Способ изготовления кольцевых поковок — SU 2000161 (original) (raw)
.В КОЛЬ готовку. пре- ОЙ стали, нд- Ы КОВОЧНОГО жкой 0,5-2 ч, ть заготовки мент, выпол- алоуглеродиКомитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(54) СПОСОб ИЗГОТОВЛЕКИ ВЫХ ПОКОВОК(57) Сущность изобретения: за имущественно иэ углеродист гревают до верхней границ интервала температур с выдер после чего в центральную час внедряют теплоотводящий эле ненный из сплава меди или м Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в машиностроении для изготовления различных деталей механизмов, работающих в условиях воздействия знакопеременных нагрузок, например, для шестерен редукторов, коробка передач автомобилей и других силовых агрегатов, Кроме того из материала поковок. полученных по данному способу, флогут быть изготовлены производственные и бытовые режущие инструменты.Известен способ ковки колец из заготовки, при котором заготовки, например 380 мм и высотой 770 мм, нагретые до верхней границы ковочного интервала температуры 1240 С, деформируют, осаживая до высоты 150 мм, прошивают отверстие 280 мм и раскатывают до ф 1220 мм.Недостатками данного способа являются: одноосное действие усилия деформации; поочередная деформация небольших 1 К 1/38, С 21 0 8/00 стои стали. и осуществляют совместную деформацию с одновременной закалкой путем охлаждения поковки до температуры не ниже точек Ас или Аст Цикл повторяют до общей суммарной деформации не менее 60 о/при этом соблюдается равенство степеней деформации в осевом и радиальном направлениях, после этого продолжают деформацию в осевом направлении до заданных размеров при свободном охлаждении поковки. После охлаждения заготовки и механического удаления из ее центральной части теплоотводящих элементов получают готовую кольцевую поковку, 1 з.п. ф- лы, 2 ил., 1 табл,локальных участков; в результате остывания заготовки каждый последующий участок деформируют при более низкой температуре; над оправкой и под верхним бойком расположены зоны затрудненной деформации; возможность появления изотропных точек, где полностью отсутствует деформация; наличие более быстрого охлаждения поковки с наружной поверхности кольца, чем с внутренней, особенно на начальном этапе ковки, что способствует возникновению термических напряжений, которые препятствуют течению металла в сторону увеличения диаметра кольца. Полученные по данному способу поковки характеризуются разнозернистой структурой металла и низкими механическим свойствами.Известен способ раскатки колец, включающий нагрев заготовки до верхней границы ковочного интервала температур. прошивку, последовательное деформирова 2000161ние заготовки бойком на оправке и ее поворот относительно оправки. С целью повышения качества колец и экономии металла заготовку деформируют, чередуя раскатку на профилированной и гладкой поверхностях, начиная деформирование на профилированной ловерхности,При ковке по данной схеме создаются благоприятные условия для переработки структуры металла по внутреннему диаметру кольцевой заготовки, Однако этот способ раскатки колец не устраняет основных недостатков предыдущего известного способа - это одноосное действие усилия деформации и последовательное деформирование небольших участков заготовки, способствующие возникновению разнородной структуры металла по всему объему поковки, Полученные по этому способу кольцевые поковки характеризуются также низкими механическим свойствами металла,В качестве прототипа выбран способ изготовления ленты для пружин, который решает аналогичную с предлагаемым изобретением задачу улучшения механических свойств металла и имеет с ним наибольшее количество общих существенных признаков, а также является одним иэ последних решений, направленных на увеличение предела прочности материала, Способ изготовления пружинной ленты включает изотермическую закалку и холодную прокатку, при этом закалку проводят при 375- 475 С до получения структуры верхнего бейнита, а прокатку осуществляют с суммарной деформацией свыше 80 %.Данный способ изготовления ленты для пружин решает проблему увеличения предела прочности материала. Недостатками его являются применимость только для производства ленты толщиной менее 1,0 мм, а также анизотропия свойств вдоль и поперек ленты.Достигнутый изобретательский уровень по данной тематике характеризуется поиском путей улучшения проработки структуры металла и достижения более высоких механических свойств в основном за счет варьирования режимами термической обработки и горячего деформирования, Общим недостатком известных способов обработки металлов давлением, в том числе и способа-прототипа, является осуществление деформации в направлении от периферии заготовки к ее центру,Задача изобретения заключается в получении стальных кольцевых поковок, материал которых обладал бы повышенными свойствами одновременно по нескольким характеристикам, например, по пределу 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 прочности, теердости, пластичности и ударной вязкости,Традиционные способы термообработки и горячего деформирования металла обеспечивают, как правило, выборочное улучшение укаэанных характеристик, например, при повышении твердости снижаются показатели пластичности и ударная вязкость, и наоборот, при повышении ударной вязкости снижаются прочностные свойства материала,В основу настоящего изобретения положена идея проработки внутренней структуры металла путем многократного нагрева с одновременной закалкой и горячим деформированием в направлении от центра заготовки к ее периферии при температурах устойчивого сохранения аустенитной фазы.В отличие от известных способов изготовления кольцевых поковок, включающих нагрев заготовки и ее осадку, прошивку отверстия и раскатку на оправке, в предложенном способе в нагретую до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой при указанной в течение 0,5-2,0 с заготовку внедряют в центральную часть теплоотводящий элемент и осуществляют их совместну,о деформацию. При охлаждении поковки до температуры не ниже точек Ас или Ат ее вновь нагревают до верхней границы ковочного интервала температур и цикл повторяют до достижения общей суммарной осевой деформации не менее 60 %, при этом в каждом цикле степен деформации е осевом направлении равна степени деформации в радиальном направлении, При достижении суммарной деформации более 60 дальнейшую обработку ведут при свободном охлаждении поковки до заданных размеров.При нагреве заготовки до верхней границы ковочного интервала темп ератур с ныдерккой в течение 0,5-2 ч происходит выравнивание концентрации углерода в кристаллической решетке железа. Время выдержки выбрано в зависимости от массы исходной заготовки и из условия полного растворения углерода. Выдержка более 2 ч нецелесообразна по причине неоправданных энергозатрат,В процессе внецрения в центральную часть теплоотводящих элементов происходит резкое охлаждение внутренней эоны заготовки, Между более нагретыми поверхностными слоями и охлажденными внутренними возникают растягивающие термические напряжения Деформацию с закалкой производят циклически в области устойчивого существтванин а 1 стенитаПри резком охлаждении центра заготовки зерна структуры металла ориентируются по направлению отвода тепла. т.е. от поверхности к центру. Деформация в области аустенитной структуры металла до степени не менее 60приводит к фиксации равномерного распределения углерода в аустените за счет образования внутри кристаллической решетки железа кристаллической решетки углерода. В результате образуется схема внутреннего строения стали, которая приводит к резкому увеличению механических свойств металла по всему объему поковки. Кроме того на поверхности металла образуются узоры типа как на дамаской стали.После внедрения теплоотводящего элемента в центральную часть заготовки и прогрева его до температуры точек Асз или Аст поковку деформируют по высоте со степенью деформации Ен,Но - Н 1Ногде Но - исходная высота поковки;Н 1 - высота поковки после осадки.Причем в каждом цикле внедрение теплоотводящего элемента - осадка степень деформации в осевом направлении Е н равна степени деформации в радиальном направлении Ед. восргде Ооср - исходный средний диаметр поковки (кольца) до внедрения теплоотводящего элемента;01,р - средний диаметр кольца после внедрения теплоотводящего элемента.Равенство степеней деформации в осевом и радиальном направлениях должноотвечать условию, при котором Ен = Ед 5 д, где д - пластичность металла при температуре деформации. Далее равенство деформаций в двух взаимно перпендикулярных направлениях при проведении каждого цикла, а также деформирование с общей степенью деформации не менее 60, обеспечивает равномерную проработку структуры по всему объему поковки за счет измельчения зерен до ультрамелкого (1-1,5 мкм) размера, способствующего образованию сверхпластичного состояния металла,До тех пор пока при ковке деформация в осевом направлении компенсируется деформацией в радиальном направлении (и наоборот), о структуре металла сохраняется равновесие бэрицентрическое состояние и образуются узоры структуры, которые проявляются на роверхности металла. Если равновесие деформаций смещается в одно преобладающее направление. образуетсяволокно, зерна вытягиваю 1 ся и механические свойства металла снижаются.Размеры внедряемого теплпотводяще 5 го элемента зависят от высоты заготовки,пластичности металла и поковки и его теплоемкости.В качестве материала для теплоотводящих элементов могут быть использованы10 сплавы на основе меди или малоуглеродистые стали.Таким образом настоящее техническоерешение с учетом всей совокупности присущих ему существенных признаков обеспе 15 чивает формирование мелкозернистойструктуры во всем объеме металла и высокие механические свойства поковки,На фиг.1 показана поковка 1 послевнедрения в ее центральную часть трех теп 20 лоотводящих элементов 2.3 и 4; на фиг,2 -фотография микрошлифа увеличение 500)образца, вырезанного из готовой поковки,показывающая на образование равномерной мелкозернистой структуры металла с25 размерами зерен 1,0-1,5 мкм,Способ изготовления кольцевой поковки реализуют следующим образом.Исходную заготовку нагоевают до верхней границы ковочного интервала темпера 30 тур и выдерживают при данной температурев течение 0,5 - 2 ч. Затем нагретую заготовкуустанавливают на нижний кузнечный боек,По центру заготовки устанавливают теплоотводящий элемент, выполненный в виде35 цилиндра с коническим концом, и ударомверхнего бойка внедряют его на всю высоту,при этом заготовка раздается по диаметру.За счет более холодного теплоотводящегоэлемента происходит резкое охлаждение40 прилегающих к элементу слоев заготовки,между внутренними и наружными слоямивозникает градиент температур. в результате чего о поковке образуются растягивающие термические напряжения. После45 прогрева теплоотводящего элемента дотемпераэуры критической точки Асз или Астзаготовку осаживают со степенью деформации Е, которая равна степени деформацииЕд. Затем поковку с внедренным элемен 50 том вновь нагревают до верхней границыково;ного интервала температур, после чего в центральную часть внедряют следующий теплоотводящий элемент и т,д, додостижения суммарной осевой деформации55 не менее 60 , Далее поковку деформируютна заданный размер при свободном ее охлаждении, После механического удалениявнутренних теплоотводящих элементовполучают готовую кольцевую поковкуСущность заявляемого способа и достигаемый технический результат подтверждается конкретными примерами изготовлениякольцевых поковок из различных марок сталей, которые приведены в таблице,П р и м е р, Взяли цилиндрическую литую заготрвку из стали 45 ГОСТ 1050-74 сразмерами ф 100 мм и высотой 40 мм, полученную механической обработкой. Изготовили три теплоотводящих элемента в видецилиндров заостренным коническим концом из стали 10 следующих размеров: первый элемент - ф 8 мм, длина цилиндрической части 42 мм, длина конической части 6мм, общая длина элемента 48 мм; второйэлемент - ф 18 мм, длина цилиндрической иконической части соответственно 23 и 12мм, общая длина 35 мм; третий элемент 25мм, длина цилиндрической и конической части по 15 мм, общая длина 30 мм.Заготовку нагрели до 1250 С в электропечи с выдержкой 0,8 ч. Контроль нагреваосуществляли платиново-родиевой термопарой и прибором КВП 1-503 ГОСТ 7164 - 66.Ковку производили на молоте с массой па-.дающих частей 240 кг. Бойки молота предварительно подогрели до 350 С. Температура теплоотводящих элементов комнатная,Нагретую заготовку установили на нижний боек, на нее по оси установили первыйтеплоотводящий элемент и ударами верхнего бойка внедрили его в заготовку на всювысоту, После прогрева теплоотводящегоэлемента до 760 С заготовку осадили на высоте до 28 мм, при этом получили размерыпоковки; наружный диаметр 120 мм, диаметр осажденного теплоотводящего элемента 10 м 1, средний диаметр кольца 65 мм,Степень деформации по высоте (в осевомнаправлении) составила:Но - 1 40 - 28 0,3 или 30 о Н 40Степень деформации в радиальном направлении:- 1 о -:"-щ-оз зоЕд О - 0, илиосрсЭПосле первого цикла закалка - деформация температура заготовки составила850 С, затем ее вторично нагрели до 1250 Си в центральную часть внедрили второй теплоотводящий элемент. После прогрева элемента до 760 С поковку осадили до 20 мм иполучили поковку с размерами: наружныйдиаметр 144 мм, диаметр осажденных теплоотводящих элементов (внутренний диаметр кольца) 24 мм, средний диаметр кольца84 мм. Степень деформации за второй циклсоставила: 28 - 20Ен=28= 0,29 или 29Степень деформации в радиальном направлении составила:5 84 - 65Ед" - =0,29 или 29 з65После второго цикла закалка - деформация температура заготовки составила820 С. Перед третьим циклом заготовку10 вновь нагрели до 1250 С и в центральнуючасть внедряли третий теплоотводящий элемент, после прогрева которого до 760 С поковку осадили до 16 мм, Получили поковку сразмерами; наружный диаметр 163 мм,15 внутренний и средний диаметры кольца соответственно 39 и 101 мм. Степень деформации за третий цикл по высоте составила;Ен = 0,2 или 20 оз20 - 1620 Степень деформации в радиальном направлении составила:101 - 84Ед = = 0,2 или 20Общая степень деформации за три цик 25 ла составила:Ен= 05 или 60,40 - 16Температура поковки после третьегоцикла составила 780 С, измерение темпера 30 туры металла осуществляли оптическим пирометром. Дальнейшую деформациюпроизводили при свободном поковки до высоты Н = 12 мм. После охлаждения поковкина воздухе удалили продеформированные35 теплоотводящие элементы и получили готовую кольцевую поковку с размерами;Онор = 187 мм Оон = 42 мм Н = 12 ммАнализ макроструктуры выявил наличиеравномерной мелкозернистой картины ме 40 талла по всему обьему кольцевой поковки,которая обеспечивает значительное (в несколько раз) повышение основных механических свойств материала (см, таблицу).Причем полученные механические свойства .45 сталей характерны для любого сечениякольцевой поковки, тогда как для получен-.ной по способу-прототипу пружинной лентыпрочностные свойства металла присущитолько поверхностным ее слоям. Следует50 отметить значительное повышение пластичности полученного по новому способу металла (дз и ф), которая превьнш.".ет значениепластичности материала, полученного поспособу-прототипу, в среднем в 10-12 раз55 для инструментальных марок сталей при одновременном некотором увеличении предела прочности.Важной характеристикой обработанных по новому способу с 1 аллй являегся повышенная ударная вязость при2000161 2. Твердость измерялась и 3. В скобках приведены зн 1) значения механическиксплэвое, Год ред. О.Г Сор 2) значения меканических 3) значения механических 4) значения механических ине образцст303 мм по всем чения войстп кина, еойств еойств войсте етырем граням и нэ механических свойст дтя поковок сечение Д.: ГЬГацгнностроение для ленты отолокенн для образцов 32 х 32 х для поковок сечение всей д в па ГГ лг 1 ГХ 3- 1969, ой хсл 42 мм м до 10 ка 1 Марочник сталей и еле закалки и онокэтанной сеч. 1,5-4 мсле закалки и отпуска,т,м после эахалки и отпэгс одновременном сохранении твердости, что необходимо для обеспечения работоспособности изготовленных из кольцевых заготовок деталей машин, работающих в сложных динамических условиях воздействия знакопеременных нагрузок.Формула изобретения 1. Способ изготовления кольцевых поковок, преимущественно из углеродистых сталей, включающий нагрев, закалку и деформацию заготовки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что заготовку нагревают до верхней границы ковочного интервала температур с выдержкой при указанной температуре в течение 0.5-2 ч. а деформацию производят одновременно с закалкой циклично путем охлаждения до температурьг не ниже точек Лез ипи Аи последующего нагрева до исходной температуры за счет внедрения в ее центральную часть теплоотводящих элв ментов при каждом цикле с общей осевойдеформацией не менее 60 , при этом в каждом цикле степень деформации в осевом направлении равна степени деформации о радиальном направлении, после чего 10 продолжают деформацию в осевом направлении при свободном охлаждении поковки до требуемых размеров.2, Способ по п.1, о тл и ч а ю щи й с ятем, что теплоотводящие элементы выпол нены, например, из сплава на основе медиили из малоуглеродистой стали.2000161 Редактор С.Кулакова орректор А,МОт Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 аказ 3 зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул Гагарина, 101 оставите ехред М,А,Максимовргентал