Ковка быстрорежущей стали

31.05.2018
Быстрорежущую сталь обычно отливают в слитки весом 200—300 кг. Чем меньше вес и сечение слитка, тем меньше в нем карбидная ликвация и лучше его структура.

А. Способы выполнения ковки. Наряду с получением заготовок требуемой формы ковка быстрорежущей стали имеет задачей:

1) разрушить дендритную кристаллизацию слитка и ледебуритную эвтектику литой стали;

2) измельчить карбиды и создать равномерное распределение их по объему заготовки, так как последующая термическая обработка ледебуритной стали не может заметно воздействовать на распределение первичных карбидов, выпадающих из жидкой фазы и не переходящих в твердый раствор при нагреве для закалки.

Ледебуритная эвтектика литой быстрорежущей стали разрушается после уменьшения площади первоначального поперечного сечения слитка при вытяжке примерно в 7—12 раз. Так как средний диаметр слитка весом 250 кг составляет около 200 мм, то, следовательно, ледебуритную эвтектику можно практически полностью раздробить при вытяжке слитка на прутки диаметром 50—80 мм (в зависимости от марки быстрорежущей стали и условий горячей механической обработки). Прокатка слитка воздействует на структуру металла менее эффективно, чем ковка, так как при ковке можно изменять силу удара молота, кантовать слиток, в результате чего горячая механическая обработка путем ковки более энергично изменяет структуру в толще металла.

Однако раздробление ледебуритной эвтектики еще не создает равномерного распределения карбидов по объему металла и не приводит к достаточному измельчению первичных карбидов. Te же данные технической литературы и наши исследования показывают, что под влиянием вытяжки металла при прокатке или ковке свободные карбиды вытягиваются в виде полос вдоль направления вытяжки, создавая характерную карбидную полосчатость. Если в прутках диаметром 60—80 мм не обнаруживаются следы ледебуритной эвтектики, то карбидная полосчатость, как это было показано выше на фиг. 6, сохраняется часто даже в прутках диаметром 40—50 мм.

Дальнейшая вытяжка при ковке или прокатке позволяет более энергично воздействовать на структуру стали. Опыт показывает, что в прутках диаметром 20—25 мм значительная карбидная неоднородность наблюдается редко. По этой причине действующий ОСТ на быстрорежущую сталь не требует оценки микроструктуры по балльной системе для прутков диаметром менее 40 мм. Таким образом инструмент, изготовленный из прутков быстрорежущей стали диаметром менее 20—25 мм, может иметь лучшую структуру и соответственно более высокую стойкость, чем инструмент, изготовленный из прутков диаметром 40—50 мм и выше.

Технически возможно несколькими способами улучшить структуру металла в заготовках диаметром более 40—50 мм.

1. Известно, что чем ниже температура окончания ковки (или прокатки) быстрорежущей стали, тем больше ее воздействие на структуру стали и тем более значительным оказывается раздробление карбидов, так как менее пластичный материал лучше передает удары при ковке в нижележащие слои металла. Поэтому в случае окончания ковки на каждом переходе при 850—870° и ниже можно получить достаточно однородную структуру в прутках диаметром более 30—40 мм.

Однако этот способ нельзя широко рекомендовать, так как при снижении температуры окончания ковки с 900—950° до 850—870° пластичность стали резко уменьшается. Это не только снижает производительность ковки и требует применения более мощного оборудования, но и увеличивает в ряде случаев процент брака вследствие образования трещин в поковках. Надо отметить, что в американской технической литературе рекомендуется заканчивать ковку быстрорежущей стали с пониженным содержанием вольфрама при 870° В то же время английская техническая литература, данные которой цитируются без возражений в американских журналах, рекомендует оканчивать ковку аналогичных марок стали при температуре не ниже 930°. Наши неоднократные наблюдения на заводах показали, что температура окончания ковки должна быть принята 920—950° для стали марок РФ1 и ЭИ262 и может быть лишь немного ниже (900—930°) для несколько более пластичной стали ЭИ184.

2. Увеличение диаметра слитка за счет увеличения его веса позволяет достигнуть большего уменьшения площади поперечного сечения при ковке или прокатке на требуемый профиль, чем при ковке на такой же профиль слитка меньшего диаметра. Такой путь указывают, например, Гроссман и Бейн. Однако реальная эффективность этого способа невелика. Во-первых, сечение, а следовательно, и вес слитка увеличивается быстрее, чем его диаметр (пропорционально квадрату диаметра): так, например, слиток со средним диаметром 200 мм весит 250 кг, а слиток таком же длины, но диаметром 270 мм, весит 400—450 кг, т. е. почти в два раза больше; во-вторых, с увеличением площади сечения слитка ухудшается качество металла — возрастают дендритная кристаллизация, карбидная ликвация и т. д., что в свою очередь усложняет задачи ковки. Кроме того, увеличение размеров слитка требует установки более мощного кузнечного оборудования.

3. Уничтожение карбидной полосчатости и необходимое измельчение крупных карбидов возможно при «перепутывании» волокон в заготовке и всесторонней проковке, достигаемой сочетанием операций вытяжки и осадки при ковке. Для этой цели прутки разрезают на заготовки необходимой длины, а затем проводят ковку заготовок путем попеременной осадки и вытяжки. Этот способ позволяет создать достаточно удовлетворительную структуру даже в заготовках диаметром 80—100 мм. Наш опыт и данные технической литературы показывают, что фасонный инструмент, изготовленный из кованых таким способом заготовок, обладает стойкостью, примерно, в два раза более высокой, чем инструмент, изготовленный непосредственно из кованых или катаных прутков без дополнительной осадки и вытяжки их.

На фиг. 27 и 28 приведена микроструктура стали РФ1 из прутка диаметром 60 мм для края и сердцевины прутка, а на фиг. 29 и 30 — микроструктура этих же заготовок, но после дополнительной ковки путем однократной осадки и вытяжки. Микроанализ показывает, что этот способ ковки значительно улучшает структуру стали. Однако сердцевина заготовки сохраняет большую карбидную неоднородность, чем поверхностные слои.

Вторичная осадка и вытяжка таких заготовок позволяют дополнительно улучшить структуру и получить более однородное распределение карбидов также и в сердцевине заготовки. Такая двукратная обработка необходима в случае изготовления инструмента из заготовок большого диаметра, например 70—80 мм, или при изготовлении инструмента, режущая грань которого находится ближе к сердцевине прутка (фрезы с высоким зубом, плашки и т. п.).

Применение этого способа ковки несколько усложняет технологию изготовления инструмента, так как требует выполнения дополнительных операций. Заготовки быстрорежущей стали, поступающие после разрезки прутков, до передачи на механическую обработку должны в этом случае пройти операцию ковки, а затем отжиг. Однако это усложнение процесса обработки инструмента полностью окупается повышением его стойкости в работе, что видно хотя бы из следующего примерного расчета. По данным калькуляции одного из металлообрабатывающих заводов, стоимость заготовки, нарезанной из прутка стали РФ1 диаметром 55 мм, для резьбовой фрезы диаметром 52 мм, составляет примерно 30—35%, а стоимость ее последующей механической и термической обработки, шлифовки, цианирования и контроля примерно 65—70% от общей стоимости готовой фрезы. Применение дополнительной ковки заготовки осадкой и вытяжкой повышает стоимость заготовки на 40—50%, но по отношению к стоимости готовой фрезы этот расход составляет 15—18%. Однако систематические наблюдения стойкости фрез в работе, выполненные на том же заводе, показали, что стойкость резьбовых фрез, изготовленных из шайб, возрастает до 180—210%, если за 100% принять стойкость фрез, нарезанных из прутка без дополнительной ковки.

Применение ковки заготовок путем осадки и вытяжки является особенно эффективным способом улучшения структуры быстрорежущей стали и повышения стойкости инструмента в случаях:

а) когда диаметр заготовки составляет 40—100 мм, так как прутки меньшего диаметра имеют в большинстве случаев достаточно удовлетворительную структуру после обычной вытяжки при горячей механической обработке, а улучшение структуры прутков диаметром более 100—110 мм даже в результате двукратной осадки оказывается мало эффективным; в заводской практике цельный инструмент диаметром более 100—110 мм изготовляется редко;

б) если отношение длины заготовки к ее диаметру не превышает 3:1, при увеличении этого отношения осадка заготовки в процессе ковки становится весьма затруднительной ввиду опасности изгиба заготовки; поэтому инструмент диаметром более 30—40 мм с большим отношением длины к диаметру (например, длинные метчики и т. п.) целесообразно изготовлять из легированной инструментальной стали, например, стали 9ХС, не имеющей обычно значительных дефектов по карбидной неоднородности. При необходимости по условиям резания изготовить такой инструмент из быстрорежущей стали надо применить сталь ЭИ262, как имеющую меньшую карбидную неоднородность, чем сталь РФ1 или ЭИ184.

Б. Технологический процесс ковки. При ковке или прокатке быстрорежущей стали надо учитывать следующие особенности этой стали:

1. Плохую пластичность быстрорежущей стали, особенно в литом состоянии. Поэтому первые обжатия слитка должны быть небольшими и должны устранить, главным образом, конусность слитка. По мере разрушения литой дендритной структуры и раздробления эвтектики пластичность стали возрастает, что позволяет увеличить степень обжатия.

Температура нагрева быстрорежущей стали для ковки (или прокатки) не может быть очень высокой; она должна быть ниже при ковке слитка (1130—1160°) ввиду опасности чрезмерного размягчения легкоплавкой эвтектики, окружающей зерна, и может быть повышена до 1140—1180° при ковке обжатых заготовок.

Поскольку пластичность быстрорежущей стали с понижением температуры нагрева резко ухудшается, температура окончания ковки должна быть выше при ковке слитка (~1000°) и несколько ниже (900—950°) при ковке обжатых заготовок, в которых предшествующая горячая механическая обработка разрушила дендритную кристаллизацию и ледебуритную эвтектику.

Таким образом допускаемый интервал температур ковки быстрорежущей стали меньше, чем конструкционной и углеродистой инструментальной стали. Это требует передачи слитка и заготовок быстрорежущей стали для дополнительного подогрева в процессе ковки или прокатки и проведения горячей механической обработки за несколько нагревов. Поэтому для обработки быстрорежущей стали надо применять более мощное прокатное и кузнечное оборудование, а производительность его в этом случае меньше, чем при ковке или прокатке конструкционной и углеродистой инструментальной стали.

2. Пониженную теплопроводность быстрорежущей стали, что требует более медленного и осторожного нагрева ее для ковки по сравнению с другими марками стали.

Слитки и прутки большого сечения надо нагревать медленнее, чем мелкие отожженные заготовки, получившие более однородную структуру в процессе предшествующей обработки.

3. Самозакаливаемость быстрорежущей стали; поковки надо охлаждать замедленно во избежание подкалки и образования значительных внутренних напряжений и трещин. Крупные поковки, особенно обжатые слитки, имеющие иногда в структуре неполностью разрушенную ледебуритную эвтектику, целесообразно охлаждать в печи, а более мелкие поковки — в футерованной яме в горячем песке.

Ковка слитков. Ниже приводится технологический режим ковки слитков весом 200—250 кг; их обычно отливают круглыми конусными с минимальным диаметром в хвостовой части 160—180 мм и максимальным диаметром в подприбыльной части 230—240 мм. Длина такого слитка составляет для тела слитка 650—700 мм, а для головной части 200—240 мм. Слитки передают для ковки обычно отожженными, состояние их поверхности тщательно проверяют и различные пороки поверхности (плены, закаты, пузыри и т. п.) зачищают до передачи слитка на нагрев для ковки. Если поверхность слитков удовлетворительная, то обдирки слитков, как показывает опыт многих заводов, не требуется.

Наиболее целесообразно нагревать слитки в методической печи. При отсутствии методической печи можно производить нагрев в камерной печи и постепенно поднимать температуру последней.

Посадку слитков в печь производят при температуре печи 300—400°, а дальнейший нагрев ведут по следующему режиму

Длительная выдержка при 800—850° обеспечивает лучший прогрев слитка; наоборот, увеличение продолжительности выдержки при высоких температурах, в интервале 1100—1180°, вредно, так как оно способствует излишнему росту зерна и вызывает повышенный угар и окисление металла.

В процессе нагрева выше 800° слитки кантуют.

Температура начала ковки 1130—1160°, а конца ковки 975—1000°.

Ковку слитка обычно ведут на трехтонном молоте; верхний боек должен быть плоский, а нижний — эллипсоидный или ромбический с углом выреза 90—100° и глубиной выреза 60—70 мм.

Нагретый слиток подают под молот, захватывают за хвостовую часть и в направлении от хвостовой части к головной проходят легкими ударами, допуская не более одного-двух ударов по одному месту и с кантовкой на 90° после каждого одного-двух ударов. Затем мощность и быстроту ударов молота увеличивают, с тем, однако, чтобы за один удар молот не проникал в металл более чем на 10 мм, и металл обжимают до диаметра 130—150 мм. После этого отрубают прибыльную часть (весом 40—60 кг) и слиток возвращают в печь для подогрева до 1150—1180° в течение примерно часа. Затем слиток берут за подприбыльную часть и проковывают под молотом с соблюдением такого же режима ковки, как и для подприбыльной части. После обжатия до заданного диаметра 130—150 мм всю штангу (обжимку) проглаживают, от нее отрубают в хвостовой части примерно 10 кг и при необходимости разрубают под молотом на куски требуемой длины.

Если в процессе ковки обнаруживаются на поверхности слитка или обжимки трещины, рванины, заковы, то их немедленно вырубают под молотом, после чего продолжают ковку.

Если температура металла понижается в процессе ковки ниже 975°, то ковку приостанавливают, а металл подогревают в печи до 1150—1180°; после подогрева ковку возобновляют. Ковку слитка обычно ведут за два приема с одним промежуточным подогревом.

После окончания ковки обжимки передают для охлаждения в печь с температурой 720—780°, выдерживают при этой температуре в течение 4—6 час., а затем охлаждают до 200—300° со скоростью 50—60° в час и выдают на воздух.

Можно также охлаждать обжимки непосредственно в футерованной яме под слоем золы или шлака до достижения металлом температуры 200°.

На фиг. 31 и 32 приведена микроструктура обжимки диаметром 130 мм стали РФ1. Микроанализ показывает, что ковка слитка на обжимку этого диаметра не раздробляет полностью ледебурит-ной эвтектики, и она остается в структуре стали как в середине обжимки, так и у ее поверхности.

Ковка обжимок. Нагрев обжимок диаметром 130—150 мм производят в методических печах. Обжимки помещают в печь при температуре садочного окна 450—550° При отсутствии методической печи обжимки нагревают в камерной печи. Режим нагрева следующий:

Поскольку ледебуритная эвтектика при предшествующей ковке слитка была частично разрушена, нагрев обжимки производят ускоренно по сравнению с нагревом слитков. Температура начала ковки 1140—1180°.

Ковку обжимок выполняют на однотонном молоте, причем ковку до сечения диаметром 100—110 мм (или 100х100 мм) целесообразно производить с ромбическим нижним бойком.

Если металл в процессе ковки остывает до 950°, то дальнейшую ковку прекращают и металл возвращают в печь для подогрева.

Охлаждение поковок производят в слое золы или шлака или же в футерованной яме.

Ковка заготовок. Кованые или катаные заготовки, в структуре которых ледебуритная эвтектика была полностью (или частично) разрушена предшествующей горячей механической обработкой, обладают несколько лучшей пластичностью, чем литая быстрорежущая сталь. Поэтому нагрев заготовок можно выполнять более ускоренно, чем нагрев слитков и обжимок, и производить ковку в более широком интервале температур, указанном в табл. 16.

Нагрев для ковки крупных заготовок (диаметром более 70—80 мм) целесообразно выполнять в методической или в трехкамерной печи. Для нагрева в последней заготовки помещают сначала в камеру подогрева при температуре камеры 450—600°, выдерживают до прогрева, затем переносят во вторую камеру печи с температурой 820—880° и выдерживают в ней до полного прогрева («томление» заготовок). После этого заготовки переносят в камеру окончательного (высокого) нагрева, температуру в которой устанавливают в соответствии с температурами начала ковки, принятыми для соответствующей марки стали. При выдержке в этой камере заготовки надо кантовать.

При наличии только однокамерной печи заготовки можно помещать в печь, нагретую до 450—600°. После выдержки заготовок для прогрева температуру в печи поднимают до 800—880°, вновь выдерживают заготовки для прогрева («томления»), после чего температуру печи быстро поднимают до температуры начала ковки.

При необходимости нагрева для ковки в однокамерной печи небольших заготовок (диаметром до 30—40 мм) их можно предварительно подогревать у окон печи в течение 1—2 час., а затем перекидывать непосредственно за порог нагретой печи. Заготовки выдерживают за порогом печи 30—40 мин., а затем передвигают в середину печи для окончательного нагрева.

Таким образом при нагреве для ковки крупных заготовок быстрорежущей стали (диаметром более 40—50 мм) необходимо применять три выдержки при различных температурах, а именно:

1. При 450—600°, так как быстрорежущая сталь обладает при температуре ниже 400° пониженной пластичностью. Поэтому необходимо во избежание образования трещин обеспечить полный прогрев заготовки по всему ее сечению. Продолжительность нагрева стали до этой температуры рекомендуется принять 7—10 мин. на каждые 10 мм толщины (диаметра) заготовки.

Поскольку пластичность стали после такого прогрева возрастает, дальнейший нагрев заготовок до температуры 800—880° можно вести ускоренно.

2. При 800—880° в быстрорежущей стали происходят фазовые превращения с образованием аустенита и изменением объема стали, поэтому неравномерный нагрев или чрезмерно быстрый переход этого интервала температур может вызвать значительные напряжения и трещины. Продолжительность выдержки в этом интервале температур следует установить 10—12 мин. на каждые 10 мм толщины (диаметра) заготовки.

3. Последующий нагрев можно вести ускоренно, примерно, из, расчета 5—6 мин. на каждые 10 мм толщины (диаметра) заготовки, так как скорость прогрева при высоких температурах возрастает, а излишняя выдержка при них нецелесообразна, как уже указывалось выше.

Таким образом продолжительность нагрева, для ковки нельзя исчислять по одной норме. Надо в данном случае применять правило: «Греть заготовки медленно при низких и средних температурах и греть их быстро при высоких температурах».

Атмосфера в печи при нагреве заготовок должна быть слегка окислительной.

Ковку заготовок ведут на плоских бойках. Весь процесс ковки надо по возможности производить за один нагрев. В случае, если подогрев заготовок в процессе ковки окажется неизбежным, то после подогрева должна следовать обязательно энергичная ковка для измельчения структуры стали, поскольку подогрев при ковке может вызвать рост зерна.

По этой же причине рекомендуется избегать способа ковки, иногда применяемого при протяжке на небольшой профиль, при котором проковывают сначала одну половину заготовки, затем всю заготовку передают снова в печь на подогрев, после чего куют вторую половину заготовки. В этом случае степень деформации на некоторых участках (главным образом, в середине заготовки) может оказаться меньше критической, а последующий подогрев вызовет чрезмерный рост зерна. Поскольку при таком приеме ковки в большинстве случаев ставится задача произвести вытяжку заготовки, лучше после первого нагрева разрубить заготовку на две части, одну из них ковать немедленно, а другую — после разрубки передать в печь.

Охлаждение поковок после ковки производят в сухом песке, золе или шлаке, или в футерованной яме на слое шлака или золы.

Поковки, прошедшие окончательную отделку под молотом и подлежащие дальнейшей механической обработке на станках, — наиболее рационально после последней операции ковки охлаждать в печи по режиму изотермического отжига. С этой целью еще не остывшие поковки передают непосредственно из-под молота в печь, нагретую до 730—770°, выдерживают до достижения металлом температуры печи, а затем поднимают температуру до требуемой при отжиге и проводят изотермический отжиг по режиму. Выполнение отжига непосредственно после ковки без промежуточного охлаждения стали позволяет отказаться от отдельного нагрева поковок для отжига, что ускоряет цикл производства и дает экономию топлива. Для лучшего использования печи поковки можно выдерживать в ней при 730—770° в течение нескольких часов до окончания ковки всей партии и передавать их в печь периодически, по мере выполнения ковки каждой отдельной заготовки.

Последовательность операций (переходов) при ковке зависит от размеров и формы заготовки и поковки и должна устанавливаться каждый раз технологом цеха. Ниже указывается последовательность операций для основных, более часто встречающихся в практике, случаев ковки (с применением осадки и вытяжки заготовок), позволяющая составлять технологическую карту для отдельных индивидуальных случаев ковки в цехе.

Ковка заготовки большего диаметра на поковку меньшего диаметра или на поковку равного диаметра. Последовательность операций рекомендуется следующая.

1. Вытяжка заготовки на квадратное сечение, но без острых или прямых углов; величину вытяжки надо принимать с таким расчетом, чтобы в последующей операции осадки получить возможность уменьшить высоту заготовки на одну треть — половину. Вытяжка на квадратное, а не на круглое сечение рекомендуется для того, чтобы обеспечить более энергичное воздействие процесса вытяжки на структуру стали.

2. Заделка квадратного сечения на круглое. В этой операции не требуется получить геометрически правильный круг; необходима забивка углов с получением неправильного многогранника для облегчения последующей операции — осадки.

3. Осадка на одну треть — половину высоты.

4. Отделка на правильный круг.

Если первоначальная заготовка, поступившая на ковку, имеет диаметр более 60—70 мм, то в ней можно ожидать значительной карбидной полосчатости. В то же время воздействие ковки скажется в такой заготовке только в более близких к поверхности слоях металла. Поэтому заготовкам большего сечения для улучшения структуры необходимо дать вторичную осадку. В этом случае вместо указанной здесь операции 4 добавляются еще следующие операции.

5. Вторичная вытяжка на квадрат, но без прямых или острый, углов.

6. Заделка квадрата на круг (многогранник).

7. Осадка круга до заданной высоты.

8. Окончательная отделка на правильный круг.

Карбидная неоднородность в стали ЭИ262 несколько меньше, чем в стали РФ1, — поэтому при ковке заготовок из стали ЭИ262 можно ограничиться осадкой заготовок один раз, даже в случае ковки заготовок большого сечения; 60—90 мм в диаметре.

Ковка заготовки меньшего диаметра на поковку большего диаметра. В этом случае последовательность операций рекомендуется следующая:

1) заделка заготовки на круг (если она имела квадратное сечение);

2) осадка на 30—50% высоты в зависимости от исходных высоты и диаметра заготовки;

3) вытяжка на квадратное сечение до заданной высоты;

4) отделка на правильный круг.

Если исходная заготовка имеет диаметр более 60—70 мм, то для максимального улучшения структуры надо; после операции 3 произвести вторичную осадку заготовки, затем новую вытяжку ее на квадратное сечение и, наконец, окончательное кругление ее.

Ковка заготовок с прошивкой отверстия. Для получения поковок с внутренним отверстием, последнее получают при помощи прошивня после выполнения последней осадки. В этом случае к указанным выше операциям добавляют следующие:

1) прошивка заготовки заранее приготовленным прошивнем;

2) закатка поковки на прошивне;

3) отделка по заданному размеру.