяемые методы деформации с малыми скоростями позволяют получать более точные и легкие заготовки.
