Способ получения осесимметричных деталей из жаропрочных сплавов на медной основе

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности металлургии низколегированных сплавов на основе меди, и может быть использовано для производства деталей ракетных двигателей. Осуществляют выплавку сплава, из которого литьем и кристаллизацией получают осесимметричную заготовку с безликвационной мелкокристаллической структурой и с определенной толщиной стенки. Ротационную вытяжку осуществляют по меньшей мере за один проход до заданной толщины стенки. Расширяются технологические возможности и повышается качество деталей. 7 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности металлургии низколегированных сплавов на основе меди, и может быть использовано для производства металлопродукции из теплопроводных жаропрочных медных сплавов для изготовления деталей ракетных двигателей.

Для изготовления изделий со сложным осесимметричным профилем применяют многооперационную штамповку, при которой в качестве исходной заготовки используется лист, полученный из отливки горячим и, если требуется, холодным деформированием между валками в прокатном стане.

Известный технологический процесс состоит из выплавки сплава заданного состава, литья плоского или круглого слитка, разрезки слитка на заготовки, горячей прокатки заготовок с деформацией не менее 70% и, если необходимо, холодной деформацией не менее 20% на заданный размер, отжига в интервале температур 400-1000°C в течение 10-180 минут для получения требуемых механических свойств (ТУ 48-21-588-87). При этом для получения тонкостенных деталей сложной формы из полученного проката методом ротационной вытяжки формируют профиль деталей (РФ 2086330, опубл. 10.08.1997, РФ 2420367, опубл. 10.06.2011, РФ 2242319, опубл. 20.12.2004).

Известен способ изготовления сложнопрофильных изделий из сплавов на основе меди, включающий выплавку сплава, горячую прокатку до получения проката для последующего формообразования и формообразование ротационной вытяжкой (патент США 2003135977, опубл. 24.07.2003). Указанный патент принят в качестве наиболее близкого аналога.

Недостатком известных способов является необходимость отливать массивные слитки с последующей деформацией на мощных станах горячей прокатки. Этот процесс требует использования дорогостоящего оборудования, позволяющего создавать усилия на валки прокатного стана в несколько тысяч тонн. Как правило, это высокопроизводительные станы, способные выпускать десятки тысяч тонн проката в год. Потребность в прокате из медных сплавов для изготовления камер сгорания невелика, поэтому их использование заведомо убыточно.

Отказ от получения листовых заготовок из слитков, а следовательно, исключение из технологического процесса использования станов горячей прокатки слябов позволили бы избежать этого недостатка.

Задачей изобретения является создание простого экономичного способа изготовления качественных осесимметричных деталей из жаропрочных медных сплавов.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение коэффициента выхода готовой продукции при упрощении процесса получения заготовок со сложным осесимметричным профилем из жаропрочных медных сплавов для изготовления элементов ракетных двигателей.

Технический результат достигается тем, что в способе получения осесимметричных деталей из жаропрочного сплава на медной основе, включающем выплавку сплава, литье и кристаллизацию заготовки и формирование профиля детали ротационной вытяжкой, литье и кристаллизацию проводят с получением осесимметиричной заготовки с толщиной стенки, не превышающей 50 мм, и длиной 10-4000 мм с безликвационной мелкокристаллической структурой, а ротационную вытяжку осуществляют по меньшей мере за один проход до заданной толщины стенки.

В частных случаях реализации изобретения выплавку сплава осуществляют электрошлаковым переплавом или электродуговым переплавом, осесимметричную заготовку получают методом наполнительного или центробежного литья или литья в цилиндрический водоохлаждаемый кристаллизатор. При этом заготовку можно отливать в виде трубы или кольца диаметром 100-2000 мм или в виде плоской заготовки толщиной 5-50 мм и длиной 10-4000 мм.

При необходимости между проходами при ротационной вытяжке осуществляют промежуточные отжиги.

Получаемые по заявленному способу детали является деталями ракетного двигателя.

Заявленный способ позволит исключить из производственно-технологической схемы такие операции, как:

- процесс непрерывного или полунепрерывного литья крупногабаритного слитка через сквозной, охлаждаемый водой и снабженный системой вторичного охлаждения кристаллизатор;

- резку слитка дисковой пилой на мерные заготовки и фрезерование их поверхности на фрезагрегате с целью удаления дефектов;

- нагрев заготовок в карусельной печи или методической печи с шагающим подом, совмещая нагрев слитков для деформации с высокотемпературным отжигом - гомогенизацией для устранения результатов ликвационных явлений, сопровождающих неравновесную кристаллизацию крупногабаритного слитка из меди или медного сплава;

- собственно горячую деформацию на мощном прокатном стане (например, на стане горячей прокатки 200×1100×4000 мм) и получение широких листов под дальнейшую штамповку;

- холодную прокатку и рекристаллизационный отжиг для повышения пластичности материала перед штамповкой в зависимости от требуемой толщины получаемого листа после горячей прокаткой.

Таким образом, при использовании заявленного изобретения из технологического процесса исключается множество операций, необходимых для получения листа для последующего изготовления из него профиля детали, в том числе и многооперационная штамповка. В процессе литья и кристаллизации формируется осесимметричная заготовка с толщиной стенки, не превышающей 50 мм, и длиной до 4 метров. При этом осесимметричную заготовку можно отливать с заданным профилем, например в виде трубы или диска диаметром до 2000 мм, в виде плоской заготовки с заданной толщиной и шириной.

Отказ от штамповки, отличающейся очень низким коэффициентом использования материала, позволяет значительно увеличить коэффициент выхода годной продукции.

Формирование профиля изделия происходит путем ротационной вытяжки (выдавливания) из исходной заготовки. Для того чтобы получить качественную деталь при осуществлении выдавливания непосредственно после кристаллизации, полученная отливка должна иметь не только определенные габариты, но и обладать мелкокристаллической структурой, плотностью и не иметь ликвационных дефектов.

Сплав на основе меди можно выплавлять любым способом: открытой или вакуумной плавкой, в защитной атмосфере, электрошлаковым или электродуговым переплавом. Литье сплава осуществляют с использованием наполнительного, центробежного литья или литья в цилиндрический кристаллизатор.

Для получения заданных свойств конечной детали очень важно добиться равномерного распределения легирующих элементов и фаз-упрочнителей по всему объему, т.е. получить безликвационную структуру, и свести к минимуму содержание неметаллических включений.

Это достигается путем применением специальных раскислителей меди, не понижающих ее теплопроводность, и способов обработки расплава: барботаж инертным газом, механическое или электромеханическое перемешивание. Плавка ведется с перегревом и последующим введением легирующих элементов и/или лигатур.

При этом в качестве заранее подготовленных лигатур используются те, которые содержат легирующие элементы сплава, либо труднорастворимые в меди или высокоактивные элементы, либо представляющие экологическую опасность. Использование вышеперечисленных способов обработки расплава при изготовлении лигатур позволяет повысить их гомогенность, получить плотную, безликвационную, сравнительно мелкокристаллическую и направленно закристаллизовавшуюся отливку с требуемыми габаритами, которая обладает достаточными прочностными свойствами и пластичностью, необходимыми для проведения операций ротационной вытяжки (выдавливания). Полученная кристаллическая структура материала позволяет вести деформацию напрямую на роскатном стане.

Для восстановления пластичности после холодной деформации может быть осуществлен отжиг в отжиговых печах при температуре 800-100°C в течение 10-180 минут в зависимости от химического состава сплава и габаритов изделия.

Ведя деформацию в продольном и поперечном направлении, можно получить хорошо проработанную мелкозернистую структуру детали с получением заданных механических свойств, обладающей необходимой жаропрочностью.

Пример 1. В индукционной печи был приготовлен расплав меди, куда была введена предварительно подготовленная лигатура Cu-Cr (8%), в требуемом количестве, для получения сплава БрХ 0,8 "о". Плавка велась с использованием электромагнитного перемешивания. Металл был перелит в установку горизонтального центробежного литья, где была получена труба с толщиной стенки 14 мм, внутренним диаметром 255 мм и длиной 850 мм. Отливка была плотной и практически не имела ликвационных дефектов. Структура сплава - мелкозернистая. Затем отливка была механически обточена на токарном станке на 3 мм по наружному и внутреннему диаметру и обрезана с двух сторон до 820 мм, разрезана вдоль оси в одном месте и помещена в нагревательную печь на 1 час при температуре 800°C.

После этого ее развернули в лист, из которого была вырезана заготовка толщиной 8 мм и диаметром 800 мм. При этом лист был предварительно выправлен на листоправильной машине.

Раскатку производили с утонением стенки по закону синуса So/Sn=sin90°/sinα, где α - угол готового конуса, Sn - толщина детали до формовки на стане ротационной вытяжки. Формирование детали проводили в два перехода на двух оправах с промежуточным отжигом по режиму T отжига 680°C, выдержка 1 час. Полученная деталь имела заданный профиль с толщиной стенки 1,35 мм с заданным допуском -0,2 мм, диаметрами 462 и 742 мм, длиной 720 мм.

Пример 2. В вакуумной индукционной печи был получен расплав Сплава 1 «в». Наполнительным литьем из данного сплава была получена кольцевая заготовка толщиной стенки 20 мм, диаметром 200 мм, длиной 200 мм. Отливка не имела ликвационных дефектов, была плотной, имела мелкозернистую структуру. После этого заготовка была механически обработана для удаления поверхностного слоя и формирования технологических посадочных уступов. Далее на стане ротационного выдавливания была получена труба с толщиной стенки 7 мм, допуском - 0,3 мм, внутренним диаметром 170 мм и длиной 380 мм.

Пример 3. В индукционной печи был приготовлен расплав меди, куда была введена предварительно подготовленная лигатура Cu-Cr (8%), в требуемом количестве, для получения сплава БрХ 0,8 "о". Лигатура готовилась в вакуумной индукционной печи с использованием механического перемешивания. Далее, путем электрошлакового переплава в печи был получен сплав БрХ 0,8 "ш", который был перелит в осесимметричный кокиль, установленный на машине вертикального центробежного литья с переменной осью наклона. Использование электрошлакового переплава и специально подобранного флюса позволило существенно уменьшить в отливке количество оксидов и неметаллических включений, получить однородную мелкозернистую структуру. Удаление литейной корки и получение необходимого профиля с заданной толщиной стенки производилось на токарных станках. Из полученной заготовки методом ротационной вытяжки была получена деталь. Максимальный наружный диаметр 1080 мм, максимальная толщина 35 мм. Деформация велась последовательно с использованием трех оправ. В процессе производства потребовалось проведение трех промежуточных отжигов при T отжига 680°C с выдержкой в 1 час. Получение такой детали с использованием многооперационной штамповки требует использования листовой заготовки шириной 1900 мм и проведение десяти технологический переходов.

Таким образом, предложенный способ позволяет упростить процесс получения заготовок со сложным осесимметричным профилем из жаропрочных медных сплавов и повысить коэффициент выхода готовой продукции для изготовления элементов ракетных двигателей.

Кроме того, заявленный способ позволяет отказаться от дорогостоящих штампов, уменьшить количество отжигов, тем самым существенно снизить себестоимость изготовления деталей.

1. Способ получения осесимметричных деталей из жаропрочного сплава на медной основе, включающий выплавку сплава, литье и кристаллизацию заготовки и формирование профиля детали ротационной вытяжкой, отличающийся тем, что литье и кристаллизацию проводят с получением осесимметиричной заготовки с толщиной стенки, не превышающей 50 мм, и длиной 10-4000 мм с безликвационной мелкокристаллической структурой, а ротационную вытяжку осуществляют по меньшей мере за один проход до заданной толщины стенки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выплавку сплава осуществляют в открытой или защитной атмосфере, в вакууме электрошлаковым или электродуговым переплавом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осесимметричную заготовку получают методом наполнительного или центробежного литья, или литья в цилиндрический водоохлаждаемый кристаллизатор.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что получают осесимметричную заготовку в виде трубы диаметром 100-2000 мм.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что получают осесимметричную заготовку в виде кольца диаметром 100-2000 мм.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что получают осесимметричную заготовку в виде плоской заготовки толщиной 5-50 мм и длиной 10-4000 мм.

7. Способ по п. 1 отличающийся тем, что между проходами при ротационной вытяжке осуществляют промежуточные отжиги.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что получают осесимметричную деталь ракетного двигателя.