Способ изготовления стержневых деталей с головками из (+) титановых сплавов

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей с головками из титановых сплавов путем изменения физической структуры сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической технике, а также химическом машиностроении и судостроении. Способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов включает многократное редуцирование стержня, высадку головки методом холодного пластического деформирования, после которой заготовки охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды, обкатку наружной поверхности стержня с последующим старением изделий в вакуумной печи при 280-295^oС в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности, и накатку резьбы. Техническим результатом является снижение трудоемкости процесса изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, значительное сокращение энергозатрат и получение изделия, обладающего высокими эксплуатационными показателями.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления стержневых деталей из титановых сплавов путем изменения физической структуры сплавов, и может быть использовано в авиационно-космической технике, а также химическом машиностроении и судостроении.

Известен способ изготовления стержневых деталей с головками (болтов) из двухфазных (α+β) титановых сплавов, включающий предварительную упрочняющую термическую обработку заготовок (как правило, путем отжига с охлаждением на воздухе), нанесение на их поверхность твердого оксалатного покрытия, высадку головки и многократное редуцирование стержня, осуществляемые со скоростью 0,5-1,0 м/с с последующим проведением одновременной обкатки радиуса под головкой и стержня и накатывание резьбы (авт. св. СССР 543454, МПК B 21 J 5/08, опубл. 25.01.77).

Недостатками известного способа являются недостаточно высокая выносливость болтов ввиду их низкой прочности. Помимо этого, следует отметить большую трудоемкость изготовления деталей указанным способом, так как отжиг на воздухе приводит к образованию на поверхности прутков окалины, а ее последующее обязательное удаление шлифованием или травлением связано с большими трудозатратами.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, включающий операции многократного редуцирования стержня заготовки, высадку головки методом холодного пластического деформирования, обкатку наружной поверхности стержня, старение в вакуумной печи и накатку резьбы (патент РФ 2156828, МПК С 22 F 1/18, опубл. БИ 27, 27.09.2000).

Известный способ предусматривает проведение предварительной термической обработки заготовок путем закалки в вакуумной печи при температуре 800-850^oС с последовательным охлаждением их сначала вместе с печью до температуры 580-600^oС, а затем в воде. Из термообработанных прутков после нанесения на их поверхность твердого оксалатного покрытия методом холодного пластического деформирования изготавливают болты. При изготовлении болтов проводят многократное редуцирование стержня со скоростью 0,5-1,0 м/с, холодную высадку головки, обкатку наружной поверхности стержня (гладкую часть стержня и радиус перехода к головке болта). Затем проводят старение в вакуумной печи при 300-400^oС в течение 6-8 ч, с последующей обработкой деталей в течение 18-20 ч во вращающемся барабане смесью стальных шариков диаметром 0,002-0,005 м и деревянных кубиков с высотой ребра 0,2-0,3 м, причем скорость вращения барабана составляет 30-35 об/мин, с изменением направления вращения через каждые 2 мин, после чего накатывают резьбу со скоростью 10-20 об/мин, при давлении 1200-2400 кгс/мм в течение 0,5-1,0 с, при этом величина радиуса впадины резьбы составляет (0,18-0,20) величины шага резьбы.

Существенными недостатками известного способа являются сложность проведения термической обработки заготовок путем закалки в вакуумной печи в заявленном диапазоне температур, связанной с обеспечением равномерности свойств по длине прутка, а также высокие энергозатраты, что в целом отрицательно сказывается на экономичности способа.

Заявляемое изобретение направлено на разработку простого и экономичного способа изготовления качественных стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, обладающих высокими характеристиками прочности и долговечности, за счет снижения трудоемкости изготовления и сокращения энергозатрат.

Отмеченный выше технический результат достигается способом изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, включающем многократное редуцирование стержня заготовки, высадку головки методом холодного пластического деформирования, обкатку наружной поверхности стержня, старение в вакуумной печи и накатку резьбы, в котором согласно заявляемому изобретению после высадки головки заготовки охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды, а старение проводят при 280-295^oС в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности.

Сущность заявляемого изобретения состоит в следующем.

В результате проведенных исследований было установлено, что проведение холодной высадки головки болтов из заготовок (без предварительной термообработки последних) с последующим охлаждением заготовок на воздухе до температуры окружающей среды, обкаткой стержня и старением в вакуумной печи в заявляемом режиме позволяет получить детали, обладающие высокими прочностными характеристиками, при существенном упрощении процесса.

Эксперименты показали, что в процессе холодного пластического деформирования стержневых заготовок из двухфазных (α+β) титановых сплавов температура в зонах скольжения металла становится близкой к температуре плавления; учитывая множественный характер зон скольжения, средняя температура в объеме заготовки доходит до 700-800^oС. В результате соприкосновения сильно разогретых зон скольжения с относительно холодными соседними объемами металла происходит явление "внутренней закалки" с образованием структурных метастабильных зон. Этому способствует также низкая теплопроводность титановых сплавов.

Последующее охлаждение заготовок болтов на воздухе до температуры окружающей среды также способствует мягкой закалке двухфазных (α+β) титановых сплавов с фиксацией в поверхностных слоях метастабильных β и α¹ фаз. При этом было установлено, что меньшее охлаждение не обеспечивает требуемой прочности изготавливаемых болтов. Охлаждение же до более низких температур экономически нецелесообразно.

Было установлено, что последующее старение заготовок болтов в вакууме в экспериментально установленном режиме приводит к стабилизации фазового состава с образованием равновесной (α+β) структуры, определяющей высокие прочностные характеристики. Исследования показали, что проведение указанной операции при температурах, превышающих 295^oС, приводит к разупрочнению в результате перестаривания, тогда как температурный режим, меньший 280^oС, экономически нецелесообразен.

Операцию старения проводят в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности изготавливаемых деталей, как правило, не менее 5 часов.

Ниже приведен пример, подтверждающий возможность осуществления заявляемого изобретения с получением указанного выше технического результата.

Пример 1.

На прутки из титанового сплава ВТ16 08,5 мм после нанесения на их поверхность твердого оксалатного покрытия методом холодного пластического деформирования изготавливались болты М 7х1. При изготовлении болтов проводили многократное редуцирование стержня со скоростью 0,5-1,0 м/с. После высадки головки заготовки охлаждали на воздухе до температуры окружающей среды. Затем обкатывали одновременно гладкую часть стержня и радиус перехода его к головке роликами на резьбонакатанном станке (для получения гладкой части стержня с высокой степенью точности по 1-2 классу и высокой чистотой поверхности). Старение полученных изделий проводили в вакуумной печи в течение 5 ч при температуре 290^oС.

После этого изделия подвергались специальной обработке в мыльном растворе с концентрацией мыла (0,3-0,5)% во вращающемся барабане в смеси стальных шариков диаметром (0,002-0,006) м и деревянных кубиков с высотой ребра (0,2-0,3) м, при этом скорость вращения барабана составляла 30-35 об/мин с изменением направления вращения через каждые 2 мин. Продолжительность процесса обработки составила 20 ч.

Затем накатывали резьбу на резьбонакатанном станке со скоростью 20 об/мин, при давлении 2400 кгс/мм в течение 0,5 с, при этом величина радиуса впадины резьбы составляла 0,20 величины шага резьбы.

В результате были получены болты, обладающие следующими показателями, определенными в ходе соответствующих испытаний: предел прочности σ_В - 1100 МПа, предел текучести σ_0,2 - 1050 МПа, относительное сужение ψ_min - 64%, сопротивление среза Т_cр - 700 МПа, усилие разрыва Р_{разрыва} - 3180 кг.

Пример 2.

Для сравнительной оценки свойств болтов, изготавливаемых по заявляемому способу, были определены свойства исходных прутков из титанового сплава ВТ16 ⊘10,5 мм (по примеру 1), подвергнутых одной только операции старения в вакуумной печи в аналогичном описанному в примере 1 режиму.

Результаты статических испытаний, проведенных до и после операции старения, оказались следующие: усилие разрыва Р_{разрыва} до старения - 5040 кг, после старения - 5050 кг; предел прочности σ_В до старения - 920 МПа, после старения - 920 МПа.

Для болтов, изготавливаемых в соответствии с заявляемым способом, значения указанных прочностных характеристик составили: усилие разрыва Р_{разрыва} до старения - 2950 кг, после старения -3180 кг; предел прочности σ_В до старения -1021 МПа, после старения -1100 МПа.

Таким образом, заявляемый способ позволяет существенно снизить трудоемкость процесса изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, значительно сократить энергозатраты и получить при этом изделия, обладающие высокими эксплуатационными показателями.

Формула изобретения

Способ изготовления стержневых деталей с головками из двухфазных (α+β) титановых сплавов, включающий многократное редуцирование стержня заготовки, высадку головки методом холодного пластического деформирования, обкатку наружной поверхности стержня, старение в вакуумной печи и накатку резьбы, отличающийся тем, что после высадки головки заготовки охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды, а старение проводят при 280-295^oС в течение времени, необходимого для достижения наибольшей прочности.