CC BY
19
ГГШГЛУРГКй
/ 1 (ЗП. 2006 -
АТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
The method of forecasting of the titanium alloys thermal strengthening efficiency, based on the comparison tests of the characteristics of the variable cross-section slugs is worked out.
л
В. H. ФЕДУЛОВ, БИТУ уда «1.74
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Большую роль при прогнозировании практических возможностей термического упрочнения изделий как из сталей [1, 2], так и титановых сплавов [3] играет правильный выбор способа исследования прокаливаемости. На примере изучения влияния температуры нагрева и условий охлаждения при высокотемпературной термической обработке на уровень и глубину упрочнения заготовок переменного сечения (толщиной от 20 до 160 мм) из сплава ВТ23 разработана и предложена методика определения эффективности термического упрочнения титановых сплавов, как для определения глубины закалки сталей, обладающих пониженной прокаливаемостыо: метод закалки усеченных конических образцов [2], внеся при этом некоторые изменения. Большинство заготовок, в том числе и из титановых сплавов, имеет форму, приближенную к паралле-
лепипеду. Исходя из этого, изменили форму заготовки с конической на треугольную в основании (рис. 1). Сохранился принцип переменного сечения и одновременно стало проще измерять твердость. Твердость сплава сравнивали в среднем сечении заготовки на расстоянии 5 мм от края, УА толщины и в середине. Для этого после проведения высокотемпературной термической обработки сфрезеровали половину заготовки и на оставшейся части измеряли твердость для состояния, отвечающего высокотемпературной термической обработке, и после проведения старения. Влияние температуры нагрева при проведении высокотемпературной термической обработки на способность сплава ВТ23 к упрочнению определяли нагревом при 700, 750, 800 и 850°С в течение 2 ч и охлаждением в воде. С целью оценки влияния закалочных сред на способность сплава ВТ23 к
A-f ^Ч/Ш \ \ Ч О
\
\
\
N
1. ЛИНИИ ЗАМЕРА ТВЕРДОСТИ ПО СЕЧЕНИЮ НА ГЛУБИНЕ 80 мм: I - 5 мм от края
11-1/4 толщины III - середина
2. УСТАНОВКА ТЕРМОПАР НА ГЛУБИНЕ 80 мм
В СЕЧЕНИЯХ:
25 мм - №1 (на расстоянии 12 мм от края) 50 мм - №2 (на расстоянии 10 мм от края) №3 (на расстоянии 25 мм от края) 100 мм - №4 (на расстоянии 10 мм от края) №5 (на расстоянии 25 мм от края) №6 (на расстоянии 50 мм от края) 160 мм - №7 (на расстоянии 10 мм от края) №8 (на расстоянии 40 мм от края) №9 (на расстоянии 80 мм от края)
Рис. 1. Схема общего вида заготовки переменного сечения для прогнозирования результатов термического упрочнения
заготовок из сплава ВТ23
г,г:ттгг:г: fr^fjj^fWM
- 1 (ЗЛ. 2006
/131
упрочнению две заготовки дополнительно нагревали при 850°С (2 ч), а затем охлаждали на спокойном воздухе или в масле. Наряду с исследованием изменений твердости и механических свойств подробно изучали процессы охлаждения заготовок при высокотемпературной термической обработке и изменение фазового состава и структуры сплава в результате проводимых манипуляций. Скорость охлаждения V определяли в интервале температур от начала интенсивного охлаждения до 450°С [4, 5].
При охлаждении с 700°С уже при толщине заготовки 50 мм наблюдали значительное различие в условиях охлаждения наружных слоев и середины: Д\*4,5 °С/с (рис. 2). При увеличении толщины заготовки до 100—160 мм скорости охлаждения наружных слоев и середины изменяются по-разному, поэтому разница в скоростях охлаждения возрастает до 0—5,4 °С/с за счет падения скорости охлаждения в середине до
160 мм на расстоянии 10 мм от поверхности 1^2,15°С/с, в середине \*=Ю,95°С/с, а А^1,2°С/с. При охлаждении с 850°С на воздухе скорость по сечению заготовки изменяется менее значительно: при толщине 160 мм на расстоянии 10 мм от поверхности \М),32°С/с, а Д\М),10°С/с (рис. 3, 4).
Таким образом, в процессе закалки крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 с 850°С в воде при толщине 50 мм и более наблюдается значительная неравномерность охлаждения по сечению. Понижение температуры нагрева под закалку до 700°С или уменьшение охлаждающей способности закалочной среды (масло или воздух) способствует уменьшению этой неравномерности, что обеспечивает более равномерное протекание фазовых превращений в сплаве ВТ23. При закалке круп-
.о
о
зг
cd
со §
О
о . о ♦
OL 2
О 2
* \\
\
А \
\ 1 "*»< >
\
Г4""— 1
-i- п !а—L-. Т
40 €0 80 ICO 120 НО 260
Толщина заготовки, мм
Рис. 2. Изменение скорости охлаждения наружных слоев (Д, °) и середины (А, •) заготовки в зависимости от толщины сечения при охлаждении с температуры 700°С •) и 800°С (а, в воде
v=l,0°C/c, хотя при этом снижается и скорость наружных слоев. Повышение температуры нагрева от 700 до 850°С при охлаждении в воде способствует более интенсивному охлаждению наружных слоев заготовки, что ведет к увеличению разницы в скоростях охлаждения наружных слоев и середины, например, при толщине 160 мм до Av=6,4°C/c. При охлаждении с 850°С в масле интенсивность охлаждения наружных слоев заготовки снижается в 2-3 раза, а средних — в 1,3—1,5 раза по сравнению с охлаждением в воде. Так, например, при толщине заготовки
О 20 40 60 80 100 120 140 1Ш
Толщина заготовки, мм
Рис. 3. Изменение скорости охлаждения наружных слоев а, о) и середины (•, А, ♦) заготовки в зависимости от толщины сечения при охлаждении с температуры 850°С в воде •), масле (а, а) и на воздухе (о, ♦)
___/ г
0< _,«
40
а Расстояние от середины, мм б
Рис. 4. Изменение скорости охлаждения в сечениях различной толщины 25 (7), 50 (2), 100 (3) и 160 (4) мм при охлаждении заготовок в различных средах: а -700°С (а) и 850°С (•), охлаждение в воде; б - 850°С, охлаждение в масле (°) и на
воздухе (X)
132,
:ттгб г гл^ггг^л г/ггггг?
СЭЛ, 2006 -
негабаритных заготовок сечением от 25 до 160 мм с 850°С в структуре сплава ВТ23 в зависимости от скорости охлаждения по-разному протекают процессы превращения высокотемпературной (3-фазы [6, 7]. Скорости охлаждения у>13,5°С/с позволяют реализовать бездиффузионный механизм Р-^ос"-превращения (твердость сплава ВТ23 после охлаждения НЯС=30,5—31,0). При понижении скорости охлаждения с 13,5 до 3,0°С/с происходит распад высокотемпературной р-фазы по промежуточному механизму. Структура сплава ВТ23 в данном случае после охлаждения состоит из ос"-, а(первичной)-, а(вторичной)- и р-фаз. Чем ближе скорость охлаждения к значению у=3,0°С/с, тем меньше в структуре сплава ВТ23 сохраняется ос"-фазы и тем больше образуется вторичной ос-фазы, за счет чего сильно увеличивается твердость сплава после охлаждения (Н11Сэ=45). При охлаждении со скоростями у=3,0°С/с ос"-фаза в структуре сплава ВТ23 после охлаждения не сохраняется. Окончательными продуктами распада высокотемпературной р-фазы являются вторичная а-фаза и метастабильная р-фаза. Однако форма частиц вторичной ос-фазы, полученной в структуре сплава при охлаждении со скоростью у=0,35— 3,0°С/с, и высокая твердость сплава (Н11Сэ=37— 45) позволили предположить, что в данном случае вторичная ос-фаза образовалась по схеме:
МРобог+Робед^Рнср +а/,обед.-*Р+авх- И ЛИШЬ ПРИ СКО" рости охлаждения у<0,35°С/с, видимо, начинает
доминировать диффузионный механизм распада
высокотемпературной р-фазы (НЯСэ<36).
После закалки с температуры 700~800°С в воде структура сплава ВТ23 в любом сечении заготовок состояла только из ос- и р-фаз (НКСэ=34—35), а разница в скорости охлаждения влияла лишь на количество и метастабильность рм-фазы и эффект упрочнения после старения.
По сечению крупногабаритных заготовок толщиной 160 мм после охлаждения с температуры 850°С в воде из-за неравномерности охлаждения наблюдали значительную неоднородность структуры и фазового состава сплава ВТ23: на расстоянии 10 мм от поверхности (у=7,5°С/с) структура состояла из ос"-фазы (около 35%), рм-фазы (около 20%) и ос-фазы (твердость сплава НКСэ=34), а в середине (у=1,1°С/с) - только из Рм-фазы (около 40%) и ос-фазы (твердость сплава НЯСэ=39—40). При снижении температуры нагрева до 800°С после охлаждения в воде структура сплава в наружных слоях (у~7,05°С/с) заготовки толщиной 160 мм состояла из рм-фазы (около 58%) и ос-фазы (твердость сплава НЯСэ=34,5), а в середине (у=1,05°С/с) обнаружено около 45% рм-фазы (твердость сплава Н11Сэ=35); после охлаждения с температуры 700°С в воде в наружных слоях (у=6,0°С/с) было около 45% рм-фазы (твердость сплава Н11Сэ=34,5—35), а в середине (\Ы,03°С/с) - около 40% рм-фазы (твердость сплава Н11Сэ=35).
После охлаждения с 850°С в масле у заготовки толщиной 160 мм лишь в приповерхностном слое в структуре сплава ВТ23 была обнаружена ос"-фаза, а на расстоянии 10 мм от поверхности (у~2,15°С/с) структура состояла из рм-фазы (около 45%) и ос-фазы (твердость сплава НЯСэ=43), в середине заготовки (у~0,95°С/с) количество Рм-фазы составляло 35-37% (НЯСэ=39). При охлаждении с 850°С на воздухе в заготовке толщиной 160 мм формируется достаточно однородная структура сплава ВТ23: в наружных слоях (у==0,32°С/с) обнаружено около 40% рм-фазы (НЛСэ=36), а в середине (у~0,22°С/с) - около 35% (НЯСэ=36).
При упрочнении крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 влияние на разброс твердости по сечению оказывает не только различие в скоростях охлаждения разных зон при высокотемпературной обработке, но и фактические значения скоростей охлаждения этих зон. Если скорость охлаждения с 750~850°С по сечению заготовки будет изменяться от 3 до 9°С/с, то разница по твердости сплава ВТ23 после старения, например при 450°С (8 ч), не будет превышать ДН11Сэ=2. Но стоит лишь в середине заготовки скорости охлаждения снизиться до значения у=2°С/с, а у наружных слоев будет у=3°С/с, как эта разница возрастает вплоть до АНЯСэ=3,5 (рис. 5).
Следовательно (рис. 6), при закалке по известным способам (охлаждение в воде или масле) для обеспечения высокой прокаливаемости необходимо обеспечить скорость охлаждения у=3°С/с во всех зонах крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23. При охлаждении в воде и масле такие условия охлаждения выполняются только при толщине заготовки не более 60—80 мм. Снижение перепада в скоростях охлаждения в области у=3°С/с с целью уменьшения разброса твердости можно обеспечить лишь, например, при охлаждении крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 на воздухе, а достичь однородности структуры и фазового состава крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 при закалке в воде можно только при снижении температуры нагрева до 700°С. В обоих случаях выигрыш в снижении разброса по твердости сплава ведет к значительному проигрышу в его прочности [8, 9].
Исследования способности к термическому упрочнению титановых сплавов по значениям твердости следует проводить, используя заготовку переменного в основании сечения толщиной от 20 до 160 мм, при вполне конкретном режиме термической обработки: нагрев до температуры на 120°С ниже температуры полиморфного превращения, выдержка 120 мин, охлаждения в воде (ванна объемом 2 м3, обмен воды — два объема в час, исходная температура воды +15°С), старение при температуре на 470°С ниже температуры полиморфного превращения в течение 8 ч. Основное
ггттгпгг п^ш^ггта /iqq
Jiii—---1 (37), 2006/ IWU
о о:
IE jD
§ 35
cl
CL cd CÜ
32
mi
>ш'
94 1 1 1 1—< I | оЦ-Ш I1
о—О ill'
•A
О — —*0 — АО U-lil 4---------"'J
----1'
¥
II
°III
'—.1
100
д
140 160
+
r
¥ • AO
t
'и1
**1МП
zo
60
Толщина сечения, мм
100
е
140 160
Рис. 5. Изменение твердости сплава ВТ23 по сечению заготовки (• - 5 мм от края; * - 1/4 толщины сечения; ° - середина сечения) после охлаждения (/, II, III) с температуры 850°С на воздухе (а), 700 (б), 750 (в), 800 (г), 850°С (а) в воде и 850°С в масле (е), то же после дополнительного старения при температуре 450°С в течение 8 ч (/, //, III)
предназначение этой методики — прогнозирование и сравнение возможностей термического упрочнения титановых сплавов, как это было показано на примере (ос+р)-титанового сплава ВТ23. Одновременно установлены возможности терми-
ческого упрочнения сплава ВТ23 в сечениях 20160 мм при высокотемпературной обработке с использованием нагрева при температуре 700-850°С и охлаждении на воздухе, в масле и воде и последующем старении при 450°С в течение 8 ч:
в
Ш/г гстггп г гстпмггтггг:
I 1 (ЗЛ. 2006 -
50
48 46
еГ
о: и и х 44
л
142
ф ш
"40 38 36
О
8 10 12 14
°С/с
Рис. 6. Зависимость твердости упрочненного сплава ВТ23 (старение при температуре 450°С в течение 8 ч) от скорости охлаждения заготовок при закалке с температуры 700—850°С
печивающих безопасную работу детали. Предлагаемое понятие прокаливаемос-ти для упрочняемых титановых сплавов поможет произвести общую оценку поведения конкретного сплава при определенной упрочняющей термической обработке: на какие уровни сплав может упрочняться в ряду сечений определенных толщин (например, от 20 до 160 мм) и одновременно сравнить возможности сплавов между собой: лучше этот сплав или хуже другого упрочняется в равных по толщине сечениях и одинаковых условиях термической обработки и насколько. Для более полной оценки возможностей предложено использовать график примерного перевода значений твердости в значения временного сопротивления разрыву (рис. 7).
повышение температуры нагрева под закалку от 700 до 850°С, равно как и повышение интенсивности охлаждения (от охлаждения на воздухе до охлаждения в масле и в воде) с 850°С, сопровождается соответствующим и вполне определенным ростом твердости сплава после старения. Дана оценка однородности упрочнения сплава ВТ23 в сечениях 25—160 мм при указанных режимах термического упрочнения: твердость сплава после старения вполне закономерно понижается как при увеличении толщины сечения заготовки (по сравнению с более тонкими сечениями) и в наружных слоях и середине, так и в сечении любой толщины (от 20 до 160 мм) при удалении от поверхности к середине: различия в охлаждении при закалке.
Устанавливать какие-либо количественные критерии оценки прокаливаемое™ весьма затруднительно. Под прокаливаемостью титановых сплавов следует понимать способность к однородному термическому упрочнению на определенный уровень в больших сечениях и вести речь лишь о достаточно достоверной оценке способности конкретного сплава к термическому упрочнению на определенный уровень в сечении определенной толщины (или ряда толщин, но тогда и ряд уровней прочности) при вполне конкретном режиме термической обработки. Для более точной оценки поведения конкретного полуфабриката в реальной практике следует исходить из тех соображений, что при достижении нужного уровня прочности в середине его сечения можно допустить в наружных слоях лишь тот (более высокий по сравнению с серединой) уровень упрочнения, который позволяет сплаву, имеющему в данном случае определенную структуру, сохранить заранее установленные значения других характеристик (5, \|/, КСи, КСТ, К1С, малоцикловая усталость), обес-
о сс х
-о
б о
а
ф со I—
60 48
46
44 42
40
38 36
34
/
/ •
л »
у
-/
/
1000
1200
1400
1600
ай, МПа
Рис. 7. Примерное соотношение усредненных значений временного сопротивления разрыву и твердости образцов плит из сплава ВТ23, термически упрочненных по различным схемам
Выводы
1. Проведены систематические исследования влияния исходной структуры, толщины, температуры нагрева в верхней части (а+р)-области и типа охлаждающей среды на распределение скоростей охлаждения и формирование структурно-фазового состояния и свойств по сечению заготовок из (а+Р)-титанового сплава ВТ23.
2. Определены закономерности влияния исходной структуры, температуры нагрева в (а+р)-области и условий охлаждения при закалке на эффективность и однородность упрочнения по сечению заготовок из сплава ВТ23 толщиной от 20 до 160 мм в результате последующего старения. Разработана, таким образом, методика прогнозиро-
вания эффективности термического упрочнения титановых сплавов, базирующаяся на сравнительных испытаниях свойств заготовок переменного в основании сечения при конкретных и равнозначных условиях термической обработки.
Литература
1. Меськин B.C. Основы легирования стали. М.: Ме-таллургиздат, 1959. С. 141-156.
2. JominyW.E.,Boegehold A.L.Trans. Am. Metals. 1928. Vol. 26. P. 574.
3. Федулов B.H., Хоре в А.И. О прокаливаемости крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 // Технология легких сплавов. 1989. Вып. 8. С. 64-70.
4. Федулов В.Н., Хорев А.И., Ильин A.A. и др. Влияние температуры нагрева и типа охлаждающей среды на скорость охлаждения и формирования фазового состава крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 различной толщины //Авиационная промышленность. 1988. №8. С. 54—56.
гг:тт:0 г КЪШЛГГГГГг / 1QK
- 1 (37). 2006 / IU U
5. Хорев А.И., Федулов В.Н. Влияние температуры нагрева и типа охлаждающей среды на условия охлаждения крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 // Технология легких сплавов. 1988. Вып. 11. С. 51—58.
6. Федулов В.Н., Хорев А.И., Ильин A.A. и др. Влияние условий охлаждения с 850°С на формирование структуры и фазового состава сплава ВТ23 // Технология легких сплавов. 1989. Вып. 2. С. 71—75.
7. Федулов В.Н. Об условиях образования вторичных фаз в сплаве титана ВТ23 при непрерывном охлаждении от температуры верхней части (a+ß)-области // Авиационная промышленность. 1994. № 3-4. С. 40-43.
8. Федулов В.Н., Хорев А.И., Попов A.A. Влияние интенсивности охлаждения с температуры 850°С на выбор режимов последующего старения изделий из сплава ВТ23 //Технология: Оборудование, материалы, процессы. 1988. №4. С. 21-25.
9. Федулов В.Н. Термическое упрочнение заготовок переменного сечения из плит сплава ВТ23 на различные уровни прочности // Авиационная промышленность. 1990. №6. С. 56-58.
■ ■■■ ваш шшш ■■ ■■■ шшт яшт шш ятя ятя wem яшш яят шшт ят шяш яшт шшш шт шшш шт wem шшш шшш шшш
РЕСПУБЛИКАНСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ БИБЛИОТЕКА — один из крупнейших информационных центров Беларуси предлагает специалистам ознакомиться с новыми патентами и полезными моделями по литью и металлургии.
ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ 1791 РБ, МПК7 G 01N 3/00. ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЯ
Патентообладатели: Республиканское унитарное предприятие «Белорусский металлургический завод»; Белорусский национальный технический университет; Государственное научное учреждение «Институт тепло- и массообмена им. А.ВЛыкова» HAH Беларуси.
Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к образцам для определения адгезионных свойств покрытий к подложке, преимущественно для определения адгезионных свойств латунного покрытия к металлической кордовой нити. Задачей полезной модели является повышение точности испытания и повышение производительности. Поставленная задача достигается тем, что в образце для определения адгезионных свойств покрытия, включающем металлическую подложку и размещенное на ней покрытие, согласно полезной модели, подложка выполнена в виде однорядной пружины растяжения с внешней гладкой цилиндрической поверхностью.
ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ 1801 РБ, МПК7 В 21В 1/02. ЧИСТОВАЯ КЛЕТЬ ПРОКАТНОГО СТАНА
Патентообладатели: Республиканское унитарное предприятие «Белорусский металлургический завод»; Белорусский национальный технический университет; Государственное научное учреждение «Институт тепло- и массообмена им. A.B. Лыкова» HAH Беларуси.
Полезная модель относится к прокатному производству, а именно к конструкциям устройств для производства арматуры с винтовым профилем, и может быть использована на сортовых прокатных станах, использующих технологию многоручьевой прокатки-волочения.
В основу полезной модели положена задача расширения технологических возможностей чистовой клети для получения арматуры заданного винтового трапециевидного, прямоугольного и т.д. профиля с заданным модулем резьбы на стандартном прокатном оборудовании без применения специального редуктора-синхронизатора. Поставленная задача состоит в разработке устройства многоручьевой прокатки сортового проката — чистовой клети прокатного стана для производства арматуры с винтовым профилем, включающей привод, редуктор, шестеренную клеть с двумя ведущими телескопическими шлице -выми карданными валами, кинематически связанными с прокатными валками, в ручьях калибров которых нарезаны формообразующие канавки винтового профиля, согласно полезной модели, на одном из прокатных валков формообразующие канавки винтового профиля в ручьях расположены в виде системы параллельных строк, каждая строка из которых параллельна образующей бочки валка, а на другом прокатном валке каждая строка системы формообразующих канавок винтового профиля расположена на бочке валка по винтовой траектории. Использование полезной модели как «малого изобретения» повышает эффективность непрерывной прокатки и расширения технологических возможностей чистовой клети для получения арматуры заданного винтового профиля с заданным модулем резьбы на стандартном прокатном оборудовании без применения специального редуктора синхронизатора. Реализация чистовой клети в условиях непрерывных сортовых станов 320/150 Белорусского металлургического завода наряду с указанными выше преимуществами позволяет полнее использовать основное технологическое оборудование стана, обеспечивая загрузку сортовой линии.
Документы не продаются!
Ознакомиться с предложенными изданиями можно в читальном зале патентных документов Республиканской научно-технической библиотеки (к. 503). Библиотека также оказывает дополнительные услуги по копированию и сканированию фрагментов документов, записи на дискету, CD-ROM, флэш-карту и др. Более подробную информацию о режиме работы и услугах можно получить по адресу: 220004, г. Минск, проспект Победителей, 7, РНТБ, тел. 203-31-00, www.rlst.org.bv. e-mail: [email protected]
КСПРЕСС ИНФОРМАЦИЯ
