Состояние структуры и наличие внутренних дефектов

Состояние структуры и наличие внутренних дефектов определяют путем анализа темплетов — тонких пластин, отрезаемых от профиля так, чтобы после обработки можно было рассмотреть структуру металла. Обработка заключается в протравливании темплетов в различных химических травителях, состав которых зависит от металла профиля. После травления на темплете выявляется зернистое строение. Анализ профилей ответственного назначения (его называют макроанализом) проводят на темплетах, которые отрезают как от выходной, так и от утяжинной части. При макроанализе определяют величину зерен, их форму, степень неоднородности размеров зерен по сечению и длине. Чем однороднее структура по форме и размерам зерен и чем меньше размер зерна, тем она лучше.

К внутренним дефектам пресс-изделий относятся пресс-утяжина, расслоения, пузыри и плены, различные включения и трещины. Рассмотрим, при каких условиях они образуются и что нужно предпринять прессовщику, чтобы избежать их образования.

Пресс-утяжина (рис. 30) — это дефект в виде полости, который образуется в центральной части металла профиля в заключительный период процесса. Мы уже говорили о том, что центральные слои металла не сдерживает внешнее трение, которое действует в периферийных слоях. Кроме того, центральные слои и путь проходят более короткий, чем периферийные. Такая неравномерность истечения и является причиной образования полости или рыхлости в профиле к концу прессования. Проиллюстрировать образование утяжины можно следующим примером; представим себе, что в цилиндрическом сосуде, наполненном водой, в дне есть отверстие. Если мы его откроем и будем сливать воду, то обнаружим следующее: по мере опорожнения сосуда плоская поверхность воды будет искажаться, в ней образуется углубление, которое к концу истечения превратится в воронку, глубоко проникающую в объем истекающей струи. Примерно то же происходит и при истечении металла из матрицы в процессе прессования. Это явление тем заметнее, чем неравномернее истечение. Поэтому при прямом прессовании, например, оно выражено более сильно, чем при обратном или при прессовании со смазкой.

Основной метод борьбы с утяжиной, который повсеместно распространен при прессовании — это прерывание процесса до начала образования утяжины. Именно поэтому в контейнере и остается недопрессованная часть заготовки — пресс-остаток. По изложенным причинам при обратном прессовании пресс-остаток меньше, чем при прямом — примерно 10% от общей длины заготовки, а при прямом 20 %.

В различных пресс-изделиях пресс-утяжина проявляется по-разному: в изделиях сплошного сечения она может быть ярко выражена, при прессовании труб — слабее, но во всех случаях она недопустима. Если изделие ответственного назначения, то проверяют — не осталась ли пресс-утяжина в металле. Контроль осуществляют на тех же темплетах, на которых изучают макроструктуру.

Рис. 30. Пресс-утяжина (а) и расслоение (б) в отпрессованном пресс-изделии из алюминиевого сплава (пресс-изделие показано с пресс-остатком)

Расслоения (рис. 30,6). Иногда в пресс-изделиях крупных сечений образуются несплошности различных размеров — металл как бы расслаивается. Этот дефект для изделий ответственного назначения и определенных размеров может быть недопустимым. Расслоения могут возникать по разным причинам, и одна из них — низкая квалификация прессовщика. Так, если литая заготовка отлита удовлетворительно, имеет плотную (без пор) мелкокристаллическую структуру, хорошо отожжена, то опасность образования расслоений в профиле, отпрессованном из такой заготовки, невелика. Если же в заготовке есть поры, неплотности на границах зерен металла, металл отожжен после отливки неполностью, то все эти дефекты могут стать очагами расслоений. Под действием растягивающих напряжений, которые возникают при прессовании, в этих очагах металл начинает расслаиваться, образуя сначала очень небольшую несплошность. Эта несплошность может разрастись в большой протяженный дефект. Правда, эти несплошности по мере движения металла к выходу из матрицы могут и «залечиться», т. е. произойдет их сварка. Такую сварку, которая происходит в условиях высоких давлений, называют прессовой. Она отличается от обычной тем, что металл при этом не оплавляется. Но прессовая сварка может произойти только в условиях, когда свариваемые поверхности совершенно чистые, а в полости отсутствует нерастворившийся в металле газ или пар. Если же там имеются какие-либо включения или загрязнения, то сварки не произойдет. Поэтому когда прессовщик следит за чистотой пресса, не допускает загрязнений заготовок, инструмента, опасность образования расслоений уменьшается. С уменьшением неравномерности истечения металла опасность образования расслоений также уменьшается, потому что растягивающие напряжения образуются только при большой неравномерности истечения.

Пузыри и плены. При прессовании некоторых сплавов на поверхности профилей могут образовываться местные вздутия, под тонкой стенкой которых находится воздух. Такой дефект на практике называют пузырем. Иногда этот пузырь вскрывается и поверхность профиля в этом месте приобретает рваный вид. Разорванный пузырь называют пленой (рис. 31). Как правило, такие дефекты считаются недопустимыми и их удаляют шабером вручную. Представьте себе треугольный напильник, кромки которого хорошо заточены и очень острые — это и есть шабер. Шабровка профиля до сих пор не поддается механизации и является малопроизводительной и тяжелой операцией.

Возникновение пузырей и плен связано с запрессовкой воздуха и газов, которые образуются при выгорании смазок. Вспомним, что давления в контейнере при прессовании могут достичь сотни и даже более мегапаскалей. В таких условиях запрессовка воздуха или газов в поверхностные слои прессуемой заготовки, где металл может быть ослаблен растягивающими напряжениями или образовались небольшие трещинки, вполне возможна. По мере течения металла к выходу из матрицы воздух или газ, находящийся под большим давлением, может быть закрыт другими движущимися слоями и в таком виде выйти через матрицу в пресс-изделие. Если у сжатого в замкнутом объеме под поверхностью профиля газа хватит силы разорвать верхнюю стенку металла, образуется плена, если не хватит, то металл под действием сжатого газа раздуется и образуется пузырь.

Рис. 31. Плена на поверхности пресс-изделия

Для предотвращения образования пузырей и плен необходимо, чтобы воздух и газы от выгорания смазки при распрессовке заготовки в контейнере и в начале прессования свободно выходили из контейнера, т. е. чтобы не образовывались замкнутые объемы, где бы они могли скапливаться и сжиматься. Особенно велика опасность образования таких объемов при прессовании со смазкой. При соприкосновении с горячей заготовкой смазка может выгорать, и тогда образуются газы. Если в контейнере есть местная выработка или не очень точно отцентрирован пресс и оси пресс-штемпеля и контейнера находятся друг к другу под определенным углом, то также могут образоваться замкнутые объемы. Устранение перечисленных причин приводит к ликвидации опасности возникновения пузырей и плен.

Трещины. Иногда на поверхности пресс-изделий из некоторых сплавов образуются трещины — надрывы поверхности, направление которых перпендикулярно к продольной оси пресс-изделия. Иногда трещин очень много, они проникают на большую глубину, и тогда все пресс-изделие приобретает характерный вид, который называют «ерш» (рис. 32). Изделие с таким дефектом является окончательным браком; причина образования его состоит в основном в низкой квалификации прессовщика.

Дефект образуется следующим образом. Если прессовщик прессует пруток из высокопрочного алюминиевого сплава Д16, то наибольшая скорость истечения, указанная в технологической инструкции, не должна превышать 2 м/мин. Однако прессовщик увеличил скорость истечения до 2,5 м/мин. В этом случае происходит следующее. В результате того, что при большей скорости истечения затрачивается и переходит в тепло большее количество энергии, температура металла в очаге деформации повышается и может достичь таких значений, при которых пластичность сложнолегированного сплава Д16 резко снизится. При этом в каждой единице объема металла поверхностных слоев заготовки имеются определенные растягивающие усилия. Если они действуют в условиях, когда температура металла еще не начала повышаться и пластичность его велика, металл деформируется и не разрушается. Если те же растягивающие напряжения действуют в условиях резко снизившейся пластичности, то металл не выдерживает напряжений и начинает разрушаться —  «трещать», как говорят прессовщики. Вот тогда на поверхности пресс-изделия образуется ерш. 

Рис. 32. Трещины на поверхности пресс-изделий

Поэтому главное, что должен делать прессовщик, чтобы не допустить образования трещин, это строго соблюдать температурно-скоростные условия прессования. Однако при ручном управлении процессом их все-таки не всегда возможно выдержать, и избежать брака по трещинам не удается. При автоматизированном управлении температурно-скоростные режимы выдерживаются точно, и такой брак невозможен. Другой мерой предотвращения брака по трещинам является снижение растягивающих напряжений. Их можно уменьшить, если снизить неравномерность истечения. Поэтому, например, переход с прямого истечения на обратное способствует снижению трещинообразования, а также прессование со смазкой, применение конических матриц вместо плоских и некоторые другие меры.