СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ГОЛОВКАМИ ИЗ ПСЕВДО-β-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2000 года по МПК C22F1/18 B21K1/44 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей из титановых сплавов, преимущественно болтов, и может найти применение в авиакосмической технике, а также в машиностроении, судостроении и химическом производстве.

В настоящее время известен способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β)-титановых сплавов по заявке RU 94004583 А1, 20.10.1995
Он заключается в следующем: заготовку нагревают в вакуумной печи до температуры 800-850^oC для получения метастабильных фаз - β и α″, затем производят медленное охлаждение вместе с печью до температуры 580-600^oC и затем резкое охлаждение в воде до температуры окружающей среды; после нанесения на поверхность прутков твердого оксалатного покрытия производят изготовление болтов методом холодной высадки с многократным редуцированием стержня со скоростью 0,5-1,0 м/сек, обкатывание гладкой части стержня и радиуса перехода к головке одновременно роликами на резьбонакатном станке и накатывание резьбы; после накатывания резьбы изделия подвергают старению в течении 6-8 часов при температуре 300 - 400^oC.

Однако изделия, изготовленные этим способом, имеют температурную область использования 200^oC без ограничения ресурса и 300^oC при кратковременной эксплуатации не более 100 часов. Кроме того, в ряде конструкций авиакосмической техники и в машиностроении необходимо использовать болты с более высокими характеристиками прочности, достижение которых при использовании (α+β)-титановых сплавов становится невозможным без потери ресурса пластичности долговечности изделий.

Для решения поставленной задачи в известном способе изготовления стержневых деталей с головками из (α+β)-сплавов предлагается использовать высокопрочные псевдо-β-титановые сплавы, имеющие в структуре значительно большее содержание β-фазы за счет увеличения содержания ванадия до 18% по массе и снижения содержания молибдена до M₀ ≤ 1% по массе.

Способ изготовления стержневых деталей с головками из псевдо-β-титановых сплавов, предусматривает осуществление операции прокатки прутков при температуре ниже (α+β)/β-перехода с последующим охлаждением прутков на воздухе, затем нанесение на их поверхность оксалатного покрытия, высадку головки и многократное редуцирование стержня, осуществляемые со скоростью 0,5-1 м/с, одновременную обкатку радиуса под головкой и стержня и накатывание резьбы, после чего проводят старение изделий при температуре 450-550^oC в течение 8-10 часов. Прокатку заканчивают в (α+β)-области при температурах, обеспечивающих отсутствие полной рекристаллизации.

Согласно изобретению предварительную термообработку прутков из псевдо-β-титановых сплавов осуществляют одновременно с прокаткой прутков при температуре несколько ниже (α+β)/β-перехода (800^oC) и заключительную операцию по обработке давлением прутков заканчивают при температурах, соответствующих (α+β)-области, при которых металл, хотя бы частично сохраняет нагартовку и полной рекристаллизации не происходит; охлаждение прутков производят на воздухе; после накатывания резьбы производят старение при температурах 450-550^oC.

В итоге после закалки структура псевдо-β-сплавов представлена небольшим количеством первичной α-фазы и метастабильной β-фазой с большой плотностью дислокаций. При старении зарождение упрочняющих фаз происходит на дислокациях, что в конечном итоге приводит к структуре, представленной очень мелкими равномерно расположенными частицами α-фазы в β-матрице. Такой механизм распада β-фазы не приводит к образованию по границам β-зерен оторочек α-фазы. Эти оторочки оказывают отрицательное влияние на механические свойства сплавов, снижая характеристики пластичности и трещиностойкости. В итоге после закалки с температур, соответствующих (α+β)-области, псевдо-β-сплавы обладают повышенными характеристиками прочности, пластичности, вязкости и сопротивления коррозионному растрескиванию по сравнению с β-закалкой.

Старение в диапазоне 450-550^oC позволяет получать предел прочности в диапазоне 1150-1350 МПа в зависимости от требований конструкции изделия. Эксплуатационная температура повышается до 350^oC без ограничения ресурса эксплуатации.

Ниже приведен пример осуществления предлагаемого способа.

Пример.

Прутки из псевдо-β-титанового сплава, например ВТ35 ⊘ 10 мм, прокатанные при температуре 800^oC и охлажденные на воздухе, протачивали до 12 ⊘ 8,5-0,04 мм. Затем наносили твердое оксалатное покрытие, причем температура раствора была на 15-20^oC ниже, чем для прутков из сплава ВТ16 с (α+β)- структурой. Затем холодной высадкой изготавливали болты М8. При изготовлении болтов проводили многократное редуцирование стержня со скоростью 0,5-1,0 м/сек. Обкатывали гладкую часть стержня и переход его к головке одновременно роликами на резьбонакатном станке для получения гладкой части стержня с высокой степенью точности и высокой чистотой поверхности и накатывали резьбу. После накатывания резьбы изделия подвергали старению в течение 8-10 часов при температуре 530^oC.

Были определены механические свойства прутков и болтов по результатам статических и динамических испытаний. Для сравнительной оценки свойств болтов, изготавливаемых по предлагаемому способу, были также определены свойства болтов, изготавливаемых по способу-прототипу и болтов из ВТ16, термообработанных по режиму, указанному в инструкции ВИАМ N 685-76.

Из сравнения полученных данных следует, что по предлагаемому способу можно изготавливать крепежные изделия, имеющие более высокие характеристики прочности и долговечности по сравнению с известными способами, что имеет большое значение при эксплуатации изделий в конструкциях и увеличении срока их службы, в условиях повышенных до 350^oC температур эксплуатации.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении. Задачей изобретения является повышение прочностных и усталостных характеристик стержневых деталей из титановых сплавов. Способ изготовления стержневых деталей с головками из псевдо-β-титановых сплавов предусматривает операцию прокатки прутков при температуре ниже (α+β)/β-перехода с последующим охлаждением прутков на воздухе, нанесение на их поверхность оксалатного покрытия, высадку головки и многократное редуцирование стержня, осуществляемые со скоростью 0,5-1 м/с, одновременную обкатку радиуса под головкой и стержня и накатывание резьбы, после чего проводят старение изделий при 450-550°С в течение 8-10 ч, что позволяет значительно повысить прочностные характеристики в изделиях при одновременном увеличении их долговечности и температуры эксплуатации. 1 табл.

1. Способ изготовления стержневых деталей с головками из псевдо-β-титановых сплавов, отличающийся тем, что осуществляют операцию прокатки прутков при температуре ниже (α+β)/β-перехода с последующим охлаждением прутков на воздухе, затем наносят на их поверхность оксалатное покрытие, производят высадку головки и многократное редуцирование стержня, осуществляемые со скоростью 0,5 - 1 м/с, одновременную обкатку радиуса под головкой и стержня и накатывание резьбы, после чего проводят старение изделий при 450 - 550^oC в течение 8 - 10 ч. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатку заканчивают в (α+β) - области при температурах, обеспечивающих отсутствие полной рекристаллизации.