СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2013 года по МПК B21K1/46 B21H3/02 

Описание патента на изобретение RU2492017C2

Область техники

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к способам изготовления стержневых деталей с головками из титановых сплавов, и может быть использовано в авиапионно-космической технике, в химическом машиностроении, судостроении, автомобильной промышленности.

Уровень техники

Известен способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, включающий отжиг заготовок, нанесение на их поверхность твердого оксалатного покрытия, высадку головки, многократное редуцирование стержня, старение, механическую обработку, обкатку радикса под головкой и стержня и накатывание резьбы (RU 94004583 A1, 20.10.95; 2156828 C22F 1/18, 27.09.2000).

Известный способ предусматривает проведение предварительной термообработки прутков путем закалки в вакуумной печи при 800-850°С с последующим охлаждением вместе с печью до температур 580-600°С, а затем в воде и старения при 300-400°С в течение 6-8 ч, механическую обработку, включающую операции формования методом холодного пластического деформирования, обкатки их наружной поверхности и накатывание резьбы.

Основным недостатком известного способа является невозможность получать крепежные детали диаметром выше 8-10 мм, а также недостаточно высокие показатели прочности и выносливости изделий, обусловленные наличием вырывов и наслоений в поверхностном слое после накатки резьбы, которые являются концентраторами напряжений.

Известен способ изготовления болтов из двухфазных (α+β) титановых сплавов, например, ВТ16, методом горячей высадки («Изготовление болтов с шестигранной головкой их титанового сплава ВТ16 в условиях серийного производства», В.А. Чернышев, И.Г. Евланов, Д.Н. Осипов, В.Д. Гаврилин, А.В. Митин. Приложение №2 к журналу «Авиационная промышленность», 1975 г. и «Стандартизация крепежных изделий из титановых сплавов». В.Д. Гаврилин, А.В. Митин, журнал «Авиационная промышленность», №2, 2001 г.) включающие отрезку заготовок, горячую высадку, термообработку, механическую обработку, упрочение галтели и накатку резьбы. Данный способ позволяет изготовлять болты диаметром 8-36 мм.

Значительное влияние на прочность стержневых крепежных изделий оказывает резьба, являющаяся в этом отношении наиболее опасным местом, определяющим прочность болта при статическом растяжении. Нормальное протекание процесса образования резьбы методом пластического деформирования (накатки) обеспечивается на титановых сплавах типа ВТ16 с пределом прочности σB≥1150 МПа, относительным удлинением δ≥12% и относительным сужением ψ≥40%.

Недостатком данного способа является ограничение прочности свойства материала болтов из-за невозможности образования качественной резьбы (без разрывов и закатов) методом пластического деформирования.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности изготовления высокопрочных болтов из титановых сплавов с прочностью выше 1150 МПа.

Поставленная задача осуществляется тем, что после отрезки заготовок, горячей высадки, термообработки, механической обработки и упрочнения галтели в головке болта проводят теплую накатку резьбы после завершения окончательной термообработки-старения в интервале температур 350°С - 200°С ниже температуры начала полигонизации, происходящей в процессе возврата.

Осуществление изобретения

Способ изготовления крепежных элементов из высокопрочных титановых сплавов, содержащих стержень с головкой и резьбовым концом, в соответствии с изобретением реализуется следующим образом. Способ включает изготовление заготовок, горячую высадку, термообработку, механическую обработку, упрочнение галтели головки и накатывание резьбы. Накатывание резьбы производят при нагретой заготовке в интервале температур 350°С - 200°С ниже температуры начала полигонизации, происходящей в процессе возврата после термообработки.

Примеры конкретных примеров выполнения способа.

1. Заготовки болтов диаметром 12 мм из сплава типа ВТ-16 после операции резки и горячей высадки головок на кривошипном прессе при температуре 750°С подвергали упрочняющему старению при температуре 490°С в течение 6 часов в атмосфере проточного аргона для обеспечения безокислительного нагрева. Для этой цели использовали контейнер из тонкостенной нержавеющей стали с разъемной крышкой. Контейнер имел вваренную в него глухую трубку, в которую вводилась термопара для замера температуры нагрева и охлаждения термообрабатываемых заготовок болтов. Глухой конец трубки входил в разъемный внутренний короб в контейнере, в который укладывалась партия заготовок. Толщина стенок внутреннего короба 5 мм, материал - титановый сплав. Контейнер с коробом и заготовками продували аргоном, помещали в воздушную печь электросопротивления и нагревали при постоянной подаче аргона в контейнер. После старения и охлаждения садки заготовки подвергали механообработке стержня под накатку резьбы. Затем заготовки проходили операцию обкатки галтели специальными роликами в месте соединения головки болта и стержня для деформационного упрочнения этой области болта.

Перед накаткой резьбы заготовки первой партии помещали в индуктор с внутренним диаметром 18 мм, сделанный из трубки ⌀6×0,5 (толщина стенки). Индуктор соединен с полупроводниковым индукционным нагревателем марки LH-25 мощностью 25 кВт, установленным в непосредственной близости от станка для накатки резьбы. Индукционный нагреватель - генератор ТВЧ оборудован инфракрасным пирометром Laser AO2 с лазерным лучом наведения на нагревательный объект. Пирометр измеряет температуру нагрева последнего и имеет обратную связь с индукционным нагревателем. При достижении заданной температуры нагрева генератор ТВЧ отключается. Заданная температура нагрева заготовки 250°С, при установленном токе 430 А достигалась в течение 2-х секунд, после чего заготовку передавали в станок для накатки резьбы. Режимы нагрева заготовки и последующей накатки резьбы приведены в табл.1.

После накатки резьбу контролировали калибром, исследовали поверхность резьбы при увеличении до ×30 и шлифы продольных разрезов резьбы при увеличении до ×200. Трещин, отслоений и сколов металла в резьбе обнаружено не было. В области впадин резьбы в приповерхностном слое образуется волокнистая структура из вытянутых зерен, повторяющая профиль резьбы, характерная для поверхностного деформационного упрочнения (наклепа). Такая упрочненная структура с большим количеством границ, имеющая напряжения сжатия, противостоит развитию трещин в местах концентрации напряжений, которые обусловлены самой геометрией резьбы. После накатки партии заготовок 5 болтов были испытаны на временное сопротивление разрыву. Прочность образцов была в пределах 1250…1300 МПа.

2. Часть образцов (вторая партия, табл.1) после указанной термообработки старением была подвергнута накатке при нормальной температуре. Визуально были установлены разрушения и сколы в вершинах резьбы и отслоения металла на боковых поверхностях резьбы вследствие низкой пластичности сплава. Изменения режима накатки не привели к положительным результатам.

3. Заготовки третьей партии вышеописанным способом были нагреты до температуры 150°С. Результаты накатки резьбы были неудовлетворительны. Видимых разрушений резьбы обнаружено не было, однако металлографический анализ позволил установить образование микротрещин в металле резьбы, вследствие недостаточно высокой пластичности сплава.

4. Четвертая партия заготовок болтов, также прошедшая все вышеописанные операции, предваряющие накатку, была нагрета ТВЧ перед накаткой до температуры 400°С. При накатке нагретых до 400°С заготовок была получена резьба без каких-либо дефектов. Механические испытания 5 образцов четвертой партии показали, существенное падение временного сопротивления разрыву, которое составило величины 500…1000 МПа. Как показал последующий металлографический анализ продольных шлифов резьбы из образцов после разрушения, снижение прочности связано с тем, что при высокой температуре накатки одновременно с деформацией зерен исходной структуры в приповерхностном слое в результате диффузионных процессов осуществляется процесс полигонизации - начальной стадии возврата, который характеризуется образованием мелких зерен в пределах субструктуры первоначальных зерен и их дальнейшим укрупнением на последующих стадиях возврата. В результате приповерхностный слой не имеет нагартованной структуры и состоит из мелких равноосных зерен.

Таким образом, при накатывании резьбы на заготовках из титанового сплава с достаточно-высокой пластичностью металл в области зубьев резьбы деформируется с образованием деформированных вытянутых зерен в приповерхностном слое, повторяющих профиль резьбы и образующих волокнистую структуру. Такая упрочненная структура характерная для поверхностного упрочнения (наклепа) повышает прочность болтов в целом, т.к. она противостоит развитию трещин с поверхности при растяжении болтов.

При накатывании резьбы на заготовки из высокопрочного титанового сплава, обладающего малой пластичностью при 20°С, деформация металла при формировании резьбы превышает предел текучести металла, что приводит к образованию трещин в резьбе. Для образования упрочненного слоя с волокнистой структурой деформированных зерен без образования трещин необходимо повысить пластичность металла, которая увеличивается с повышением температуры металла.

Нагрев до температуры 150°С не приводит к требуемой пластичности при накатке резьбы, т.к. при деформации металла с равноосными зернами наряду с образованием текстуры из вытянутых зерен на поверхности резьбы одновременно происходит образование трещин из-за недостаточной пластичности.

Образование упрочненного поверхностного слоя с волокнистой структурой деформированных зерен без развития трещин удается достичь при накатке металла нагретого до температуры 250°С. При этом болты обладают наиболее высокой прочностью на разрыв.

Дальнейшее повышение температуры при накатке резьбы до 400°С приводит к тому, что наряду с увеличением пластичности металла при этой температуре, увеличивается интенсивность диффузионных процессов. Следствием этого является развитие известных процессов нолигонизации (начального этапа возврата) - возникновение субзерен в наклепанном поверхностном слое с дальнейшим развитием этана первичной рекристаллизации в его структуре и возникновением мелких равноосных зерен. Образование такой поверхностной структуры приводит к понижению прочности резьбовой части болта в связи с отсутствием упрочняющего наклепанного слоя на поверхности резьбы.

Прочность образцов болтов из сплава ВТ-22, полученных по предлагаемому способу равна 1300 МПа. В случае увеличения температуры первого этапа накатки выше 400°С образцы болтов имели более низкую прочность (1200 МПа) из-за разрушения нагартованного слоя и из-за начала образования вместо него мелких равноосных зерен в поверхностном слое.

Технико-экономические преимущества способа изготовления крепежных элементов из высокопрочных титановых сплавов

1. Предлагаемый способ позволяет получать качественные крепежные изделия с прочность 1200-1300 МПа и большого диаметра из высокопрочных заготовок с σB≥1150 МПа, что стало возможным благодаря использованию нагретого состояния заготовки при накатке резьбы.

2. Прямая замена в летательных аппаратах стальных болтов на высокопрочные титановые позволяет снизить их вес на 35-40%.

3. Применение теплой накатки резьбы позволяет исключить многочисленные дефекты, возникающие при холодном пластическом деформировании резьбы.

Похожие патенты RU2492017C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 2012
  • Мацнев Валентин Николаевич
  • Чулков Евгений Ильич
  • Корневич Артем Павлович
RU2490087C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ РЕЗЬБОВЫХ ДЕТАЛЕЙ КРЕПЛЕНИЯ С ГОЛОВКАМИ ИЗ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 2010
  • Алалыкин Андрей Аркадьевич
RU2431538C1
Способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов 2015
  • Воробьев Игорь Андреевич
  • Коврижин Максим Алексеевич
RU2611752C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ГОЛОВКАМИ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ (α+β) ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 2000
  • Воробьев И.А.
  • Володин В.А.
RU2156828C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ГОЛОВКАМИ ИЗ ПСЕВДО-β-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 1999
  • Воробьев И.А.
  • Володин В.А.
RU2156829C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ (α+β) ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 2012
  • Володин Вячеслав Анатольевич
RU2484914C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ГОЛОВКАМИ ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 2006
  • Воробьев Игорь Андреевич
  • Воробьев Алексей Игоревич
  • Благин Евгений Геннадьевич
  • Лашин Алексей Иванович
  • Банных Олег Александрович
  • Костина Мария Владимировна
  • Блинов Виктор Михайлович
RU2325450C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ 2022
  • Ледер Михаил Оттович
  • Волков Анатолий Владимирович
  • Гребенщиков Александр Сергеевич
  • Щетников Николай Васильевич
RU2793901C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАСОСНЫХ ШТАНГ ДЛЯ ГЛУБИННЫХ НАСОСОВ 2006
  • Уразаков Камил Рахматуллович
  • Валиахметов Олег Раязович
  • Тяпов Олег Анатольевич
  • Маркелов Дмитрий Валерьевич
  • Молчанова Вероника Александровна
RU2329129C2
СОРТОВОЙ ПРОКАТ КРУГЛЫЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ШАРОВЫХ ПАЛЬЦЕВ 2008
RU2368672C1

Реферат патента 2013 года СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, судостроении, автомобильной промышленности при изготовлении стержневых деталей с головками из титановых сплавов. После горячей высадки на заготовке головки болта, термообработки заготовки, механической обработки и упрочнения галтели в головке болта осуществляют накатывание резьбы. Резьбу накатывают на заготовке, нагретой до температуры в интервале на 350°С - 200°С ниже температуры начала полигонизации, происходящей в процессе возврата после термообработки. В результате исключается возможность возникновения дефектов при накатывании резьбы, что позволяет изготавливать качественные высокопрочные болты из титановых сплавов. 1 табл., 4 пр.

Формула изобретения RU 2 492 017 C2

Способ изготовления крепежных элементов из высокопрочных титановых сплавов, содержащих стержень с головкой и резьбовым концом, включающий изготовление заготовок, горячую высадку, термообработку, механическую обработку, упрочнение галтели головки и накатывание резьбы, отличающийся тем, что накатывание резьбы производят на заготовке, нагретой до температуры в интервале на 350-200°С ниже температуры начала полигонизации, происходящей в процессе возврата после термообработки.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2492017C2

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ГОЛОВКАМИ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ (α+β) ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 2000
  • Воробьев И.А.
  • Володин В.А.
RU2156828C1
Способ изготовления стержневых деталей с головками 1974
  • Воробьев Игорь Андреевич
  • Петриков Виктор Григорьевич
  • Кастосов Александр Андреевич
  • Вигдорчик Семен Абрамович
  • Пширков Владилен Филиппович
  • Толчилкин Анатолий Андреевич
SU543454A1
JP 2005199329 A, 28.07.2005
KR 1020110064795 A, 15.06.2011.

RU 2 492 017 C2

Авторы

Мацнев Валентин Николаевич

Чулков Евгений Ильич

Даты

2013-09-10Публикация

2012-01-11Подача