способ изготовления стержневых деталей с головками из (+) титановых сплавов
Классы МПК: | C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов |
Автор(ы): | Воробьев И.А., Воробьев А.И. |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью Научно- производственное предприятие "Велес" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-07-11 публикация патента:
27.01.2003 |
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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) 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 280-295oС 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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) титановых сплавов, значительное сокращение энергозатрат и получение изделия, обладающего высокими эксплуатационными показателями.
Формула изобретения
Способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (+) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) 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 280-295oС в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности.Описание изобретения к патенту
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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) 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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) 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 800-850oС с последовательным охлаждением их сначала вместе с печью до температуры 580-600oС, 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 300-400oС 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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) 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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) 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 280-295oС 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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) титановых сплавов температура в зонах скольжения металла становится близкой к температуре плавления; учитывая множественный характер зон скольжения, средняя температура в объеме заготовки доходит до 700-800oС. 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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) титановых сплавов с фиксацией в поверхностных слоях метастабильных +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> и +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">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 (+) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) структуры, определяющей высокие прочностные характеристики. Исследования показали, что проведение указанной операции при температурах, превышающих 295oС, приводит к разупрочнению в результате перестаривания, тогда как температурный режим, меньший 280oС, 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 290oС. 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 +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197008/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">В - 1100 МПа, предел текучести +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197008/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">0,2 - 1050 МПа, относительное сужение +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197322/968.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">min - 64%, сопротивление среза Тcр - 700 МПа, усилие разрыва Рразрыва - 3180 кг. Пример 2. Для сравнительной оценки свойств болтов, изготавливаемых по заявляемому способу, были определены свойства исходных прутков из титанового сплава ВТ16 +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197043/8856.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">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 Рразрыва до старения - 5040 кг, после старения - 5050 кг;
предел прочности +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197008/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">В до старения - 920 МПа, после старения - 920 МПа. Для болтов, изготавливаемых в соответствии с заявляемым способом, значения указанных прочностных характеристик составили:
усилие разрыва Рразрыва до старения - 2950 кг, после старения -3180 кг;
предел прочности +) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197008/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">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, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197021/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">++) титановых сплавов, патент № 2197555" SRC="/images/patents/273/2197004/946.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">) титановых сплавов, значительно сократить энергозатраты и получить при этом изделия, обладающие высокими эксплуатационными показателями.
Класс C22F1/18 тугоплавких или жаростойких металлов или их сплавов