СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЗАГОТОВОК, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО КОЛЬЦЕВЫХ, ИЗ ХРОМОМАРГАНЦЕВЫХ СТАЛЕЙ
SURFACE HARDENING OF BLANKS, MAINLY, CIRCULAR, FROM CHROMOMANGANESE STEELS

Предлагаемое изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления заготовок, преимущественно кольцевых, для деталей ответственного назначения, работающих в условиях экстремальных знакопеременных и ударных нагрузок, высоких давлений и температур, т.е. требующих повышенных значений механических свойств металла (пределов прочности, текучести, относительных удлинения, сужения, ударной вязкости и др.). Такие заготовки могут применяться в различных областях промышленности, например в оборонной, подшипниковой, листопрокатном производстве, авиастроении, энергомашиностроении и т.п.
Предлагаемое изобретение охватывает область изготовления заготовок, преимущественно кольцевых (в том числе высотой Н≥0,3 Днар.), из хромомарганцевых сталей, в химическом составе которых основными элементами, влияющими на прочность и вязкость, являются хром с содержанием от 3% до 25% и марганец от 8% до 38%. При этом эти стали могут быть легированы равновесным азотом от 0,3% до 1,2%, никелем и другими компонентами. Эти стали также могут быть немагнитными в зависимости от марки стали и химического состава.
Особенностью этих сталей является склонность к упрочнению (наклепу) при определенных режимах нагрева, скорости движения деформирующего инструмента, а также дробности и накопления суммарной степени деформации в процессе изготовления заготовок.
При этом, чем больше уплотнение металла и накопленная суммарная деформация, особенно „при пониженной температуре (наклеп), тем выше прочностные и эксплуатационные характеристики полученных заготовок и готовых изделий.
Известен способ изготовления кольца на бойках, включающий нагрев мерной заготовки, ее осадку, прошивку и раскатку на оправке прошитой заготовки в окончательные размеры, при этом производят поперечную осадку заготовки с получением пластины, после чего полученную пластину устанавливают в плоские бойки с обеспечением вертикального направления волокна пластины и осуществляют ее обкатку на диск путем обжатий, затем заготовку кантуют, а перед прошивкой выравнивают ее торцевые поверхности [1].
Однако данный способ неприменим для хромомарганцевых сталей, т.к. не регламентируются деформационно-скоростные характеристики, в том числе и литого металла, не обеспечивается достаточная суммарная степень деформации и, следовательно, не позволяет получить требуемых механических свойств и эксплуатационных характеристик изделий.
-3
-1
-2
-1
Известен способ изготовления цельнокатаных колец из жаропрочных никелевых сплавов, включающий изготовление кованой кольцевой заготовки, ее нагрев, горячую раскатку в условиях, близких к изотермическим, и последующую термообработку полученного кольца, в котором горячую раскатку нагретой кольцевой заготовки осуществляют за несколько непрерывно повторяющихся циклов, включающих операции раскатки и подогрева кольцевой заготовки, при этом интервал времени между упомянутыми операциями составляет 30 секунд, а операцию раскатки осуществляют в интервале температур от 117°С до температуры, по меньшей мере на 20°С превышающей температуру начала выделения в жаропрочном никелевом сплаве γ-фазы, со скоростью деформации, составляющей 4·10 с-1,5·10 с, с суммарной степенью деформации 6-15% за один цикл [2].
Данный способ применим для изготовления кольцевых заготовок только из стареющих многофазных никелевых сплавов и неприемлем для хромомарганцевых сталей, ввиду недостаточного уплотнения и накопления суммарной степени деформации как при изготовлении исходных кольцевых заготовок под горячую раскатку, так и при дальнейшей раскатке, при этом отсутствие наклепа на заключительных операциях деформирования приводит к пониженным и нестабильным механическим свойствам металла и эксплуатационных характеристик изделий.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение прочностных характеристик заготовок, преимущественно кольцевых, а именно механических свойств - таких, как предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение и т.п.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе упрочнения заготовок, преимущественно кольцевых, из хромомарганцевых сталей, включающем выплавку слитка, получение промежуточной мерной заготовки, изготовление из нее исходной кольцевой поковки, нагрев и многооперационную раскатку этих поковок в валках до готовой кольцевой заготовки, промежуточную мерную заготовку получают путем обжатия слитка в штангу и формирования из нее цилиндрических заготовок со скоростью движения деформирующего инструмента, равной по меньшей мере 0,05 м/сек, из полученных заготовок путем осадки, прошивки и раскатки на оправке со скоростью движения деформирующего инструмента, равной по меньшей мере 5,0 м/сек, изготавливают исходные кольца, полученную кольцевую заготовку нагревают и раскатывают в валках в две стадии: на первой стадии за несколько переходов в интервале горячего деформирования до промежуточного кольца с наружным диаметром, равным по меньшей мере 0,95 окончательного диаметра готовой кольцевой заготовки, затем разжимают валки и охлаждают, на второй стадии полученное промежуточное кольцо вновь нагревают до температуры, ниже температуры рекристаллизации хромомарганцевых сталей по меньшей мере на 50°С, раскатывают промежуточное кольцо до получения окончательных размеров готовой кольцевой заготовки, уменьшая усилие деформирования и увеличивая число оборотов валков в минуту, соразмеряя эти параметры со скоростью падения температуры кольца.
Для изготовления кольцевых изделий высотой Н≥0,3 Днар. исходную кольцевую заготовку для последующей раскатки могут получать путем отливки полого слитка с центральным отверстием и толщиной стенки, обеспечивающей накопление суммарной степени деформации, соответствующее упрочнение и достижение требуемых механических свойств в готовом кольце, затем полую литую заготовку могут уплотнять путем статического прессования в атмосфере инертного газа давлением по меньшей мере 130 МПа и температуре, близкой к интервалу температур горячего деформирования в течение времени, необходимого для получения требуемых механических свойств в готовом изделии в зависимости от марки стали.
При необходимости стенку полого слитка могут дополнительно упрочнять путем деформирования раскаткой на оправке на кузнечно-прессовом оборудовании.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Как было сказано выше, хромомарганцевые стали с повышенным содержанием марганца обладают способностью упрочняться в зависимости от накопленной суммарной деформации и температурно-скоростных характеристик самого процесса деформирования.
Для получения заготовок с повышенными механическими свойствами слиток, выплавленный из хромомарганцевой стали, деформируют до получения цилиндрической или прямоугольной штанги путем обжатий со скоростью движения деформирующего инструмента, равной по меньшей мере 0,05 м/сек. При этом происходит постепенное уплотнение макроструктуры, превращение литой дендритной структуры в мелкозернистую осуществляется при более мягкой схеме напряженно-деформированного состояния и, как следствие, более глубокого проникновения деформации в центральные слои, обеспечивается проработка внутренней осевой зоны слитка, исключается возможность возникновения в ней внутренних осевых растягивающих напряжений, залечиваются дефекты усадки и осевая рыхлость.
При деформировании слитка со скоростью движения деформирующего инструмента менее 0,05 м/сек, слиток быстро охлаждается ввиду узкого интервала температур горячего деформирования и увеличения времени контакта инструмента с поверхностью слитка, процесс деформирования приходится вести с малыми обжатиями, поверхностные слои в этом случае испытывают сильные растягивающие напряжения и на поверхности штанги могут появляться разрывы и трещины. Далее, полученную штангу разделяют на промежуточные мерные заготовки и в указанном выше интервале скоростей деформирующего инструмента выравнивают их торцы осадкой, а боковые поверхности биллетируют.
Полученные мерные заготовки нагревают и со скоростью движения деформирующего инструмента, равной по меньшей мере 5 м/сек, осаживают вдоль оси заготовки до получения диска, прошивают его и раскатывают полученный диск с отверстием на оправке в исходную кольцевую заготовку.
При воздействии инструмента указанной выше и более скоростью на поковку, происходит дальнейшее пооперационное накопление частных деформаций и, вследствие этого, в результате горячего наклепа происходит последовательное, всевозрастающее упрочнение металла по всему поперечному сечению заготовки. Наиболее сильное упрочнение наблюдается при раскатке диска с отверстием на оправке, т.к. в этом случае сдвиговые деформации распространяются на все сечение кольца.
При этом ковка кольцевой заготовки со скоростью движения деформирующего инструмента, меньшей чем 5,0 м/сек, не обеспечивает необходимого упрочнения, т.к. в этом случае кинетическая энергия деформирующего инструмента недостаточна для проникновения в сечение заготовки и соответствующего наклепа и упрочнения металла по всей площади поперечного сечения.
Однако, если требования к механическим свойствам детали невысокие, то получение исходной кольцевой заготовки осадкой, прошивкой и раскаткой на оправке может осуществляться с той же скоростью движения деформирующего инструмента, что и при получении промежуточных мерных заготовок, т.е. со скоростью, по меньшей мере равной 0,05 м/сек. В этом случае полученные исходные кольцевые заготовки сразу направляются на раскатку в валках.
Для дальнейшего упрочнения путем накопления единичных обжатий полученную таким образом исходную кольцевую заготовку нагревают и далее раскатывают преимущественно в валках в две стадии. Раскатка на оправке также возможна, но при этом распределение удельных деформаций по длине окружности кольца получается неравномерным, т.к. точного дискретного поворота заготовки на определенный угол добиться практически невозможно. В результате частные очаги деформации или накладываются друг на друга, или находятся через неравные промежутки друг от друга. Поэтому для выравнивания неравномерности предыдущих обжатий и осуществления более мягкой схемы деформирования применяют раскатку в валках.
На первой стадии производят несколько последовательных операций нагрева и раскатки в интервале температур горячего деформирования до получения промежуточного диаметра, равного по меньшей мере 0,95 диаметра готовой кольцевой заготовки, в результате чего происходит уменьшение поперечного сечения и увеличение диаметра кольца до указанных выше размеров. Затем валки разжимают и промежуточную кольцевую заготовку охлаждают. При этом получение промежуточной кольцевой заготовки диаметром, меньшим чем 0,95 диаметра готового кольца, нецелесообразно, т.к. значительно увеличивает количество последующих операций раскатки и частных деформаций при пониженной температуре, что может привести к недопустимому увеличению усилий деформирования на валках.
Температура рекристаллизации хромомарганцевых сталей - 550°С. При нагреве под раскатку выше этой температуры частично теряется накопленная при предыдущих операциях деформирования прочность.
Поэтому на второй стадии, для максимального упрочнения хромомарганцевых сталей, завершающую операцию деформирования осуществляют при пониженной температуре, а именно ниже температуры рекристаллизации по меньшей мере на 50°С. Для этого раскатное кольцо нагревают до температуры 500°-400°С и раскатывают до окончательных размеров. Однако при этом возрастают усилия и увеличиваются нагрузки на оборудование, поэтому раскатку до получения размеров готового кольца ведут с малой степенью деформации - менее чем 5,0%. При этом, по мере охлаждения заготовки, усилие деформирования уменьшают, а число оборотов валков увеличивают, соразмеряя эти параметры со скоростью падения температуры кольца. Для достижения требуемых механических свойств могут осуществлять несколько подобных операций нагрева и раскатки. Указанную выше температуру нагрева могут получать после размыкания валков при достижении по меньшей мере 0,95 диаметра готового кольца путем охлаждения его с температуры конца раскатки до 500°-400°С.
Для изготовления кольцевых изделий высотой Н>0,3 Днар. предлагаемым способом необходимы исходные кольцевые заготовки, у которых высота соизмерима с наружным диаметром. Получение таких заготовок прошивкой мерных заготовок практически невозможно, т.к. происходит недопустимое искажение формы («утяжка»), застревание прошивня в теле прошиваемой заготовки, появляются грубые дефекты на внутренней поверхности исходных заготовок, а получение внутреннего отверстия механической обработкой связано с большой трудоемкостью.
Для изготовления подобных кольцевых изделий исходную кольцевую заготовку под последующую раскатку могут получать путем отливки полого слитка с центральным отверстием и толщиной стенки, обеспечивающей накопление суммарной степени деформации, соответствующее упрочнение и достижение требуемых механических свойств в готовом кольце, затем полученную литую заготовку могут уплотнять путем статического прессования в атмосфере инертного газа под давлением по меньшей мере 130 МПа и температуре, близкой к интервалу температур горячего деформирования в течение времени, необходимого для получения требуемых механических свойств в готовом изделии в зависимости от марки стали. При необходимости стенку полого слитка могут дополнительно упрочнять путем осадки и деформирования на оправке на кузнечно-прессовом оборудовании.
Последующую раскатку в валках могут осуществлять по различным схемам деформирования - с преобладанием усилия деформации на аксиальных валках или, наоборот, на вертикальных.
Пример 1. Для изготовления кольцевой заготовки бандажного кольца электродвигателя размерами Ф600×Ф528×125 мм из немагнитной стали с химическим составом, %: С≤0,12; Si=0,20-0,80; Mn=17,5-20,0; Cr=17,5-20,0; N=0,4-0,7; Ni≤0,5; V≤0,1; S≤0,010; P≤0,045; и механическими свойствами по ТУ, равными: δт=785 МПа; δв=883 МПа; δ=20%; ψ=35% в индукционной печи был отлит слиток массой 1,5 т. Слиток нагревали до ковочной температуры 1220°С и обжимали на прессе АКП-500 со скоростью движения верхнего бойка 0,1 м/сек за несколько циклов нагрева и деформации до штанги с поперечным сечением квадрат 220 мм. Затем от полученной штанги отрубали донную и прибыльную части и разделяли на мерные заготовки. После этого каждую мерную заготовку нагревали до указанной выше температуры, осаживали и биллетировали по боковой поверхности с той же скоростью движения бойка до размеров Ф270×390 мм.
Проверка макроструктуры показала, что поперечное сечение заготовок имеет плотную мелкозернистую структуру, а ультразвуковой контроль не выявил наличие несплошностей и центральной пористости. При необходимости поверхностные дефекты удаляли механической обработкой.
Далее заготовки нагревали в газовой печи и, в интервале температур 1220°С-950°С, осаживали вдоль оси до высоты 160 мм со скоростью движения бойка 6 м/сек на молоте с м.п.ч. 3 тн. После подогрева в печи прошивали отверстие диаметром 130 мм и отправляли в печь на подогрев. Нагретую до температуры горячего деформирования прошитую заготовку раскатывали на оправке с той же скоростью движения бойка за несколько операций подогрева и раскатки до внутреннего диаметра заготовки, равного 300 мм.
Для дальнейшего упрочнения кольцевые заготовки нагревали до температуры 1220°С и раскатывали в валках за несколько циклов нагрева и раскатки в интервале температур 1220°С-950°С до наружного диаметра, равного 588 мм, и охлаждали. После этого провели промежуточные испытания механических свойств, которые показали следующие результаты:
- предел текучести - 859 МПа;
- предел прочности - 954 МПа;
- относительное удлинение - 30%;
- относительное сужение - 43%.
Отсюда видно, что суммарной деформации, накопленной на предыдущих операциях, недостаточно для достижения механических свойств, заданных ТУ.
Для достижения необходимых эксплуатационных характеристик, заданных требованиями чертежа детали, полученные раскатные кольца нагревали до температуры по меньшей мере на 50°С ниже температуры рекристаллизации, которая равна 550°С, т.е. на 500°-400°С, и раскатывали в валках с небольшим усилием, постепенно снижая это усилие и увеличивая скорость вращения валков и кольца в зависимости от скорости падения температуры до полного охлаждения кольца и достижения окончательного диаметра изделия. Степень деформации на завершающей стадии незначительна - около 2,0%, однако при пониженной температуре указанная деформация затрагивает все сечение кольцевой заготовки, происходит упрочнение (наклеп) металла. При этом происходит калибровка кольца и операции правки формы в дальнейшем не требуется.
В результате была получена кольцевая заготовка размерами Ф600×520×125 мм, от которой была отобрана кольцевая проба, вырезаны тангенциальные образцы и произведены испытания механических свойств, результаты которых приведены в таблице 1.
Таблица 1
Предел текучести, МПа
Временное сопротивление разрыву, МПа
Относительное удлинение, %
Относительное сужение, %
Способ-прототип
490
687
23
30
Заявляемый способ
945
1048
25
41
Требования ТУ
785
883
20
35
Таким образом, как видно из таблицы, механические свойства кольца, изготовленного по заявляемому способу, примерно на 18-20% выше требований технических условий, изложенных в чертеже детали.
Пример 2. Для изготовления заготовки бандажного кольца турбогенератора размерами Ф1100×Ф945×630 мм из стали с химическим составом, %: С≤0,12; Si=0,20-0,81; Mn=17,5-20; Cr=17,5-20; N=0,5-0,7; Ni≤0,5; V≤0,1; S≤0,010; P≤0,040; и механическими свойствами по ТУ, равными: δт=863 МПа; δв=942 МПа; δ=20%; ψ=35%; необходима исходная кольцевая заготовка под раскатку Ф705×Ф350×712 мм.
Для получения указанной заготовки методом электрошлакового литья отлили полый слиток размерами Ф725×Ф330×800 мм. После обточки и удаления прибыльной и донной частей получили заготовку размерами Ф707×Ф348×714 мм.
Далее указанную заготовку помещали в специальную установку, нагревали под давлением инертного газа в 150 МПа до температуры 1100°-1150°С и выдерживали в течение 5 часов. Промежуточный анализ макроструктуры показал, что структура металла получилась плотная, достаточно мелкозернистая, без неметаллических включений, близкой к структуре кованого металла.
При необходимости дополнительного упрочнения полученную заготовку могут раскатывать на оправке до необходимых размеров.
Изготовленную таким образом исходную кольцевую заготовку нагревали в печи до температуры 1200°-1220°С и раскатывали в валках кольцепрокатного стана за несколько переходов нагрева и раскатки до получения промежуточной кольцевой заготовки размерами Ф1080×Ф927×635 мм.
Далее указанную заготовку вновь нагревали до температуры 500°-450°С, помещали в валки кольцепрокатного стана и вращали, деформируя малыми степенями деформации (в пределах 2%) до полного охлаждения и достижения окончательных размеров. При этом, чтобы избежать перегрузок на валках стана, увеличивали скорость вращения валков и постепенно уменьшали усилия на валках, по мере падения температуры кольцевой заготовки. Такое деформирование при пониженной температуре приводит к упрочнению металла (наклепу) и одновременно устраняет искажения формы, т.е. отпадает операция калибровки, которая, как правило, выполняется на специальном растяжном оборудовании. Размеры заготовки в ходе процесса раскатки контролировались датчиками.
В результате была получена заготовка размерами Ф1100×Ф945×630 мм, из которой вырезали кольцевую пробу и изготовили тангенциальные образцы. Испытания механических свойств показали следующие результаты (см. таблицу 2):
Таблица 2
Предел текучести δт, МПа
Временное сопротивление разрыву δв, МПа
Относительное удлинение δ,%
Относительное сужение ψ,%
1
2
3
4
5
Способ-прототип
569
780
14
27
Заявляемый способ
992
1080
24,5
39
Требования ТУ
863
942
20
35
Как видно из таблицы, механические свойства кольцевой заготовки, изготовленной по заявляемому способу, превышают требования технических условий на ~15-20%.
Список документов
1. Способ изготовления колец, патент №2286862, B21J 1/04, В21К 1/28, от 10.11.2006 г.
2. Способ изготовления цельнокатаных колец из жаропрочных никелевых сплавов, патент №234910, В21Н 1/06, C22F 1/10, от 20.03.2009 г.