§ 16. ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОВКИ
Для изготовления поковок в качестве исходного материала применяются углеродистые и легированные конструкционные и инструментальные стали. Кроме того, применяются и стали с особыми физическими свойствами.
В кузнечные цехи сталь поступает в виде слитков или прокатанных заготовок (сортового материала).
Слитки используются для изготовления крупных поковок преимущественно под ковочными прессами, а прокатанные заготовки — для более мелких поковок.
Качество исходного материала предопределяет качество поковки. Чтобы знать качество исходного материала, кузнец обязан хорошо представлять себе строение и структуру металла, его пороки и причины их возникновения.
Строение слитка
Сталь, выплавленную в печи, выливают в ковш, а затем в металлические формы, которые называются изложницами. В изложницах сталь обычно затвердевает при температуре около 1500° С (в зависимости от марки). После того, как слитки станут твёрдыми, их извлекают из изложниц и отправляют на прокатку или на ковку.
Если слиток разрезать в продольном направлении, поверхность разреза прострогать, затем прошлифовать и протравить специальным реактивом, то получим макрошлиф слитка (фиг. 21). На этом макрошлифе даже простым глазом можно легко увидеть, что строение слитка по высоте и по сечению неодинаковое.
Теория строения слитка была впервые разработана великим русским металлургом — учёным Д. К. Черновым (1878 г.).
Для того чтобы познакомиться со строением и недостатками слитка, проследим процесс затвердевания стали в изложницах. Предположим, что в изложницу залита сталь с содержанием 0,4 % углерода. По диаграмме состояния (см. фиг. 20) температура стали, только что залитой в изложницу, соответствует точке а; в промежутках между точками a0 и a сталь охлаждается. В точке a1 начинается затвердевание стали, которое будет происходить в интервале температур точек a1 и a2. В точке a2 затвердевание стали заканчивается, и ниже её сталь будет охлаждаться, будучи уже твёрдой.
Вследствие большой разницы в температурах жидкой стали (1500°) и стенкой изложницы в первый момент после заливки на поверхности стального слитка образуется тонкая мелкокристаллическая корка 4 (фиг. 21). Когда стенки изложницы разогреются, охлаждение, а следовательно, и затвердевание стали происходят более медленно. Сталь затвердевает в виде продолговатых кристаллов 5, называемых дендритами, растущих в направлении, перпендикулярном стенкам изложницы. Ближе к середине слитка 6 направление кристаллов перепутывается. Чем ближе к центру слитка, тем крупнее становятся кристаллы. В верхней части слитка расположена так называемая усадочная раковина 7. Под усадочной раковиной находится усадочная рыхлость 8.
Усадочная раковина (пустота) образуется вследствие того, что верхние слои металла быстро охлаждаются и образуют твёрдую корку. Внутренние слои остаются более продолжительное время жидкими и по мере остывания сокращаются в объёме; верхняя же твёрдая корка не может опускаться вниз по мере усадки металла, поэтому под поверхностной коркой, т. е. в верхней части слитка, образуется пустота (усадочная раковина).
Усадочная рыхлость является как бы продолжением усадочной раковины; металл в месте усадочной рыхлости содержит очень много пор.
Если произвести химическое исследование состава стали слитка в разных местах по его сечению, то обнаружится, что содержание углерода, фосфора, серы и других примесей будет различно, а именно: ближе к центру слитка примесей будет больше, чем в наружных слоях слитка; в верхних же частях слитка больше, чем в нижних. Это явление называется ликвацией (сегрегацией). Ликвация примесей объясняется тем, что не весь слиток застывает сразу: прежде застывают более чистые, а следовательно, и более тугоплавкие частицы металла; частицы металла, содержащие больше примесей, а также остатки шлаковых включений, затвердевающие при более низкой температуре, оттесняются в центр и вверх слитка и застывают в последнюю очередь и, таким образом, скопляются под усадочной раковиной. Следовательно, металл слитка, находящийся ближе к поверхности, всегда чище, чем металл в центре слитка.
При застывании стали из неё выделяются газы, которые, не успев вовремя выйти, остаются в загустевшей массе металла и образуют так называемые газовые пузыри. При прокатке или проковке слитка газовые пузыри часто завариваются, но незаваренные остаются в слитке. При ковке-прокатке слитка незаваренные пузыри образуют трещины или волосовины, которые ослабляют прочность изделий, а иногда вызывают и брак.
Шлаковые включения в момент застывания стали застревают в ней, а при ковке или прокатке вытягиваются в виде нитей по направлению вытяжки, либо раздробляются на более мелкие частички. Шлаковые включения служат причиной образования мелких трещинок, волосовин и нередко приводят к браку изделий.
Плены получаются на поверхности слитка при заливке стали в изложницу. Жидкий металл, ударяясь о дно изложницы, разбрызгивается. Брызги в виде больших и малых капель прилипают к стенкам и застывают. Поверхность их окисляется. Расплавленная сталь при дальнейшей заливке полностью не сваривается с затвердевшими каплями, которые остаются на поверхности, образуя плены.
Трещины образуются в процессе застывания металла и возникновения в нём внутренних напряжений. Неглубокие поверхностные трещины вырубаются. При обнаружении же глубоких трещин слиток бракуется.
В слитках различают три части: верхнюю прибыльную часть 1 (см. фиг. 21), среднюю — тело слитка 2 и нижнюю — поддонную часть 3. Прибыльную и поддонную части слитка при ковке отрубают, потому что металл в нижней и верхней частях слитка недоброкачественный. Обычно вес удаляемой верхней части слитка составляет 20–25 %, а нижней части 5–10 % веса слитка.
На поковку используется только средняя часть слитка, так как только эта часть считается пригодной: средняя часть составляет 60–68 % общего веса слитка. Но и эта средняя, пригодная, часть слитка также может иметь поверхностные недостатки, которые должны быть удалены до начала ковки. К таким недостаткам относятся плены, трещины, заливы, посторонние тела (песок, шлак и т. д.). Если их не удалить, то при ковке они будут закованы в изделие, что понизит его качество либо повлечёт за собой брак поковки.
Формы и размеры слитков
Отливаемые слитки имеют вид круглых, квадратных, прямоугольных и многогранных. Форма и поперечное сечение слитка зависят от его назначения, размера, сорта стали и дальнейшей обработки, т. е. в зависимости от того, для чего предназначен слиток: для ковки или прокатки.
Как правило, для кузнечных цехов слитки большого размера отливаются в виде многогранных и чаще всего восьмигранных. Слитки небольшого размера, особенно из качественных и высококачественных сталей, отливаются в виде квадратных или круглых. Размеры и вес слитков, предназначенных для ковки, зависят от веса изготовляемых поковок и мощности имеющегося ковочного оборудования. По весу слитки бывают самые разнообразные, начиная от нескольких десятков килограммов и кончая 350 т.
В приложении 1 приводятся примерный вес и размеры слитков, отливаемых на одном из машиностроительных заводов Советского Союза. Чтобы получить в кузнечном производстве поковки повышенного качества, необходимо изготовлять их из слитков, имеющих меньший вес, по следующим причинам:
1) степень ликвации, т. е. количество шлаковых включений и газовых пузырей, с уменьшением веса слитка уменьшается;
2) слой наружного, более однородного и здорового металла по отношению к сечению слитка у слитков, имеющих меньший вес, будет толще;
3) чем легче слиток, тем меньше получается в металле внутренних напряжений при затвердевании (охлаждении) стали в изложницах.
Обжатые, прокатанные и прессованные заготовки
Для кузнечных работ применяются обжатые, прокатанные и прессованные заготовки. Обжатые заготовки (блюмсы) получают прокаткой слитков на обжимных станах (блюмингах); прокатанные заготовки на прокатных сортовых станах и прессованные заготовки на горизонтальных прессах. Прессованные заготовки изготовляются только из цветных сплавов (латунь, дюралюминий) обычно круглого сечения. Крупные обжатые и прокатанные заготовки имеют в поперечном сечении неодинаковое строение: в середине — крупнозернистое, а ближе к поверхности — мелкозернистое. Такое строение сохраняется от первоначального слитка. В слитке кристаллы расположены по всем направлениям; в заготовке же кристаллы вытянуты по направлению прокатки, т. е. по длине заготовки.
В настоящее время для кузнечных работ применяются обжатые и прокатанные заготовки следующих профилей (фиг. 22): 1) обжатая блюмингом болванка; 2) сортовая прокатанная заготовка круглого и квадратного сечений; 3) сортовой полосовой прокатанный материал; 4) толстолистовой материал; 5) прокатанные фасонные профили. Крупные обжатые заготовки (блюмсы) имеют форму квадрата (фиг. 22, а) с вогнутыми гранями и закруглёнными углами. Размеры сторон а блюмсов изменяются в пределах от 140 до 450 мм. Заготовки круглого сечения изготовляются размерами d от 5 до 200 мм (фиг. 22, б).
Сортовые прокатанные квадратные заготовки изготовляются с закруглёнными углами и с прямыми углами; размер сторон а первых от 50 до 250 мм (фиг. 22, в), с прямыми углами от 5 до 100 мм. Торговая длина круглой и квадратных заготовок 4–6 м. Фасонные профили (фиг. 22, г, д, е, ж, з, и, к, л, м, н, о) применяются в основном для штамповки, упрощают штамповку и резко снижают стоимость изготовления изделий.
Заготовки, поступающие в кузнечный цех в виде слитков или проката, должны, как правило, сопровождаться специальными документами — сертификатами, в которых указываются: марка стали, номер плавки, химический состав, размер штанг, вес партии, номер стандарта (ГОСТ), результаты испытаний, предусмотренных ГОСТ для стали данной марки. На конце каждой штанги стали толщиной более 30 мм заводом-изготовителем должны быть поставлены клейма: марка стали, номер плавки и клеймо отдела технического контроля (ОТК). Эти клейма обычно ставятся на боковой поверхности или на её торце. Завод-изготовитель, независимо от клеймения, должен окрасить торцы штанг крупных размеров или концы штанг мелких размеров в установленные цвета, перечисленные в табл. 3 и 4.
| Марка стали | Цвет | Марка стали | Цвет |
|---|---|---|---|
| 10 | Белый + чёрный | 15Г | Коричневый + синий |
| 15 | Белый + синий | 45Г2 | Коричневый + розовый |
| 20 | Белый + зелёный | 50Г | Коричневый + красный |
| 25 | Белый + зелёный | 55Г2 | Коричневый + красный |
| 30 | Белый + жёлтый | 60Г | Коричневый + фиолетовый |
| 35 | Белый + жёлтый | 65Г | Коричневый + фиолетовый |
| 40 | Белый + розовый | ||
| 45 | Белый + розовый | ||
| 50 | Белый + красный |
| Марка стали | Цвет (полоса) | Цвет (кольцо) |
|---|---|---|
| 15Х | Зелёный | Синий |
| 20Х | Зелёный | Зелёный |
| 30Х | Зелёный | Жёлтый |
| 35Х | Зелёный | Жёлтый |
| 40Х | Зелёный | Розовый |
| 45Х | Зелёный | Розовый |
| 15ХФ | Фиолетовый + зелёный | Синий |
| 20ХН | Синий + зелёный | Синий |
| 40ХН | Синий + зелёный | Розовый |
| 12ХН2 | Синий + зелёный | Синий |
| 12НХ3 | Синий + зелёный | Синий |
| 15ХА | Зелёный | Белый + синий |
| 38ХА | Зелёный | Белый + жёлтый |
| 30ХМА | Розовый + зелёный | Белый + жёлтый |
| 12ХН2А | Синий + зелёный | Белый + синий |
| 42ХН3А | Синий + зелёный | Белый + синий |
| 18ХН3А | Синий + жёлтый + зелёный | Белый + зелёный |
| 20ХН3А | Синий + зелёный | Белый + зелёный |
Вопросы для повторения
1. Что такое ковка?
2. На какие виды подразделяется ковка по способу изготовления поковок?
3. Что называется сталью?
4. Какая сталь называется инструментальной и какие из неё изготовляются поковки?
5. Как обозначаются химические элементы, из которых состоит сталь?
6. Как обозначаются элементы стали, принятые в стандартах для её маркировки?
7. Физические, механические и технологические свойства стали.
8. Что такое ковкость стали и от чего она зависит?
9. Что такое теплоёмкость?
10. Чему равен удельный вес стали?
11. Что называется прочностью стали?
12. Что такое твёрдость стали?
13. Что такое вязкость стали?
14. Что такое свариваемость стали?
15. Что такое закаливаемость стали?
16. Как влияют на свойства стали углерод, кремний, марганец и другие элементы, входящие в состав стали?
17. Что называется красноломкостью стали и от чего она получается?
18. Что называется холодноломкостью стали и от чего она получается?
19. На какие группы подразделяется сталь по химическому составу?
20. На какие группы подразделяются стали по назначению?
21. Конструкционные углеродистые стали, их обозначение.
22. Как обозначаются конструкционные качественные стали?
23. Как обозначаются инструментальные углеродистые стали?
24. Как обозначаются высококачественные инструментальные стали?
25. Как обозначаются конструкционные легированные и высоколегированные стали? Что такое структура стали?
26. По диаграмме, приведённой на фиг. 20, расскажите, как будет изменяться структура стали марки Ст. 7 (с содержанием углерода 0,6 %) при её нагревании от температуры 20° С до температуры плавления и, наоборот, при её охлаждении от температуры плавления до температуры 20° С.
