Способ изготовления цилиндрических изделий из прецизионных никелевых сплавов

Предлагаемый способ изготовления цилиндрических изделий из прецизионных никелевых сплавов предназначен преимущественно для изготовления магнитных и электрических экранов и может быть использован в авиаприборостроении и машиностроении. Задача изобретения - повышение качества изделий и снижение трудоемкости изготовления. Способ включает формовку листовой заготовки и последующую термическую обработку. Согласно изобретению после формовки осуществляют сборку и сварку, а термическую обработку производят на оправке с одновременной калибровкой изделия за счет пластической деформации в результате натяга, образующегося между оправкой и изделием в процессе нагрева, за счет разности коэффициентов термического расширения. На поверхность оправки предварительно наносят изолирующий слой эмульсии талька с бензином следующего состава: тальк - 1 весовая часть, бензин - 5 весовых частей, причем используют мелкодисперсную фракцию талька размером 1-15 мкм и термически обрабатывают оправку в вакуумной печи при температуре 1150°С в течение 6 часов. Способ обеспечивает получение заданных размеров изделий и магнитных свойств.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в авиаприборо- и машиностроении.

Известен способ изготовления металлических труб с продольным сварным швом, принятый в качестве аналога [1].

Согласно известному способу при изготовлении труб малого диаметра (для оптико-волоконных кабелей) заготовку формуют с помощью роликов на круглом калибре. Затем сваривают и калибруют обжимкой в волочильной матрице, после чего протягивают оптико-волоконный кабель.

Недостаток известного способа заключается в низком качестве изготовления тонкостенных цилиндрических изделий из прецизионных никелевых сплавов, обусловленном тем, что операция калибровки выполняется обжимкой в волочильной матрице. Для тонкостенных цилиндрических изделий (как, например, магнитные экраны) из прецизионных никелевых сплавов калибровка волочением приводит к изменению исходных магнитных свойств и возникновению анизотропии вследствие формирования текстуры сплава в направлении волочения с соответствующим изменением доменной структуры, что недопустимо по условиям эксплуатации. Кроме того, калибровка волочением упрочняет изделия, что при достаточно больших диаметрах и толщинах применяемых цилиндрических изделий усложняет технологический процесс.

Известен способ изготовления многослойных тонкостенных сильфонов из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе, принятый в качестве прототипа [2].

Согласно прототипа процесс изготовления многослойных сильфонов включает многократную формовку до получения заданного размера сильфона с последующей термической обработкой после каждой операции формовки, сборку с арматурой и сварку.

Недостаток прототипа состоит в его высокой трудоемкости вследствие многократной формовки, а также в том, что для прецизионных изделий он не обеспечивает требуемые качественные показатели. Это обусловлено тем, что сильфоны получают формовкой - достаточно "грубой" операцией, в ходе которой жесткие допуски на конструктивные размеры прецизионных изделий не выдерживаются. Кроме того, возможно коробление деталей в процессе термической обработки, назначение которой заключается в снятии напряжений после формовки и получении пластических свойств за счет гомогенизации структуры сплава. К недостаткам известного способа следует отнести установленную последовательность проведения операций изготовления сильфона. В этой последовательности операция сварки является окончательной операцией, после которой также происходит изменение размеров за счет деформации конструкции.

Основная задача заявленного способа заключается в повышении качества изготовления цилиндрических изделий из прецизионных никелевых сплавов и снижении трудоемкости их изготовления.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа изготовления цилиндрических изделий из прецизионных никелевых сплавов с заданными магнитными свойствами, совмещающего операции калибровки и термической обработки, проводимые после сварки изделия.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления цилиндрических изделий из прецизионных никелевых сплавов, включающем формовку листовой заготовки, последующую термическую обработку, после формовки осуществляют сборку и сварку заготовок, термическую обработку производят на оправке с одновременной калибровкой изделия за счет пластической деформации в результате натяга, образующегося между изделием и оправкой в процессе нагрева, при этом на поверхность оправки предварительно наносят изолирующий слой эмульсии талька с бензином следующего состава: тальк - 1 весовая часть, бензин - 5 весовых частей, с использованием мелкодисперсной фракции талька размером 1-15 мкм и вжигают тальк, нагревая оправку в вакуумной печи до температуры 1150°С и выдерживая оправку при данной температуре в течение 6 часов.

Сущность способа заключается в следующем.

К тонкостенным цилиндрическим изделиям - магнитным экранам из прецизионных никелевых сплавов предъявляются жесткие требования по магнитным и геометрическим параметрам. Изготовленные из листовых полуфабрикатов сварные экраны за счет деформации в процессе сварки имеют отклонения в линейных размерах диаметров, что требует проведения последующей калибровки в радиальном направлении. Операция калибровки проводится на технологической оправке при высокой температуре и она должна быть совмещена с термической обработкой на магнитные свойства, т.к. после термической обработки калибровка недопустима из-за возможной потери магнитных свойств изделия.

Так как калибровка происходит за счет пластической деформации в результате натяга изделия на оправке, то может происходить спекание (или "схватывание") экрана и оправки в местах их касания между собой. Чтобы исключить такую возможность в процессе термической обработки и калибровки, на поверхность оправки вжигается слой талька. Тальк, состоящий из окислов магния и кремния [Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂], является хорошим изолирующим материалом, он достаточно устойчив при высоких температурах, не загрязняет вакуумную камеру печи и может быть использован в качестве изолирующего материала при нагреве для прецизионных никелевых сплавов.

Эксперименты показали, что для вжигания талька целесообразно приготовить его эмульсию с бензином Б-70. Тальк в бензине хорошо размешивается, образуя однородную смесь белесового цвета, а бензин после нанесения эмульсии быстро испаряется. Опытным путем подобрали следующий состав: тальк - 1 весовая часть, бензин - 5 весовых частей. Для приготовления эмульсии использовали мелкодисперсную фракцию талька размером 1-15 мкм, вожженные частицы которой в процессе термической обработки и калибровки не снижают качество внутренней поверхности экрана, с которым они контактируют. Полученную эмульсию наносили на поверхность оправки, сушили на воздухе в течение ˜30 минут и ˜30 минут в термостате при 150°С, что исключало возможное окисление оправки, а затем вжигали при нагреве оправки в вакуумной печи и выдержке при температуре 1150°С в течение 6 часов. Подобранный режим обеспечивал прочное сцепление частиц талька с поверхностью оправки и гарантировал многократное использование оправки. После вжигания оправку калибровали на токарном станке для удаления излишков вожженного талька.

Далее для изготовления экрана из листа никелевого сплава вырезали развертку будущего изделия (экрана), формовали (изгибали) его на круглом калибре соответствующего диаметра, подгоняли торцы, стыковали их для проверки качества формовки (гибки). Затем устанавливали в сборочно-сварочное приспособление, стыковали по длине и фиксировали струбцинами, собранный узел размещали на координатном столе сварочной установки. С помощью перемещений по осям XYZ выставляли поверхность стыка в фокальной плоскости установки. Включали установку, устанавливали режим сварки (мощность, скорость перемещения стола и т.д.) и вначале выполняли прихватку в нескольких местах по длине стыка, а затем проводили сварку экрана.

После сварки разбирали сборочно-сварочное приспособление, вынимали экран и устанавливали на оправку для калибровки и термической обработки. Размещали собранный узел в термической печи. Включали печь и для данного состава сплава устанавливали режим термической обработки. В процессе выдержки за счет нагрева происходила термическая деформация оправки и экрана. Поскольку коэффициенты термического расширения оправки (хромоникелевый сплав Х20Н80) и экрана (никелевый сплав 50Н) различались, то между ними возникал натяг. За счет натяга происходила пластическая деформация экрана, которая сохранялась при последующем остывании, что обеспечивало калибровку экрана. По окончании режима и охлаждения печи узел вынимали из печи и экран снимали с оправки.

Пример выполнения способа.

На оправку из хромоникелевого сплава Х20Н80 с D_o=111,45 мм наносили эмульсию талька с бензином Б-70 и после сушки на воздухе (30 минут) и в термостате при 150°С (30 минут) вжигали в печи по режиму 1150°С в течение 6 часов. Диаметр оправки после вжигания увеличивался до 111,60 мм. Затем калибровали оправку и получали рабочий диаметр оправки равным D_op=111,50 мм.

В этом случае увеличение диаметра оправки и соответственно диаметра экрана в процессе последующей калибровки и термической обработки за счет разницы в коэффициентах линейного расширения при нагреве до 1100°С составит:

ΔD_Х20Н80 ¹¹⁰⁰=17,6·10^-6 К^-1·111,50 мм·1100°С=2,16 мм;

ΔD_50H ¹¹⁰⁰=13,0·10^-6 К^-1·112,00 мм·1100°С=1,60 мм.

Это следует из соотношения для удлинения Δl_T металла, вызванного его нагревом

Δl_T=α·l₀·Т,

где α - коэффициент линейного термического расширения, l₀ - начальный размер тела, Т - температура нагрева.

В рассматриваемом случае для оправки из сплава Х20Н80 и экрана из сплава 50Н принято соответственно:

α_o ¹¹⁰⁰=17,6·10^-6 К^-1; α_э ¹¹⁰⁰=13,0·10^-6 K^-1.

Расчетная величина натяжения Н между оправкой и экраном при нагреве определяется разностью между увеличением диаметров оправки и экрана и составит

Н=(D_op+ΔD_Х20Н80 ¹¹⁰⁰)-(D_э+ΔD_50H ¹¹⁰⁰)=(111,50+2,16)-(112,00+1,60)=0,06 мм. Как показывали эксперименты, этой величины достаточно, чтобы откалибровать изделие.

Из ленты никелевого сплава 50Н толщиной 0,5 мм приготовили развертку, из которой формовали заготовку трубы. Заготовку трубы установили в сборочно-сварочное приспособление, состыковали по всей длине и зафиксировали струбцинами. Сборочно-сварочное приспособление размещали на координатном столе сварочной установки и перемещением координатного стола по осям XYZ совмещали поверхность стыка в фокальной плоскости сварочной установки. Устанавливали на пульте управления установки режим сварки (для сплава 50Н толщиной 0,5 мм: энергия в импульсе до 15 Дж, длительность импульса 4 мс, скорость сварки мм/с). Вначале выполняли прихватку, а затем сварку.

После сварки экран вынимали из сборочно-сварочного приспособления и надевали на оправку для последующей калибровки и термической обработки. Собранный узел вертикально размещали в вакуумной печи, включали печь и проводили режим термической обработки и калибровки.

Для сплава 50Н: температура нагрева 1100°С, выдержка 3 часов. По окончании режима и охлаждения узел вынимали из печи, снимали экран с оправки и проверяли геометрию (диаметр экрана в двух взаимно перпендикулярных сечениях) и магнитные свойства. Они соответствовали требованиям конструкторской и нормативной документации (ГОСТ 10160-75):

- внутренний диаметр экрана, равный по чертежу 112,0^+0,05 мм, фактически составил величину D=112,01 мм;

- магнитные свойства в поле напряженностью 0,4 А/м (0,005Э) составили:

начальная магнитная проницаемость μ_a=3,9 МГн/м;

максимальная магнитная проницаемость μ_мах=45,5 МГн/м (3600 Гс/Э);

коэрцитивная сила Н_с=10 А/м (0,12Э);

индукция технического насыщения Т(10^-4 Гс)=1,55.

Таким образом, заявленный способ изготовления цилиндрических изделий - экранов из прецизионных никелевых сплавов при совмещении операций термической обработки с калибровкой обеспечивает получение заданных размеров и магнитных свойств, сокращает трудоемкость изготовления и обеспечивает требуемое качество.

Источники информации

1. Заявка 4434134 ФРГ, МКИ⁶ В 21 С 37/08. Заявка: №44341342; заявл. 24.09.94; опубл. 28.03.96.

2. RU 2164188 С2, 7 В 21 D 15/00, С 22 F 1/10. Заявка: №99102069/02; заявл. 04.02.99; опубл. 20.03.97, Бюл. №8.

Способ изготовления цилиндрических изделий из прецизионных никелевых сплавов, включающий формовку листовой заготовки, последующую термическую обработку, отличающийся тем, что после формовки осуществляют сборку и сварку заготовок, термическую обработку производят на оправке с одновременной калибровкой изделия за счет пластической деформации в результате натяга, образующегося между изделием и оправкой в процессе нагрева, при этом на поверхность оправки предварительно наносят изолирующий слой эмульсии талька с бензином следующего состава: тальк - 1 вес. ч., бензин - 5 вес. ч., с использованием мелкодисперсной фракции талька размером 1-15 мкм и вжигают тальк, нагревая оправку в вакуумной печи до температуры 1150°С и выдерживая оправку при данной температуре в течение 6 ч.