RU2611752C2

RU2611752C2 - METHOD OF PRODUCING ROD PARTS WITH HEADS MADE FROM TWO-PHASE (α+β) TITANIUM ALLOYS

Info

Publication number: RU2611752C2
Application number: RU2015132998A
Authority: RU
Inventors: Игорь Андреевич Воробьев; Максим Алексеевич Коврижин
Original assignee: Игорь Андреевич Воробьев; Максим Алексеевич Коврижин
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-28
Also published as: RU2015132998A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, particularly to production of rod parts with heads made from titanium alloys, and can be used in aerospace engineering, as well as chemical machine building, ship building and automotive industry. Method of producing rod parts with heads made from two-phase (α+β) titanium alloys involves tempering of workpieces, application of surface thereof of a solid oxalate coating, molding parts by cold plastic deformation with planting heads and multiple reduction of rods and ageing of obtained parts. Tempering of workpieces is carried out in vacuum furnace at 720–740 °C with further cooling, multiple reduction of rods is performed with deformation degree of 10–30 %, ageing of parts is carried out in an electric furnace in air at 240–260 °C for 4–8 hours with further hydro-polishing of parts and thread rolling.

EFFECT: higher strength and longevity of articles.

1 cl, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей с головками из титановых сплавов путем изменения физической структуры сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической технике, а также химическом машиностроении, судостроении и автомобилестроении.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to methods for manufacturing rod parts with heads from titanium alloys by changing the physical structure of the alloys, and can be used in aerospace engineering, as well as chemical engineering, shipbuilding and automotive.

Известен способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, включающий предварительный отжиг заготовок, нанесение на их поверхность твердого оксалатного покрытия, высадку головки и многократное редуцирование стержня, осуществляемые со скоростью 0,5-1,0 м/с, с последующим проведением одновременной обкатки радиуса под головкой и стержня и накатывание резьбы /SU 543454, МПК C22F 1/18, В21K 1/44, опубл. 25.01.1977/.A known method of manufacturing rod parts with heads of two-phase (α + β) titanium alloys, including preliminary annealing of the workpieces, applying a solid oxalate coating to their surface, head disembarkation and multiple rod reduction, carried out at a speed of 0.5-1.0 m / s , followed by simultaneous rolling of the radius under the head and the rod and thread rolling / SU 543454, IPC C22F 1/18, B21K 1/44, publ. 01/25/1977 /.

Недостатками известного способа являются невысокая прочность на разрыв и срез и долговечность изделий, что приводит к снижению характеристик надежности и долговечности ответственных элементов конструкций летательных аппаратов, где могут применяться вышеупомянутые крепежные изделия из титановых сплавов.The disadvantages of this method are the low tensile and shear strength and durability of products, which leads to a decrease in the reliability and durability of critical structural elements of aircraft, where the above-mentioned fasteners made of titanium alloys can be used.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, предусматривающий предварительную закалку заготовок (прутков) в вакуумной печи при 800-850°C с охлаждением их сначала вместе с печью до 580-600°C, а затем в воде до температуры окружающей среды. Из термообработанных заготовок после нанесения на их поверхность твердого оксалатного покрытия методом холодного пластического деформирования с многократным редуцированием стержня изготавливают стрежневые детали с головками, обкатывают гладкую часть стержня и радиус перехода к головке одновременно. Затем проводят старение изделий в вакуумной печи в течение 6-8 часов при 300-400°C. После этого изделия подвергают гидрополировке в мыльном растворе с концентрацией мыла 0,3-0,5% во вращающемся барабане в смеси стальных шариков диаметром 0,002-0,006 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,2-0,3 м, при этом скорость вращения барабана составляла 30-35 об/мин с изменением направления вращения через каждые 2 мин. Затем накатывают резьбу со скоростью 10-20 об./мин при давлении 1200-2400 кгс/мм² в течение 0,5-1,0 с, при этом величина радиуса впадины резьбы составляла 0,18-0,20 величины шага резьбы /RU 2156828, МПК C22F 1/18, В21K 1/44, опубл. 27.09.2000/.The closest analogue to the claimed invention is a method of manufacturing rod parts with heads of two-phase (α + β) titanium alloys, which involves preliminary hardening of billets (rods) in a vacuum furnace at 800-850 ° C with their cooling first together with the furnace to 580-600 ° C and then in water to ambient temperature. From heat-treated preforms after applying a hard oxalate coating to their surface by cold plastic deformation with multiple reduction of the rod, rod parts with heads are made, the smooth part of the rod is rolled in and the radius of transition to the head is simultaneous. Then the products are aged in a vacuum oven for 6-8 hours at 300-400 ° C. After this, the product is subjected to hydro-polishing in a soap solution with a soap concentration of 0.3-0.5% in a rotating drum in a mixture of steel balls with a diameter of 0.002-0.006 m and wooden cubes with a rib height of 0.2-0.3 m, while the rotation speed the drum was 30-35 rpm with a change in the direction of rotation every 2 minutes. Then thread the thread at a speed of 10-20 rpm./min at a pressure of 1200-2400 kgf / mm ² for 0.5-1.0 s, while the radius of the root of the thread was 0.18-0.20 magnitude of the thread pitch / RU 2156828, IPC C22F 1/18, B21K 1/44, publ. 09/27/2000 /.

Существенным недостатком известного способа следует отнести не достаточно высокую прочность и, как следствие, пониженную долговечность изделий. Помимо всего прочего, это связано с обеднением поверхностного слоя легирующими элементами при высоких температурах. Кроме того, к числу недостатков известного способа следует отнести большую продолжительность и трудоемкость процесса закалки заготовок в вакуумной печи, являющегося по существу ступенчатым отжигом, а также высокую энергоемкость процесса в целом. Все вышеотмеченное делает процесс малоэффективным.A significant disadvantage of this method should include not sufficiently high strength and, as a consequence, reduced durability of the products. Among other things, this is due to the depletion of the surface layer by alloying elements at high temperatures. In addition, the disadvantages of this method include the long duration and the complexity of the process of hardening the workpieces in a vacuum furnace, which is essentially a step annealing, as well as the high energy intensity of the process as a whole. All of the above makes the process ineffective.

Задача, на решение которой направлены предлагаемое техническое решение, заключается в создании простого и экономичного способа изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками.The problem to which the proposed technical solution is directed is to create a simple and economical method for manufacturing rod parts with heads from two-phase (α + β) titanium alloys with high performance characteristics.

Таким образом, техническим результатом заявляемого изобретения является повышение прочности и долговечности изделий.Thus, the technical result of the claimed invention is to increase the strength and durability of products.

Отмеченный выше технический результат достигается способом изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, включающем закалку заготовок, нанесение на их поверхность твердого оксалатного покрытия, формование деталей методом холодного пластического деформирования с высадкой головок и многократным редуцированием стержней и старение полученных деталей, в котором согласно заявляемому изобретению закалку заготовок осуществляют в вакуумной печи при 720-740°С с последующим охлаждением, многократное редуцирование стержней ведут со степенью деформации 10-30%, старение деталей проводят в электрической печи на воздухе при температуре 240-260°С в течение 4-8 часов с последующим гидрополированием деталей и накатыванием резьбы.The technical result noted above is achieved by a method of manufacturing rod parts with heads from two-phase (α + β) titanium alloys, including hardening of the workpieces, applying a hard oxalate coating to their surface, molding of parts by cold plastic deformation with heading and multiple reduction of the rods and aging of the parts obtained in which, according to the claimed invention, the quenching of the preforms is carried out in a vacuum oven at 720-740 ° C, followed by cooling, multiple reduction ment rods lead to the degree of strain 10-30%, aging of parts is carried out in an electric furnace in air at 240-260 ° C for 4-8 hours followed by rolling gidropolirovaniem parts and threads.

Кроме того, в другом предпочтительном варианте осуществления изобретение характеризуется тем, что в качестве заготовки используют деформированную заготовку из (α+β) титанового сплава с величиной зерна не более 10 мкм.In addition, in another preferred embodiment, the invention is characterized in that a deformed preform of (α + β) titanium alloy with a grain size of not more than 10 μm is used as a preform.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в отличие от наиболее близкого аналога, в процессе изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, предлагается: предварительную термообработку заготовок проводить в вакуумной печи при 720-740°С, после нанесения на поверхность заготовок твердого оксалатного покрытия формование деталей методом холодного пластического деформирования с высадкой головок многократное редуцирование стержней осуществлять со степенью деформации 10-30%, а операцию старения деталей проводить в электрической печи на воздухе при температуре 240-260°С в течение 4-8 часов; кроме того, предлагается в качестве заготовки использовать деформированную заготовку из (α+β) титанового сплава с величиной зерна не более 10 мкм.The essence of the invention lies in the fact that, in contrast to the closest analogue, in the manufacturing process of rod parts with heads from two-phase (α + β) titanium alloys, it is proposed: preliminary heat treatment of the workpieces is carried out in a vacuum furnace at 720-740 ° C, after application on the surface of the hard oxalate coating preforms, the molding of parts by cold plastic deformation with head upsetting requires multiple rods reduction with a degree of deformation of 10-30%, and the aging operation is hoists carried out in an electric furnace in air at 240-260 ° C for 4-8 hours; In addition, it is proposed to use a deformed preform of (α + β) titanium alloy with a grain size of not more than 10 μm as a preform.

В результате проведенных исследований было установлено, что закалка заготовок (прутки, проволока) с температур 720-740°С приводит к повышению пластичности при деформации сжатием. При этих температурах сохраняется (α+β) структура с метастабильной β-фазой. При температурах 720°С и более происходит заметное увеличение предельной степени деформации сжатием, а предел текучести

0,2 достигает минимального значения при температуре 740°С. Можно предположить, что такая зависимость предела текучести от температуры закалки обусловлена тем, что после закалки в сплавах образуются нестабильные фазы, склонные к превращениям при холодной деформации. Проведенные рентгеноструктурные исследования образцов, закаленных с температур 720-740°С и редуцированных после закалки со степенью 10-30% показали, что происходит превращение β-фазы в αʺ-мартенсит и это превращение полностью не заканчивается. На рентгенограммах, полученных с образцов, редуцированных после закалки при температурах, например, 740°С, кроме отражений от α- и β-фаз присутствуют отражения, расположенные под углами, под которыми обычно происходит отражение от α-мартенсита. С повышением степени деформации образцов, закаленных от 740°С, происходит уменьшении линии (200) β-фазы и возрастание соотношения интенсивности линии (10.2) α и (200) β. Все это указывает на то, что по всей вероятности, под влиянием деформации редуцированием происходит превращение β-фазы в αʺ-мартенсит и наблюдается тенденция постепенного перехода от ромбической структуры αʺ-структуры к более хрупкой гексагональной α'-фазе. Исследования показывают, что образование α'-мартенсита в титановых сплавах приводит к их упрочнению и охрупчиванию. Поэтому закалка с температур выше 740°С приводит к уменьшению пластичности при деформации осаживанием. Кроме того, можно предположить, что образование в результате фазовых превращений фаз с большим удельным объемом также способствует уменьшению пластичности сплава, так как это приводит к появлению микронапряжений II рода.As a result of the studies, it was found that quenching of the workpieces (rods, wire) from temperatures of 720-740 ° C leads to an increase in ductility during compression deformation. At these temperatures, a (α + β) structure with a metastable β-phase is retained. At temperatures of 720 ° C and more, there is a noticeable increase in the ultimate degree of compression deformation, and the yield strength

0.2 reaches its minimum value at a temperature of 740 ° C. It can be assumed that such a dependence of the yield strength on the quenching temperature is due to the fact that, after quenching, unstable phases are formed in the alloys, which are prone to transformations during cold deformation. The X-ray diffraction studies of samples quenched from temperatures of 720–740 ° C and reduced after quenching with a degree of 10–30% showed that the β-phase is transformed into αит-martensite and this transformation does not completely end. In X-ray diffraction patterns obtained from samples reduced after quenching at temperatures, for example, 740 ° C, in addition to reflections from the α and β phases, there are reflections located at angles at which reflection from α-martensite usually occurs. With an increase in the degree of deformation of samples hardened from 740 ° С, the (200) β-phase line decreases and the ratio of the line intensity (10.2) α and (200) β increases. All this indicates that, in all likelihood, under the influence of deformation by reduction, the β-phase is transformed into α м-martensite and there is a tendency to a gradual transition from the rhombic structure of the αʺ-structure to a more fragile hexagonal α'-phase. Studies show that the formation of α'-martensite in titanium alloys leads to their hardening and embrittlement. Therefore, quenching from temperatures above 740 ° C leads to a decrease in ductility during deformation by deposition. In addition, it can be assumed that the formation of phases with a large specific volume as a result of phase transformations also contributes to a decrease in the ductility of the alloy, since this leads to the appearance of type II microstresses.

Исследованиями также установлено, что наложение пластической деформации редуцированием со степенью деформации 10-30% позволяет реализовать эффект НТМО и снизить температуру последующего старения деталей, изготовленных из закаленных прутков с температуры 720-740°С холодным пластическим деформированием, до температуры 240-260°С в течение 4-8 часов, и позволяет получать детали с максимальным уровнем прочности. Эксперименты показали, что более высокие температуры старения приводят к охрупчиванию деталей и отрыву головок болтов при испытании на разрыв.Studies have also established that the application of plastic deformation by reduction with a degree of deformation of 10-30% allows the NTMO effect to be realized and the temperature of subsequent aging of parts made from hardened rods from a temperature of 720-740 ° C cold plastic deformation to a temperature of 240-260 ° C in for 4-8 hours, and allows you to receive parts with a maximum level of strength. Experiments have shown that higher aging temperatures result in embrittlement of parts and detachment of bolt heads during tensile testing.

Оптимальные значения величины степени деформации были установлены экспериментально, исходя из достижения наилучших показателей прочности изделий. Исследования показали, что снижение степени деформации менее 10% не позволяет получать требуемые характеристики сопротивления срезу, тогда как превышение заявляемого предельного значения (30%) потребует увеличения диаметра исходной заготовки, например, с ∅8,5 до ∅9,0, что в свою очередь отрицательно сказывается на стойкости оксалатного покрытия, так как увеличивается удельное давление, что приводит к нарушению процесса холодного деформирования (высадки).The optimal values of the degree of deformation were established experimentally, based on the achievement of the best indicators of product strength. Studies have shown that a decrease in the degree of deformation of less than 10% does not allow to obtain the required characteristics of shear resistance, while exceeding the claimed limit value (30%) will require an increase in the diameter of the initial workpiece, for example, from ∅ 8.5 to ∅ 9.0, which in its turn the turn negatively affects the stability of the oxalate coating, since the specific pressure increases, which leads to a violation of the process of cold deformation (upsetting).

В ходе исследований было установлено, что использование деформированной заготовки из (α+β) титанового сплава с величиной зерна не более 10 мкм способствует существенному увеличению прочностных характеристик деталей, изготовленных из этой заготовки заявляемым способом. Можно предположить, что малый размер зерен (не более 10 мкм) ухудшает совершенство кристаллической решетки и увеличивает плотность дислокаций; структура границ зерен и внутренние поля напряжений, а также сегрегации приводят к формированию упрочненной зоны вблизи границ зерен. Эксперименты подтвердили, что использование в заявляемом способе заготовок из (α+β) титанового сплава субмикрокристаллической структуры, а именно - с величиной зерна не более 10 мкм способствует повышению прочностных и технологических характеристик изготавливаемых стержневых деталей с головками.In the course of research, it was found that the use of a deformed billet of (α + β) titanium alloy with a grain size of not more than 10 μm contributes to a significant increase in the strength characteristics of parts made from this billet by the claimed method. It can be assumed that a small grain size (not more than 10 μm) impairs the perfection of the crystal lattice and increases the density of dislocations; grain boundary structure and internal stress fields, as well as segregation, lead to the formation of a hardened zone near the grain boundaries. The experiments confirmed that the use of submicrocrystalline structures with (α + β) titanium alloy preforms in the present method, namely with a grain size of not more than 10 μm, enhances the strength and technological characteristics of the manufactured core parts with heads.

Ниже приведены примеры, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с получением указанного выше технического результата. Пример №1 иллюстрирует осуществление заявляемого способа в случае использования деформированной заготовки из (α+β) титанового сплава с величиной зерна 10 мкм. В примере №2 используют деформированную заготовку из (α+β) титанового сплава с величиной зерна 20 мкм.The following are examples confirming the possibility of implementing the claimed invention to obtain the above technical result. Example No. 1 illustrates the implementation of the proposed method in the case of using a deformed billet of (α + β) titanium alloy with a grain size of 10 μm. In example No. 2, a deformed billet of (α + β) titanium alloy with a grain size of 20 μm is used.

Пример №1Example No. 1

Прутки (проволока) диаметром 8,5 мм из титанового сплава ВТ16, содержащего: Al=1,6-3,0; Мо=4,5-5,5; V=4,0-5,0, с величиной зерна 10 мкм закаливали в вакуумной печи при 740°С и охлаждали в воде. Из термообработанных прутков, после нанесения на их поверхность твердого оксалатного покрытия, методом холодного пластического деформирования с высадкой головок изготавливались болты М8×1,5. При изготовлении болтов проводили многократное редуцирование стрежня, степень деформации - 30%. Обкатывали одновременно гладкую часть стержня и радиус перехода его к головке роликами на резьбонакатном станке. Затем проводили старение в электрической печи на воздухе при температуре 260°С в течение 8 часов. После этого изделия подвергались гидрополировке в мыльном растворе с концентрацией мыла 0,5% во вращающемся барабане в смеси стальных шариков и деревянных кубиков, при этом скорость вращения барабана составляла 35 об/мин с изменением направления его вращения через каждые 2 минуты. Продолжительность процесса составила 20 часов. Затем накатывали резьбу на резьбонакатном станке со скоростью 20 об/мин. В течение 1,0 секунд, при этом величина радиуса впадины резьбы составляла 0,20 величины шага резьбы. Изготовленные болты имели следующие механические свойства, определенные по результатам статических испытаний: предел прочности: σ_в=1540 МПа; сопротивление срезу: τ_ср=830 МПа; относительное сужение после разрыва: ψ=45%. Полученные прочностные характеристики значительно превышают требования ОСТ1 10569-72 на болты из титанового сплава ВТ16.Rods (wire) with a diameter of 8.5 mm from VT16 titanium alloy, containing: Al = 1.6-3.0; Mo = 4.5-5.5; V = 4.0-5.0, with a grain size of 10 μm was quenched in a vacuum oven at 740 ° C and cooled in water. Of heat-treated rods, after applying a hard oxalate coating to their surface, M8 × 1.5 bolts were made by cold plastic deformation with heading. In the manufacture of bolts, repeated reduction of the rod was carried out, the degree of deformation was 30%. At the same time, they rolled in the smooth part of the rod and the radius of its transition to the head with rollers on a thread rolling machine. Then aging was carried out in an electric furnace in air at a temperature of 260 ° C for 8 hours. After this, the products were subjected to hydro-polishing in a soap solution with a soap concentration of 0.5% in a rotating drum in a mixture of steel balls and wooden cubes, while the rotation speed of the drum was 35 rpm with a change in the direction of its rotation every 2 minutes. The duration of the process was 20 hours. Then the thread was rolled on a thread rolling machine at a speed of 20 rpm. Within 1.0 seconds, while the radius of the thread depression was 0.20 magnitude of the pitch of the thread. The manufactured bolts had the following mechanical properties, determined by the results of static tests: tensile strength: σ _in = 1540 MPa; shear resistance: τ _cf = 830 MPa; relative narrowing after rupture: ψ = 45%. The obtained strength characteristics significantly exceed the requirements of OST1 10569-72 for VT16 titanium alloy bolts.

Пример №2Example No. 2

Стержневые детали с головками (болты М8×1.5) изготавливались из прутков (проволоки) диаметром 8,5 мм из титанового сплава ВТ16, содержащего Al=1,6-3,0; Мо=4,5-5,5; V=4,0-5,0 с величиной зерна 20 мкм по заявляемой технологии и с использованием режимных параметров, приведенных в Примере №1. Изготовленные болты имели следующие механические свойства, определенные по результатам статических испытаний: предел прочности: σ_в=1330 МПа; сопротивление срезу: τ_ср=740 МПа; относительное сужение после разрыва: ψ=60%. Полученные прочностные характеристики значительно превышают требования ОСТ1 10569-72 на болты из титанового сплава ВТ16.Rod parts with heads (M8 × 1.5 bolts) were made of rods (wire) with a diameter of 8.5 mm from VT16 titanium alloy containing Al = 1.6-3.0; Mo = 4.5-5.5; V = 4.0-5.0 with a grain size of 20 μm according to the inventive technology and using the operating parameters given in Example No. 1. The manufactured bolts had the following mechanical properties, determined by the results of static tests: tensile strength: σ _in = 1330 MPa; shear resistance: τ _cf = 740 MPa; relative narrowing after rupture: ψ = 60%. The obtained strength characteristics significantly exceed the requirements of OST1 10569-72 for VT16 titanium alloy bolts.

Полностью результаты проведенных экспериментальных исследований приведены в Таблице 1.The full results of the experimental studies are shown in Table 1.

В указанной таблице сравниваются показатели заявляемого способа (опыты 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15, 17, 18 и 19) и опытов, условия, проведения которых выходят за пределы, регламентированные формулой изобретения (опыты 1, 4, 5, 8, 9, 12, 13 и 16).The table compares the indicators of the proposed method (experiments 2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15, 17, 18 and 19) and experiments, the conditions of which go beyond the limits regulated by the claims (experiments 1, 4 , 5, 8, 9, 12, 13 and 16).

Как видно из представленных материалов, использование разработанного способа обеспечивает возможность достижения оптимальных эксплуатационных характеристик изготовленных деталей.As can be seen from the materials presented, the use of the developed method provides the opportunity to achieve optimal operational characteristics of the manufactured parts.

Таким образом, заявляемое изобретение успешно решает задачу создания простого и экономичного способа изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, обладающих высокими характеристиками прочности и, соответственно, долговечности, что имеет большое значение для увеличения эксплуатационного ресурса ответственных элементов конструкций в авиационной, космической технике и других отраслях промышленности.Thus, the claimed invention successfully solves the problem of creating a simple and economical method of manufacturing rod parts with heads of two-phase (α + β) titanium alloys having high strength and durability characteristics, which is of great importance for increasing the operational life of critical structural elements in aviation, space technology and other industries.

Claims

1. A method of manufacturing core parts with heads of two-phase (α + β) titanium alloys, including hardening of the workpieces, applying a hard oxalate coating to their surface, forming parts by cold plastic deformation with heading and multiple reduction of the rods and aging of the parts obtained, characterized in that the hardening of the workpieces is carried out in a vacuum furnace at 720-740 ° C followed by cooling, multiple reduction of the rods is carried out with a degree of deformation of 10-30%, the aging of wire parts yat in an electric furnace in air at a temperature of 240-260 ° C for 4-8 hours, followed by hydro-polishing of parts and rolling threads.

2. The method according to p. 1, characterized in that as the blanks use deformed blanks of (α + β) titanium alloys with a grain size of not more than 10 microns.