СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОМПРЕССИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ Российский патент 2008 года по МПК B23P15/06 B21F37/02 C21D8/06 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении стальных компрессионных поршневых колец из проволоки.

Известен способ изготовления стальных поршневых колец, включающий деформационное упрочнение протягиванием проволоки с обжатием через профильные волочильные ролики, навивку спрофилированной стальной ленты на оправку в спираль с одновременной закалкой при температуре 900-1200°С, разрезку спирали на оправке на отдельные кольца, их отпуск в заневоленном в осевом направлении состоянии при температуре не более 600°С с одновременной термофиксацией по плоскости и последующую термостабилизацию колец при температуре не более 350°С (патент RU 2132763, МПК⁶ B23P 15/06, В21D 53/16).

Основными недостатками данного способа являются невысокое качество получаемых стальных компрессионных поршневых колец, обусловленное тем, что после закалки и отпуска при температуре не более 600°С, то есть улучшения, спрофилированная стальная лента приобретает сорбитную структуру с низкими упругими свойствами, а последующая термостабилизация колец при температуре не более 350°С не вносит никаких структурных и прочностных изменений; повышенная трудоемкость изготовления стальных компрессионных поршневых колец, обусловленная, во-первых, проведением закалки при температуре 900-1200°С, которую технически сложно выполнить, во-вторых, образованием после закалки на поверхности спирали окисной пленки, которую необходимо очищать.

Известен способ изготовления кольцевых упругих элементов, в частности пружин и рессор, включающий деформационное упрочнение протягиванием стальной проволоки с обжатием 40-60% через профильные волочильные ролики, навивку на оправку, отпуск полученного профиля при температуре 280-300°С в течение 20-40 мин. Этот способ является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве прототипа (Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы / А.Г.Рахштадт. - М.: Металлургия, 1971. - С.73-74).

Основным недостатком описанного способа изготовления кольцевых упругих элементов является отсутствие возможности его использования для изготовления стальных компрессионных поршневых колец, обусловленное, во-первых, низким показателем пластичности получаемых кольцевых упругих элементов, составляющим 3-4%, после деформационного упрочнения протягиванием стальной проволоки с обжатием 40-60% и отпуска в температурном интервале 280-300°С в течение 20-40 мин при высоких упругих свойствах (σ_0,01=1200 МПа), необходимых для работы кольцевых упругих элементов на сжатие, во-вторых, пониженной эксплуатационной стойкостью получаемых кольцевых упругих элементов из-за низкого показателя пластичности, приводящего к поломкам и разрушениям при значительных динамических нагрузках во время работы двигателя более 1000 оборотов в минуту.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения изготовления стальных компрессионных поршневых колец с высокой эксплуатационной стойкостью и пластичностью.

Для решения поставленной задачи в способе изготовления стальных компрессионных поршневых колец, включающем деформационное упрочнение протягиванием проволоки с обжатием через профильные волочильные ролики, навивку на оправку, отпуск полученного профиля, согласно изобретению предварительно осуществляют рекристаллизационный отжиг при температуре на 10-20°С ниже точки Ас₁ в течение 1 ч, деформационное упрочнение протягиванием проволоки через волочильные ролики проводят с обжатием 70-75%, после чего выполняют отпуск при температуре 500°С в течение 1 ч, а затем навивку полученного профиля на оправку с натяжением и последующий термостабилизационный отпуск для динамического старения под нагрузкой и полигонизации при температуре 550°С в течение 1 ч, разрезку на оправке стального компрессионного поршневого кольца на отдельные кольца.

Выполнение рекристаллизационного отжига при температуре на 10-20°С ниже критической точки Ас₁ в течение 1 часа необходимо для придания металлу наибольшей пластичности перед холодной обкаткой давлением (Новиков И.И. Теория термической обработки металлов / И.И.Новиков. - М.: Металлургия, 1978. - С.87-88).

Отжиг при температуре ниже критической точки Ас₁ более чем на 20°С недостаточен для получения однородной структуры стали, а отжиг при температуре выше 10°С опасен из-за возможного протекания а→γ-фазовых превращений и получения неоднородной структуры стали. После отжига при температуре на 10-20°С ниже точки Ас₁ в течение 1 часа достигаются высокие степени обжатия, связанные с получением ориентированной структуры, что способствует равномерной деформации при волочении (Коткис М.А., Скобло А.В. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1968. - №2. - С.52).

Достижение высокого упрочнения сталей в результате холодной пластической деформации является следствием увеличения числа дефектов строения при изменении характера их распределения и измельчения пластинок феррита и цементита. Это - высокое упрочнение при достаточной пластичности и вязкости в результате пластической деформации с большим обжатием, обычно около 80% (Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы / А.Г.Рахштадт. - М.: Металлургия, 1971. - С.47-48). В то же время значения свойств, характеризующих пластичность и вязкость стали, с ростом степени обжатия увеличиваются лишь до обжатия 75-82%, а затем снижаются (Потемкин К.Д. В сб. «Современная технология термической обработки деталей машин». - ЛДНТП, 1965. - вып.2. - С.36).

Обжатие, составляющее 70-75% при деформационном упрочнении протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики, является оптимальным для достижения максимального упрочнения и получения высоких значений пластичности и упругости стали после отпуска при 500°С и 550°С по 1 ч. При обжатии менее 70% пластичность стали снижается, а после обжатия более 75% появляются поверхностные трещины.

Отпуск при температуре 500°С в течение 1 ч является оптимальным для залечивания деформационных дефектов и повышения пластичности стали перед навивкой профиля на оправку. Этот процесс носит деформационный характер. Известно, что еще до температур рекристаллизации протекают процессы отдыха и полигонизации, которые приводят к возврату физических и механических свойств (Новиков И.И. Теория термической обработки металлов / И.И.Новиков. - М.: Металлургия, 1978. - С.33 - 40).

Нагрев при температуре менее 500°С недостаточен для протекания процессов отдыха, а при температуре более 500°С сопровождается полигонизацией, то есть упорядочением и стабилизацией структуры (Богатов А.А Ресурс пластичности металлов при обработке металлов давлением / А.А.Богатов, О.Н.Мижирецкий, С.В.Смирнов. - М.: Металлургия, 1984. - С.143).

Навивка полученного профиля компрессионного кольца на оправку с натяжением сопровождается динамическим старением (упрочнением) при последующем термостабилизационном отпуске при температуре 550°С, 1 ч.

Главным достоинством динамического старения при отпуске под нагрузкой является то, что структурное и напряженное состояние стали оказывается таким, каким оно будет в деталях и конструкциях в условиях их эксплуатации. Это определяет большую стабильность свойств и повышение надежности (Рахштадт А.Г. Динамическое старение пружинных сталей и сплавов / А.Г.Рахштадт, И.Г.Воробьева. - Новые стали и сплавы, режимы их термической обработки. - Материалы краткосрочного семинара. - Ленинград, 1983. - С.6-8).

Термостабилизационный отпуск на оправке стальных компрессионных поршневых колец при температуре 550°С в течение 1 ч является оптимальным для протекания процессов полигонизации, то есть выстраивания дислокационных стенок и повышения механических свойств деформированной структуры, так как окончательные свойства упругих элементов определяются условиями отпуска, в процессе которого реализуются потенциальные возможности повышенного сопротивления малым пластическим деформациям, динамическим нагрузкам и всего комплекса эксплуатационных характеристик компрессионных поршневых колец. Термостабилизационный отпуск при температуре выше 550°С приводит к перестариванию полигонизованной структуры и снижению упругих свойств колец. Отпуск при температуре менее 550°С недостаточен для полного протекания полигонизации и формирования дислокационной субструктуры.

Способ изготовления стальных компрессионных поршневых колец осуществляют следующим образом.

Предварительно осуществляют рекристаллизационный отжиг проволоки при температуре на 15°С ниже точки Аc₁ в течение 1 ч. Затем осуществляют деформационное упрочнение протягиванием проволоки с обжатием 70% через профильные волочильные ролики, отпуск при температуре 500°С в течение 1 ч и навивку полученного профиля на оправку с натяжением. После этого профиль подвергают термостабилизационному отпуску при температуре 550°С в течение 1 ч для динамического старения под нагрузкой и полигонизации, а затем осуществляют разрезку на оправке профиля стального компрессионного поршневого кольца на отдельные кольца.

Проволоку можно изготавливать из стали 65Г или 50ХФА, или 38ХМЮА, или 20Х13(30Х13).

Пример конкретного выполнения способа

Бухту проволоки диаметром 5 мм из стали 20Х13 загружают в контейнер, на дно которого засыпают 50 г карбамида (CO(NH₂)₂) для вытеснения воздуха во время нагрева и создания безокислительной среды. Затем эту бухту проволоки закрывают крышкой и уплотняют песком («песочный затвор»), помещают в электропечь, нагревают до заданной температуры на 15°С ниже точки Ас₁, то есть проводят рекристаллизационный отжиг, выдерживают 1 ч, охлаждают с контейнером до температуры окружающей среды.

После этого бухту проволоки помещают на разматывающее устройство и осуществляют деформационное упрочнение протягиванием через профильные волочильные ролики с обжатием 75% и с навивкой на барабан.

Полученный профиль снимают с барабана и помещают в контейнер, который загружают в электропечь, и выполняют отпуск при температуре 500°С для залечивания деформационных дефектов и повышения пластичности стали, после прогрева выдерживают 1 ч, охлаждают на воздухе и осуществляют навивку полученного профиля на оправку заданного диаметра с натяжением и последующий термостабилизационный отпуск для динамического старения под нагрузкой и полигонизации при температуре 550°С в течение 1 ч, разрезку на оправке профиля стального компрессионного поршневого кольца на отдельные кольца.

Предлагаемое изобретение позволяет изготовить стальные компрессионные поршневые кольца, обладающие высокими эксплуатационной стойкостью и пластичностью, а также высокими показателями твердости и износостойкости после химико-термической обработки вместо традиционного электролитического покрытия хромом.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении стальных компрессионных поршневых колец из проволоки. Предварительно проволоку подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре на 10-20°С ниже точки Ас₁ в течение 1 ч. Затем производят деформационное упрочнение проволоки путем ее протягивания с обжатием 70-75% через профильные волочильные ролики. Осуществляют отпуск полученного профиля при температуре 500°С в течение 1 ч. Затем профиль навивают на оправку с натяжением и производят его термостабилизационный отпуск. Отпуск ведут при температуре 550°С в течение 1 ч для динамического старения под нагрузкой и полигонизации. Профиль разрезают на оправке на отдельные кольца. В результате обеспечивается изготовление поршневых колец, имеющих высокую стойкость и пластичность.

Способ изготовления стальных компрессионных поршневых колец, включающий деформационное упрочнение проволоки протягиванием с обжатием через профильные волочильные ролики, навивку полученного профиля на оправку, отпуск полученного профиля, отличающийся тем, что предварительно осуществляют рекристаллизационный отжиг проволоки при температуре на 10-20°С ниже точки Ac₁ в течение 1 ч, протягивание проволоки через профильные волочильные ролики проводят с обжатием 70-75%, после чего производят отпуск полученного профиля при температуре 500°С в течение 1 ч, а затем осуществляют его навивку на оправку с натяжением и последующий термостабилизационный отпуск при температуре 550°С в течение 1 ч для динамического старения под нагрузкой и полигонизации, разрезку на оправке профиля на отдельные стальные компрессионные поршневые кольца.