Холодна пластична обробка нікелевих сплавів

Нікелеві сплави у відпаленому стані придатні для всіх методів холодної пластичної обробки. Деякі з них мають дуже високу формувальність, тоді як інші — навпаки. У цій статті розглянуто основні аспекти холодної пластичної обробки нікелевих сплавів.

Що впливає на формувальність нікелевих сплавів?

Формувальність, тобто здатність матеріалу до холодної пластичної обробки, залежить від таких чинників:

• Деформаційне зміцнення – будь-яка холодна пластична обробка нікелевих сплавів призводить до підвищення їхньої твердості та зниження пластичності. Ступінь зміцнення залежить від хімічного складу сплаву. Нікель-хромові, нікель-хром-кобальтові та нікель-залізо-хромові сплави зміцнюються швидше, ніж чистий нікель і нікель-мідні сплави. Після деформаційного зміцнення матеріал стає складнішим для подальшої обробки.
• Пружність – нікелеві сплави мають високий модуль пружності, близький до показника сталі, тому після завершення деформації вони можуть частково повертатися до початкової форми.
• Стан термічної обробки – більшість операцій холодного формування потребує використання матеріалу у відпаленому стані, який характеризується вищою пластичністю. Водночас деякі м'які нікелеві сплави формують у частково зміцненому стані, що покращує їхні властивості під час різання, вирубування та виготовлення кріпильних елементів.
• Схильність до заїдання та холодного зварювання – нікелеві сплави легко утворюють адгезійні з'єднання з інструментом та іншими металами. Це призводить до високого коефіцієнта тертя й ускладнює процес формування. Найбільшою мірою це характерно для сплавів із низьким вмістом хрому, оскільки саме хром утворює захисну оксидну плівку.

Які мастильні матеріали використовувати?

Легкі мінеральні оливи та мастильні матеріали на водній основі мають обмежені мастильні властивості. Їх можна застосовувати лише для легких операцій холодної пластичної обробки.

Фосфати не утворюють ефективних поверхневих сполук на нікелевих сплавах, тому їх застосування не рекомендується.

Звичайні мастильні матеріали на основі нафтопродуктів використовуються рідко.

Мідні покриття забезпечують дуже хороші результати, однак через високу вартість їх нанесення та видалення металеві покриття використовуються як мастильні матеріали лише під час важких операцій холодної пластичної обробки і тільки в тих випадках, коли їх можна повністю видалити після завершення процесу.

Мастильні матеріали, що містять карбонат свинцю, оксид цинку або інші сполуки металів із низькою температурою плавлення, не слід застосовувати, якщо нікелевий сплав експлуатуватиметься за високих температур. Такі сполуки можуть залишатися на поверхні матеріалу та знижувати його експлуатаційні властивості. Як наповнювачі можна використовувати нейтральні матеріали, наприклад тальк.

Мастильні матеріали, що містять сірку або хлор, наприклад дисульфід молібдену, допускається застосовувати лише за умови можливості ретельного очищення обробленої деталі. Навіть незначні залишки сполук сірки або хлору можуть спричинити утворення пітингової корозії.

Матеріали для інструменту

Загалом для холодної пластичної обробки нікелевих сплавів можна використовувати той самий інструмент, що й для обробки аустенітних нержавіючих сталей Однак механічні властивості нікелевих сплавів призводять до того, що обладнання для пластичної обробки потребує на 30–50 % більшої потужності, ніж під час обробки аналогічних деталей із м'якої низьковуглецевої сталі. Це також прискорює зношування інструменту.

Деталі, сформовані за допомогою матриць із цинкових сплавів, необхідно короткочасно протравити в розбавленій азотній кислоті для видалення залишків цинку, які могли перейти з матриці на поверхню виробу під час формування. Цинк може спричиняти крихкість нікелевих сплавів під час термічної обробки або експлуатації за підвищених температур. З тієї ж причини деталі, сформовані за допомогою латунних або бронзових матриць, також рекомендується протравлювати, якщо після формування на поверхні виробу залишається бронзове забарвлення.

Різання, пробивання та вирубування нікелевих сплавів

Стан термічної обробки деталей, призначених для різання, вирубування або пробивання отворів, залежить від марки сплаву та товщини виробу.

Тонкі стрічки з м'яких сплавів (наприклад, nikiel 200) повинні перебувати у зміцненому стані, отриманому, наприклад, холодною прокаткою.Міцніші сплави (наприклад, alloy 600) зазвичай найкраще піддаються вирубуванню в злегка зміцненому стані. Сплави, що зміцнюються дисперсійним твердінням (наприклад alloy X-750) слід вирубувати у відпаленому стані.

Під час різання використання мастильних матеріалів не є обов'язковим, однак їх слід застосовувати під час вирубування та пробивання отворів. Для матеріалів товщиною менше 3 мм можна використовувати легку мінеральну оливу. Для матеріалів товщиною понад 3 мм рекомендується застосовувати важчу сірковмісну оливу.

Зазор між пуансоном і матрицею повинен становити:

• від 3 до 5 % товщини матеріалу — для тонких листів (до 3 мм);
• від 5 до 10 % товщини матеріалу — для матеріалів товщиною понад 3 мм.

Відстань між пуансоном і притискною плитою повинна бути якомога меншою.

Різання - nożyce powinny mieć zdolność cięcia stali niskowęglowej o grubości o 50% większej niż grubość ciętego materiału ze stopu niklu. Na przykład do cięcia płyty ze stopu 400 (UNS N04400) o grubości 6 mm należy stosować nożyce przeznaczone do cięcia stali niskowęglowej o grubości 9 mm.

Пробивання отворів - мінімальний діаметр отвору повинен бути не меншим за товщину деталі. Точне співвідношення залежить від товщини матеріалу, стану термічної обробки та марки сплаву. Для Аlloy 200, monel 400 та Аlloy 600 мінімальний діаметр отвору становить:

• для деталей товщиною 0,5–0,9 мм — 1,5 товщини матеріалу;
• для деталей товщиною 0,9–1,8 мм — 1,3 товщини матеріалу;
• для деталей товщиною 1,8–3,6 мм — 1,1 товщини матеріалу;
• для деталей товщиною понад 3,6 мм — дорівнює товщині деталі.

Міцність на зріз становить приблизно 65 % від тимчасового опору розриву. Навантаження на гільйотинні ножиці під час різання нікелевих сплавів становить приблизно 113–131 % від навантаження, необхідного для різання аналогічних деталей із низьковуглецевої сталі.

Глибоке витягування нікелевих сплавів

Для глибокого витягування більшості простих деталей можна використовувати матриці та інструменти, призначені для штампування сталі або мідних сплавів. У разі виготовлення складних деталей із високими вимогами до точності розмірів може виникнути потреба в незначній модифікації інструменту, що полягає у збільшенні робочих зазорів і радіуса заокруглення матриці.

Збільшені робочі зазори запобігають утворенню складок і зумовлені вищою міцністю на розтяг нікелевих сплавів порівняно зі сталями для холодного штампування. Під час глибокого витягування циліндричних деталей зазор між пуансоном і матрицею зазвичай становить 120–125 % товщини листа.

Радіус заокруглення матриці повинен забезпечувати вільне переміщення металу. Надто малий радіус призводить до заїдання металу між пуансоном і матрицею. Тому рекомендується використовувати мінімальний радіус пуансона:

• для феритної нержавіючої сталі — 6× товщина листа;
• для аустенітної нержавіючої сталі — 4× товщина листа;
• для тонких листів із нікелевих сплавів — 5–12× товщина листа.

Ротаційне витягування (викатування) нікелевих сплавів

Ручне ротаційне витягування, як правило,не рекомендується, за винятком особливо м'яких сплавів (Nikel 200, Monel 400). Максимальна твердість і максимальна товщина листа, придатні для ручного ротаційного витягування:

• Nikel 200 — 64 HRB, товщина 1,57 мм;
• Nikel 201 — 55 HRB, товщина 1,98 мм;
• Monel 400 — 68 HRB, товщина 1,27 мм;
• Alloy 600 — 80 HRB, товщина 0,94 мм;
• Alloy 722 — 94 HRB, товщина 0,94 мм;
• Alloy X-750 — 94 HRB, товщина 0,94 мм;
• Alloy 801 — 88 HRB, товщина 0,94 мм.

Рекомендується використовувати густі мастильні матеріали, наприклад: бджолиний віск; технічний тваринний жир (лой).

Правильний вибір матеріалу інструменту має вирішальне значення для успішного виконання процесу. Найкращим матеріалом для оправки (викатувального інструмента) є високо полірована тверда бронза. Для роликів рекомендуються загартовані інструментальні сталі, особливо з хромовим покриттям, оскільки вони зменшують прилипання оброблюваного металу до інструменту. Оправки та ролики, виготовлені зі звичайної латуні або вуглецевої сталі, які використовуються для обробки м'якших матеріалів, не придатні для обробки нікелевих сплавів.

Гнуття труб із нікелевих сплавів

Труби з нікелевих сплавів можуть згинатися та вальцюватися стандартними методами. Труби у стані після зняття залишкових напружень потребують радіуса згину приблизно на 25–50 % більшого, ніж відпалені труби тих самих розмірів.

Радіус і кут згину нікелевих сплавів залежно від типу труби та способу згинання:

• згинання на пресі незаповненої труби: мінімальний радіус згину — 6D, максимальний кут згину — 120°;
• згинання на вальцях заповненої труби: мінімальний радіус згину — 4D, максимальний кут згину — 360°;
• згинання з використанням оправки: мінімальний радіус згину — 2D, максимальний кут згину — 180°;
• ротаційно-тягове згинання незаповненої труби: мінімальний радіус згину — 3D, максимальний кут згину — 180°;
• ротаційно-тягове згинання заповненої труби: мінімальний радіус згину — 2D, максимальний кут згину — 180°,

де D — зовнішній діаметр труби.

Згинання труб без заповнення обмежує мінімально допустимий радіус згину та придатне лише для труб, товщина стінки яких становить понад 7 % зовнішнього діаметра.

Згинання з використанням оправки або заповнювача дає змогу зменшити мінімальний радіус згину. Найкращі результати забезпечують: оправки з твердої бронзи (зменшують ризик заїдання); використання мастильних матеріалів. Для найбільш навантажених операцій згинання рекомендується застосовувати мастильні матеріали, що містять сполуки хлору. Як заповнювач добре підходить пісок.

Згинання на пресі не завжди забезпечує найкращі результати для труб у повністю відпаленому стані. Сплави з невеликою твердістю (Nikel 200, Monel 400) краще згинаються на пресі після зняття залишкових напружень. Натомість нікель-хромові сплави рекомендується згинати у відпаленому стані.

Гаряче згинання, як правило, не рекомендується, оскільки холодне згинання забезпечує кращі результати. Якщо гаряче згинання все ж застосовується, його слід виконувати лише на трубах із заповнювачем. Пісок повинен бути чистим і не містити сполук сірки, оскільки вони можуть спричинити утворення тріщин під час згинання. Для видалення сполук сірки пісок необхідно прожарити при температурі 1150 °C в окиснювальному середовищі.

Гнуття плит, стрічок і листів із нікелевих сплавів

Плити, стрічки та листи з нікелевих сплавів можуть згинатися стандартними методами. Мінімальний радіус згину залежить від марки сплаву та товщини матеріалу. Для кута згину 180° мінімальний радіус становить:

• alloy 200:
  • лист, стрічка 0,3–6,4 мм — 1t;
  • плита 4,5–6,4 мм — 2t.
• alloy 400:
  • лист, стрічка 0,3–2,8 мм — 1t;
  • лист, стрічка 2,8–6,4 мм — 2t.
• alloy 600:
  • лист, стрічка 0,3–6,4 мм — 1t;
  • плита 4,7–6,4 мм — 2t.
• alloy 625:
  • лист, стрічка 0,3–6,4 мм — 2t;
  • плита 4,7–6,4 мм — 2t.
• alloy 718:
  • лист, стрічка 0,3–1,24 мм — 1t;
  • лист, стрічка 1,24–6,35 мм — 2t.
• alloy X-750:
  • лист, стрічка 0,3–1,24 мм — 1t;
  • лист, стрічка 1,24–6,35 мм — 2t.
• alloy 800:
  • лист, стрічка 0,3–6,4 мм — 1t;
  • плита 4,7–6,4 мм — 2t.
• alloy 825:
  • лист, стрічка 0,3–6,4 мм — 2t;
  • плита 4,7–6,4 мм — 2t,

де t — товщина виробу.

Розвальцьовування труб

Труби з нікелевих сплавів можуть розвальцьовуватися в трубних решітках кожухотрубних теплообмінників стандартними методами.

Отвори в трубній решітці повинні бути лише трохи більшими за зовнішній діаметр труб:

• для труб із зовнішнім діаметром менше 38 мм — отвір має бути більшим на 0,10–0,20 мм;
• для труб із зовнішнім діаметром понад 38 мм — отвір має бути більшим на 0,20–0,25 мм.

Трубна решітка повинна бути твердішою за труби, що розвальцьовуються.

Саме тому трубні решітки зазвичай постачаються у катаному або кованому стані, тоді як труби — у відпаленому стані.

Холодна пластична обробка прутків

Прутки з нікелевих сплавів зазвичай піддають пластичній обробці у відпаленому стані.

Гнуття прутків виконується за принципами, аналогічними згинанню труб із заповнювачем.

Навивання прутків із нікелевих сплавів для виготовлення пружин зазвичай виконують у гарячому стані, використовуючи сплави, що зміцнюються дисперсійним твердінням.

Однак для окремих застосувань необхідно виконувати навивання прутків у деформаційно зміцненому стані. Це суттєво збільшує мінімальний допустимий радіус навивання.

Осадження та холодне видавлювання нікелевих сплавів

Нікелеві сплави можуть піддаватися холодному видавлюванню та холодному осадженню. Осадження зазвичай поєднується з операцією видавлювання. Через високу міцність і схильність до заїдання необхідно застосовувати нижчі швидкості обробки (швидкість осадження повинна становити приблизно 10–15 м/хв) і більш міцний інструмент (наприклад, виготовлений зі сталі SW18). 

Холодне правлення нікелевих сплавів

Нікелеві сплави можуть правитися стандартними методами. Для їх правлення потрібно приблизно на 50 % більше потужності, ніж для низьковуглецевої сталі. Наприклад, машина, здатна правити прутки з низьковуглецевої сталі діаметром 20 мм, може правити прутки з нікелевих і нікель-мідних сплавів лише діаметром приблизно 10 мм.

Поширеною проблемою є спіральні подряпини. Їх появу можна зменшити шляхом використання мастильних матеріалів і застосування сплавів у відпаленому стані. Матриці можуть бути виготовлені з бронзи або чавуну. Чавун слід застосовувати в тих випадках, коли після правлення не проводиться травлення і забруднення виробу бронзою є неприпустимим.

Деталі для експлуатації за високих температур

Надмірне деформаційне зміцнення може знижувати жароміцність нікель-хромових сплавів, які часто використовуються для роботи за високих температур. Якщо ступінь деформації перевищує 10 %, а деталь експлуатуватиметься при температурі понад 650 °C, після холодної пластичної обробки необхідно провести термічну обробку.

Холодна пластична обробка жаростійких і дисперсійно-зміцнюваних сплавів

Більшість жаростійких сплавів піддаються холодному формуванню, оскільки допустимий температурний інтервал їх гарячої обробки є дуже вузьким. У деяких випадках необхідно виконувати кілька операцій пластичної обробки, чергуючи їх із відпалом.

Контроль росту зерна - для деяких жаростійких сплавів, щоб отримати оптимальний розмір зерна, необхідна пластична деформація зі значним ступенем деформації. Наприклад, у alloy X після 5 % деформації та подальшої термічної обробки зерно надмірно зростає, що може призвести до появи ефекту «апельсинової шкірки». При ступені деформації 10 % цей ефект не виникає.

Вплив легувальних елементів на пластичну обробку жаростійких сплавів:

• бор (наприклад, у alloy 41) у кількості понад 0,03 % підвищує ризик утворення тріщин, тоді як за вмісту нижче цього рівня запобігає виділенню карбідів по межах зерен;
• кремній у кількості понад 0,3 %, а особливо понад 0,6 %, підвищує ризик утворення тріщин під час холодного волочіння;
• вуглець у кількості понад 0,15 % знижує пластичність і збільшує ризик розтріскування;
• молібден і вольфрам (наприклад, у alloy 230), підвищують механічну міцність, тому для формування таких сплавів потрібна більша потужність обладнання;
• алюміній і титан, що утворюють γ′-фазу (наприклад, у alloy 80A) також зміцнюють сплав.

Дисперсійно-зміцнювані сплави можуть розтріскуватися, якщо після пластичної обробки їх безпосередньо піддавати дисперсійному зміцненню (старінню). Щоб запобігти цьому, перед старінням деталь необхідно відпалити. Деякі дисперсійно-зміцнювані сплави (наприклад, Alloy 41) мають два температурні режими відпалу. Відпал при вищій температурі (1175 °C для Alloy 41) підвищує пластичність і покращує здатність до формування, однак негативно впливає на зварюваність. Відпал при нижчій температурі (1070 °C для Alloy 41) зменшує формувальність приблизно на 10–20 %, проте забезпечує можливість зварювання без ризику утворення тріщин.