Организация входного контроля качества пружин, изготавливаемых из титанового сплава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 669.295; 62-272.2

Организация входного контроля качества пружин, изготавливаемых из титанового сплава

Д. А. Беспалов, Г. А. Воробьева, Г. А. Данилин, Е. Ю. Ремшев

Приведены результаты исследования аэротермоакустической обработки на механические характеристики пружин, изготавливаемых из титановых сплавов.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, аэротермоакустическая обработка, титановые сплавы, нераз-рушающий контроль.

Постановка задачи

Качество исходного материала в значительной степени предопределяет качество конечного изделия. Одним из способов повышения работоспособности машин и узлов является применение легких сплавов и композиционных материалов, особенно для изготовления деталей космической и другой специальной техники. В пружинном производстве особое внимание уделяется применению титановых сплавов [1]. Специализированные предприятия успешно разрабатывают и внедряют в производство технологические процессы изготовления пружин из двухфазных (а + Р)-сплавов ВТ16, ВТ23 и псевдо Р-сплава ТС6. Как правило, основными технологиями, определяющими эксплуатационные свойства пружины, являются не только формоизменяющие операции, но и особенно сопутствующая термическая обработка. Комплекс физико-механических свойств титановых (а + Р)-сплавов и псевдо (Р) сплавов, используемых в пружинном производстве, формируется в ходе проведения операций закалки и старения. Создание стабильного и эффективного технологического процесса сводится к выбору оптимальных режимов термообработки: температуры нагрева, времени выдержки, среды закаливания, температуры и времени старения. Физико-механические характеристики титановых сплавов и особенности изготовления полуфабрикатов из них требуют учета его упругих, прочностных, пластических свойств, состоя-

ния микроструктуры при подготовке производства и построении технологического процесса. Поэтому организация входного контроля материалов должна быть более строгой по сравнению с сертификационными испытаниями завода-изготовителя исходного проката [2], а его структура — включать не только оценку механических свойств, анализ микроструктуры, но и применение, например, акустико-эмиссионного сопровождения при проведении механических испытаний. Метод акустической эмиссии (АЭ) может быть использован в процессе технологической обработки пружин (троекратное обжатие и заневоливание) для последующего прогнозирования их релаксационной стойкости.

Нередко различия механических свойств разных поставок проволоки требуют от производственников решения вопроса об использовании этого материала для изготовления пружин. Повысить качество такого материала и стабилизировать его микроструктуру можно, применяя новые методы обработки. В работе приведены результаты исследования влияния аэротермоакустической обработки [1] на механические характеристики пружинных материалов. При построении входного контроля предлагается:

• определять комплекс физико-механических свойств исходного материала универсальным испытанием на растяжение с акусти-ко-эмиссионным сопровождением, позволяющим выявить стабильность микроструктуры, наличие микротрещин и других дефектов, ре-

МЕШПООБМБОТК|»

Входной

контроль Предлагаемая

методика

Химический состав

Микроструктура

Механические свойства

Методика входного контроля на базе акустической эмиссии

(нёт^ 1

Рекламация? Возврат?

Прогнозирование

механических свойств после ТО

Выборочный контроль

Изготовление детали

Рис. 1. Предлагаемая структура контроля качества в процессе изготовления пружин

гистрировать воздействие остаточных напряжений на упругие характеристики;

• по параметрам акустической эмиссии на этапе троекратного нагружения и заневоли-вания пружин разработать и применять математические модели прогнозирования механических свойств пружин в процессе их технологической обработки с учетом формирующейся микроструктуры материала;

• применять комбинированный метод аэ-ротермоакустической обработки (АТАО) в целях достижения требуемых показателей качества исходного материала и готовой продукции (рис. 1) в случае отклонения показателей механических свойств и микроструктуры от технических требований.

Оценка показателей качества исходного

материала

На рис. 2 и 3 представлены микроструктуры сплава ТС6 двух плавок в состоянии поставки цилиндрических образцов после испы-

тания на растяжение (табл. 1). Микрошлиф изготавливали после растяжения цилиндрического образца.

На рис. 2 показана зеренная структура сплава ТС6 в состоянии поставки (в соответствии с сертификатом), с гистограммами показывающими распределение количества зерен по площади шлифа и их количества. Так, для образца № 1 (рис. 2, а) максимальное количество зерен (6 шт.), по площади шлифа, соответствует размеру 70-75 мкм, тогда как для образца № 2 (рис. 2, б) максимальное количество зерен (4 шт.) соответствует размеру 135-140 мкм.

На рис. 3 представлены шлифы материала ТС6 в состоянии поставки из плавки материала № 2 (отличной от материала, представленного на рис. 2). В плавке № 2 (рис. 3) по результатам исследования микроструктуры представлены гистограммы, на которых видно, что в этой плавке в образце № 1 (рис. 3, а) максимальное количество зерен (11 шт.) соответствует размеру 50-55 мкм, а для образца № 2 (рис. 3, б) максимальное количество зерен (12 шт.) соответствует размеру 55-60 мкм.

а)

б)

Рис. 2. Структуры и гистограммы распределения размера зерен в сплаве ТС6 плавки № 1 в состоянии поставки (пруток диаметром 8 мм)

Таблица 1

Размер зерен в различном состоянии сплава ТС6 плавок № 1 и № 2 (пруток диаметром 8 мм)

Состояние сплава Размер зерен, мкм Количество зерен, %, при размерах зерна, мкм

Плавка № 1 Плавка № 2 < 50 < 100 > 140

№ 1 № 2 № 1 № 2 № 1 № 2

Исходное состояние 17,7-139 28-217 = 20 14 80 65 - 12

28,5-152 26-198 30 60 61 1 11

Исходное + АТАО - 13-189 - 36 - 71 - 1

Анализ структуры сплава ТС6 и гистограмм (рис. 2 и 3) выявил различия как в предельных размерах зерен, так и в закономерностях распределения размеров зерен не только для разных плавок, но и в каждом прутке одной плавки (табл. 1). В плавке № 2 зерен размерами менее 50 мкм почти в 2 раза меньше,

чем в сплаве плавки № 1, а количество зерен, имеющих размеры более 140 мкм, достигает 11-12 %. В сплаве плавки № 1 зерна таких размеров отсутствуют. Установлено, что влияние микроструктуры исходного материала на качество конечного изделия велико, особенно для титановых сплавов ВТ23 и ТС6. Поэтому

а) №

б)

Рис. 3. Структура и гистограммы распределения размеров зерен в сплаве ТС6 плавки № 2 в сос-тоянии поставки (пруток диаметром 8 мм)

на предприятиях-изготовителях необходим входной контроль показателей качества исходного материала не только на соответствие сертификату, но и для установления возможных отклонений по химическому составу, механическим характеристикам и наличию дефектов (рис. 4).

Условия производства и физические особенности титановых сплавов обусловливают некоторую нестабильность характеристик материала разных плавок, а в некоторых случаях и внутри плавки. Необходимость учета сложного поведения титанового сплава при различных режимах термомеханической обработки, сложного механизма формирования микроструктуры, степени ее стабильности требует создания универсальных средств управления показателями качества в виде математических моделей прогнозирования механических характери-

стик и других показателей работоспособности пружин. Адекватность этих моделей определяется не только математическим аппаратом и результатами экспериментального исследования, но и методикой их применения в процессе управления производством. Обоснование этой методики базируется на результатах комплекса исследований, включающего:

• визуальный и капиллярный контроль поверхности материала;

• применение ультразвукового метода проверки наличия внутренних дефектов;

• испытание образцов на растяжение и кручение;

• исследование микроструктуры сплава в исходном состоянии и на этапах технологической отработки.

Такой широкий спектр действий для оценки качества исходного материала необходим,

Рис. 4. Входной контроль исходного материала

поскольку у завода-изготовителя проката отсутствуют четкие критерии брака материала для пружин и способов его устранения при дальнейшей технологической обработке. Для оперативного определения состояния микроструктуры материала предлагается использовать испытание на растяжение с акустико-эмиссионным сопровождением [3]. В качестве одного из способов устранения отклонений микроструктуры и улучшения механических свойств целесообразно применять аэ-ротермоакустическую обработку материала. Акустическая эмиссия материала, находящегося под нагрузкой, есть результат динамической локальной перестройки его структуры.

Механические свойства сплава ТС6 обеих плавок представлены в табл. 2. На рис. 5 (см. обложку, с. 3) представлена совмещенная диаграмма испытания на растяжение образца из сплава ТС6 в исходном состоянии (плав-

ка № 1) с сопровождением АЭ. На графиках представлены зависимости изменения напряжения и сигналов АЭ в процессе растяжения образца. Сигналы АЭ, имеющие максимальные значения амплитуды, выделены цветом.

Плавка № 1 сплава ТС6 имеет механические характеристики, не соответствующие сертификату, показатели предела текучести и прочности ниже заявленных сертификатом, поэтому одним из способов изменения механических характеристик может служить метод аэротермоакустического воздействия на исходный материал. На рис. 6 представлены структура и гистограмма распределения размеров зерен в сплаве ТС6 плавки № 2 в состояниях поставки и после дополнительной аэротермоакустической обработки. При сопоставлении размеров зерен сплава в исходном состоянии и после АТАО (табл. 1) видно, что в плавке № 2 сплава ТС6 после АТАО количе-

Результаты механических испытаний на растяжение сплава ТС6

Таблица 2

№ образца

Состояние поставки

Механические характеристики

а0 2, н/мм2

ав, н/мм2

5, %

у, %

673

712

Исходное 1 (рис. 2)

696

809

789

845

20

21

22

36,9

42,1

39,8

Исходное 2 № 2 (рис. 3)

873

947

842

925

11

11,8

44

50

Исходное 2 и после АТАО (рис. 5)

958

994

955

962

11,7

12,2

58

43

1

9

3

1

2

1

9

№ 1 (91)/2016

45В

1Е ТАЛ Л О ОБ РА ВО Т К/

а)

б)

о, МПа 900 800 700 600 500 400 300 200 100

0

5

10

15

о

°0,2( - в Ч 2

о.

у 1 А- 1 = 6; ! дБ

/ Г

/ А А = р дБ

20

е, %

Ы, имп. о, МПа

90 900

80 800

70 700

60 600

50 500

40 400

30 300

20 200

10 100

0

ощ

\

о0 ,2 \

°пцг \ 2

\

А = 47 дБ

/

\ 1 У /

А

Ы, имп. 900

800

700

600

500

400

300

200

100

5

10

е, %

Рис. 5. Совмещенная диаграмма зависимостей «напряжение — путь инструмента», «число сигналов — время», «амплитуда сигналов — время» для образца сплава ТС6: а — в состоянии поставки (плавка № 1); б — после аэротермоакустической обработки

Рис. 6. Структура и гистограмма распределения размеров зерен сплава ТС6 плавки № 2 в состоянии поставки (пруток диаметром 8 мм) после аэротермоакустической обработки

ство зерен размерами менее 50 мкм увеличивается более чем в 2 раза, а зерен размерами более 140 мкм в сплаве не более 1 %. После АТАО механические характеристики соответствуют сертификату, повышение механических свойств сплава плавки № 2 (табл. 2) определяется измельчением зерен в процессе обработки.

Выводы

1. Усовершенствование структуры контроля качества исходного материала и готовой продукции с применением акустической эмиссии

позволи получить большую информацию о дефектности и прогнозировать релаксационную способность пружины.

2. Результаты экспериментального исследования механических испытаний образцов с акустико-эмиссионным сопровождением указывают на наличие зависимостей между параметрами акустической эмиссии и параметрами механических свойств и микроструктуры.

3. Аэротермоакустическая обработка однофазного титанового сплава ТС6 приводит к снятию остаточных напряжений и увеличению характеристик пластичности (5-15 %) благодаря измельчению структуры материала.

МЕТЛПП00 БРАЬОТКА

4. Метод акустической эмиссии фиксирует в исходном материале наличие остаточных напряжений, которые неблагоприятно влияют на механические характеристики и служат одной из причин зарождения микротрещин и снижения эксплуатационных свойств пружин из титановых сплавов [4].

Литература

1. Направления совершенствования технологий изготовления пружин ответственного назначения / Г. А. Да-

нилин, Е. Ю. Ремшев, Е. С. Воронина, М. Ю. Силаев // Металлообработка. 2014. № 3. С. 13-18.

2. Влияние содержания и форм присутствия примесей, неметаллических включений на металлургическое качество рессорно-пружинных сталей / А. И. Зайцев, А. Б. Степанов, Б. А. Сарычев [и др.] // Металлург. 2015. № 3. С. 40-48.

3. Апасов А. М. Исследование сигналов акустической эмиссии при статическом нагружении плоских образцов из высокопрочной стали // Изв. Том. политехн. ун-та. 2010. Т. 316, № 2.

4. Кузнецов В. П. Исследование упругих свойств титановых сплавов и разработка технологического процесса изготовления пружин из них: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1991.

[ЗДАТЕАЬСТВО

нЖШШКА

А. А. Скоромец, А. П. Скоромец, Т. А. Скоромец

ТОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА

Издательская и полиграфическая деятельность с 1938 года

Основная тематика: машиностроение приборостроение медицина

Издательство выпускает монографии, справочники, учебники,словари, альбомы и журналы в различных областях науки, технологии и техники

АО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА"»

191023, Санкт-Петербург, Инженерная ул., д. 6. Тел.: (812) 312-44-95,710-62-73, тел./факс (812) 312-57-68.

http//www.polytechnics.ru E-mail: [email protected], [email protected]