способ локального упрочнения заготовок осесимметричной формы сдвиговыми деформациями

Формула изобретения

1. Способ локального упрочнения полых и сплошных заготовок деталей осесимметричной формы из средне- и высоколегированных сталей и сплавов на основе железа с изменением размеров поперечного сечения по длине заготовки на величину, не превышающую 10...12%, методом интенсивной сдвиговой пластической деформации при кручении, включающий горячее пластическое деформирование жестко закрепленной между двумя захватами заготовки в заданных термомеханических условиях, отличающийся тем, что осуществляют пластическое деформирование заготовки, нагретой до температуры из интервала не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации, путем вращения одного или двух захватов со скоростью и степенью деформации, достаточными для накопления при пластической деформации связанной с дислокациями энергии, обеспечивающей протекание процессов динамической рекристаллизации без потери устойчивости заготовки и ее разрушения, и с обеспечением сосредоточения деформации вблизи периферийного слоя заготовки с достижением за счет динамической рекристаллизации максимально возможного измельчения размера зерна в приповерхностной области и градиентной структуры по сечению и длине заготовки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют вращение захватов с опережением одного из них на величину угловой скорости.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют вращение захватов в разных направлениях относительно друг друга.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку вблизи захватов нагревают до более высокой в пределах заданного интервала температуры, не более чем на 20...30°С превышающей среднее значение температуры по длине заготовки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку помещают в контейнер с образующей внутренней полости, повторяющей профиль заготовки по длине, который вращают синхронно с вращающимся захватом.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовки из сильно окисляющегося сплава упрочняют в защитной среде или вакууме.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку перед пластическим деформированием нагревают неравномерно по сечению с заданным градиентом температур от оси к периферии заготовки из условия обеспечения температуры у поверхности, позволяющей получить наиболее благоприятные условия для сдвиговой деформации и динамической рекристаллизации, а температуры в осевой зоне - не выше температуры начала собирательной рекристаллизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам получения заготовок осесимметричной формы с изменением размеров поперечного сечения по длине не более 10-12% из средне- и высоколегированных сталей и сплавов на основе железа с мелкозернистой структурой, в том числе с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой в поверхностном слое. УМЗ структура с размером зерен менее 10 мкм в заготовках и деталях обеспечивает высокий уровень физических и механических свойств и представляет большой интерес для достижения требуемого, например градиентного, распределения физико-механических свойств, в частности прочности и пластичности, в определенных зонах по объему изделия. С применением данного способа возможно получать осесимметричные заготовки деталей с высокими прочностными характеристиками вблизи боковой поверхности.

Известны способы обработки осесимметричных заготовок по схеме кручения [RU 219162, В21J 5/00, Бюл. №30, 27.10.2002, «Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», Д.Е.Глухов, В.Н.Голубев; RU 2021064, В21J 5/00, Бюл. №19, 15.10.94, «Способ обработки осесимметричных заготовок кручением», Мазурский М.И., Еникеев Ф.У., Коршунов А.А.]. В основе этих способов лежит интенсивная пластическая деформация, которая при заданных термомеханических режимах процесса позволяет за счет динамической рекристаллизации измельчить размер зерна до нескольких микрон, что в свою очередь обеспечивает получение высоких физико-механических и служебных свойств. Наиболее близким техническим решением является способ [RU 94010931, В21J 5/00, Бюл. №31, 10.11.95, «Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», Ф.З.Утяшев, О.А.Кайбышев, Ф.У.Еникеев, Р.З.Валиев]. В соответствии с ним нагретую заготовку до температуры собирательной рекристаллизации устанавливают в контейнер для прессования и производят прессование, которое совмещают с пластическим кручением заготовки, со степенью деформации 2...5. Каждый из этих способов имеет свои преимущества, но при этом их недостатки не дают возможности их промышленного применения при производстве крупногабаритных поковок. Данные решения направлены на проработку структуры во всем объеме заготовки с достижением однородных свойств по сечению. Это не позволяет применять их для получения поковок из материалов с особыми свойствами, имеющих строгие ограничения по размерам структурного параметра в определенных участках в объеме деформируемой заготовки, но с высокими требованиям к статическим и усталостным прочностным характеристикам в приповерхностных слоях из-за специфики условий работы изготавливаемой детали. В условиях мелкосерийного и среднесерийного производства использование представленных способов из-за высокой стоимости изготовления громоздкой оснастки и дополнительных затрат на материалы для инструмента приведет к неоправданно высоким финансовым потерям.

Задачей данного изобретения является создание универсального способа термомеханической обработки осесимметричных заготовок, в том числе и крупногабаритных, для получения высоких физических и механических свойств в поверхностном слое за счет измельчения структуры до размеров менее 10 мкм, а также достичь минимально возможный уровень затрат в условиях мелкосерийного и среднесерийного производства при обработке заготовки по сравнению со способом-прототипом и способами-аналогами.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в способе локального упрочнения полых и сплошных заготовок деталей осесимметричной формы из средне- и высоколегированных сталей и сплавов на основе железа с изменением размеров поперечного сечения по длине заготовки на величину, не превышающую 10...12%, методом интенсивной сдвиговой пластической деформации при кручении, включающем горячее пластическое деформирование жестко закрепленной между двумя захватами заготовки в заданных термомеханических условиях, осуществляют пластическое деформирование заготовки, нагретой до температуры из интервала не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации, путем вращения одного или двух захватов со скоростью и степенью деформации, достаточными для накопления при пластической деформации, связанной с дислокациями энергии, обеспечивающей протекание процессов динамической рекристаллизации без потери устойчивости заготовки и ее разрушения, и с обеспечением сосредоточения деформации вблизи периферийного слоя заготовки с достижением за счет динамической рекристаллизации максимально возможного измельчения размера зерна в приповерхностной области и градиентной структуры по сечению и длине заготовки.

Вращение захватов можно осуществлять с опережением одного из них на величину угловой скорости или в разных направлениях относительно друг друга.

Для достижения направленного формирования распределения УМЗ структуры заготовку вблизи захватов нагревают до более высокой в пределах заданного интервала температуры, не более чем на 20...30°С превышающей среднее значение температуры по длине заготовки.

Заготовка может быть помещена в контейнер с образующей внутренней полости, повторяющей профиль заготовки по длине, который вращают синхронно с вращающимся захватом.

Заготовки из сильно окисляющегося сплава упрочняют в защитной среде или вакууме.

Заготовка может быть нагрета неравномерно по сечению с заданным градиентом температур от оси к периферии из условия обеспечения температуры у поверхности, позволяющей получить наиболее благоприятные условия для сдвиговой деформации и динамической рекристаллизации, температура в осевой зоне не превышает температуру начала собирательной рекристаллизации.

Экономичность процесса обеспечивается за счет использования серийно выпускаемого оборудования и упрощения инструментальной оснастки благодаря простой схеме нагружения.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично показан предлагаемый способ локального упрочнения заготовок осесимметричной формы сдвиговыми деформациями. Между верхним 1 и нижним 2 захватами устанавливается заготовка 3. Изотермические условия обеспечиваются за счет нагревательных элементов 4 и стенок камеры печи 5. Передача крутящего момента к заготовке осуществляется от верхнего 1 и нижнего 2 захвата с угловой скоростью ₁ и ₂. Скорости вращательного движения захватов независимы и могут регулироваться так, чтобы обеспечить набор требуемой деформации.

Пример

Образцы в виде цилиндрической осесимметричной заготовки из магнитотвердого сплава Fe-30%Cr-8%Co с выступами, сделанными в концевых частях, повторяющими геометрию пазов инструмента, обеспечивающих жесткое крепление заготовки при нагружении, подвергали кручению в изотермических условиях при температуре 750°С со скоростью 0,02 рад/сек с углами закручивания 360°, 1080°, 1800°. Деформирующий крутящий момент передается заготовке через верхний инструмент. В результате изучения микроструктуры деформированных заготовок было получено, что с увеличением угла закручивания размер зерна в периферийной части от центра заготовки у боковой поверхности уменьшается и при 1800° достигает величины, соответствующей УМЗ структуре ˜1 мкм. Однако при этом происходит некоторое измельчение структуры и в центральной части ˜10 мкм. Причем чем больше угол закручивания, тем меньше разброс значений величины размера зерна в центральной и периферийной части по толщине заготовки после деформации.

Предлагаемый способ позволит расширить технологические возможности обработки металлов давлением с применением крутящего момента.

Предлагаемый способ позволит обеспечить возможность обрабатывать боковую поверхность тел вращения с целью локального упрочнения вблизи боковой поверхности поковки, в частности из хрупких материалов с высокими требованиями по специальным свойствам, а также чувствительных к дополнительной обработке, связанной с изменением размера структурного параметра.