Способы повышения релаксационной стойкости пружин из титановых сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.983.777

Способы повышения релаксационной стойкости пружин из титановых сплавов

Е. Ю. Ремшев, С. А. Яковлев, В. В. Кузнецов, М. Ю. Силаев

Исследованы способы повышения релаксационной стойкости тарельчатых пружин из титанового сплава, позволяющие улучшить стабильность работы пружин при условно-статических и циклических режимах эксплуатации. Показана возможность применения комбинированных способов повышения эксплуатационных характеристик упругих элементов на стадии подготовки изделия к эксплуатации.

Ключевые слова: тарельчатая пружина, циклические испытания, титановый сплав, фторорганическая композиция, релаксационная стойкость.

Введение

В отечественной и зарубежной промышленности выпускается широкая номенклатура пружин [1]. К пружинам предъявляется требование по обеспечению заданных эксплуатационных свойств в установленных пределах в течение определенного времени. Основными эксплуатационными свойствами пружин являются релаксационная стойкость и высокие упругие характеристики. Не допускается наличие дефектов в материале пружин, так как это может привести к их разрушению в процессе эксплуатации. Для повышения эксплуатационных свойств тарельчатых пружин (ТП) применяют комбинированную штамповку [2], эластичную оснастку при штамповке [3]. Микроструктура титановых сплавов и ТП исследуются как в России [4-6], так и за рубежом [7-9]. Для повышения надежности эксплуатации ТП из различных материалов актуально исследовать применение различных методов, например аэротермоакустической обработки (АТАО), фторорганической композиции, для применения их в технологии изготовления пружин из различных материалов [10]. Эти способы позволят без значительных затрат корректировать физико-механические и эксплуатационные свойства готовых изделий.

Надежность эксплуатации тарельчатых пружин обусловливается физико-механическими характеристиками каждой пружины, формирующимися в процессе технологии изготовления, а также особенностью функционирования пакета собранных пружин, где значительное влияние на эксплуатационные свойства оказывает трение. В БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова проводятся исследования по оценке влияния фторорганической композиции в различных узлах машиностроения для повышения их служебных свойств. Авторы оценивали влияние фторорганической композиции на работу пакета тарельчатых пружин. Для этого плоские образцы и готовые тарельчатые пружины обрабатывали фторор-ганической композицией, проводили растяжение образцов из сплава ВТ23 и оценивали изменение механических характеристик, обработанные тарельчатые пружины собирали в пакет и подвергали циклической нагрузке с заданным количеством циклов, оценивали изменение релаксационной стойкости.

Материалы и методы исследования

Многократные знакопеременные нагрузки в процессе эксплуатации, агрессивная среда эксплуатации, необходимость обеспечения

ШШШМБОТКА

Р

А Ь_\ ~ТТ Б Ф

и \ я3

\ Р а

Ь лг" 1

/

Рис. 1. Тарельчатые пружины из титанового сплава: — наружный диаметр пружины; ^ — внутренний диаметр пружины; t — толщина стенки пружины; ^ — толщина пружины с опорной плоскостью; эз — максимальная деформация; 10 — высота пружины; а — угол между поверхностью А и осью симметрии детали; Р — угол между поверхностью Б и осью симметрии детали

заданной релаксационной стоикости в течение всего срока службы пружин предъявляют высокие требования к материалам для их изготовления. Рессорно-пружинная сталь не всегда удовлетворяет требованию заказчика по ограничению массы изделия и не обеспечивает эксплуатационные свойства ТП для работы в агрессивной среде, при длительном сроке эксплуатации, а также в условиях фрикционного (трение) и кавитационного воздействий. В связи с этим перспективно использовать для изготовления пружин титановые сплавы ВТ23, ВТ16 и ТС6.

Исследованы образцы ТП, изготовленных из титанового сплава ВТ23 (рис. 1).

Особенностью технологического процесса изготовления ТП из титанового сплава ВТ23 являются операции закалки (850 °С) и старения ТП в напряженном (поджатом) состоянии при температуре 550 °С в течение 10 ч (в некоторых случаях старение проводят в два этапа), а также дополнительные контрольные операции [4, 9]. Деформационно-силовые параметры изготовленных ТП контролируют на испытательной машине путем нагружения ТП и регистрации силы сжатия в зависимости от деформации при прямом и обратном ходах траверсы. Отклонения расчетной силы или деформации от полученных в результате испытаний не должно превышать 5 %. Стабильность характеристик ТП предопределяет состояние микроструктуры материала (титанового сплава ВТ23).

Из данных табл. 1 следует, что сплав ВТ23 обладает очень высоким уровнем прочностных

характеристик при удовлетворительной пластичности. Благодаря своим свойствам сплав применяется для изготовления тяжело нагруженных деталей и узлов конструкций, особенно в условиях фрикционного и кавитаци-онного воздействий, в частности в аэрокосмической технике.

Исследована микроструктура ТП в исходном состоянии и по завершении технологического процесса. Микроструктуру образцов сплава исследовали с помощью оптического микроскопа Ке1сЬегиип§ МеЕ3А при увеличениях Х200 и х500). Травление образцов осуществляли в 10%-ном водном растворе плавиковой кислоты (НЕ). Основным эксплуатационным свойством ТП является релаксационная стойкость. Релаксация силы сжатия вычисляется по формуле

Я = 1 -

100%,

(1)

где Рн — сила сжатия, измеряемая при деформации я после операции заневоливания (заключительная операция технологического процесса изготовления тарельчатых пружин); Рк — сила сжатия, измеряемая при деформации я после установленного числа циклов нагружения (в интервале от 20 до 80 % сжатия пружины).

Способами повышения надежности эксплуатации ТП являются термические и термомеханические операции технологического процесса, которые формируют оптимальные физико-механические свойства. Однако отклонения физико-механических характеристик по завершении технологического процесса могут превышать допускаемые отклонения в 5 %. Оценку релаксационной стойкости пружин проводили с помощью циклических нагрузок. Циклическое нагружение пружин проведено специальным стендом на базе кривошипного пресса К2130 (максимальная сила

Таблица 1

Механические свойства сплава ВТ23 по различным ТУ

Состояние материала (лист) ств, МПа 8, % Твердость НВ, МПа

Отжиг 1100-1200 10-13 2550-2700

Закалка + старение 1450-1600 4-6 3000-4200

В

.и,

РАБОТКА

а)

б)

Рис. 2. Циклическое нагружение тарельчатых пружин: а — пакет ТП в стенде циклических испытаний; б —измерение силовой диаграммы пружины в процессе испытания

1000 кН) (рис. 2, а), силу сжатия измеряли на испытательной машине Shimadzu АОХ-ЮОкН (рис. 2, б).

По завершении испытаний построены релаксационные кривые пружин, изготовленных по классическому технологическому процессу и обработанных специальным покрытием (фторорганической композицией) (см. рис. 7). Механика взаимодействия фторорганической композиции с поверхностью твердого тела выглядит следующим образом. После нанесения фтор-ПАВ на поверхности тела формируется слой ориентированных молекул, радикально меняющих энергетические характеристики поверхности. Молекулы, закрепляемые за счет сил хемосорбции, образуют структуры Ленгмюра в виде спиралей с нормально ориентированными осями к поверхности материала детали (рис. 3).

Рис. 3. Структуры Ленгмюра из слоев фтор-ПАВ на твердой поверхности

Результаты исследования

Испытания титановых образцов на растяжение. Нанесение поверхностно-активных веществ на поверхность поликристалла приводит к понижению прочности. Это происходит в связи с облегчением выхода дислокации на поверхность деформационного кристалла, потому что снижается поверхностная энергия твердого тела при адсорбции ПАВ. Однако в ряде случаев при обработке кристаллов поверхностно-активными веществами на базе фторсодержащих олигомеров наблюдается эффект увеличения микротвердости и пластичности металлов. Нанесение фторсодержащих олигомеров приводит к увеличению значений микротвердости. Это объясняется процессом хемосорбции полярных молекул на поверхности, в результате чего происходит залечивание микродефектов в поверхностных слоях поликристаллов, увеличивается свободная энергия поверхностных слоев металла, а следовательно, затрудняется выход дислокации на поверхность (рис. 4).

В работе запланированы испытания на растяжение образцов из титанового сплава, используемого для изготовления пружин. Были изготовлены образцы в соответствии с нормативной документацией, которые подверглись растяжению. Испытания проводили

Н, кг/мм2 220

210

Таблица 2

200

190

180

290

340

390

440

490

Т, К

Рис. 4. Зависимость микротвердости стали 45, обработанной фторсодержащими олигомерами, от режима термообработки:

1 — сталь 45 (исходная); 2 — сталь 45 + фторпав № 1; 3 — сталь 45 + фторпав № 2; 4 — сталь 45 + фторпав № 3

на испытательной машине Shimadzu серии АО-Х. Результаты испытания на растяжение представлены на рис. 5. В табл. 2 приведены механические характеристики, полученные в результате испытания. В таблице приняты следующие обозначения: а0,2 — предел текучести; ав — предел прочности; у — относительное сужение; 8 — относительное удлинение.

Микроструктура ТП. Микроструктура образцов сплава ВТ23 в состоянии поставки представляет собой (а + Р)-структуру «корзи-

а)

а, МПа

:а„= 934: 932

900 800 700 600 500 400 300 200 100

: в

0

'0,2

948

В-В-

4

Дк = 2,65 ДЬп = 2,81

Д1, мм

Механические характеристики сплава ВТ23

Образец а0,2, МПа ав, МПа у, % 8, %

В исходном состоянии 548 934 5,14 5,62

С химическим покрытием 703 934 7,0 7,84

ночного плетения», типичную для отожженных (а + Р)-сплавов (рис. 6). Механические свойства исследованного сплава ВТ23 в состоянии поставки приведены в табл. 2.

Микроструктура образцов сплава ВТ23 в состоянии поставки представляет собой (а + Р)-структуру «корзиночного плетения», типичную для отожженных (а + Р)-сплавов (рис. 6, а). После закалки от температуры 850 °С в структуре сплава также присутствуют мартенситная а"-фаза, метастабильная Рм-фаза и остаточная первичная а-фаза, однако структура становится практически полностью равномерной: а-фаза приобретает глобулярную форму одинаковой дисперсности (рис. 6, б). Однородность структуры в этом случае объясняется более полным растворением а-фазы и более высоким насыщением Р-твердого раствора Р-стабилизаторами при нагреве сплава ВТ23 до температуры 850 °С. После закалки от 850 °С и старения при 550 °С сплав имеет более благоприятную однородную (а + Р)-структуру глобулярного типа (рис. 6, в). При температуре закалки 850 °С происходят более полное раство-

б)

а, МПа

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

ар = 912

а0,2 = 703

ш

Д^0,2 = 0,10

35 Д1в = 3,12 Д1р = 3,92

Д1, мм

Рис. 5. Зависимости силы растяжения от деформации: а — образцы из титана ВТ23 в исходном состоянии; б — с покрытием

ав = 934

1

1

2

1

2

Рис. 6. Микроструктура листа t = 10 мм из сплава ВТ23 в состоянии поставки (отжиг 750 °С, 25 мин, воздух), х500

рение первичной а-фазы, насыщение Р-фазы Р-стабилизаторами, выравнивание по химическому составу, что обеспечивает формирование при старении более однородной глобулярной (а + Р)-структуры.

В процессе реализации технологии в производственных условиях некоторые отклонения режимов термической и термомеханической обработки в совокупности с колебаниями физико-механических характеристик исходного материала могут приводить к формированию неблагоприятной микроструктуры сплава ко-

нечного изделия, что напрямую влияет на основной показатель надежности пружин, релаксационную стойкость.

В структуре сплава присутствуют небольшое количество первичной а-фазы, переохлажденная Рм-фаза и мартенсит без признаков диффузионного распада. Все эти факторы неблагоприятно влияют на эксплуатационные свойства изделий.

Релаксационная стойкость. Экспериментальные образцы тарельчатых пружин подвергались циклическим нагрузкам, а после

a)

я и Я а с

К

а л

1000 2000 Количество нагружений N

3000

б)

я и Я а с

к

а л е

рц

1000 2000 Количество нагружений N

3000

в)

ВЧ 3

я и

я

а2 с2

к

а л е

ъ 1

г)

1000 2000 Количество нагружений N

3000

я и Я а с

К

а л е

рц

1000 2000 Количество нагружений N

3000

Рис. 7. Релаксационные кривые ТП с неблагоприятной микроструктурой (а, в), с неблагоприятной микроструктурой, покрытой фторорганической композицией (б, г)

5

4

3

2

1

0

0

4

0

циклических испытаний проведены микроструктурные исследования пружин с различными показателями релаксационной стойкости. После пружины с наихудшими показателями релаксационной стойкости подвергались обработке фторорганической композицией для исследования влияния этого состава на релаксационную стойкость. После испытаний построены релаксационные кривые пружин, изготовленных по классическому технологическому процессу и обработанных специальным покрытием (фторорганическая композиция). Характерные релаксационные кривые для исследуемых групп ТП представлены на рис. 7.

Исследовали пружины при различных циклических нагрузках в интервале нагружения (0,2-0,8)8з, при исследовании релаксация И не превысила 5 % у всех пружин. При обработке ТП фторорганической композицией снижение релаксации при нагрузке 0,2вз составило 10 %, тогда как при 0,8 вз снижение релаксации в некоторых случаях может достигать 50 %. Результаты экспериментального исследования пружин подтвердили предполо-

жение о том, что обработанные фтороргани-ческой композицией пружины более стабильны по сравнению с пружинами без обработки, повышается их релаксационная стойкость, а значит, повышается надежность ТП при эксплуатации. Целесообразно исследовать применение этого покрытия на различных этапах технологического процесса, при обработке исходного материала, а также перед операциями обработки металлов давлением.

Обсуждение результатов

Для корректирования физико-механических характеристик готовых изделий из титановых сплавов актуально иметь способы, позволяющие без значительных временных и материальных затрат получать требуемый комплекс эксплуатационных свойств. Одним из таких способов является покрытие готовых пружин фторорганической композицией. Титановые (а + Р)-сплавы упрочняются закалкой и последующим старением, в процессе

ТП № 2

Рис. 8. Микроструктура ТП: а — первичная а-фаза; б — вторичная а-фаза;

а1, а2 — ширина пластинок первичной а-фазы; 61, 62 — длина пластинок первичной а-фазы; ¿1, ¿2 — диаметр глобулей вторичной а-фазы; ¿1, ¿2 — характеристика размера Ь-фазы

которого выделяются дисперсные фазы. Для обеспечения высокого сопротивления малым пластическим деформациям необходимо обеспечить высокую плотность и равномерное распределение дислокаций, высокую степень их закрепления, чтобы затормозить начальную стадию пластической деформации по любому из возможных ее механизмов. Указанное структурное состояние может быть достигнуто разными механизмами упрочнения. Рост сопротивления малым пластическим деформациям связан с изменением субструктуры матрицы и блокирующим действием частиц (областей) избыточной фазы.

Основной причиной низкой релаксационной стойкости ТП из титановых сплавов является неблагоприятная микроструктура. На рис. 8 представлена микроструктура полученных ТП в ходе экспериментального исследования. Так, для пружины ТП № 1 при циклических испытаниях зафиксирован уровень релаксации Я = 0,15 %, тогда как для ТП № 2 Б = 2,43 %.

Сравнение пружин показывает, что расположение включений первичной а-фазы — более дисперсное и равноориентированное у ТП № 1, размеры вторичной а-фазы меньше. Предположительно укрупнение фаз на операции старения у ТП № 1 происходило менее интенсивно, нежели у ТП № 2, в которой также наблюдается дисперсная а-фаза, но более крупного размера. Следовательно, в условиях заторможенной диффузии и большого числа мест зарождения вторичной а-фазы ее частицы выделяются по промежуточному механизму и являются наиболее дисперсными. В некоторых случаях происходит укрупнение а-фазы, т. е. степень коагулированно-сти вторичной а-фазы выше. Продукты распада в этом случае выделяются, как правило, по дислокациям и дефектам кристаллической упаковки, возникающих на ее границе при образовании каждой предыдущей частицы а-фазы, что приводит к значительному росту внутренних напряжений. У ТП № 2 наблюдается значительная неравномерность по плоскости шлифа. Все перечисленные недостатки микроструктуры оказывают влияние на релаксационную стойкость ТП. Особенность работы пружин в сборке дает основание предположить о влиянии трения на комплексный

показатель релаксационной стойкости. В ходе исследования пружины с низкими показателями релаксационной стойкости были покрыты фторорганической композицией. Высокая энергия молекулярной связи (448 кДж/моль) и защитный «экран» из атомов фтора, изолирующий альфированный слой от внешних воздействий, характеризуют высокую термическую и химическую стойкость, а также чрезвычайно низкую когезию фторорганиче-ских композиций. Молекулы фторорганиче-ских композиций покрывают всю доступную поверхность адсорбционной пленкой, проникают в микротрещины, микропоры, мельчайшие раковины.

Положительное влияние фторорганиче-ской композиции на свойства ТП при циклических нагрузках, по всей видимости, вызвано не только изменением поверхностных свойств каждой пружины в отдельности, но и снижением трения на контактирующих поверхностях, этот вывод подтверждает вид поверхностей ТП после циклических нагрузок, по которым видно, что износ незначителен.

Заключение

Показана возможность использования фтор-органической композиции, применяемой после полного цикла термической обработки, для улучшения релаксационной стойкости ТП из сплава ВТ23. Повышение остаточного ресурса изделий, работающих при высоких удельных нагрузках, а также с возрастающим коэффициентом трения в процессе работы, требует комплексного решения задачи повышения надежности механических характеристик пружины в отдельности и снижения коэффициента трения сопрягаемых поверхностей.

Литература

1. Данилин Г. А., Титов А. В., Ремшев Е. Ю. Оценка релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе метода акустической эмиссии // Деформация и разрушение материалов. М., 2012. № 3. С. 41-44.

2. Железков О. С., Михайлова У. В. Особенности штамповки тарельчатых пружин // Вестн. Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2007. № 4 (20). С. 59-60.

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

3. Зайдес С. А., Кургузов С. А., Михайлова У. В. Разработка штамповой оснастки для производства тарельчатых пружин с использованием эластичной матрицы // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2014. № 2 (41). С.52-55.

4. Белогур В. П., Трещевский А. Н., Конев С. Ю. Опыт применения титановых пружин при повышенных температурах // Бизнес-Гид. 2007. № 1. С. 3-4.

5. Хорев А. И. Разработка конструкционных титановых сплавов для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники // Сварочное производство. 2009. № 3.

6. Ivasishin O. M., Markovsky P. E., Matviychuk Yu. V., Semiatin S. L. A comparative study of the mechanical properties of high-strength titanium alloys // Journ. of Alloys and Compounds. 2008. Vol. 457. P. 296-309.

7. Kim J. H., Reddy N. S., Yeom J. T., Hong J. K. Microstructure prediction of two-phase titanium alloy

during hot forging using artificial neural networks and FE simulation // Journ. of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24, is. 4. P. 1771-1780.

8. Jia Z., Zeng W., Xu J., Zhou J., Wang X. Development of the Dynamic Globularization Prediction Model for Ti-17 Titanium Alloy Using Finite Element Method // Metallurgical and Materials Transactions A. 2015. Vol. 46, Is. 12. P. 5989-6002.

9. Yang K.V., Zhang K., Sun J., Yang X. Microstructure and Texture Evolution in Double-Cone Samples of Ti-6Al-4V Alloy with Colony Preform Microstructure / / Metallurgical & Materials Transactions. Pt A. 2015. Vol. 46, Is. 12. P. 5989-5995.

10. Михайлова У. В. Оптимизация конструктивных параметров тарельчатых пружин // Технология машиностроения. 2009. № 11. С. 32-33.

АО «Издательство „Политехника"» предлагает:

Свешников В. К. Станочные гидроприводы: справ. — 6-е изд., пере-раб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. ISBN 978-5-7325-1057-7

Цена: 550 руб.

Книга продается только в электронном виде!

Рассматривается информация, необходимая для проектирования и эксплуатации гидрооборудования. Приведены конструкции, параметры и размеры гидрооборудования главным образом стационарных машин, в том числе насосов, объемных гидродвигателей, гидроаппаратов, фильтров, аккумуляторов, теплообменников, приборов и сопутствующих элементов. Излагаются основы проектирования и расчета гидросистем, их монтажа и эксплуатации, тенденции развития гидрооборудования мировых лидеров, а также основополагающие отечественные стандарты и стандарты ИСО; приведены характеристики минеральных масел, размеры специальных резьб, путеводитель по интернету.

В 6-м издании (5-е изд. 2008 г.) существенно расширены сведения об импортной гидравлике, в том числе об инновационных изделиях, отсутствующих в отечественной номенклатуре. По каждому из компонентов приведены полные технические данные аналогов, выпускаемых зарубежными фирмами, признанными на российском рынке, включая основные параметры, габаритные и присоединительные размеры, расшифровки кодовых обозначений и особенности эксплуатации. Подробно описаны современные насосы и гидродвигатели, аппаратура ввертного монтажа, аппараты связи с электронными системами управления, приборы и др. Особое внимание уделено проблеме энергосбережения. В справочнике отражен современный мировой уровень развития промышленных гидроприводов.

Для инженеров-конструкторов, специалистов в области гидроприводов и обслуживающего персонала гидрооборудования стационарных машин и станков, преподавателей и студентов втузов.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 312-57-68, тел./факсу: (812) 312-44-95, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru