Материалы (металлы и сплавы) с высокой технологической пластичностью

Высокая пластичность присуща чистым металлам; так, например, из алюминия, золота получают фольгу толщиной несколько микрометров. В технике в качестве конструкционных материалов чистые металлы используют крайне редко, основное применение нашли сплавы.

Высокой пластичностью обладают однофазные сплавы типа «твердый раствор». Появление второй фазы, особенно если она имеет высокую твердость или малую пластичность, резко снижает пластичность металла.

Рассмотрим наиболее применяемые и обладающие высокой технологической пластичностью конструкционные материалы. Это стали, а также сплавы на основе алюминия и меди.

Стали — основной конструкционный материал — являются деформируемыми сплавами. Нагрев сталей выше линии GSE обеспечивает получение однофазной структуры — аустенита (см. рис. 4.4). В таком горячем состоянии большинство сталей обладает высокой пластичностью, достаточной для получения проката различных профилей, труб и т. п. Снижает горячую пластичность повышенное содержание серы, вызывая красноломкость — разрушение стали при горячей пластической деформации (причины возникновения красноломкости и методы ее предупреждения описаны выше, см. 6.1.2).

При цеховой температуре структура сталей двухфазная — феррит и цементит (см. рис. 4.4). Поэтому нс все стали обладают пластичностью, необходимой при изготовлении заготовок и деталей методами холодной пластической деформации. Это операции листовой (вытяжка, гибка) и объемной (высадка) штамповки, получившие широкое распространение в автомобильной промышленности (кузовные стали), при изготовлении нормалей. Пластичность сталей зависит от их химического состава, и в первую очередь от содержания углерода. Чем его больше, тем больше в структуре стали цементита — твердой, хрупкой фазы, пластичность при этом, естественно, снижается. При содержании углерода 0,2…0,3% «в холодную» можно производить гибку заготовок и незначительную вытяжку, а при содержании 0,3…0,4% - только гибку с большим радиусом. Поэтому для изготовления изделий холодной деформацией с большими степенями применяются стали с низким содержанием углерода — до 0,1%.

Рассмотрим стали, обладающие наиболее высокой пластичностью и предназначенные для глубокой вытяжки. По мере повышения пластичности такие стали подразделяются на следующие категории вытяжки: весьма глубокой (ВГ), сложной (СВ), особо сложной (ОСВ), весьма особо сложной (ВОСВ). Это низкоуглеродистые стали (С? 0,1%), они не содержат легирующих компонентов, так как последние повышают твердость феррита (см. рис. 6.6), снижая пластичность сталей (основная структурная составляющая низкоуглеродистых сталей — феррит). Именно поэтому в сталях более жестко регламентировано содержание примесей (табл. 11.1). В первую очередь это относится к кремнию, который может использоваться при производстве сталей как раскислитель (см. 6.1.2).

Напомним (см. 6.1.2), что стали в зависимости от степени раскисления подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс) и спокойную ©. Кипящую раскисляют только ферромарганцем; кремний в состав раскислителя не входит. Кремний в виде ферросилиция является одним из раскислителей сталей полуспокойных (раскисляются ферромарганцем и небольшим количеством ферросилиция) и спокойных (раскисляются ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Допустимое содержание кремния в сталях для глубокой вытяжки не превышает 0,04% (см. табл. 11.1). Так, в стали 08кп, предназначенной для глубокой вытяжки, содержание кремния в два с лишним раза меньше допускаемого в обычных кипящих сталях — 0,07%.

Таблица 11.1

Химический состав сталей глубокой вытяжки

Наряду с жестким ограничением химического состава в сталях для глубокой вытяжки регламентируются предел прочности (??); максимальное значение предела текучести (?т) и минимальное значение относительного удлинения (?), а также результаты одной из технологических проб — глубина лунки (h) при вытяжке по Эриксену (табл. 11.2), т. е. механические свойства, определяющие гарантированную пластичность. Величины? и h зависят от толщины листа, в таблице приведены их значения для листа толщиной 2 мм.

Обеспечение различной способности к вытяжке при использовании одной и той же стали (сталь 0810, например, может относиться к любой из четырех групп) достигается за счет различий в структуре. Для разных групп регламентируется величина ферритного зерна. Для сталей группы ВОСВ не допускается разнозернистости ;

Таблица 11.2

Свойства сталей для глубокой вытяжки (толщина листа 2 мм).

зерно феррита должно соответствовать 6…7 баллам (ГОСТ 5639−82). Неоднородная структура приводит к неодинаковой деформации разных участков металла, что может вызвать появление разрывов, трещин при вытяжке с большими степенями деформации. В то же время для групп ОСВ и СВ допустима разнозернистость в пределах 6…9 баллов. Имеются также ограничения по наличию структурно свободного цементита, не входящего в состав перлита.

Важное технологическое требование к сталям для вытяжки — получение после деформации гладкой поверхности изделия. Это достигается при использовании стали 08Ю.

Наиболее дешевой и широко применяемой является сталь 08кп, однако она обеспечивает категорию вытяжки только ВГ. При ее использовании не всегда удается получить качественную поверхность вследствие склонности к деформационному старению. Оно происходит в результате того, что при пластической деформации возникает ликвация — в отдельных объемах стали феррит пересыщается углеродом и (или) азотом, а затем в процессе выдержки (вылеживания) химический состав выравнивается за счет выделения карбидов и нитридов. Процессы старения развиваются при температуре цеха. Результат — повышение прочности, твердости и снижение пластичности. При дальнейшей деформации на обработанной поверхности проявляются полосы скольжения, имеющие вид складок. Склонность к старению кипящей стали может быть снижена или исключена, если использовать сталь 08кпФ, легированную весьма малым количеством ванадия (0,02…0,04%), который, являясь весьма сильным карбидообразующим элементом, связывает углерод.

Для повышения качества поверхности при штамповке листы для облицовочных и декоративных деталей (например, при производстве легковых автомобилей) подвергают дрессировке — обжатию с небольшими степенями деформации (около 1%). Дрессировка позволяет избежать появления линий сдвига на поверхности при вытяжке с малыми степенями деформации. Такой дефект характерен для деталей несимметричной формы с разными степенями деформации на разных участках. Кроме того, дрессировка несколько снижает величину предела текучести, т. е. облегчает вытяжку. Дрессировку целесообразно выполнять не на металлургических комбинатах, а на машиностроительных заводах, непосредственно перед штамповкой, поскольку ее эффект исчезает при длительном вылеживании листа за счет старения.

Алюминиевые сплавы

Наибольшей пластичностью обладают однофазные не упрочняемые термической обработкой сплавы типа АМц системы «А1 — Mn» и АМг системы «А1 — Mg» (их марки, состав и свойства приведены в 8.2). Холодная деформация таких сплавов возможна с очень высокими степенями — до 80% (степень деформации — это разница площадей поперечного сечения до и после деформации, отнесенная к первоначальной площади). Высокая пластичность позволяет использовать сплавы АМц и АМг для изготовления изделий глубокой вытяжкой.

Латуни

В сплавах системы «Си — Zn» — латунях высокая пластичность (? > 50%) наблюдается при содержании цинка не более 38…39%, т. е. для однофазных сплавов (?-латуни), а затем она резко снижается при появлении в структуре второй фазы (?) (см. рис. 8.1).