RU2304048C2

RU2304048C2 - Method for producing damask steel blanks

Info

Publication number: RU2304048C2
Application number: RU2005102673/02A
Authority: RU
Inventors: Борис Владимирович Афонин (RU); Борис Владимирович Афонин; Павел В чеславович Воронин (RU); Павел Вячеславович Воронин; Александр Евгеньевич Горбачев (RU); Александр Евгеньевич Горбачев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Завод им. В.А. Дегтярева"
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2007-08-10
Also published as: RU2005102673A

Abstract

FIELD: manufacture of weapon such as blades, swords, knifes and so on, manufacture of tools for working different materials such as leather, plastics, wood.

SUBSTANCE: method comprises steps of degreasing plates of different kinds of steel formed by mechanical working and assembling them to stack at alternation; compressing stack in attachment whose constructional members have different factors of linear expansion; placing attachment of stack of plates into furnace for producing monolithic blank by diffusion welding in non-oxidizing medium while performing two isothermal soaking procedures. Then prepared monolithic blank is subjected to free forging.

EFFECT: enhanced quality of welding monolithic blank of damask steel regardless of chemical content of steel of welded plates.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для изготовления оружия (клинков, сабель, ножей и т.д.), а также для изготовления инструмента для обработки различных материалов (кожи, пластмассы, древесины).The invention relates to mechanical engineering and can be used for the manufacture of weapons (blades, sabers, knives, etc.), as well as for the manufacture of tools for processing various materials (leather, plastic, wood).

Известен способ получения заготовок дамасской стали, при котором пластины (полосы, прутки) из разных типов стали складываются в стопку, стопку нагревают, затем проковывают, при этом пластины свариваются между собой (см. журнал "Кузнечно-штамповочное производство", 1986 г., №4, стр.40). Способ взят за прототип.A known method of producing blanks of Damascus steel, in which plates (strips, rods) of different types of steel are stacked, the stack is heated, then forged, while the plates are welded together (see the magazine "Forging and stamping", 1986, No. 4, p. 40). The method is taken as a prototype.

Недостатки способа в том, что трудно сварить ковкой разные по химическому составу, имеющие неодинаковые коэффициенты линейного расширения, стали в один пакет, необходимо точно выдерживать температуру нагрева, режимы ковки и охлаждения, использовать флюсы, знать технологию их применения, а ковку производят с определенной силой и частотой.The disadvantages of the method are that it is difficult to forge different chemical composition forging, having different linear expansion coefficients, they become one package, it is necessary to accurately withstand the heating temperature, forging and cooling modes, use fluxes, know the technology of their application, and forging is carried out with a certain force and frequency.

Задачей предлагаемого изобретения является создание новой технологии получения дамасской стали с резким ее упрощением, с одновременным снижением трудоемкости и себестоимости, кординальным сокращением ручного труда и возможности постановки получения изделий из дамасской стали на поток.The objective of the invention is the creation of a new technology for the production of Damascus steel with its sharp simplification, while reducing the complexity and cost, a drastic reduction in manual labor and the possibility of setting production of products from Damascus steel in the stream.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в надежном обеспечении качества сварки, получении цельной заготовки без внутренних дефектов независимо от химического состава сталей свариваемых пластин с заведомо известными режимами свободной ковки сваренной заготовки без использования специальных флюсов.The technical result obtained by carrying out the invention is to reliably ensure the quality of welding, to obtain a solid billet without internal defects, regardless of the chemical composition of the steels of the welded plates with known modes of free forging of the welded billet without the use of special fluxes.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения заготовок дамасской стали, включающем сборку пластин разных марок стали в стопку и последующую свободную ковку, новым является то, что перед ковкой получают монолитную заготовку путем соединения пластин диффузионной сваркой в безокислительной среде с двумя изотермическими выдержками с использованием приспособления для сжатия, выполненного с различными коэффициентами линейного расширения его конструктивных элементов.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of producing Damascus steel blanks, which includes assembling plates of various steel grades into a stack and subsequent free forging, it is new that before forging a monolithic blank is obtained by connecting the plates by diffusion welding in an oxidizing medium with two isothermal holdings with using devices for compression made with different coefficients of linear expansion of its structural elements.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение обладает "новизной" и "изобретательским уровнем".Based on the foregoing, we can conclude that the present invention has a "novelty" and "inventive step".

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Для создания заготовки дамасской стали выбираем низкоуглеродистую пластичную сталь 10 со средним содержанием углерода 0,1% и инструментальную высокоуглеродистую сталь с содержанием углерода 1% с тем, чтобы получить волнистый узор на поверхности изделия и обеспечить высокий комплекс механических и режущих свойств, высокую твердость и вязкость.To create a Damascus steel billet, we select low-carbon ductile steel 10 with an average carbon content of 0.1% and tool high-carbon steel with a carbon content of 1% in order to obtain a wavy pattern on the surface of the product and provide a high complex of mechanical and cutting properties, high hardness and toughness .

Механической обработкой изготовляют пластины толщиной 2 мм из полос сталей 10 и ХВГ. Более экономично изготовлять пластины из тонкой ленты, что резко снизит трудоемкость изготовления заготовок дамасской стали за счет сокращения операций диффузионной сварки, свободной ковки, разрезки кованных заготовок, шлифовки и т.д. Изготовленные пластины обезжиривают и, чередуя стали 10 и ХВГ, собирают в стопку. Затем стопку подвергают диффузионной сварке в твердом состоянии. Диффузионная сварка в твердом состоянии - способ получения монолитного соединения, образовавшегося вследствие возникновения связей на атомном уровне, появляющихся в результате максимального сближения контактных поверхностей за счет локальной пластической деформации при повышенной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых материалов. Диффузионная сварка осуществляется в вакууме. Одно из наиболее важных преимуществ диффузионной сварки - высокое качество получаемых сварных соединений. При сварке в вакууме поверхность пластин не только предохраняется от дальнейшего загрязнения, например окисления, что неизменно происходит при кузнечной сварке, но и очищается в результате возгонки или растворения окислов. В результате в местах сварки отсутствуют непровары, поры, окисные включения и другие дефекты. Диффузионная сварка в вакууме фактически единственный надежный способ соединения металлов с разными температурными характеристиками, малопластичных, тугоплавких. нерастворимых друг в друге. В нашем случае для диффузионной сварки стопки пластин, набранных из сталей 10 и ХВГ, спроектировано и изготовлено специальное приспособление, которое поясняется чертежом. На нижнем бруске 1 установлена стопка 2 обезжиренных стальных пластин, на которой размещен верхний брусок 3. Хомуты 4 и 5 схватывают бруски 1 и 3 со стопкой 2 пластин. Между верхним бруском 3 и хомутами 4, 5 вбиты клинья 6 и 7. Хомуты изготовлены из стали 10, бруски и клинья - из стали 12Х18Н10Т. Диффузионная сварка набранных в стопку пластин осуществляется в вакуумной печи СЭВ 3.3/11 следующим образом. Хомуты 4 и 5 устанавливают на расстоянии друг от друга, обусловленном габаритами рабочего пространства печи. На основание хомутов 4 и 5 укладывают нижний брусок 1, на котором размещают собранную стопку 2 пластин. Верхний брусок 3 укладывают на стопку 2 пластин и сжимают стопку 2, вбивая ударом клинья 6 и 7 между верхним бруском 3 и хомутами 4,5. Приспособление со стопкой помещают в печь СЭВ 3.3/11, вакуумируют ее, нагревают приспособление со стопкой пластин до 800°С (температура соответствует критической точке-хомутов АС₁), выдерживают 30 минут для выравнивания температуры всех элементов приспособления. Затем нагревают приспособление со стопкой пластин до 1100°С и выдерживают 5-10 минут. Поскольку стопку пластин сжимают ударом перед нагревом, во время нагрева до температуры АС₁, во время выдержки при этой температуре и при дальнейшем нагреве до 1100°С за счет того, что конструктивные элементы имеют разные коэффициенты линейного расширения, создается требуемое давление, вследствие которого происходит максимальное сближение контактных поверхностей стальных пластин, зажатых в приспособлении, возникают связи на атомном уровне. В результате после охлаждения приспособления из него извлекают монолитную заготовку высокого качества без внутренних дефектов.By machining, plates of 2 mm thickness are made from strips of steels 10 and CVG. It is more economical to manufacture plates of thin tape, which will drastically reduce the complexity of manufacturing Damascus steel billets by reducing diffusion welding, free forging, cutting forged billets, grinding, etc. The manufactured plates are degreased and, alternating with steel 10 and HVG, are collected in a pile. Then the stack is subjected to diffusion welding in a solid state. Solid diffusion welding is a method of obtaining a monolithic compound formed due to the appearance of bonds at the atomic level, which appear as a result of maximum contact surface contact due to local plastic deformation at elevated temperature, which provides mutual diffusion in the surface layers of the materials being joined. Diffusion welding is carried out in vacuum. One of the most important advantages of diffusion welding is the high quality of the welded joints. When welding in vacuum, the surface of the plates is not only protected from further pollution, such as oxidation, which invariably occurs during blacksmith welding, but also is cleaned by sublimation or dissolution of oxides. As a result, lack of penetration, pores, oxide inclusions and other defects are absent at the welding sites. Diffusion welding in vacuum is actually the only reliable way of joining metals with different temperature characteristics, low-plastic, refractory. insoluble in each other. In our case, for diffusion welding of a stack of plates assembled from steels 10 and HVG, a special device was designed and manufactured, which is illustrated by the drawing. A stack of 2 defatted steel plates is mounted on the lower bar 1, on which the upper bar 3 is placed. The clamps 4 and 5 grasp the bars 1 and 3 with the stack of 2 plates. Wedges 6 and 7 are driven in between the upper bar 3 and the clamps 4, 5. The clamps are made of steel 10, the bars and wedges are made of steel 12X18H10T. Diffusion welding of stacked plates is carried out in an SEV 3.3 / 11 vacuum furnace as follows. Clamps 4 and 5 are installed at a distance from each other, due to the dimensions of the working space of the furnace. On the base of the clamps 4 and 5, the lower block 1 is laid, on which the assembled stack of 2 plates is placed. The upper block 3 is stacked on a stack of 2 plates and squeeze the stack 2, driving in wedges 6 and 7 between the upper bar 3 and clamps 4,5. The device with the stack is placed in the SEV 3.3 / 11 furnace, vacuum it, the device with the stack of plates is heated to 800 ° C (the temperature corresponds to the critical point of AC ₁ clamps), they are held for 30 minutes to equalize the temperature of all elements of the device. Then heat the device with a stack of plates to 1100 ° C and incubate for 5-10 minutes. Since the stack of plates is compressed by impact before heating, during heating to AC ₁ , during holding at this temperature and during further heating to 1100 ° C due to the fact that the structural elements have different linear expansion coefficients, the required pressure is created, due to which maximum rapprochement of the contact surfaces of the steel plates clamped in the device, there are bonds at the atomic level. As a result, after cooling the device, a monolithic high-quality workpiece is removed from it without internal defects.

Полученную монолитную заготовку подвергают свободной ковке по режиму стали ХВГ, нагрев под ковку 1060-1080°С, окончание ковки 850-870°C, охлаждение замедленное (см". Марочник сталей и сплавов" под ред. В.Г.Сорокина, Москва, Машиностроение, 1989 г., стр.382). Сталь 10, входящая в состав монолитной заготовки, имеет другие режимы ковки (см. "Марочник сталей и сплавов" под ред. В.Г.Сорокина, Москва, Машиностроение, 1989 г., стр.45). Температура начала ковки 1280-1300°С, температура окончания ковки 690-710°С. Охлаждение умеренное на воздухе. Такой режим ковки для стали ХВГ неприемлим по причинам: усиливается окисление и обезуглераживвание, способность к деформации снижается, а окончание ковки при более низкой температуре и ускоренном охлаждении может привести к образованию трещин. В то же время при температуре 1280-1300°C сталь 10 настолько пластична, что процесс утонеения монолитной заготовки будет происходить в основном за счет стали 10, что неприемлимо. С другой стороны, пластичность стали 10 вполне достаточна для деформирования ее при температуре 1060-1080°С. Температура окончания ковки 850-870°С и замедленное охлаждение не ухудшают качества стали 10. Свободную ковку монолитной заготовки ведут интенсивно, добиваясь максимально возможного ее утончения, при этом, естественно направление волокна в заготовке изменяется самым причудливым образом, так как металл при осадке течет как в длину, так и в ширину. Применение специальных флюсов в нашем случае не требуется. После охлаждения кованную заготовку разрезают на равные части и шлифуют с двух сторон. Затем полученные пластины обезжиривают, укладывают в стопку, зажимают в приспособлении и производят диффузионную сварку по указанному выше режиму в вакуумной печи СЭВ 3.3/11. После охлаждения монолитную заготовку вновь подвергают свободной ковке, но температуру нагрева монолитной заготовки повышают под свободную ковку примерно на 90°С. Температурный режим окончания ковки и скорость охлаждения кованой заготовки не изменяют. Повышение температуры нагрева монолитной заготовки перед второй и последующими операциями свободной ковки связано с процессом диффузии, в первую очередь углерода в направлении сталь ХВР сталь 10. Диффузия углерода происходит как в процессе диффузионной сварки, так и при нагреве заготовки под свободную ковку, причем скорость диффузии углерода высокая, температура нагрева при диффузионной сварке и нагреве под свободную ковку превышает 1000°С. Как показали исследования, содержание углерода в стали 10 повышается примерно на 0,4%, соответственно в стали ХБГ содержание углерода понижается на 0,4% уже после второй диффузионной сварки. Диффузия других элементов незначительна. Поэтому монолитная заготовка после второй диффузионной сварки представляет чередование пластин, близких по химическому составу к стали 50 и стали 6ХВГ. Свободную ковку монолитной заготовки после второй операции диффузионной сварки, естественно, производят по режиму стали 6ХВГ. Температура начала ковки 1150-1170°С. Сталь 50 значительно пластичнее стали 6ХВГ, поэтому свободная ковка стали 50 по режиму стали 6ХВГ не ухудшает ее качества.The resulting monolithic billet is subjected to free forging according to the HVG steel mode, heating for forging 1060-1080 ° C, forging termination 850-870 ° C, slow cooling (see ". Marochnik steels and alloys" under the editorship of V.G. Sorokin, Moscow, Engineering, 1989, p. 382). Steel 10, which is part of the monolithic billet, has other forging modes (see "Marochnik steels and alloys" under the editorship of V.G. Sorokin, Moscow, Mechanical Engineering, 1989, p. 45). The temperature of the start of forging is 1280-1300 ° C, the temperature of the end of forging is 690-710 ° C. Cooling is moderate in air. This mode of forging for HVG steel is unacceptable for reasons: oxidation and decarburization are enhanced, the ability to deform is reduced, and the end of forging at a lower temperature and accelerated cooling can lead to cracking. At the same time, at a temperature of 1280-1300 ° C, steel 10 is so ductile that the process of thinning a monolithic billet will occur mainly due to steel 10, which is unacceptable. On the other hand, the ductility of steel 10 is quite sufficient to deform it at a temperature of 1060-1080 ° C. The forging end temperature of 850-870 ° C and slow cooling do not impair the quality of steel 10. Free forging of a monolithic preform is carried out intensively, achieving its thinnest possible, while, naturally, the direction of the fiber in the preform changes in the most bizarre way, since the metal flows as in length and in width. The use of special fluxes in our case is not required. After cooling, the forged workpiece is cut into equal parts and ground on both sides. Then, the obtained plates are degreased, stacked, clamped in a fixture and diffusion welding is performed according to the above-mentioned regime in the SEV 3.3 / 11 vacuum furnace. After cooling, the monolithic preform is again subjected to free forging, but the heating temperature of the monolithic preform is increased for free forging by about 90 ° C. The temperature regime of the end of the forging and the cooling rate of the forged billet do not change. An increase in the heating temperature of the monolithic preform before the second and subsequent operations of free forging is associated with the diffusion process, primarily carbon in the direction of steel HVR steel 10. The diffusion of carbon occurs both in the process of diffusion welding and when the preform is heated for free forging, and the diffusion rate of carbon high, the temperature of heating during diffusion welding and heating for free forging exceeds 1000 ° C. Studies have shown that the carbon content in steel 10 rises by about 0.4%, respectively, in CBG steel, the carbon content decreases by 0.4% after the second diffusion welding. Diffusion of other elements is negligible. Therefore, the monolithic billet after the second diffusion welding is an alternation of plates close in chemical composition to steel 50 and steel 6KhVG. Free forging of a monolithic billet after the second diffusion welding operation is naturally produced according to the 6KhVG steel mode. The temperature of the start of forging is 1150-1170 ° C. Steel 50 is much more ductile than steel 6HVG, so the free forging of steel 50 according to the regime of steel 6HVG does not impair its quality.

После свободной ковки заготовку вновь разрезают на равные части, шлифуют с двух сторон, полученные пластины обезжиривают, собирают в стопку, укладывают стопку в приспособление, зажимают ударом с помощью клиньев, производят диффузионную сварку по указанному режиму. Полученную монолитную заготовку подвергают свободной ковке по режиму стали 6ХВГ. Чередование диффузионной сварки и свободной ковки продолжают до тех пор, пока толщина одного легированного слоя стали в прокованной заготовке будет менее 10 мм. В готовом изделии количество слоев из разных марок стали должно быть не менее 500. В этом случае получают самые затейливые узоры на поверхности изделия, высокие механические и режущие свойства, высокую твердость с большим запасом вязкости после упрочняющей термической обработки. Увеличение слоев в изделии выше 500 улучшает свойства дамасской стали, но возрастает трудоемкость ее изготовления.After free forging, the workpiece is again cut into equal parts, ground on both sides, the resulting plates are degreased, assembled into a stack, stack the stack in a fixture, clamped by impact using wedges, diffusion welding is performed according to the specified mode. The obtained monolithic billet is subjected to free forging according to the 6KhVG steel regime. The alternation of diffusion welding and free forging is continued until the thickness of one alloyed steel layer in the forged billet is less than 10 mm. In the finished product, the number of layers of different steel grades should be at least 500. In this case, the most intricate patterns on the surface of the product, high mechanical and cutting properties, high hardness with a large viscosity reserve after hardening heat treatment are obtained. The increase in layers in the product above 500 improves the properties of Damascus steel, but increases the complexity of its manufacture.

После окончания свободной ковки заготовку дамасской стали отжигают по режиму стали 6ХВГ, исправляя структуру сталей. Нагрев 800-810°С, охлаждение 50°град/час до 600°С, затем на воздухе. Отжиг заготовки по режиму стали 6ХВГ благоприятный и для стали 50. После отжига заготовка легко поддается механической обработке.After the end of free forging, the Damascus steel billet is annealed according to the 6KhVG steel regime, correcting the structure of the steels. Heating 800-810 ° C, cooling 50 ° ha / h to 600 ° C, then in air. Annealing of the workpiece according to the 6HVG steel mode is also favorable for steel 50. After annealing, the workpiece is easily machined.

Предложенный способ позволяет обеспечить качество сварки и получить цельную заготовку дамасской стали независимо от химического состава свариваемых пластин.The proposed method allows to ensure the quality of welding and to obtain a solid billet Damascus steel, regardless of the chemical composition of the welded plates.

Claims

A method of producing Damascus steel blanks, including assembling plates of different steel grades into a stack and subsequent free forging, characterized in that before forging a monolithic blank is obtained by connecting the plates by diffusion welding in an oxidizing medium with two isothermal holdings using a compression tool made with different ratios linear expansion of its structural elements.