СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF MAKING FASTENERS FROM HIGH-STRENGTH TITANIUM ALLOYS

Область техники
Изобретение относится к области металлургии, в частности, к способам изготовления стержневых деталей с головками из титановых сплавов, и может быть использовано в авиационно-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 радиуса 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°C с последующим охлаждением вместе с печью до температур 580-600°C, а затем в воде и старения при 300-400°C в течение 6-8 ч, механическую обработку, включающую операции формования методом холодного пластического деформирования, обкатки их наружной поверхности и накатыванию 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, ВТ 16, методом горячей высадки («Изготовление болтов с шестигранной головкой из титанового сплава ВТ 16 в условиях серийного производства», В.А. Чернышов, Н.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», №2, 2001 г.) включающий отрезку заготовок, горячую высадку, термообработку, механическую обработку, упрочнение галтели и накатку резьбы. Данный способ позволяет изготовлять болты диаметром 4-36 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 ВТ 16 с пределом прочности αB≤1150 МПа, относительным удлинением δ≥12% и относительным сужением ψ≥40%.
Недостатком данного способа является ограничение прочностных свойств материала болтов из-за невозможности образования качественной резьбы (без разрывов и закатов) методом пластического деформирования.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка технологического процесса изготовления высокопрочных болтов из титановых сплавов с бездефектной резьбой и прочностью выше 1150-1200 МПа при снижении затрат на ее осуществление за счет устранения операции нагрева под накатку резьбы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления крепежных элементов из высокопрочных титановых сплавов, содержащих стержень с головкой и резьбовым концом, включающий изготовление заготовок, термообработку, горячую высадку головок, механообработку, накатывание резьбы и упрочнение галтели головки, накатку резьбы выполняют в два этапа: вначале производят предварительную неполную накатку резьбы на заготовках после закалки с деформацией, определяемой процентным соотношением высоты формируемого зуба резьбы к требуемой высоте зуба резьбы, равной 85-98%, затем после упрочняющего старения производят окончательную полную накатку резьбы до получения резьбы с требуемыми геометрическими параметрами.
Кроме того, предварительную неполную накатку резьбы на заготовках выполняют при температурах ниже температуры рекристаллизации с деформацией 90-95% а последующую окончательную полную накатку выполняют вхолодную при нормальной температуре.
Возможно для высоколегированных титановых сплавов предварительную неполную накатку резьбы на заготовках выполнять вхолодную после закалки с деформацией 85-95%, а последующую окончательную полную накатку выполнять вхолодную при нормальной температуре.
Такое выполнение способа позволяет получать высококачественные крепежные детали из титановых сплавов при минимальных затратах.
Осуществление изобретения
В соответствии с изобретением 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, термообработку, горячую высадку головок, механическую обработку, накатывание резьбы и упрочнение галтели головки. Накатывание резьбы выполняют в два этапа: вначале производят предварительную неполную накатку резьбы на заготовках после закалки с деформацией, определяемой процентным соотношением высоты формируемого зуба резьбы к требуемой высоте зуба резьбы, равной 85-98%, затем после упрочняющего старения производят окончательную полную накатку резьбы до получения резьбы с требуемыми геометрическими параметрами,
Кроме того, предварительную неполную накатку резьбы на заготовках из высоколегированных титановых сплавов (например, ВТ-22) выполняют при температурах ниже температуры рекристаллизации с деформацией 90-95% а последующую окончательную полную накатку выполняют вхолодную при нормальной температуре.
Возможно предварительную неполную накатку резьбы на заготовках (например, из сплава ВТ-16) выполнять вхолодную после закалки с деформацией 85-95%), а последующую окончательную полную накатку выполнять вхолодную при нормальной температуре.
Примеры конкретного выполнения способа
1. Часть отожженных и закаленных болтов диаметром 12 мм из сплава ВТ 16 после операции резки и горячей высадки головок на кривошипном прессе при температуре 750°С подвергали механообработке стержня под накатку резьбы. Затем заготовки проходили операции обкатки специальными роликами галтели в месте перехода от стержня к головке для деформационного упрочнения. После этой операции заготовки помещали в ролики накатного станка. На заготовках накатывали резьбу при нормальной температуре с деформацией сплава, обеспечивающей формирование резьбы с размерами, обусловленными стандартом. Режим накатки: время накатки 3 с, давление в гидросистеме станка 5 МПа. После накатки резьбу контролировали калибрами, исследовали поверхность резьбы при увеличении ×30 и исследовали шлифы продольных разрезов при увеличении ×200. Трещин, отслоений и сколов металла обнаружено не было. После накатки 5 образцов, болты были испытаны на временное сопротивление разрыву (см. табл.1, п.1).
2. Образцы второй партии подвергнутые всем вышеописанным в п.1 операциям до деформационного упрочнения галтели в месте перехода от стержня к головке и накатки резьбы проходили затем безокислительное упрочняющее старение при температуре 560°C в среде проточного аргона в контейнере, помещенном в воздушную электропечь. Время выдержки при температуре 560°C - 6 часов. Осуществление этой операции возможно и в вакуумной печи. Накатку резьбы после старения при нормальной температуре и обкатки галтели в области перехода от стержня к головке проводили по режиму накатки первой партии образцов. Таким же образом осуществляли контроль и оценочное исследование резьбы. Было установлено образование трещин во впадинах резьбы и ее локальное разрушение в области вершин резьбы (см. табл.1, п.2).
3. На третьей партии образцов, прошедшей операции аналогичные операциям первой партии до операции обкатки галтели, накатывали резьбу в закаленном состоянии сплава при условии деформации сплава, обеспечивающей не полностью сформированный профиль резьбы. Величина этой условной деформации, определяемой процентным соотношением высоты сформированного зуба резьбы к высоте зуба, требуемой по стандарту, была равна 95-98%. Такую деформацию получали уменьшением рабочего хода подвижного накатного ролика станка для накатки. После предварительной накатки заготовки проходили операции старения по режиму старения второй партии образцов. Затем заготовки докатывали с условной деформацией 5-2% с целью получения резьбы с требуемыми стандартом геометрическими параметрами и производили обкатку галтели в месте перехода от стержня к головке болта каждого образца. В завершении образцы проходили контрольные исследования и оценку прочности в соответствии с вышеописанными процедурами. При отсутствии каких-либо разрушений в резьбе (см. табл.1, п.3) прочность образцов существенно не отличалась от прочности образцов 1-ой партии.
4. Следующая партия образцов была изготовлена аналогично образцам 3-ей партии при величине условной деформации резьбы 90-95% с докаткой образцов в состаренном состоянии 10-5%. При отсутствии каких либо разрушений в резьбе прочность образцов существенно возрастает (см. табл.1, п.4), что свидетельствует об образовании упрочненного поверхностного слоя в резьбе.
5. Следующая партия образцов была изготовлена аналогично образцам 3-ей партии, но с величиной условной деформации при накатке и докатке резьбы соответственно 85-90% и 15-10%. В результате была получена качественная резьба с прочностью такой же, как и у образцов 4-й партии.
6. Шестая партия образцов была изготовлена аналогично образцам 3-ей партии, но с величиной условной деформации при накатке и докатке резьбы соответственно 80-85% и 20-15%. Результаты проведенных исследований позволили обнаружить начало образования трещин в резьбе.
Как показали эксперименты не все титановые сплавы пригодны для накатки резьбы даже в закаленном состоянии, обеспечивающим максимальные пластические свойства. Так, например, на заготовках из сильнолегированного сплава ВТ22 (системы Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr) из-за его повышенной прочности и малой пластичности вследствие большого содержания β-стабилизирующих элементов не удается получить бездефектную резьбу даже в закаленном состоянии сплава, характеризующимся повышенной пластичностью (относительное удлинение сплава δ=9%).
Для получения качественной резьбы на заготовках из сплава типа ВТ22 диаметром 12 мм их помещали в индуктор с внутренним диаметром 18 мм, соединенный с полупроводниковым генератором ТВЧ мощностью 25и кВт и установленный в непосредственной близости от накатного станка, где производилась накатка резьбы. При токе в индукторе 43OA заготовку нагревали до 400°C в течение 4 секунд. Затем заготовку помещали в ролики накатного станка, где производилась накатка резьбы по вышеуказанному режиму с условной деформацией 90-95%. После накатки резьбы заготовки старили в атмосфере проточного аргона при температуре 500°C в течение 8 часов. После упрочняющей обкатки галтелей в местах перехода от стержня к головке заготовки докатывали при нормальной температуре с условной деформацией 10-5% до требуемых стандартом размеров резьбы с образование упрочненного поверхностного слоя, т.е. упрочняющую обработку проводили без предварительного нагрева под накатку. В результате были получены образцы с качественной резьбой без нарушений сплошности металла вследствие незначительной деформации металла на этапе докатки, но достаточной для упрочнения резьбы. Предел прочности при растяжении образцов был в пределах 1250-1300 МПа.
Таблица 1
№ п/п
Состояние сплава при предварительной накатке
Условная деформация при предварительной накатке, %
Состояние сплава при докатке
Условная деформация при докатке, %
Качество резьбы
Предел прочности при растяжении, МПа
1
Закаленное
100
-
Отсутствие дефектов
850-950
2
Упрочненное старением
100
-
Трещины, сколы, отслоения металла
3
Закаленное
95-98
Упрочненное старением
5-2
Отсутствие дефектов
950-1 100
4
Закаленное
90-95
Упрочненное старением
10-5
Отсутствие дефектов
1200-1250
5
Закаленное
85-90
Упрочненное старением
15-10
Отсутствие дефектов
1190-1240
6
Закаленное
80-85
Упрочненное старением
20-15
Трещины, частичное отслоение металла
Технико-экономический эффект
Предлагаемая технология позволяет:
1. Получать качественные крепежные изделия с прочностью 1150-1200 МПа, в т.ч. большого размера из высокопрочных заготовок из титановых сплавов без нагрева под накатку резьбы.
2. Прямая замена в летательных аппаратах стальных болтов на высокопрочные титановые позволяет снизить их вес на 35-40%.
3. Применение холодной накатки резьбы позволяет исключить структурные и геометрические изменения резьбовой части крепежных изделий, а двухступенчатая накатка - многочисленные дефекты, возникающие при однопроходном формировании резьбы.