Таблицы температур ковки и прокатки сталей

1. Введение

Процессы горячей обработки металлов давлением, такие как ковка и прокатка, являются ключевыми технологиями в металлургии и машиностроении. Для достижения оптимальных результатов при обработке различных сталей необходимо строго соблюдать рекомендованные температурные интервалы, которые зависят от химического состава и структуры металла.

Температурный интервал горячей обработки определяется двумя критическими значениями: температурой начала и температурой конца обработки. Верхняя граница обеспечивает достаточную пластичность металла для деформации, а нижняя граница определяет минимальную температуру, при которой еще возможна обработка давлением без риска образования дефектов.

В данной статье представлены актуальные таблицы температурных интервалов ковки и прокатки для различных групп сталей, включая углеродистые, легированные и инструментальные стали, а также рассмотрены факторы, влияющие на выбор оптимального температурного режима.

2. Факторы, влияющие на температурный интервал ковки и прокатки

При определении оптимального температурного интервала ковки и прокатки сталей необходимо учитывать несколько ключевых факторов:

2.1. Химический состав стали

Содержание углерода и легирующих элементов существенно влияет на пластичность стали при высоких температурах. Стали с повышенным содержанием углерода имеют более узкий температурный интервал ковки. Легирующие элементы, такие как хром, никель, молибден, вольфрам и другие, также сужают температурный интервал горячей обработки.

2.2. Структурное состояние

Согласно диаграмме состояния железо-углерод, наиболее пластичной является аустенитная структура. При температурах выше линии GSE на диаграмме железо-углерод углеродистые стали обладают хорошей пластичностью и относительно небольшим сопротивлением деформации. При наличии двухфазной структуры пластичность стали снижается.

2.3. Размер зерна

Исходный размер зерна влияет на скорость нагрева и температурный режим обработки. Мелкозернистые стали можно нагревать быстрее, чем крупнозернистые. В процессе горячей деформации происходит дробление зерен, а при завершении обработки при высоких температурах может происходить рекристаллизация и рост зерна.

2.4. Предельные состояния

При выборе температурного интервала необходимо учитывать следующие критические состояния:

• Пережог – неисправимый дефект, возникающий при нагреве стали до температур, близких к температуре плавления, связанный с оплавлением и окислением границ зерен.
• Перегрев – обратимый дефект, характеризующийся значительным ростом зерна.
• Образование сетки вторичного цементита – в заэвтектоидных сталях при неправильно выбранной температуре конца ковки может образовываться хрупкая цементитная сетка по границам зерен.

3. Температурные режимы для углеродистых сталей

Углеродистые стали, в зависимости от содержания углерода, имеют различные температурные интервалы ковки и прокатки. Для правильного выбора режима обработки необходимо учитывать особенности каждой группы сталей.

3.1. Низкоуглеродистые стали (до 0,3% C)

Низкоуглеродистые стали имеют широкий температурный интервал ковки и прокатки. Для этих сталей допустимо завершение ковки при температурах ниже точки Ac3 (до Ac1), особенно для крупных заготовок. При таком режиме достигается более мелкое зерно в готовом изделии, чем при завершении ковки при температурах выше точки Ar3.

Температура начала ковки для низкоуглеродистых сталей составляет 1250-1280°C, а конца ковки – около 700-750°C. Данные стали отличаются хорошей пластичностью и куются с высокими степенями деформации.

3.2. Среднеуглеродистые стали (0,3-0,6% C)

Для среднеуглеродистых сталей температурный интервал ковки заканчивается выше точки Ar3, что обеспечивает более мелкое зерно в структуре. Рекомендуемый интервал ковки составляет 1220-780°C.

При горячей прокатке среднеуглеродистых сталей необходимо обеспечить температуру конца прокатки не ниже 850°C для предотвращения образования дефектов и обеспечения требуемых механических свойств.

3.3. Высокоуглеродистые и заэвтектоидные стали (более 0,6% C)

В заэвтектоидных сталях свободной фазой является хрупкий цементит, который может образовывать сетку по границам зерен. Для предотвращения этого явления температура конца ковки должна быть максимально низкой (около 800-860°C), а охлаждение поковок – более быстрым.

Температура начала ковки для этих сталей не должна превышать 1150-1180°C. При нагреве выше 1100°C у высокоуглеродистой стали структура становится двухфазной (аустенит + цементит), что снижает пластичность.

4. Температурные режимы для легированных сталей

Легирующие элементы значительно влияют на температурный интервал горячей обработки сталей. С увеличением содержания легирующих элементов в стали интервал ковочных температур становится более узким.

4.1. Конструкционные легированные стали

Для конструкционных легированных сталей температурный интервал ковки составляет около 330°C, в то время как для углеродистых сталей он достигает 500-600°C. Это требует более точного контроля температуры в процессе обработки.

Наличие хрома, никеля и молибдена в составе стали повышает устойчивость аустенита, что позволяет проводить ковку при несколько более низких температурах по сравнению с углеродистыми сталями при аналогичном содержании углерода.

4.2. Теплостойкие и коррозионностойкие стали

Для теплостойких, кислотостойких и коррозионностойких сталей интервал ковочных температур составляет около 260°C. Эти стали требуют особенно тщательного контроля температуры при горячей обработке.

Высоколегированные стали часто характеризуются повышенным сопротивлением деформации, что требует использования более мощного оборудования при ковке и прокатке.

4.3. Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочные стали имеют очень узкий температурный интервал ковки – около 200°C, а жаропрочные сплавы – около 150°C. Это связано с высоким содержанием легирующих элементов, которые значительно влияют на фазовые превращения и пластичность стали при высоких температурах.

Точное соблюдение температурного режима при обработке жаропрочных сталей и сплавов имеет определяющее значение для получения требуемых свойств изделий, работающих при высоких температурах.

5. Особенности ковки и прокатки инструментальных сталей

Инструментальные стали, предназначенные для изготовления режущего, штампового и измерительного инструмента, имеют специфические требования к режимам горячей обработки.

5.1. Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали (У7-У12) имеют повышенное содержание углерода и требуют особого внимания при горячей обработке. Температурный интервал ковки для этих сталей составляет 1120-860°C.

Важно не допускать перегрева и пережога этих сталей, так как это может привести к непоправимому ухудшению их режущих свойств в готовом инструменте.

5.2. Легированные инструментальные стали

Легированные инструментальные стали, такие как Х, 9Х, 9ХС, ХВГ, имеют более узкий температурный интервал ковки по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями. Для этих сталей температура начала ковки составляет 1100-1120°C, а конца ковки – 850-870°C.

Высоколегированные инструментальные стали типа Х12М, Х12Ф1 требуют еще более высокой температуры конца ковки – около 900-950°C для обеспечения достаточной пластичности в процессе деформации.

5.3. Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали (Р6М5, Р9 и др.) содержат значительное количество вольфрама, молибдена и других карбидообразующих элементов. Температурный интервал ковки для этих сталей составляет 1160-980°C.

Особое внимание при обработке быстрорежущих сталей следует уделять предварительному равномерному нагреву и недопущению местных перегревов, которые могут привести к образованию трещин.

6. Влияние температуры на структуру и свойства стали

Температура горячей обработки оказывает решающее влияние на формирование структуры и, следовательно, на механические свойства готовых изделий из стали.

6.1. Образование и трансформация аустенита

При нагреве выше критической температуры A1 (723°C) перлит, представляющий собой дисперсную смесь феррита и цементита, превращается в аустенит – твердый раствор углерода в гранецентрированной кубической решетке железа. До аустенитного состояния сталь нагревают не только для закалки и термической обработки, но и для ковки, прокатки и штамповки.

У низкоуглеродистых и углеродистых сталей при температуре 1100-1200°C структура является полностью аустенитной, что обеспечивает высокую пластичность при деформации.

6.2. Эволюция зеренной структуры

В процессе нагрева стали выше верхней критической точки Ac3 наблюдается рост зерна аустенита. Чем дольше нагревается сталь и чем выше температура нагрева, тем крупнее становится зерно.

Во время ковки крупные зерна измельчаются (дробятся), но в зависимости от того, при какой температуре закончена обработка, структура стали может быть крупнозернистой или мелкозернистой. Если ковка закончена при высокой температуре, раздробленные зерна в процессе рекристаллизации соединяются вместе и укрупняются.

6.3. Влияние температуры конца прокатки

Температура конца прокатки имеет особое значение для формирования окончательной структуры и свойств проката. При слишком высокой температуре конца прокатки (выше 970°C) происходит понижение прочности, пластичности и вязкости стали.

Для шарикоподшипниковых сталей установлено, что при температуре конца прокатки 850-900°C в структуре прутков может возникать карбидная сетка, особенно при медленном охлаждении в интервале температур 850-700°C. Быстрое охлаждение после прокатки способствует формированию более тонких карбидов.

7. Практические рекомендации по выбору температурных режимов

При практическом применении температурных режимов ковки и прокатки необходимо учитывать не только теоретические данные, но и ряд производственных факторов.

7.1. Учет размера заготовки

Размер и масса заготовки существенно влияют на выбор температурного режима. Для крупных заготовок часто снижают верхнюю температуру нагрева для уменьшения окалинообразования и обезуглероживания. Чем больше заготовка или слиток, тем в большей мере снижают температуру начала обработки.

Для поковок с большой массой, не подлежащих термической обработке, получение высоких механических свойств за счет увеличения скорости охлаждения малоэффективно. В этом случае необходимо подобрать оптимальную комбинацию температуры и величины обжатий для обеспечения требуемой структуры.

7.2. Контроль критических обжатий

Сталь, подвергнутая деформации в интервале критических обжатий (4-12%), после рекристаллизации имеет нежелательную крупнозернистую структуру. Этот эффект следует учитывать при планировании процесса горячей обработки.

Для достижения оптимальной структуры и свойств рекомендуется обеспечивать либо большие обжатия (более 12%), либо малые (менее 4%), особенно при заключительных проходах.

7.3. Особенности нагрева и охлаждения

При нагреве углеродистой стали под ковку и прокатку происходит выгорание углерода в поверхностном слое на глубину примерно 2-4 мм. Это приводит к снижению твердости, прочности и способности к закаливанию поверхностного слоя.

Для уменьшения обезуглероживания рекомендуется использовать защитные атмосферы при нагреве или предусматривать припуск на механическую обработку для удаления обезуглероженного слоя.

Скорость охлаждения после горячей обработки также влияет на структуру и свойства стали. Для большинства конструкционных сталей рекомендуется умеренное охлаждение на воздухе. Для заэвтектоидных сталей часто требуется ускоренное охлаждение для предотвращения образования цементитной сетки.

Источники информации

1. Богатов А.А., Логинов Ю.Н. "Механика процессов обработки металлов давлением", 2022.
2. Колмогоров В.Л. "Механика обработки металлов давлением", 2018.
3. Технологические рекомендации "Температурные режимы ковки и штамповки сталей", ЦНИИТМАШ, 2021.
4. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. "Технология ковки и штамповки", 2020.
5. Специализированные отраслевые стандарты по термической обработке сталей, 2023.
6. Энциклопедия по машиностроению XXL, "Температура конца прокатки", 2024.
7. Металлургический справочник "Режимы термической обработки сталей", 2023.

Заявление об ограничении ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия, связанные с применением изложенной информации без должной инженерной оценки и производственных испытаний. При практическом применении температурных режимов ковки и прокатки рекомендуется руководствоваться действующими технологическими инструкциями и стандартами предприятия.