Повышение качества крупных поковок на основе разработки и применения научно обоснованных термомеханических режимов процесса ковки заготовок

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621. 73 (075)

На правах рукописи

Специальность: 05. 02. 09 -Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА КРУПНЫХ ПОКОВОК НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НАУЧНО ОБОСНОВАННЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА КОВКИ ЗАГОТОВОК

Онищенко Анатолий Кондратьевич

Москва 2010



Работа выполнена в отделе обработки металлов давлением Филиала

Научно - исследовательского института технологии и организации производства двигателей «НИИД» ФГУП «ММПП «САЛЮТ»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Артес Алексей Эдуардович

доктор физико - математических наук, профессор Беклемишев Нил Нилович

доктор технических наук, профессор Кохан Лев Соломонович

Ведущее предприятие: ОАО Металлургический завод «Электросталь»

Зашита состоится 2010 г. на заседании диссертационного Совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

адрес: Вадковский пер., 3А, г. Москва,127994

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «»2010 г.

Учёный секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук Волосова М.А.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Бурный рост производства поковок из слитков начался в 60 - 70 - х годах прошлого века в связи с ростом единичных мощностей энергоблоков. И если в 1960 году масса поковки ротора турбины составляла 30т, то в 1980 - 270т. В Советском Союзе в этот период существовал постоянно действующий комитет по крупным поковкам. А в мире - регулярно (раз в 2 - 3 года) проводятся Международные конгрессы мастеров кузнечного дела. Последний - 17 конгресс состоялся в Испании, в г. Сантандер 3 - 7 ноября 2008 года.

В СССР производство крупных поковок составляло 1,7 млн. т, в Европе (данные 2006г.), на фирмах, сотрудничающих с Германским институтом чёрной металлургии, - 455 тыс. т, во Франции - 200 тыс. т, в Японии - 772 тыс. т. Италия только на экспорт поставляет до 500 тыс. т поковок. Бурно развивающаяся ковочная индустрия Республики Корея, обрабатывающая слитки массой 510 т, только за последние два года увеличила вдвое производственные мощности ковочных предприятий, благодаря широкомасштабным инвестициям. Ближайшая перспектива развития ковочной индустрии Великобритании - расширение производства поковок для атомного энергомашиностроения, которое считается стратегическим.

В России также до 2020 года намечается введение в эксплуатацию до 20 энергоблоков АЭС мощностью 1000 мвт. Разрабатывается энергоблок мощностью 1500 мвт. Для изготовления поковок роторов турбин и генераторов, обечаек реакторов необходимы слитки массой 142 - 360 т. В настоящее время на ООО «ОМЗ - Спецсталь» (г. Санкт - Петербург) введена в действие крупнейшая в Европе дуговая электросталеплавильная печь мощностью 120т (ДСП - 120). Проводится модернизация автоматизированных ковочных комплексов АКК - 60МН и АКК - 120МН с манипулятором 250тс. Размеры сечений крупных поковок для энергомашиностроения составляют 500 - 2000мм, а масса 80 - 250т. Для таких сверхкрупных поковок главной задачей ковки является не формообразование, а достижение заданного уровня механических свойств и структуры сплавов при максимальной плотности металла поковки.

Существующая теория ковки основывается на допущении, что деформируемый металл является несжимаемым, квазиоднородным, макронепрерывным.

Промышленные заготовки - слитки таковыми не являются. Слиток любого металлического сплава представляет собой дендример. И, если вышеуказанное допущение возможно для исследования процессов штамповки и ковки передельных заготовок, то при ковке поковок из слитков, в особенности крупных, такое упрощение неприемлемо. Опубликованные в России и за рубежом экспериментальные и теоретические исследования по ковке слитков носят противоречивый характер.

Более того, в связи с развитием специальной электрометаллургии - электрошлаковый и вакуум- дуговой переплавы и получения этими методами плотных слитков, наметились рекомендации к снижению максимальных уковов (до 2) при их обработке. Такие рекомендации в последние годы распространяются и на слитки открытой выплавки. Причём эти предложения имеются как в отечественных, так и зарубежных публикациях. Результатом такого подхода к ковке явилось то, что в 1998 - 2001 г.г. на ОАО «Ижорские заводы» были забракованы 50 % поковок роторов. Все эти ротора, изготовленные из слитков массой 142 - 235т имели уков по бочке ротора менее 2,5.

То есть в настоящее время имеет место некоторое отставание теории ковки слитков от имеющихся технологических решений по их обработке и изготовлению из них крупных и сверхкрупных поковок (до 300т).

Поэтому повышение качества готовых изделий - поковок на основе научно обоснованных термомеханических режимов процесса ковки является актуальным и востребованным.

Цель работы. Повышение качества крупных поковок массой до 250т путём разработки и применения при ковке слитков и заготовок научно обоснованных термомеханических режимов обработки и обеспечения во всём объёме поковки заданного уровня механических свойств и структуры при максимальной плотности металла поковки

Для достижения поставленной цели предусматривалось осуществить следующие задачи: термомеханический плотность ковка слиток

- исходя из взаимосвязи основных параметров процесса ковки и размеров поковок, разработать обобщённый критерий крупности заготовок для конструкционных сталей и сплавов;

- на основе особенностей дендритной кристаллизации промышленных сталей и сплавов и физико - химической неоднородности слитка предложить масштабные (структурные) уровни пластической деформации на различных этапах ковки крупных заготовок;

- исследовать и определить влияние термомеханических параметров ковки на дендритную структуру слитка и величину зерна в заготовке, в том числе для сверхкрупных поковок;

- разработать теоретические и технологические положения по термоциклированию при ковке крупных поковок;

- провести аналитическое исследование ковки крупных поковок с учётом температурной неоднородности материала заготовки;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать и внедрить технологические процессы ковки при серийном производстве крупных поковок энергомашиностроения из слитков до 360 т.

Автор защищает. Научно обоснованные термомеханические режимы ковки слитков и заготовок при разработке технологии и изготовлении крупных поковок энергомашиностроения с заданным уровнем структуры и свойств.

Научная новизна заключается:

- в определении закономерностей изменения температуры центра заготовки от её радиуса в процессе охлаждения заготовки на воздухе от температуры начала ковки до температуры конца ковки по поверхности, что позволило ввести понятие обобщённого критерия крупности заготовок и определить основную задачу теории ковки крупных поковок - изучение влияния термомеханических параметров ковки на физико - химическую неоднородность и зёренную структуру слитка - заготовки;

- во введении понятий мега и мезо [d - f] масштабных уровней пластической деформации и доказательстве правомерности использования показателей относительной степени деформации и укова как характеристик проковки литой структуры слитка; впервые в теории обработки металлов давлением (ОМД) представлены восемь масштабных (структурных) уровней ОМД: мега, мезо[d - f] , макро, мезо II , мезо I , микро, мезо [m - n] и нано (соответственно, дендритная, дендритно-волокнистая, волокнистая, крупнозернистая, мелкозернистая с дислокационными ансамблями, дислокационная, ультрамикрокристаллическая и наноструктуры) с введением мега, мезо [d - f], мезо [ m - n] и нано уровней;

- в определении оптимальной величины относительной степени деформации перехода литой дендритной структуры слитка в деформированную, образованную осями 1 - го порядка дендритов, волокнистую структуру поковки равной 0,7;

- в установлении основных параметров ковки в мегамакромасштабном интервале пластической деформации - температура, время выдержки и степень деформации, а в макромикромасштабном - температура, скорость и степень деформации;

- в новом способе обработки структурно наследственных сталей и сплавов - термоцикломеханической(ТЦМО), совмещающей в себе эффект измельчения зерна путём рекристаллизации перегретого аустенита за счёт фазового наклёпа и пластической деформации;

- в выявлении зависимости удельной силы деформирования от температуры и скорости деформации менее 10-1с-1, применяемой при ковке крупных поковок;

- в получении аналитической зависимости напряжённо - деформированного состояния в очаге деформации с учётом температурной (по сечению) неоднородности материала.

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство технологические процессы, инструмент и инструкция нагрева и ковки слитков и заготовок из роторных сталей при серийном производстве роторов турбин и генераторов на ОАО "Ижорские заводы" (г. Санкт - Петербург) из слитков массой 142 - 360т с большим народно-хозяйственным эффектом.

Методы исследования. Теоретические исследования и выводы по ним являются результатом обобщения и анализа многочисленных разработок отечественных и зарубежных авторов, а также собственных многолетних исследований в области металлургии и горячей обработки крупных слитков.

Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и заводских условиях, в том числе дальнего зарубежья, с использованием современного оборудования, испытательных машин и приборов.

Апробация работы. Материалы работы были представлены на следующих конференциях: Всесоюзная научно - техническая конференция “Состояние и перспективы совершенствования технологии производства крупных поковок ”. Краматорск 16 - 18 ноября, 1976; III Всесоюзная конференция по текстуре и рекристаллизации. Красноярск 10 - 13 июня, 1980;II Всесоюзная научно - техническая конференция “Cостояние и перспективы совершенствования технологии производства крупных поковок”. Краматорск 15 - 17 сентября, 1986; The13 thInternational Forgemasters Meeting, Pusan, Korea, October 12 - 16 , 1997: Всероссийская научно - техническая конференция “ Новые материалы и технологии НМТ - 2004”. Москва 17 - 19 ноября, 2004; Всероссийская научно - техническая конференция “ Новые материалы и технологии НМТ - 2008”. Москва 11 - 12 ноября, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 41 работа, в том числе 23 научно - технических статьи, 1 монография, 9 а. с. СССР, 3 патента РФ и 5 заявок на патент РФ.

Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 153 наименований, содержит 277 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, 17 таблиц и три ПРИЛОЖЕНИЯ A, B, C.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, определены цель и научная новизна последней, показана практическая значимость и методы исследования работы.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена анализу современной теории ковки, разработанной в трудах С. И. Губкина, Е. П. Унксова, Г. А. Смирнова- Аляева, М. В. Сторожева, А. Д. Томлёнова, Н. И. Корнеева и др., базирующейся на математической модели металла как непрерывной однородной, изотропной жёсткопластической среде и считающей главной задачей теории - определение напряжений и деформаций в металле, а также силовых параметров процесса ковки. Отдавая должное всем современным теоретическим исследованиям, следует отметить, что реальная, исходная для ковки заготовка - слиток не является непрерывной, однородной и изотропной жёсткопластической средой. До настоящего времени у исследователей нет единого мнения в определении задачи теории ковки слитков.

Так, если Д. К. Чернов основной задачей ковки считал - уплотнение металла слитка, то С. В. Белынский делал категорический вывод о вреде ковки для литого металла, приводящей к разрыхлению последнего и снижению его физико - механических свойств.

Я. М. Охрименко и В. А. Тюрин считают задачей теории ковки - изучение деформаций (прежде всего деформаций сдвига), так как они определяют макроструктуру и механические свойства поковок. А Ю. М. Вайнблат и др. указывают на первостепенное влияние скорости деформации при ковке крупных поковок. Эта противоречивость обусловлена, прежде всего, различным подходом исследователей к исходной заготовке - слитку. В этой же части работы автором проведен анализ существующих критериев крупности слитка - заготовки, рассмотрены параметры режима процесса ковки и их влияние на структуру и механические свойства поковок. Указанный анализ показал, что, несмотря на имеющиеся значительные достижения в области производства крупных поковок, по прежнему противоречивыми и не до конца изученными остаются вопросы о влиянии параметров ковки на структуру и свойства крупных поковок.

В связи с вышеизложенным, в работе была поставлена задача разработки общей теории ковки крупных поковок из сталей и сплавов применительно к исходной заготовке - слитку и её внедрения при разработке технологии и производстве крупных поковок энергомашиностроения из слитков массой до 360 т.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке обобщённой диаграммы крупности поковок, исследованию физико - химической неоднородности и макростроения крупного кузнечного слитка, определении основной задачи теории ковки крупных поковок, введения понятия мегапластической деформации и определению оптимальной величины укова слитка.

Параметры ковки и крупность поковок. Параметрами поковки являются, прежде всего, её размеры и масса. При этом главным из указанных параметров является поперечный размер поковки - радиус R или толщина Н. Основными параметрами процесса ковки являются: температура Т, степень и скорость деформации. Главным из которых является температура Т.

Поэтому, если задаться начальными условиями нагрева всей заготовки до максимально допустимой температуры ковки, т. е. Тц = Тн.к., и последующего охлаждения её при ковке по поверхности до температуры конца ковки Тп. = Тк.к., то по функциональной зависимости изменения температуры центра от размера сечения Т ц= Ф (Н ) можно будет определить границу крупности поковки. При этом прямые Тн.к. = const и Тк.к. = const являются асимптотами указанной функции, ограничивающими переход к сверхкрупным и сверхмелким поковкам (рис.1).

Рисунок 1 - Обобщённая диаграмма крупности поковок: изменение температуры центра поковки(Тц)при её охлаждении по поверхности от температуры начала ковки (Т н.к.) до температуры конца ковки (Тк.к.); (О - Н) -мелкие; (Н1 - Н2 ) - средние; (Н2 - Н) - крупные

Как видно предполагаемая зависимость имеет две характерные точки а и б, соответствующие значениям аргументаН1 и Н2и где производная dT/dH изменяется от величины много меньше единицы до - много больше единицы и обратно. Поэтому область (0 - Н1) соответствует мелким поковкам, (Н1 - Н2) - средним, а(Н2 - Н) - крупным.

Эта зависимость является обобщённой диаграммой крупности поковок, так как обоснована закономерностями неизбежного роста градиента температур между поверхностью и центром поковки при её охлаждении по поверхности до температуры конца ковки. И может быть построена для любых деформируемых сплавов.

Диаграмма определения крупности стальных поковок разработана автором по данным многих исследователей.

Большинство имеющихся экспериментальных данных относится к условиям охлаждения на воздухе стальных заготовок и слитков от максимальной температуры нагрева и начальной температуры в центре12000С до температуры поверхности около 8000 С.

Из графика (рис. 2) зависимости Тц. = Ф( R )видно , что границей перехода к крупным поковкам является радиус250 мм , а к мелким - 50 мм.

Поковки радиусом (толщиной) 50 - 250 мм относятся к средним, а радиусом более 700 мм - сверхкрупным.

Крупные заготовки таких сечений являются слитками. Поэтому нижней границей крупных стальных слитков является слиток массой 3 т (R 250мм), верхней- массой 40 -45 т (R 700мм), слитки массой более 45 т являются сверхкрупными.

Строение крупного кузнечного слитка и задача теории ковки. Получение однородного слитка затруднено вследствие различных физических и физико - химических свойств уже затвердевшей и кристаллизующейся стали.

Проведенный анализ качества металла слитка показывает, что основными дефектами последнего являются:



Рисунок 2 - Определение крупности стальных поковок (слитков) по зависимости :нагрев до 1200°С (Тн.к.), охлаждение по поверхности до 800°С (Тк.к. );данные расчёта *; ----- данные эксперимента

*отклонение расчётных данных в сторону больших размеров обусловлено расчётами условий охлаждения заготовок без учёта слоя окалины на поверхности

- физическая неоднородность - макроструктурная и усадочного происхождения;

- химическая неоднородность - зональная и дендритная;

- межкристаллитные (межзёренные ) границы - первичные и вторичные ( грануляционные).

Следовательно, задачей теории ковки является изучение влияния термомеханических параметров процесса ковки на физико - химическую неоднородность и зёренную структуру слитка.

На рис.3 схематически представлены основные зоны физико - химической неоднородности крупного слитка.



Рисунок 3 - Схематическое изображение металлургических особенностей строения крупного слитка

При этом дендритная неоднородность является первичной, исходной химической неоднородностью металла и развивается в результате неполноты завершения диффузионных процессов в жидкой и твёрдой фазах в процессе кристаллизации. Все металлы и сплавы промышленного производства кристаллизуются по дендритному механизму и слиток на 70% состоит из дендритов. При этом монокристаллы - дендриты являются основной структурной составляющей заготовки - слитка, представляющего собой дендример - поликристалл. Дендрит является древовидным монокристаллом с осями I, II и высших порядков, у которого оси I - го порядка являются не только самыми крупными, но и наиболее прочными, легированными тугоплавкими составляющими сплавов.

При дендритной кристаллизации дендритная неоднородность слитка остаётся в сплавах вплоть до конечного изделия, определяя анизотропию свойств последнего.

Исследованием дендритной структуры слитков различных сплавов установлено, что размер длин осей I - го порядка дендритов совпадает со средним радиусом зёрен. Формирование зёрен происходит при затвердевании маточного расплава, заполняющего дендритный каркас, и положение границ зёрен в каждом конкретном случае определяется формой и размером дендритного скелета. Легкоплавкие составляющие сплавов по условиям дендритной кристаллизации оттесняются в междендритные пространства и к границам зёрен.

Следовательно, при дендритной кристаллизации слиток любого сплава представляет собой поликристаллическую заготовку, состоящую из матричных зёрен с тугоплавким внутренним дендритным каркасом, соединённых между собой тонкой оболочкой аморфного сплава легкоплавких элементов и примесей, занимающих не менее 30% объёма слитка. И для механизма пластической деформации кристаллитов слитка применима не теория дислокаций, а теория аморфной связи и зернограничного скольжения.

Поэтому теория ковки крупных поковок - ковки слитков, должна обязательно учитывать масштабные (структурных) уровни пластической деформации сталей и сплавов, так как каждому структурному уровню соответствует свой масштабный уровень пластической деформации.

Мегапластическая деформация и оптимальная величина укова слитка. Впервые наиболее полно масштабные уровни пластической деформации были представлены в работах В.Е. Панина, который, помимомикро и макро уровней, ввёл понятия мезо I и мезо II уровней, давших начало целому научному направлению - физической мезомеханике.

При ковке крупных и сверхкрупных слитков имеет место пластическая деформация мегауровня, когда в пластическую деформацию вовлекаются материальные объёмы больших размеров(сантиметровой - метровой метрических длин).

Применительно к пластической деформации реальных слитков с дендритной структурой механизм пластической деформации мегауровня сводится первоначально к "повороту + сдвигу " осей I порядка дендритов и междендритных объёмов металла; последующему смятию осей высших порядков и уплотнению заготовки в целом. А этапом перехода с мега на макроуровень пластической деформации нужно считать момент преобразования дендритной структуры слитка в волокнистую (полосчатую) заготовки. То есть этап полного смятия осей II порядка дендритов (рис. 4).

К деформации мегауровня допустимо использование показателей относительной степени деформации () и величины укова (У), так как имеющиеся многолетние фактические данные по свойствам реальных материалов привязаны к последним. Между собой относительная степень деформации и уков связаны следующей зависимостью:

( 1 ).

При расчётах по указанной зависимости относительная степень деформации, необходимая для закрытия дефектов типа пор равна 0,37 (У = 2,5),их сварки - 0,5 (У =4), а перехода дендритной структуры слитка в волокнистую деформированную 0,7 (У = 11).

а бвгд

Рисунок 4 -Трансформация макроструктуры стали 65Г16Н7М2Ф3 после ковки на гидравлическом прессе: а - исходный слиток; б, в, г, д -после протяжки с относительной степенью деформации 0,29; 0,48; 0,67; 0,79,соответственноСледовательно, оптимальной величиной относительной степени деформации перехода дендритной структуры в деформированную волокнистую, образованную осями I порядка дендритов, нужно считать степень деформации равную 0,7.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена разработке масштабных уровней пластической деформации при обработке металлов давлением, связи мегамакромасштабных и макромикромасштабных уровней пластической деформации с параметрами ковки слитков и заготовок.

Масштабные уровни пластической деформации при ОМД.

Структурные уровни пластической деформации В.Е. Панина рассматриваются в последовательности от микро к макромасштабности, так как связаны с исследованием механики разрушения твёрдых тел (металлов),волновым накоплением микродефектов, эволюционирующих в микротрещины, приводящие, в конечном итоге, к разрушению материала.

Задача горячей механической обработки (ковки)заключается в залечивании дендритоподобной заготовки и выравнивании по объёму поковки физико - механических свойств и структуры металла, недопущении не только разрушения, но и каких - либо микротрещин. Поэтому масштабные уровни пластической деформации с точки зрения ОМД должны быть представлены от мега до наноуровней. При этом в интервале уковов 1 < У < 11 ( 0 < < 0,7 ) будет иметь место смешанная дендритноволокнистая структура. То есть ещё одна промежуточная (мезо),- между мега и макроуровнями, которую отнесём к множеству мезоуровней {d - f} в зависимости от количества оставшихся в поковке первоначальных дендритов слитка после его пластической деформации.

Масштабные уровни пластической деформации при обработке металлов давлением представлены в таблице 1.

Размерность структурных составляющих на разных масштабных уровнях пластической деформации металлов и сплавов при ОМД будет иметь следующий порядок: нано 10-9 м; микро 10-6м ; макро 10-3м; мега 100м.

Что касается механизмов пластической деформации на разных масштабных (структурных) уровнях, то с большой вероятностью можно предположить, что на всех мезоуровнях пластической деформации (мезо{d - f}, мезо II, мезо I, мезо {m - n}) имеет место «сдвиг + поворот» материальных объёмов вещества мега - микро порядка. А дислокационный механизм пластической деформации является преимущественным только при трансформации крупнозернистой структуры мезо II уровня в дислокационную микроуровня через мезо I.

Представленные структурные уровни позволяют также заключить, что при горячей механической обработке слитка в интервале мега - мезо {d - f} уровней пластической деформации (У < 11и < 0,7) в заготовке имеет место

Таблица 1 - Масштабные уровни пластической деформации металлов при обработке металлов давлением (ОМД)

№ п/п	Наименование уровня	Структура уровня
1 2 3 4 5 6 7 8	Мега Мезо {d-f } Макро Мезо II Мезо I Микро Мезо { m-n } Нано	Дендритная Дендритноволокнистая Волокнистая Крупнозернистая Мелкозернистая с дислокационными ансамблями Дислокационная Ультрамикрокристаллическая Наноструктура (атомно- молекулярная)

смешанная дендритноволокнистая структура, и, следовательно, изделие, полученное после такой обработки, является не поковкой, а предварительно обжатым слитком. Поковкой будет являться изделие, полученное из слитка, прошедшего обработку не только в мега - мезо {d - f}, но и обязательно на макро - микро масштабных уровнях пластической деформации. Соответственно, со степенями деформации более 0,7 (У > 11) и получением во всём объёме заготовки волокнистой структуры. При этом волокно поковки после таких деформаций представляет собой направленно ориентированные (в направлении главной деформации при горячей обработке) оси первого порядка дендритов исходного слитка.

Из таблицы 1 также видно, что процесс горячей механической обработки включает в себя два этапа:

- предварительное формообразование слитка на мега - макро масштабном уровне пластической деформации с получением в заготовке волокнистой структуры с крупным зерном (1 - 4 уровни);

- формообразование заготовки до окончательных размеров поковки на макро - микро масштабном уровне пластической деформации с получением в поковке мелкозернистой дислокационной структуры (5 - 6 уровни).

Мегамакромасштабные уровни и параметры ковки слитков.

Процесс ковки слитков охватывает 4 масштабных уровня пластической деформации(мега, мезо {d - f}, макро, мезо II), соответственно, 4 структурных уровня: от дендритной до крупнозернистой структур. О квазиоднородном состоянии заготовки можно говорить, начиная от макроуровня - получения во всём объёме последней волокнистой структуры. Однако, т.к. литому металлу слитка присуща не только структурная (физическая) неоднородность, но и химическая- дендритная неоднородность, трансформация дендритной структуры в волокнистую должна проводиться с учётом химической неоднородности дендритов. С тем, чтобы оси I - го порядка дендритов слитка были ориентированы в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали.

Так как достижение степеней деформации до 0,7 (получения волокнистой структуры во всём объёме поковки)в практике ковки крупных поковок не всегда возможно, то фактор ориентации осей I - го порядка дендритов в изделии становится тем более определяющим. Потому что волокно в заготовке представляет собой ориентированные в направлении главной деформации оси I - го порядка дендритов исходного слитка.

В.А. Ефимовым предложен параметр степени остаточной микросегрегации элемента i , определяемый зависимостью:

, (2)

гдеD -коэффициент диффузии в твёрдом сплаве;

- продолжительность гомогенизации;

l -расстояние между осями дендритов I -го порядка.

Из приведённой зависимости следует, что при уменьшении расстояния между осями дендритов, продолжительность гомогенизации уменьшается в квадрате.

В свою очередь коэффициент диффузии вещества тем больше, чем больше температура и подвижность атомов:

( 3)

где Мi- средняя скорость атома под действием единичной силы;

k- постоянная Больцмана;

Т- абсолютная температура.

Подвижность атомов также возрастает с повышением температуры.

Следовательно, для максимального сближения осей I - го порядка дендритов слитка необходимо применение максимальных степеней деформации, а для снижения дендритной химической неоднородности - максимальных температуры и времени выдержки при этой температуре. Поэтому и высокотемпературная длительная гомогенизация должна применяться не к слитку, а интенсивно прокованной заготовке.

Таким образом, при ковке слитков в мегамакромасштабном интервале пластической деформации основными параметрами ковки являются степень деформации, температура и время выдержки при этой температуре. Более того, все эти параметры должны быть на уровне максимально допустимых, а волокно (оси I -го порядка дендритов) в заготовке ориентировано в направлении действия максимальных рабочих напряжений в детали.

То есть, на мегамакрокромасштабных уровнях пластической деформации слитка производят его предварительное формоизменение на заготовку (с припусками под окончательные размеры поковки) с ориентированно направленным волокном и крупнозернистой структурой (мезо II).

Макромикромасштабные уровни и параметры ковки заготовок.

Учитывая данные многочисленных исследований по вязкости разрушения сталей и сплавов, оптимальный уровень физико - механических свойств имеют поковки с мелкозернистой структурой5 - 8номера шкалы ГОСТ 5639. Получение такой структуры при ковке достигают регламентацией степени деформации и температуры. А именно- при температурах нагрева 900 - 9500С и степенях деформации не менее 10% . Это на 100-1500С выше А3 для большинства конструкционных сталей и на 50 - 1000С ниже А3 для титановых сплавов. Применение таких низких температур нагрева приводит к увеличению количества дополнительных нагревов заготовок, особенно крупных и сверхкрупных; снижает производительность процесса, требует применения более мощного прессового оборудования и, в конечном итоге, - повышает себестоимость продукции.

Особенностью структурно-наследственных сталей является то, что температура рекристаллизации перегретого аустенита тем выше (на 30 - 2000С выше А3), чем выше температура предварительного нагрева (перегрева). Рекристаллизация такого типа обусловлена фазовым наклёпом, возникающим в момент - превращения при повторном нагреве стали выше А3. В этой связи нагрев под ковку на окончательные размеры целесообразно производить путём термоциклирования, включающего охлаждение от максимально допустимых температур нагрева (перегрева аустенита) до температур - перехода с последующим нагревом до температуры рекристаллизации перегретого аустенита.

В результате, - при последующей деформации, - имеет место измельчение зерна крупнозернистого аустенита за счёт фазового наклёпа и пластической деформации. Очевидно, что такое термоциклирование при ковке крупных поковок(ТЦМО) может быть как одно, так и многократным.

А более высокие температуры нагрева подзаключительную ковку позволяют сократить длительность её цикла в целом (рис.5).

При этом получение мелкозернистой структуры ТЦМО обеспечивает и в диапазоне "критических" степеней деформации (рис.6).

Ещё одним параметром достижения мелкозернистой структуры в крупных поковках является скорость деформации, влияние которой в практике ковки не учитывают. По многолетним исследованиям ЦНИИТМАШ и собственным исследованиям автора при ковке сверхкрупных поковок энергомашиностроения скорости деформации на основных операциях ковки -осадке, протяжке, - составляют 10-2 - 10-3 с-1

Известно, что при скоростях деформации менее 10-1 с-1, практически у всех конструкционных сталей, никелевых и титановых сплавов на установившейся стадии течения удельная сила деформирования не зависит от степени деформации и определяется температурой Т и скоростью деформации: p = A* exp (Q / RT), ( 4 ) где Q - энергия активации пластической деформации; А -константа.



Рисунок 5 - Термоциклирование при ковке крупных поковок хвостовиков для сварных роторов: а - применяемый термоцикл ковки; б - ТЦМО; -верхняя температура нагрева под ковку; I -VI - номер нагрева

Рисунок 6 - Изменение аустенитного зерна стали 35ХН3МФА от температуры и степени деформации: предварительная обработка - нагрев( перегрев) до 12200 С, термоцикломеханическая обработка - ТЦМО( охлаждение до температуры 1000 С, нагрев до 10500 С, осадка); 1 - после деформации; 2 - после отжига при 9000 С

Для стационарных условий деформации(которые имеют место в очаге деформации при ковке крупных поковок) с постоянной скоростью, работа деформации выражается уравнением: p * = T * S = Q, ( 5 ) где S - энтропия; Q - энергия тепловыделения.

Известно, что энтропия вещества или системы тел при определённой температуре является абсолютной величиной. Поэтому при ковке, в очаге деформации(когда p , и Т практически постоянны) на установившейся стадии течения, энтропия системы также должна быть постоянной. И, следовательно, структура - равновесной и устойчивой. Диаграммы усилие - ход, как в случае изотермической осадки образцов из роторных сталей (ЦНИИТМАШ), так и растяжения образцов из жаропрочных никелевых и титановых сплавов (ФГУП ММПП "Салют") со скоростями 10-2 - 10-3 с-1 при температурах1000 - 11000С имеют идентичный вид. А именно - рост силы деформации до определённой величины с образованием своего рода "зуба текучести", соответствующего максимуму силы, и последующим незначительным снижением до постоянной (силы течения), независимой в дальнейшем от степени деформации (рис. 7).

Анализ зёренной структуры исследуемых сплавов показывает, что последняя остаётся равномерной мелкозернистой после достижения определённой степени деформации р, соответствующей началу метадинамической рекристаллизации.

Следовательно, получение мелкозернистой структуры в крупных поковках возможно с учётом реальных скоростей деформации и регламентированных степеней деформации- не менее р; которую необходимо определять для каждого сплава при соответствующей температуре конца ковки.

В случае ковки крупных поковок из структурно-наследственных сталей со скоростями деформации более 10-2с-1 измельчение аустенитного зерна начинается только при условии превышения степенью деформации определённого, порогового значенияп, величина которого изменяется в зависимости от температуры деформации и увеличивается со снижением последней ( от 0,2 при 10500С до 0.4 при 9000С).

Следовательно, чем ниже температура конца ковки, тем большая степень деформации и, соответственно, больший припуск на заключительную ковку необходим для исправления структуры перегрева, полученной на предварительной ковке.

Рисунок 7 - Изменение удельной силы осадки стали 35ХН3МФА при температуре 1000°С: х - х скорость деформации 10-1 с-1;скорость деформации10-2 с-1;? -?-скорость деформации 10-3с-1; р -степень деформации, соответствующая началу динамической рекристаллизации

Таким образом, трансформация крупнозернистой структуры сталей и сплавов, формируемой на ступени мегамакропластической деформации слитка, в мелкозернистую может быть достигнута на крупных поковках совместным влиянием термоциклирования и пластической деформации со степенями деформации более р. То есть главными параметрами ковки в интервале макромикропластических деформаций заготовки являются температура и скорость деформации. И на заключительных операциях ковки производят формообразование заготовки на окончательные размеры поковки с мелкозернистой структурой.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ диссертации показано, что основной особенностью ковки крупных и сверхкрупных поковок является температурная (пластическая) неоднородность материала по сечению заготовки - слитка. Поэтому при расчёте силовых параметров процесса её необходимо обязательно учитывать.

Ковка крупных поковок с учётом температурной (пластической) неоднородности материала заготовки. Результатом температурной неоднородности является неоднородность сопротивления деформированию металла, что в свою очередь оказывает существенное влияние на формирование геометрии очага деформации, на характер протекания пластической деформации и силовые параметры процесса.

При аналитическом исследовании процесса ковки крупных поковок, протекающего со значительным температурным градиентом, который вызывает изменение предела текучести на сдвиг по сечению поковки в несколько раз, возникает необходимость в использовании такой модели тела, которая была бы в состоянии учесть отмеченный эффект температурной неоднородности материала.

Протяжка или прожим слитка со значительной температурной неоднородностью проходит, практически, без уширения.

То есть в очаге деформации имеет место плоско деформированное состояние.

А поэтому основная, исходная система уравнений имеет наиболее простой вид и состоит из уравнений -равновесия:

условия не сжимаемости:

условия совпадения максимальных скоростей сдвига с направлением максимальных касательных напряжений:

;

условия пластичности:

где считается постоянной по всему сечению величиной и определяется средней расчётной температурой.

Более сложной и общей моделью пластического тела является модель идеального жёсткопластического тела, взятая со сдвиговым сопротивлением, определяемым обычной температурной кривой предела текучести на сдвиг.

На рис.8 представлена типовая зависимость изменения предела текучести на сдвиг К= К (Т)для среднелегированных Cr - Ni сталей, в ковочном интервале температур 700 - 13500С.



Рисунок 8 - Изменение предела текучести на сдвиг Cr - Ni - Mo роторных сталей

При этом основная система уравнений остаётся прежней за исключением условия пластичности, где предел текучести на сдвиг Киз постоянной становится переменной величиной в зависимости от температуры.

Функциональный вид температурной кривой предела текучести на сдвиг для конструкционных сталей носит идентичный характер, заключающийся в наличии трёх зон.

А именно :

- отрезок кривой, расположенный в интервале температур, близких к нижнему пределу ковки, который характеризуется близким к линейному законом изменения предела текучести материала в зависимости от температуры с тангенсом угла наклона;

- отрезок кривой, расположенный в интервале температур, близких к верхнему пределу температуры ковки, который также характеризуется изменением предела текучести материала, близким к линейному закону в зависимости от температуры, но с тангенсом угла наклона ;

- указанные отрезки стыкуются в зоне характерного резкого изгиба температурной кривой предела текучести с наличием точки, в которой производная

В этом интервале температур производная претерпевает максимальные изменения, меняясь от величины близкой к нулю до величины значительно большей 1.

Введём единое выражение К (Т) для всего ковочного интервала температур; однако через две аппроксимирующие функции со стыковкой в промежуточной точке Т0, находящейся в интервале температур с резким изменением производной .

В соответствии с полученными данными по распределению температур по сечению крупных заготовок при остывании их на воздухе температурное поле заготовки, начиная от её центральной части вплоть до значения температур, соответствующихТ0, можно аппроксимировать линейной функцией в зависимости от радиуса, т. е.

Где y - радиальная (высотная) координата поковки; - линейный размер поковки, соответствующийТ0 .Температурное поле поковки от значений температур Т = Т 0 до температуры поверхности Т п можно аппроксимировать:



Т = Т0 - ( Т0- Тп ) *,

где h - радиус поковки( или высота при прямоугольном сечении ).

Согласно полученным данным можно записать выражения предела текучести на сдвиг в зависимости от координаты y:

Полученные выражения однозначно определяют модель пластически неоднородного тела с переменными значениями предела текучести на сдвиг в зависимости от координаты y.

Используя известные уравнения связи напряжений со скоростями деформации для пластически неоднородного материала, а также уравнения равновесия, возможно выразить все искомые силовые и деформационные параметры рассматриваемого процесса через отмеченную неизвестную функцию (y) для пластического слоя металла с температурой, изменяющейся отТцдоТ0и для слоя металла с температурой, изменяющейся от Т0до Тп.

В соответствии со взглядами А.А. Ильюшина выскажем предположение о возможности существования в при контактной зоне "жёсткого" недеформируемого слоя. Наличие "жёсткого" недеформированного слоя толщиной =h - возможно при величине коэффициента контактного трения, равного

В результате получаем, что удельная сила деформирования, необходимая для пластической деформации одного слоя толщиной или2- х слоёв толщиной h , будет равна одному и тому же значению:

(6)

где l -ширина бойка.

Толщина "жёсткого " недеформированного слоя определяется точкой ( Т0 , К0 ) , соответствующей температуре и пределу текучести на сдвиг материала в точке стыка, кривых изменения Т и К в конкретном сечении поковки, рис.9.

Полная сила деформирования при прожиме составит: P = p l b, где l и b длина и ширина бойка соответственно.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ работы предложен критерий ковкости сталей и сплавов и представлены примеры использования разработанной теории ковки при разработке технологии и изготовлении крупных поковок энергомашиностроения при их серийном производстве.

Критерий ковкости сталей и сплавов. Ковкость (malleability) - способность металлов и сплавов подвергаться обработке давлением (деформироваться в холодном состоянии). Она характеризуется двумя показателями - пластичностью, способностью металла подвергаться деформации под давлением без разрушения и его сопротивлением деформации. Автором предложен комплексный критерий ковкости Бережковского - Онищенко:

,



позволяющий по результатам испытаний механических свойств металлов и сплавов при температурах горячей обработки установить температурные интервалы ковки - штамповки заготовок и слитков.

По уточнённому показателю ковкости этот интервал должен находится в пределах значений .

Рисунок 9 -Определение параметров пластической зоны (Т0, К0) заготовки сечением 2000х2000 мм: Температура поверхности7000 С

Изготовление поковок для установки « ТОКАМАК - 14». Бандажи для "ТОКАМАКа -14" представляют собой заготовки клиновидной формы шириной 1500 мм, длиной 2000мм, переменной по длине толщиной 200 - 15 мм и "яйцевидным" отверстием в центре бандажа. В качестве материала для этих заготовок рекомендовали немагнитную аустенитную сталь с пределом прочности не менее 1100 МПа. Специалистами ЦНИИТМАШ и ИМЕТ им. Байкова была разработана новая высокопрочная аустенитная сталь с дисперсионным упрочнением на базе VC - 65Г16Н7М2Ф3.

Было изготовлено 40 поковок бандажей из этой стали.

При ковке применяли слитки электрошлакового переплава (с направленной кристаллизацией) массой 5т.

Ковку пластин (бандажей) осуществляли на прессе 60 МН в плоских бойках путём продольно-поперечной протяжки, с тем, чтобы после ковки оси I -го порядка дендритов были ориентированы в направлении действия максимальных рабочих напряжений в отверстии бандажа. Так как по условиям эксплуатации максимальные растягивающие напряжения в рабочей камере "ТОКАМАКА" радиальные.

После ковки и термической обработки (закалка 1220 100С, старение 650 100С ) предел прочности вдоль волокна составлял1150-1300 МПа и 800-950 МПа в ортогональном направлении.

Разработка принципиальной технологии и ковка поковок дисков. В 1995-96г.г. на фирме HANJUNG (р. Корея) по технологии и с использовании теоретических положений автора изготовлены 2 поковки дисков для наземной газовой турбины нового поколения из суперчистой мартенситостареющей стали М 152 диаметром 2400мм и толщиной 450 мм.

Поковки дисков изготовили из слитков массой 20т ЭШП. Заготовка под осадку имела высоту 2900 мм при диаметре 1000 мм. Температурные интервалы ковки 1200- 9500С. Ковку проводили на прессах120 МН и 50 МН с использованием нижних поворотных плит при разгонке.

Предварительную осадку слитка проводили в специальном подкладном кольце на прессе 120 МН, а разгонку на окончательные размеры на прессе 50 МН на поворотной плите в два этапа с промежуточной обкаткой заготовки по диаметру и регламентированными единичными обжатиями (150 мм) при скорости деформации 10-2 с-1 и температуре 1050-8800С.

В данном случае технология обеспечила получение ориентировано направленного волокна (тангенциальное направление) и заданную зёренную структуру во всём объёме диска.

По всем показателям механических свойств были получены результаты, значительно превышающие заданные техническими требованиями (Рис10).

а)

б)

Рисунок 10 - Механические свойства стали по сечению диска:

а) -предел прочности, предел текучести, удлинение и сужение;

б) - ударная вязкость, FATT

Разработка принципиальной технологии и ковка поковок роторов. С учётом теории мегапластической деформации и особенностями теоретических положений прохождения метадинамической рекристаллизации при ковке крупных поковок (с учётом влияния скорости и степени деформации) разработаны и внедрены в производство техпроцессы и специальный инструмент для ковки при изготовлении сверхкрупных поковок роторов (рис.11) из слитков массой до 360 т на ОАО « Ижорские заводы» (г. Санкт - Петербург). Проведенное всестороннее исследование качества металла роторов показало - разработанная, с учётом теории мегапластической деформации слитков и метадинамической рекристаллизации при ковке крупных заготовок, технология ковки обеспечивает полную заварку несплошностей, направленную макроструктуру по ступеням поковки ротора и мелкозернистую микроструктуру (не более 4 номера шкалы ГОСТ5639) во всём объёме поковки. По указанному технологическому процессу только в конце 80-х годов прошлого века на ОАО "Ижорские заводы" изготовили более 40 поковок роторов без осевого канала для турбины К - 1000 - 65/3000 из слитков массой 235т. Все роторы признаны годными и полностью отвечают требованиям технических условий ТУ 108 - 11- 428 - 79.

Поэтому основные параметры настоящего техпроцесса были приняты за основу и реализованы при ковке сверхкрупных поковок роторов генераторов из слитков массой 360 т.

В таблице 2 приведены данные механических свойств заготовки ротора генератора ТВВ 1000 -4 (рис.12)., изготовленной из слитка массой 360 т.



а) б)

Рисунок 11 - Технологические схемы ковки поковок роторов турбин и генераторов из слитков массой 142 - 235 т : а - с осадкой; б - без осадки слитка

Таблица 2 - Механические свойства заготовки ротора ТВВ - 1000 - 4

Место отбора образцов	Механические свойства
	в, МПа	0,2, МПа	д, %	Ш , %	KCU Кдж/ м2	KCV Кдж/м2	T50, 0С
Верхняя шейка	Продольное направление
	755,1	588,4	25,2	75,0	2628	2295	-
	755,1	588,4	22,2	74,4	2687	2560	-
Нижняя шейка	695,3	569,8	23,0	75,6	2795	2805	-
	696,3	557,0	22,6	75,6	2824	2883	-
ТУ не менее	637,4	490,0	16,0	50,0	686	686	-
Верх бочки	Тангенциальное направление
	712,9	602,1	23,6	68,2	2295	1834	-
	729,6	611,9	24,4	73,2	2216	1775	-
	723,7	611,9	23,6	67,5	2216	1775	-80
	730,6	617,8	23,6	69,2	2344	1873
Низ бочки	699,2	582,5	24,0	70,3	2001	1589	-
	703,1	583,5	24,4	67,8	1873	1500	-
	693,3	581,5	24,4	66,5	1912	1530	-80
	691,4	575,7	25,0	69,4	2314	1853
ТУ не менее	637,4	490,3	16,0	45,0	686	686	+20
	Радиальное направление
Верх бочки	730,6	603,1	22,3	78,6	2354	2001	-
Середина бочки	721,8	595,3	23,3	77,2	2344	1974	-
Низ бочки	709,0	585,5	19,3	78,5	2393	1775	-
ТУ не мене	637,4	490,3	15,0	40,0	588	588	-

(слиток массой 360 т)

Рисунок 12 -Первая в СССР поковка ротора турбогенератора 1000 мвт, изготовленная из слитка массой 360т



ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых позволило повысить качество крупных поковок энергомашиностроения и внесло значительный вклад в развитие экономики страны.

1.Впервые в теории ковки слитков автором введены понятия мега и мезо [d - f] масштабных (структурных) уровней пластической деформации и показано, что волокно поковки - это ориентированные в направлении главной деформации оси 1 - го порядка дендритов исходного слитка с максимумом механических свойств сплава и это направление должно совпадать с направлением действия максимальных рабочих напряжений в детали.

2. В результате анализа зависимостей изменения термомеханических параметров процесса ковки от размера заготовки показано, что крупность заготовки может быть достаточно точно определена по функциональной зависимости Tц = Ф( R ) - изменению температуры центра заготовки в процессе её охлаждении на воздухе от температуры начала ковки (Тн.к.) до температуры конца ковки (Тк.к.) по поверхности; по зависимости: поковки радиусом менее 50 мм относятся к мелким, радиусом более 250 мм - к крупным, а радиусом более 700 мм - к сверхкрупным. Соответственно, крупным является слиток массой более 3т., а слиток массой 45т. - сверхкрупным.

3. Установлено, что задачей теории промышленной ковки является изучение влияния термомеханических параметров ковки на физико - химическую неоднородность и зёренную структуру слитка.

Так как слиток представляет собой поликристаллическую заготовку, состоящую из матричных зёрен (с тугоплавким внутренним дендритным каркасом), соединённых между собой тонкой оболочкой аморфного сплава легкоплавких элементов и примесей, то основным механизмом пластической деформации кристаллитов слитка является межкристаллитное (межзёренное) скольжение.

4. Впервые в теории свободной ковки автором введены понятия мега и мезо [d - f] масштабных (структурных) уровней пластической деформации и показано, что ковка слитка начинается с мегауровня. Механизм пластической деформации мегауровня - мезо [d - f] уровней сводится к "повороту + сдвигу" осей I -го порядка дендритов и междендритных объёмов металла; последующему смятию осей высших порядков и уплотнению заготовки в целом. Этапом перехода с мега на макроуровень пластической деформации нужно считать момент преобразования дендритной структуры слитка в волокнистую заготовки, момент смятия осей II -го порядка.

5. Показано, что применительно к деформации мегауровня допустимо использование относительной степени деформации и величины укова (У) и их зависимости между собой по уравнению:

Оптимальной величиной относительной степени деформации перехода литой дендритной структуры слитка в деформированную волокнистую, образованную осями дендритов I -го порядка, нужно считать степень деформации равную 0,7 (У= 11).

6. Впервые в обработке металлов давлением представлены восемь масштабных (структурных) уровней пластической деформации : мега, мезо { d - f } , макро, мезо II , мезо I , микро, мезо {m - n},нано (дендритная, дендритно - волокнистая, волокнистая, крупнозернистая, мелкозернистая с дислокационными ансамблями, дислокационная, ультрамикрокристаллическая, наноструктура). Представленные уровни позволили установить, что при ковке слитков в мегамакромасштабном интервале пластической деформации основными параметрами ковки являются степень деформации, температура и время выдержки при данной температуре, отвечающие за предварительное формирование заготовки (с припусками на окончательные размеры поковки) с ориентированно направленным волокном и крупнозернистой структурой (на мезо II).

При ковке на окончательные размеры (макромикроуровне пластической деформации) и формировании мелкозернистой структуры основными параметрами деформации являются температура, скорость и степень деформации, регламентация которых способствует прохождению метадинамической рекристаллизации в объёме поковки.

7. Установлено, что большинство хромоникельмолибденованадиевых сталей для энергомашиностроения обладают структурной наследственностью и их перегрев не исправляется стандартной термообработкой, т.к. температура рекристаллизации перегретого аустенита лежит выше А3 (на 30 - 2000 С). Рекристаллизация такого типа обусловлена возникновением фазового наклёпа в момент превращения при повторном нагреве стали выше А3 . Для роторных сталей температура рекристаллизации перегретого до температур 1200 - 12500С аустенита находится в интервале 1050-1070 0С.

...