Методы и способы повышения технологической пластичности при штамповке труднодеформируемых сплавов

МЕТОДЫ И СПОСОБЫ 
ПОВЫШЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ 
ПЛАСТИЧНОСТИ 
ПРИ ШТАМПОВКЕ 
ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ 
СПЛАВОВ

Российскийгосударственный
технологическийуниверситет
имениК.Э.Циолковского

МАТИ — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского реализует профессиональные образовательные программы по 48 направлениям 
подготовки бакалавров и магистров, 42 специальностям высшего профессионального образования, осуществляет подготовку научно-педагогических кадров высшей квалификации 
по 41 научной специальности, переподготовку и повышение 
квалификации по программам различного профиля и продолжительности освоения.

Реализацию образовательных программ, научных исследований осуществляют более  200 докторов и 450 кандидатов наук.

Университет является обладателем сертификатов соответствия системы качества требованиям стандарта ГОСТ Р ИСО 
9001-2008 (МС ИСО 9001:2008) в системе сертификации Русского Регистра, системе сертификации ГОСТ Р и в международной системе сертификации IQNet в следующих областях: 
проектирование, разработка и оказание услуг в сфере высшего и послевузовского образования в соответствии с областью 
лицензирования; проведение научных исследований и разработок.

http://www.mati.ru

А.П. Петров
А.В. Соколов

У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е

Методы и способы  
повышения технологической 
пластичности при штаМповке 
труднодефорМируеМых  
сплавов

Москва 
ИНФРА-М 
2015

а.п. петров 
а.в. соколов

УчебНое пособИе

Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего профессионального образования  
«МАТИ — Российский государственный технологический  
университет имени К.Э. Циолковского»

УДК 669(075.8)
ББК 34.2я73
 
П30

Петров А.П., Соколов А.В.
Методы и способы повышения технологической пластичности при штамповке труднодеформируемых сплавов: Учеб. пособие. — М.: ИНФРА-М, 2015. — 46 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/11642.

ISBN 978-5-16-102483-6 (online)

В учебном пособии рассмотрены методы и способы повышения 
технологической пластичности при штамповке труднодеформируемых 
сплавов. Рассмотрены вопросы штамповки в режиме сверхпластичности, особенности сверхпластической деформации, условия внешнего 
трения приковке и горячей штамповке, штамповка в условиях высоких 
гидростатических давлений. Кроме того рассмотрены вопросы водородного пластифицирования титановых сплавов.
Учебное пособие предназначено для студентов металлургических 
специальностей, изучающих курсы по теории и технологии кузнечноштамповочного производства.
ББК 34.2я73

П30

© МАТИ, 2015
© Петров А.П., Соколов А.В., 2015
ISBN 978-5-16-102483-6 (online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Оглавление

Введение...........................................................................................................5

1.
Изотермическое деформирование. Штамповка в режиме 

сверхпластичности[1-3]....................................................................................6

2.
Особенности сверхпластической деформации ......................................10

3.
Условия внешнего трения при ковке и горячей объемной штамповке. 

Эффект Ребиндера..........................................................................................18

4.
Штамповка в условиях высоких гидростатических давлений ...............27

5.
Высокоскоростная штамповка[1, 2, 9].....................................................33

6.
Водородное пластифицирование титановых сплавов...........................40

Литература......................................................................................................44

Введение

Решение основных задач кузнечно-штамповочного производства по 

повышению качества поковок, снижению расхода современных дорого
стоящих материалов, трудоемкости и энергозатрат производства, нераз
рывно связано с уровнем развития технологии. Он определяется, прежде 

всего, уровнем использования технологической пластичности (деформи
руемости) обрабатываемых, как правило, малопластичных и трудноде
формируемых, сплавов. Трудами отечественных научных и производ
ственных коллективов исследуются, внедрены и продолжают осваиваться 

многие перспективные технологические процессы КШП, направленные на 

решение этой задачи.

Анализ научно-производственного опыта показал, что при разработ
ке таких процессов необходимо комплексно решить следующие пробле
мы:

1. Деформация металла в строго определенном оптимальном темпера
турно-скоростном интервале без перегрева и захолаживания;

2. Снижение неравномерности течения металла в пластической зоне за 

счет оптимизации конфигурации заготовок и штамповочных ручьев, 

снижения напряжений трения, рационального построения переходов и 

др.

3. Обеспечение в очаге деформации максимально возможного гидроста
тического давления;

4. Использование схем и режимов деформации, «запускающих» при 

штамповке все возможные механизмы деформации металлов: сколь
жение, двойникование, межзеренную деформацию и др.

Рассмотрим методологические аспекты и принципы реализации не
которых современных и перспективных технологических процессов КШП 

по решению этих проблем.

1. Изотермическое деформирование. Штамповка в режиме 

сверхпластичности[1-3]

Идея изотермической штамповки и ее практической реализации 

возникла во второй половине ХХ века для удовлетворения потребностей, 

прежде всего авиационной промышленности, в поковках с развитой по
верхностью, тонкими полотнами и узкими ребрами и замкнутой волокни
стой структурой, для изготовления деталей из высокопрочных сплавов 

(панелей, корпусов, фитингов, лопаток ГТД и др.). Получать такие поковки 

высокого качества традиционными методами штамповки оказалось за
труднительным или невозможным.

Изотермическая штамповка представляет собой процесс горячего 

деформирования заготовок в штамповом инструменте, при котором заго
товка и инструмент нагреты до температуры горячей штамповки сплава. 

При этом термин «изотермическая штамповка» относится  только к усло
виям выполнения технологической операции пластического деформиро
вания, а не к температуре штампуемого металла, которая может повы
шаться из-за деформационного разогрева.

В зависимости от состава обрабатываемого сплава и температуры 

его штамповки различают низкотемпературную (температура штамповки 

не более 5500С) и высокотемпературную (температура штамповки от 5500С 

до 1000÷11000С) изотермическую штамповку. Низкотемпературная изо
термическая штамповка применяется для получения поковок из алюмини

евых и магниевых сплавов, а высокотемпературная для поковок из ин
струментальных быстрорежущих сталей, титановых  и никелевых сплавов.

Изотермическую штамповку выполняют в специальных изотермиче
ских блоках, в конструкции которых предусмотрены нагрев и теплоизоля
ция штампов и штампового пространства. Для нагрева штампов использу
ются: индукционный (блоки УИДИН)- (рис.1), элементами сопротивления 

(блоки УИС) и газовый (блоки УИГН). 

Рис.1. Принципиальная схема штампового блока для изотермиче
ской штамповки с индукционным нагревом:

1- нижняя опорная плита; 2- кожух; 3- теплоизолирущая прокладка;

4- индуктор; 5- штамподержатель; 6- нижний штамп; 7- заготовка;

8- верхний штамп; 9- штамподержатель;10-прокладка;

11- опорная плита; 12- подвижный кожух; 13- рабочее окно.

Принципы расчета и конструирования инструмента для изотермиче
ского деформирования подробно описаны в специальной литературе. Для 

выбора материалов штампа для точной изотермической штамповки поко
вок сложной формы рекомендуется пользоваться следующим правилом: 

напряжение течения обрабатываемого материала должно быть приблизи
тельно равно одной трети предела текучести штампового материала при 

этой же температуре. В отечественной промышленности для низкотемпе
ратурной изотермической деформации чаще всего применяются тепло
стойкие стали марок 5ХНВ (5ХНМ), 4Х5В2ФС и др., а для высокотемпера
турной - жаропрочные стали на никелевой основе типа ЖС 6.

Реально изотермические блоки представляют достаточно сложную 

конструкцию (рис.2).

Рис.2. Внешний вид блока УИДИН 500 (теплоизоляционный кожух 

снят) для изотермической штамповки, установленного на вертикальном 

гидропрессе усилием 16 МН (1600 тс).

В качестве деформирующего оборудования для изотермической 

штамповки используют, как правило, гидропрессы со скоростью рабочего 

хода до 10 мм/c. Желательно, чтобы в устройстве пресса предусматрива
лась возможность регулирования скорости рабочего хода ползуна в широ
ких пределах, а также выдержка ползуна под давлением, что необходимо 

для установления оптимального режима деформации.

Поковки, изготовленные методом изотермической штамповки с ми
нимальными припусками на обработку резанием, не имеют штамповоч
ных уклонов и характеризуются повышенной точностью. Для их получения 

требуются меньшие усилия, так как в изотермических условиях наблюда
ется значительное увеличение пластичности деформируемого металла, 

снижение его сопротивления деформации и уменьшение контактного тре
ния.

Все это позволяет получать качественные поковки из труднодефор
мируемых сплавов сложной формы с тонкими элементами, сократить при 

этом в более чем два раза норму расхода материала и на 25÷30% трудо
емкость последующей обработки резанием (рис.3). 

Рис.3. Контуры поковок, полученных различными способами: 

а - ковкой; б - черновой предварительной штамповкой; в- штампов
кой обычной точности; г - точной изотермической штамповкой.  

Успешное промышленное освоение изотермической штамповки 

предопределило возможность практического освоения деформации ме
таллов в режиме сверхпластичности.

2. Особенности сверхпластической деформации

В 1945 г. советские ученые акад. А.А. Бочвар и З.А. Свидерская обна
ружили странное поведение литых сплавов цинка с 15-20% алюминия. При 

растяжении образцов из этих сплавов относительное удлинение достигало 

450%, что было совершенно необычно для литого материала.

А.А. Бочвар был первым, кто понял, что этот факт указывает на суще
ствование нового явления, названного им «сверхпластичностью». Этот 

термин стал международным «superplasticity». Кроме того, он первым ука
зал на то, что при сверхпластической деформации (СПД) должен протекать 

ещё один процесс, который был назван им «залечивания» очагов разру
шения при течении металла.

Таким образом, в работах А.А. Бочвара в 40-ые годы ХХ века было 

открыто явление сверхпластичности (СПД), введено само это понятие, 

сформулированы основные требования к структуре двухфазных сверхпла
стичных сплавов и выдвинута гипотеза о механизме СПД, которая была 

подтверждена результатами последующих исследований.

Так, например, А.А. Бочвар предположил, что наиболее благоприят
ные условия сверхпластической деформации двухфазных сплавов будут, 

если фазы примерно равнопрочные, а их объемное отношение составляет

1:1, что было подтверждено при последующих исследованиях сверхпла
стичности двухфазных (α+β) - титановых сплавов. У большинства двухфаз
ных титановых сплавов это соотношение объемов фаз наблюдается при 

температурах (tдеф) на 40-500С ниже температуры полиморфного превра
щения ( tп.п) (табл.1.).