Структура и механические свойства поковки и штамповки

Структура и механические свойства поковок и штамповок, так же как и других полуфабрикатов из титановых сплавов, зависят от параметров деформации и могут изменяться в широких пределах. Вместе с тем особенностью полуфабрикатов, полученных методом ковки, является более значительная неоднородность и нестабильность структуры и механических свойств, объясняющаяся широким диапазоном параметров деформации в пределах каждой штамповки или поковки Поэтому стабильное обеспечение требуемого качества кованых полуфабрикатов, как правило, является более сложной задачей, чем обеспечение требуемого качества полуфабрикатов, изготавливаемых другими методами пластической деформации.

Температура деформации является одним из основных параметров, определяющих структуру и механические свойства поковок и штамповок Первичную ковку слитков или заготовок большинство исследователей считает необходимым проводить при температурах однофазного в-состояния. Такая высокотемпературная ковка не только существенно облегчает процесс деформации, но и способствует более полной и равномерной проработке литой структуры, обеспечивая получение мелкозернистой макроструктуры.

Температурные режимы последующих операций ковки, в особенности завершающих, зависят от требований, предъявляемых к структуре и механическим свойствам штамповок и поковок, и, как далее будет показано, от структуры исходных заготовок и степени деформации.
Ранее отмечалось, что наилучшее сочетание прочностных, пластических, жаропрочных, усталостных и конструктивных свойств а+в-титано-вых сплавов достигается при смешанной структуре, состоящей из участков с глобулярной и пластинчатой a-фазой в соотношении (20—30% ):(80—70%). Для получения такой структуры ковку необходимо проводить при температурах на 10—30° С ниже температуры в-перехода. Однако стабильное обеспечение таких режимов деформации, особенно при изготовлении сложных штамповок, возможно лишь в изотермических условиях И при точном знании температуры полиморфного превращения. При обычной ковке во избежание огрубления структуры целесообразно несколько занижать температуру ковки, а последующую термообработку проводить при указанных выше температурах.

Ковка a+в-титановых сплавов при более низких температурах двухфазной области способствует измельчению структуры, приводит к увеличению доли структуры с глобулярным строением а-фазы и благодаря этому, как правило, вызывает повышение пластичности, предела выносливости гладких образцов при од повременном снижении жаропрочных свойств и вязкости разрушения (рис. 135). Вместе с тем при снижении температуры ковки вследствие медленного развития рекристаллизационных процессов увеличивается анизотропия механических свойств и повышается вероятность поводки штамповок под влиянием внутренних напряжений Кроме того, ковка при слишком низких температурах нежелательна в связи с повышенной неравномерностью структуры и свойств по сечению поковок и штамповок и в связи с опасностью возникновения поверхностных и внутренних дефектов из за пониженной технологической пластичности.
Превышение температуры полиморфного превращения при ковке, напротив, вызывает укрупнение структуры, снижение пластичности и усталостной прочности на гладких образцах, но вместе с тем приводит к увеличению жаропрочности, вязкости разрушения и некоторых других характеристик, а также к повышению равномерности структуры и механических свойств и улучшению деформируемости Особенностью структуры, образующейся после ковки при температурах в-области, является пластинчатое строение внутризеренной a-фазы, ее тексту рованность в пределах а колоний и наличие в большинстве случаев на границах бывших в-зерен оторочки а-фазы. Величина различных элементов пластинчатой структуры и ее характер зависят от состава сплавов, температуры и степени деформации, скорости последующего охлаждения. Это связано в первую очередь с кинетическими особенностями рекристаллизации в-фазы в процессе деформации и последующего охлаждения.
Влияние температуры ковки на структуру и свойства а-сплавов в основном подобно тому, которое обнаружено на а+в-сплавах. Наилучшее сочетание деформируемости и механических свойств этих сплавов достигается в случае ковки при температурах а+в-области. Однако на практике стабильное осуществление ковки а-сплавов в сравнительно узком температурном интервале двухфазной области столь же сложная задача, как и проведение ковки а+в-сплавов при температурах на 10—30° С ниже температуры полиморфного превращения. Вместе с тем для этих сплавов по сравнению с а+в-сплавами в связи с их меньшей структурной чувствительностью менее опасно некоторое превышение температуры полиморфного превращения.
В в-сплавах, применяемых в термически упрочненном состоянии, в отличие от а+в- и а-сплавов, преимущественно используемых в отожженном состоянии, влияние температуры ковки на механические свойства определяется изменением не только структуры, но в большей степени изменением тонкой структуры, от которой зависит процесс распада p-фазы при старении. По этой причине в состаренном состоянии температура ковки оказывает большее влияние па механические свойства в-сплавов, чем в закаленном.
Исследованиями установлено, что увеличение степени наклепа при понижении температуры деформации способствует возникновению большего числа зародышей а-фазы и, следовательно, более равномерному распаду в-фазы. Это в сочетании с более мелкой структурой позволяет получать более высокие прочностные и пластические свойства. Наилучшее сочетание прочности и пластичности в в-сплавах получается, когда их ковку проводят при температурах рекристаллизации или несколько более низких. После ковки при температурах, превышающих температуру рекристаллизации, в в-сплавах из-за преимущественного выделения a-фазы по границам зерен, наблюдается снижение прочности и особенно пластичности и ударной вязкости. Минимально допустимые температуры ковки этих сплавов так же, как и других, ограничены их технологической пластичностью.
Итак, важнейшим условием ковки титановых сплавов (особенно средне- и высоколегированных), определяющим их качество, является проведение нагрева и деформации в весьма узком температурном интервале. На практике границы этого интервала устанавливаются на основании данных по температурам полиморфного превращения и температурам рекристаллизации сплавов, а также с учетом диаграмм технологической пластичности. Кроме того, как будет показано далее, учитывается возможный прирост температуры вследствие теплового эффекта деформации, особенно при ковке на молотах, и падение температуры, в том числе при контакте с холодным инструментом. Таким образом, при нагреве и ковке титановых сплавов необходимы правильный выбор и надежный контроль температуры металла в печи и во время ковки, а также тщательнее проведение самою процесса ковки.
В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют ковка в изотермических условиях и ковка за несколько переходов с промежуточными подогревами металла перед каждым переходом.

He менее важное значение в технологическом процессе ковки титановых сплавов имеет степень деформации.
Влияние степени деформации на качество полуфабрикатов зависит от температуры деформации. Поэтому в большинстве работ, посвященных разработке технологии ковки, изучается совместное влияние температуры и степени деформации, а выбор оптимальных степеней деформации, рекомендуемых для практики, осуществляется во взаимосвязи с температурой.
Заметное измельчение структуры титановых сплавов начинается при степенях деформации, превышающих 30—40%. Для полного измельчения крупнозернистой пластинчатой структуры и ее превращения в структуру глобулярного типа необходимо, чтобы степень деформации при температурах а+в-области была не менее 60—70%. При меньших степенях деформации образуются различные промежуточные структуры.
Эффективное измельчение структуры в процессе в-деформации также происходит при достаточно больших обжатиях. Причем чем выше температура деформации, тем, как правило, большая деформация необходима для получения мелкозернистой пластинчатой структуры. Вместе с тем, если p-деформации предшествует а+в-деформация, то значительное измельчение структуры титановых сплавов может быть достигнуто при сравнительно небольших степенях в-деформации (30—40%). Причиной более эффективного измельчения структуры титановых сплавов в случае проведения деформации сначала при температурах а+в-, a затем при температурах в-области является развитие первичной рекристаллизации, вызывающей появление новых зерен. По той же причине, как установлено в работе, измельчение зерен при деформации в p-области более значительно, чем при деформации в а+в-области.

В реальных штамповках, изготовленных при температурах в-области, величина зерна нередко превышает указанные выше значения. Это обусловлено их большей массой и, следовательно, большим временем пребывания металла при температурах в-области. Особенно крупная структура обычно наблюдается в зонах затрудненной деформации штамповок, где вследствие малых степеней деформации не развивается первичная рекристаллизация и в то же время, происходит интенсивный рост исходных зерен.
Изменение степени деформации оказывает влияние не только на величину зерен, но и на внутризеренное строение пластинчатой структуры. Увеличение степени деформации приводит к некоторому измельчению внутризеренной структуры. Наиболее резко влияние степени деформации, так же как и температуры деформации, на внутризеренную структуру проявляется при температурах а+в-области, когда присутствует и подвергается деформации a-фаза. С повышением температуры деформации влияние степени деформации ослабевает
Соответственно механические свойства титановых сплавов, особенно показатели пластичности, при изменении степени а+в-деформации изменяются более заметно, чем при изменении степени в-деформации (рис. 136). Повышение температуры в-деформации также приводит к уменьшению эффективности влияния степени деформации на механические свойства.
На практике при выборе степени деформации на различных этапах технологического процесса, как и при назначении температурных режимов деформации, прежде всего руководствуются требованиями к качеству поковок и штамповок. Степени деформации зависят также от структуры исходных заготовок, размеров и конфигурации поковок и штамповок.
Так, данные, полученные в работе, показывают, что величина укова, при которой могут быть получены примерно одинаковая мелкозернистая структура и достаточно высокие механические свойства в прутках из сплава ВТ9, изготовленных из слитков диаметром 350, 590 и 770 мм, составляет соответственно 5—7, 8—10 и 12—15. Другими словами, чем больше диаметр слитка и, следовательно, чем крупнее исходная структура, тем большая деформация должна быть обеспечена в процессе его переработки.
Особенно важным является правильный выбор и реализация необходимой степени деформации на завершающих операциях ковки. Для устойчивого обеспечения высокой прочности и пластичности степень деформации при окончательной ковке должна быть не менее 40—50% при условии достаточно равномерного ее распределения по объему деформируемой заготовки. На самом деле в связи с неравномерностью деформации величину обжатия приходится увеличивать до 70—80%, хотя чрезмерно большое обжатие, в особенности при температурах двухфазной области, также неблагоприятно влияет на некоторые свойства, как и малая деформация.
Сказанное достаточно убедительно подтверждается данными, полученными при исследовании двух типов штамповок дисков из сплава ВТ9 с простой и сложной конфигурацией (рис. 137, 138), (табл. 44, 45).

Из этих данных видно, что для обеспечения высокого уровня пластических характеристик, ударной вязкости и термической стабильности дисков 1-го типа необходимо, чтобы суммарная степень укова при низкотемпературной осадке и штамповке кованых заготовок была не менее 3 и не более 5. При таком укове в центральных сечениях дисков образуется мелкозернистая микроструктура с округлой формой частиц a-фазы (см. рис. 137, в). В периферийных зонах сохраняются остатки границ первичных p-зерен. Однако их присутствие, хотя и снижает пластические свойства дисков, но весьма незначительно (wmin=24%) -

Уменьшение степени укова при температурах а+в-области до двух вызывает довольно заметное падение пластичности в приконтактных зонах дисков (wmin = 12%), а ее увеличение сверх пяти приводит к снижению ударной вязкости и термической стабильности в центральных сечениях дисков. Микроструктура в первом случае крупнозернистая видманштеттового типа (см. рис. 137, б), а во втором — мелкозернистая с дискообразной формой кристаллов a-фазы (см, рис. 137, г).
В полотне дисков второю типа, изготовленных при температуре 960° С из кованых заготовок высотой 230 мм (K0=10), наряду с рассмотренными выше типами структур, присущими дискам первого типа, наблюдалась мелкозернистая микроструктура с радиальной ориентированностью кристаллов a-фазы (рис 138, а). Образование такой структуры, как видно из данных табл. 45, вызывает наиболее резкое охрупчивание хордовых образцов в процессе длительной выдержки при 500° С (b=2/8%, w=7/15%, ан=0,5/1,4 кгс-м/см2), а также весьма существенное снижение ударной вязкости и пластичности в исходном состоянии (w=20/23%, ан=1,7/2,1 кгс-м/см2). Поэтому образование такой ориентированной структуры весьма нежелательно.

Устранению или уменьшению ориентированности мелкозернистой структуры, возникающей при большом укове, способствует увеличение дробности деформации с введением дополнительных подогревов (см. рис. 138, г), а также повышение температуры нагрева металла почти до температуры полиморфного превращения (см. рис. 138, е). В тех же случаях, когда при окончательной а+в-ковке, напротив, невозможно обеспечить минимально необходимую степень деформации (например, из-за особенностей конфигурации штамповок), целесообразно уже предварительную ковку промежуточных заготовок частично проводить при температурах а+в-области.

Ковку и штамповку титановых сплавов проводят на молотах и прессах. Сравнение качества дисков и других кованых полуфабрикатов, изготовленных на молотах и прессах, показало, что их структуры и механические свойства близки. Тем не менее большинство специалистов отдает предпочтение ковке титановых сплавов при пониженных скоростях деформации на прессах. Основной причиной этого является большая опасность разогрева металла при ковке на молотах под влиянием теплового эффекта деформации, который может привести к огрублению структуры и снижению пластических свойств.
Тепловыделение при ковке зависит от температуры металла, скорости ковки и величины укова. Проведенные исследования позволили с помощью метода цветной фотографической пирометрии и структурного метода (основанного на изучении структурных изменений специальных мелкозернистых датчиков с разной температурой полиморфного превращения) установить, например, что тепловой эффект в процессе ковки сплава ВТ9 при 940—950° С со степенью деформации 50—60% составляет 40—60° С. Уменьшение степени деформации до 20—30% приводит к уменьшению теплового эффекта до 10—20° С, а ее увеличение до 80—90% вызывает рост теплового эффекта до 100—140° С.
При ковке на прессах в отличие от ковки на молотах, во-первых, примерно на 30—40% меньше необходимые усилия деформирования, что позволяет осуществлять деформацию при более низких температурах. Во-вторых, при ковке на прессах можно путем регулирования скорости деформирования добиться такого состояния деформируемой заготовки, чтобы ее разогрев вследствие теплового эффекта компенсировал потери тепла при контакте с холодным инструментом. Это означает, что при ковке на прессах можно обеспечить достаточно однородные условия деформации.
Однако ковка на прессах имеет свои недостатки. Основной из них — более продолжительный контакт горячего металла с холодным инструментом и, как следствие этого, более глубокие зоны затрудненной деформации с менее проработанной структурой. Кроме того, гидравлические прессы дороже, чем эквивалентные им молоты, а их производительность ниже, что приводит к удорожанию продукции.
Поэтому ковка на молотах широко применяется для производства штамповок из титановых сплавов. При ковке на молотах применяют меры предосторожности против разогрева металла. Они заключаются в некотором снижении температуры нагрева металла и уменьшении интенсивности ковки, которая определяется количеством ударов в единицу времени и энергией каждого удара. Об эффективности регулирования интенсивности ковки при обработке титановых сплавов свидетельствуют экспериментальные данные, полученные в работе на дисках из сплава ВТ9. Они также показывают, что при осуществлении ковки на молотах наряду с температурой металла необходимо регламентировать и контролировать число и энергию ударов.
Один из наиболее надежных способов снижения энергии ударов при ковке титановых сплавов и уменьшения деформационного разогрева заключается в использовании несколько менее мощного оборудования, чем это необходимо для получения данной поковки или штамповки.

Установлено, что нередко штамповки и другие полуфабрикаты из титановых сплавов, деформированные при температурах в-области и закаленные в воде, имеют в отожженном состоянии более высокие пластичность и некоторые другие свойства, чем охлажденные на воздухе. Повышение механических свойств при ускоренном охлаждении после деформации обусловлено уменьшением величины в-зерен, увеличением разориентации внутризеренных пластин a-фазы и устранением пограничной а-оторочки.
Однако ускорение охлаждения не всегда благоприятно влияет на механические свойства Так, для повышения пластичности высоколегированных а+в-титановых сплавов типа ВТ22, структура которых характеризуется мелкими a-колониями и тонкими а-пластинами, наоборот, целесообразно медленное охлаждение после p-деформации, поскольку оно способствует достижению равновесного состояния и укрупнению a-колоний и а-пластин с приближением их размеров к оптимальным.
Для менее легированных сплавов таких, как ВТ3-1 ВТ9, ВТ6 и др., ускоренное охлаждение после в-деформации эффективно, но только при определенных регламентированных скоростях. Дальнейшая интенсификация охлаждения вызывает чрезмерное измельчение а-колоний и утонение а-пластин до размеров меньших, чем оптимальные, что в значительной степени, вероятно, и снижает пластичность. Кроме того, ускоренное охлаждение может препятствовать развитию первичной рекристаллизации и тем самым обусловливать сохранение крупнозернистой структуры. Именно этими причинами, по видимому, можно объяснить тот факт, что после закалки в воду в сочетании с последующим отжигом нередко наблюдается повышение пластичности в штамповках сечением более 25—30 мм и ее снижение в более тонких штамповках.
Таким образом, при выборе режимов охлаждения штамповок после в-деформации следует учитывать структуру и внутризеренное строение металла.

Кованым полуфабрикатам, как правило, в большей мере, чем полуфабрикатам, полученным другими методами деформации, свойственна зональная неоднородность структуры и механических свойств. Степень зональной неоднородности зависит от температуры, степени и скорости деформирования. Ho даже при оптимальных по существующим представлениям термомеханических режимах деформирования эта неоднородность может быть весьма значительной. Поэтому для повышения равномерности структуры и механических свойств штамповок и поковок из титановых сплавов приходится прибегать к ряду специальных приемов.
Наиболее характерные примеры зональной неоднородности структуры и механических свойств кованых полуфабрикатов из титановых сплавов приведены на рис. 139. На рис. 139, а показана структура шайб из сплава ВТ9. полученных осадкой литых заготовок при температуре двухфазной области (960° С). Видно, что она изменяется от литой в приконтактных областях до сравнительно мелкозернистой в центральной зоне. По мере увеличения степени осадки объемы литой структуры в приконтактных областях уменьшаются, однако полностью они не исчезают даже после осадки со степенью деформации 75—85%.

В связи с зональной разнозернистостью структуры механические свойства (особенно пластические) шайб, полученных из литых заготовок простой осадкой, также неоднородны: в слабодеформированных приконтактных областях они значительно ниже (ов=96/103 кгс/мм2, b=3/7%, w=12/19%), чем в центральных зонах, где течение металла наиболее интенсивно (ов=100/118 кгс/мм2, b=8/13%, w=21/37%).
Общим для всех рассмотренных примеров является наличие по сечению штамповок, прилежащих к поверхности, зон затрудненной деформации с наиболее крупнозернистой структурой, соответствующей структуре исходной заготовки, зон интенсивного течения с наиболее мелкой структурой и промежуточных зон.
Наряду с такой неоднородностью нередко наблюдаются случаи, когда структура зон интенсивного течения, наоборот, крупнее, чем структура всех остальных зон. Такие случаи наиболее характерны для штамповок, изготовленных на молотах.
Основная причина часто наблюдаемой «прямой» зональной неоднородности структуры и механических свойств кованых полуфабрикатов заключается в том, что процесс ковки, как известно, протекает в условиях неравномерного течения металла по высоте деформируемых заготовок вследствие наличия сил трения на поверхности контакта деформируемого металла с инструментом и вследствие подстывания поверхностных слоев.
Немаловажное значение, особенно для «обратной» зональной неоднородности, имеет тот факт, что из-за различий в химическом составе, а также в тепловом эффекте (в связи с неоднородностью течения металла) деформация разных зон может проходить в разных фазовых областях.
Характер зональной неоднородности структуры и степень ее развития в кованых полуфабрикатах из титановых сплавов зависят от режимов деформирования. В.К. Катая, исследовавший распределение деформации по объему шайб диаметром 235 мм из сплава ВТ3-1, осаженных на молоте при температурах на 20° С ниже и на 40° С выше температуры полиморфного превращения (960 и 1030° С), показал, что максимальная неравномерность деформации соответствует средним деформациям порядка 40—60%. По данным автора, до степени обжатия примерно 50% деформация развивается за счет центральных областей поковок, а при больших обжатиях — за счет зон затрудненной деформации. Это свидетельствует о выравнивании деформации по объему поковок.
При температуре 1050° С (в-область) неравномерность деформации меньше, чем при температуре 960 С (а+в-область).
С этими данными согласуются результаты металлографических исследований и механических испытаний, которые показывают, что наибольшая равномерность структуры и свойств достигается при температурах деформации, соответствующих в-области, и степенях деформации, превышающих 50—60%. Так, изучение макроструктуры в различных сечениях поковок показало, что после деформации при температурах p-области образуется структура с величиной зерна 5—6 баллов. После деформации в а+в области наряду с зернами величиной в 1—2 балла в отдельных сечениях образуются зерна величиной 4—6 баллов.
Немаловажное значение для степени неравномерности деформации в объеме поковок и штамповок имеют также скорость деформирования, форма исходных заготовок и конфигурация готовых деталей, конструкция инструмента и другие факторы. Выполненные исследования и практический опыт свидетельствуют, например, о том, что ковка на молотах, по сравнению с ковкой на гидравлических прессах благодаря меньшей продолжительности контакта горячего металла с холодным инструментом обеспечивает более равномерную структуру и механические свойства.
При разработке методов предотвращения неоднородности структуры исходили из необходимости уменьшения потерь тепла с поверхности деформируемой заготовки, уменьшения контактного трения между заготовкой и инструментом и обеспечения возможностей для наилегчайшего течения металла. Наиболее эффективным из них для снижения тепловых потерь является деформирование в изотермических условиях, осуществляемое в инструменте, нагретом почти до температуры заготовки
Менее эффективным, но значительно более простым, доступным и широко применяемым в настоящее время способом повышения равномерности деформации является применение различных обмазок, покрытий и эмалей. Их положительное влияние обусловлено уменьшением глубины более прочного газонасыщенного слоя, уменьшением контактного трения и уменьшением величины тепловых потерь.
Для повышения равномерности структуры и механических свойств штамповок, имеющих сложную форму со значительным перепадом толщин в разных сечениях, весьма целесообразным является проведение деформации за несколько переходов с использованием заготовительных штампов и применением промежуточных подогревов.
Качество штамповок из титановых сплавов в значительной мере зависит от качества исходных заготовок. Поэтому в ряде работ были изучены некоторые методы повышения равномерности структуры и механических свойств исходных заготовок.
Равномерность течения металла при осадке можно повысить, если ее проводить не только на гладких, но и на рельефных (с чередующимися выступами и впадинами) бойках. При обжатии таким инструментом в начальной стадии процесса металл деформируется лишь под выступами рельефных поверхностей. Соответственно вместо монолитной области затрудненной деформации получается ряд менее развитых и менее глубоких зон.
Равномерность деформации при осадке повышается также в случае применения горячих прокладок из материала более мягкого и пластичного, чем основной металл, и при спаренной осадке заготовок.
Наиболее равномерною структуру в исходных заготовках, а следовательно, и в конечных полуфабрикатах удается получать, используя попеременно направленную или, как ее обычно называют, всестороннюю деформацию, состоящую из чередующихся операций протяжки (вытяжки) и осадки. Протяжку при этом следует проводить по схеме квадрат — квадрат со сменой углов и граней. При такой схеме обеспечивается наибольшая глубина распространения деформации по сечению заготовки и создаются благоприятные условия для проработки ее центральной зоны. Глубина распространения деформации зависит от относительного обжатия за один удар молота или жима пресса. Она тем больше, чем больше величина частного обжатия Поэтому частное обжатие при протяжке должно быть максимально возможным, тем более, что это способствует уменьшению напряжений в центре заготовки и, следовательно, уменьшает вероятность возникновения и распространения трещин.
Общие степени деформации при протяжке и осадке, обеспечивающие достаточно полную проработку литой структуры по всему объему заготовок, составляют примерно 40—50 и 60—70%. Всестороннюю ковку, особенно для заготовок, полученных из крупных слитков, целесообразно проводить дважды и даже трижды. Температура нагрева металла перед всесторонней ковкой, как уже отмечалось, должна быть достаточно высокой: на 50—150° С выше температуры полиморфного превращения. Это способствует более равномерной проработке структуры.
Существенным недостатком всесторонней ковки является ее высокая трудоемкость. Поэтому, применение всесторонней ковки оправданно для полуфабрикатов ответственного назначения. В последние годы наряду со всесторонней ковкой для улучшения структуры исходной заготовки начали применять также другие, более простые технологические схемы деформации. В их числе прежде всего следует отметить двустадийную деформацию сначала при температурах а+в-области, затем при температурах в-области.