Способ изготовления стержневых деталей с головками из (+) титановых сплавов

Способ изготовления стержневых деталей с головками из (+) титановых сплавов

Реферат

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей с головками из титановых сплавов путем изменения физической структуры сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической технике, а также химическом машиностроении и судостроении. Способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов включает многократное редуцирование стержня, высадку головки методом холодного пластического деформирования, после которой заготовки охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды, обкатку наружной поверхности стержня с последующим старением изделий в вакуумной печи при 280-295^oС в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности, и накатку резьбы. Техническим результатом является снижение трудоемкости процесса изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов, значительное сокращение энергозатрат и получение изделия, обладающего высокими эксплуатационными показателями.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей из титановых сплавов путем изменения физической структуры сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической технике, а также химическом машиностроении и судостроении.

Известен способ изготовления стержневых деталей с головками (болтов) из двухфазных (+) титановых сплавов, включающий предварительную упрочняющую термическую обработку заготовок (как правило, путем отжига с охлаждением на воздухе), нанесение на их поверхность твердого оксалатного покрытия, высадку головки и многократное редуцирование стержня, осуществляемые со скоростью 0,5-1,0 м/с с последующим проведением одновременной обкатки радиуса под головкой и стержня и накатывание резьбы (авт. св. СССР 543454, МПК B 21 J 5/08, опубл. 25.01.77).

Недостатками известного способа являются недостаточно высокая выносливость болтов ввиду их низкой прочности. Помимо этого, следует отметить большую трудоемкость изготовления деталей указанным способом, так как отжиг на воздухе приводит к образованию на поверхности прутков окалины, а ее последующее обязательное удаление шлифованием или травлением связано с большими трудозатратами.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов, включающий операции многократного редуцирования стержня заготовки, высадку головки методом холодного пластического деформирования, обкатку наружной поверхности стержня, старение в вакуумной печи и накатку резьбы (патент РФ 2156828, МПК С 22 F 1/18, опубл. БИ 27, 27.09.2000).

Известный способ предусматривает проведение предварительной термической обработки заготовок путем закалки в вакуумной печи при температуре 800-850^oС с последовательным охлаждением их сначала вместе с печью до температуры 580-600^oС, а затем в воде. Из термообработанных прутков после нанесения на их поверхность твердого оксалатного покрытия методом холодного пластического деформирования изготавливают болты. При изготовлении болтов проводят многократное редуцирование стержня со скоростью 0,5-1,0 м/с, холодную высадку головки, обкатку наружной поверхности стержня (гладкую часть стержня и радиус перехода к головке болта). Затем проводят старение в вакуумной печи при 300-400^oС в течение 6-8 ч, с последующей обработкой деталей в течение 18-20 ч во вращающемся барабане смесью стальных шариков диаметром 0,002-0,005 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,2-0,3 м, причем скорость вращения барабана составляет 30-35 об/мин, с изменением направления вращения через каждые 2 мин, после чего накатывают резьбу со скоростью 10-20 об/мин, при давлении 1200-2400 кгс/мм в течение 0,5-1,0 с, при этом величина радиуса впадины резьбы составляет (0,18-0,20) величины шага резьбы.

Существенными недостатками известного способа являются сложность проведения термической обработки заготовок путем закалки в вакуумной печи в заявленном диапазоне температур, связанной с обеспечением равномерности свойств по длине прутка, а также высокие энергозатраты, что в целом отрицательно сказывается на экономичности способа.

Заявляемое изобретение направлено на разработку простого и экономичного способа изготовления качественных стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов, обладающих высокими характеристиками прочности и долговечности, за счет снижения трудоемкости изготовления и сокращения энергозатрат.

Отмеченный выше технический результат достигается способом изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов, включающем многократное редуцирование стержня заготовки, высадку головки методом холодного пластического деформирования, обкатку наружной поверхности стержня, старение в вакуумной печи и накатку резьбы, в котором согласно заявляемому изобретению после высадки головки заготовки охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды, а старение проводят при 280-295^oС в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности.

Сущность заявляемого изобретения состоит в следующем.

В результате проведенных исследований было установлено, что проведение холодной высадки головки болтов из заготовок (без предварительной термообработки последних) с последующим охлаждением заготовок на воздухе до температуры окружающей среды, обкаткой стержня и старением в вакуумной печи в заявляемом режиме позволяет получить детали, обладающие высокими прочностными характеристиками, при существенном упрощении процесса.

Эксперименты показали, что в процессе холодного пластического деформирования стержневых заготовок из двухфазных (+) титановых сплавов температура в зонах скольжения металла становится близкой к температуре плавления; учитывая множественный характер зон скольжения, средняя температура в объеме заготовки доходит до 700-800^oС. В результате соприкосновения сильно разогретых зон скольжения с относительно холодными соседними объемами металла происходит явление "внутренней закалки" с образованием структурных метастабильных зон. Этому способствует также низкая теплопроводность титановых сплавов.

Последующее охлаждение заготовок болтов на воздухе до температуры окружающей среды также способствует мягкой закалке двухфазных (+) титановых сплавов с фиксацией в поверхностных слоях метастабильных и ¹ фаз. При этом было установлено, что меньшее охлаждение не обеспечивает требуемой прочности изготавливаемых болтов. Охлаждение же до более низких температур экономически нецелесообразно.

Было установлено, что последующее старение заготовок болтов в вакууме в экспериментально установленном режиме приводит к стабилизации фазового состава с образованием равновесной (+) структуры, определяющей высокие прочностные характеристики. Исследования показали, что проведение указанной операции при температурах, превышающих 295^oС, приводит к разупрочнению в результате перестаривания, тогда как температурный режим, меньший 280^oС, экономически нецелесообразен.

Операцию старения проводят в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности изготавливаемых деталей, как правило, не менее 5 часов.

Ниже приведен пример, подтверждающий возможность осуществления заявляемого изобретения с получением указанного выше технического результата.

Пример 1.

На прутки из титанового сплава ВТ16 08,5 мм после нанесения на их поверхность твердого оксалатного покрытия методом холодного пластического деформирования изготавливались болты М 7х1. При изготовлении болтов проводили многократное редуцирование стержня со скоростью 0,5-1,0 м/с. После высадки головки заготовки охлаждали на воздухе до температуры окружающей среды. Затем обкатывали одновременно гладкую часть стержня и радиус перехода его к головке роликами на резьбонакатанном станке (для получения гладкой части стержня с высокой степенью точности по 1-2 классу и высокой чистотой поверхности). Старение полученных изделий проводили в вакуумной печи в течение 5 ч при температуре 290^oС.

После этого изделия подвергались специальной обработке в мыльном растворе с концентрацией мыла (0,3-0,5)% во вращающемся барабане в смеси стальных шариков диаметром (0,002-0,006) м и деревянных кубиков с высотой ребра (0,2-0,3) м, при этом скорость вращения барабана составляла 30-35 об/мин с изменением направления вращения через каждые 2 мин. Продолжительность процесса обработки составила 20 ч.

Затем накатывали резьбу на резьбонакатанном станке со скоростью 20 об/мин, при давлении 2400 кгс/мм в течение 0,5 с, при этом величина радиуса впадины резьбы составляла 0,20 величины шага резьбы.

В результате были получены болты, обладающие следующими показателями, определенными в ходе соответствующих испытаний: предел прочности _В - 1100 МПа, предел текучести _0,2 - 1050 МПа, относительное сужение _min - 64%, сопротивление среза Т_cр - 700 МПа, усилие разрыва Р_{разрыва} - 3180 кг.

Пример 2.

Для сравнительной оценки свойств болтов, изготавливаемых по заявляемому способу, были определены свойства исходных прутков из титанового сплава ВТ16 10,5 мм (по примеру 1), подвергнутых одной только операции старения в вакуумной печи в аналогичном описанному в примере 1 режиму.

Результаты статических испытаний, проведенных до и после операции старения, оказались следующие: усилие разрыва Р_{разрыва} до старения - 5040 кг, после старения - 5050 кг; предел прочности _В до старения - 920 МПа, после старения - 920 МПа.

Для болтов, изготавливаемых в соответствии с заявляемым способом, значения указанных прочностных характеристик составили: усилие разрыва Р_{разрыва} до старения - 2950 кг, после старения -3180 кг; предел прочности _В до старения -1021 МПа, после старения -1100 МПа.

Таким образом, заявляемый способ позволяет существенно снизить трудоемкость процесса изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов, значительно сократить энергозатраты и получить при этом изделия, обладающие высокими эксплуатационными показателями.

Формула изобретения

Способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов, включающий многократное редуцирование стержня заготовки, высадку головки методом холодного пластического деформирования, обкатку наружной поверхности стержня, старение в вакуумной печи и накатку резьбы, отличающийся тем, что после высадки головки заготовки охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды, а старение проводят при 280-295^oС в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности.