ПРУТОК ИЗ ХРОМОВОЙ БРОНЗЫ СО СТАБИЛЬНОЙ ТВЕРДОСТЬЮ БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Полезная модель относится к цветной металлургии, а именно - к холоднотянутым пруткам из хромовых и хромоциркониевых бронз, используемым для изготовления электродов машин контактной сварки.
3
4
Известно, что в группу хромовых бронз входят двойные меднохромовые или более сложные хромсодержащие медные сплавы с содержанием хрома до 1,2% [1]. Их упрочняют закалкой, при проведении которой фиксируют пересыщенный твердый раствор легирующего в зерне основы сплава, и последующим старением, в ходе которого происходит распад твердого раствора с выделением дисперсных фаз-упрочнителей в виде хромсодержащих химических соединений [2]. Доля хромовых бронз в общем объеме выпускаемых полуфабрикатов из низколегированных медных сплавов весьма значительна, причем наибольшим спросом пользуются двойные «медь-хром» и тройные «медь-хром-цирконий» сплавы, выпуск которых достигает / объема производства всех хромовых бронз.
Хромовые бронзы обладают уникальными эксплуатационными свойствами, что позволяет широко использовать изделия из них в теплообменных агрегатах, машинах сварки электросопротивлением, приборостроении, электротехнике и других отраслях. При этом оптимального сочетания их механических и электротехнических характеристик, способствующего эффективному применению изделий из них, достигают путем термодеформационной обработки (ТДО) полуфабрикатов в технологическом цикле, поскольку без применения ТДО свойства изделий из хромовых бронз значительно снижены [3,4].
Наиболее важной механической характеристикой полуфабрикатов из этих бронз в виде прутков, используемых для изготовления электродов машин контактной сварки, является твердость. Согласно Европейскому стандарту BSEN12163:1998 [5] у этих изделий регламентирована твердость по Бринеллю и Виккерсу; российскими ТУ [7] нормировано временное сопротивление разрыву. Согласно требованиям стандарта США ASTM B249 [6] прутки следует испытывать на твердость по Роквеллу, шкала В, то есть посредством вдавливания индентора в виде шарика диаметром 1,588 мм под стандартной нагрузкой, и число твердости согласно [6] должно быть не менее 75HRB.
Известны прутки из меднохромового сплава CW105C по Европейскому стандарту BSEN12163:1998 [5] диаметром от 4 до 80 мм, при изготовлении которых заготовку подвергают «термообработке на твердый раствор» (то есть закаливают), «деформируют в холодном состоянии» (то есть волочат) и подвергают «дисперсионному твердению» (то есть состаривают), в итоге получают «состояние материала H135» - согласно [5, табл.10]; здесь и далее в кавычки взяты термины и понятия, цитируемые из [5]. После обработки, проведенной по указанному алгоритму, прутки должны иметь: твердость по
Бринеллю 135-180НВ; твердость по Виккерсу 140-185HV, причем при испытании прутков на твердость «отпечаток получают на поперечном сечении изделия на середине между центральной осью и наружной поверхностью прутка» (то есть на его торцевой поверхности). Приведенные выше числа твердости по Бринеллю и Виккерсу соответствуют значениям твердости по Роквеллу, шкала В, равным 76,5-90 HRB [9].
В качестве наиболее близкого аналога выбран пруток из хромовой бронзы [11], для которого с целью получения надлежащих свойств, в частности твердости, применяют ТДО, состоящую из закалки горячедеформированной заготовки, не менее чем двукратного волочения этой заготовки до предчистового диаметра и старения, причем старение проводят после волочения заготовки до предчистового диаметра, после чего осуществляют чистовое волочение состаренной заготовки до готового диаметра с коэффициентом вытяжки 1,10-1,25.
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что при получении достаточной твердости на торце образца, вырезанного из прутка, не достигаются требуемые значения твердости на его боковой поверхности, что подтверждено результатами анализа опытных данных, полученных в действующем производстве заявителя; эти результаты приведены ниже на с.4 описания. Вместе с тем высокая твердость на боковой поверхности прутков является особенно важной характеристикой с учетом условий последующей эксплуатации изготовленных из них электродов машин контактной сварки, а именно: при сварке с использованием электрода в виде ролика обязательным является надлежащий уровень твердости именно на боковой (цилиндрической) поверхности прутка, из которого будет изготовлен ролик. При сварке же с использованием электрода в виде стержня наиболее важна твердость на торцевой поверхности.
Кроме того, многие российские и зарубежные потребители этой продукции требуют предусматривать контроль твердости как на торцевой, так и на боковой поверхностях, обосновывая это требование тем, что оно важно не только для электродов контактной сварки в виде роликов, но также и других деталей машин, при работе которых основную нагрузку испытывают цилиндрические поверхности (для круглых прутков) или боковые граненые поверхности (для многогранных прутков). Однако до настоящего времени ни в одном российском или зарубежном нормативном документе не содержатся требования, касающиеся изменения твердости на боковой поверхности прутков.
Другим недостатком наиболее близкого аналога являются трудности, связанные с необходимостью контроля твердости на торцевой поверхности прутков самых малых размеров (диаметром менее 10 мм) с учетом приведенного выше требования по BSEN12163:1998, касающегося расположения отпечатка - «на середине между центральной осью и наружной поверхностью прутка». Еще более жесткие условия по
расположению отпечатков налагает российский ГОСТ 9013-59 [8]: при контроле твердости по Роквеллу, шкала В необходимо иметь на торце образца наличие трех отпечатков с последующим усреднением полученных числовых данных. При этом по [8] расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4-х диаметров отпечатков, и кроме того, расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка:
Простой расчет показывает, что при диаметре отпечатка, равном ~ 1 мм, который соответствует установленному нижнему пределу твердости, равному 75HRB, наименьший диаметр образца с учетом отмеченных условий измерения твердости на его торце по [8] составляет 8,46 мм. При неизбежных погрешностях, имеющих место в условиях реального производства, это значение следует увеличить как минимум на 15-20%, и тогда наименьший диаметр образца, для которого измерение твердости на торце явится достаточно надежным (следовательно, и достоверным), составит около 10 мм. С учетом изложенного можно сделать вывод о непреодолимых трудностях, возникающих при необходимости измерения твердости на торцевой поверхности прутков диаметром менее 10 мм, изготовление которых предусмотрено по ТУ 48-21-408-86 [10] (минимальный диаметр 8 мм), а также по Европейскому стандарту BSEN12163.1998 [5] (минимальный диаметр 4 мм).
Технический результат полезной модели заключается в повышении потребительских свойств продукции, а именно - достижении надлежащих значений твердости на торцевой и боковой поверхностях прутков.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного технического решения, согласно которому пруток из хромовой бронзы, полученный путем резки слитка полунепрерывного литья на заготовки, их нагрева под прессование, горячего прессования через матрицу с каналом, закалки прутковых заготовок в воде, волочения закаленных заготовок до чистовых размеров готовых прутков и старения, имеющий твердость на торцевой поверхности не менее 75 HRB, согласно предлагаемому техническому решению, горячее прессование заготовки совмещают с одновременной ее закалкой, а после закалки прутковых заготовок в воде непосредственно после выхода их из канала матрицы с использованием теплоты, полученной металлом при нагреве под прессование и в процессе прессования, пруток имеет стабильные значения твердости на боковой поверхности не менее 78-80 HRB.
Принимая во внимание рассмотренную выше проблему по измерению твердости на торцевой поверхности прутков самых малых диаметров, а также с учетом необходимости использования прутков для изготовления сварочных электродов в виде роликов, особенно важным представляется как достижение повышенной твердости, так и ее измерение именно на боковой поверхности прутков.
Однако в общем случае значения твердости HRB на торцевой и боковой поверхностях различаются, что порождено следующими обстоятельствами. При нагреве горячепрессованной заготовки под закалку до температуры около 950°С в печи с окислительной атмосферой твердость на боковой поверхности прутков готовых диаметров в конечном итоге оказывается сниженной вследствие прохождения процесса диффузии кислорода,
присутствующего в рабочем пространстве печи, в поверхностные слои заготовки, в результате чего происходит частичное окисление хрома. Конкретно, по статистическим производственным данным заявителя это снижение может достигать 3-5 единиц HRB, и тем самым минимальное абсолютное значение твердости на боковой поверхности может снизиться до 70 единиц, то есть выходит за нормативный нижний уровень, равный 75 единицам. Для достижения надлежащих значений твердости (при ее регламентации на боковой поверхности прутка) они были повышены по отношению к числам твердости на торце прутка на указанные 3-5 единиц путем установления в производстве заявителя режима ТДО, а именно - посредством применения технологического приема согласно предлагаемому техническому решению, при реализации которого предусмотрено совмещение операций прессования и закалки в воду, и тем самым исключено отрицательное влияние нагрева прутков в печи до закалочных температур на твердость их боковой поверхности. В итоге на боковой поверхности прутка получены значения твердости не менее 75+(3...5)=78-80 единиц, то есть стандартизованная норма гарантированно выполнена. При нагревании прутков до температуры около 450°С для проведения операции их старения поверхностная твердость в принципе также может несколько снижаться, но весьма незначительно, поскольку процесс диффузии кислорода при таких температурах малоинтенсивен, и этим снижением в условиях действующего производства можно пренебречь.
Таким образом, эффективность заявляемого технического решения реализуется по двум направлениям:
- для прутков средних и крупных диаметров, предназначенных для изготовления из них сварочных электродов в виде роликов, для которых, с целью повышения их служебных свойств, важно соблюдение твердости на боковой поверхности;
- для прутков наименьших диаметров (менее 10 мм), для которых измерение твердости на торце является проблематичным, а на боковой поверхности осуществляется достаточно просто.
В качестве примера конкретной реализации предлагаемого технического решения в промышленных условиях заявителя ниже приведены технологические схемы производства, предназначенные для изготовления облагороженных (то есть закаленных и состаренных) холоднотянутых прутков диам. 12,7 мм из хромовой бронзы марки БрХО,9 по известному и предлагаемому вариантам.
Выплавку сплава проводили в индукционной печи, снабженной разливочной коробкой, с использованием меди катодной и лигатуры медь-хром. Полунепрерывное литье слитков диам. 163 мм выполняли при регламентированных технологической картой температуре и скорости литья и давлении охлаждающей воды. После резки слитков на заготовки длиной 290 мм, обрезки литниковой и донной частей, шабровки поверхностных
дефектов и нагрева в газовой методической печи осуществляли прессование на ГГП усилием 35МН с получением прессованной заготовки и последующее ее охлаждение на стеллаже пресса без закалки, то есть согласно известному техническому решению. Прессование проводили с отделением рубашки толщиной до 3 мм, через матрицы из сплава нимоник или из инструментальной хромовольфрамовой стали.
После удаления прессутяжины, закалки и травления проводили волочение заготовки до готового диаметра на автоматизированной линии «Шумаг 6-20» в твердосплавную волоку с подачей смазки в виде смеси индустриального и растительного масел. Заготовку перед закалкой в воду нагревали до 950±30°С в электропечи с окислительной атмосферой, старение прутков проводили согласно технологическому регламенту. Твердость по Роквеллу, шкала В готовых прутков диам. 12,7 мм измеряли на их боковой (цилиндрической) поверхности, для чего образцы длиной 30-40 мм укладывали горизонтально в призматические гнезда стальных подставок и на цилиндрической поверхности образцов получали отпечатки индентора твердомера модели ТР5014. Полученные значения поверхностной твердости прутков, составляющие (с учетом отмеченного их снижения вследствие частичного окисления хрома) 75-78 HRB, можно считать приемлемыми, однако с учетом неизбежных погрешностей, возникающих в условиях реального производства, для стабильного их соответствия надлежащему уровню твердости (не менее 75 HRB) значения твердости повысили путем изменения режима ТДО.
Технологическая схема согласно заявляемой полезной модели отличается от известного технического решения тем, что горячее прессование заготовки совместили с одновременной ее закалкой, осуществляемой на ГГП усилием 15МН, снабженным водяной ванной; далее закаленные прутковые заготовки подвергли волочению до чистового диаметра и состарили согласно регламенту. Образцы, отрезанные от готовых прутков, контролировали на торцевой и боковой поверхностях. Фактически определенные на боковой поверхности образцов значения твердости по Роквеллу, шкала В, повышенные посредством скорректированного режима ТДО, составили 78-83 HRB, что с гарантией соответствует требованиям нормативного документа. Дополнительно следует отметить, что если измерение твердости на торцах образцов малых диаметров (менее 10 мм), проводить согласно нормативам ГОСТ 9013-59, то оно практически неосуществимо.
Таким образом, задача заявляемого технического решения - повышение потребительских свойств продукции, а именно получение твердости не менее 78-80 HRB на боковой поверхности прутков из хромовой бронзы, прошедших согласно предлагаемому режиму ТДО закалку, волочение и старение, - решена.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. ГОСТ 18175-78. Бронзы безоловянные обрабатываемые давлением. Марки. М: Изд-во стандартов, 1991. 12 с. УДК 669.35:006.354. Группа В51.
2. Николаев А.К., Новиков А.И., Розенберг В.М. Хромовые бронзы. М: Металлургия, 1983. 177 с.
3. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М: Металлургия, 1978. 96 с.
4. Розенберг В.М., Николаев А.К. Цветные металлы, №8, 1972. С.65-70.
5. Европейский стандарт BSEN 12163:1998. Медь и медные сплавы - пруток общего назначения. 1CS 77.150.30.
6. ASTM В 249. Общие требования на деформируемые медные сплавы. Прутки, полосы, профили.
7. ТУ 48-21-163-83. Прутки хромовой бронзы. ОКП 18 4470. УДК 665-35: 26-422. Группа В55.
8. ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. М.: Изд-во стандартов. 6 с. УДК 669.018.001.4:006.354. Группа В09.
9. Металлы. Справочник: Пер. с англ. / Под ред. Ю.П.Солнцева. СПб.: Изд-во ФГУП ЦКБ МТ «Рубин», 2000. 614 с.
10. ТУ 48-21-408-86. Прутки хромовой бронзы круглого и шестигранного сечения. ОКП 18 5580 0. Группа В55.
11. Патент РФ №2239670 от 16.07.2002. Способ термодеформационной обработки изделий из хромовой бронзы. Бюл. №31 от 10.11.2004.