Способ изготовления заготовок бесшовных цилиндрических корпусов твердотопливных газогенераторов Российский патент 2021 года по МПК B21C37/06 B21D51/10 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в конструкциях твердотопливных газогенераторов или ракетных двигателей твердого топлива.

В эксплуатационных условиях твердотопливного газогенератора его цилиндрический корпус подвергается повышенным знакопеременным силовым и тепловым нагрузкам под влиянием газовой среды и продуктов сгорания твердого топлива при высоких значениях температур и давлений.

В связи с этим к прочностным характеристикам металла корпусов твердотопливных газогенераторов предъявляются повышенные требования, уровень которых соответствует значениям по пределу текучести не менее 700 МПа и по временному сопротивлению разрыва не менее 785 МПа.

Известен способ изготовления заготовки корпуса твердотопливного газогенератора из высокопрочной стали путем сварки трех колец, свальцованных из листового проката кромки которых подвергаются сварке продольным швом [1].

Недостатком указанного способа изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов является высокая трудоемкость операции по вальцеванию толстолистового проката для получения трех сварных колец с продольным швом, подвергаемых дальнейшей сварке между собой поперечным швом для образования цельной заготовки корпуса.

Следующим недостатком указанного способа является появление структурной неоднородности металла кольцевых заготовок в зоне сварных швов (двух поперечных и трех продольных), снижающей эксплуатационную надежность изделия.

Известен способ изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов, использующий сплошные стационарнолитые слитки, подвергаемые операциям обдирки, биллетировки, осадки, прошивки и прессованию для получения полой цилиндрической заготовки корпуса [2].

Недостатком указанного способа изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов является многочисленность кузнечных операций для производства полой цилиндрической заготовки, снижающих эффективность технологического процесса их изготовления.

Следующим недостатком указанного способа изготовления заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов является нарушение непрерывности технологического процесса из-за частых перемен кузнечных операций, способствующих снижению производительности труда и удорожанию производимой продукции.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения принят способ изготовления заготовок бесшовных цилиндрических корпусов твердотопливных газогенераторов, раскрыты в патенте [3], в котором в качестве передельной заготовки используется полая центробежно-литая заготовка для последующего прессования, полученная при заливке металла во вращаемую изложницу, внутренняя поверхность которой покрывается теплоизоляционной сыпучей смесью, состоящей из кварцевого песка и дистенсиллиманита, а после заливки металла производится ввод порошкообразного флюса в изложницу на внутреннюю поверхность жидкого металла, при этом извлеченная из изложницы полая заготовка после ее окончательного затвердевания без предварительной механической обработки ее поверхностей направляется на ковку гидравлическим прессом с четырехбойковым ковочным устройством с последующей протяжкой с коэффициентом вытяжки μ=1,8 и калибровкой с коэффициентом вытяжки μ=1,4 применительно к трубным заготовкам из конструкционной стали 16ГС [3].

Указанный способ (аналог) позволяет осуществить промышленное производство заготовок упомянутых корпусов из высокопрочной стали с обеспечением геометрических параметров и физико-механических свойств этих изделий в соответствие с требованиями техническим условий.

Однако недостатком указанного способа является использование сыпучего покрытия на внутренней поверхности изложницы, способствующего проникновению частичек кварцевого песка и дистенсиллиманита в тело отливки под воздействием заливаемого металла, загрязняя ее неметаллическими включениями сверх допустимого уровня.

Следующим недостатком аналога являются низкий уровень коэффициентов вытяжки при протяжке заготовки (μ=1,8) и калибровке (μ=1,4), которые не позволяют получать требуемые прочностные характеристики металла.

Общим недостатком упомянутых заготовок корпусов является их единичное изготовление из применяемой передельной заготовки, что приводит к снижению производительности труда и повышению их себестоимости.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, заключается в устранении указанных недостатков в известных способах изготовления заготовок корпусов газогенераторов путем создания технологии, обеспечивающей изготовление в процессе одной кузнечной операции длинномерной трубной заготовки с возможностью получения после ее механической разрезки на мерные заготовки серии упомянутых корпусов с высокой плотностью исходного литого металла, достигаемого в результате увеличения центробежного давления не менее 0,5 МПа на кристаллизующийся слой металла, покрытого жидким флюсом толщиной слоя не менее 10% от толщины слоя исходного металла, а после извлечения полой заготовки из формы, подвергаемой без предварительной механообработки ковке на четырехбойковом блоке с протяжкой при температуре не менее 1210°C с коэффициентом вытяжки (μ=1,9) и калибровкой при температуре не менее 910°C с коэффициентом вытяжки (μ=1,5) для изготовления трубной заготовки длиной не менее 7,9 м, кратной после механической разрезки четырем-шести заготовкам корпусов твердотопливных газогенераторов.

При значении центробежного давления менее 0,5 МПа на кристаллизующийся слой жидкого металла во вращаемой форме газоусадочная пористость не исчезает, а при значении выше 0,5 МПа металл приобретает максимальную плотность без признаков газоусадочной пористости.

Использование жидкого флюса для защиты внутренней поверхности кристаллизующегося металла во вращаемой форме взамен порошкообразного, способствует лучшему его растеканию по поверхности металла и более эффективной защите от тепловыделения с обеспечением строго направленного затвердевания от внешней поверхности отливки к внутренней, при этом толщина слоя флюса не менее 10% от толщины слоя жидкого металла полностью обеспечивает это условие, а при толщине слоя флюса более 10% его расход становится убыточным.

Трубные заготовки, полученные при температурах протяжки 1190°C и 1200°C, т.е. менее 1200°C, и при температурах калибровки 890°C и 900°C, т.е. менее 910°C, отличались наличием трещин на поверхности заготовок и подвергались браку.

Пример использования предлагаемого способа.

Способ опробован в производственных условиях ПАО «Тяжпрессмаш» (г. Рязань) при изготовлении серии заготовок корпусов твердотопливных газогенераторов.

Выплавка металла производилась в дуговой печи емкостью 6 т.

Заливка металла осуществлялась при температуре 1580°C в изложницу с частотой вращения 670 об/мин для обеспечения центробежного давления величиной 0,5 МПа, определяемого по формуле [4] с покрытой изнутри противопригарной краской толщиной слоя 1 мм.

После затвердевания отливки ее извлекали из изложницы, очищали поверхность от остатков краски и направляли без механической обработки на прессование в четырехбойковый ковочный блок с протяжкой при температуре 1210°C с коэффициентом вытяжки μ=1,9 и последующей калибровкой при температуре 910°C с коэффициентом вытяжки μ=1,5.

Полученную трубную заготовку длиной 7,9 м после соответствующей термообработки (закалка при 920°C + отпуск 620°C) направляли на механическую обработку с последующей разрезкой на мерные заготовки упомянутых корпусов в количестве 4 или 6 штук.

Механические свойства металла определялись на кольцевых образцах, вырезанных с двух концов трубной заготовки, и соответствовали значениям по пределу текучести 760-780 МПа, а по временному сопротивления разрыву 860-880 МПа, что вполне удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Заявленный способ позволяет обеспечить высокие характеристики металла по прочностным свойствам, а также снизить трудоемкость изготовления упомянутых заготовок корпусов на 40-50% и повысить производительность труда в 2-3 раза по сравнению с традиционными способами их изготовления.

Источники информации

1. ОСТ 5.9970-85. «Конструкции сварные из стали марок АК и АЛ. Типовой технологический процесс высокого отпуска».

2. ТУ-3-923-75. «Трубы котельные бесшовные механически обработанные из конструкционных сталей».

3. Патент РФ № 2714355С1 В21В 21/00 от 14.02.2020.

4. С.Б. Юдин, С.Е. Розенфельд, М.М. Левин. «Центробежное литье». М.: Машиностроение, 1972, с. 18-19.

Предложен способ изготовления заготовок бесшовных цилиндрических корпусов твердотопливных газогенераторов, использующий полую центробежно-литую заготовку с применением противопригарной краски толщиной слоя 1 мм на внутренней поверхности изложницы с частотой вращения, обеспечивающей центробежное давление на кристаллизующийся слой металла не менее 0,5 МПа, а после извлечения затвердевшей отливки ее направляют без механической обработки для дальнейшей протяжки и калибровки в четырехбойковый ковочный блок с получением длинномерной трубной заготовки, кратной для изготовления четырех-шести упомянутых заготовок корпусов. Технический результат заключается в создании необходимых прочностных характеристик металла.

Способ изготовления заготовок бесшовных цилиндрических корпусов твердотопливных газогенераторов, характеризующейся тем, что используют полую центробежно-литую металлическую заготовку, кристаллизацию которой осуществляют во вращаемой изложнице, покрытой изнутри противопригарной краской толщиной слоя 1 мм, с частотой вращения, обеспечивающей центробежное давление не менее 0,5 МПа на кристаллизующийся металл, покрытый жидким флюсом, толщиной слоя 10% от толщины слоя жидкого металла, а после извлечения полой заготовки из формы ее подвергают прессованию на черырехбойковом блоке с протяжкой при температуре не менее 1210°C с коэффициентом вытяжки μ=1,9, а также калибровкой при температуре не менее 910°C с коэффициентом вытяжки μ=1,5 для изготовления трубной заготовки длинной 7,9 м, кратной для получения четырех-шести заготовок цилиндрических корпусов твердотопливных газогенераторов.