Способ изготовления пружин с контролируемой мелкодисперсной наноструктурой



Способ изготовления пружин с контролируемой мелкодисперсной наноструктурой
Способ изготовления пружин с контролируемой мелкодисперсной наноструктурой

 


Владельцы патента RU 2607864:

Общество с ограниченной ответственностью "Белфингрупп" (RU)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении пружин из стали горячей навивкой. Способ включает нагрев заготовки до температуры выше точки АС3, выдержку заготовки при температуре выше точки АС3, навивку заготовки в спираль при температуре выше точки АС3, охлаждение спирали до температуры мартенситного превращения и отпуск. Нагрев, выдержку и навивку заготовки осуществляют в заданном интервале времени Δt, который обеспечивает получение структуры пружины с величиной мартенситного звена в пределах 100…300 нм. Охлаждение пружины осуществляют со скоростью выше или равной критической скорости охлаждения. Повышается релаксационная стойкость и циклическая долговечность пружин. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении пружин из стали горячей навивкой.

Из описания к изобретению "Способ изготовления пружин горячей навивкой" (к авторскому свидетельству SU 210821, МПК B21f, опубликовано 08.11.1968) известен способ изготовления пружин, включающий нагрев заготовки, навивку спирали на оправку, термическую обработку.

Из описания к изобретению "Способ изготовления крупногабаритных пружин из стали" (к патенту RU 2377091, МПК B21F 35/00, C21D 9/02, опубликовано 27.12.2009) известен способ изготовления пружин, включающий нагрев заготовки до температуры, обеспечивающей гомогенизацию высокотемпературной фазы стали, навивку спирали при температуре нагрева заготовки, закалку спирали, отпуск спирали.

Из описания к изобретению "Способ изготовления пружин из стали (варианты)" (к патенту RU 2411101, МПК B21F 35/00, опубликовано 10.02.2011) известен способ изготовления пружин, выбранный в качестве прототипа, включающий нагрев заготовки до температуры выше точки АС3, выдержку заготовки, обеспечивающую гомогенизацию высокотемпературной фазы стали, навивку спирали при температуре выше точки АС3, охлаждение спирали.

Известные способы не позволяют обеспечить стабильно высокие показатели релаксационной стойкости и циклической долговечности пружин в условиях колебания фактического химического состава заготовки в пределах регламентированных ГОСТом границ, поскольку не учитывают взаимовлияние и допустимые значения временных интервалов фазовых превращений, температурных режимов нагрева и охлаждения, момента начала деформации заготовки.

Задачей заявленного изобретения является обеспечение стабильно высоких показателей релаксационной стойкости и циклической долговечности пружин. Поставленная задача решается способом изготовления пружин, включающим нагрев заготовки до температуры выше точки АС3, выдержку заготовки при температуре выше точки АС3, навивку заготовки в спираль при температуре выше точки АС3, охлаждение спирали до температуры мартенситного превращения, отпуск, отличающимся от прототипа тем, что совокупность действий, включающая нагрев, выдержку и навивку заготовки, осуществляется в заданном интервале времени Δt, который определяется функцией Δt=F[(ΔT,Δt2)], а охлаждение спирали осуществляется со скоростью ≥ Vкр, при условии, что

ΔT=Тн-Т,

где Тн - температура нагрева заготовки выше точки АС3, а T - температура 750±50°С;

Δt2 -интервал времени между нагревом заготовки до Тн и началом навивки заготовки в спираль;

Vкр - критическая скорость охлаждения.

При этом целесообразно обеспечить такой временной режим осуществления нагрева, выдержки и навивки заготовки, чтобы выполнялось условие Δt≥Δt1+Δt2+Δt3, при этом

Δt1 - интервал времени между нагревом заготовки от Т до Тн,

Δt3 - интервал времени навивки спирали.

Для обеспечения равномерности структуры пружины целесообразно, чтобы в период времени Δt2, Δt3, разница температур различных участков заготовки и спирали не превысила 30°С.

Для эффективного выравнивания химического состава стали по содержанию в ней углерода и легирующих элементов целесообразно обеспечить нахождение Тн в интервале между 900°С и 1150°С.

Для того чтобы обеспечить процесс гомогенизации высокотемпературной фазы стали, но при этом не допустить в стали чрезмерный рост зерна, целесообразно обеспечить нахождение Δt2 в интервале от 5 до 15 с.

Реализация заявленного способа представлена на графике (Фиг. 1).

Выбранный график изменения температуры, момент начала деформации, скорость и степень деформации заготовки в процессе изготовления пружины наряду с химическим составом заготовки определяют механические свойства пружины, ее свойства релаксационной стойкости и циклической долговечности.

Способ изготовления пружин с заданной дисперсной наноструктурой путем управления температурными и временными характеристиками включает в себя следующие этапы.

Осуществляют высокоскоростной индукционный нагрев заготовки (прутка) до заданной температуры Тн выше точки АС3 в течение периода времени, определяемого опытным путем исходя из технических возможностей установки индукционного нагрева и химического состава заготовки. Тн выбирают с учетом критических точек, положение которых для углеродистых сталей определяют по диаграмме состояния «Железо - цементит» или берут из справочников, например из марочника сталей и сплавов. Экспериментальным путем установлено, что, для того чтобы обеспечить процесс гомогенизации высокотемпературной фазы стали, но при этом не допустить в стали чрезмерный рост зерна, целесообразно обеспечить нахождение Тн в интервале между 900С° и 1150С°, а нагрев заготовки от температуры Т (750±50°С) до Тн осуществить в течение 5-20 с.

Для обеспечения гомогенизации высокотемпературной фазы стали после нагрева заготовки до Тн осуществляют выдержку заготовки при температуре Тн. Данная выдержка может осуществляться, например, во время непрерывно последовательного перемещения заготовки в термостатирующем устройстве (термостате), размещенном непосредственно за нагревательным оборудованием. Для того чтобы обеспечить процесс гомогенизации высокотемпературной фазы стали, но при этом не допустить в стали чрезмерный рост зерна, выдержку целесообразно осуществить в интервале от 5 до 15 секунд.

Нагрев заготовки до Тн может быть осуществлен с постоянной скоростью, однако при этом высока вероятность того, что температура заготовки по сечению не будет равномерной, что потребует сравнительно длительное время на выдержку при температуре Тн. Следствием этого может стать чрезмерный рост зерна в структуре заготовки. С целью обеспечения более высокой степени равномерности прогрева заготовки по сечению и недопущения чрезмерного роста зерна в структуре заготовки целесообразно осуществить ее нагрев в несколько стадий. На первой стадии осуществить нагрев заготовки до температуры Т с последующей выдержкой при температуре Т в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по сечению заготовки. Выдержка заготовки при температуре Т может быть осуществлена в термостатирующем устройстве (термостате). Для ускорения процесса производства возможно осуществить выдержку нескольких заготовок одновременно. На второй стадии осуществить нагрев заготовки до температуры Тн с последующей выдержкой заготовки при температуре нагрева.

После выдержки заготовки при температуре Тн заготовку навивают на оправке в спираль. В процессе навивки происходит деформация заготовки, обеспечивающая измельчение аустенитного зерна в горячем состоянии и формирование полигонизованной структуры, затрудняющие процессы рекристаллизации.

Для обеспечения равномерности структуры пружины целесообразно, чтобы в период времени осуществления выдержки заготовки при температуре Тн и ее навивки разница температур различных участков заготовки и спирали не превысила 30°С.

Период времени (Δt), в течение которого осуществляют нагрев заготовки от температуры Т до Тн, ее выдержку и навивку, определяется функцией Δt=F[(ΔT,Δt2)], где ΔT=Тн-Т, а Δt2 - интервал времени между нагревом заготовки до Тн и началом навивки заготовки в спираль.

Выбор параметров функции Δt зависит от ограничений, связанных с физическими процессами термообработки стали, техническими возможностями оборудования для изготовления пружин, и определяется исходя из конечных требований потребителя к эксплуатационным характеристикам пружин.

Наилучшие свойства релаксационной стойкости и циклической долговечности пружины могут быть достигнуты при условии выполнения равенства Δt≥Δt1+Δt2+Δt3, при условии, где

Δt1 - интервал времени между нагревом заготовки от T до Тн,

Δt3 - интервал времени навивки спирали.

Выбор интервала времени Δt1, Δt2 оказывает влияние на размеры аустенитных зерен, выравнивание химического состава стали по содержанию в ней углерода и легирующих элементов.

Процесс мартенситного превращения структуры стали происходит после перемещения навитой спирали (пружины) в охлаждающую среду. Для реализации структурного наследования мелкодисперсной наноразмерной субзеренной структуры, формируемой за интервал времени Δt, охлаждение спирали осуществляют со скоростью не ниже критической скорости охлаждения, значение которой определяется типом и температурой охлаждающей среды, а также химическим составом заготовки.

Окончательная термообработка спирали (пружины) происходит путем отпуска. Отпуск спирали может быть осуществлен в форме самоотпуска. В дальнейшем спираль (пружина) проходит другие технологические переделы, такие как осадка (заневоливание), дробеструйная обработка, формирование торцов пружин, покраска, контрольно-испытательные операции и др.

Предлагаемый способ был проверен при изготовлении цилиндрических пружин сжатия и растяжения, изготавливаемых из заготовок (прутков) стали марки 60С2ХФА диаметром 20 мм и длиной 2500 мм. Опытным путем установили, что для используемой марки стали Δt2 составляет 10 с, а ΔТ - 140…150 С°. При этих исходных параметрах функции допустимое значение Δt укладывается в диапазон 25…30 с. В течение 30 с был осуществлен нагрев заготовки до от 700 С° до заданной Тн, выдержка заготовки в течение 10 с, навивка заготовки в спираль. Охлаждение спирали осуществлено со скоростью не менее критической скорости охлаждения, свойственной для используемой марки стали.

Анализ изготовленных пружин показал, что величина мартенситного зерна находится в пределах 100…300 нм, при этом карбидная составляющая (цементит) находится в пределах 10…50 нм и равномерно расположена в мартенситной структуре. Осадка пружины после технологического обжатия более чем в 10 раз ниже, чем на аналогичных пружинах, изготовленных известным способом. Показатель циклической долговечности составил более 10 млн циклов без разрушения, что более чем в 10 раз превышает установленные значения для пружин, изготовленных известным способом.

1. Способ изготовления пружин горячей навивкой из стали, включающий нагрев заготовки до температуры выше точки АС3, выдержку заготовки при температуре выше точки АС3, навивку заготовки в спираль при температуре выше точки АС3, охлаждение спирали до температуры мартенситного превращения, отпуск, отличающийся тем, что нагрев заготовки осуществляют до температуры Тн, находящейся в интервале между 900°С и 1150°С с последующей выдержкой при температуре нагрева, охлаждение спирали осуществляют со скоростью, равной или выше критической скорости охлаждения, а совокупное время Δt от нагрева заготовки выше температуры 750±50°С до окончания навивки заготовки в спираль выбирают из условия получения структуры спирали с величиной мартенситного зерна в пределах 100…300 нм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что Δt≥Δt1+Δt2+Δt3,

где Δt1 - время нагрева заготовки от 750±50°С до Тн;

Δt2 - интервал времени между нагревом заготовки до температуры Тн и началом навивки заготовки в спираль;

Δt3 - время навивки заготовки в спираль.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в период времени Δt2, Δt3 разница температур различных участков заготовки и спирали не превышает 30°С.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нагревом заготовки до температуры Тн заготовку нагревают до температуры 750±50°С с последующей выдержкой при температуре нагрева.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что Δt2=10±5 с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области огнегасящих порошков, выполненных в виде нанопорошка. Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в огнетушителе порошковом, содержащем корпус, заполненный огнетушащим порошком, устройство его вытеснения и подачи в очаг пожара, запорно-пусковое устройство и устройство распыления порошка в контролируемой зоне, огнетушащий порошок выполнен в виде нанопорошка.

Изобретение относится к химической и медицинской отраслям промышленности и может быть использовано в производстве исходного биосовместимого материала, пригодного для изготовления плотной и пористой керамики, применяющейся в качестве скэффолдов в инженерии костной ткани, мишеней для создания покрытий на металлических имплантатах в хирургии и стоматологии и в других областях медицины.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул аденина. Указанный способ характеризуется тем, что к каррагинану в бензоле добавляют сложный эфир глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества, полученную смесь перемешивают, добавляют порошок аденина, после образования самостоятельной твердой фазы медленно добавляют петролейный эфир, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают, промывают петролейным эфиром и сушат, при этом соотношение ядро/оболочка в нанокапсулах составляет 1:3, 1:1 или 5:1.

Группа изобретений относится к области медицины, в частности к онкологии, и описывает биосовместимый наноматериал и способ его получения. Предлагаемый биосовместимый наноматериал представляет собой гибридные ассоциаты коллоидных квантовых точек CdS средними размерами 2-4 нм с катионами метиленового голубого (МВ+) в концентрации 10-1-10-4 (νкрасит/νCdS).

Изобретение относится к теплостойким композиционным материалам, которые могут применяться в различных отраслях техники, в частности в авиационной и космической технике, и к способу их получения.

Изобретение относится к коллоидной химии и нанотехнологии и может быть использовано в производстве люминесцентных материалов, сверхминиатюрных светодиодов, источников белого света, одноэлектронных транзисторов, нелинейно-оптических устройств, фоточувствительных и фотогальванических устройств.

Изобретение относится к нанотехнологии. Способ получения эндоэдральных наноструктур включает внедрение ускоренных ионов, например ионов металла, в полиэдральные наноструктуры, например в молекулы фуллерена.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул адаптогена. Указанный способ характеризуется тем, что экстракт элеутерококка или женьшеня добавляют в суспензию каррагинана в изопропаноле в присутствии сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты, далее приливают гексан, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат, при этом соотношение ядро/оболочка в нанокапсулах составляет 1:3 или 5:1.

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу получения нанокапсул сухого экстракта шпината в натрий карбоксиметилцеллюлозе. Способ включает диспергирование сухого экстракта шпината в раствор натрий карбоксиметилцеллюлозы в бензоле в соотношении 1:1-3 в присутствии E472c в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании со скоростью 1000 об/сек.

Изобретение относится к области биомедицинской техники. Описан способ получения наноструктурированного композиционного электропроводящего покрытия, включающий нанесение ультрадисперсионной суспензии из карбоксиметилцеллюлозы и углеродных нанотрубок на подложку, затем суспензию облучают лазером до полного высыхания в непрерывном режиме длиной волны генерации 0,81-1,06 мкм, интенсивностью облучения 0,1-2 Вт/см2, время облучения 10-100 с, и высохший материал подвергают термообработке путем его отжига в воздухе при температурах 40-150°С в течение 30 мин.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении пружин из стали. Способ включает нагрев заготовки до температуры выше точки АС3, пластическую деформацию заготовки винтовым обжатием при температуре выше точки АС3, навивку заготовки в спираль, охлаждение спирали и отпуск спирали.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении винтовых цилиндрических пружин сжатия. Для увеличения стабильности упругих свойств пружины и сокращения времени производственного цикла способ упрочнения цилиндрических пружин включает навивку пружины с шагом, превышающим шаг готовой пружины, термообработку, люмоконтроль, шлифовку торцов, дробеметную обработку, заневоливание и наклеп штамповкой наружной и внутренней поверхности пружины и по линии контакта витков между собой за одну операцию или раздельно.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении винтовых цилиндрических пружин сжатия. Способ включает навивку пружины с шагом, превышающим шаг готовой пружины, термообработку, дробеметную обработку, люмоконтроль и шлифовку торцов термообработанной пружины.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для производства плоских ленточных пружин, в том числе спиральных, с заданной геометрией из бериллиевой бронзы.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве пружин из стали. Способ включает операции навивки, закалки, отпуска, дробеструйной обработки и заневоливания пружины, после чего производят наклеп внутренней поверхности пружин с использованием устройства упрочнения.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении пружин из стали горячей навивкой. Способ включает нагрев заготовки до температуры выше точки AC3, выдержку заготовки при температуре выше точки AC3, навивку заготовки в спираль при температуре выше точки AC3, охлаждение спирали до температуры мартенситного превращения и отпуск.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в производстве цилиндрических винтовых пружин сжатия из стали. Способ включает упрочнение внутренней поверхности витка пружины поверхностным наклепом.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочнения винтовых цилиндрических пружин. Способ включает навивку пружины, термообработку, дробеметную обработку, заневоливание пружины или ее 3-5-кратное сжатие до соприкосновения витков и наклеп.

Группа изобретений относится к машиностроению и может быть использована при производстве крупногабаритных пружин горячей навивкой. Способ включает подачу и нагрев навиваемого материала в виде стального прутка в индукторе до заданной температуры и закалку пружины.
Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано в производстве пружин из закаливаемых марок стали. Для повышения качества пружин и снижения энергозатрат осуществляют скоростной нагрев прутка до температуры выше точки Ac3 фазовых превращений, пластическую деформацию прутка винтовым обжатием с закручиванием в направлении сжатия витка пружины, немедленную горячую навивку пружины при температуре выше Ac3 с немедленной повитковой закалкой и отпуск с обеспечением анизотропно ориентированной структуры стали.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике, машиностроении и т.д. Способ получения нанокомпозитного металл-керамического покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины включает нанесение ионно-лучевым распылением покрытия с необходимым процентным соотношением металлической и керамической фаз, при этом процентное соотношение металлической и керамической фаз определяют с помощью нейронной сети, для чего наносят покрытия с заданным шагом процентного соотношения фаз металл-керамика, изменяющимся в покрытии от нуля до максимума, определяют значения микротвердости нанесенных покрытий, затем на основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, тестируют полученную нейросетевую модель путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, экспериментально измеренных факторов нейросетевой модели, включающих микротвердость металлического покрытия, микротвердость керамического покрытия, концентрацию металлической фазы в композите и микротвердость нанокомпозитного покрытия в качестве выходного параметра модели, с последующим их определением при помощи полученной нейросетевой модели и сравнения полученных теоретических данных с исходными экспериментальными значениями, затем в искусственную нейронную сеть вводят значения микротвердости металлического и керамического покрытия, их процентное соотношение в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети рассчитывают значение микротвердости металл-керамического нанокомпозитного покрытия при введенном процентном соотношении металлической и керамической фаз. Изобретение направлено на повышение износостойкости и стабильности параметров покрытия с одновременным снижением временных и материальных затрат. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх