Wykonywanie odkuwek tytanu GR5 w procesie kucia na prasie hydraulicznej i kuciu młotkowym
Przedmowa
Stop tytanu GR5 ma dobre wszechstronne właściwości i może być stosowany w przemyśle lotniczym, petrochemicznym, inżynierii morskiej, transporcie i innych dziedzinach. Wraz z szybkim rozwojem chińskiego przemysłu lotniczego rośnie również zapotrzebowanie na odkuwki ze stopu tytanu GR5. Dlatego też badania odkuwek ze stopów tytanu GR5 mają ogromne znaczenie.
Kucie to specjalna technologia przetwarzania, która może znacznie poprawić wytrzymałość i twardość materiałów metalowych. Ma zalety wysokiej wydajności produkcji, niskich kosztów produkcji i dobrej jakości produktu. Wraz z rozwojem i postępem technologii kucia, stale rozwija się także technologia kucia. i doskonałość.
W ostatnich latach odkuwki ze stopów tytanu są coraz szerzej stosowane w przemyśle lotniczym, a wymagania dotyczące ich wydajności stają się coraz wyższe. Przygotowanie wysokiej jakości odkuwek ze stopu tytanu GR5 o wysokiej wydajności stało się pilnym problemem w branży lotniczej.
Proces produkcji odkuwek ze stopów tytanu
Stop tytanu to materiał metaliczny o doskonałych wszechstronnych właściwościach. Ze względu na niską gęstość, wysoką wytrzymałość właściwą i dobrą odporność na korozję jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, inżynierii morskiej i innych dziedzinach. Obecnie procesy produkcyjne stopów tytanu obejmują głównie kucie i odlewanie, przy czym kucie dzieli się na kucie na zimno i kucie na gorąco.
Kucie na zimno wykorzystuje młotek do kucia, który uderza pionowo w odkuwki ze stopu tytanu w temperaturze pokojowej, powodując powolny i równomierny przepływ metalu wzdłuż odkuwki, tworząc jednolitą mikrostrukturę wewnątrz odkuwki. Zaletami kucia na zimno są proste wyposażenie, szeroki zakres temperatur kucia, odpowiedni do produkcji masowej i niski koszt produkcji; wadami są skomplikowany proces kucia, duża odporność na odkształcenia i długi czas kucia.
Kucie na gorąco odnosi się do powstawania dużej liczby mikrostruktur i defektów strukturalnych, takich jak martenzyt, ferryt itp., wewnątrz odkuwki poprzez wytłaczanie na gorąco, kucie izotermiczne, normalizowanie izotermiczne i inne procesy. Zaletami odkuwek na gorąco jest prostota wyposażenia i zdolność do wytrzymywania dużych sił odkształcania i temperatur odkształcenia; wadami są długie cykle produkcyjne i niska wydajność produkcji.
Podczas procesu kucia stop tytanu GR5, ze względu na odmienny od tradycyjnych materiałów metalowych współczynnik rozszerzalności cieplnej, charakteryzuje się szerokim zakresem temperatur kucia i dobrymi właściwościami obróbki na gorąco.
Dlatego też odkuwki ze stopu tytanu GR5 są zazwyczaj produkowane poprzez kucie. Aby zapewnić jakość odkuwek ze stopu tytanu GR5, przed kuciem za pomocą prasy na ogół podgrzewa się je do zakresu temperatur procesowych.
Obecnie istnieją dwie główne metody kucia stopów tytanu na gorąco: jedna polega na umieszczeniu odkuwki w piecu grzewczym i podgrzaniu go do temperatury procesu przed kuciem; drugim jest kucie na gorąco stopu tytanu poprzez kucie matrycowe na gorąco. Wśród nich kucie matrycowe na gorąco odnosi się do metody, w której stop tytanu podgrzany do temperatury procesu jest umieszczany w formie i formowany w formie.
Zaletami kucia matrycowego na gorąco są mała odporność na odkształcenia i równomierne odkształcenia, co może zmniejszyć wady wewnętrzne odkuwek oraz poprawić jakość i wydajność odkuwek; wadą jest to, że wymaga dużej dokładności wymiarowej i dokładności kształtu odkuwek.
Istnieją trzy główne metody kucia matrycowego stopów tytanu na gorąco: jedna to kucie ciągłe, w którym wykorzystuje się maszyny do ciągłego kucia odkuwek, co jest również obecnie najpowszechniej stosowaną metodą; drugim jest kucie półciągłe, co oznacza, że odkuwki obracają się w formie, ale nie mogą. Wykonuje się kucie ciągłe; trzecia to kucie swobodne, to znaczy w procesie kucia nie wykonuje się obrotu, ale odkuwkę można wyginać.
Obserwacja i analiza organizacyjna
Obserwując strukturę metalograficzną odkuwek ze stopu tytanu GR5 można zauważyć, że struktura zgrubna po odkuciu to prawie okrągły martenzyt kolumnowy + niewielka ilość austenitu szczątkowego, natomiast struktura odkuwki to prawie okrągły martenzyt kolumnowy + niewielka ilość austenitu szczątkowego. Istnieje wyraźna różnica pomiędzy obydwoma korpusami, a półfabrykat po kuciu wykazuje duży skurcz boczny, co powoduje różnicę w wielkości bocznej odkuwki.
Podczas procesu kucia, ze względu na wysoką temperaturę prasy hydraulicznej, stop wysokotemperaturowy ulega szybkiemu nagrzaniu do temperatury powyżej 1000 stopni, co powoduje nadmierną prędkość nagrzewania kucia, niewystarczające hartowanie i utlenianie powierzchni.
Jednocześnie nadmierna temperatura kucia prowadzi również do nadmiernych odkształceń podczas procesu kucia na prasie hydraulicznej, a podczas późniejszego nagrzewania następuje utlenianie i odwęglenie. Te dwie przyczyny powodują duże różnice w wymiarach bocznych odkuwek.
Analiza mikrostruktury odkuwek wskazuje, że szybkość chłodzenia w procesie kucia jest stosunkowo duża, natomiast szybkość chłodzenia półfabrykatu po kuciu maszynowym hydraulicznym jest stosunkowo mała. Nadmierny wzrost temperatury w procesie kucia powoduje duże różnice w wymiarach poprzecznych odkuwek. Jednocześnie w procesie kucia ziarna odkuwki również rozrastają się w różnym stopniu.
Ze względu na dużą szybkość chłodzenia półwyrobu po kuciu, wielkość ziaren odkuwki jest bardzo zróżnicowana. Uziarnienie odkuwki w procesie kucia jest znacznie większe niż uziarnienie półwyrobu po kuciu na maszynie hydraulicznej; mikrostruktura powstająca podczas procesu kucia jest głównie prawie okrągła i kolumnowa. Martenzyt + niewielka ilość austenitu szczątkowego; w procesie kucia ziarna odkuwki są grube i nierównomiernie rozłożone.
Stop tytanu GR5 ze względu na wysoką temperaturę kucia charakteryzuje się dużą wytrzymałością i twardością w temperaturze pokojowej, natomiast temperatura kucia jest zbyt niska, co skutkuje niewystarczającą zdolnością do odkształcenia plastycznego, niedostatecznym hartowaniem i utlenianiem.
Ponadto, ze względu na wysoką temperaturę nagrzewania prasy hydraulicznej, podczas kucia następuje utlenianie, a na powierzchni gotowego kutego półwyrobu pojawia się zgorzelina tlenkowa.
Eksperyment z właściwościami rozciągającymi
Na właściwości rozciągające stopu tytanu GR5 w temperaturze pokojowej wpływa wiele czynników, w tym skład stopu, wielkość ziaren, szybkość odkształcania, stopień odkształcenia itp.
Po pierwsze, średnica odkuwek jest z reguły mniejsza niż prętów walcowanych na gorąco. Temperatura odkształcenia jest niższa podczas nagrzewania kucia i trudno jest kontrolować stopień odkształcenia podczas procesu odkształcania. Dlatego na właściwości rozciągające odkuwek duży wpływ ma materiał podstawowy i proces kucia. W tych samych warunkach właściwości rozciągające stopu tytanu GR5 kutego na prasie hydraulicznej są lepsze niż stopu kutego młotkiem, jednak podczas kucia kucia młotkowego pojawia się kluczowy problem – odkształcenie przy ściskaniu na gorąco.
Ponieważ podczas procesu kucia na prasie hydraulicznej występuje pewien stopień nagrzewania i chłodzenia, temperaturę odkształcenia i szybkość odkształcania można lepiej kontrolować podczas obróbki cieplnej, zapewniając w ten sposób wyższą plastyczność. Ze względu na niższą temperaturę nagrzewania i większą szybkość chłodzenia podczas kucia młotkowego, plastyczność odkuwek nie jest tak dobra jak odkuwek na prasie hydraulicznej.
W tych samych warunkach kucie może znacznie poprawić właściwości rozciągające stopu tytanu GR5 w większym stopniu niż kucie młotkowe. W przypadku odkuwek ze stopu tytanu GR5 o tych samych specyfikacjach właściwości rozciągające przy odkuwaniu w prasie hydraulicznej są lepsze niż w przypadku kucia kucia młotkowego; w tych samych warunkach kucie kucie młotkowe może znacznie poprawić właściwości rozciągające stopu tytanu GR5 niż kucie w prasie hydraulicznej.
Gdy granica plastyczności jest taka sama, właściwości rozciągające stopu tytanu GR5 kutego na prasie hydraulicznej po kuciu są lepsze niż stopu tytanu GR5 kutego młotkiem. Dzieje się tak, ponieważ odkuwki na prasie hydraulicznej mają małe wewnętrzne naprężenia szczątkowe ze względu na takie czynniki, jak małe odkształcenie, niska temperatura odkształcenia i powolne tempo odkształcania; a właściwości rozciągające stopu tytanu GR5 kutego młotkiem po kuciu są lepsze niż po kuciu na prasie hydraulicznej.
Dzieje się tak dlatego, że podczas kucia młotkiem kuźniczym w procesie kucia i kucia powstają duże naprężenia własne, które powodują duże naprężenia rozciągające wewnątrz materiału, co skutkuje dużymi odkształceniami plastycznymi materiału; podczas kucia na prasie hydraulicznej, podczas procesu kucia Metal znajduje się w stanie sypkim i nie ma naprężeń własnych wewnątrz materiału, co zapewnia stopień odkształcenia plastycznego materiału.
Analiza wyników badań mechanicznych
Wartość wytrzymałości i wydłużenie próbki stopu tytanu GR5 po kuciu na prasie hydraulicznej jest większa niż po kuciu młotkiem kuźniczym. Dzieje się tak dlatego, że w procesie kucia wewnątrz odkuwki powstaje duża ilość domieszek, których obecność powoduje odkształcenie stopu tytanu GR5. Ciężka rekrystalizacja.
Podczas walcowania, ze względu na duży nacisk walcowania, widoczne jest zjawisko koncentracji naprężeń. Niektóre domieszki są wytłaczane do wnętrza stopu tytanu GR5 i tworzą na granicach ziaren gruboziarnistą fazę bogatą w Ti, co powoduje wytworzenie dużej ilości energii wewnątrz odkuwki. Dyslokacje i wakaty stwarzają warunki do dalszej deformacji stopu tytanu GR5.
Wartość wytrzymałości próbki stopu tytanu GR5 po kuciu młotkiem kuźniczym jest niższa niż próbki po kuciu na prasie hydraulicznej. Dzieje się tak dlatego, że podczas kucia młotkowego wewnątrz odkuwki powstaje duża liczba dyslokacji i wakatów, a na granicach ziaren tworzą się drobne cząstki. Faza bogata w Ti powoduje wyraźną rekrystalizację stopu tytanu GR5.
Można zauważyć, że charakterystyka pękania próbki stopu tytanu GR5 po kuciu młotkiem kuźniczym to: głównie pękanie plastyczne, uzupełnione miejscowym pękaniem kruchym.
Dzieje się tak na skutek wysokiego ciśnienia kucia podczas kucia młotkowego, które powoduje, że niektóre domieszki tworzą na granicach ziaren gruboziarniste fazy bogate w Ti. Jednocześnie w procesie kucia młotkowego powstaje duża liczba dyslokacji i wakatów, powodując oczywiste zmiany w stopie tytanu GR5. zjawisko rekrystalizacji.
Ze względu na niską temperaturę kucia i dużą prędkość kucia podczas kucia młotkowego, wewnątrz materiału powstaje duża liczba źródeł pęknięć, porów i innych wadliwych elementów, co powoduje wyraźną rekrystalizację stopu tytanu GR5.
Perspektywy zastosowań i kierunki rozwoju
Stop tytanu GR5 jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, sprzęcie medycznym, transporcie i innych dziedzinach ze względu na jego doskonałe wszechstronne właściwości. Zwłaszcza w przemyśle lotniczym głównym materiałem stał się stop tytanu GR5.
Stop tytanu GR5 ma zalety niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości właściwej i sztywności właściwej, odporności na wysoką temperaturę i odporności na korozję. Jest szeroko stosowany do produkcji kluczowych części konstrukcyjnych, takich jak wirniki samolotów, ogony, ramy wzmacniające kadłub oraz główne i pomocnicze zbiorniki paliwa.
Ponieważ stop tytanu GR5 ma większą wytrzymałość i plastyczność w temperaturze pokojowej, podczas kucia wymagana jest obróbka przesycająca, aby poprawić jego właściwości. Jednakże struktura stopu tytanu GR5 będzie w procesie kucia rozkładać się nierównomiernie, a w procesie chłodzenia utworzy się faza gruboziarnista, co spowoduje pogorszenie właściwości mechanicznych stopu.
W celu ulepszenia struktury odkuwki stopu tytanu GR5 obecnie powszechnie stosuje się dwie metody: jedna polega na wykonaniu obróbki roztworem stałym przed kuciem, np. kucie matrycowe na gorąco w prasie hydraulicznej; drugim jest obróbka roztworem stałym podczas procesu kucia, np. kucie, kucie młotkowe.
W rzeczywistej produkcji, ze względu na złożony sprzęt do kucia młotkowego, trudną obsługę i wysokie koszty produkcji, obecnie częściej stosowanym procesem jest kucie matrycowe na gorąco w prasie hydraulicznej.
W porównaniu z kuciem matrycowym na gorąco w prasie hydraulicznej, jakość powierzchni odkuwek młotkowych została znacznie poprawiona, ziarna są drobniejsze i bardziej jednolite, a do produkcji można stosować matryce do kucia matrycowego o dużej średnicy. Jednakże wydajność produkcji kucia odkuwek młotkowych jest niska, a koszty produkcji wysokie. Nie zastąpił całkowicie procesu kucia matrycowego na gorąco w prasie hydraulicznej.
W przyszłości, wraz z rozwojem technologii kucia kucia młotkowego oraz badaniami nad technologią i urządzeniami kuźniczymi, można przewidywać, że wydajność produkcji i jakość kucia odkuwek młotkowych ulegnie znacznej poprawie.
W rzeczywistej produkcji, ponieważ w procesie kucia będzie generowana duża ilość ciepła, siły i obciążenia udarowego, konieczne jest zbadanie wpływu kucia izotermicznego na strukturę, właściwości mechaniczne i trwałość mechaniczną odkuwek poprzez eksperymenty z symulacją termiczną oraz uzyskać odpowiednie parametry procesu zapewniające odpowiednią jakość odkuwek.
Ze względu na wysoką wydajność produkcji i niskie wymagania sprzętowe procesu kucia młotkowego, w przyszłości możemy podjąć próby wykorzystania odkuwek młotkowych do produkcji kluczowych elementów konstrukcyjnych w przemyśle lotniczym i innych dziedzinach, takich jak ogony samolotów, główne i pomocnicze zbiorniki paliwa, ramy wzmacniające kadłub i inne kluczowe części konstrukcyjne. W przypadku niektórych dużych odkuwek stosowanych w powszechnym użytku cywilnym, ze względu na ich duże rozmiary, trudno jest je wyprodukować w procesie kucia młotkowego.
Opinia autora
Wraz z rozwojem przemysłu lotniczego i kosmicznego w moim kraju wymagania jakościowe dla odkuwek ze stopów tytanu są coraz wyższe, a proces kucia jest również jednym z ważnych czynników wpływających na jakość odkuwek.
Jednak wraz z rozwojem pras hydraulicznych i młotów kuźniczych w naszym kraju ich zastosowania stają się coraz bardziej powszechne. Ponieważ jednak cena młotów kuźniczych jest stosunkowo wysoka, a proces kucia jest złożony, większość krajowych firm z branży lotniczej woli wybierać prasy hydrauliczne do kompletowania produktów. Produkcja, ale wraz ze wzrostem liczby pras hydraulicznych, znacznie poprawiono także proces kucia i jakość.
Jednocześnie, dzięki możliwości dostosowania parametrów kucia do potrzeb w trakcie procesu kucia, proces kucia staje się coraz bardziej elastyczny. Jednak obecnie chińska technologia i sprzęt do pras hydraulicznych nie są w stanie w pełni spełnić wymagań dotyczących odkuwek w przemyśle lotniczym. Dlatego rozwój branży lotniczej wymaga kucia. Wzrośnie również zapotrzebowanie na technologię.
Bibliografia
1. Yao Weidong: Badania procesu kucia i właściwości mikrostrukturalnych odkuwek ze stopu tytanu GR5. „Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics”, 2017, 18 (01): 1036-1037.
2. He Xiaolin: Badania zachowania się odkuwek ze stopów tytanu podczas pracy na gorąco w procesie kucia. „Chiny Kucie”, 2015 (11): 59-60.
3. Wei Guoli: Obecna sytuacja i tendencje rozwojowe w produkcji odkuwek ze stopów tytanu na dużą skalę w moim kraju. „Technologia Ochrony Materiału”, 2018 (05): 23-26.
