CC BY
28
УДК 669.295-621.7.04
001: 10.24412/0321-4664-2021-1-73-80
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СПОСОБОМ ГОРЯЧЕЙ ТОРЦЕВОЙ РАСКАТКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ШТАМПОВАННЫХ ПОКОВОК МАЛОГАБАРИТНЫХ ДИСКОВ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ8
Павел Анатольевич Клевков1, Олег Петрович Евменов1, канд. техн. наук, Дмитрий Сергеевич Князев1, Борис Владимирович Аккуратов2
1 Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
2 Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. Показаны особенности технологического процесса штамповки поковок малогабаритных дисков из сплава ВТ8 способом горячей торцевой раскатки (ГТР). Определены технологические параметры штамповки указанных поковок новым способом и изготовлена опытная партия поковок. Подтверждены основные преимущества штамповки способом ГТР по сравнению со штамповкой на традиционном кузнечно-штамповочном оборудовании. Исследовано качество изготовленных поковок дисков и установлено их соответствие требованиям нормативно-технической документации.
Ключевые слова: штампованная поковка, горячая торцевая раскатка, пуансон, матрица, температура полиморфного превращения, очаг деформации, степень деформации, скорость деформирования, усилие деформации, макро- и микроструктура, механические свойства
Production of Closed Die Forgings from VT8 Heat-Resistant Titanium Alloy for Small-Sized Discs by the Hot Edge Expanding and Studies of their Quality. Pavel A. Klevkov1, Cand. of Sci. (Eng.) Oleg P. Evmenov1, Dmitry S. Knyazev1, Boris V. Akkuratov2
1 All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
2 Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. The features of production of closed die forgings from VT8 heat-resistant titanium alloy for small-sized discs by the hot edge expanding (HEE) are shown. The process conditions for production of these forgings by the new method were determined and a pilot batch of forgings was manufactured. The main advantages of the hot edge expanding in comparison with forging on the industrial die forging equipment have been confirmed. We studied the quality of the manufactured forgings (discs) and their compliance with the requirements of the standard process documentation was stated.
Key words: closed die forging, hot edge expanding, punch, die, polymorphic transformation temperature, deformation zone, reduction degree, strain rate, deformation force, macro- and microstructure, mechanical properties
Введение
Штамповка способом горячей торцевой раскатки (ГТР) является эффективным и перспективным технологическим процессом обработки металлов давлением. Этот процесс
осуществляется на специализированном штамповочном оборудовании - станах горячей торцевой раскатки, оснащенных компьютерным управлением, позволяющим задавать и воспроизводить план изменения скоростей
деформирования в ходе деформации. Номенклатура штампованных поковок, изготовленных указанным способом, постоянно расширяется не только за счет изменения конфигурации и увеличения габаритных размеров изделий из традиционных материалов - сталей, алюминиевых и медных сплавов, но и за счет изготовления поковок из новых для ГТР металлических материалов, в том числе из титановых сплавов. По оценкам специалистов, в настоящее время изготовление поковок из различных марок титановых сплавов способом ГТР активно развивается на самых передовых в технологическом отношении фирмах ФРГ, США и Китая, прежде всего, в авиакосмической, автомобилестроительной и энергетической отраслях [1].
По зарубежным публикациям [2], лидерами в совершенствовании способа ГТР и расширении номенклатуры поковок из титановых сплавов, изготавливаемых указанным способом, являются фирмы SMS Maer (ФРГ) и Wyman-Gordon (США), освоившие изготовление осесимметричных поковок из однофазных и двухфазных титановых сплавов с площадью проекции до 500 см2. Указанные поковки штампуются при температурах выше температуры полиморфного превращения (Тпп). До настоящего времени штамповка поковок из двухфазных титановых сплавов при температуре ниже Тпп вызывает затруднения, связанные с необходимостью точного определения и учета технологических параметров деформации способом ГТР - температуры и степени деформации, угловых скоростей вращения деформирующего инструмента и скорости вертикального перемещения матрицы навстречу вращающемуся пуансону. Перечисленные параметры деформации определяются для каждой поковки аналитически и экспериментально и связаны с сопротивлением металла деформации при указанной температуре, а также со сложностью конфигурации поковки. К сожалению, отечественных публикаций на тему штамповки титановых сплавов способом ГТР обнаружить не удалось.
В ранее выполненной работе по изготовлению штампованных поковок из высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu способом ГТР [3] были установлены
специфические особенности и основные преимущества штамповки указанным способом по сравнению с традиционной штамповкой выдавливанием на универсальном штамповочном оборудовании:
1. Высокая интенсивность и однородность деформации за счет реализации благоприятной схемы деформации и преобразования трения скольжения на контактных поверхностях в трение качения.
2. Повышение механических и ресурсных свойств материала поковок за счет воздействия интенсивной пластической деформации, обеспечивающей глубокую деформационную проработку металла и, соответственно, формирование в готовом изделии однородной, мелкозернистой, волокнистой структуры.
3. Высокие производительность и воспроизводимость технологического процесса, практически исключающие «человеческий фактор» за счет использования программного управления деформирующим оборудованием.
4. Возможность значительного повышения КИМ до 0,8 за счет высокой точности поковок и получения поверхностей, не требующих механической обработки.
5. Высокое качество поверхностей поковок, аналогичное чистовой токарной обработке.
6. Значительное снижение усилия деформирования (до 10 раз) за счет локализации очага деформации.
Технической сущностью штамповки способом ГТР является регламентированная локализация очага деформации в процессе штамповки, обеспечивающая изменение формы заготовки за счет интенсивной высокоскоростной пластической деформации с переменным, плавно возрастающим уровнем локализации в процессе деформации. Схематично процесс штамповки способом ГТР представлен на рис. 1.
Штамп состоит из нижней части - матрицы с расположенным в ней выталкивателем - и верхней части, представляющей собой наклоненный под определенным углом конический пуансон. Матрица крепится к подвижной опорной платформе, а пуансон закреплен в подвижном пуансонодержателе.
Нагретая заготовка устанавливается в матрице или в специальной проточке, выполненной на выталкивателе. При включении стана
Начало штамповки
Очаг деформации
Рис. 1. Схема штамповки способом ГТР
начинается синхронное вращение с определенной скоростью матрицы с заготовкой и пуансоном. Одновременно с вращением матрица с заготовкой движется с заданной скоростью навстречу вращающемуся пуансону. Сразу после контакта торцевой поверхности заготовки с пуансоном начинается процесс деформации.
Цель данной работы - изготовить и исследовать качество штампованных способом ГТР поковок малогабаритного диска площадью проекции в плане до 500 см2 из двухфазного титанового сплава ВТ8.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
- разработать технологические параметры деформации (температуру и степень деформации, угловые скорости вращения матрицы и пуансона, а также скорости вертикального перемещения матрицы навстречу вращающемуся пуансону на различных этапах штамповки) при штамповке способом ГТР малогабаритного диска из титанового сплава ВТ8;
- изготовить опытную партию штампованных поковок указанного диска с обеспечением требуемого уровня механических свойств и структуры;
- исследовать механические свойства и структуру в различных зонах изготовленных поковок.
Исследование исходного материала
В качестве исходной заготовки использовали кованый обточенный пруток диаметром 90 ± 2 мм из титанового сплава ВТ8. Макроструктура прутка имела блестящий фон, характерный для полуфабрикатов, изготовленных при температурах выше температуры по-
лиморфного превращения (Тпп), не содержала трещин, расслоений, пустот, металлических и неметаллических включений и участков с грубой ликвационной неоднородностью. Величина зерна соответствовала 3-4 баллам стандартной десятибалльной шкалы для титановых сплавов [4]. Микроструктура пластинчатая соответствовала 7-8 типам стандартной девятитипной шкалы микроструктур для полуфабрикатов из (а + р)-титановых сплавов [4]. Тпп материала прутка, определенная металлографическим способом, составляла 1000 °С.
Макроструктура и типовая микроструктура кованого обточенного прутка в исходном состоянии приведены на рис. 2.
Рис. 2. Макро- (а) и типовая микроструктура (б, х500) кованого прутка диаметром 90±2 мм из сплава ВТ8
Разработка технологических параметров деформации
Определение технологических параметров деформации и штамповки малогабаритного диска из сплава ВТ8 диаметром 250 мм с высотой обода 35 мм и толщиной полотна в зоне ступицы 15 мм проводили на стане горячей торцевой раскатки номинальным усилием 2 МН и углом наклона пуансона 5°.
Для работы был спроектирован и изготовлен специальный штамп, имевший описанные выше конструктивные особенности.
Исходя из расчетной массы поковки и учитывая необходимость обеспечения максимальной устойчивости и равномерности распределения деформации при осадке модельных образцов и последующей штамповке, были использованы заготовки с соотношением диаметра к высоте 1:1. Таким образом, диаметр и
длина исходных заготовок, использовавшихся в экспериментах и при штамповке поковки диска, составили 90±2 мм. Для надежной установки заготовки в центре нижней части штампа на торце каждой заготовки выполнена проточка.
Принимая во внимание, что сопротивление деформации при штамповке двухфазных титановых сплавов при температуре на 30 °С ниже Тпп составляет 45-55 кг/мм2 на основе справочных данных [5], были определены угловые скорости вращения матрицы и пуансона - 200 об/мин.
Из литературы по сферодвижной штамповке и штамповке способом ГТР [3] известно, что интенсивность деформации характеризуется уровнем локализации очага деформации, обратно пропорциональным относительной площади контакта (X = Ркон/Рзаг, где Ркон - текущая площадь контакта; Рзаг - текущая площадь заготовки).
В ранее выполненной работе [3] по изготовлению способом ГТР близких по конфигурации и размерам поковок из высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu было установлено, что наиболее эффективным с точки зрения деформационной проработки структуры поковок является монотонно возрастающий от 0,5 до 0,08 уровень локализации деформации в процессе штамповки.
В [5] приведена эмпирическая формула, связывающая уровень локализации и технологические параметры процесса штамповки способом ГТР:
X = 0,352(S/RQ)06,
где S - вертикальная скорость перемещения матрицы;
R - текущий радиус заготовки; Q - sin угла наклона пуансона.
Таким образом, за счет изменения вертикальной скорости перемещения матрицы по заранее заданному плану скоростей осуществляется необходимая локализация деформации в процессе штамповки.
Учитывая накопленный опыт при штамповке способом ГТР близких по конфигурации и размерам поковок из высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu и рекомендации, содержащиеся в [5], было решено начальный этап штамповки, включа-
5
0 Н0 Н; Н2 Нк Н, мм О—Н0 — холостой ход Н0—Н,—Н2—Нк —рабочий ход
Рис. 3. Изменение вертикальной скорости перемещения матрицы при штамповке поковки диска из сплава ВТ8
ющий осадку заготовки в штампе, проводить с максимально возможной скоростью 15 мм/с, чтобы минимизировать время контакта нагретой заготовки и инструмента, тем самым минимизировать захолаживание заготовки на этом этапе. Поковку заданного контура формовали со скоростью 10 мм/с, чтобы создать оптимальную скорость течения металла при заполнении гравюры штампа. Заключительный этап штамповки, включающий калибровку готовой поковки и требующий создания максимальных удельных усилий в штампе, проводили с минимально возможной скоростью 5 мм/с. На рис. 3 показано изменение вертикальной скорости перемещения матрицы при штамповке поковки диска из сплава ВТ8.
Изготовление поковок диска из сплава ВТ8 способом ГТР и исследование их механических свойств и структуры
Перед деформацией заготовки нагревали в камерной электрической печи до температуры 970 ± 5 °С (7пп - 30 °С).
Для исследования эффективности деформационной проработки структуры поковки диска из опытной партии были выбраны четыре поковки с различными степенями деформации - 20, 40, 60 и 75 %.
Деформация осуществлялась следующим образом. Перед подачей заготовки на рабочие поверхности деформирующего инструмента распылением наносили технологическую смазку, состоящую из смеси воды,
трансмиссионного масла и графита. Нагретую заготовку устанавливали в матрице. Базирование заготовки осуществляли на выталкивателе и вставке матрицы за счет специальной проточки. После включения оборудования начиналось вращательное движение деформирующего инструмента. За счет перемещения в вертикальном направлении вверх вращающейся матрицы с выталкивателем осуществлялся контакт заготовки с вращающимся с той же скоростью пуансоном, наклоненным под углом 5° к вертикальной оси матрицы пуан-сонодержателем. После установления контакта начиналось пластическое деформирование заготовки, включающее этапы осадки до момента касания заготовкой стенки матрицы и последующей формовки поковки заданного контура. Таким образом, матрица с выталкивателем перемещались вверх с регулируемой переменной скоростью от 15 до 5 мм/с. Фотографии штампованных поковок диска с различными степенями деформации в порядке возрастания степени деформации (слева на право) приведены на рис. 4.
В процессе штамповки с разной степенью деформации технологическую пластичность материала при температуре 970 °С оценивали по качеству образующей поверхности поковок. На указанной поверхности всех поковок дефектов в виде деформационных трещин не обнаружено, что свидетельствует о высокой технологической пластичности материала при его обработке способом ГТР.
В процессе деформации фиксировалось изменение усилия при штамповке. Максимальное усилие на заключительном этапе деформации
Рис. 4. Штампованные со степенями деформации 20, 40, 60 и 75 % (слева направо) поковки малогабаритного диска из сплава ВТ8
соответствовало 1,9 МН. Расчет максимального усилия, необходимого при изготовлении указанных поковок способом прямого выдавливания, осуществляли по классической формуле, предложенной В.Л. Раскиндом [6],
Р = ^авь
где КЕ) = 8 (1 - 0,0010)[1,1 + (20Ю)]2 - коэффициент для штамповок, круглых в плане; Р - площадь штамповки в плане; ав( - предел прочности материала при температуре окончания штамповки.
В результате расчета было получено усилие в 15 МН, которое более чем в 7 раз превышает усилие при штамповке способом ГТР
Термическую обработку штампованных поковок малогабаритного диска проводили по режиму двойного отжига при температурах двухфазной области с охлаждением на воздухе после каждой ступени.
При исследовании макроструктуры поковок, отштампованных с возрастающей степенью деформации, наблюдали постепенное уменьшение площади зон, содержащих блестящие зерна, и увеличение площади зон, содержащих зерна матового фона. При степени деформации 60 % практически вся поверхность макрошлифа имела матовый фон. Дефектов, связанных с нарушением сплошности металла или линий интенсивного течения, не наблюдали. Величина макрозерна соответствовала 2-3 баллу десятибалльной шкалы для титановых сплавов.
При исследовании микроструктуры штампованных с разными степенями деформации поковок диска в указанных зонах наблюдали характерное для полуфабрикатов из титановых сплавов, деформированных при температуре ниже Тпп, повышение степени глобу-ляризации первичной а-фазы при повышении степени деформации (рис. 5).
При контроле штампованных поковок малогабаритного диска на соответствие чертежу поковки установлена высокая точность и стабильность размеров поковок в партии из 10 штук - поле допуска составило ±0,5 мм. Шероховатость поверхностей поковок № т 10 мкм. Поверхностных дефектов в виде трещин, «не оформлений», «прострелов» не обнаружено.
КИМ изготовленных поковок составил 0,7, что на 30-35 % выше КИМ аналогичных поковок, изготовленных по традиционной технологии штамповки выдавливанием на молотах или прессах.
Эксперименты показали, что материал, деформируемый способом ГТР, обладает не только высокой технологической пластичностью в двухфазной области, оцениваемой максимальной степенью деформации за один
60%
75%
Рис. 5. Типовая микроструктура штампованных с различными степенями деформации поковки малогабаритного диска из сплава ВТ8, х500
Рис. 6. Макро- (а) и типовая микроструктура (б, х500) штампованной поковки малогабаритного диска из сплава ВТ8
нагрев до момента возникновения первой трещины на образующей поверхности штамповки и составившей в данном случае 75 %, но и высокой способностью к формообразованию, при этом качество поверхностей штампованных поковок аналогично качеству поверхностей изделий после механической обработки. Учитывая указанные обстоятельства, целесообразно опробовать штамповку способом ГТР для изготовления поковок из перспективных жаропрочных и высокопрочных титановых сплавов типа ВТ25У и ВТ22.
Макро- и микроструктура штампованной поковки малогабаритного диска из сплава ВТ8 приведены на рис. 6.
Макроструктура поковки диска, изготовленной по разработанной технологии, однородная, мелкозернистая с выраженной волокнистостью, повторяющей контур готового изделия, имела матовый фон, не содержала трещин, расслоений, «прострелов», пустот, металлических и неметаллических включений и участков с грубой ликвационной неоднородностью. Величина зерна соответствовала 2-3 баллу десятибалльной шкалы для титановых сплавов. Микроструктура в различных зонах штампованной поковки диска глобулярно-пластинча-тая, соответствовала 2 типу девятитипной шкалы микроструктур для полуфабрикатов из (а + р)-титановых сплавов.
Для контроля механических свойств и малоцикловой выносливости (МЦУ) из зон обода и полотна штампованной поковки диска в тангенциальном и радиальном направлениях вырезали заготовки для изготовления кон-
Таблица 1 Механические свойства при 20 °С в различных зонах и направлениях штампованной поковки малогабаритного диска из сплава ВТ8
Зона вырезки образцов Направление вырезки образцов 0в, МПа 8, % V, % кси, Дж/см2 КСТ, Дж/см2 Длительная прочность, ч о450 = 620 МПа
Обод Тангенциальное 1056 1062 17,6 18,0 40,1 39,5 44 89 18.7 19.8 100 снят 100 снят
Полотно Тангенциальное 1058 1065 19,6 18,6 38.7 37.8 52,6 52,0 22,7 20,5 100 снят 100 снят
Полотно Радиальное 1055 1056 18,1 19,0 38,5 36,4 54,2 52,6 21,6 20,8 100 снят 100 снят
Требования НТД - 960-1160 >10 >25 >35 >12 >100
Таблица 2 МЦУ в различных зонах и направлениях поковки малогабаритного диска из сплава ВТ8
Зона вырезки образцов Направление вырезки образцов МЦУ в дисковой части, циклы, ГОСТ 25.502 - 99, тип - V, надрез г = 0,25 мм, ст = 440 МПа
Результаты испытаний Требование НТД
Обод Тангенциальное 20000 снят 20000 снят 1 • 104 1 • 104
Полотно Танген-цальное 20000 снят 20000 снят 1 • 104 1 • 104
Радиальное 20000 снят 20000 снят 1 • 104 1 • 104
трольных образцов. Результаты всех испытаний приведены в табл. 1 и 2, из анализа которых следует, что все показатели из всех зон и во всех направлениях штампованной поковки малогабаритного диска из сплава ВТ8, изготовленной способом ГТР, стабильно соответствуют требованиям нормативно-технической документации (НТД). При этом наблюдается значительное превышение нормативных показателей пластичности и трещиностойкости.
Выводы
1. Поставленные в работе цель и задачи по разработке технологии изготовления штампованных способом ГТР поковок диска из титанового сплава ВТ8 успешно достигнуты и решены. Разработанные технологические параметры штамповки обеспечили изготовление способом ГТР поковок малогабаритного диска из титанового сплава ВТ8, при этом достигнуто снижение усилия штамповки более чем в 7 раз по сравнению с традиционным способом штамповки выдавливанием на прессе аналогичной поковки и повышение качества изготовленных поковок.
2. Комплекс механических свойств, МЦУ, макро- и микроструктура штампованных поковок малогабаритного диска из титанового сплава ВТ8 стабильно соответствует требованиям НТД, причем различие между свойствами в радиальном и тангенциальном направлениях минимально.
3. При визуальном контроле штампованных поковок дисков, изготовленных способом ГТР, установлено, что:
- все поковки в партии в количестве 10 шт. обладают высокой точностью и стабильностью размеров - поле допуска составило ±0,5 мм;
- шероховатость всех поверхностей штамповок соответствует параметру № < 10 мкм, т. е. аналогична чистовой механической обработке;
- все штамповки не имеют внутренних и поверхностных дефектов.
4. КИМ изготовленных способом ГТР поковок диска составил 0,7, что на 30 - 35 % выше КИМ аналогичных поковок, изготовленных по традиционной технологии штамповки выдавливанием на молотах или прессах.
5. Установлено, что сплав ВТ8, деформируемый способом ГТР, обладает высокой технологической пластичностью в двухфазной об-
ласти - максимальная степень деформации за один нагрев составила 75 %.
6. Установлена целесообразность применения штамповки способом ГТР для изготовления поковок дисков из перспективных жаропрочных и высокопрочных титановых сплавов типа ВТ25У и ВТ22.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аккуратов Б.В. Штамповка способом ГТР осе-симметричных изделий в России и за рубежом // В сб.: Доклады VIII Конгресса «Кузнец-2008». -Рязань, 2008. С. 65-68.
2. Wilkinson N.A. Forging in Titanium Alloys // Hawker Siddeley Tech. Rev. 2018. Vol. 2. № 10. Р. 20-27.
3. Клевков П.А., Аккуратов Б.В., Захаров В.В., Фисенко И.А. Исследование и опытная разработка технологического процесса горячей торцевой раскатки - штамповки заготовок из высокопрочно-
го алюминиевого сплава системы А1-7п-Мд-Си // Технология легких сплавов. 2015. № 1. С. 52-56.
4. Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Бочвар Г.А. и
др. Полуфабрикаты из титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1979. - 512 с.
5. Аккуратов Б.В. Исследования процессов штамповки раскаткой. - М.: Машиностроение, 2010. -450 с.
6. Раскинд В.Л. Справочник кузнеца-штамповщика. -М.: Высшая школа, 1985. - 220 с.
REFERENCES
1. Akkuratov B.V. Shtampovka sposobom GTR ose-simmetrichnykh izdeliy v Rossii i za rubezhom // V sb.: Doklady VIII Kongressa «Kuznets-2008». - Ryazan, 2008. S. 65-68.
2. Wilkinson N.A. Forging in Titanium Alloys // Hawker Siddeley Tech. Rev. 2018. Vol. 2. № 10. P. 20-27.
3. Klevkov P.A., Akkuratov B.V., Zakharov V.V., Fisenko I.A. Issledovaniye i opytnaya razrabotka tekhnologicheskogo protsessa goryachey tortsevoy raskatki - shtampovki zagotovok iz vysokoprochno-
go alyuminiyevogo splava sistemy Al-Zn-Mg-Cu // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2015. № 1. S. 52-56.
4. Aleksandrov V.K., Anoshkin N.F., Bochvar G.A. i
dr. Polufabrikaty iz titanovykh splavov. - M.: Metal-lurgiya, 1979. - 512 s.
5. Akkuratov B.V. Issledovaniya protsessov shtampov-ki raskatkoy. - M.: Mashinostroyeniy», 2010. - 450 s.
6. Raskind V.L. Spravochnik kuznetsa-shtampovsh-chika. - M.: Vysshaya shkola, 1985. - 220 s.
