Стали никелевых сплавов в отожженном состоянии пригодны для всех методов холодной пластической обработки. Некоторые из них обладают высокой формуемостью, другие — наоборот. В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с холодной обработкой никелевых сплавов.

Что влияет на формуемость никелевых сплавов?

Формуемость, то есть способность материала к холодной пластической обработке, зависит от следующих факторов:

• Упрочнение вследствие наклепа – любая холодная пластическая обработка никелевых сплавов приводит к повышению их твердости и снижению пластичности. Степень упрочнения зависит от химического состава сплава. Никель-хромовые, никель-хром-кобальтовые и никель-железо-хромовые сплавы характеризуются более высокой скоростью наклепа, чем чистый никель и никель-медные сплавы. Материал, подвергшийся наклепу, становится более трудным для последующей обработки.
• Упругость – никелевые сплавы обладают высоким модулем упругости, близким к модулю упругости стали, поэтому после окончания деформации они могут частично возвращаться к своей первоначальной форме.
• Состояние после термической обработки – большинство операций холодного формоизменения требует использования материала в отожженном состоянии, которое характеризуется более высокой пластичностью. Однако некоторые мягкие никелевые сплавы подвергают формованию в частично упрочненном состоянии, что улучшает их свойства при резке, вырубке и изготовлении крепежных элементов.
• Склонность к схватыванию и холодной сварке – никелевые сплавы легко образуют адгезионные связи с инструментом и другими металлами. Это приводит к повышенному коэффициенту трения и затрудняет процесс формообразования. В наибольшей степени это характерно для сплавов с низким содержанием хрома, поскольку хром образует защитную оксидную пленку.

Какие смазочные материалы применять?

Легкие минеральные масла и смазочные материалы на водной основе обладают ограниченными смазывающими свойствами. Они могут использоваться только при выполнении легких операций обработки.

Фосфатные покрытия не образуют на поверхности никелевых сплавов пригодных защитных соединений, поэтому их применение недопустимо.

Обычные смазочные материалы на основе нефтепродуктов применяются редко.

Медные покрытия обеспечивают очень хорошие результаты. Однако из-за высокой стоимости их нанесения и последующего удаления металлические покрытия используются в качестве смазочного материала только при тяжелых операциях холодной пластической обработки и лишь в тех случаях, когда их можно полностью удалить после обработки.

Смазочные материалы, содержащие карбонат свинца, оксид цинка или аналогичные соединения металлов с низкой температурой плавления, не следует применять, если никелевый сплав предназначен для эксплуатации при высоких температурах. Остатки таких веществ могут сохраняться на поверхности сплава и снижать его эксплуатационные свойства. В качестве наполнителей допускается использовать химически инертные материалы, например тальк.

Смазочные материалы, содержащие серу или хлор, например дисульфид молибдена, допускается применять только при условии возможности тщательной очистки обработанной детали. Даже следовые количества соединений серы или хлора, оставшиеся на поверхности, могут стать причиной образования питтингов.

Материалы для изготовления инструмента

В целом для холодной пластической обработки никелевых сплавов могут использоваться те же инструменты, что и для обработки аустенитных нержавеющих сталей. Механические свойства никелевых сплавов приводят к тому, что оборудование для пластической обработки требует на 30–50 % большей мощности, чем при обработке аналогичных изделий из мягкой низкоуглеродистой стали. Это оказывает существенное влияние на интенсивность износа инструмента.

Изделия, сформованные с использованием матриц из цинковых сплавов, следует подвергать кратковременному травлению в разбавленной азотной кислоте для удаления любых следов цинка, перенесенного с поверхности матрицы на поверхность изделия в процессе формования. Цинк может вызывать охрупчивание никелевых сплавов при последующей термической обработке или эксплуатации при повышенных температурах. По аналогичным причинам изделия, сформованные с использованием латунных или бронзовых матриц, также должны подвергаться травлению, если после формования матрицы придают поверхности изделия бронзовый оттенок.

Резка, вырубка и пробивка отверстий в никелевых сплавах

Состояние термической обработки изделий, предназначенных для резки, вырубки или пробивки отверстий, зависит от марки сплава и толщины изделия. Тонкие полосы из мягких сплавов (например,  nikiel 200)  должны находиться в раскалённом состоянии, например после прокатки. Более прочные сплавы (например, alloy 600) обычно лучше подвергаются вырубке в слегка раскалённом состоянии. Сплавы, упрочняемые выделением (например, alloy X-750) следует вырубать в отожженном состоянии.

Смазочные материалы - при резке применение смазочных материалов не требуется. При вырубке и пробивке отверстий смазочные материалы использовать необходимо. Для материалов толщиной менее 3 мм допускается применение легкого минерального масла. Для материалов толщиной более 3 мм следует использовать тяжелое сернистое масло.

Зазор между пуансоном и матрицей должен составлять:

• 3–5 % толщины материала — для тонких листов (до 3 мм);
• 5–10 % толщины материала — для материалов толщиной более 3 мм.

Расстояние между пуансоном и прижимной плитой должно быть минимально возможным.

Резка - ножницы должны быть рассчитаны на резку низкоуглеродистой стали толщиной, на 50 % превышающей толщину обрабатываемого никелевого сплава. Например, для резки плиты из сплава 400 (UNS N04400) толщиной 6 мм следует использовать ножницы, предназначенные для резки низкоуглеродистой стали толщиной 9 мм.

Пробивка отверстий - минимальный диаметр отверстия должен быть равен толщине изделия или превышать ее. Точное соотношение зависит от толщины материала, состояния после термической обработки и марки сплава. Для alloy 200 monel 400 i alloy 600 минимальный диаметр отверстия составляет:

• при толщине изделия 0,5–0,9 мм — 1,5 толщины материала;
• при толщине изделия 0,9–1,8 мм — 1,3 толщины материала;
• при толщине изделия 1,8–3,6 мм — 1,1 толщины материала;
• при толщине изделия свыше 3,6 мм — равен толщине материала.

Предел прочности при срезе составляет приблизительно 65 % от предела прочности при растяжении. Нагрузка на гильотинные ножницы при резке никелевых сплавов составляет примерно 113–131 % нагрузки, необходимой для резки аналогичных изделий из низкоуглеродистой стали.

Глубокая вытяжка никелевых сплавов

Для выполнения глубокой вытяжки большинства изделий простой формы можно использовать матрицы и инструмент, предназначенные для вытяжки стали или медных сплавов.

При изготовлении изделий сложной конфигурации с высокой точностью размеров могут потребоваться незначительные изменения конструкции инструмента, заключающиеся в увеличении рабочих зазоров и увеличении радиуса закругления матрицы.

Увеличенные рабочие зазоры предотвращают образование складок и обусловлены более высоким пределом прочности при растяжении никелевых сплавов по сравнению со сталями, предназначенными для холодной штамповки. При глубокой вытяжке цилиндрических деталей зазор между пуансоном и матрицей обычно составляет 120–125 % толщины листа.

Радиус закругления матрицы должен обеспечивать свободное течение металла. Слишком малый радиус вызывает схватывание металла между пуансоном и матрицей.

Поэтому минимальный радиус пуансона принимается равным:

• для ферритных нержавеющих сталей — 6x толщин вытягиваемого листа;
• для аустенитных нержавеющих сталей — 4x толщины вытягиваемого листа;
• для тонких листов из никелевых сплавов — 5–12x толщин вытягиваемого листа.

Выдавливание (ротационная вытяжка) никелевых сплавов

Ручная ротационная вытяжка (metal spinning) обычно не рекомендуется, за исключением особо мягких сплавов (Nickel 200, Monel 400).

Максимально допустимые твердость и толщина листа при ручной ротационной вытяжке составляют:

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

Рекомендуется применять густые смазочные материалы, например пчелиный воск и животный жир (техническое сало).

Правильный выбор материала инструмента имеет решающее значение для успешного выполнения процесса. Наилучшим материалом для оправки (формовочного шаблона) является высокополированная твердая бронза. Для раскатных роликов рекомендуется использовать закаленные инструментальные стали, особенно с хромовым покрытием, поскольку они уменьшают прилипание обрабатываемого металла к инструменту. Оправки и ролики, изготовленные из обычной латуни или углеродистой стали и применяемые при обработке более мягких материалов, непригодны для обработки никелевых сплавов.

Гибка труб из никелевых сплавов

Трубы из никелевых сплавов могут подвергаться гибке и вальцовке стандартными методами. Трубы в состоянии после снятия внутренних напряжений требуют радиусов гибки примерно на 25–50 % больше, чем отожженные трубы тех же размеров.

Радиус и угол гибки никелевых сплавов в зависимости от типа трубы и способа гибки:

• гибка на прессе незаполненной трубы: минимальный радиус гибки — 6D; максимальный угол гибки — 120°;
• гибка на вальцах заполненной трубы: минимальный радиус гибки — 4D; максимальный угол гибки — 360°;
• гибка на оправке (дорновая гибка): минимальный радиус гибки — 2D; максимальный угол гибки — 180°;
• ротационная гибка с протяжкой незаполненной трубы (rotary draw bending): минимальный радиус гибки — 3D; максимальный угол гибки — 180°;
• ротационная гибка с протяжкой заполненной трубы: минимальный радиус гибки — 2D; максимальный угол гибки — 180°

, D — наружный диаметр трубы.

Гибка труб без наполнителя ограничивает минимально допустимый радиус гибки и пригодна только для труб с толщиной стенки, превышающей 7 % наружного диаметра трубы.

Дорновая гибка или гибка с использованием наполнителя позволяет уменьшить минимально допустимый радиус гибки. Наилучшие результаты обеспечивают дорны из твердой бронзы, поскольку они уменьшают риск схватывания материала. Также рекомендуется применение смазочных материалов. Для наиболее тяжелых операций гибки целесообразно использовать смазки, содержащие соединения хлора. В качестве наполнителя хорошо подходит песок.

Гибка на прессе не всегда обеспечивает наилучшие результаты для труб в полностью отожженном состоянии. Сплавы с низкой твердостью (Nickel 200, Monel 400) лучше поддаются гибке на прессе после снятия внутренних напряжений. Никель-хромовые сплавы, напротив, следует гнуть в отожженном состоянии.

Горячая гибка, как правило, не рекомендуется, поскольку лучшие результаты достигаются при холодной гибке. Если горячая гибка все же применяется, она должна выполняться только на трубах, заполненных наполнителем. Используемый песок должен быть чистым и не содержать соединений серы, так как сера может вызвать образование трещин в процессе гибки. Удаление соединений серы из песка осуществляется путем его прокаливания при температуре 1150 °C в окислительной атмосфере.

Гибка плит, полос и листов из никелевых сплавов

Плиты, полосы и листы из никелевых сплавов могут подвергаться гибке стандартными методами. Минимальный радиус гибки зависит от марки сплава и толщины материала. При угле гибки 180° минимальный радиус гибки составляет:

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

, где t — толщина материала.

Развальцовка труб

Трубы из никелевых сплавов могут подвергаться развальцовке в трубных решетках кожухотрубных теплообменников с использованием традиционных методов.

Отверстия в трубной решетке должны быть лишь незначительно больше наружного диаметра устанавливаемых в них труб:

• для труб с наружным диаметром менее 38 мм диаметр отверстия должен превышать наружный диаметр трубы на 0,10–0,20 мм;
• для труб с наружным диаметром более 38 мм диаметр отверстия должен превышать наружный диаметр трубы на 0,20–0,25 мм.

Трубная решетка должна иметь более высокую твердость, чем развальцовываемые трубы. По этой причине трубные решетки обычно поставляются в горячекатаном или кованом состоянии, тогда как трубы поставляются в отожженном состоянии.

Холодная пластическая обработка прутков

Прутки из никелевых сплавов обычно подвергаются пластической обработке в отожженном состоянии.

Гибка прутков выполняется по тем же принципам, что и гибка труб с наполнителем.

Навивка прутков из никелевых сплавов для изготовления пружин обычно выполняется в горячем состоянии с использованием сплавов, упрочняемых выделением. Однако для некоторых областей применения требуется навивка прутков в нагартованном состоянии. Это значительно увеличивает минимальный радиус навивки.

Холодная высадка и холодное выдавливание никелевых сплавов

Никелевые сплавы могут подвергаться холодному выдавливанию и холодной высадке. Высадка обычно выполняется в сочетании с выдавливанием. Высокая прочность никелевых сплавов и их склонность к адгезионному схватыванию требуют применения более низких скоростей обработки (скорость высадки должна составлять около 10–15 м/мин) и использования более прочного инструмента (например, изготовленного из быстрорежущей стали SW18). 

Холодная правка никелевых сплавов

Никелевые сплавы могут подвергаться холодной правке стандартными методами.Для их правки требуется примерно на 50 % большее усилие, чем для низкоуглеродистой стали. Например, машина, предназначенная для правки прутков из низкоуглеродистой стали диаметром 20 мм, способна выполнять правку прутков из никелевых и никель-медных сплавов диаметром лишь около 10 мм.

Распространенной проблемой является образование спиральных царапин на поверхности. Их появление можно уменьшить, используя смазочные материалы и обрабатывая сплавы в отожженном состоянии. Правильные матрицы могут быть изготовлены из бронзы или чугуна. Чугун следует применять в тех случаях, когда после правки не выполняется травление, а загрязнение поверхности изделия бронзой является недопустимым.

Детали, предназначенные для эксплуатации при высоких температурах

Чрезмерный наклеп может снижать жаропрочность никель-хромовых сплавов, которые часто предназначены для работы при повышенных температурах. Если степень пластической деформации (наклеп) превышает 10 %, а изделие будет эксплуатироваться при температуре свыше 650 °C, после холодной пластической обработки необходимо провести термическую обработку.

Холодная пластическая обработка жаростойких и дисперсионно-твердеющих сплавов

Большинство жаростойких сплавов подвергают холодной пластической обработке, поскольку диапазон температур, пригодных для горячей обработки, очень узок. В некоторых случаях требуется выполнение нескольких операций пластического деформирования с промежуточным отжигом.

Контроль роста зерна - для некоторых жаростойких сплавов получение оптимальной структуры зерна требует проведения пластической обработки со значительной степенью деформации (наклепа). Например, у alloy X после 5 %-ной степени деформации и последующей термической обработки наблюдается чрезмерный рост зерен, который может привести к возникновению эффекта «апельсиновой корки». При степени деформации 10 % данный эффект не возникает.

Следующие легирующие элементы оказывают влияние на пластическую обработку жаростойких сплавов:

• бор (например, в alloy 41) при содержании свыше 0,03 % повышает риск образования трещин, однако при содержании ниже этого порога препятствует выделению карбидов по границам зерен;
• кремний при содержании свыше 0,3 %, а особенно свыше 0,6 %, увеличивает вероятность образования трещин при холодном волочении;
• углерод при содержании свыше 0,15 % снижает пластичность, повышая риск растрескивания;
• молибден и вольфрам (например, в alloy 230), повышают механическую прочность сплава, вследствие чего его пластическая обработка требует приложения больших усилий;
• алюминий и титан, образующие γ′-фазу (например, в alloy 80A) также способствуют упрочнению сплава.

Сплавы, упрочняемые выделением (дисперсионно-твердеющие сплавы), могут растрескиваться, если после пластической обработки подвергаются дисперсионному твердению (старению). Для предотвращения этого перед старением изделие необходимо подвергнуть отжигу. Некоторые дисперсионно-твердеющие сплавы (например, Alloy 41) имеют два температурных режима отжига. Отжиг при более высокой температуре (1175 °C для Alloy 41) повышает пластичность и улучшает способность материала к пластическому формоизменению, однако отрицательно влияет на его свариваемость. Отжиг при более низкой температуре (1070 °C для Alloy 41) снижает формуемость примерно на 10–20 %, но позволяет выполнять сварку без риска образования трещин.