СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ С ОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF PRODUCING TUBULAR BILLET WITH UNIFORM STRUCTURE

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении цилиндрических трубных заготовок, прутков из высоколегированных металлов и сплавов.
Известен способ горячего прессования стали и сплавов (Гуляев Г.И. и др. «Прессование стальных труб и профилей». М.: Металлургия, 1973, с.82), в котором получают длинномерные изделия с высокой степенью разовой деформации, например трубы с ребрами и фасонные профили. При прессовании высоколегированных, например аустенитных сталей, вследствие превалирующей продольной деформации, нерастворяющиеся неметаллические карбидообразующие включения в структуре стали вытягиваются строчками в продольном направлении. Данная неоднородность структуры проявляется в значительной анизотропии механических свойств в поперечном и продольном сечении. Кроме того, она, вследствие повышенной склонности к расслоению, существенно затрудняет получение таких видов продукции, как тонкостенные трубы специального назначения, которые изготавливаются последующей деформацией заготовок многократными операциями холодной прокатки и волочения.
Известен способ объемной проработки структуры металла заготовки при ковке, при котором с целью уменьшения неоднородности сначала осуществляют обжим ковкой по участкам с последовательным чередованием по длине заготовки деформированных и недеформированных участков и с образованием плоскостей сдвига по границе раздела между ними, а затем производят также последовательно обжим недеформированных участков заготовки с образованием дополнительных плоскостей сдвига, скрещивающихся с первоначальными (авторское свидетельство СССР №261882, кл. 49h2, B23K, 1970).
Данный способ ковки отличается крайне низкой производительностью, вследствие необходимости использовать большого количества переходов ковки во избежание возможных заковов. Кроме того, необходим трудоемкий и количественно неопределенный подбор единичных обжатий и подач на переходах ковки, чтобы образовались правильно скрещивающиеся первоначальные и дополнительные плоскости сдвига, требуемые для оценки проработки зон осевой и внеосевой ликвации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является известный способ прессования, в котором с целью уменьшения неоднородности свойств и структуры предложено придавать изделию в процессе прессования принудительное вращение с помощью винтообразных пазов, выполненных на внутренней конической поверхности матрицы. На цилиндрическом пояске эти пазы уменьшаются до нуля, поэтому изделия имеют гладкую наружную поверхность [авторское свидетельство СССР №241947, кл. B21K 21/00, 1969 г.].
Низкая стойкость трудоемких в изготовлении матриц с винтовыми пазами, значительное повышение усилия деформирования при прессовании с большими углами закрутки в очаге деформации, особенно высоколегированных сталей, а также трудности извлечения прессостатка из матрицы с углубленными замкнутыми пазами резко ограничивают область использования данного метода.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым техническим решением - улучшение качества металла за счет повышения однородности его структуры, повышения механических и эксплутационных свойств, а также расширение технологических возможностей получения прутковой продукции, преимущественно трубных заготовок ответственного назначения с однородной структурой.
Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления изделий прессованием с приданием заготовке в процессе прессования принудительного вращательного движения в очаге деформации, согласно изобретению прессование ведут со скручиванием заготовки в очаге деформации в винтовой профиль с логарифмической степенью деформации скручивания, составляющей 0,1-0,3 от логарифма величины вытяжки при прессовании, после чего заготовку дополнительно подвергают редуцированию с деформацией, составляющей 0,15-0,25 от величины ее вытяжки при прессовании профиля с учетом сложности его формы.
Технический результат достигается также тем, что после прессования редуцирование заготовки осуществляют методом ковки.
Технический результат достигается также тем, что редуцирование осуществляют методом сортовой прокатки в калибрах.
Между отличительными признаками предлагаемого способа и техническим результатом существует причинно-следственная связь, заключающаяся в следующем.
Заготовка для прессования в виде обработанного слитка или непрерывно-литой заготовки нагревается до температуры деформации и прессуется на гидравлическом прессе посредством сжатия ее пуансоном и выдавливания через пресс-матрицу. Матрица имеет на внутренней поверхности, в том числе и на калибрирующем пояске, нарезанные пазы, которые, заполняясь металлом, придают заготовке в процессе прессования вращательное движение. На выходе из матрицы заготовка приобретает форму скрученного под определенным углом профиля.
п
Деформация при прессовании определяется вытяжкой по соотношению сечений исходной заготовки для прессования F и прессованного винтового профиля F:
п
λ=F/F.
Пластическое скручивание выражается в смещении сечений и определяется по изменению прямого угла между образующей поверхности профиля и плоскостью поперечного сечения. У недеформированной заготовки смещения нет и угол составляет 90°, у прессованного профиля смещение определяется углом подъема винтовой линии скручивания γ (фиг.1). Связь между вытяжкой, как продольной деформацией, и угловой деформацией сдвига при скручивании, как деформацией другого вида, выражают в логарифмических единицах. Логарифмическая деформация скручивания представляет собой логарифм отношения:
ε=ln(90/γ).
Закручивание граней профиля ограничивается условиями их формирования в винтовой матрице и последующей деформации винтового профиля.
Определенная путем последовательных технологических проб, необходимая и достаточная взаимосвязь между продольной деформацией и закручиванием прессованного профиля выражается таким образом, что логарифмическая степень деформации скручивания ε должна составлять от 0,1 до 0,3 от логарифма величины вытяжки λ при прессовании:
п
ε=(0,l-0,3)ln F/F.
Логарифмическая степень деформации скручивания ε меньше 0,1 логарифма величины вытяжки при прессовании не проявляет в достаточной степени эффект от закручивания металла.
Логарифмическая степень деформации скручивания ε больше 0,3 логарифма вытяжки при прессовании высоколегированных сталей вызывает чрезмерные нагрузки на прессовый инструмент и резкое возрастание потребного усилия пресса с образованием дефектов металла профиля как при прессовании, так и при последующем его деформировании.
Форму винтового профиля подбирают таким образом, чтобы она создавала наилучшую приспособляемость к устойчивому пластическому течению металла при формировании профиля в очаге деформации при прессовании, а также при последующей деформации в бойках или в вырезных калибрах. Грани винтового профиля не должны служить источником закатов, заковов, волосовин, разрывов и других дефектов ковочного или прокатного происхождения.
Макросдвиговая деформация скручивания дополняет эффект проработки структуры металла, получаемый при основной продольной деформации прессования. Волокна структурно-фазовых составляющих приобретают форму пространственных спиралей. Анизотропия свойств меньше, чем у прямолинейных прессованных профилей.
Затем, полученный прессованный винтовой профиль, подвергается последующему редуцированию до получения прутка требуемого размера деформацией горячей ковкой в вырезных или комбинированных бойках или сортовой прокаткой в вырезных калибрах. Деформацию редуцирования принимают в пределах 0,15-0,25 от ее вытяжки при прессовании. При этом учитывается сложность формы поперечного сечения прессованного винтового профиля, которая влияет на силовую нагрузку при прессовании и на условия распределения деформаций при редуцировании.
Сложность формы поперечного сечения прессованного винтового профиля характеризуется отношением периметра прессованного профиля к периметру круга, равновеликого ему по площади поперечного сечения. При простой форме профиля, близкой к кругу, отношение периметров будет близко к единице и деформация редуцирования должна быть небольшой. Более сложные прессованные профили имеют коэффициенты формы, т.е. величину отношений периметров, большей величины, что требует более значительной и тщательней подобранной деформации редуцирования профиля в гладкий пруток.
Между потребной деформацией редуцирования винтового профиля определенной формы в пруток и деформацией при его прессовании существует связь, которую можно представить в виде зависимости:
п
т
п
п
о
F/F=(0,15-0,25)×F/F, ×П/П,
п
где F - площадь поперечного сечения прессованного винтового профиля;
т
F - площадь поперечного сечения готовой трубной заготовки;
п
П - периметр прессованного профиля;
о
П - периметр круга, равновеликого площади прессованного профиля;
F - площадь поперечного сечения исходной заготовки для прессования.
Аналитическая и экспериментальная проверка показала, что, если доля деформации редуцирования принимается меньше 0,15, то поверхность трубной заготовки может иметь следы профильного формирования, а внутренняя структура в значительной мере сохранит спиралевидную строчечность прессованного профиля. Если доля деформации редуцирования будет чрезмерной, т.е. больше 0,25, то уменьшается доля деформации скручивания, связанная с вытяжкой при прессовании. Тем самым увеличивается разница в свойствах, особенно в пластических характеристиках продольного и поперечного сечений трубной заготовки. Этот случай ведет к утрате искомого технического результата от скручивания металла, на котором основан способ.
Деформация заготовки в предварительной форме винтового профиля в цилиндрическую трубную заготовку требуемого диаметра при редуцировании качественно развивает положительный эффект прессования-скручивания и обеспечивает достижение технического результата изобретения. Образованные при прессовании скрученные по винтовой линии фигурные плоскости создают дополнительные плоскости скольжения при редуцировании ковкой или сортовой прокаткой, что позволяет за счет тангенциальных и поперечных деформаций улучшить проработку структуры и повысить ее однородность.
Элементы неоднородности формы прессованного винтового профиля и при деформации в готовую трубную заготовку позволяют дополнительно преобразить структурную неоднородность и спиралеобразные линии включений в практически изотропные мелкодисперсные частицы, обособленные друг от друга и не образующие линейно-протяженные образования. Анизотропия свойств снижается до минимума.
На чертеже изображена заготовка после прессования со скручиванием в винтовой профиль, где:
1 - продольная образующая;
2 - винтовая линия скручивания;
γ - угол подъема винтовой линии скручивания.
Предлагаемое техническое решение было реализовано в рамках научно-технической работы «Разработка новых материалов и оптимизированной технологии производства паспортной трубной заготовки для особо-тонкостенных оболочек ТВЭЛ».
Предложенный способ опробован для получения трубной заготовки диаметром 65 мм из аустенитной стали. Заготовка для прессования в виде ВД-слитка диаметром 320 мм нагревалась до температуры 1150°C и прессовалась со скручиванием в матрице с четырьмя скругленными пазами на прессе 630 МН.
Приведенный диаметр круга, равновеликого по площади поперечного сечения площади прессованного винтового профиля, равнялся 95 мм. Отношение периметра прессованного профиля к периметру равновеликого круга составляло 1,17. Вытяжка составляла 9,9. Угол скручивания ребер равнялся 25°, т.е. соответственный угол подъема винтовой линии скручивания - 65°. Логарифмическая деформация скручивания составляла:
ε=Ln(90/γ)=0,32, или 0,14 от логарифма вытяжки λ=9,9 при прессовании, что находится в пределах зависимости по п.1.
Прессование проходило в нормальном режиме с усилием прессования, которое превышало усилие прессования гладкого прутка из этой же стали и с такой же вытяжкой на 15%. Прессование гладкой трубы с закрученными волокнами по способу прототипа, вследствие дополнительного сопротивления деформации при тангенциальном сжатии ребер профиля в калибрирующем очке матрицы, происходило при столь значительном повышении усилия прессования (на 45-50%), что получить трубную заготовку диаметром 95 мм на данном прессе не удалось.
Прессованный винтовой профиль далее был передан к молоту м.п.с. 750 кг, нагрет и при температуре в интервале 1150-900°C перекован на молоте в пруток диаметром 65 мм. Вытяжка при ковке (уков) составляла 2,12, т.е. равнялась 0,18 от вытяжки λ при прессовании и отношения периметра прессованного профиля к периметру равновеликого круга, что находится в пределах зависимости (0,15-0,25) по п.1 формулы. После горячей деформации на поверхности трубной заготовки не было грубых следов от скрученных профильных ребер. Анализ макро- и микроструктуры полученных прутков трубной заготовки показал, что структура металла плотная мелкозернистая и однородная без выраженной строчечности по всему объему заготовки.
Как уже было отмечено, способ позволяет улучшить качество металла за счет повышения однородности его структуры, повысить механические эксплуатационные свойства, а также расширить технологические возможности получения трубных заготовок ответственного назначения.