СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ГОЛОВКАМИ ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ Российский патент 2008 года по МПК C21D1/78 C21D8/00 C21D7/06 C21D1/44 

Область изобретения

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей с головками из экономнолегированных коррозионностойких азотсодержащих сталей путем изменения их физико-механических свойств в процессе холодного пластического деформирования и последующей термической обработки, и может быть использовано в авиакосмической технике, а также в автомобилестроении, судостроении и химическом машиностроении.

Уровень техники

Для целого ряда конструкций, там, где снижение веса не является решающим фактором повышения технических характеристик, например, повышение грузоподъемности летательных аппаратов, основным фактором становится стоимость всей конструкции и ее конкурентоспособность на рынке при прочих равных условиях.

Известен способ изготовления стержневых деталей с головками из псевдо-βтитановых сплавов, включающий операцию прокатки прутков при температуре ниже (α+β)/β - перехода и последующую холодную пластическую деформацию с последующими операциями: обкатка радиуса под головкой и стержня, накатывание резьбы и старение изделий при 450-550°С в течение 8-10 ч (патент РФ №2156829, МПК C22F 1/18, В21К 1/44 опубл. 27.09.2000).

Однако изделия, изготовленные этим способом, не обеспечивают увеличение прочностных характеристик до уровня возросших требований современной техники и, кроме того, являются дорогостоящими. (К примеру, увеличение содержания ванадия до 18% по массе существенно увеличивает стоимость изделий). Следует отметить и большой разброс механических свойств изделий, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения.

В настоящее время наиболее перспективным является производство так называемых экономнолегированных нержавеющих сталей с использованием азота для повышения коррозионной стойкости, снижением содержания легирующих элементов, например марганца и особенно ванадия. Стали данного класса мало чувствительны к концентраторам напряжений и к скорости деформации, являются более экономичными, имеют более низкий, по сравнению с титановыми сплавами, коэффициент упрочнения, что позволяет увеличить стойкость холодновысадочного инструмента при изготовлении стержневых деталей с головками. В то же время, указанные стали имеют низкие показатели прочности и пластичности. Так, например, прочность в закаленном виде хромомарганцевоникелевой стали с азотом 12Х17Г9АН4 (А=0,15-0,25) составляет в закаленном виде σ=700 МПа; показатель пластичности хромоникельмолибденовой стали с азотом 1Х15Н4АМ3-Ш (А=0,05-0,10) составляет ψ=50%; показатели хромоникелькремнемарганцовистой стали Х18Н5Г9АС4 (А=0,15-0,25) σ_в=800 МПа после закалки, ψ=50% (Справочник Авиационные материалы, ОНТИ, 1975, т.2, с.28, 101, 304). Низкие показатели прочности и пластичности препятствуют в полной мере использовать данные стали для производства крепежных деталей сложной формы методом холодного пластического деформирования.

Известен способ изготовления стержневых деталей с головками из коррозионно-стойких азотсодержащих экономнолегированных сталей, в качестве которой приводится сталь состава, в мас.%: углерод 0,005÷0,07; кремний не более 1,0; марганец не более 1,8; хром 12,5÷17,0; никель 2,0÷8,0; молибден + 3 вольфрам 0,05÷4,5; азот 0,005÷0,15; бор 0,0001÷0,01; по крайней мере, один из компонентов: алюминий, титан, ниобий, ванадий - 0,01÷5,0; железо и примеси - остальное. При этом (Mo+3·W)≤(k₁-Cr·a₁), где k₁=15,9, a₁=0,87, а также Ni=k₂·a₂·(Cr+Mo+W), где k₂=16,25±1,5, a₂=0,7±0,1.

Согласно известному способу заготовки из стали указанного состава, преимущественно цилиндрической формы, предварительно подвергают термообработке, после этого заготовки режутся на мерные прутки, затем производится высадка головки в холодном или горячем состоянии с последующей предварительной термообработкой, осуществляемой в режиме: нагрев до 900-1150°С, выдержка 1-100 мин, охлаждение на воздухе или в среде с повышенной охлаждающей способностью, например воде или масле, после чего производят повторную термообработку с режимами нагрев и выдержка изделий при температуре 300-650°С в течение 2-17 ч с последующим охлаждением на воздухе или в среде с повышенной охлаждающей способностью, например воде или масле. После проведения термообработки наносят резьбу методом накатки или нарезки и получают изделие в виде болта или винта (патент РФ №2270269, МПК С22С 38/58, С22С 38/54, C21D 6/06, опубл. 20.02.2006).

Как показали эксперименты, крепежные детали сложной формы, изготовленные в условиях известного способа, имеют неудовлетворительные показатели прочности и пластичности, что в целом делает данный способ неэффективным.

Сущность изобретения

Заявляемое изобретение направлено на разработку высокоэффективного способа изготовления стержневых деталей с головками из коррозионностойких азотсодержащих экономнолегированных сталей, позволяющего изготавливать крепежные детали сложной формы с пределом прочности, превышающим 1400 МПа и повышенными показателями пластичности.

Отмеченный выше технический результат достигается тем, что в способе изготовления стержневых деталей с головками из коррозионностойких азотсодержащих экономнолегированных сталей, включающем предварительную термообработку заготовок, механическую обработку, включающую операции высадки головки методом холодного пластического деформирования и накатывания резьбы, согласно заявляемому изобретению после накатывания резьбы детали подвергают закалке путем нагрева в соляной ванне при 1000-1050°С и охлаждением в воде, отпуску в каустической ванне при 400-450°С в течение 1-2 ч с последующей дополнительной обработкой не менее 10 ч во вращающемся барабане смесью стальных шариков диаметром 0,002-0,005 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,02-0,03 м. Кроме того, обработку во вращающемся барабане осуществляют со скоростью вращения барабана 40-50 об/мин с изменением направления вращения через каждые 2 мин.

Сущность заявляемого способа состоит в следующем.

В результате проведенных исследований было установлено, что проведение предлагаемой термической и механической обработки (в установленной последовательности и режимах) сложных стержневых деталей, изготовленных из коррозионностойких азотсодержащих экономнолегированных сталей методом холодного пластического деформирования, позволяет получать изделия с пределом прочности, превышающим 1400 МПа, и высокими показателями пластичности (ψ>55% и δ>25%).

Так, исследования показали, что после накатывания резьбы детали целесообразно подвергнуть закалке путем нагрева в соляной ванне при 1000-1050°С с последующим охлаждением в воде. Установлено, что закалка с температуры выше 1050°С приводит к снижению прочностных характеристик изделий, тогда как проведение данной операции при температуре ниже 1000°С приводит к снижению пластических характеристик.

Оптимальный режим последующей операции - отпуска в каустической ванне также был определен экспериментально и составил 400-450°С в течение 1-2 ч. Отпуск при температуре выше 450°С приводит к снижению прочности за счет укрупнения частиц карбонитридов хрома. Время выдержки 1-2 часа обеспечивает получение максимальной прочности и пластичности. Отпуск при температуре 400-450°С с выдержкой менее 1 часа и более 2 часов приводит к получению более низкой прочности: при выдержке менее 1 часа не выделяются дисперсные частицы нитридов, упрочняющие сплав, а выдержка более 2 часов приводит к разупрочнению за счет укрупнения частиц карбонитридов хрома.

Было установлено, что после операции «отпуск» прочность по сечению изделия одинакова и в сочетании с высокой пластичностью, позволяет получать изделия не чувствительные при испытаниях с перекосом под головкой изделия. Высокая пластичность материала позволяет гасить возникающие перегрузки и неровности опорных поверхностей.

Проведение следующей операции - гидрополировки изделий стальными шариками в смеси с деревянными кубиками во вращающемся барабане приводит к дополнительному увеличению коррозионной стойкости изделий и увеличению характеристик выносливости.

Смена направлений вращения барабана при этом позволяет периодически возвращать в зону обработки шарики более крупных размеров, что дополнительно интенсифицирует процесс обработки.

Наличие деревянных кубиков вместе с шариками увеличивает качество отделки поверхности изделия, повышает чистоту поверхности, доводя ее до зеркального блеска (Ra=0,09-0,15 мкм). Обработка поверхности шариками и кубиками с размерами, выходящими за заявляемые пределы, приводит к снижению эффективности обработки.

Режимы и параметры операции гидрополировки были установлены экспериментально, исходя из достижения оптимальных показателей процесса. Исследования показали, что снижение скорости вращения барабана ниже 40 об/мин уменьшает степень нагартовки, а превышение заявляемого верхнего предела скорости, равного 50 об/мин, экономически нецелесообразно. Оптимальное время обработки составляет не менее 10 часов. Превышение заявляемого режима экономически нецелесообразно.

Ниже приведены примеры, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с получением указанного выше технического результата.

Пример 1

На прутки из коррозионностойкой, азотосодержащей стали 05Х16Н5АБ ⊘8,5 мм в виде серебрянки, термообработанных на заводе-поставщике на минимальную прочность и максимальную пластичность, наносилось твердое оксалатное покрытие. Затем методом холодного пластического деформирования изготавливались винты М 7×1 с наружной 12-шлицевой головкой и с внутренним многогранным шлицем.

При изготовлении проводили многократное редуцирование стержня со скоростью 0,5-1,0 м/с. Далее накатывали резьбу на резьбонакатном станке со скоростью 20 об/мин, в течение 0,5 с, при этом величина радиуса во впадине резьбы составляла 0,20 величины шага резьбы. После этого изделия термообрабатывались путем нагрева в соляной ванне при t=1000°C и охлаждались на воду. Затем производился отпуск при t=400°C, 2 часа в каустической ванне с охлаждением в воде. После этого изделия подвергались специальной обработке 0,3-0,5% во вращающемся барабане в смеси стальных шариков диаметром 0,002-0,005 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,02-0,03 м со скоростью вращения барабана 50 об/мин, с изменением направления вращения барабана через каждые 2 минуты. Продолжительность процесса обработки составляла 10 часов.

Статические и динамические свойства изделий, определенные по результатам статических и усталостных испытаний, приведены ниже:

σ_в-1420-1500 МПа

σ_0,2 - 1022-1079 МПа

τ_ср - 940-950 МПа

ψ, % min - 62,5

Многоцикловая усталость при К=0,42 N_pp - 146300

Пример 2

На прутки из коррозионностойкой азотосодержащей стали 05Х16Н5АБ ⊘7,8 мм в виде обточенных прутков, термообработанных на заводе-поставщике на минимальную прочность и максимальную пластичность, наносилось твердое оксалатное покрытие. Затем методом холодного пластического деформирования изготавливались болты М 8×1,25 с шестигранной головкой. При изготовлении болтов проводили редуцирование стержня со скоростью 0,5-1,0 м/с. Далее накатывали резьбу на резьбонакатном станке со скоростью 20 об/мин, в течение 0,5 с, при этом величина радиуса во впадине резьбы составляла 0,20 величины шага резьбы. После этого болты термообрабатывались путем нагрева в соляной ванне при t=1000°C и охлаждались на воду. Затем производился отпуск при t=400°C, 2 часа в каустической ванне с охлаждением в воде. После этого болты подвергались специальной обработке 0,3-0,5% во вращающемся барабане в смеси стальных шариков диаметром 0,002-0,005 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,02-0,03 м со скоростью вращения барабана 50 об/мин с изменением направления вращения барабана через каждые 2 минуты. Продолжительность процесса обработки составляла 10 часов.

Статические и динамические свойства изделий, определенные по результатам статических и усталостных испытаний, приведены ниже

σ_в - 1420-1500 МПа

σ_0,2 - 1022-1079 МПа

τ_ср - 940-950 МПа

ψ, % min - 62,5

Многоцикловая усталость при К=0,4 N_pp - 180000

Таким образом, заявляемый способ позволяет изготавливать обладающие высокими прочностными и усталостными характеристиками стержневые детали с головками из экономнолегированных коррозионно-стойких азотсодержащих сталей. Стоимость прутков из сталей данного класса на порядок ниже стоимости прутков из высокопрочных титановых сплавов, что существенно снижает себестоимость изделий. Температурная область применения изделий увеличивается до 450°С без ограничения ресурса. Кроме того, изготовленные изделия могут успешно эксплуатироваться в морской воде и 3,5% растворе HCl, что дает возможность использовать их взамен титановых при разнообразных климатических условиях с высокой степенью эксплуатационной надежности.

Изобретение относится к области металлургиии и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении и химическом машиностроении. Для изготовления крепежных изделий сложной формы с пределом прочности, превышающим 1400 МПа, и высокими показателями пластичности (ψ>55% и δ>25%) предварительно термообработанную заготовку подвергают механической обработке, включающей операции высадки головки методом холодного пластического деформирования и накатывания резьбы, причем после накатывания резьбы детали подвергают закалке путем нагрева в соляной ванне при 1000-1050°С и охлаждения в воде, а затем отпуску в каустической ванне при 400-450°С в течение 1-2 час, с последующей дополнительной обработкой не менее 10 час во вращающемся барабане смесью стальных шариков диаметром 0,002-0,005 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,02-0,03 м. Кроме того, обработку во вращающемся барабане осуществляют со скоростью вращения барабана 40-50 об/мин с изменением направления вращения через каждые 2 мин. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления стержневых деталей с головками из коррозионно-стойких азотсодержащих экономнолегированных сталей с пределом прочности, превышающим 1400 МПа, включающий предварительную термообработку заготовок, механическую обработку, содержащую операции высадки головки холодным пластическим деформированием и накатывания резьбы, отличающийся тем, что после накатывания резьбы детали подвергают закалке путем нагрева в соляной ванне при 1000-105 0°С и охлаждения в воде, а затем отпуску в каустической ванне при 400-450°С в течение 1-2 ч, с последующей дополнительной обработкой не менее 10 ч во вращающемся барабане смесью стальных шариков диаметром 0,002-0,005 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,02-0,03 м.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку во вращающемся барабане осуществляют со скоростью вращения барабана 40-50 об/мин с изменением направления вращения через каждые 2 мин.