Влияние и дефекты порошковой ковки на ковку металла

В конце прошлого века за рубежом был успешно разработан новый процесс формования металла из пластика, порошковая ковка. Он успешно ковал автомобильные дифференциальные планетарные передачи и поковки шатунов, а также построил первую производственную линию порошковой ковки. Это конкурентоспособный метод обработки металла без резки, разработанный путем органического объединения традиционной технологии порошковой металлургии с точной ковкой. Используя металлический порошок в качестве сырья, его предварительно формуют и прессуют в защитной атмосфере, нагревают и спекают в качестве ковочной заготовки и одновременно куют на прессе, чтобы добиться точной штамповки без облоя и получить точные поковки с той же плотностью и сложной формой, что и обычная штамповка.

Он не только обладает преимуществами хорошей производительности формовки порошковой металлургии, но и играет роль деформации ковки в изменении структуры и свойств металлических материалов, а также совершил новые прорывы в производстве порошковой металлургии и технологии ковки. Это маргинальная профессиональная дисциплина, особенно подходящая для массового производства высокопрочных и сложных по форме структурных деталей. Поэтому она имеет большое значение для продвижения в различных промышленных областях.

Поток процесса ковки порошка
Общий процесс ковки порошка заключается в формировании порошка с соответствующей формулой и смесью таким же образом, как и при изготовлении обычных спеченных деталей, и превращении его в заготовку низкой плотности, которая используется в качестве заготовки для горячей ковки после спекания. Если заготовка содержит смазку, перед спеканием следует добавить процесс удаления смазки. Если она охлаждается после спекания, ее необходимо повторно нагреть перед ковкой. Обычно перед термической обработкой после ковки требуется некоторая степень механической обработки. На протяжении всего процесса, за исключением кратковременной ковки, весь нагрев осуществляется в антиокислительной защитной атмосфере.

По сравнению с объемной ковкой порошковая ковка имеет следующие преимущества:

01 Высокий коэффициент использования материала, достигающий более 90%. Коэффициент использования материала при объемной штамповке составляет всего около 50%.

02 Высокие механические свойства. Материал однородный и неанизотропный, с высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.

03 Поковки имеют высокую точность и гладкую поверхность, что позволяет сократить объем резки или исключить ее вовсе.

(I) Влияние ковки на структуру и эксплуатационные характеристики металла
В кузнечном производстве, помимо обеспечения требуемой формы и размера поковки, должны быть также соблюдены эксплуатационные требования к деталям в процессе эксплуатации, в том числе: индекс прочности, индекс пластичности, ударная вязкость, усталостная прочность, начальная степень разрушения и стойкость к коррозии под напряжением и т. д. Для деталей, работающих при высоких температурах, существуют также высокотемпературные мгновенные прочностные свойства, характеристики выносливости, антидеформационные характеристики и характеристики термической усталости. Сырьем для ковки являются слитки, прокатные материалы, прессованные материалы и кузнечные заготовки. Прокатные материалы, прессованные материалы и кузнечные заготовки являются полуфабрикатами, образованными прокаткой, прессованием и ковкой слитков. В кузнечном производстве использование разумных процессов и технологических параметров может улучшить организацию и эксплуатационные характеристики сырья в следующих аспектах:
1. Разрушить столбчатые кристаллы, улучшить макросегрегацию, изменить литую структуру на кованую и заварить внутренние поры при соответствующих температурных и напряженных условиях для повышения плотности материала;

2. Слиток куется для формирования волокнистой структуры, а поковка далее прокатывается, прессуется и подвергается объемной штамповке для получения разумного распределения направления волокон;
3. Контролировать размер и однородность зерен;
4. Улучшить распределение второй фазы (например: легированных карбидов в ледебуритовой стали);
5. Сделать организацию деформированной или усиленной. Благодаря улучшению вышеупомянутой организации также улучшаются пластичность, ударная вязкость, усталостная прочность и выносливость поковки. Затем, посредством окончательной термической обработки деталей, можно получить хорошие комплексные свойства твердости, прочности и пластичности, требуемые деталями. Однако, если качество сырья плохое или используемый процесс ковки необоснован, могут возникнуть дефекты ковки, включая поверхностные дефекты, внутренние дефекты или неквалифицированное исполнение.

(II) Влияние сырья на качество поковки Хорошее качество сырья является предпосылкой для обеспечения качества поковок. Если в сырье есть дефекты, это повлияет на процесс формования поковок и конечное качество поковок. Если химические элементы сырья превышают указанный диапазон или содержание примесных элементов слишком велико, это окажет большое влияние на формование и качество поковок. Например, такие элементы, как S, B, Cu, Sn, легко образуют фазы с низкой температурой плавления, что делает поковки склонными к горячей хрупкости. Чтобы получить собственную мелкозернистую сталь, остаточное содержание алюминия в стали необходимо контролировать в определенном диапазоне, например, 0,02% ~ 0,04% (массовая доля) Al. Если содержание слишком мало, оно не будет играть роли в контроле увеличения зерен, и легко сделать собственный размер зерна поковок неквалифицированным; если содержание алюминия слишком велико, легко образуются трещины древесных волокон, разрывы и т. д. при условии формирования волокнистой ткани во время обработки давлением. Например, в аустенитной нержавеющей стали, чем больше содержится n, Si, Al и Mo, тем больше ферритных фаз, и тем легче образуются полосовые трещины во время ковки и делают детали магнитными. Если в сырье есть остатки усадки, подкожные пузыри, сильная сегрегация карбидов, грубые неметаллические включения (шлаковые включения) и другие дефекты, легко вызвать трещины в поковках во время ковки. Такие дефекты, как дендриты, сильная рыхлость, неметаллические включения, белые пятна, оксидные пленки, полосы сегрегации и примесь инородного металла в сырье, легко могут привести к ухудшению эксплуатационных характеристик поковок. Поверхностные трещины, складки, рубцы, грубые кристаллические кольца и т. д. сырья легко могут вызвать поверхностные трещины в поковках.

(III) Влияние процесса ковки на качество поковок Процесс ковки обычно состоит из следующих процедур, а именно: вырубка, нагрев, формовка, охлаждение после ковки, травление и термическая обработка после ковки. Если процесс неправильный во время процесса ковки, может возникнуть ряд дефектов ковки. Процесс нагрева включает температуру загрузки, температуру нагрева, скорость нагрева, время выдержки, состав печного газа и т. д. Если нагрев неправильный, например, температура нагрева слишком высокая, а время нагрева слишком длительное, это приведет к таким дефектам, как обезуглероживание, перегрев и пережог. Для плохих материалов с большим поперечным сечением, плохой теплопроводностью и низкой пластичностью, если скорость нагрева слишком высокая, а время выдержки слишком короткое, распределение температуры часто неравномерно, что приводит к термическому напряжению и растрескиванию заготовки ковки. Процесс формовки ковки включает режим деформации, степень деформации, температуру деформации, скорость деформации, напряженное состояние, условия инструмента и штампа и условия смазки. Если процесс формовки неправильный, это может привести к образованию крупных зерен, неравномерных зерен, различных трещин, складок, просачивания, вихревых токов и остаточной литой структуры. Во время процесса охлаждения после ковки, если процесс неправильный, это может привести к образованию трещин охлаждения, белых пятен, сетчатых карбидов и т. д.

(IV) Влияние структуры ковки на структуру и свойства после окончательной термической обработки Аустенитная и ферритная жаропрочная нержавеющая сталь, жаропрочный сплав, алюминиевый сплав, магниевый сплав и т. д., материалы без аллотропного превращения при нагреве и охлаждении, а также некоторые медные сплавы и титановые сплавы и т. д., структурные дефекты, образующиеся в процессе ковки, не могут быть улучшены термической обработкой. Материалы, которые претерпевают аллотропные превращения при нагреве и охлаждении, такие как конструкционная сталь и мартенситная нержавеющая сталь, имеют определенные структурные дефекты, вызванные неправильными процессами ковки или определенные дефекты, оставшиеся от исходного материала, которые оказывают большое влияние на качество поковок после термической обработки. Вот несколько примеров:
1. Некоторые структурные дефекты поковок могут быть устранены в ходе послековочной термообработки, и удовлетворительная структура и эксплуатационные характеристики могут быть получены после окончательной термообработки поковок. Например, крупнозернистость и видманштеттеновая структура в поковках из конструкционной стали, подвергшихся общему перегреву, небольшие сетчатые карбиды, вызванные неправильным охлаждением гиперэвтектоидной стали и подшипниковой стали и т. д.
2. Некоторые структурные дефекты поковок трудно устранить обычной термической обработкой, и их можно улучшить только такими мерами, как высокотемпературная нормализация, повторная нормализация, низкотемпературное разложение и высокотемпературный диффузионный отжиг. 3. Некоторые структурные дефекты поковок невозможно устранить обычными процессами термической обработки, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик поковок после окончательной термической обработки или даже к выходу их из строя. Например, сильный камневидный излом и фасеточный излом, пережог, ферритные полосы в нержавеющей стали, карбидные сетки и полосы в ледебуритной высоколегированной инструментальной стали и т. д.
4. Некоторые структурные дефекты поковок будут далее развиваться во время окончательной термической обработки и даже вызывать трещины. Например, если крупнозернистая структура в поковках из легированной конструкционной стали не улучшается во время термической обработки после ковки, это часто приводит к образованию грубого мартенсита и неудовлетворительным характеристикам после совместной диффузии углерода и азота и закалки; крупнополосчатые карбиды в быстрорежущей стали часто вызывают трещины во время закалки. Различные методы формовки имеют разные условия напряжения и разные характеристики напряжения-деформации, поэтому основные дефекты, которые могут быть получены, также различны. Например, основными дефектами осадки заготовок являются продольные или 45° трещины на боковой поверхности, и только верхний и нижний концы осадки слитка часто сохраняют литую структуру; основными дефектами удлинения заготовок прямоугольного сечения являются поперечные трещины и угловые трещины на поверхности, диагональные трещины и поперечные трещины внутри; основными дефектами ковки в открытых штампах являются недостаточность, складчатость и несоосность. Различные типы материалов имеют разный состав и структуру, а их организационные изменения и механическое поведение различны при нагревании, ковке и охлаждении. Поэтому, если процесс ковки не подходит, дефекты, которые могут возникнуть, также являются особыми. Например, дефекты поковок из инструментальной стали из ледебурита в основном представляют собой крупные частицы карбида, неравномерное распределение и трещины, а дефекты поковок из высокотемпературных сплавов представляют собой в основном крупные зерна и трещины; дефекты поковок из аустенитной нержавеющей стали представляют собой в основном межкристаллитное обеднение хромом, сниженную межкристаллитную коррозионную стойкость, ферритную полосчатую структуру и трещины и т. д.; дефекты поковок из алюминиевого сплава представляют собой в основном крупные зерна, складчатость, вихревые токи, сквозное течение и т. д.