Установка для термической обработки изделий из металлов и сплавов

Полезная модель относится к областям металлургии и машиностроения, в частности, к способам и устройствам термической обработки металлов. Она может быть использована как для дополнительной, так и промежуточной обработки при технологиях упрочняющей термической обработки.
Повышение механических свойств сталей и сплавов обеспечивается проведением стандартных технологий упрочнения, например, термической обработкой (т.о.): закалкой и отпуском сталей, закалкой и старением сплавов (СТО). При проведении т.о. заготовку нагревают до определенной температуры с использованием необходимого оборудования для нагрева (стандартные электропечи, в том числе вакуумные или индукционный нагрев) и после выдержки охлаждают с требуемой скоростью. При закалке, в зависимости от вида материала, средой охлаждения может быть вода, техническое масло, поток воздуха, водовоздушная смесь, спреерное охлаждение и др. При отпуске (старении) охлаждение, как правило, проводится на спокойном воздухе. (Солнцев Ю.П. Материаловедение. СПб Химиздат. 2004. с. 735). Недостатком используемого оборудования является невозможность обеспечить повышенный, требуемый по условиям эксплуатации уровень механических свойств материалов для конкретных условий работы изделий. С целью дополнительного повышения механических свойств применяется оборудование, обеспечивающее использование энергии внешних физических полей. Известно устройство для проведения термической обработки в магнитном поле, обеспечивающее комбинированное воздействие на структуру. (М.Л. Бернштейн, В.Н. Пустовойт. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. М. Машиностроение. 1987 г. с. 256).
Термическая обработка в магнитном поле ТОМП) осуществляется на установке, включающей в себя индуктор с набором железных сердечников для индукционного нагрева, спреер, коаксиальный электромагнит. Установка работает следующим образом. Деталь устанавливается на оправку и нагревается в индукторе до требуемой температуры, затем нагрев автоматически отключается и деталь перемещают на позицию охлаждения, включается магнитное поле и спреерное устройство(при закалке).При отпуске на стадии охлаждения включается только магнитное поле. Обработанная деталь возвращается в исходную позицию.
в
Недостатком оборудования, является то, что при повышении прочности (σ) стали 45Х после стандартной закалки и отпуска при 200°С с охлаждением в магнитном поле пластичность снижается до δ~0%, что ниже чем после СТО. (Марочник сталей и сплавов. Под ред. Сорокина В.Г. М. Машиностроение. 1989. - 640 с.). Это обстоятельство не позволят использование высокопрочной стали при наличии растягивающих напряжений. Дополнительная обработка в магнитном поле применяется только для повышения механических свойств сталей. Для сплавов на основе титана, алюминия и меди эта установка не пригодна.
Вместе с тем из уровня техники известны способы термической обработки, комбинированной с другими технологиями, для получения повышенных свойств изделий из металлов и сплавов, в том числе, при помощи мощного воздушно-звукового воздействия. Так в патенте РФ №2100456 изложен способ т.о. сталей и сплавов. В патентах: РФ №2704953, 2635113 способ т.о. обработки сплавов титана, РФ №2389821 - т.о. сплавов алюминия. Для осуществления подобного воздействия применяется установка генерирующая мощное акустическое поле и одновременно высокоскоростные воздушные потоки [Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова, А.Ф. Леонов, В.К. Ерофеев. Инструментальные материалы. СПб: Политехника, 2005. - 268 с.; Приложение 1]. Установка состоит из двух сочлененных камер, одна из которых выполняет функции ресивера с плоским соплом, а другая является камерой - резонатором с размещенным в ней изделием. Установка оборудована газоструйным генератором звука (ГГЗ) типа пневматического дросселя «сопло-заслонка», а также средствами контроля и регулировки. В качестве рабочего газа для возбуждения мощных акустических волн звукового диапазона используется воздух. В сопловом блоке в качестве заслонки применяется плоская пластина (клин), которую перемещают по направлению к соплу для достижения определенных значений воздушного давления и мощного акустического поля. Для размещения образца установка снабжена загрузочным контейнером. По конструктивному исполнению эту установку принимаем за ближайший аналог (Приложение 2).
Недостатком установки прототипа является не достаточно точная регулировка при установке заслонки, что может приводить к сбоям в рабочем режиме и неудовлетворительным свойствам сплавов после обработки.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего повышение всего комплекса механических свойств при проведении термической обработки для любых металлических изделий, в том числе из сплавов.
Задача решается применением в ГГЗ заслонки выполненной в виде клина с боковыми плоскостями рабочей оконечности, обеспечивающие направление воздушно-звукового потока непосредственно на загруженное изделие, при этом перемещение клина-заслонки по направлению к соплу осуществляют по размеченной рисками шкале.
Достигаемый результат применения полезной модели заключается в повышенных показателях прочности по сравнению со СТО или исходными свойствами при необходимой пластичности, как для стали, так и для сплавов за счет обеспечения определенных значений и стабильности амплитудно-частотных характеристик ГГЗ.
Принципиальная схема установки для проведения упрочняющей термической обработки представлена на фигуре 1.
Установка включает: камеру резонатора 1, с клином 2, изменение положения которого позволяет варьировать параметры обработки. Резонатор соединен с ресивером 3, в который через штуцер 4 поступает сжатый воздух, давление которого контролируется с помощью манометра, соединяемого с дополнительным штуцером. Ресивер регулирует давление воздуха, поступающего через сопловой блок 5 в резонатор ГГЗ, в который помещается заготовка 6.
Устройство работает следующим образом: заготовку нагревают до определенной температуры в стандартной электропечи (могут быть использованы вакуумные печи или индукционный нагрев). Охлаждение заготовки проводят в резонаторе 1, представляющем камеру на открытом конце которой имеется фиксированный клин 2, перемещением которого регулируется амплитудно-частотные характеристики генерируемых акустических полей. Создание мощных акустических полей в резонаторе 1 осуществляется с помощью рабочего газа, подаваемого в ресивер 3 через штуцер 4 с последующим истечением его через сопловой блок 5 над полостью резонатора 1. Аэротермоакустическая обработка может проводиться в процессе охлаждения при отпуске или старении.
Для достижения необходимого результата воздействия АТАО на свойства материалов нужно создать акустические поля с требуемыми амплитудно-частотными и мощностными характеристиками. Настройка ГГЗ осуществляется путем выбора положения клина, размеров критического сечения сопла и давления рабочего газа. Для заготовки из определенного сплава, при постоянных значениях двух последних параметров, характеристики акустических полей определяются положением клина относительно сопла. Оптимальное положение клина устанавливается исходя из вида сплава и режима его предшествующей обработки. При проведении каждого режима термической обработки с использованием ГГЗ требуется многократное перемещение клина с целью:
- установки заготовок в камеру;
- фиксации положения клина перед обработкой;
- извлечения заготовки из ресивера после окончания обработки
Для обеспечения стабильности получаемых результатов обработки требуется устройство - индикатор перемещения клина для настройки режима АТАО.
Индикатор представляет собой линейку, установленную на поверхности клина. На линейке нанесены риски, фиксирующие размеры выступающей части клина за пределы резонатора, используемые при настройке на конкретный режим работы ГГЗ. Пример выбора режима обработки приведен в табл. 1.
5
1
1
2
Для получения требуемых свойств при давлении Ро.=2.10 Па, например, выбирается режим обработки - Р1, обеспечивающий требуемые частотные характеристики и соответствующее ему обозначение положения клина L по табл. 1. Расстояние от конца клина до отметки равной L=110 мм устанавливается по индикатору перемещением клина. При выбранном положении клина L=240 мм режим обработки - Р2 (табл. 1) изменяются амплитудно-частотные характеристики акустические поля. Наличие индикатора позволяет избежать ошибок при настройке ГГЗ.
Управление параметрами аэротермоакустического воздействия (температура, скорости охлаждения, скорости потока газа, амплитудно-частотных характеристик) осуществляется за счет варьирования геометрических характеристик установки, параметров рабочего газа, времени воздействия.
Результаты механических испытаний образцов из стали 40Х, после стандартной закалки и отпуска с режимом АТАО по 2 схемам, представлены в табл. 2
Приведенные результаты механических свойств показывают, что при АТАО по режиму Р1 в процессе охлаждения при отпуске возрастает не только прочность, но и пластичность (δ=10%) по отношению к свойствам стали, полученным после СТО и пластичность по сравнению с ТОМП. АТАО по режиму Р2 (отличаются значения параметра L, мм и, как следствие f, Гц) по отношению к аналогичным параметрам АТАО по Р1) механические свойства стали по прочности превышают значения, полученные после СТО, но при неудовлетворительных значениях пластичности.
Для сплавов на основе титана, алюминия и меди в качестве дополнительной упрочняющей обработки используется АТАО. Так свойства титанового сплава ТС6 после АТАО, по сравнению с его исходными свойствами в состоянии поставки повышаются при некотором росте и пластичности. (табл. 3).
Аналогичное воздействие АТАО (при конкретном режиме обработки для каждого сплава) оказывает и на механические свойства сплавов на основе титана(ВТ14, ВТТ6, ВТ23), алюминия Д1 (табл. 4) и меди БрНХК (табл. 5).
Представленные экспериментальные данные по механическим свойствам материалов, прошедших обработку на заявляемой установке однозначно свидетельствуют о ее работоспособности для достижения качественных и стабильных результатов. В настоящее время на опытной базе проводится изготовление подобных установок. Из чего следует, что применение полезной модели позволяет повысить прочность по сравнению со СТО или исходными свойствами при необходимой пластичности, как для стали, так и для сплавов при обеспечении определенных значений и стабильности амплитудно-частотных характеристик ГГЗ.