Как делают поковки: слиток, ковка, штамповка и контроль

• 800–1250 °Cпримерный температурный интервал ковки углеродистой стали
• не менее 3уков по основному сечению — частое требование к поковке из слитка
• I–Vгруппы поковок по ГОСТ 8479-70 — от поковок без испытаний до испытаний каждой
• до 800 ммдиаметр или толщина поковок, на которые распространяется ГОСТ 8479-70

Что такое поковка и где она нужна

Поковка — заготовка, полученная обработкой нагретого металла давлением: ударами молота или нажимом пресса. В отличие от проката, который выпускают стандартными профилями, поковку делают под конкретную деталь: её контур повторяет деталь с запасом металла на механическую обработку.

В атомном машиностроении из поковок делают почти всё, что держит давление и большие нагрузки: обечайки, фланцы и днища корпусов, патрубки, трубные доски теплообменников, валы и диски насосов, корпуса кованой арматуры, кольца, крупный крепёж. Самые большие поковки — обечайки корпусов реакторов, которые куют из слитков в сотни тонн; об этом — в статье «Корпус реактора».

Требования к поковкам задают стандарты и технические условия. Для поковок общего назначения из конструкционной стали это ГОСТ 8479-70, для поковок из коррозионно-стойких сталей — ГОСТ 25054-81, а в документации оборудования тепловых и атомных станций часто встречается отраслевой ОСТ 108.030.113-87 на поковки из сталей вроде 22К и 16ГС. Для самых ответственных изделий пишут отдельные технические условия.

Эта статья — о том, как поковку делают и что от этого зависит для заказчика.

Слиток: выплавка, вакуум и прибыль

Крупные поковки куют из слитков, небольшие — чаще из катаной заготовки, уже прошедшей прокатку на металлургическом заводе. ГОСТ 8479-70 допускает и слиток, и катаную или кованую заготовку, и непрерывнолитую, и прокат; для ответственных поковок исходную заготовку оговаривают технические условия.

Сталь для ответственных слитков выплавляют в электропечах и доводят в ковше: уточняют химический состав и температуру, выводят в шлак серу, перемешивают металл аргоном. Это внепечная обработка. Затем металл вакуумируют — выдерживают под разрежением, чтобы удалить растворённые газы, прежде всего водород.

Жидкую сталь разливают в чугунные изложницы. Металл застывает от стенок к середине и при этом уменьшается в объёме, поэтому в слитке остаются усадочная раковина и рыхлость. Чтобы увести их вверх, изложницу продолжают утеплённой прибыльной надставкой: металл в ней застывает последним и питает слиток. В верхнюю, прибыльную часть оттесняются и примеси — сера, фосфор, углерод, а в нижней, донной части скапливаются неметаллические включения.

Поэтому при ковке прибыльную и донную части отрезают, и эту обрезь закладывают в расчёт металла на поковку. Для особо ответственных поковок сталь иногда ещё и переплавляют — например, электрошлаковым переплавом, — получая более чистый и плотный слиток. Номер плавки, присвоенный в сталеплавильном цехе, переходит в сертификат поковки и в клеймо каждой детали из неё.

От печи до слитка: как готовят металл для поковки

1. Выплавкасталь для ответственных слитков плавят в электропечах
2. Внепечная обработкав ковше доводят состав и температуру, выводят серу, мешают аргоном
3. Вакуумированиепод разрежением удаляют растворённые газы, прежде всего водород
4. Разливкав чугунные изложницы с утеплённой прибыльной надставкой
5. Обрезка при ковкеотрезают прибыльную часть с раковиной и донную — с включениями

Ковка и штамповка

Крупные поковки получают свободной ковкой на гидравлических прессах. Металл течёт между бойками свободно, а форму поковке задают последовательностью обжатий и поворотов заготовки; держит и кантует её манипулятор или кран. Небольшие поковки куют на молотах и прессах поменьше. Из нескольких простых операций складывается вал, диск, кольцо или обечайка.

• Осадка. Заготовку сжимают по высоте, и её поперечное сечение растёт. Так получают диски и заготовки фланцев, а слиток осаживают ещё и для того, чтобы проработать литую структуру по всему объёму.
• Протяжка. Заготовку обжимают участок за участком, поворачивая между обжатиями: сечение уменьшается, длина растёт. Так куют валы, штоки, заготовки шпилек.
• Прошивка. В осаженной заготовке прошивнем пробивают сквозное отверстие. Пустотелый прошивень заодно удаляет осевую зону слитка, где больше всего пористости и примесей.
• Раскатка на оправке. Прошитое кольцо надевают на оправку и обжимают бойком, поворачивая: диаметр растёт, стенка становится тоньше. Так получают кольца и обечайки без продольного шва.

Тяжёлую заготовку не отковать за один нагрев: пока металл остывает до нижней границы ковочного интервала, успевают сделать лишь часть обжатий. Поэтому крупную поковку куют за несколько нагревов, каждый раз возвращая заготовку в печь.

Штамповка, точнее горячая объёмная штамповка, устроена иначе: нагретую заготовку деформируют в штампе, полость которого — ручей — повторяет форму поковки. Металл заполняет ручей, излишек выдавливается по разъёму штампа в облой, который потом обрезают. Штампованная поковка точнее, припуски у неё меньше, а производительность выше, но штамп дорог и делается под одну поковку. Поэтому штамповка выгодна для серий небольших и средних деталей.

Кольца и заготовки фланцев без шва раскатывают и на кольцераскатных станах, а днища и другие крупные выпуклые детали штампуют на мощных прессах из толстой нагретой заготовки. Способ выбирает технолог-кузнец — по форме и размерам детали, партии и требованиям к свойствам.

Свободная ковка и штамповка

Уков и волокно

Литой металл неоднороден: крупные кристаллы-дендриты, мелкие поры, участки, обогащённые примесями. Ковка меняет его строение. Внутренние поры с неокисленной поверхностью заковываются, литые зёрна дробятся, а неметаллические включения и обогащённые примесями участки вытягиваются вдоль течения металла. На протравленном срезе поковки это видно как полосы — волокно.

Меру проработки металла называют уковом. Это отношение площади поперечного сечения заготовки до ковки к площади после неё, а при осадке — отношение высот. Если слиток диаметром 1 м протянули до вала диаметром 0,5 м, площадь сечения уменьшилась вчетверо, и уков равен 4. Для поковок из слитка уков по основному сечению обычно требуют не меньше 3, а для поковок из катаной заготовки, уже прошедшей деформацию при прокатке, хватает меньшего — около 1,5.

Из-за волокна свойства поковки различаются по направлениям: вдоль волокна пластичность и ударная вязкость выше, поперёк — ниже. Поэтому ГОСТ 8479-70 для поперечных и тангенциальных образцов допускает пониженные нормы. С ростом укова разница усиливается, так что бесконечно его увеличивать бессмысленно: продольные свойства почти перестают расти, а поперечные падают.

Главное преимущество поковки — волокно можно направить по контуру детали. В кованом фланце оно огибает переход от шейки к диску, а во фланце, выточенном из толстого круга, идёт вдоль оси прутка и перерезано как раз на уступе, где деталь работает на изгиб.

Как куют ответственную поковку (схема). Нагретую заготовку обжимают бойками гидравлического пресса: осадкой — по высоте, протяжкой — в длину, а кольцо получают прошивкой и раскаткой на оправке. Волокна металла в поковке огибают контур детали, а в детали, выточенной из проката, перерезаны обработкой.

Нагрев: в каком интервале куют

Сталь куют горячей: так она пластична и сопротивляется деформации во много раз слабее, чем холодная. Но и перегревать её нельзя. Для каждой марки задают температурный интервал ковки — от температуры начала до температуры конца ковки. Углеродистую сталь начинают ковать примерно при 1200–1250 °C и заканчивают около 800 °C, у легированных сталей интервал обычно уже.

Если металл нагреть слишком сильно или долго держать в печи, наступает перегрев: зерно стали крупнеет, и после остывания она хуже держит удар. Перегрев исправим — мелкое зерно возвращает последующая термообработка. Выше лежит пережог: кислород печной атмосферы проникает по границам зёрен и окисляет их, границы начинают подплавляться, связь между зёрнами теряется. Пережжённый металл не исправить ничем — только в переплав.

Слишком холодный металл ковать тоже нельзя: ниже нижней границы интервала пластичность падает, появляются трещины, металл упрочняется наклёпом. Поэтому, когда температура заготовки подходит к нижней границе, её отправляют на подогрев.

Холодный слиток легированной стали прогревают медленно: если поверхность нагреется намного быстрее середины, от разницы температур могут пойти трещины. Поэтому слитки по возможности сажают в печь ещё горячими, прямо из сталеплавильного цеха. Каждый нагрев добавляет на поверхности окалину и обезуглероженный слой — их снимают при механической обработке, и на это закладывают припуск.

Чертёж поковки и первая термообработка

Ковать по чертежу детали нельзя: поковка всегда больше детали. Технолог-кузнец составляет чертёж поковки, где поверх контура детали показан контур поковки с размерами и допусками. Припуски и допуски назначают по стандартам: для ковки на прессах — по ГОСТ 7062-90, на молотах — по ГОСТ 7829-70, для штампованных поковок — по ГОСТ 7505-89.

На чертеже поковки три вида лишнего металла. Припуск — слой, который снимают на обрабатываемых поверхностях: он перекрывает окалину, обезуглероженный слой, мелкие дефекты и неточность ковки. Напуск упрощает форму там, где ковкой контур детали не получить: мелкие уступы, узкие канавки, отверстия малого диаметра. Наконец, напуск на пробы — металл для образцов, на которых проверяют механические свойства.

Место, форму и размеры пробы задаёт чертёж поковки, и металла в ней должно хватить на все образцы. ГОСТ 8479-70, например, требует: если из слитка куют одну поковку, проба должна быть со стороны прибыльной части, ближе к которой больше примесей, а у валов и обечаек длиннее 3 м при указании в чертеже — с двух концов. Ось образца из сплошной цилиндрической поковки должна лежать на 1/3 радиуса от поверхности, у полой поковки со стенкой до 100 мм — посередине стенки, при более толстой стенке — на 1/3 её толщины от наружной поверхности.

Где вырезают образцы из поковки по ГОСТ 8479-70

• 1/3 радиусаот поверхности — ось образца из сплошной цилиндрической поковки
• середина стенкиу полой поковки со стенкой до 100 мм
• 1/3 стенкиот наружной поверхности, если стенка толще 100 мм
• с двух концовпроба у валов и обечаек длиннее 3 м — при указании в чертеже

После ковки крупные поковки охлаждают по заданному режиму и подвергают предварительной термообработке. Она выравнивает структуру после ковки, снижает твёрдость перед обдиркой и даёт водороду выйти из толстого металла, пока он не собрался во флокены. Окончательную термообработку — нормализацию с отпуском или закалку с отпуском — проводят позже, часто уже после обдирки. Как выбирают режимы, рассказано в статье «Термическая обработка стали».

Контроль, документы и заказ

Каждую поковку осматривают: на поверхности не должно быть трещин, плен, песочин и заковов — складок, где металл загнулся и прижался к себе, не сварившись. Неглубокие дефекты на обрабатываемых поверхностях допустимы, остальные вырубают или зачищают. Объём других проверок задают группа поковки и технические условия.

Ультразвук — главный способ заглянуть внутрь толстой поковки. Её прозвучивают после обдирки, когда форма упрощена, а поверхность гладкая. Нормы задают допустимый размер и число отражателей, а группу качества поковки по результатам контроля устанавливают по ГОСТ 24507-80. Как работает метод, рассказано в статье «Неразрушающий контроль».

Если механические испытания не прошли, ГОСТ 8479-70 разрешает повторить их на удвоенном числе образцов, а при новой неудаче — повторно термообработать партию, но не больше двух раз. Флокены, трещины и усадочная рыхлость — окончательный брак.

Принятую поковку или партию сопровождает документ о качестве — сертификат: номер чертежа и заказа, марка стали и документ на поставку, номер и химический состав плавки, группа поковки, вид термообработки, результаты испытаний и дополнительного контроля, например ультразвукового. Состав берут из паспорта плавки или, если поковку куют из покупного слитка или проката, из сертификата поставщика металла. На поковке в месте, указанном в чертеже, ставят клеймо с номером плавки и номером поковки.

Типичные ошибки в заказе поковок:

• Нет группы или документа. «Поковка, сталь 20» без группы по ГОСТ 8479-70 или ссылки на технические условия не говорит изготовителю, какие испытания проводить, и спор начнётся на приёмке.
• Свойства без учёта сечения. Нормы пластичности и вязкости в ГОСТ 8479-70 снижаются с ростом диаметра поковки, а середина массивной поковки из стали с малой прокаливаемостью не наберёт свойств, которые стандарт на сталь даёт для небольших образцов.
• Не указаны вид и место образцов. Продольные, поперечные и тангенциальные образцы дают разные результаты; если чертёж молчит, вид образца выбирает изготовитель.
• Нет напуска на пробы. Тогда для испытаний приходится ковать лишнюю поковку или отдельную пробу из той же плавки.
• Не оговорено состояние поставки. Поковку можно получить после окончательной термообработки или, по согласованию, только после предварительной — тогда окончательную термообработку и испытания берёт на себя тот, кто её обрабатывает.

Термины

• ПоковкаЗаготовка, полученная ковкой или горячей штамповкой нагретого металла; её форма близка к детали с припуском на обработку.
• Прибыльная частьВерхняя часть слитка, где собираются усадочная раковина и примеси; при ковке её отрезают.
• ОсадкаОперация ковки, при которой высота заготовки уменьшается, а поперечное сечение растёт.
• ПротяжкаОперация ковки, при которой поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина растёт.
• УковМера деформации при ковке: отношение площадей поперечного сечения до и после ковки, при осадке — отношение высот.
• НапускМеталл, которым упрощают форму поковки или который оставляют под пробы; его снимают при обработке.
• ФлокеныТонкие внутренние трещины в толстых поковках, вызванные водородом.
• ОблойИзлишек металла, выдавленный при штамповке по разъёму штампа и затем обрезанный.

Частые вопросы

Чем свободная ковка отличается от штамповки?

При свободной ковке металл деформируют универсальным инструментом — бойками, оправками, прошивнями, — а форму задаёт последовательность операций; так куют крупные и единичные поковки. При штамповке металл заполняет полость штампа, сделанного под конкретную поковку: она точнее и с меньшими припусками, но штамп окупается только на серии.

Что такое уков?

Уков — отношение площади поперечного сечения заготовки до ковки к площади после неё, при осадке — отношение высот. Он показывает, насколько проработана литая структура; для поковок из слитка уков по основному сечению обычно требуют не меньше 3.

Где вырезают образцы для испытаний поковки?

Из напуска на пробы, место и размеры которого задаёт чертёж поковки. По ГОСТ 8479-70 ось образца из сплошной цилиндрической поковки лежит на 1/3 радиуса от поверхности, а если из слитка куют одну поковку, проба должна быть со стороны прибыльной части.

Что такое флокены и как их избегают?

Флокены — тонкие внутренние трещины, которые водород образует в толстом металле при остывании. Их предупреждают вакуумированием стали, режимом охлаждения и предварительной термообработкой поковки, а ищут ультразвуком; поковку с флокенами бракуют.

Чем перегрев отличается от пережога?

При перегреве у стали вырастает крупное зерно, и это исправляют последующей термообработкой. При пережоге границы зёрен окисляются и подплавляются — такой металл исправить нельзя.