Как куют сталь? Процесс, методы и приложения

Как работает ковка стали: прямой ответ

Стальная поковка Это процесс формования стали путем приложения сжимающей силы — посредством ковки, прессования или прокатки — при этом металл нагревается до температуры, которая делает его пластичным и работоспособным, но не расплавленным. Результатом является часть с превосходные механические свойства по сравнению с литыми или обработанными деталями, поскольку процесс ковки улучшает внутреннюю структуру зерен и устраняет внутренние пустоты.

На практике стальную заготовку или слиток нагревают до температуры между 1100°С и 1250°С (от 2012°F до 2282°F) для горячей ковки — наиболее распространенного промышленного метода — затем помещается под пресс или молоток, который деформирует его до желаемой формы. Затем фасонную деталь охлаждают в контролируемых условиях и обрабатывают механической, термической или поверхностной обработкой.

Это не один метод, а семейство взаимосвязанных процессов. В зависимости от геометрии детали, объема производства, требуемых допусков и марки материала производители выбирают ковку в открытых штампах, ковку в закрытых штампах (оттискных штампах), валковую ковку, кольцевую прокатку или изотермическую ковку. Каждый из них обеспечивает различные компромиссы между использованием материала, стоимостью штампа, точностью размеров и достижимой сложностью.

Сырье: выбор подходящей стали для ковки

Не все марки стали куются одинаково. Содержание углерода, легирующих элементов и чистота расплава влияют на то, как материал течет под давлением и какие свойства приобретает готовая деталь. Кузнечные стали в целом группируются следующим образом:

• Низкоуглеродистые стали (0,05–0,30 % С): Высокая пластичность и легкость ковки; используется для деталей конструкций, болтов и валов, которые не требуют чрезвычайной твердости.
• Среднеуглеродистые стали (0,30–0,60 % С): Рабочая лошадка кузнечной промышленности; такие марки, как AISI 1040 и 4140, используются для коленчатых валов, шатунов, шестерен и осей.
• Высокоуглеродистые стали (0,60–1,00 % С): Тверже и прочнее, но более чувствителен к растрескиванию во время ковки; используется для пружин, рельсов и режущих инструментов.
• Легированные стали (серии 4000, 8000): Добавки хрома, молибдена, никеля и ванадия улучшают прокаливаемость и ударную вязкость; распространен в аэрокосмической и тяжелой технике.
• Нержавеющие стали (серии 300 и 400): Требуются более высокие давления ковки и более жесткий контроль температуры; используется в химической, пищевой и медицинской промышленности.

Поковочная заготовка поступает в виде круглых прутков, заготовок, вырезанных из катаного проката, или слитков для очень крупных деталей. Вес заготовки для автомобильных компонентов обычно колеблется от от 0,5 кг до 30 кг , в то время как крупные промышленные поковки, такие как валы турбин или фланцы сосудов под давлением, могут начинаться с слитков весом в несколько тонн.

Нагрев стали: температура, печи и контроль окалины

Нагрев — это то место, где фактически начинается процесс ковки, и он гораздо более контролируем, чем предполагает изображение светящегося стержня, вытащенного из огня. Неправильная температура (даже на 50°C) может привести к растрескиванию поковок, чрезмерному износу матрицы или деталям, не прошедшим проверку.

Диапазоны температур ковки в зависимости от типа стали

Промышленные ковочные печи представляют собой газовые печи с вращающимся подом, толкательные печи или системы индукционного нагрева. Индукционный нагрев стал доминирующим для крупносерийного производства заготовок меньшего размера, поскольку он нагревает заготовку диаметром 50 мм до температуры ковки в менее 60 секунд , почти полностью устраняет масштабирование поверхности и использует примерно На 30–40 % меньше энергии чем эквивалентные системы газовых печей.

Накипь — слой оксида железа, образующийся на поверхности при нагреве в газовой печи — является постоянной проблемой. Если окалина вдавливается в поверхность детали при контакте со штампом, это создает дефекты поверхности, которые требуют дополнительной механической обработки или вызывают брак. Форсунки для удаления накипи под высоким давлением, работающие при 150–200 бар являются стандартными для прессовых линий и позволяют удалять окалину непосредственно перед подачей заготовки в матрицу.

Ковка в открытых штампах: гибкость при изготовлении крупных и нестандартных деталей

При ковке в открытых штампах, также называемой свободной ковкой или кузнечной ковкой, используются плоские, V-образные или простые контурные матрицы, которые не охватывают заготовку. Оператор или автоматизированная система вращает и перемещает заготовку между каждым ходом пресса, постепенно придавая ей желаемую форму. Этот метод дает кузнечному цеху огромную гибкость: с помощью одного набора плоских штампов можно изготовить любое количество деталей различной формы. просто изменив способ манипулирования заготовкой.

Ковка в открытых штампах — метод выбора для деталей, которые слишком велики для закрытых штампов — валов роторов турбин, валов судовых гребных винтов, больших фланцев, корпусов сосудов под давлением и прокатных валков. Детали, изготовленные таким способом, могут весить от нескольких килограммов до несколько сотен тонн . Пресс мощностью 300 МН во Второй группе тяжелой промышленности Китая является одним из крупнейших в мире, способным ковать титановые и стальные детали для атомных электростанций и авиационных конструкций.

Последовательность операций для большого вала обычно выглядит следующим образом:

1. Слиток отливают и дают ему затвердеть; верхний (стояк) и нижний (торцевой) участки с расслоениями и пустотами обрезают, удаляя до 20–25% от исходной массы слитка .
2. Оставшийся слиток повторно нагревается и осаживается (сжимается в осевом направлении), чтобы разрушить зеренную структуру литого изделия и закрыть внутренние пустоты.
3. Заготовка вытягивается (удлиняется) под прессом, постепенно вращаясь между проходами для равномерной обработки материала.
4. Для больших деталей требуется многократный повторный нагрев для поддержания рабочей температуры выше предела окончательной ковки.
5. Грубая поковка подвергается грубой механической обработке для удаления неровностей поверхности и проверяется ультразвуком на наличие внутренних дефектов.

Использование материала при ковке в открытом штампе ниже, чем при работе в закрытом штампе — обычно 60–75% часть исходной массы слитка попадает в готовую поковку. Остальное удаляется в виде обрезков, окалины и обрабатываемого материала. Несмотря на это, низкая стоимость штампов делает открытую штамповку единственным экономически выгодным вариантом для изготовления очень крупных или единичных деталей.

Ковка в закрытых штампах: точность и крупносерийное производство

При ковке в закрытых штампах, также называемой ковкой в штампах, используются совмещенные верхняя и нижняя половины штампа, которые содержат точный отрицательный отпечаток готовой детали. Когда пресс закрывается, нагретая стальная заготовка заполняет полость штампа и принимает точную форму оттиска. Избыток металла выдавливается в тонкое кольцо, называемое заусенцем, которое позже обрезается.

Это доминирующий метод крупносерийного производства конструкционных и механических компонентов: автомобильных шатунов, поворотных кулаков, ступиц колес, лонжеронов крыльев самолетов и ручных инструментов. Современная ковка в закрытых штампах обеспечивает допуски на размеры ±0,5 мм или ближе на компонентах среднего размера, что значительно сокращает объем последующей механической обработки по сравнению с литьем.

Последовательность операций с несколькими станциями

Сложные детали редко придаются окончательной форме за один удар. Блок матрицы разделен на несколько печатных станций, расположенных последовательно:

• Более полное впечатление: Перераспределяет металл в продольном направлении, уменьшая сечение в определенных точках.
• Впечатление от Edger: Собирает металл в определенных зонах и грубо формирует профиль поперечного сечения.
• Блокирующее впечатление: Предварительно формирует заготовку по форме, которая очень похожа на конечную деталь, но с большими радиусами и большей уклоном.
• Впечатление от финишера: Приводит деталь к окончательной геометрии, формируя мелкие детали и узкие радиусы. Здесь генерируется Flash.

Для типичного автомобильного шатуна из AISI 4140 вся последовательность — от вставки заготовки до извлечения обработанной поковки — занимает менее 30 секунд на современном механическом прессе усилием от 25 000 до 40 000 кН. Одна ковочная линия может производить От 600 до 1200 шатунов в час .

Вспышка и использование материалов

Flash обычно представляет собой 10–20% от массы заготовки при обычной штамповке в закрытых штампах. Безоблицовочная ковка — вариант, при котором матрица полностью закрыта, а объем заготовки точно соответствует размеру полости — может устранить эти отходы, но требует очень точной подготовки заготовки и более высоких усилий прессования. Он используется для таких деталей, как заготовки шестерен и кольца подшипников, где экономия на материалах оправдывает дополнительную сложность.

Валковая ковка и прокатка колец: специальные методы формования

Помимо двух основных категорий штамповки, стоит понять несколько специализированных процессов ковки стали, поскольку они доминируют в определенных категориях продукции.

Ковка рулонов

При валковой ковке нагретая заготовка проходит между двумя вращающимися в противоположных направлениях валками, на поверхности которых выточены фасонные канавки. По мере прохождения заготовки валки уменьшают ее поперечное сечение и удлиняют, распределяя металл по точному рисунку, необходимому для следующей операции ковки. Валковая ковка широко используется в качестве этапа предварительного формования перед ковкой в ​​закрытых штампах удлиненных деталей, таких как шатуны и заготовки листовых рессор. Это улучшает распределение материала и уменьшает количество необходимых оттисков закрытой матрицы, сокращая износ матрицы и время цикла.

Кольцевая прокатка

При прокатке колец производятся бесшовные кольца путем прокалывания отверстия в дискообразной поковке и последующего расширения его между ведущим основным валком и натяжным валком, в то время как плоские осевые валки контролируют высоту кольца. В результате получается бесшовное кольцо с непрерывно плавной зеренной структурой по окружности, что является значительным конструкционным преимуществом по сравнению с кольцами, вырезанными из пластины или изготовленными сваркой.

Накатанные кольца варьируются от небольших обойм подшипников весом до 1 кг до массивных фланцев ветряных турбин и фланцев корпуса атомного реактора с наружным диаметром, превышающим 8 метров и веса выше 100 тонн . Аэрокосмическая промышленность в значительной степени полагается на детали из титана и стали, прокатанные по кругу, для корпусов, рам и переборок реактивных двигателей.

Холодная и теплая ковка: обработка стали при температуре ниже красного каления

Горячая ковка – не единственный вариант. Холодная ковка, выполняемая при комнатной температуре или близкой к ней, и теплая ковка, обычно при 650–900°С для стали — предлагают различные комбинации качества поверхности, точности размеров и механических характеристик.

Холодная ковка

Холодная ковка стали основана на наклепе: по мере пластической деформации металла плотность его дислокаций увеличивается и он становится все более прочным. Детали, изготовленные методом холодной ковки, могут достичь обработка поверхности Ra 0,4–1,6 мкм и размерные допуски более жесткие, чем ±0,05 мм без какой-либо механической обработки. Основными сферами применения являются крупносерийное производство болтов, гаек, винтов и холодноформованных заготовок зубчатых колес.

Ограничением являются необходимость больших сил. Холодная ковка низкоуглеродистой стали требует напряжения текучести 500–800 МПа , по сравнению с 80–150 МПа для того же материала при температуре горячей ковки. Штампы быстро изнашиваются, и сталь обычно необходимо отжигать и повторно смазывать (часто с помощью фосфатно-мыльных систем) между этапами операций многопроходной формовки.

Теплая ковка

Теплая ковка находится между горячей и холодной с точки зрения температуры и результата. При промежуточных температурах напряжение текучести снижается по сравнению с холодной обработкой, что снижает требования к тоннажу пресса, а качество поверхности и точность размеров намного лучше, чем при горячей ковке, поскольку образуется меньше окалины и меньше термическая усадка. Теплая ковка все чаще используется для прецизионных зубчатых колес и компонентов ШРУС в автомобильной трансмиссии, где сочетание точности формы, близкой к конечной, и хорошей целостности поверхности снижает общие производственные затраты по сравнению с последовательностями «горячая ковка, а затем обработка на станке».

Кузнечное оборудование: молоты, механические и гидравлические прессы.

Машина, создающая силу ковки, влияет на экономику, производительность и производительность операции так же, как и конструкция штампа. В промышленной ковке стали преобладают три основных типа машин:

Кузнечные молотки

Молоты передают энергию, опуская или направляя цилиндр вниз на высокой скорости. Энергия деформации – это кинетическая энергия движущегося плунжера. Гравитационные молоты — самый простой тип; силовые молоты используют пар, сжатый воздух или гидравлическое давление для ускорения плунжера, достигая энергии удара от от 5 кДж до более 1000 кДж для больших паровых молотов двойного действия. Молоты хорошо подходят для ковки сложных форм в открытых штампах, поскольку несколько быстрых ударов позволяют постепенно обрабатывать материал. Высокая скорость деформации ударов молотка также означает меньшее время контакта матрицы и меньшую тепловую нагрузку матрицы.

Механические ковочные прессы

В механических прессах используется эксцентриковый кривошип с приводом от маховика для преобразования энергии вращения в один ход плунжера за оборот. Мощности варьируются от от 5000 до 125 000 кН . Их фиксированный ход и предсказуемое положение плунжера делают их идеальными для работы с несколькими оттисками в закрытых штампах с высокой повторяемостью размеров. Механический пресс с усилием 63 000 кН — обычный размер для тяжелых автомобильных поковок — обычно работает при 40–80 ударов в минуту , что обеспечивает очень высокие темпы производства.

Гидравлические ковочные прессы

Гидравлические прессы создают силу за счет жидкости под высоким давлением, воздействующей на цилиндр. В отличие от механических прессов, они могут выдерживать полный тоннаж на протяжении всего хода и могут быть запрограммированы со сложными профилями скорости и силы поршня. Это делает их незаменимыми для изотермической штамповки авиационных суперсплавов, где необходимы низкие скорости деформации, чтобы избежать адиабатического нагрева и растрескивания, а также для очень крупных операций в открытых штампах. Крупнейшие в мире ковочные прессы, в том числе Пресс 750 МН на ВСМПО-АВИСМА в России — гидравлические.

Что происходит с зеренной структурой во время ковки стали

Механическое превосходство поковок над отливками напрямую связано с воздействием ковки на внутреннюю микроструктуру стали. Понимание этого объясняет, почему для критически важных применений используются поковки, даже если они стоят значительно дороже.

Литая сталь имеет крупнозернистую дендритную структуру зерен с химической сегрегацией между границами зерен и внутренними усадочными пустотами или пористостью. При ковке этого материала одновременно происходит несколько вещей:

• Очистка зерна: Крупные литые зерна разрушаются в результате пластической деформации, а затем рекристаллизуются в более мелкие, более однородные равноосные зерна во время и после горячей обработки. Меньшие зерна означают лучшую ударную вязкость и усталостную прочность.
• Закрытие пустоты: Внутренняя пористость и микроусадка уплотняются и завариваются под действием сжимающих напряжений при ковке, особенно при многопроходных операциях в открытой штампе с высокими коэффициентами обжатия.
• Поток волокна: Неметаллические включения и карбидные стрингеры вытянуты и ориентированы по направлению потока металла, создавая структуру потока зерен. Если ковочный штамп спроектирован правильно, этот поток волокон повторяет контур детали, а линии потока зерен проходят параллельно оси напряжений при эксплуатации, что значительно повышает усталостную прочность по сравнению с обработанной заготовкой, где линии потока прорезаны.
• Гомогенизация: Повторный нагрев и деформация более равномерно распределяют легирующие элементы, уменьшая градиенты состава, ослабляющие литые конструкции.

Хорошо откованная стальная деталь может демонстрировать до 40 % более высокая усталостная прочность, 20 % более высокая прочность на растяжение и значительно более высокая ударная вязкость по сравнению с литым компонентом того же номинального состава. В таких приложениях, как шасси самолетов или автомобильные коленчатые валы, где циклические нагрузки и случайные ударные нагрузки являются движущими силами конструкции, это не незначительный выигрыш.

Термическая обработка после ковки: завершение металлургического цикла

Для большинства поковок из легированной стали сама по себе операция ковки не обеспечивает требуемых окончательных механических свойств. Термическая обработка после ковки — это этап, который фиксирует целевое сочетание прочности, твердости и ударной вязкости.

Нормализация

Отопление до 850–950°С а воздушное охлаждение улучшает зернистую структуру и гомогенизирует микроструктуру после ковки. Нормализация часто указывается в качестве базовой обработки поковок из углеродистой и низколегированной стали перед окончательной обработкой и иногда является единственной термообработкой, необходимой для применений с более низкими эксплуатационными характеристиками.

Закалка и отпуск (Q&T)

Для поковок из высокопроизводительных легированных сталей аустенизация (обычно 830–900°С ), закалку в воде, масле или полимере, а затем отпуск при 450–680°С Это стандартный путь достижения высокой прочности при достаточной ударной вязкости. Поковка из стали AISI 4340 в состоянии Q&T может достичь прочности на растяжение 1000–1800 МПа в зависимости от температуры отпуска, что делает его пригодным для изготовления конструктивных элементов самолетов и деталей трансмиссии, работающих в тяжелых условиях.

Отжиг и снятие стресса

Крупные поковки сложной геометрии могут сохранять значительные остаточные напряжения из-за неравномерного охлаждения после ковки. Отжиг для снятия напряжения при 550–650°С — ниже температуры трансформации — снижает остаточное напряжение без существенного изменения твердости, предотвращая деформацию при окончательной обработке. Этот шаг является стандартной практикой для крупных корпусов клапанов, штамповых блоков и компонентов сосудов под давлением.

Контроль качества и испытания при ковке стали

Стальные поковки, предназначенные для критически важных применений, проходят строгий режим контроля, который охватывает как поверхностное, так и внутреннее качество. Конкретные необходимые испытания зависят от отраслевого стандарта — ASTM, EN, JIS или спецификаций заказчика — но широко применяются следующие:

• Ультразвуковой контроль (УЗ): Звуковые волны высокой частоты обнаруживают внутренние дефекты — трещины, пустоты, включения, — невидимые на поверхности. Требуется практически для всех поковок аэрокосмического, ядерного и работающего под давлением оборудования; Критерии приемки определяются по зонам (например, отсутствие признаков, превышающих эквивалент плоскодонного отверстия 2 мм в зоне отверстия).
• Магнитопорошковый контроль (MPI): Обнаруживает поверхностные и приповерхностные трещины в ферромагнитных сталях путем намагничивания детали и нанесения суспензии частиц железа. Стандарт для автомобильных поковок, важных для безопасности, таких как поворотные кулаки и ступицы колес.
• Проверка твердости: Твердость по Бринеллю или Роквеллу, измеренная на обработанных поверхностях, подтверждает, что термическая обработка достигла целевого диапазона свойств.
• Испытание на растяжение и удар: Разрушающие испытания на отдельно выкованных контрольных образцах или на удлинениях, выкованных на детали, проверяют предел текучести, предел прочности при растяжении, удлинение и энергию удара по Шарпи с V-образным надрезом при определенных температурах.
• Проверка размеров: Проверка КИМ (координатно-измерительной машины) всех критических размеров по инженерному чертежу с полной прослеживаемостью данных измерений.

Испытание на макротравление — резка, полировка и травление поперечного сечения поковки разбавленным раствором кислоты — выявляет линии течения зерен, подтверждает, что они следуют заданному рисунку, и обнажает любые внутренние сегрегации, трубы или швы, которые UT может не заметить. Это испытание обычно проводится для первичной квалификации новых конструкций штампов.

Распространенные дефекты стальных поковок и их причины

Даже при хорошо контролируемой ковке производятся бракованные детали. Распознавание основной причины каждого типа дефектов имеет важное значение для корректировки процесса до того, как накопится большое количество брака.

Где используются детали из кованой стали: применение в промышленности

Стальные поковки встречаются практически во всех отраслях промышленности, где компоненты должны выдерживать высокие напряжения, повторяющиеся нагрузки или повышенные температуры. На долю следующих секторов приходится большая часть мирового производства ковки:

Автомобильная промышленность

Автомобильный сектор потребляет примерно 60% всех поковок, производимых в мире . Типичный легковой автомобиль содержит более 250 кованых деталей: коленчатые валы, шатуны, распределительные валы, шестерни трансмиссии, поворотные кулаки, ступицы колес, тормозные суппорты, рычаги подвески и корпуса ШРУСов. Переход на электромобили меняет сочетание — меньше коленчатых валов и поршней — но увеличивает спрос на крупные конструктивные элементы аккумуляторного отсека и валы электродвигателей.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Аэрокосмические поковки подлежат самым строгим требованиям сертификации материалов и процессов в любой отрасли. Детали конструкции планера — лонжероны крыла, шпангоуты фюзеляжа, стойки шасси — и детали двигателя — диски компрессора, диски турбины, валы — почти исключительно кованые. Один широкофюзеляжный коммерческий самолет содержит более 1500 кованых деталей Многие из них представляют собой крупные детали из алюминия или титана, а не из стали, но в шасси и исполнительных системах преобладают поковки из высокопрочной стали.

Нефть, газ и энергетика

Фланцы сосудов под давлением, корпуса клапанов, трубопроводная арматура, компоненты устья скважин и роторы турбин являются критически важными областями применения штамповки в энергетическом секторе. Эти детали работают под высоким давлением, высокой температурой и зачастую в агрессивных средах, где пористость отливки представляет собой неприемлемый риск. Поковки роторов больших турбин для паровых электростанций могут весить более 200 тонн после окончательной обработки и требуют месяцев ковки, термообработки и испытаний перед поставкой.

Строительное и горнодобывающее оборудование

Гусеничные звенья, звездочки, зубья ковша, буровые долота и конструкционные пальцы в тяжелом строительном и горнодобывающем оборудовании изготавливаются из кованой стали из-за ее устойчивости к ударам и истиранию. Чрезвычайно высокие динамические нагрузки, испытываемые этими компонентами (большой зуб ковша экскаватора может выдерживать десятки тысяч ударных циклов за смену), делают превосходную прочность поковок необходимой для приемлемого срока службы.

Современные разработки в технологии ковки стали

Основная физика ковки стали не изменилась — металл по-прежнему течет под давлением при нагревании, — но технология, связанная с этим процессом, существенно продвинулась за последние два десятилетия.

Моделирование анализа методом конечных элементов (FEA) процесса ковки — с использованием такого программного обеспечения, как Deform, FORGE или Simufact, — позволяет инженерам прогнозировать течение металла, распределение деформации, напряжение в штампе и места потенциальных дефектов перед резкой одного штампа. Это значительно сократило количество итераций испытаний штампа, необходимых для создания сложных новых деталей, сократив время и стоимость разработки штампа на 30–50% во многих случаях.

Гидравлические и сервомеханические прессы с сервоуправлением. позволяют программировать профили скорости плунжера, обеспечивая теплую и изотермическую ковку материалов, которые ранее требовали специального оборудования или вообще были невозможны при штамповке. Скорость плунжера можно замедлять на критических этапах, чтобы контролировать выделение тепла и поток металла, или ускорять, чтобы оптимизировать время цикла на менее чувствительных операциях.

Автоматизированные ковочные ячейки Сочетание индукционных нагревателей, роботизированной обработки заготовок, многоосных систем переноса прессов и линейного визуального контроля позволило запустить большие объемы ковочных линий в закрытых штампах с минимальными прямыми трудозатратами. Современная автомобильная ковочная линия может иметь один оператор, контролирующий четыре-шесть прессов , при этом контроль качества осуществляется с помощью систем лазерного сканирования и машинного зрения в конце линии.

Прецизионная ковка почти чистой формы — производство деталей, настолько близких к окончательной геометрии, что обработка сводится к легкой чистовой обработке только функциональных поверхностей — становится все более распространенным явлением для автомобильных зубчатых передач и компонентов подшипников. Такой подход сокращает время обработки, улучшает использование материала и сохраняет полезный поток зерен, который в противном случае механическая обработка разрушила бы на поверхности детали.