Способ изготовления стальных маслосъемных поршневых колец

Изобретение предназначено для повышения эксплуатационных свойств стальных маслосъемных поршневых колец из проволоки сложного профиля с перфорированными пазами. Способ включает деформационное упрочнение проволоки путем ее протягивания через профильные волочильные ролики с обжатием, навивку проволоки на оправку и ее рекристаллизационный отпуск. Повышение эксплуатационной стойкости и пластичности поршневых колец обеспечивается за счет того, что деформационное упрочнение проволоки производят шестикратно с соответствующими обжатиями 21-23%, 20-21%, 18-20%, 17-19%, 16-18%, 9-11%, при этом после первого, третьего и пятого деформационного упрочнения осуществляют рекристаллизационный отпуск проволоки при температуре 690-710°С в течение 1 часа, после пятого деформационного упрочнения выполняют пробивку перфированных пазов, протягивание проволоки через волочильные ролики с обжатием 9-11% и производят ее навивку на оправку, затем производят термофиксацию профиля маслосъемного поршневого кольца на оправке при температуре 560-580°С в течение 1 часа и осуществляют его разрезку на отдельные кольца. Полученные кольца устанавливают в гильзу для термостабилизации при температуре 580-600°С в течение 1 часа. Перед первым деформационным упрочнением возможно проведение рекристаллизационного отжига проволоки при температуре A₁±10°C. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

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.

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 A₁±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.

Рекристаллизационный отжиг проволоки при температуре A₁±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 A₁±10°С A₁=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.

Бухту проволоки из стали 20X13, 30X13 помещают в герметичный контейнер, загружают в печь для проведения рекристаллизационного отжига при температуре A₁±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.

1. 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, отличающийся тем, что 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 ч, при этом после пятого деформационного упрочнения выполняют пробивку перфорированных пазов и протягивание проволоки через волочильные ролики с обжатием 9-11%, производят ее навивку на оправку, а затем производят термофиксацию на оправке при температуре 560-580°С в течение 1 ч и разрезают на отдельные кольца, которые устанавливают в гильзу и осуществляют термостабилизацию при температуре 580-600°С в течение 1 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед первым деформационным упрочнением выполняют рекристаллизационный отжиг проволоки при температуре A₁±10°C.