Способ изготовления или восстановлениия деталей

Изобретение относится к изготовлению и восстановлению изношенных поверхностей деталей преимущественно из углеродистых конструкционных сталей. В способе изготовления или восстановления деталей перед деформацией производят построение кривых пластического течения аустенита в истинных координатах “напряжение-деформация”, по кривым пластического течения определяют режимы горячей пластической деформации, осуществляют однократный нагрев до температуры выше Ас₃, горячую пластическую деформацию по выбранным режимам и закалку. Перед закалкой осуществляют изотермическую выдержку деталей для образования полигональной структуры горячедеформированного аустенита. Закалку осуществляют непосредственно после горячей пластической деформации без изотермической выдержки горячедеформированного аустенита. Перемещение материала осуществляют за счет резерва металла, предусмотренного на стадии их изготовления. Обеспечивается повышение характеристик конструктивной прочности изготавливаемых и восстанавливаемых деталей из конструкционной углеродистой стали при снижении энергозатрат и расхода материалов. 3 з.п. ф-лы.

 

Предлагаемое изобретение относится к изготовлению и восстановлению изношенных поверхностей деталей преимущественно из углеродистых конструкционных сталей.

Известны способы восстановления деталей наплавкой или напрессовкой компенсирующего материала, например, по а.с. СССР №683882. Основным недостатком известных способов является неоднородная структура восстановленной детали, значительно снижающая ее прочностные показатели, а также высокая материалоемкость.

Известен способ восстановления изношенных поверхностей деталей путем пластической деформации металла из нерабочей зоны в зону рабочих изношенных поверхностей прокаткой роликами-электродами (а.с. СССР №1004062, МКИ В 23 Р 6/02, опубл. 15.03.83, бюл. №10). Такой способ позволяет получить восстанавливаемые детали без использования компенсирующего материала и с более однородной структурой. Однако в процессе деформации в материале возникает напряженное состояние, в результате чего новая структура значительно отличается от первоначальной по показателям прочности, что так же, как и в способе по а.с. №683882, снижает надежность работы восстановленной детали.

Наиболее близким к заявляемому является способ исправления профиля изношенных деталей по патенту СССР №1544177 (МКИ В 23 Р 6/00, опубл. 15.02.90, бюл. №6). Известный способ заключается в перераспределении материала с менее изношенных участков на более изношенные путем пластической деформации и последующей обработке резанием до восстановления заданного профиля. В результате пластической деформации изношенного профиля удается лучше использовать имеющийся материал. Однако прочностные показатели, как и в способе по а.с. №1004062, не регламентируются.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении характеристик конструктивной прочности изготавливаемых или восстанавливаемых деталей из конструкционной углеродистой стали при снижении энергозатрат и расхода материалов.

Поставленная задача решается тем, что перед деформацией производят построение кривых пластического течения аустенита в истинных координатах “напряжение-деформация”, по кривым пластического течения определяют режимы горячей пластической деформации, осуществляют однократный нагрев до температуры выше Ас₃, горячую пластическую деформацию по выбранным режимам и закалку.

Предложенная последовательность операций позволяет наряду с формообразованием получить повышенные характеристики конструктивной прочности восстанавливаемых или вновь изготавливаемых деталей. Горячая пластическая деформация по оптимальным режимам обеспечивает увеличение плотности дефектов, равномерное их распределение и возможность образования полигональной структуры горячедеформированного аустенита. Режимы обработки: температура нагрева, скорость и степень одно- и многократного деформирования, время изотермической выдержки горячедеформированного аустенита, скорость охлаждения - выбираются оптимальными для каждой марки стали с целью осуществления необходимой деформации и создания особой субструктуры аустенита, обеспечивающей повышение показателей конструктивной прочности деталей. По современным представлениям субструктура аустенита наследуется конечными структурами стали. Однократный высокотемпературный нагрев для деформации и закалки, обеспечивает наследование особенностей структурного состояния горячедеформированного аустенита в конечных структурах готовой детали. Отсутствие в технологическом процессе повторного высокотемпературного нагрева деталей исключает изменение полученной структуры.

Таким образом, горячая пластическая деформация по оптимальным режимам и последующая закалка при однократном нагреве для всего технологического цикла позволяют получить наряду с формообразованием или восстановлением размеров детали особую структуру - субструктуру и, тем самым, восстановить или повысить показатели конструктивной прочности. При необходимости после закалки производится отпуск.

Выбор оптимальных режимов целесообразно осуществлять для каждой марки стали по кривым пластического течения аустенита в истинных координатах “напряжение-деформация”, нагрев стали осуществляют выше температуры, соответствующей критической точке растворения феррита в аустените (Ас₃). Методики построения кривых растяжения в истинных координатах для стали У8 опубликованы, например, в статье “Влияние температуры аустенизации и микролегирования на развитие процессов динамической реклисталлизации эвтектоидной стали” авторов Тихомировой Л.Б. и Решедько В.В. (Межвузовский сборник научных трудов. - Субструктура и конструктивная прочность стали. - Новосибирск. - НЭТИ, 1976. - С.39-46).

При изготовлении или восстановлении деталей, испытывающих в процессе работы динамические нагрузки, целесообразно перед закалкой произвести изотермическую выдержку деталей для образования полигональной структуры горячедеформированного аустенита. Изотермическая выдержка разупрочняет горячедеформированный аустенит и позволяет создать в материале детали развитую субструктуру, обеспечивающую более высокую пластичность и вязкость разрушения материала готовой детали.

При изготовлении деталей, испытывающих в процессе работы только статические нагрузки, закалку деталей целесообразно производить без выдержки горячедеформированного аустенита непосредственно после горячей пластической деформации. В этом случае существенно повышаются прочность и твердость материала.

Величина износа быстро изнашиваемых деталей составляет 1-3% от общей массы. Такая величина износа может быть восстановлена предлагаемым способом за счет использования “свободной массы” детали (уменьшение буртов, фасок и т.д.). Перемещение (перераспределение) материала за счет резерва металла, заложенного на стадии конструирования и изготовления, позволяет повторно и даже многократно восстанавливать быстроизнашиваемые детали и, тем самым, увеличивать их ресурс. При необходимости после термопластической обработки производится механическая обработка деталей, например резанием.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В зависимости от химического состава стали назначают интервал температур нагрева для построения кривых пластического течения аустенита в истинных координатах “деформация-напряжение”. Пределы скорости деформирования стали выбирают с учетом наличия и возможности промышленного технологического оборудования.

При принятых температурах и скорости строят кривые деформации в истинных координатах “напряжение-деформация” и производят структурные исследования высокотемпературного состояния стали.

По полученным кривым пластического течения аустенита и по результатам исследований состояния горячедеформированного аустенита определяют оптимальные режимы и осуществляют однократный нагрев до выбранной температуры выше Ас₃, горячую пластическую деформацию по выбранным режимам и закалку.

Примеры конкретного осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. Первоначально построили кривые деформации при растяжении в истинных координатах “напряжение-деформация” для рельсовой стали при температурах 800-1000°С через 50°С и скорости 3·10^-2 с^-1 в интервале степени деформации 2-35%. Время изотермической выдержки горячедеформированного аустенита составляло 2-60 с. По полученным кривым определили оптимальные режимы горячего пластического деформирования и последующей термической обработки: температура нагрева составила 900-950°С, степень деформации - 5-10%, скорость деформации - 3·10^-2 с^-1. В шахтной печи произвели объемный нагрев детали до температуры 900-950°С. После чего осуществили горячее пластическое деформирование со степенью деформации 5-10% и со скоростью 3·10^-2 с^-1, изотермическая выдержка составила 5-10 с, произвели закалку охлаждением в масле и последующий отпуск.

Пример 2. Обработку деталей из стали 45 осуществили аналогичным образом (см. пример 1). При этом оптимальные режимы горячего пластического деформирования и последующей термической обработки: температура - 900-950°С, степень деформации - 12-20%, скорость деформации - 3·10^-2 с^-1. Деталь нагревали до температуры 900-950°С и осуществляли горячее пластическое деформирование со степенью деформации 12-20% и скоростью 3·10^-2 с^-1, закалку производили охлаждением в воде непосредственно после горячей деформации без паузы.

Обработка предлагаемым способом деталей из рельсовой стали снижает склонность к хрупкому разрушению, повышает показатели прочности, пластичности и вязкости разрушения: Δσ_0,2=200 МПа; Δσ_в=190 МПа; Δψ=8%; работа разрушения увеличивается на 14%; коэффициент интенсивности напряжения - на 18%; стрела прогиба - на 40%; критическое раскрытие трещин увеличивается с 0,071 мм до 0,073 мм по сравнению с показателями после стандартной термической обработки. При этом увеличились контактная выносливость и выносливость при циклических нагрузках: контактно-усталостная прочность - в 1,5-2 раза; сопротивление циклическим нагрузкам - в 1,7 раза.

Эффект упрочнения деталей при обработке таким способом сохраняется при температурах отпуска до 400°С.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления и восстановления деталей из конструкционной углеродистой стали решает техническую задачу повышения показателей конструктивной прочности.

1. Способ изготовления или восстановления деталей, включающий перемещение материала пластической деформацией, отличающийся тем, что перед деформацией производят построение кривых пластического течения аустенита в истинных координатах “напряжение-деформация”, по кривым пластического течения определяют режимы горячей пластической деформации, осуществляют однократный нагрев до температуры выше Ac₃, горячую пластическую деформацию по выбранным режимам и закалку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед закалкой осуществляют изотермическую выдержку деталей для образования полигональной структуры горячедеформированного аустенита.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что закалку осуществляют непосредственно после горячей пластической деформации без изотермической выдержки горячедеформированного аустенита.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что перемещение материала осуществляют за счет резерва металла, предусмотренного на стадии их изготовления.