Способ механико-термической обработки полых изделий и устройство для его осуществления

 

В.М. Белецкий, М.Е. Гуревич, Л.Н. Лариков, А.Г. Моляр и А.И. Носарь (72) Авторы изобретения (Tl) Заявнтель (54) СПОСОБ МЕХАНИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО Д3И ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к термической обработке полых металлических изделий и может быть использовано, например, при изготовлении резервуаров и труб высокого давления.

Известны способы термической обработки с одновременным механическим нагружением изделий. Так, например, используется метод механико-термической обработки, при котором одновременfO но с нагревом иэделие подвергается обжатмо на эакалочном прессе (11 или растяжению специальными устройствами (2).!

Однако наличие пор в сыпучем материале не обеспечивает полного контакта с изделием и искажает поле внутренних напряжений в нем.

Этот недостаток устранен в способе механико-термической обработки, по которому изделие в процессе термообработки подвергают воздействию газа или жидкости под высоким давлением .

Недостатком этих способов является то, что при нагружении изделий сложной конфигурации появляется неконтролируемое поле внутренних напряжений в изделии. Это может привести к формированию потенциальных очагов разрушения. Поэтому их используют в основном для обработки плоских изделий.

Большую однородность нагружения обеспечивает способ, по которому в

j качестве звена, передающего усилие от нагружаемых элементов к изделию, применяется сыпучий мелкодисперсный материал. Например, пруток подвергают электроконтактному нагреву в заполненной сыпучим материалом камере, в полость которой в процессе обра ботки вводят уппотняющие материал клинья. В данном способе конфигурация изде лня играет меньшую роль, и давление распределяется более равномерно, чем в вышеописанных 13).

3 85501

Недостаток такого способа заклю. чается в том, что величину давления, создаваемого специальными нагнетателями, устанавливают эмпирически и сохраняют на одном уровне в процессе .

5 обработки.

Технологически и анпаратурно более, простым является способ, который включает нагрев изделия, его выдержку и охлаждение под давлением рабочей жидкости, при этом нагрев осушествляют рабочей жидкостью, а давление создают ее термическим расширением при нагреве в герметичной камере без использования специальных на" гнетателей. Этот способ позволяет значительно повысить физико-механиче-. ские свойства изделий по сравнению с известными (5 j.

Однако данный способ характеризуется тем, что величина -и скорость изменения давления рабочей жидкости определяются в основном термическим расширением рабочего тела (жидкости) и скоростью нагрева изделия. Поэтому усилия, возникающие в процессе нагружения, могут превысить уровень, необходимый для реализации оптимальных условий механико-термической обработки. ЗО

Исследования показали, что для устранения этого недостатка необходимо производить нагружение в процессе отпуска со скоростью, пропорциональ ной скорости процессов в изделии, от- д ветственных за формирование его ме— ханических свойств. Это реализовано в способе механико-термической обработки полых изделий из сталин сплавов, включающем термообработку и де-. щ формацию приложением гидравлического давления в процессе отпуска, прччем для повьппения конструктивной прочности деформацию производят cQ скоростью, пропорциональной скорости 4 изменения теплосодержания и удельного объема материала изделия, отражающих скорость и степень протекания процессов в материале, Конструктивная прочность изделий, обработанных по такому способу, повысилась в сред. нем на 167., 6 .

Однако сложность аппаратурного обеспечения способа несколько повысилась по сравнению с предыдушим.

Так, для программного изменения давления рабочей хщдкости потребовался регулируемый нагнетатель, в цепь уп6 ф равления приводом которого включены анализаторы теплосодержания изделия, датчики изменения объема изделия.

Кроме того, чувствительность существую1цих датчиков и степень инерционности системы управления давлением не об =печивают достаточно точного выполнения программы нагружения в соответствии со скоростью и степенью изменения параметров1 характеризующих процессы превращения в материале изделия.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, включающий закалку и отпуск с одновременной пластической деформацией, осуществляемой гидравлическим давлением со скоростью, пропорциональной скорости изме— кения удельного объема материала, прн котором полость изделия, прошедшего закалку, заполняют жидкостью, помещают в заполненную жидкостью камеру, производят нагрев камеры с изделием, измеряют текущий перепад давлений в камере и изделии и заканчивают обработку по прекращении роста перепада давлений, нагревательную камеру с размещенной в ней камерсй давления и обрабатываемым изделием, датчик давления, установленные на выходе камеры давления и полости изделия. Параллельно с нагревом повьппается давление внутри изделия ч вне его, обусловленное термическим расширением жидкости примерно на два порядка больше, чем для твердых материалов. Поскольку коэффициенты термического расширения изделия и камеры одинаковы, то давления внутри изделия и в зазоре между изделием и камерой при отсутствии превращений равны. Протекающие при повышении температуры фазовые и струк . турные превращения в изделии сопровождаются изменением его объема, что .приводит к перепаду давлений жидкости внутри изделия и в зазоре между изделием и камерой за счет того, что в материале камеры таких превращений не происходит.

Величина перепада давлений ЬР связана с относительным объемным

6% » изменением материала изделия — - слеЧм дующей функциональной зависимостью: p < .ь (1 +,й — Y ) м Ча

r pe Ч1 — объем полости внутри изделия;

8550!6 Ь

V — объем полости между иэделием и камерой;

Ч „ — объем материала изделия;

5V — изменение объема изделия при превращении;

Р— коэффициент сжимаемости жидкости.

Таким образом, гидравлическое воздействие на обрабатываемое изделие, обусловленное перепадом давлений bP, изменяется одновременно с изменением величины объемных эффектов превращений и пропорционально ей.

При этом не требуется отдельных устройств для управления величиной и скоростью указанного гидровоэдействия

Время окончания обработки определяют, измеряя текущий перепад давлений, характеризующий изменение объема, по прекращейии роста перепада давления (7).

Данный способ характеризуется / следующими недостатками:; поскольку в процессе нагрева камера остается герметичной, то давление в ней может достигать нескольких десятков килобар, что приводит к необходимости проводить обработку в специальных условиях, обеспечивающих взрывобезопасность (например в бронированной камере) и усложняет технологическую оснастку; герметичную камеру изготавливают из того же материала, что и изделие и предварительно обрабатывают до заданного уровня свойств готового изделия (например отпус ают). Это не позволяет использовать одну и ту же камеру для обработки иэделий из разных материалов и с разными заданными свойствами. Кроме того, при многократном использовании заданный уровень свойств материала камеры может неконтролируемо изменяться.

Многообразие приведенных способов термической обработки привело к созданию специальных устройств для их реализации, содержащих, как .правило, внешней источник давления.

Общим недостатком указанных устройств для термической обработки с одновременным приложением давления является то, что величина давления задается произвольно, вне связи с процессами, протекающими в материале иэделия.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является схема реалиэации способа механико-термической обработки, включающая камеру давления, датчики давления, нагревательную камеру t7).

5 Недостаток этого устройства заключается в том, что камеру давления изготавливают иэ того же материала, что и изделие, обработанного до уровня свойства готового изделия. Это не

10 позволяет обрабатывать в одной камере изделия из различных материалов. Кроме того, многократное использование камеры неконтролируемо изменяет ее свойства.

При реализации технологического процесса в камере развиваются высокие (свыше !О кг/см ) давления, что

2 обусловливает повышенные требования к прочностным характеристикам камещ ры, например увеличение толщины стенки, и мерам по технике безопасности.

Цель изобретения — упрошение технологии и расширение ассортимента обрабатываемых материалов.

25 Поставленная цель достигается тем, что изделие и камеру соединяют параллельно трубопроводами с источником рабочей жидкости, измеряют температуру изделия, отсекают иэде30 лие и камеру давления от источника рабочей жидкости при достижении заданной температуры обработки, измеряют суммарный объемный эффект и прекращают обработку по достижении им значения, соответствующего заданному уровню фазовых и структурных превращений в материале изделия.

Устройство для осуществления пред" лагаемого способа снабжено источником

Ю рабочей жидкости, соединенным параллельно с камерой давления и изделием трубопроводами с запорными клапанами, датчиком температуры изделия и соединенным с ним блоком управления

iS с эапорными клапанами.

Операцию нагрева изделия можно осуществлять различным способом, например помещая камеру с иэделием ! в электронагревательную печь.

При разогреве камеры нагревается жидкость между стенками камеры и изделия, а также изделие и заключенная в его полости жидкость. При этом избыток жидкости, обусловленный ее тер" мическим расширением, поступает по трубопроводам иэ камеры и изделия в источник рабочей жидкости, поэтому .давление жидкости в изделии и камере

7 85501 в процессе нагрева остается одинаковым и равным давлению в источнике рабочей жидкости (например, атмосферному давлению), При достижении заданной температуры нагрев прекращают ч герметизируют ка" меру и изделие, отсекая их от источника рабочей жидкости. Дальнейшую обработку (например отпуск) проводят в изотермическом режиме, в связи с ag чем эффекты, обусловленные термическим расширением жидкости, а также камеры и изделия отсутствуют и к началу обработки давление внутри камеры и изделия одинаково. as

Протекающие во времени при постоянной температуре обработки фазовые и структурные превращения в изделии сопровождаются изменением объема иэделия ЬЧ, что приводит к перепаду 2О давления жидкости ЬР в изделии и камере в соответствии с приведенной функциональной зависимостью.

В соответствии с величиной и скоростью изменения удельного объема ма- 2s териала изделия при превращении во времени изменяется перепад давлений, т.е. гидравлическое воздействие на обрабатываемое изделие, Суммарная величина объемного эффекта отражает Зо уровень фазовых и структурных превращений в материале изделия.

Обработку прекращают при достижении этим уровнем заданного значения.

Прошедпые предварительную закалку, З5 изделия, заполненные рабочей жидкостью, подвергаются отпуску при постоянной температуре 250ОС в течение

3 ч в камере, заполненной рабочей жидкостью. В момент отсечения каме1 ры и изделия от источника рабочей жидкости при достижении 250 С давлеО ние в них равняется атмосферному.

Максимальный перепад давления при полном контрольном отпуске в течение 5 ч составляет 200 кг/см . Последующую технологическую обработку проводят до уровня перепада давлений

140 кг/см в течение 3 ч и прекраso щают до достижения суммарным объемным эффектом значения 2/3 от достигнутого при контрольном отпуске.

Предлагаемым способом достигнут такой же уровень. свойств готового

5$ изделия, как и при применении извест" ного, однако при этом камера давления рассчитана на уровень давления л 800 кг/см по сравнению с 3 1 кг/см

6 8 в известном способе и изготовлена из обычной конструкционной стали.

На чертеже приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит нагревательную камеру 1 с размещенной в ней камерой 2 давления, в которой помещено обрабатываемое изделие 3, источник

4 рабочей жидкости (резервуар), сообщенный трубопроводом 5 с камерой давления, а трубопроводом 6 с обрабатываемым изделием 3, блок 7 управления, запорные клапаны 8 и датчик

9 температуры с измерительным устройством, по входу связанный с обрабатываемым изделием, а по выходу подключенный ко входу блока 7 управления. К соединительным трубопроводам подключены датчики 10 и 11 давления.

В предлагаемом устройстве установлены источник рабочей жидкости, соединенный трубопроводами параллельно с камерой давления и изделием, клапаны, отсекающие изделие и камеру давления от источника, датчик температуры изделия с измерительным устройством и блок управления клапанами, т,е. управления по температуре системой гидравлического нагружения.

Установка датчика температуры, соединенного с блоком управления, дает возможность выбрать режим нагружения и избежать осложняющего технологию обработки избыточного давления, возникающего при термическом расширении жидкости, Устройство работает следующим образом.

Рабочая жидкость из резервуара

4 поступает по трубопроводам 5 и 6 в камеру 2 давления и обрабатываемое иэделие 3. При достижении температуры обработки, фиксируемой датчиком

9 температуры с измерительным устройством, .додается командный сигнал на блок 7 управления и запорные клапаны 8 отсекают камеру 2 давления и изделие 3 от источника 4 рабочей жидкости. При достижении суммарным объемным эффектом заданного значения обработку прекращают.

Использование предлагаемого спосо ба механико-термической обработки и устройства для его реализации обес,печивают по сравнению с известными следующие преимущества:

9 . 8550 возможность получения высокого качества термической обработки изделий без применения сложной технологической оснастки, рассчитанной на высокие давления и изготовленной

Э ! из.специально обработанных материалов, т.е. упрощение технологического процесса; возможность многократного использования камеры давления для обработ" ки широкого ассортимента материалов независимо от режима их обработки.

Упрощение технологии и устройства, а также расширение ассортимента обрабатываемых материалов при одит к повышению их эффективности. Так, например, только за счет уменьшения давления в камере расход материалов на изготовление камеры может быть уменьшен в несколько раз.

25

1. Патент Англии У 1179264, кл. С 7 М, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

З5 У 261427, кл. С 21 0 1/78, 1967.

3. Патент Англии 9 1226972, кл. С 7 N, !971.

4. Авторское свидетельство СССР

И 116988, кл. С 21 0 !/56, !948.

4О 5. Авторское свидетельство СССР

У 411139, кл. С 21 0 1/78, !971.

6. Авторское свидетельство СССР Ó 345212, кл. С 21 0 1/78, 1970.

7. Авторское свидетельство СССР

4s IN 538036, кл. С 21 0 1/78, 1975.

Формула изобретения

1. Способ механико-термической обработки полых иэделий, включающий закалку и отпуск с одновременной пластической деформацией, осуществляемой гидравлическим давлением со скоростью, пропорциональной скорости изменения удельного объема материала изделия, при котором в полость изделия, прошедшего закалку, зака-чивают жидкость, помещают в заполненную жидкостью камеру, производят нагрев камеры с изделием, измеряют текущий перепад давлений в камере и изделии и заканчивают обработку по прекращении роста перепада давлений, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии и расширения ассортимента обрабаты.ваемых материалов, изделие и камеру давления соединяют параллельно трубо16 10 проводами с источником рабочей жидкости, измеряют температуру изделия, отсекают изделие и камеру давления от источника рабочей жидкости при достижении заданной температуры обработки, измеряют суммарный объемный эффект и прекращают обработку по достижении им значения, соответствующего заданному уровню фазовых и структурных превращений s материале изделия.

2. Устройство для осуществления механико-термической обработки полых изделий, содержащее нагревательную камеру с размещенными в ней камерой давления и обрабатываемым изделием, датчики давления, установленные на выходе камеры давления и полости иэделия, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено источником рабочей жидкости, соединенным параллель но с камерой давления и изделием трубопроводами с запорньми клапанами, датчиком температуры изделия и соединенным с ним блоком управления с запорными клапанами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

855016

Составитель Е. Шадек

Редактор И, Петрова Техред И.Рейвес Корректор С. Корниенко

Заказ 6834 37 Вираж 618 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35 Рауаская наб. д. 4 5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4