EA016031B1

EA016031B1 - Способ и устройство для регулируемой по температуре обработки горячекатаной стали давлением

Info

Publication number: EA016031B1
Application number: EA200901086A
Authority: EA
Inventors: Ханс-Йёрг Кирхвегер; Карл-Хайнц Кренн; Вольфганг Кригнер
Original assignee: Фёстальпине Анарбайтунг Гмбх
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2012-01-30
Also published as: DE102007008117B8; DE102007008117B3; EP2125263B1; BRPI0806212A2; EA200901086A1; JP5226013B2; EP2125263A1; ES2345741T3; WO2008101567A1; US20100187291A1; DE502008000837D1; JP2010519048A; ATE471775T1

Abstract

В изобретении описан способ обработки листовой стали давлением, при осуществлении которого из листовой стали изготавливают листовую заготовку, эту листовую заготовку помещают в штамп и из листовой заготовки в штампе в одну стадию изготавливают отштампованную деталь, при этом листовую заготовку перед обработкой давлением нагревают в режиме, исключающем фазовые превращения в стали, а обработку давлением проводят при температуре, при которой сталь имеет ферритную, перлитную или бейнитную структуру, не допуская повышение температуры сверх эвтектоидной температуры или сверх температуры рекристаллизации. В изобретении описано также устройство для осуществления такого способа.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для регулируемой по температуре обработки горячекатаной стали давлением.

Одним из хорошо известных методов изготовления различных деталей из листовой стали является ее обработка давлением, например глубокая вытяжка. Обработке давлением можно при этом подвергать и горячекатаные, и холоднокатаные стали.

Подобные методы обработки давлением или пластического формообразования можно подразделить на методы горячей обработки давлением и методы холодной обработки давлением.

Под горячей обработкой давлением обычно подразумевается обработка давлением в аустенитной области. Максимальная температура при такой обработке в том случае, когда в последующем дополнительный отжиг стали не предусмотрен, не должна превышать 980°С. Помимо этого процесс обработки давлением должен завершаться при температуре выше 750°С, а последующее охлаждение должно проводиться на спокойном воздухе. Таким методом можно обрабатывать только стали, подвергаемые нормализации, поскольку они даже после отжига с выдержкой при 950°С обладают необходимыми показателями прочности.

Последовательность операций, выполняемых при обработке стали давлением этим методом, проиллюстрирована на фиг. 18. В этом случае листовую заготовку 101, которой путем ее обрезки обычно уже придан окончательный контур, помещают на первую часть 102 штампа 103 и подвергают пластическому формоизменению в незафиксированном состоянии (свободному пластическому формоизменению). При этом на представленной на чертеже 2-й стадии заготовка 101 приобретает объемную форму с выпуклым дном. При проведении такого процесса заготовка 101 может фиксироваться только в исходном положении до начала ее пластического формоизменения в штампе 103. Сразу же после соприкосновения верхней части 104 инструмента 103 с заготовкой 101 начинается процесс ее пластического формоизменения в незафиксированном состоянии (фиг. 18 вверху). По завершении этой стадии пластического формоизменения заготовку 101 перемещают во второй штамп 105 (фиг. 18 внизу). При обработке в этом втором штампе путем осадки образуют боковые стенки 106, соответственно скругления 107 изделия. Одновременно с этим при необходимости можно подготавливать кромку под сварку. Поскольку, однако, заготовка подвергается пластическому формоизменению в незафиксированном состоянии, образование такой кромки с соблюдением заданных размеров возможно лишь с трудом. В процессе образования кромки под сварку происходит искривление дна изделия с образованием вогнутости 108. При этом материал смещается в донную часть изделия, а не используется для образования кромки под сварку. По этой причине, однако, для образования кромки под сварку и скруглений с соблюдением заданных размеров осадочный (чеканочный) пуансон должен совершать большой ход. Сказанное означает, что из-за большой длины хода осадочного (чеканочного) пуансона штамп неизбежно подвержен высокому износу. Дополнительно необходимо также учитывать тот факт, что при проведении такого процесса в прессе всегда должны находиться две обрабатываемые детали. Однако этот фактор, в свою очередь, сводит на нет положительный эффект, состоящий в возможности уменьшить необходимое усилие прессования благодаря проведению процесса обработки давлением при высокой температуре.

В качестве примера типичных деталей, изготавливаемых таким путем, можно назвать балки мостов грузовых автомобилей. Подобные детали для снижения усилия пластического формообразования и уменьшения радиусов гибки изготавливают горячей обработкой давлением. Одновременно на второй стадии можно осадкой образовывать гибочные кромки, повышая таким путем жесткость детали.

Подобный способ известен, например, из И8 2674783. На первой стадии этого способа заготовке путем пластического формообразования придают предварительную форму, а затем на второй стадии штамповкой придают окончательную форму.

Недостаток этого известного способа состоит в необходимости двухстадийной обработки изделия. При этом на каждой стадии охлаждение изделия происходит с разной скоростью. В зависимости от температуры штампа скорость охлаждения в нем изделия может быть выше или ниже, чем на спокойном воздухе. Однако параметры охлаждения при работе с нормализованными сталями имеют важное значение, о чем более подробно сказано ниже.

Проведением процесса в две стадии обусловлено более быстрое снижение температуры детали (изделия). По этой причине приходится увеличивать усилия пластического формообразования, тогда как именно в процессе калибровки, т. е. на стадии с наивысшим усилием пластического формообразования, сопротивление деформации имеет очень большую величину и поэтому сводит на нет преимущества горячей обработки давлением. Помимо этого необходимо учитывать, что обработка давлением на второй стадии должна завершаться при температурах выше 750°С, соответственно 700°С.

Однако результаты экспериментов с обработкой давлением на предварительно нагретом штампе, т.е. в условиях, приближенных к производственным, свидетельствуют о том, что по сравнению с охлаждением на воздухе скорость охлаждения изделия в процессе горячей обработки давлением гораздо выше (фиг. 19).

Во всех экспериментах температуру в изделии измеряли термоэлементами непосредственно в процессе обработки. Для этого термоэлементы вставляли в удлиненные отверстия диаметром 2 мм и остав

- 1 016031 ляли в изделии на все время его обработки давлением.

Подобный процесс обработки давлением более подробно иллюстрируется графиками, приведенными на фиг. 20. Из этих графиков следует, что первая стадия пластического формообразования завершилась при температуре около 790°С, а вторая стадия пластического формообразования завершилась при температуре около 680°С. Сказанное, однако, означает завершение второй стадии пластического формообразования при температуре ниже 750°С, соответственно 700°С, т.е. ниже минимально допустимой при обработке давлением. Из приведенных на фиг. 19 графиков следует также, что превращение феррита в аустенит происходит либо между стадиями обработки давлением, либо в процессе нее. Точная температура такого фазового превращения зависит от состава сплава. Низкая конечная температура изделия указывает также на невозможность дальнейшего полного использования преимуществ горячей обработки давлением, т.е. на невозможность ее проведения с малыми усилиями пластического формообразования, при выполнении второй стадии пластического формообразования.

Выбор сталей, пригодных для горячей обработки давлением подобными методами, ограничен нормализованными сталями.

Нормализованные (подвергнутые нормализационному отжигу), соответственно подвергнутые нормализующей прокатке стали обладают своими механическими свойствами в исходном состоянии (после нормализующей прокатки) и в отожженном состоянии, если речь идет о нормализационном отжиге. Термическая обработка таких сталей заключается в их нагреве до температуры выше критической точки А3. Сказанное означает, что выдержка сталей при отжиге проводится в однофазной аустенитной области. При холодной обработке таких сталей давлением их при превышении 5%-ной степени деформации необходимо подвергать термической обработке.

Требуемые механические свойства подобные стали приобретают преимущественно в результате образования ферритно-перлитной матрицы. Сказанное, однако, означает необходимость точного соблюдения скорости охлаждения сталей с целью обеспечить образование тонкопластинчатого перлита. Охлаждение сталей должно происходить с малой скоростью либо на спокойном воздухе, либо в печи. При этом следует учитывать происходящее при охлаждении выделение фаз феррита и перлита и подавление образования мартенсита. Ниже 600°С скорость охлаждения сталей не имеет существенного значения. Прочность материала линейно зависит от доли перлита, которая, в свою очередь, зависит от содержания углерода. Добиться повышения прочности сталей можно преимущественно только путем увеличения содержания углерода. Однако с увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость стали. О сказанном свидетельствует возрастание углеродного эквивалента (см. фиг. 15).

Изделия из нормализуемых сталей можно подразделить на подвергаемые нормализующей прокатке изделия и подвергаемые нормализационному отжигу изделия, причем при изготовлении подвергаемых нормализующей прокатке изделий заключительная стадия горячей прокатки должна выполняться при температуре выше температуры рекристаллизации аустенита. Эта температура обычно составляет около 950°С.

Сталь при этом рекристаллизуется полностью, а направление прокатки можно определить только по ликвационным эффектам. Затем при охлаждении с определенной скоростью рекристаллизовавшийся аустенит превращается в феррит и перлит. При изготовлении подвергаемых нормализационному отжигу изделий листовые заготовки или детали нагревают до температуры выше критической точки А3, а затем подвергают контролируемому охлаждению. В результате такой термической обработки сталь вновь приобретает свои исходные свойства. Помимо этого после отжига листовую заготовку или деталь можно в горячем состоянии подвергать обработке давлением. При этом, однако, обработка давлением должна завершаться при температуре выше 750°С. При степени деформации не более 5% температура окончания обработки давлением составляет 700°С. Последующее охлаждение листовых заготовок или деталей должно происходить на спокойном воздухе.

Подвергаемые контролируемой (или термомеханической) прокатке стали приобретают свою прочность в результате целенаправленного их изготовления в процессе горячей прокатки. В этом случае окончательную обработку давлением проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации аустенита. Температуру рекристаллизации можно при этом регулировать введением дополнительных легирующих элементов в состав стали. Такие элементы, к которым в данном случае преимущественно относится ниобий, повышают температуру рекристаллизации аустенита и тем самым позволяют на достаточно большую величину удалить температуру начала рекристаллизации аустенита от температуры, соответствующей критической точке А3.

Поскольку после последнего прохода при прокатке структура больше не может рекристаллизовываться, в ней из-за ее ориентации в результате прокатки имеется очень большое количество зародышей для превращения аустенита в феррит. В результате образуется исключительно мелкозернистая структура, которая состоит преимущественно из феррита и в меньшей степени из бейнита. Бейнит представляет собой тонкопластинчатый перлит, который может образовываться только при кристаллизации в неравновесных условиях. Образование подобной структуры достигается путем регулируемого быстрого охлаждения стали по завершении последнего прохода при прокатке. В качестве дополнительного эффекта при

- 2 016031 этом происходит повышение вязкости материала.

Кристаллизация в равновесных условиях требует медленного охлаждения, что относится прежде всего к подвергнутым нормализующей прокатке сталям. Помимо этого легирующие элементы в составе выделений, представляющих собой карбиды, нитриды и карбонитриды, препятствуют росту зерен при температурах выше 1100°С. Наличие подобных легирующих элементов положительно сказывается также при сварке в зоне термического воздействия, где происходит образование крупнозернистой структуры.

Подвергнутые нормализационному отжигу стали при своей высокой прочности, обусловленной входящими в их состав легирующими элементами, проявляют критические характеристики при изготовлении из них горячекатаной полосы. Стали контролируемой прокатки (КП-стали) из-за меньшего относительного содержания в них легирующих элементов можно получать с гораздо более высокими показателями прочности.

В отличие от подвергнутых нормализующей прокатке сталей, для которых установленный стандартом максимальный предел текучести составляет лишь 460 МПа при толщине листа менее 16 мм, для КПсталей установленный стандартом минимальный предел текучести составляет 700 МПа при толщине листа 8 мм (при толщине более 8 мм предел текучести может быть на 20 МПа меньше). Эти данные можно найти в стандарте ΌΙΝ ΕΝ 10025-3, распространяющемся на подвергнутые нормализующей прокатке стали, и в стандарте ΌΙΝ ΕΝ 10149-2, распространяющемся на стали контролируемой прокатки.

Стойкие к серосодержащим газам стали получают тем же методом, что и стали контролируемой прокатки. Однако такие стали с учетом области их применения представлены в стандарте ΑΡΙ крес 51, соответственно в стандарте ϋΙΝ ΕN 10208-2. Отличительной особенностью подобных сталей, соответственно листовых продуктов из них является особо низкое содержание в них примесей, таких как сера. Благодаря этому в таких сталях предотвращается рекомбинация водорода с образованием Н₂, а тем самым предотвращается и образование трещин вблизи сульфидов марганца. С другой стороны, благодаря малому содержанию примесей существенно повышается вязкость таких сталей, сохраняющаяся даже при очень низких температурах. Помимо этого благодаря малому содержанию углерода в подобных сталях в меньших объемах образуется осевая ликвация. В результате предотвращается образование твердых фаз в матрице. Для повышения прочности таких сталей необходимо снижать конечную температуру их охлаждения. В результате получают сталь с исключительно мелкозернистой ферритной структурой.

На фиг. 16 в графическом виде представлено сопоставление условий получения разных сталей на стане горячей прокатки. На этом графике четко видны различия, возникающие на конечной стадии деформации. Варьирование режима охлаждения с прокатного нагрева все еще позволяет влиять на образование структуры при контролируемой прокатке. На фиг. 17 показаны структуры различных сталей, одни из которых были получены путем нормализующей прокатки, соответственно нормализационного отжига, а другие - путем контролируемой прокатки.

Используемые на фиг. 16 сокращения имеют следующие значения: Т - температура, Т_Е8 - температура рекристаллизации аустенита, КП - контролируемая прокатка, а УО - ускоренное охлаждение.

Сравнение между собой структуры подвергнутой нормализующей прокатке стали и структуры стали контролируемой прокатки однозначно свидетельствует о повышенном относительном содержании богатого углеродом перлита (фаза темного цвета) в последней. Измельчение зерен, а тем самым и повышение прочности, пластичности и вязкости возможно только путем контролируемой прокатки.

Информацию о химическом составе подвергнутых нормализующей прокатке сталей можно найти в стандартах ΌΙΝ ΕΝ 10149-3 и ΌΙΝ ΕΝ 10025-3. Химический состав стали контролируемой прокатки представлен в стандарте ΌΙΝ ΕΝ 10149-2. При сравнении между собой сталей с одинаковым минимальным пределом текучести можно констатировать, что в подвергнутых нормализующей прокатке сталях содержание углерода выше.

Из И8 5454888 известен способ изготовления высокопрочных стальных деталей путем горячей обработки давлением при температурах в пределах от 300 до 1200°Е (от 149 до 649°С). Используемый материал должен иметь ферритно-перлитную структуру. В указанной публикации не содержится никакой информации о каких-либо особенностях процесса пластического формообразования. Из ΕΡ 0055436 известен способ уменьшения эффекта упругого восстановления формы листового металла при его механическом прессовании, предполагающий создание противодавления при обработке давлением. Создающий противодавление элемент в описанном в указанной публикации прессе должен прежде всего управлять позиционированием листового металла в прессе. Однако в этой публикации не содержится никакой информации ни о температурах, при которой выполняется обработка давлением, ни об обрабатываемом давлением материале.

Холодной обработке давлением можно подвергать стали обоих типов, при этом стали контролируемой прокатки при тех же значениях предела текучести проявляют большую пригодность к обработке давлением. Образование, соответственно подготовка кромок под сварку невозможны при холодной обработке давлением, поскольку для этого потребовалось бы развивать слишком высокие усилия. По этой причине создание экономичных прессов для изготовления деталей сложной геометрической формы невозможно.

- 3 016031

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать простой и быстрый в осуществлении способ обработки давлением, который позволял бы уменьшить износ штампа и обеспечивал бы более эффективное управление процессом обработки давлением при меньших затратах.

Указанная задача решается с помощью способа, заявленного в п.1 формулы изобретения.

Различные предпочтительные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Еще одна задача изобретения состояла в разработке устройства для осуществления вышеуказанного способа обработки давлением, которое обеспечивало бы возможность простого, быстрого и надежного проведения процесса обработки давлением, характеризовалось бы малым износом, работало бы с коротким тактом и позволяло бы снизить капиталовложения.

Указанная задача решается с помощью устройства, заявленного в п.8 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении устройства представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Хотя сталь при ее обработке давлением предлагаемым в изобретении способом и нагревают, однако, не подвергают никаким фазовым превращениям, т е. обработку давлением проводят при температуре, при которой сталь имеет ферритную, перлитную или бейнитную структуру. При этом не допускается повышение температуры ни сверх эвтектоидной температуры, ни сверх температуры рекристаллизации.

Предлагаемым в изобретении способом можно обрабатывать стали, структура которых остается стабильной до температур максимум 700°С.

К таким сталям наряду с подвергнутыми нормализующей прокатке сталями относятся прежде всего стали контролируемой прокатки, поскольку они обладают стабильной структурой. Такие стали допускают также релаксационный отжиг, проводимый примерно в том же интервале температур. При использовании подобных сталей должна быть исключена рекристаллизация в процессе их нагрева и последующей обработки давлением.

В матрице многофазных сталей помимо прочего присутствуют также мартенситные фазы. Однако для отпуска такого мартенсита требуется нагрев до столь высоких температур, при которых изменяются механические свойства стали.

Преимущество предлагаемого в изобретении способа состоит в возможности проведения процесса обработки давлением без образования окалины. В отличие от известных процессов обработки давлением, которые проводят при температурах 900°С и выше и которые сопровождаются образованием толстых слоев окалины, при обработке предлагаемым в изобретении способом на поверхности изделия образуются лишь тонкие оксидные пленки. При сравнении непротравленной горячекатаной полосы с деталями, изготовленными путем обработки давлением предлагаемым в изобретении способом, не заметно никаких различий во внешнем виде их поверхностей.

Благодаря этому появляется возможность объединенного выполнения нескольких стадий одним штампом, поскольку при обработке давлением предлагаемым в изобретении способом не образуется окалина, которая могла бы отрицательно повлиять на работоспособность штампа. Так, например, предлагаемый в изобретении способ регулируемой по температуре обработки давлением позволяет выполнять рассмотренный выше, известный из уровня техники двухстадийный процесс для образования четких скруглений как совмещенный процесс сдвоенной формообразующей обработки, выполняемой за один технологический переход. Хотя такой процесс и проводится при более низких по сравнению с горячей обработкой давлением температурах, тем не менее усилия прессования остаются на столь же низком уровне, поскольку в прессе обрабатывается только одна заготовка. Подобный процесс позволяет выполнять несколько стадий в одном штампе, а именно обработку давлением с фиксацией обрабатываемого изделия, осадку материала, образование кромок под сварку (чеканкой) и выталкивание готовой детали.

Экономию на издержках обеспечивают следующие факторы:

использование одного штампа для выполнения всех функций или операций;

снижение связанных с износом затрат благодаря оптимальным технологическим параметрам и сокращению количества штампов;

сокращение длительности такта благодаря возможности изготовления детали за один рабочий ход;

сокращение капиталовложений благодаря возможности использования более компактных печей, что позволяет сократить выбросы СО₂, а также благодаря отсутствию необходимости увеличивать усилие прессования, поскольку в штампе находится и обрабатывается только одна, а не две детали, и благодаря объединению всех функций в одном штампе, т.е. благодаря возможности упростить конструкцию пресса.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию графические материалы, на которых показано на фиг. 1 - схема, иллюстрирующая последовательность выполнения операций в предлагаемом в изобретении совмещенном процессе сдвоенной формообразующей обработки;

на фиг. 2 и 2а - конструкция предлагаемого в изобретении штампа двойного действия;

на фиг. 3 - графики, отражающие изменение усилий пластического формообразования в зависимо

- 4 016031 сти от температуры;

на фиг. 4 - график изменения температуры от начальной величины в 700°С при осуществлении предлагаемого в изобретении способа;

на фиг. 5 - график изменения температуры от начальной величины в 500°С при осуществлении предлагаемого в изобретении способа;

на фиг. 6 - график изменения скорости окисления железа на воздухе в функции температуры;

на фиг. 7 - график изменения твердости изделия из стали контролируемой прокатки из-за образования наклепа при сгибании на 180°;

на фиг. 8 - графики изменения твердости улучшенной стали (V) и стали контролируемой прокатки (ТМВА);

на фиг. 9 - графики изменения механических характеристик стали контролируемой прокатки в зависимости от температуры отжига;

на фиг. 10 - схема, иллюстрирующая изготовление деталей предлагаемым в изобретении способом в соответствии с первым вариантом его осуществления;

на фиг. 11 - схема, иллюстрирующая изготовление деталей предлагаемым в изобретении способом в соответствии со вторым вариантом его осуществления;

на фиг. 12 - схема, иллюстрирующая изготовление деталей предлагаемым в изобретении способом в соответствии с третьим вариантом его осуществления;

на фиг. 13 - схема, иллюстрирующая изготовление деталей предлагаемым в изобретении способом в соответствии с четвертым вариантом его осуществления;

на фиг. 14 - сопоставление стали контролируемой прокатки с подвергнутой иормализационному отжигу сталью;

на фиг. 15 - диаграмма, отражающая взаимосвязь между пределом текучести и углеродным эквивалентом для сталей разных марок и разных методов их обработки;

на фиг. 16 - диаграмма, иллюстрирующая процесс получения горячекатаной стали;

на фиг. 17 - структура горячекатаной стали, полученной разными методами;

на фиг. 18 - схема, иллюстрирующая последовательность выполнения операций в известном из уровня техники двухстадийном процессе;

на фиг. 19 - графики изменения температуры при горячей обработке давлением известными из уровня техники методами в процессе охлаждения изделия от начальной температуры в 940°С в сопоставлении с охлаждением на воздухе;

на фиг. 20 - графики изменения температуры при горячей обработке давлением известными из уровня техники методами в процессе охлаждения от начальной температуры в 940°С.

На фиг. 1 и 2 показана конструкция штампа. В зависимости от условий применения штампа его части могут быть выполнены охлаждаемыми.

В верхней части 7 штампа находятся пуансон 2, которым изготавливаемой детали придается необходимая форма, и чеканочные планки для образования скруглений небольшого радиуса и при необходимости для образования кромок под сварку. Пуансон 2 соединен с верхней частью 7 штампа набором 4 упругих элементов. В качестве упругих элементов в таком их наборе можно использовать стальные пружины, а также гидравлические амортизирующие/демпфирующие системы либо газонаполненные упоры (амортизаторы). В нижней части 11 штампа находятся вставка 3 матрицы, а также сама матрица 6. Для управления вставкой 3 матрицы также используется набор 5 упругих элементов, в качестве которых также могут применяться стальные пружины, а также гидравлические амортизирующие/демпфирующие системы либо газонаполненные упоры (амортизаторы).

Ниже рассмотрено изготовление детали выполнением совмещенного процесса сдвоенной формообразующей обработки.

Листовую заготовку 1, которой при необходимости придан близкий к окончательному контур, помещают, во-первых, на нижнюю часть 11 штампа и, во-вторых, на вставку 3 матрицы. При соприкосновении верхней части 7 штампа с листовой заготовкой 1 она зажимается между контактирующими с ней с обеих ее сторон верхней частью 7 штампа и вставкой 3 матрицы, и поэтому последующая обработка листовой заготовки 1 происходит в ее зафиксированном, а не незафиксированном состоянии. Тем самым удается также избежать прогиба нижней части заготовки в штампе. При дальнейшем пластическом деформировании заготовки (2-я операция) вставка 3 матрицы опускается под действием пуансона 2. При этом усилия упругих элементов в их наборах, передаваемые через пуансон 2 на вставку 3 матрицы, подобраны с таким расчетом, чтобы исключалось образование отпечатков на поверхности листовой заготовки 1. При выполнении 3-й операции изготавливаемая обработкой давлением деталь приобретает окончательную форму по достижении пуансоном 2 своей нижней мертвой точки. Одновременно вставка 3 упирается в матрицу 6, исключая необходимость передачи усилий пластического формообразования через набор 5 упругих элементов. Затем начинается сжатие упругих элементов в их пакете 4 в пуансоне 2, в ходе чего происходит образование скруглений и возможно кромок под сварку (4-я операция). После открытия штампа усилие упругих элементов, действующих на вставку 3 матрицы, используется для вы

- 5 016031 талкивания готовой детали с одновременным возвратом штампа в его исходное положение, которое он занимал перед выполнением 1-й операции.

Тем самым изготовление детали со скруглениями малых радиусов и/или образование ее кромок под сварку выполняется за один ход штампа или за один его рабочий цикл. Образование кромок под сварку позволяет в дальнейшем использовать детали для изготовления из них тех или иных более сложных изделий без необходимости подвергать кромку под сварку промежуточной обработке резанием.

Листовые заготовки в зависимости от свойств исходного материала, из которого они выполнены, можно нагревать до температуры в интервале от 500 до 700°С. На фиг. 3 показаны графики зависимости необходимых усилий пластического формообразования от температуры при изготовлении идентичных деталей. Из этих графиков следует, что по сравнению с регулируемой по температуре обработкой давлением горячая обработка давлением при 900°С требует вдвое меньших усилий прессования. Поскольку, однако, при проведении двухстадийного процесса горячей обработки давлением температура снижается до конечной величины, равной 700°С, необходимые усилия пластического формообразования также повышаются в 1,5 раза (линия -··-). Учитывая также тот факт, что в прессе одновременно находятся две заготовки, можно исходить из необходимости выполнения пресса аналогично прессу, который используется для регулируемой по температуре обработки давлением. Помимо этого при обработке давлением при 900°С имеет место повышенное трение. В то время как при меньших температурах расход энергии после первой стадии пластического формообразования снижается, сопротивление деформации при 900°С остается примерно постоянным, что позволяет сделать вывод о повышенном трении из-за наличия окалины на боковых стенках изготавливаемой детали. Этот эффект проявляется на 2-й стадии процесса обработки давлением, проиллюстрированного на фиг. 18.

На фиг. 4 показан график изменения температуры в ходе предлагаемой в изобретении регулируемой по температуре обработки давлением на примере обработки давлением при 700°С. Из этого графика следует, что, во-первых, изготовление детали происходило в одну стадию и что, во-вторых, максимальное снижение температуры составляет при этом лишь около 120°С. По сравнению с горячей обработкой давлением уменьшение начальной температуры обработки на примерно 240°С приводит к снижению конечной температуры лишь примерно на 100°С.

На фиг. 5 показан еще один пример. В этом случае температура листовой заготовки к началу ее обработки давлением составляла 500°С. Результаты анализа полученных данных свидетельствует о том, что снижение температуры донной части и боковых стенок изготавливаемой детали составляет менее 100°С, тогда как в зоне ее кромки, т.е. в месте воздействия чеканочных планок, температура деформирования снижается более чем на 150°С. Однако из-за наличия у детали определенной теплопроводности после открывания пресса происходит моментальное повышение температуры. На фиг. 6 показан график зависимости скорости окисления железа на воздухе от температуры. Приняв за исходное значение скорость окисления при 600°С, можно констатировать, что при 700°С скорость окисления возрастает в семь раз, а при 950°С - в 230 раз. Подобные соотношения величин наглядно иллюстрируют преимущества предлагаемой в изобретении регулируемой по температуре обработки давлением. Благодаря столь явно меньшему образованию оксидов на поверхности детали снижается износ штампа. Второй экономический эффект, проявляющийся в значительном сокращении издержек, состоит в сокращении длительности такта изготовления одной детали, поскольку периодическая очистка штампа требуется во много раз реже, соответственно необходимость в ней может полностью отсутствовать.

Обработка давлением предлагаемым в изобретении способом возможна лишь при соблюдении необходимого температурного режима в сочетании с выбором пригодного для такой обработки материала.

По сравнению с холодной обработкой давлением предлагаемый в изобретении способ позволяет изготавливать детали существенно более сложной геометрической формы. Подобная возможность обеспечивается за счет дополнительного пластического формоизменения материала в процессе его обработки давлением. Тем самым можно изготавливать детали с существенно меньшими внешними, а также наружными радиусами скруглений при сохранении исходного поперечного сечения исходного материала. Поэтому при неизменных механических свойствах материала изготовленная из него деталь способна выдерживать гораздо большие нагрузки благодаря возможности значительного увеличения моментов сопротивления. В соответствии с этим деталь при сохранении неизменной ее нагрузочной способности можно выполнять с меньшей толщиной стенки, а тем самым и с меньшей массой.

При традиционной же холодной обработке давлением материал утоняется в зоне его пластической деформации.

Как уже указывалось выше, скорость охлаждения после обработки давлением лишь незначительно влияет на механические свойства материала, тогда как при использовании подвергнутых нормализующей прокатке сталей скорость их охлаждения играет значительную роль в придании им требуемых механических свойств.

При соблюдении условий отжига в процессе обработки давлением предел текучести стали из-за ускорения процессов ее старения возрастает. Помимо этого возможно также образование выделений.

Изобретение допускает возможность кратковременного нагрева стали до температур, характерных,

- 6 016031 например, для газопламенной правки, аналогично нагреву исходного материала, если подобный нагрев выполняется в соответствии с условиями поставки металлических заготовок.

Обработке давлением предлагаемым в изобретении способом можно благодаря ее проведению в предусмотренном согласно изобретению интервале температур подвергать все те материалы, которые сохраняют свои свойства при их регулируемой по температуре термической обработке. Сказанное равным образом относится и к подвергнутым нормализующей прокатке сталям, если предпосылкой их применения является их специальная последующая обработка.

Предлагаемым в изобретении способом предпочтительно обрабатывать стали контролируемой прокатки, поскольку регулируемая по температуре обработка давлением позволяет повысить их и без того высокую пригодность к обработке давлением при комнатной температуре, а предлагаемый в изобретении способ можно дополнить стадиями осадки.

В отличие от холодной обработки давлением при регулируемой по температуре обработке давлением создается лишь незначительный наклеп, поскольку обработка давлением предлагаемым в изобретении способом проводится в интервале температур, в котором происходит релаксация материала, и поэтому устранение наклепа возможно без инкубационного периода. В результате происходит выравнивание внутренних напряжений. О создании меньшего наклепа при обработке давлением предлагаемым в изобретении способом свидетельствуют графики, приведенные на фиг. 7.

Предлагаемый в изобретении способ регулируемой по температуре обработки давлением не накладывает никаких ограничений на последующую обработку материала, такую как сварка или нанесение покрытий на поверхность. Предлагаемый в изобретении способ позволяет изготавливать сложные детали с высокими показателями прочности, не накладывая никаких ограничений на дальнейшую их обработку. Горячей обработке давлением можно подвергать, например, только подвергнутые нормализующей прокатке стали. Такие стали, о чем уже говорилось выше, из-за входящих в их состав легирующих элементов гораздо труднее поддаются сварке. Помимо этого из-за воздействия высокой температуры очистка поверхности изделий из подобных сталей сопряжена с существенно более высокими затратами.

Основным аргументом, говорящим против использования сталей контролируемой прокатки, является их чувствительность к воздействию высоких температур, до которых материал нагревается, например, при сварке. Однако современные стали контролируемой прокатки благодаря входящим в их состав легирующим элементам обладают исключительно высокими механическими свойствами и после сварки. Достигается это помимо прочего введением микролегирующих элементов в состав таких сталей. Высокодисперсные выделения в виде соединений подобных микролегирующих элементов с азотом или углеродом препятствуют образованию крупных зерен в зоне термического воздействия при сварке, поскольку подобные выделения связывают зерна по их границам и тем самым затрудняют их разрастание. Поэтому зона размягчения имеет очень узкие границы, как это показано справа на фиг. 8 (где сокращение ЗТВ означает зону термического воздействия, а сокращение НМ означает наплавленный металл). В обоих случаях снижение твердости одинаково, однако, у стали контролируемой прокатки зона размягчения существенно уже. Обусловлено это тем, что ниже точки А_С1 (эвтектоидная температура) не происходит размягчение материала, т.е. размеры зерен не изменяются. Выше точки А_С1 происходит превращение в аустенит, после чего начинается указанное выше образование крупных зерен.

У улучшенной же стали (V) зона размягчения существенно шире, поскольку даже при температуре ниже точки А_С1 происходят фазовые превращения. В этом случае проявляются эффекты отпуска, которыми тем самым обусловлено изменение механических свойств материала. Помимо этого из-за повышенного содержания углерода в улучшенной стали происходит также более интенсивное науглероживание в зоне перехода от расплавленного металла к зоне термического воздействия. Подобное повышенное содержание углерода в этой зоне крайне нежелательно при воздействии динамической нагрузки, поскольку такая зона аналогична металлургическому месту концентрации напряжений.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере нескольких вариантов его осуществления без указания в них конкретно выбранных материалов, поскольку предлагаемым в изобретении способом можно обрабатывать все описанные выше материалы.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет обрабатывать давлением стандартизированные стали при условии соблюдения условий отжига, аналогичных условиям релаксационного отжига. Однако при обработке давлением предлагаемым в изобретении способом необходимо избегать создания условий для рекристаллизации, поскольку она сопровождается снижением прочности стали. При обработке сталей, которые обладают высокой склонностью к отпуску, например, из-за наличия мартенситных фаз, возможно снижение прочности таких сталей.

Пример 1.

На фиг. 9 показан пример использования стали контролируемой прокатки для регулируемой по температуре обработки давлением. Образцы при этом нагревали в течение 15 мин до соответствующей температуры. Во всех случаях обеспечивался сквозной прогрев образцов. Затем образцы охлаждали на воздухе, в воде либо между двумя охлаждаемыми медными плитами. Результаты анализа полученных данных свидетельствует о том, что при нагреве вплоть до температуры 700°С механические свойства сталей, по меньшей мере, соответствовали исходным величинам. Повышение предела текучести объяс

- 7 016031 няется ускоренным старением. При температуре выше 700°С происходит изменение структуры, а именно начинается образование аустенита. В результате происходит размягчение стали контролируемой прокатки.

Для изготовления деталей описанным выше способом регулируемой по температуре обработки давлением можно использовать штампы разных конструкций. Помимо этого функции пружин, гидравлических амортизаторов и газонаполненных амортизаторов может выполнять и сам пресс. В зависимости от количества изготавливаемых изделий и требований к точности их изготовления штампы можно выполнить с водяным охлаждением. В отличие от упрочнения в водоохлаждаемых штампах в рассматриваемом случае охлаждение не должно происходить с такой же скоростью. Охлаждение необходимо для защиты штампа от термической нагрузки и сохранения тем самым его функций.

Общим для всех вариантов является упрощение технологического процесса, достигаемое за счет выполнения операций по обработке давлением и операций по образованию боковых кромок в одну стадию. При этом ни в одном из вариантов не требуется дополнительный выталкиватель, который мог бы повредить контур, соответственно поверхность детали. Одновременно с этим боковые зажимы на вставке матрицы предотвращают заклинивание детали на пуансоне. Такие зажимы раскрываются автоматически при открывании штампа или же могут быть снабжены гидравлической либо пневматической системой управления их раскрытием.

Пример 2.

Последовательность выполнения операций показана на фиг. 10.

Операция 1.

Перед началом обработки давлением листовую заготовку 1 зажимают между пуансоном 2 и вставкой 3 матрицы. Таким путем предотвращается смещение листовой заготовки. При обработке давлением традиционным методом пластическое формообразование из-за отсутствия вставки матрицы происходит в незафиксированном состоянии листовой заготовки, т.е. без ее направленного перемещения. При классической горячей обработке давлением отделяющаяся окалина может влиять на работоспособность вставки матрицы. Упругие элементы 4 и 5 находятся в предварительно сжатом состоянии.

Операция 2.

При обработке заготовки давлением она находится в зажатом состоянии. Упругий элемент 4 находятся в предварительно сжатом состоянии, а упругий элемент 5 сжимается пуансоном 2.

Операция 3.

Пуансон и вставка матрицы достигают нижней мертвой точки. В том случае, если образование (разделка) кромок под сварку, соответственно утолщение угловых участков не требуется, стадию 4 можно пропустить. Упругий элемент 1 находится в предварительно сжатом состоянии, упругий элемент 2 сжат пуансоном, а вставка 3 матрицы упирается в матрицу 6.

Операция 4.

При выполнении этой рабочей операции для сокращения издержек можно вне зависимости от метода сварки и необходимого для нее угла скоса кромок выполнять их разделку под сварку, используя соответствующий пуансон 7 с чеканочными планками 8. Одновременно с этим можно уменьшать внутренние и/или наружные радиусы скругления углов. Дополнительно на этом участке увеличивают толщину стенки. Упругий элемент 4 сжимается чеканочными планками, а упругий элемент 5 остается в неизменном положении.

Операция 5.

Вставка 3 матрицы одновременно служит для выталкивания готовой детали, и в этом положении на вставку матрицы можно помещать следующую листовую заготовку.

Преимущества:

использование вставки матрицы исключает обработку листовой заготовки давлением в незафиксированном состоянии;

формообразование (чеканочная обработка) кромок происходит лишь при нахождении изготавливаемой детали в своей нижней мертвой точке, т. е. при формообразовании кромок никакое количество материала не смещается в донную часть изделия, что позволяет уменьшить ход осадочного (чеканочного) пуансона по сравнению с уровнем техники (см. фиг. 18);

упрощенная конструкция штампа, т.е. для пуансона необходима лишь одна система упругих элементов;

малая стоимость штампа;

отсутствует необходимость предусматривать в штампе дополнительное управление в зависимости от положения.

Пример 3.

Последовательность выполнения операций показана на фиг. 11.

Операция 1.

Листовую заготовку 1 зажимают между матрицей 6 и пуансоном 2. В зависимости от особенностей изготавливаемой детали для зажима или фиксации листовой заготовки дополнительно можно использовать вставку матрицы (не показана). Р1, Р2 и Р3, см. пояснения на фиг. 11.

- 8 016031

Операция 2.

Деталь при отсутствии вставки матрицы подвергают обработке давлением в незафиксированном состоянии. Р1, Р2 и Р3 остаются без изменения.

Операция 3.

Пуансон 2 отводится назад под действием Р1. Чеканочные планки 8 входят в контакт с боковой стенкой 9. Р2 и Р3 остаются без изменения.

Операция 4.

Вся система, состоящая из пуансона, чеканочных планок и изготавливаемой детали, при том же их относительном положении, что и при выполнении операции 3, перемещается в сторону изгибающего элемента 9 до контакта с ним.

Операция 5.

Края 10 изготавливаемой детали соприкасаются с дном матрицы. Таким путем создается запас материала в донной части изготавливаемой детали. Р1, Р2 и Р3 находятся в тех же положениях, что и при выполнении операции 3.

Операция 6.

Верхняя часть 7 перемещается вниз, Р3 полностью сжимается. Р2 сжимается на эту же величину лишь частично. Тем самым обеспечивается вытеснение материала в углы без возникновения высокого трения в зоне боковых стенок изготавливаемой детали.

Операция 7.

Деталь осаживают при полном сжатии Р3.

Преимущества:

создание запаса материала в донной части изготавливаемой детали;

малый износ боковых стенок изготавливаемой детали;

требуется малая осадка при приложении давления к боковым стенкам изготавливаемой детали.

Пример 4.

Последовательность выполнения операций показана на фиг. 12.

Операция 1.

Листовую заготовку 1 зажимают между матрицей 6 и пуансоном 2. В зависимости от особенностей изготавливаемой детали для зажима или фиксации листовой заготовки дополнительно можно использовать вставку матрицы (не показана). Р1 и Р2, см. пояснения на фиг. 12.

Операция 2.

Деталь при отсутствии вставки матрицы подвергают обработке давлением в незафиксированном состоянии. Р1 и Р2 остаются без изменения.

Операция 3.

Донная часть изготавливаемой детали зажимается между пуансоном 2 и изгибающим элементом 9. Р1 и Р2 остаются без изменения.

Операция 4.

Р1 сжимается в результате опускания верхней части 7 штампа, при этом чеканочные планки 8 прижимают изготавливаемую деталь ее угловым участком к матрице 6. Р2 остается без изменения.

Операция 5.

Пуансон 2 и чеканочные планки 8 одновременно выдвигаются вниз и пластически деформируют изготавливаемую деталь. Р2 при этом сжимается. Преимущества:

простая конструкция штампа, т.е. для пуансона требуется только одна система упругих элементов; малая стоимость штампа;

отсутствует необходимость предусматривать в штампе дополнительное управление в зависимости от положения;

создание изгибающим элементом запаса материала в донной части изготавливаемой детали.

Пример 5.

Последовательность выполнения операций показана на фиг. 13.

Операция 1.

Листовую заготовку 1 зажимают между матрицей 6 и пуансоном 2. В зависимости от особенностей изготавливаемой детали для зажима или фиксации листовой заготовки дополнительно можно использовать вставку матрицы (не показана). Р1 и Р2, см. пояснения на фиг. 13.

Операция 2.

Операция 3.

Операция 4.

Пуансон 2 сохраняет свое положение за счет управляемого сжатия Р1. Верхняя часть 7 штампа опускается, при этом чеканочные планки 8 прижимают изготавливаемую деталь ее угловым участком к

- 9 016031 матрице. Е2 остается без изменения.

Операция 5.

Чеканочные планки выдвигаются на величину, соответствующую окончательному размеру изготавливаемой детали, а пуансон, перемещением которого относительно чеканочных планок управляет Е1, остается тем самым в постоянном положении. Е2 остается без изменения.

Операция 6.

Деталь подвергается окончательной осадке в результате выдвижения пуансона под действием Е1. При этом Е2 сжимается. Преимущества:

для верхней части штампа требуется только одна система упругих элементов;

малая стоимость штампа;

создание запаса материала в донной части изготавливаемой детали независимо от величины опускания чеканочных планок при осадке.

Преимущество предлагаемых в изобретении способа и устройства состоит в том, что они обеспечивают возможность выполнения эффективной, быстрой и надежной обработки давлением с фиксацией обрабатываемого изделия, включая осадку материала, образование кромок под сварку и выталкивание готовой детали, в одном штампе, при этом благодаря особому технологическому режиму, главным образом благодаря проведению процесса обработки давлением при низких температурах, удается снизить износ и сократить длительность такта, а также появляется возможность использования более компактных печей. Помимо этого уменьшается окалинообразование, что позволяет сократить объемы дополнительной обработки и создает возможность изготовления сложных деталей из КП-сталей, обладающих повышенной прочностью.

В качестве листовой стали для листовых заготовок можно использовать листовой металл без покрытия и листовой металл с покрытием.

В качестве покрытий пригодны электролитические цинковые покрытия или самые разнообразные цинковые покрытия, наносимые путем цинкования горячим способом, при необходимости с введением легирующих добавок, цинково-алюминиевые, соответственно алюмниниево-цинковые покрытия, алюминиевые покрытия, а также нанослои и т.д.

Claims

1. Способ обработки листовой стали давлением, при осуществлении которого из листовой стали изготавливают листовую заготовку, эту листовую заготовку помещают в штамп и из листовой заготовки в штампе в одну стадию изготавливают отштампованную деталь, при этом листовую заготовку перед обработкой давлением нагревают в режиме, исключающем фазовые превращения в стали, а обработку давлением проводят при температуре, при которой сталь имеет ферритную, перлитную или бейнитную структуру, не допуская повышение температуры сверх эвтектоидной температуры или сверх температуры рекристаллизации, отличающийся тем, что боковые стенки отштампованной детали подвергают чеканке, соответственно осадке чеканочными планками для образования скруглений малого радиуса и/или для увеличения толщины стенки на этом участке и/или для образования кромок под сварку, причем изготовление готовой детали выполняют за один рабочий ход штампа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве стали используют сталь, структура которой остается стабильной до температур максимум 700°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве стали используют подвергнутую нормализующей прокатке сталь, подвергнутую нормализационному отжигу сталь или сталь контролируемой прокатки.

4. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сталь нагревают до температуры в интервале от 400 до 800°С, предпочтительно от 600 до 750°С.

5. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что листовую заготовку помещают между верхней и нижней частями штампа, верхняя часть которого имеет пуансон, которым изготавливаемой детали придается требуемая форма, и дополнительно имеет чеканочные планки для образования скруглений малого радиуса и при необходимости для образования кромок под сварку, а нижняя часть имеет вставку матрицы, а также саму матрицу, при этом при соприкосновении верхней части штампа с листовой заготовкой она зажимается между контактирующими с ней с обеих ее сторон верхней частью штампа и вставкой матрицы и в таком зажатом состоянии подвергается последующей обработке давлением, а при дальнейшем пластическом деформировании листовой заготовки вставка матрицы опускается под действием пуансона, по достижении которым своей нижней мертвой точки изготавливаемая деталь приобретает окончательную форму, а вставка матрицы упирается в нее, после чего выполняют чеканочную обработку.

6. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве листовой стали для изготовления листовых заготовок используют листовую сталь с покрытием или без покрытия.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве листовой стали с покрытием используют электролитически оцинкованную листовую сталь, оцинкованную горячим способом сталь (листовую сталь,

- 10 016031 подвергнутую горячему цинкованию), листовую сталь с нанесенным погружением в расплав покрытием из цинка и алюминия или алюминия и цинка и при необходимости других металлов, листовую сталь с покрытием в основном из алюминия и кремния или листовую сталь с покрытием из цинка, полученным легированием стали.

8. Устройство для регулируемой по температуре обработки стальной листовой заготовки давлением, содержащее штамп, предназначенный для изготовления отштампованной детали из помещенной в него листовой заготовки и имеющий верхнюю часть (7) с чеканочными планками (8) для образования скруглений малого радиуса и при необходимости для образования кромок под сварку, пуансон (2), предназначенный для придания изготавливаемой детали требуемой формы, расположенный в верхней части (7) и соединенный с ней набором (4) упругих элементов, и нижнюю часть (11), в которой расположены вставка (3) матрицы и сама матрица (6) и в которой для управления вставкой (3) матрицы предусмотрен второй набор (5) упругих элементов.

9. Устройство по п.8, в котором упругие элементы в их наборах (4, 5) представляют собой металлические пружины, прежде всего стальные пружины, гидравлические амортизирующие или демпфирующие системы либо газонаполненные амортизаторы.

10. Устройство по п.8 или 9, в котором в донной части матрицы предусмотрен изгибающий элемент (9).