RU2000161C1 - Способ изготовлени кольцевых поковок - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : заготовку, преимущественно из углеродистой стали, нагревают до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой 0,5-2 ч, после чего в центральную часть заготовки внедр ют теплоотвод щий элемент, выполненный из сплава меди или малоуглеродистой стали, и осуществл ют совместную деформацию с одновременной закалкой путем охлаждени  поковки до температуры не ниже точек Асз или ACT. Цикл повтор ют до общей суммарной деформации не менее 60 %, при этом соблюдаетс  равенство степеней деформации в осевом и радиальном на- правлени х, после этого продолжают деформацию в осевом направлении до заданных размеров при свободном охлаждении поковки. После охлаждени  заготовки и механического удалени  из ее центральной части теплоотвод щих элементов получают готовую кольцевую поковку. 1 з.п. ф- лы, 2 ил., 1 табл,

Description

Изобретение относитс  к обработке металлов давлением и может быть использовано в машиностроении дл  изготовлени  различных деталей механизмов, работающих в услови х воздействи  знакопеременных нагрузок, например, дл  шестерен редукторов, коробка передач автомобилей и других силовых агрегатов. Кроме того из материала поковок, полученных по данному способу, могут быть изготовлены производственные и бытовые режущие инструменты.

Известен способ ковки колец из заготовки , при котором заготовки, например 380 мм и высотой 770 мм, нагретые до верхней границы ковочного интервала температуры 1240°С, деформируют, осажива  до высоты 150 мм, прошивают отверстие 280 мм и раскатывают до ф 1220 мм.

Недостатками данного способа  вл ютс : одноосное действие усили  деформации; поочередна  деформаци  небольших

локальных участков; в результате остывани  заготовки каждый последующий участок деформируют при более низкой температуре: над оправкой и под верхним бойком расположены зоны затрудненной деформации; возможность по влени  изотропных точек, где полностью отсутствует деформаци ; наличие более быстрого охлаждени  поковки с наружной поверхности кольца, чем с внутренней , особенно на начальном этапе ковки , что способствует возникновению термических напр жений, которые преп тствуют течению металла в сторону увеличени  диаметра кольца. Полученные по данному способу поковки характеризуютс  разнозернистой структурой металла и низкими механическим свойствами.

Известен способ раскатки колец, включающий нагрев заготовки до верхней границы ковочного интервала температур, прошивку, последовательное деформироваю о о о

о

ние заготовки бойком на оправке и ее поворот относительно оправки. С целью повышени  качества колец и экономии металла заготовку деформируют, череду  раскатку на профилированной и гладкой поверхност х , начина  деформирование на профилированной  оверхности,

При ковке по данной схеме создаютс  благопри тные услови  дл  переработки структуры металла по внутреннему диаметру кольцевой заготовки. Однако этот способ раскатки колец не устран ет основных недостатков предыдущего известного способа - это одноосное действие усили  деформации и последовательное деформирование небольших участков заготовки, способствующие возникновению разнородной структуры металла по всему объему поковки. Полученные по этому способу кольцевые поковки характеризуютс  также низкими механическим свойствами металла.

В качестве прототипа выбран способ изготовлени  ленты дл  пружин, который решает аналогичную с предлагаемым изобретением задачу улучшени  механических свойств металла и имеет с ним наибольшее количество общих существенных признаков , а также  вл етс  одним из последних решений, направленных на увеличение предела прочности материала, Способ изготовлени  пружинной ленты включает изотермическую закалку и холодную прокатку , при этом закалку провод т при 375- 475°С до получени  структуры верхнего бейнита, а прокатку осуществл ют с суммарной деформацией свыше 80 %.

Данный способ изготовлени  ленты дл  пружин решает проблему увеличени  предела прочности материала. Недостатками его  вл ютс  применимость только дл  производства ленты толщиной менее 1,0 мм, а также анизотропи  свойств вдоль и поперек ленты.

Достигнутый изобретательский уровень по данной тематике характеризуетс  поиском путей улучшени  проработки структуры металла и достижени  более высоких механических свойств в основном за счет варьировани  режимами термической обработки и гор чего деформировани . Общим недостатком известных способов обработки металлов давлением, в том числе и способа-прототипа ,  вл етс  осуществление деформации в направлении от периферии заготовки к ее центру,

Задача изобретени  заключаетс  в получении стальных кольцевых поковок, материал которых обладал бы повышенными свойствами одновременно по нескольким характеристикам, например, по пределу

прочности, тгердости, пластичности и ударной в зкости.

Традиционные способы термообработки и гор чего деформировани  металла

обеспечивают, как правило, выборочное улучшение указанных характеристик, например , при повышении твердости снижаютс  показатели пластичности и ударна  в зкость, и наоборот, при повышении ударной в зкости снижаютс  прочностные свойства материала.

В основу насто щего изобретени  положена иде  проработки внутренней структуры металла путем многократного нагрева с

одновременной закалкой и гор чим деформированием в направлении от центра заготовки к ее периферии при температурах устойчивого сохранени  аустенитной фазы. В отличие от известных способов иэготовлени  кольцевых поковок, включающих нагрев заготовки и ее осадку, прошивку отверсти  и раскатку на оправке, в предложенном способе в нагретую до верхней границы ковочного интервала температур с

выдержкой при указанной в течение 0,5-2,0 с заготовку внедр ют в центральную часть теплоотвод щий элемент и осуществл ют их совместную деформацию При охлаждении поковки до температуры не ниже точек

АСЗ или ACT ее вновь нагревают до верхней границы ковочного интервала температур и цикл повтор ют до достижени  общей суммарной осевой деформации не менее 60 %. при этом в каждом цикле степет деформации в осевом направлении равна степени деформации в радиальном направлении. При достижении суммарной деформации более 60 % дальнейшую обработку ведут при свободном охлаждении поковки до заданных размеров.

При нагреве заготовки до верхней границы ковочного интервала темп ератур с выдержкой в течение 0,5-2 ч происходит выравнивание концентрации углерода в

кристаллической решетке железа. Врем  выдержки выбрано в зависимости от массы исходной заготовки и из услови  полного растворенил углерода. Выдержка более 2 ч нецелесообразна по причине неоправданных энергозатрат.

В процессе внедрени  в центральную часть теплоотвод щих элементов происходит резкое охлаждение внутренней зоны заготовки. Между более нагретыми поверхностными сло ми и охлажденными внутренними возникают раст гивающие термические напр жени  Деформацию с закалкой производ т циклически г области устойчивого существовани  .т/стенита

При резком охлаждении центра заготовки зерна структуры металла ориентируютс  по направлению отвода тепла, т.е. от поверхности к центру. Деформаци  в области аустенитной структуры металла до степени не менее 60 % приводит к фиксации равномерного распределени  углерода в аустените за счет образовани  внутри кристаллической решетки железа кристаллической решетки углерода. В результате образуетс  схема внутреннего строени  стали, котора  приводит к резкому увеличению механических свойств металла по всему объему поковки. Кроме того на поверхности металла образуютс  узоры типа как на дамаской стали.

После внедрени  теплоотвод щего элемента в центральную часть заготовки и прогрева его до температуры точек Асз или АСт поковку деформируют по высоте со степенью деформации Ен.

с H0-Hi Ен Н0 где Но - исходна  высота поковки;

Hi - высота поковки после осадки.

Причем в каждом цикле внедрение теплоотвод щего элемента - осадка степень деформации в осевом направлении Е и равна степени деформации в радиальном направлении Ед.

D

оср

где Docp - исходный средний диаметр поковки (кольца) до внедрени  теплоотвод - щего элемента,

Dicp - средний диаметр кольца после

внедрени  теплоотвод щего элемента.

Равенство степеней деформации в осевом и радиальном направлени х должно от- вечать условию, при котором Ен Ед д, где д - пластичность металла при температуре деформации. Далее равенство деформаций в двух взаимно перпендикул рных направлени х при проведении каждого цик- ла, а также деформирование с общей степенью деформации не менее 60 %, обеспечивает равномерную проработку структуры по всему объему поковки за счет измельчени  зерен до ультрамелкого (1-1,5 мкм) размера, способствующего образованию сверхпластичного состо ни  металла.

До тех пор пока при ковке деформаци  в осевом направлении компенсируетс  деформацией в радиальном направлении (и наоборот), о структуре металла сохран етс  равновесие барицентрическое состо ние и образуютс  узоры структуры, которые про вл ютс  на поверхности металла. Если равновесие деформаций смещаетс  в одно

0

5

0

5

0

Q 5 Q

преобладающее направление, образуете волокно, зерна выт гиваютс  и механические свойства металла снижаютс .

Размеры внедр емого теплоотвод щего элемента завис т от высоты заготовки, пластичности металла и поковки и его теплоемкости .

В качестве материала дл  теплоотвод - щих элементов могут быть использованы сплавы на основе меди или малоуглероди- стые стали.

Таким образом насто щее техническое решение с учетом всей совокупности присущих ему существенных признаков обеспечивает формирование мелкозернистой структуры во всем объеме металла и высокие механические свойства поковки.

На фиг.1 показана поковка 1 после внедрени  в ее центральную часть трех теп- лоотвод щих элементов 2,3 и 4; на фиг.2 - фотографи  микрошлифа (увеличение 500) образца, вырезанного из готовой поковки, показывающа  на образование равномерной мелкозернистой структуры металла с размерами зерен 1,0-1,5 мкм.

Способ изготовлени  кольцевой поковки реализуют следующим образом.

Исходную заготовку нагоевают до верхней границы ковочного интервала температур и выдерживают при данной температуре в течение 0,5-2 ч. Затем нагретую заготовку устанавливают на нижний кузнечный боек. По центру заготовки устанавливают тепло- отвод щий элемент, выполненный в виде цилиндра с коническим концом, и ударом верхнего бойка внедр ют его на всю высоту, при этом заготовка раздаетс  по диаметру. За счет более холодного теплоотвод щего элемента происходит резкое охлаждение прилегающих к элементу слоев заготовки, между внутренними и наружными сло ми возникает градиент температур, в результате чего в поковке образуютс  раст гивающие термические напр жени . После прогрева теплоотвод щего элемента до температуры критической точки Асз или ACT заготовку осаживают со степенью деформации Ен, котора  равна степени деформации Ед. Затем поковку с внедренным элементом вновь нагревают до верхней границы ковочного интервала температур, после чего в центральную часть внедр ют следующий теплоотвод щий элемент и т.д. до достижени  суммарной осевой деформации не менее 60 %, Далее поковку деформируют на заданный размер при свободном ее охлаждении . После механического удалени  внутренних теплоотвод щих элементов получают готовую кольцевую поковку

Сущность за вл емого способа и достигаемый технический результат подтверждаетс  конкретными примерами изготовлени  кольцевых поковок из различных марок сталей , которые приведены в таблице.

Пример. Вз ли цилиндрическую литую заготрвку из стали 45 ГОСТ 1050-74 с размерами ф 100 мм и высотой 40 мм, полученную механической обработкой. Изготовили три теплоотвод щих элемента в виде цилиндров заостренным коническим концом из стали 10 следующих размеров: первый элемент - ф 8 мм, длина цилиндрической части 42 мм, длина конической части 6 мм, обща  длина элемента 48 мм; второй элемент -ф 18 мм, длина цилиндрической и конической части соответственно 23 и 12 мм, обща  длина 35 мм; третий элемент 25 мм, длина цилиндрической и конической части по 15 мм, обща  длина 30 мм.

Заготовку нагрели до 1250°С в электропечи с выдержкой 0,8 ч. Контроль нагрева осуществл ли платиново-родиевой термопарой и прибором КВП1-503 ГОСТ 7164-66. Ковку производили на молоте с массой па-., дающих частей 240 кг. Бойки молота предварительно подогрели до 350°С. Температура теплоотвод щих элементов комнатна .

Нагретую заготовку установили на нижний боек, на нее по оси установили первый теплоотвод щий элемент и ударами верхнего бойка внедрили его в заготовку на всю высоту. После прогрева теплоотвод щего элемента до 760°С заготовку осадили на высоте до 28 мм, при этом получили размеры поковки: наружный диаметр 120 мм, диаметр осажденного теплоотвод щего элемента 10 мм,, средний диаметр кольца 65 мм. Степень деформации по высоте (в осевом направлении)составила:

40 28 03или30%

MO4U

Степень деформации в радиальном направлении:

Е«-Ј1Ј ГЕ 0 3ит30%

После первого цикла закалка - деформаци  температура заготовки составила 850°С, затем ее вторично нагрели до 1250°С и в центральную часть внедрили второй теплоотвод щий элемент. После прогрева элемента до 760°С поковку осадили до 20 мм и получили поковку с размерами: наружный диаметр 144 мм, диаметр осажденных теплоотвод щих элементов (внутренний диаметр кольца) 24 мм, средний диаметр кольца 84 мм. Степень деформации за второй цикл составила

0

5

0

5

Ен 28 2° 0.29 или 29 %

/о

Степень деформации в радиальном направлении составила:

Ед -- - 0.29 или 29 % ЬЪ

После второго цикла закалка - деформаци  температура заготовки составила 820°С. Перед третьим циклом заготовку вновь нагрели до 1250°С и в центральную часть внедр ли третий теплоотвод щий элемент , после прогрева которого до 760°С поковку осадили до 16 мм. Получили поковку с размерами: наружный диаметр 163 мм, внутренний и средний диаметры кольца соответственно 39 и 101 мм. Степень деформации за третий цикл по высоте составила:

Ен 0,2 или 20 %

Степень деформации в радиальном направлении составила:

Ед .2или20%

Обща  степень деформации за три цикла составила1

40- 16

Ен

40

- 0,5 или 60 %

0

5

0

5

0

5

Температура поковки после третьего цикла составила 780°С. измерение температуры металла осуществл ли оптическим пирометром . Дальнейшую деформацию производили при свободном поковки до высоты Н 12 мм. После охлаждени  поковки на воздухе удалили продеформированные теплоотвод щие элементы и получили готовую кольцевую поковку с размерами.

Онар 187 мм DBH 42 мм Н 12 мм

Анализ макроструктуры вы вил наличие равномерной мелкозернистой картины металла по всему объему кольцевой поковки, котора  обеспечивает значительное (в несколько раз) повышение основных механических свойств материала (см таблицу). Причем полученные механические свойства сталей характерны дл  любого сечени  кольцевой поковки, тогда как дл  полученной по способу-прототипу пружинной ленты прочностные свойства металла присущи только поьерхностным ее сло м. Следует отметить значительное повышение пластичности полученного по новому способу металла (д$ и 1/J), котора  превышает значение пластичности материала полученного по способу-прототипу, в среднем в 10-12 раз дл  инструментальных марок сталей при одновременном некотором увеличении предела прочности.

Важной характеристикой обработанных по новому способу а лри  вл етс  повышенна  ударна  иччкогть при

Claims (1)

1. одновременном сохранении твердости, что необходимо дл  обеспечени  работоспособности иэготовпенных из кольцевых заготовок деталей машин, работающих в сложных динамических услови х воздействи  знакопеременных нагрузок. Формула изобретени  1. Способ изготовлени  кольцевых поковок , преимущественно из углеродистых сталей, включающий нагрев, закалку и деформацию заготовки, отличающийс  тем, что заготовку нагревают до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой при указанной температуре в течение 0.5-2 ч, а деформацию производ т одновременно с закалкой циклично путем

   0

   5

   охлаждени  до температуры не ниже точек Агз и пи АСг и последующего нагрева до исходной температуры за счет внедрени  в ее центральную часть теплоотвод щих элементов при каждом цикле с общей осевой деформацией не менее 60 %, при этом в каждом цикле степень деформации в осевом направлении равна степени деформации о радиальном направлении, после чего продолжают деформацию в осевом направлении при свободном охлаждении поковки до требуемых размеров.

   2, Способ по п.1,отличающийс  тем, что теплоотвод щие элементы выполнены , например, из сплава на основе меди или из малоуглеродистой стали.

   2Твердость измер лась по всем четырем гран м и из осел ДПИМР оГраацч

   3В скобках приведены значени  механических свойств по ГОСТу

   1)значени  механических своАстп дл  поювок сечением 100- 700 мм после закалки и отпуска (Марочник сталей сплааон Под ред О Г Сорокина, М Машиностроение 1999)

   2)значени  механичесгих свойств дл  ленты отожженной хслодногатэмиой сеч 1,5-1 мм

   3)значение механичесгих свойств дл  образцов 32x32x42 мм после закалки и отпуска

   4)значени  механических свойств дл  поковок сечением до 100 си после э халхи и отпуск.

   23 4

   Фиг.;

   Фиг. I