СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ МАСЛОСЪЕМНЫХ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
METHOD FOR MANUFACTURING OF STEEL OIL-SCRAPER PISTON RINGS

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении стальных маслосъемных поршневых колец из проволоки.
Известен способ изготовления кольцевых упругих элементов, в частности пружин и рессор, включающий однократное деформационное упрочнение протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики с обжатием 40-60%, навивку на оправку и последующий отпуск при температуре 280-300°С в течение 20-40 мин. Это обеспечивает точность размеров и форм, высокие механические свойства и эксплуатационную стойкость упругих элементов (Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы / А.Г.Рахштадт. - М.: Металлургия, 1971. - с.73-74).
Основным недостатком вышеописанного способа является отсутствие возможности использования для изготовления стальных маслосъемных поршневых колец сложного профиля с перфорированными пазами при однократном деформационном упрочнении без разрушения вследствие исчерпаемости запаса пластичности.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления стальных маслосъемных поршневых колец, включающий деформационное упрочнение проволоки путем ее протягивания через профильные волочильные ролики с обжатием, навивку проволоки на оправку и ее рекристаллизационный отпуск (Решение о выдаче патента по заявке № 2005134301/02(038354), В23Р 15/06, от 07.11.2005 - прототип).
Основными недостатками вышеописанного способа являются высокие деформационные упрочнения при пятикратном протягивании проволоки через профильные волочильные ролики с обжатием 35-40%, 20-25%, 10-15%, 15-20%, 6-8%, которые сопровождаются повышением твердости до 35-40, 26-28, 35-37, 28-32 HRC, соответственно; пониженными температурами рекристаллизационного отпуска 660-680°С после первого и третьего деформационных упрочнений, низкими температурами термофиксации (500°С) и термостабилизации (550°С), а также отсутствием рекристаллизационного отжига перед первым деформационным упрочнением, что сопровождается появлением микротрещин в проволоке вследствие исчерпаемости запаса пластичности, а также преждевременным выходом из строя волочильных роликов (сколы, выкрашивания).
Задачей изобретения является изготовление стальных маслосъемных поршневых колец сложного профиля с перфорированными пазами без нарушения сплошности, обладающими высокими эксплуатационными свойствами.
1
Поставленная задача решается способом изготовления маслосъемных поршневых колец, включающим деформационное упрочнение проволоки путем ее протягивания через профильные волочильные ролики с обжатием, навивку проволоки на оправку и ее рекристаллизационный отпуск, по изобретению деформационное упрочнение проволоки осуществляют шестикратно, протягивая ее через профильные волочильные ролики с соответствующими обжатиями 21-23%, 20-21%, 18-20%, 17-19%, 16-18%, 9-11%, рекристаллизационный отпуск проволоки осуществляют после первого, третьего и пятого деформационных упрочнений при температуре 690-710°С в течение 1 часа, при этом после пятого деформационного упрочнения выполняют пробивку перфорированных пазов и протягивания проволоки через волочильные ролики с обжатием 9-11%, а также проводят ее навивку на оправку, а затем производят термофиксацию на оправке при температуре 560-580°С в течение 1 часа и разрезают на отдельные кольца, которые устанавливают в гильзу, осуществляют термостабилизацию при температуре 580-600°С в течение 1 часа. Кроме того, перед первым деформационным упрочнением выполняют рекристаллизационный отжиг проволоки при температуре A±10°С.
Анализ предложенного решения с прототипом позволяет выделить признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, что соответствует критерию «новизна».
Сравнительный анализ предложенного решения с известными не выявил признаков, совпадающих с отличительными признаками предложенного решения, что соответствует критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена исходная структура стали 20X13×500; на фиг.2 структура стали 20X13 после рекристаллизационного отжига, в 820°С×500; на фиг.3 структура стали 20X13 после рекристаллизационного отпуска, 700°С, 1 час×500; на фиг.4 структура стали 20X13 после третьего деформационного упрочнения, ×250.
Выполненные расчеты и построенные площади переходов на ЭВМ в программе AutoCAD 2006 показали возможность получения заданного профиля маслосъемного кольца за 6 протягиваний через профильные волочильные колики. Увеличение числа протягиваний способствует удалению мелких поверхностных дефектов и снижению шероховатости поверхности. С нарастанием степени общей деформации в процессе протягивания, вследствие упрочнения металла вытяжка за проход должна уменьшаться. Чем меньше эти обжатия, тем медленнее нарастает прочность, тем выше степень суммарной деформации и тем выше абсолютная величина механических свойств (Металловедение и термическая обработка: сборник 9 (приложение к журналу «Сталь») - М.: Металлургиздат, 1959).
Важнейшим контролируемым параметром поршневых колец является твердость. По ней можно судить о качестве материала и степени его износостойкости, а так же степени упрочнения и структуре материала.
При первом деформационном упрочнении обжатие составляет 21-23% для получения оптимальной твердости 25-32 HRC, т.к. наши исследования установили, что максимальная твердость не должна превышать 35 HRC во избежание возникновения очагов разрушения.
Обжатие менее 21% недостаточно для деформационного упрочнения на твердость 25-32 HRC, а обжатие более 23% опасно из-за возникновения микротрещин. Обжатие, составляющее 20-21% при втором деформационном упрочении протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики, является оптимальным для формирования профиля маслосъемного кольца с твердостью 22-27 HRC. Обжатие менее 20% не обеспечивает деформационное упрочнение с твердостью 30-35 HRC, а обжатие более 21% опасно из-за возникновения микротрещин.
Обжатие, составляющее 18-20% при третьем деформационном упрочнении протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики является оптимальным для получения сложного по конфигурации профиля маслосъемного кольца с твердостью 30-35 HRC. Обжатие менее 18% недостаточно для деформационного упрочнения на высокую твердость 30-35 HRC, а обжатие более 20% опасно из-за возникновения микротрещин.
Обжатие, составляющее 17-19%, при четвертом деформационном упрочнении протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики является оптимальным для формирования профиля маслосъемного кольца, т.к. при этом твердость возрастает незначительно - до 25-30HRC, которая обеспечивает и деформационное упрочнение, и получение заданного профиля. Обжатие менее 17% не дает достаточного упрочнения, а при обжатии более 19% нарушаются контуры профиля кольца.
Обжатие, составляющее 16-18%, при пятом деформационном упрочнении протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики необходимо для получения максимально допустимой твердости 35HRC перед заключительным формированием заданного профиля маслосъемного кольца. Обжатие менее 16% не дает достаточного упрочнения, при обжатие более 18% нарушаются контуры профиля кольца.
Обжатие, составляющее 9-11%, на твердость 26-28 HRC при шестом деформационном упрочнении протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики является оптимальным для получения сложного профиля маслосъемного кольца без дальнейшей механической обработки.
При обжатии менее 9% происходит неравномерная калибровка профиля по сечению. При обжатии более 11% возможно шелушение поверхности профиля вследствие наклепа.
Выполнение рекристаллизационного отпуска при температуре 690-710°С в течение 1 часа необходимо для снятия наклепа и снижения твердости до 22-24 HRC после деформационных упрочнений при волочении и повышении пластичности во избежание «растрескивания» при последующем деформационном упрочнении. Кроме того, после отпуска при 690-710°С достигаются высокие степени обжатия, связанные с получением ориентированной структуры, что способствует равномерной деформации при волочении (Коткис М.А., Скобло А.В. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1968, № 2. - с.52).
Отпуск при температуре менее 690°С недостаточен для снижения твердости, а отпуск при температуре более 710°С приводит к разориентировке деформированной структуры без снижения твердости.
Термофиксация на оправке профиля маслосъемного кольца при температуре 560-580°С в течение 1 часа является оптимальной для снижения напряжений и повышения их предела упругости, релаксационной стойкости и усталостной прочности формы вследствие изменения тонкой структуры при полигонизации с образованием сегрегации из атомов углерода и дисперсных частиц карбидов. Полигонизация представляет собой формирование субзерен, разделенных плоскими дислокационными стенками. Стенки малоподвижны и весьма устойчивы при дальнейшем нагреве (Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М. «Металлургия» - 1978, с.35-40).
Нагрев при температуре менее 560°С недостаточен для протекания полигонизации, а при температуре более 580°С приводит к перестариванию структуры.
Термостабилизация в гильзе стальных маслосъемных поршневых колец при температуре 580-600°С в течение 1 часа является оптимальной для закрепления подвижных дислокаций атомами примесей в дислокационных стенках, возникающих при полигонизации деформационного металла.
Нагрев при температуре менее 580°С в течение 1 часа недостаточен для повышения сопротивления малым пластическим деформациям.
Однако при повышении температуры более 600°С происходит укрупнение субзерен и снижение прочности, а также упругих свойств колец.
1
1
1
Рекристаллизационный отжиг проволоки при температуре A±10°С в течение 1 ч необходим для снижения твердости проволоки в состоянии поставки и повышения пластичности стали, необходимой для выполнения деформации. В исходном состоянии структура стали 20X13 состоит из аустенита, феррита и карбидов, которые существенно препятствуют пластической деформации (фиг.1). После рекристаллизационного отжига при температуре A±10°С A=820°С карбиды растворяются почти полностью (фиг.2), а твердость стали понижается с 20 HRC до 10 HRC.
Способ изготовления стальных маслосъемных поршневых колец осуществляется следующим способом.
1
Бухту проволоки из стали 20X13, 30X13 помещают в герметичный контейнер, загружают в печь для проведения рекристаллизационного отжига при температуре A±10°С в течение 1 часа. После чего проволоку помещают на разматывающее устройство и подвергают шестикратному деформационному упрочнению протягиванием через профильные волочильные ролики с навивкой на барабан.
Первое деформационное упрочнение протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики производят с обжатием 21-23% на твердость 25-32 HRC. После него осуществляют рекристаллизационный отпуск при температуре 690-710°С в течение 1 часа для снижения твердости до 15-18 HRC и повышения пластичности (фиг.3). Второе деформационное упрочнение протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики производят с обжатием 20-21% на твердость 22-27 HRC.
После третьего деформационного упрочнения с обжатием 18-20% осуществляют рекристаллизационный отпуск при температуре 690-710°С в течение 1 часа для снижения твердости до 20-23 НRС(фиг.4).
Четвертое деформационное упрочнение протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики производят с обжатием 17-19%, пятое - с обжатием 16-18% на твердость 25-30 HRC и 30-35 HRC, соответственно. После пятого деформационного упрочнения осуществляют рекристаллизационный отпуск при температуре 690-710°С в течение 1 часа на твердость 22-24 HRC.
Затем выполняют пробивку перфорированных пазов и шестое деформационное упрочнение протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики (калибровку) с обжатием 9-11% на твердость 26-28 HRC. После чего осуществляют навивку на оправку с натяжением и термофиксацию при температуре 560-580°С в течение 1 часа, разрезку на кольца, которые помещают в гильзу для термостабилизации при температуре 580-600°С в течение 1 часа.
Таким образом, использование предполагаемого изобретения позволяет изготовить стальные маслосъемные кольца сложного профиля с перфорированными пазами с обеспечением равномерного деформирования при протягивании проволоки через профильные волочильные ролики, обладающие высокими эксплуатационными характеристиками.