HomeОбработка стали › Ковка монокристаллов

Ковка монокристаллов

Ковка монокристалловЗаготовки тугоплавких металлов (в основном вольфрама и молибдена) в виде монокристаллов имеют малое содержание примесей и обладают высокой пластичностью.Получение прутков из монокристаллов для дальнейшего производства проволоки осуществляется на ротационно-ковочных машинах.

 

Перед первой ковкой вольфрамовые монокристаллы нагревают до температуры 600° С. Однако при этой температуре происходит интенсивное окисление, и поэтому монокристаллы нагревают и прокатывают в стальных оболочках. При последующих проходах, с увеличением суммарного обжатия, температура ковки снижается.

 

Молибденовые монокристаллы можно не только ковать на ротационно-ковочных машинах, но и прокатывать в калибрах в холодном состоянии. Практически перед прокаткой в первых проходах металл подогревают до температуры 300° С.

 

Монокристаллы молибдена прокатывают и на гладких валках с целью получения заготовки для дальнейшей прокатки на фольгу. На последних стадиях обработки проволоку и фольгу подвергают вакуумному рекристаллизационному отжигу. В настоящее время монокристаллы вольфрама и молибдена прокатывают при высоких температурах на вакуумных прокатных станах.

В последние годы тугоплавкие металлы получают в виде слитков весьма чистого металла вакуумной дуговой или электроннолучевой плавкой. Однако при обработке слитков (особенно крупных) возникает много проблем, которых не существует для малых заготовок, получаемых методом порошковой металлургии.

 

Первичную деформацию слитков тугоплавких металлов производят либо ковкой в открытых штампах, либо прессованием. Прессование является наиболее предпочтительной операцией по сравнению с ковкой (меньшая вероятность растрескивания слитка, лучшее качество изделия, быстрота процесса), однако применение его ограничено мощностью соответствующего прессового оборудования и стойкостью инструмента при высоких температурах.

 

Поэтому широкое применение получила ковка в открытых штампах, в плоских и фасонных бойках или- обжимках. Открытую ковку при высоких температурах легче проводить в камере с защитной атмосферой или в нейтральном газе. Методом ковки получают заготовки для прокатки, прессования и волочения, а также полуфабрикаты и готовые изделия в виде прутков, пластин и другого продукта. Куют слитки на молотах и прессах различной мощности в открытых или закрытых штампах (бойках). Мощность оборудования выбирают в соответствии с размерами заготовок и поковок. Для ковки тугоплавких металлов применяют пневматические молоты.

 

Молоты, на которых обычно производят ковку штабиков, имеют небольшой вес падающих частей (50- 100 кг) и одностороннее действие. Молоты с весом падающих частей до 1000 кг имеют двухстороннее действие и применяются для ковки слитков. В процессе операции ковки — протяжки происходит уменьшение сечения слитка и придается нужная форма изделию. При протяжке в отличие от осадки заготовку (слиток) обрабатывают участками по длине заготовки путем последовательных подач ее под бойки молота.

 

В процессе протяжки из-за неоднородности деформации на границе обжимаемых и необжимаемых участков возможно появление дополнительных напряжений растяжения и вследствие этого — возникновение трещин, особенно при ковке малопластичных металлов.

 

Литой вольфрам очень чувствителен даже к небольшим содержаниям примесей внедрения и, не имея достаточной пластичности при ковке, в большинстве случаев разрушается. Поэтому слитки вольфрама предварительно прессуют на заготовки, которые имеют уже достаточную пластичность и после этого подвергают ковке.

 

В зависимости от условий деформации в процессе ковки разрушается литая структура слитка, придается нужная форма заготовке, получается оптимальная зернистость металла.

Нагрев слитков и заготовок вольфрама и молибдена перед ковкой или осадкой на прессах производят в индукционных печах или электропечах с силитовыми или молибденовыми нагревателями в атмосфере очищенного водорода, а заготовок ниобия и тантала — в среде очищенного и осушенного аргона или гелия (с содержанием кислорода 0,002%, азота 0,003% при точке росы 3,43° К).

 

Для нагрева слитков применяют двухкамерные печи с герметизируемым металлическим муфелем, обогреваемым индуктором. Муфель и загрузочно-разгрузочная камера герметизируются специальными затворами. Герметизация необходима для поддержания постоянного состава защитной атмосферы. Литой молибден при свободной ковке проявляет ограниченную пластичность, но все же может быть прокован на плоские или круглые заготовки.

 

Обычно ковку молибденовых слитков применяют для получения заготовок больших размеров. Температура ковки чистого молибдена составляет 1350-1400° С. В процессе ковки молибдена, содержащего 0,06-0,15% (по массе) углерода, происходит интенсивный рост карбидных частиц как по границам зерен, так и внутри.

 

Наличие включений по границам зерен может привести к меж-кристаллитному растрескиванию под воздействием внутренних напряжений, возникающих в процессе охлаждения. Молибден, содержащий эвтектические включения, имеет в кованом состоянии более благоприятную структуру, так как при ковке наблюдается измельчение эвтектики, дробление границ и сфероидизация эвтектических включений.

 

С увеличением диаметра слитка ковка затрудняется и слиток может разрушиться из-за неравномерной деформации и образования трещин по плоскостям, расположенным под углом 0,8 рад (45°) к направлению ковки. В целях предотвращения растрескивания в нижней наковальне делают V-образную выточку, и при ковке получается многогранная заготовка.

Металл вследствие высокой теплопроводности быстро остывает, особенно в то время, когда он находится в соприкосновении с инструментом.

 

Как видно, заготовка, нагретая до 1260° С, через 3 мин после извлечения из печи остывает на глубине4 25 мм до 900° С при температуре сердцевины приблизительно 1000- 1065° С.При ковке на молотах очень часто растрескиваются концы слитка, поэтому с учетом потерь на окисление выход годного металла составляет около 50%. Ковка молибдена ниже температуры рекристаллизации заметно повышает его механические свойства.

Приведенные данные показывают, что с повышением степени деформации до 30% твердость интенсивно возрастает, однако при дальнейшем увеличении обжатия изменяется в меньшей степени. Так как ковка больших слитков молибдена затруднена и часто вызывает их разрушение, то слитки предварительно прессуют, что приводит к измельчению литой структуры и повышению пластичности.

 

Ковку предварительно деформированной молибденовой заготовки в связи с большей ее пластичностью производят при более низких температурах, чем литой заготовки. Полученное таким образом изделие имеет равномерную структуру и более высокие механические свойства.

 

Слитки чистого ниобия диаметром до 80 мм, выплавленные в электроннолучевых печах (с содержанием 0,005-0;007% 02; 0,006% N2; 0,02% С) с твердостью 45-60 ИВ, можно ковать без подогрева. Для ковки существенное значение имеет температурный эффект, выражающийся в повышении температуры деформируемого металла в процессе самой деформации (при больших ее скоростях), что приводит к окислению металла. Поэтому холодную ковку целесообразно вести с небольшой скоростью деформации, не допуская разогрева заготовки выше 150-200° С.

 

Следует отметить, что в ряде случаев слитки, полученные электроннолучевой плавкой, имеют крупнозернистую столбчатую структуру и слабые межкристаллитные связи, поэтому при ковке таких слитков в холодном состоянии образуются трещины. Отмеченное подтверждается тем, что все изломы имеют межкристаллитный характер, тогда как отдельные зерна плавленого металла пластичны.

 

Слитки ниобия технической чистоты (0,03% С) с твердостью 80-120 НВ, выплавленные в дуговых печах, не куются в холодном состоянии, что объясняется присутствием по границам зерен второй фазы, представляющей собой соединения элементов-примесей.

 

Результаты механических испытаний по ударному осаждению (до первой трещины) при различных температурах и степенях деформации показывают, что ковку слитков ниобия, полученных дуговой плавкой, целесообразно проводить при температурах выше 800° С и с учетом охлаждения при ковке нагревать до температур 1000-1350° С.

 

Высокотемпературная ковка или осадка на воздухе приводят к окислению и газонасыщению ниобиевой заготовки. Некоторые данные по окислению ниобия в результате ковки на воздухе приведены ниже:

До ковки

Оь % (по массе) 0,07 0,10 0,0014 0,0061

N2, % (по массе) 0,004 0,005 0,00126 0,0023

После ковки

02, % (по массе) 0,167 0,14 0,087 0,02

N2, % (по массе) 0,004 0,005 0,007 0,0025

 

• Полученные поковки перед дальнейшей их обработкой подвергают обдирке с целью удаления обогащенных кислородом поверхностных слоев. Это увеличивает потери металла и приводит к значительному снижению выхода годной продукции.

 

После ковки и обдирки заготовку деформируют вхолодную на окончательный размер, применяя при необходимости промежуточные отжиги. Для защиты от окисления и газонасыщения при высокотемпературной ковке или осадке заготовку из ниобия помещают в стальные или никелевые оболочки и заваривают.

 

Перед заваркой из оболочки откачивают воздух или вытесняют его аргоном. В некоторых случаях между оболочкой и заготовкой помещают прокладки титана или циркония, служащие поглотителем газов (геттер). Оболочку после ковки удаляют травлением или механической обработкой.

 

Исследования показывают, что оболочки достаточно надежно защищают металл от окисления и загрязнения газами и обеспечивают получение чистой поверхности. При ковке на прессах для защиты от окисления применяют различные временные покрытия (стекла, змали, гальванические покрытия и др.).

 

Однако применение оболочек, обмазок, покрытий имеет свои отрицательные стороны, а именно: требуется выбирать материал оболочек так, чтобы он не взаимодействовал с основным металлом, удалять после деформации покрытия, обмазки, оболочки, невозможно следить за состоянием металла в процессе деформации.

 

В настоящее время в целях предотвращения окисления ниобия и его сплавов горячую ковку осуществляют на прессах, снабженных рабочей камерой, наполнения

ной инертным газом (аргоном, гелием), или же в вакуумной камере. Ковка прутков ниобия и его сплавов имеет свои особенности. Обычно ее ведут вытяжкой в комбинации плоских бойков с вырезанными подкладками. За счет бокового давления, создаваемого стенками подкладок, обеспечивается более благоприятная схема напряженного состояния, повышается пластичность металла.

 

Скорость вытяжки при ковке ниобия и его сплавов с использованием обжимок на 20-40% выше скорости вытяжки на плоских бойках. Наибольший эффект дает следующий технологический режим получения прутков ниобия ковкой:

1. Нагрев до температуры 1100-1200° С в атмосфере аргона с выдержкой при этой температуре в зависимости от веса слитка.

2. Небольшие обжатия в первых переходах для того, чтобы избежать образования трещин.

3. При последующих переходах степень деформации должна быть не меньше 15-20%. с тем чтобы получить более мелкие и однородные зерна в поковке.

4. Вытяжку следует начинать с середины слитка для вытеснения в отходы наиболее неоднородного, загрязненного металла, прилегающего к верхней и донной части слитка.

5. Заканчивать ковку при температуре не ниже 700- 800° С.

 

Легирование ниобия цирконием и титаном снижает температурный интервал ковки сплавов до 800-1000° С, а легирование молибденом и вольфрамом повышает до 1400-1600° С.

При горячей ковке происходит дробление литых зерен и образование качественно новой структуры.

 

Характер полученной структуры во многом зависит от температурного интервала ковки и от степени деформации. Если ковка проводилась в интервале выше температурного порога рекристаллизации, то кованый ниобий будет иметь полностью рекристаллизованную структуру.

 

В зависимости от режима ковки деформированный ниобий имеет различные механические свойства. Многие исследователи считают, что для разрушения литой структуры слитков ниобия горячая ковка при 950° С предпочтительнее, чем горячая прокатка при 1200°С или даже холодная прокатка.

 

Тантал имеет достаточно высокую пластичность и мало подвержен упрочнению при холодной деформации и в чистом состоянии легко обрабатывается ковкой как на молотах, так и на прессах без промежуточного отжига со степенью деформации свыше 90%.

 

Сплавы с содержанием вольфрама 10% куют при температуре 1100-1500° С, а дальнейшая деформация может производиться в холодном состоянии. Тантал хорошо штампуется, особенно с небольшим нагревом — до 250-300° С.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.