Способ изготовления кольцевых поковок
Сущность изобретения: заготовку, преимущественно из углеродистой стали, нагревают до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой 0,5-2 ч, после чего в центральную часть заготовки внедряют теплоотводящий элемент, выполненный из сплава меди или малоуглеродистой стали, и осуществляют совместную деформацию с одновременной закалкой путем охлаждения поковки до температуры не ниже точек Асз или ACT. Цикл повторяют до общей суммарной деформации не менее 60 %, при этом соблюдается равенство степеней деформации в осевом и радиальном направлениях, после этого продолжают деформацию в осевом направлении до заданных размеров при свободном охлаждении поковки. После охлаждения заготовки и механического удаления из ее центральной части теплоотводящих элементов получают готовую кольцевую поковку. 1 з.п. флы, 2 ил., 1 табл,
« Ф,, ) ")14 Ф
il-y .
6g® . д„
--- 4А -,.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5050056/27 (22) 30.06.92 (46) 07,09.93. Бюл, N 33-36 (76) Максимов А.П., Тарасов С.Б.. Ширяев
А.В. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛ6ЦЕВЫХ ПОКОВОК (57) Сущность изобретения; заготовку, преимущественно иэ углеродистой стали, нагревают до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой 0,5-2 ч, после чего в центральную часть заготовки внедряют теплоотводящий элемент, выполненный из сплава меди или малоуглеродиИзобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в машиностроении для изготовления различных деталей механизмов, работающих в условиях воздействия знакопеременных нагрузок, например. для шестерен редукторов, коробка передач автомобилей и других силовых агрегатов, Кроме того иэ материала поковок. полученных по данному способу, могут быть изготовлены производственные и бытовые режущие инструменты.
Известен способ ковки колец из заготовки, при котором заготовки. например
380 мм и высотой 770 мм, нагретые до верхней границы ковочного интервала температуры 1240 С, деформируют, осаживая до высоты 150 мм, прошивают отверстие 280 мм и раскатывают до ф 1220 мм.
Недостатками данного способа являются: одноосное действие усилия деформации; поочередная деформация небольших (Ы 2000161 С
%, при этом соблюдается равенство степеней деформации в осевом и радиальном направлениях, после этого продолжают деформацию в осевом направлении до заданных размеров при свободном охлаждении поковки. После охлаждения заготовки и механического удаления из ее центральной части теплоотводящих элементов получают готовую кольцевую поковку. 1 з.п. ф- лы, 2 ил., 1 табл, м локальных участков; в результате остывания заготовки каждый последующий участок деформируют при более низкой температуре; над оправкой и под верхним бойком расположены зоны затрудненной деформации: > C) возможность появления изотропных точек, О где полностью отсутствует деформация; наличие более быстрого охлаждения поковки д с наружной поверхности кольца, чем с внут- О ренней, особенно на начальном этапе ковки, что способствует возникновению термических напряжений, которые препятствуют течению металла в сторону увеличения диаметра кольца. Полученные по данному способу поковки характеризуются разнозернистой структурой металла и низкими механическим свойствами.
Известен способ раскатки колец. включающий нагрев заготовки до верхней границы ковочного интервала температур. прошивку, последовательное деформирова2000161 ние заготовки бойком на оправке и ее поворот относительно оправки. С целью повышения качества колец и экономии металла заготовку деформируют, чередуя раскатку на профилированной и гладкой поверхностях, начиная деформирование на профилированной ловерхности, При ковке по данной схеме создаются благоприятные условия для переработки структуры металла по внутреннему диаметру кольцевой заготовки. Однако этот способ раскатки колец не устраняет основных недостатков предыдущего известного способа — это одноосное действие усилия деформации и последовательное деформирование небольших участков заготовки, способствующие возникновению разнородной структуры металла по всему объему поковки.
Полученные по этому способу кольцевые поковки характеризуются также низкими механическим свойствами металла, В качестве прототипа выбран способ изготовления ленты для пружин, который решает аналогичную с предлагаемым изобретением задачу улучшения механических свойств металла и имеет с ним наибольшее количество общих существенных признаков, а также является одним иэ последних решений, направленных на увеличение предела прочности материала, Способ изготовления пружинной ленты включает изотермическую закалку и холодную прокатку, при этом закалку проводят при 375475 С до получения структуры верхнего бейнита, а прокатку осуществляют с суммарной деформацией свыше 80 %.
Данный способ изготовления ленты для пружин решает проблему увеличения предела прочности материала. Недостатками его являются применимость только для производства ленты толщиной менее 1,0 мм, а также анизотропия свойств вдоль и поперек ленты.
Достигнутый изобретательский уровень по данной тематике характеризуется поиском путей улучшения проработки структуры металла и достижения более высоких механических свойств в основном за счет варьирования режимами термической обработки и горячего деформирования, Общим недостатком известных способов обработки металлов давлением, в том числе и способа-прототипа, является осуществление деформации в направлении от периферии заготовки к ее центру, Задача изобретения заключается в получении стальных кольцевых поковок, материал которых обладал бы повышенными свойствами одновременно по нескольким характеристикам, например. по пределу
55 прочности, теердости, пластичности и ударной вязкости.
Традиционные способы термообработки и горячего деформирования металла обеспечивают, как правило, выборочное улучшение укаэанных характеристик, например, при повышении твердости снижаются показатели пластичности и ударная вязкость, и наоборот, при повышении ударной вязкости снижаются прочностные свойства материала, В основу настоящего изобретения положена идея проработки внутренней структуры металла путем многократного нагрева с одновременной закалкой и горячим деформированием в направлении от центра заготовки к ее периферии при температурах устойчивого сохранения аустенитной фазы.
В отличие от известных способов изготовления кольцевых поковок, включающих нагрев заготовки и ее осадку, прошивку отверстия и раскатку на оправке, в предложенном способе в нагретую до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой при указанной в течение 0 5-2,0 с заготовку внедряют в центральную часть теплоотводящий элемент и осуществляют их совместнуо деформацию. При охлаждении поковки до температуры не ниже точек
Ас или А<т ее вновь нагревают до верхней границы ковочного интервала температур и цикл повторяют до достижения общей суммарной осевой деформации не менее 60 %, при этом в каждом цикле cTplIeHk деформации в осевом направлении равна степени деформации в радиальном направлении, При достижении суммарной деформации более 60 дальнейшую обработку ведут при свободном охлаждении поковки до заданных размеров.
При нагреве заготовки до верхней границы ковочного интервала темп ератур с ныдер>ккой в течение 0,5-2 ч происходит выравнивание концентрации углерода в кристаллической решетке железа. Время выдержки выбрано в зависимости от массы исходной заготовки и из условия полного растворения углерода. Выдержка более 2 ч нецелесообразна по причине неоправданных энергозатрат.
В процессе внецрения в центральную часть теплоотводящих элементов происходит резкое охлаждение внутренней эоны заготовки. Между более нагретыми поверхностными слоями и охлажденными внутренними возникают растягивающие термические напряжения. Деформацию с закалкой производят циклически в области устойчивого существт>вани 4 \ стенита
2000161
При резком охлаждении центра заготовки зерна структуры металла ориентируются по направлению отвода тепла. т.е. от поверхности к центру. Деформация в области аустенитной структуры металла до степени не менее 60 приводит к фиксации равномерного распределения углерода в аустените за счет образования внутри кристаллической решетки железа кристаллической решетки углерода. В результате образуется схема внутреннего строения стали, которая приводит к резкому увеличе-. нию механических свойств металла по всему объему поковки. Кроме того на поверхности металла образуются узоры типа как на дамаской стали.
После внедрения теплоотводящего элемента в центральную часть заготовки и прогрева его до температуры точек Асз или Ас> поковку деформируют по высоте со степенью деформации Ен, Но — H1
E„=
Но где Но — исходная высота поковки;
Н! — высота поковки после осадки.
Причем в каждом цикле внедрение теплоотводящего элемента — осадка степень деформации в осевом направлении Е н равна степени деформации в радиальном направлении Ед.
Do ð где Ооср — исходный средний диаметр поковки (копьца) до внедрения теплоотводящего элемента;
О1,р — средний диаметр кольца после внедрения теппоотводящего элемента.
Равенство степеней деформации в осевом и радиальном направлениях должно отвечать условию, при котором Е = Ед 5 d, где д — пластичность металла при температуре деформации. Далее равенство деформаций в двух взаимно перпендикулярных направлениях при проведении каждого цикла, а также деформирование с общей степенью деформации не менее 60, обеспечивает равномерную проработку структуры по всему объему поковки за счет измельчения зерен до ультрамелкого (1-1,5 мкм) размера, способствующего образованию сверхпластичного состояния металла, До тех пор пока при ковке деформация в осевом направлении компенсируется деформацией в радиальном направлении (и наоборот), в структуре металла сохраняется равновесие барицентрическое состояние и образуются узоры структуры, которые проявляются на роверхности металла. Если равновесие деформаций смещается в одно преобладающее направление. образуется волокно, зерна вытягиваю1ся и механические свойства металла снижаются.
Размеры внедряемого теплпотводяще5 го элемента зависят от высоты заготовки, пластичности металла и поковки и его теплоемкости.
В качестве материала для теплоотводящих элементов могут быть использованы
10 сплавы на основе меди или малоуглеродистые стали.
Таким образом настоящее техническое решение с учетом всей совокупности прису-. щих ему существенных признаков обеспе15 чивает формирование мелкозернистой структуры во всем объеме металла и высокие механические свойства поковки, На фиг.1 показана поковка 1 после внедрения в ее центральную часть трех теп20 поотводящих элементов 2.3 и 4; на фиг,2— фотография микрошлифа (увеличение 500) образца, вырезанного из готовой поковки, показывающая на образование равномерной мелкозернистой структуры металла с
25 размерами зерен 1,0-1,5 мкм, Способ изготовления кольцевой поковки реализуют следующим образом.
Исходную заготовку нагоевают до верхней границы ковочного интервала темпера30 тур и выдерживают при данной температуре в течение 0,5 — 2 ч. Затем нагретую заготовку устанавливают на нижний кузнечный боек, По центру заготовки устанавливают теплоотводящий элемент, выполненный в виде
35 цилиндра с коническим концом, и ударом верхнего бойка внедряют его на всю высоту, при этом заготовка раздается по диаметру.
3а счет более холодного теплоотводящего элемента происходит резкое охлаждение
40 прилегающих к элементу слоев заготовки, между внутренними и наружными слоями возникает градиент температур. в результате чего в поковке образуются растягивающие термические напряжения. После
45 прогрева теплоотводящего элемента до темперазуры критической точки Acg или Аст заготовку осаживают со степенью деформации Е>, которая равна степени деформации
Ед. Затем поковку с внедренным элемен50 том вновь нагревадт до верхней границы
K080;ного интервала температур, после чего в центральную часть внедряют следующий теплоотводящий элемент и т,д. до достижения суммарной осевой деформации
55 не менее 60, Далее поковку деформируют на заданный размер при свободном ее ох лаждении, После механического удаления внутренних теплоотводящих элементов получают готовую кольцевую поковку.
2000161
Сущность заявляемого способа и достигаемый технический результат подтверждается конкретными примерами изготовления кольцевых поковок из различных марок сталей, которые приведены в таблице.
Пример. Взяли цилиндрическую литую заготрвку из стали 45 ГОСТ 1050-74 с размерами ф 100 мм и высотой 40 мм, полученную механической обработкой. Изготовили три теплоотводящих элемента в виде цилиндров заостренным коническим концом из стали 10 следующих размеров: первый элемент — ф 8 мм, длина цилиндрической части 42 мм, длина конической части 6 мм, общая длина элемента 48 мм; второй элемент -ф 18 мм, длина цилиндрической и конической части соответственно 23 и 12 мм, общая длина 35 мм; третий элемент 25 мм, длина цилиндрической и конической части по 15 мм, общая длина 30 мм.
Заготовку нагрели до 1250 С в электропечи с выдержкой 0,8 ч. Контроль нагрева осуществляли платиново-родиевой термопарой и прибором КВП1-503 ГОСТ 7164 — 66.
Ковку производили на молоте с массой па-. дающих частей 240 кг. Бойки молота предварительно подогрели до 350 С. Температура теплоотводящих элементов комнатная, Нагретую заготовку установили на нижний боек, на нее по оси установили первый теплоотводящий элемент и ударами верхнего бойка внедрили его в заготовку на всю высоту, После прогрева теплоотводящего элемента до 760 С заготовку осадили на высоте.до 28 мм, при этом получили размеры поковки: наружный диаметр 120 мм, диаметр осажденного теплоотводящего элемента 10 vq, средний диаметр кольца 65 мм, Степень деформации по высоте (в осевом направлении) составила, HP — H1 40 28 03 или 30 o
Но 40
Степень деформации в радиальном направлении: — е — * а=о -оз зо%
Ед — О = 0 —, или оср
Э
После первого цикла закалка — деформация температура заготовки составила
850 С, затем ее вторично нагрели до 1250 С и в центральную часть внедрили второй теплоотводящий элемент. После прогрева элемента до 760 С поковку осадили до 20 мм и получили поковку с размерами: наружный диаметр 144 мм, диаметр осажденных теплоотводящих элементов (внутренний диаметр кольца) 24 мм, средний диаметр кольца
84 мм. Степень деформации за второй цикл составила:
28 — 20»
Ен=
28
= 0.29 или 29 7ь
Степень деформации в радиальном направлении составила:
5 84 — 65
Ед — = 0,29 или 29 з
После второго цикла закалка — деформация температура заготовки составила
820 С. Перед третьим циклом заготовку
10 вновь нагрели до 1250 С и в центральную часть внедряли третий теплоотводящий элемент, после прогрева которого до 760 С поковку осадили до 16 мм, Получили поковку с размерами; наружный диаметр 163 мм, 15 внутренний и средний диаметры кольца соответственно 39 и 101 мм. Степень деформации за третий цикл по высоте составила;
Ен = — 0,2 или 20
20 — 16
20 Степень деформации в радиальном направлении составила:
101 — 84
Ед = = 0,2 или 20 7ь
Общая степень деформации за три цик25 ла составила:
Ен = — 05 или 60 °.
40 — 16
Температура поковки после третьего цикла составила 780 С, измерение темпера30 туры металла осуществляли оптическим пирометром. Дальнейшую деформацию производили при свободном поковки до высоты Н = 12 мм. После охлаждения поковки на воздухе удалили продеформированные
35 теплоотводящие элементы и получили готовую кольцевую поковку с размерами;
Оноо = 187 MM Оон = 42 MM Н = 12 MM
Анализ макроструктуры выявил наличие равномерной мелкозернистой картины ме40 талла по всему обьему кольцевой поковки, которая обеспечивает значительное (в несколько раз) повышение основных механических свойств материала (см. таблицу).
Причем полученные механические свойства
45 сталей характерны для любого сечения кольцевой поковки, тогда как для получен-. ной по способу-прототипу пружинной ленты прочностные свойства металла присущи только nor.åðõíoñòíûì ее слоям. Следует
50 отметить значительное повышение пластичности полученного по ноеому способу металла (дз и )/), которая превыш "åT значение пластичности материала, полученного по способу-прототипу, в среднем в 10-12 раз
55 для инструментальных марок сталей при одновременном некотором увеличении предела прочности.
Важной характеристикой обработанных по новому способу с алей являегся повышенная ударная вязкость при
2000161
< и р < е о разцм внр .зались из кольцевых покое к вдоль и оперек радиуса кольца.
2. Твердость измерялась по всем четырем граням и нэ всей длине образца
3. В скобках приведены значения механических свойств па ГОСТУ
1) зна <ения механическик свойстп дтя 2) значения меканнчесгих свойств для ленты отояокенной хслоднокэтанной сеч. 1.5-4 мм 3) значения механических свойств для образцов 32х32х42 мм после закалки и отпуска. 4) значения механических свойств для поковок сечением до 100 I Формула изобретения 1. Способ изготовления кольцевых поковок, преимущественно из углеродистых сталей, включающий нагрев, закалку и деформацию заготовки, отличающийся тем, что заготовку нагревают до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой при указанной температуре в течение 0.5-2 ч. а деформацию производят одновременно с закалкой циклично путем охлаждения до температурьг ).e ниже точек Лса ИПИ А,Г И ПОСЛЕДУЮЩЕГО НагРЕВа дО иСходной температуры за счет внедрения в ее центральную часть теплоотводящих элв5 ментов при каждом цикле с общей осевой деформацией не менее 60 при этом в каждом цикле степень деформации в осевом направлении равна степени деформации о радиальном направлении, после чего 10 продолжают деформацию в осевом направлении при свободном охлаждении поковки до требуемых размеров. 2, Способ по п.1, отл ич а ю щи йс я тем, что теплоотводящие элементы выпол15 нены, например, из сплава на основе меди или из малоуглеродистой стали. 2000161 Составитель A,Màêñèìoâ Редактор С.Кулакова Техред M.Ìîðãåíòàï Корректор А,Мотыль Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035. Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5 Заказ 3057 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
