ШТАМПОВКА МАТЕРИАЛОВ В СЪЕРХПЛАСТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ

Рис. 3.56. Схемы неравномерности деформации (искажения координатной сети) при осадке (а) и выдавливании (б) (слевй - деформирование пластичного материала, справа - сверхпластичного)

Рис. 3.57. Запол! (не заштрихованы зоны затрудненной деф

Наконец, еще одно следствие вязкого характера течения сверхпластичных материалов заключается, как известно, в повышении устойчивости деформации против локализации в условиях линейного и плоского растяжения, что объясняется влиянием скоростного упрочнения, которое проявляется тем сильнее, чем

больше Шу .

Сверхпластическое состояние проявляется в определенных условиях, главными среди которых являются структурное состояние деформируемого материала, температура и скорость деформации.

По структурному признаку принято различать две разновидности сверхпластичности: сверхпластичность, проявляющуюся у металлов и керамических материалов с ультрамелким зерном (0,2 - 10 мкм), и сверхпластичность полиморфных металлов, проявляющуюся при деформировании их в процессе фазовых превращений, при этом исходный размер зерен не имеет значения.

Вторая разновидность сверхлластичности пока не нашла практического применения, поэтому в дальнейшем будет рассматриваться только сверхпластичность материалов с ультрамелким зерном, называемая структурной. Чем меньше средний размер зерен, тем сильнее проявляется эффект сверхпластичности. Температурный интервал структурной сверхпластичности находится в пределах от темпе-

ратуры начала рекристаллизации (0,4 Тл) до температуры собирательной рекристаллизации. Оптимальный интервал скоростей СПД для большинства материалов (10-5 - 10-2 -i ) находится в промежутке между скоростями высокотемпературной ползучести и скоростями, соответствующими традиционным процесса ОМД.

При переходе от растяжения к сжатию, более характерному для процессов объемной штамповки, напряжение течения заметно увеличивается, а область СПД смещается в сторону более высоких скоростей деформации, приближающихся к скоростному диапазону серийных гидравлических прессов.

В табл. 3.22 приведены характеристики некоторых промышленных сплавов в сверхпластичном состоянии, которые получены при испытании этих сплавов на растяжение [21, 35, 47].

Наиболее перспективны из нетрадиционных процессов обработки давлени*ем сверхпластичных материалов являются процессы газостатической формовки листовых заготовок (см. п. 9.4), термоупругой штамповки тонкостенных оболочек с оребрением (см. п. 4.3) и объемной штамповки изделий сложной формы многоканальньЕ вьщавливанием в закрытые полости (твердофазное литье).

Особенности вязкого течения сверхпластичных материалов позволяют также расширить возможности и повысить эффективность точной изотермической штамповки деталей сложной формы, добиваясь при этом снижения до минимума отходов металла, уменьшения усилия штамповки, затрат энергии на процесс деформации, снижения трудоемкости производства, повышения качества продукции.

Под точной штамповкой принято понимать процесс получения деформированием в штампе детали без припуска на механическую обработку по всей поверхности за исключением той ее части, по которой данная деталь

3.22. Характеристики некоторых сплавов в состоянии сверхпластичности

Примечания: 1. Ti и 8 - соответственно температура и скорость сверхпластической деформации, а - напряжение течения; бах - предельное относительное удлинение при испытании на растяжение.

2. 2Ю2 - двуокись циркония, стабилизированная окисью натрия; Y-TZP - конструкционная керамика.

стьпсуется с другими деталями при сборке. Таким образом, сверхпластичность в этом случае наиболее целесообразно использовать при штамповке тонкостенных деталей сложной формы с развитой поверхностью. При штамповке поковок малых и средних размеров, изготовление которых не лимитировано мощностью имеющихся прессов, эффект от использования сверхпластичности связан, главным образом, со снижением отходов металла, уменьшением объема и трудоемкости обработки резанием, повьппением качества деталей. Этот эффект тем значительнее, чем дороже обрабатываемый сплав и чем он менее пластичен.

Однако наибольший эффект от использования сверхпластичности проявляется при штамповке крупногабаритных издегшй сложной формы с развитой поверхностью, особенно если их штампуют из труднодеформируе-мых материалов, обладающих повьпиенным сопротивлением деформации. В этом случае использование обычной горячей штамповки бывает ограничено мощностью наличного прессового оборудования или стойкостью штампового инструмента. Применение же режимов сверхпластичности позволяет решить

эти задачи, причем появляется возможность увеличить в пределах номинального усилия пресса максимально допустимые размеры штампуемой детали или перевести штамповку деталей с мощных (часто, уникальных) прессов на прессы серийные с меньшим номинальным усилием. Например, крупногабаритную тонкостенную панель с лучевым оребрением (рис. 3.58), штампуемую в обычных условиях на прессах усилием 500 - 750 МН, в режиме сверхпластичности удалось отштамповать на прессе 150 МН, причем усилие в конце штамповки не превышало 120 МН.

Вместе с тем преимущества, связанные с использованием сверхпластичности в процессах обработки металлов давлением, достигаются за счет существенного усложнения технологии, обусловленного необходимостью подготовки структуры исходных заготовок, регламентации температурного и скоростного режимов деформации. Поэтому для определения целесообразности использования эффекта сверхпластичности в процессах металлообработки необходимо провести предварительный технико-экономический анализ, позволяющий оценить соотношения затрат на усложнение технологического процесса и достигаемого при

ШТАМПОВКА МАТЕРИАЛОВ В СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ

6-6 12,5

Рис. 3.58. Крупногабаритиш шшель с лучевым оребрением, отштамповжшшя 1з магниевого сплава МА2-1 в режиме сверхпластичности

этом улучшения материальных и стоимостных показателей эффективности [491

При решении вопроса о целесообразности подготовки ультрамелкозернистой структуры исходного полуфабриката (сложность и стоимость этого процесса возрастает пропорционально степени измельчения зерен [48]) следует прежде всего попытаться решить конкретную технологическую задачу (снижение усилия, повышением КИМ и т.д.), используя деформирование полуфабриката с неподготовленной структурой в режиме сверхпластичности, а точнее вязкое поведение деформируемого сплава в той степени, которую он способен показать в состоянии поставки. Иными словами, сплав деформируют при таком сочетании температуры и скорости деформирования, при котором максимален показатель ТПу] .

При АПу = 0,25 + 0,3 для снижения необходимого давления или усилия деформации в 2-3 раза достаточна рахщонализация темпера-турно-скоростного режима деформирования, не вводя трудоемкую операцию подготовки структуры. Подготовка ультрамелкозернистой структуры заготовок с последующим деформированием, как принято называть, в состоянии сверхпластичности, т.е. при оптимальных температурно-скоростных, условиях (/Пу -> max),

необходима лишь для процессов, целиком основанных на эффекте сверхпластичности, таких, как бесфильерное волочение, сверхпластическая формовка полых изделий из листовой заготовки и т.п.

Средством для регламентации температурного режима деформации являются изотермические блоки [20], предназначенные для нагрева деформирующего инструмента до за-

данной температуры и поддержания ее постоянной в период работы штамповочного агрегата. Изотермический блок представляет собой сложное и дорогое устройство, в состав которого входит аппаратура для контроля и регулирования температуры штампа. Но в ряде случаев, особенно при штамповке крупногабаритных деталей из легких сплавов, условия деформации, близкие к изотермическим, можно создать и без изотермического блока, предварительно нагревая штампы до необходимой температуры и используя аккумулированную в массивных штампах теплоту для штамповки в течение некоторого периода времени, определяемого скоростью остьшания штампов, после чего комплект штампов можно заменить на нагретый.

Регламентация скоростного режима деформации связана с выбором оборудования для процессов СПД. Пониженная скорость дефоркации, необходимая для обеспечения СПД, является серьезным препятствием для практического использования сверхлластичности в процессах обработки металлов давлением, в частности, при горячей объемной штамповке, так как прямым следствием этого является снижение производительности штамповки и необходимость реконструкции привода гидравлического пресса.

Однако опыт освоения этих процессов в производственных условиях показывает, что режим СПД при объемной штамповке целесообразно использовать лишь на заключительной стадии процесса - стадии заполнения наиболее труднозаполняемых элементов ручья штампа (углов, узких глубоких полостей и т.п.), для осуществления которой требуется максимальное усилие штамповки при стандартной скорости рабочего хода пресса. На этой стадии требуемое снижение скорости