CC BY
91Качество в обработке материалов
universitetskogo kompleksa. // Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences], 2010, Т. 12, no 1-2, рр. 55-59.
22. Chukin M.V., Kolokolcev V.M., Gun G.S., Salganik V.M., Platov S.I. Nauchnaja dejatelnost gou vpo «mgtu» v uslovijah razvitija nanotehnologij. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of
Nosov Magnitogorsk State Technical University], 2008, no. 1, рр. 55-59.
23. Kolokolcev V.M. Pjat let ot attestacii do attestacii. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University], 2008, no. 1, рр. 5-11.
/---------------------------------------------------------------------------\
УДК 621.771
Гурьянов Г.Н., Смирнов С.В., Зуев Б.М.
ч______________________________________.____________________________________/
f У
ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ ДИСПЕРСИОННОТВЕРДЕЮЩЕГО СПЛАВА ЭП-543У НА ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРОВОЛОЧНЫХ ПРУЖИН
ч_____________________________________________J
Аннотация. Совмещение деформационного наклёпа при волочении с последующей термической обработкой сплава в проволочных пружинах из высокопрочного дисперсионно - твердеющего сплава ЭП - 543У (ХН40МДТЮ) обеспечивает высокую стабильность геометрических параметров пружин. Качество винтовых проволочных пружин сжатия после динамического старения выше, чем после статического старения.
Ключевые слова: проволока, волочение, пружины, методы упрочнения, деформация, термическая обработка, прочность, пластичность, качество.
Упругие элементы во многих случаях определяют надёжность и долговечность службы сложных и ответственных устройств, приборов и машин в целом. Поэтому для повышения качества указанных изделий при усложнении условий их эксплуатации необходимо обеспечить повышенные требования, предъявляемые к упругим элементам по точности их рабочих характеристик, по надёжности и долговечности их службы в разнообразных условиях - при коррозионном воздействии химически активных сред, при высоких напряжениях, при повышенных и сверхнизких температурах, при действии магнитных полей и т.п. [1].
Важным показателем качества упругих элементов является высокая прочность их материалов. Наиболее эффективный способ повышения свойств пружинных сплавов - сочетание различных методов упрочнения. Из комплексных методов упрочнения следует выделить термомеханическую обработку, которая совмещает, по крайней мере, два механизма упрочнения -
за счёт фазовых (или внутрифазовых) превращений и деформационного наклёпа. Эта обработка эффективна для пружинных сплавов всех классов: однофазных твердых растворов, дисперсионно-твердеющих или закалённых на мартенсит [1-3].
Цель работы: показать эффективность применения комплексных методов упрочнения дисперсионно-твердеющего сплава ЭП-543У (ХН40МДТЮ), используемого для изготовления винтовых проволочных пружин сжатия.
Высокопрочный коррозионно-
стойкий сплав на никелевой основе ЭП-543У разработан институтом ЦНИИЧМ [4, 5]. Сплав стойкий к коррозионному растрескиванию в растворах серной кислоты, в технологических растворах кислородных соединений хлора, в средах, содержащих сероводород и углекислый газ и имеет следующий химический состав в % по массе: С < 0,04; Si, Mn <0,80; Cr = 14,0 -17,0; Ni = 39,0 - 42,0; Ti = 2,5 - 3,2; Al = 0,7 - 1,2; Mo = 4,5 - 6,0; Cu = 2,7 - 3,3; S < 0,020; P < 0,035; Fe - остальное. Его ис-
№2 2014
Страница 52
Качество в обработке материалов
пользуют для изготовления скважинного оборудования, которое эксплуатируется на месторождениях нефти и газа, содержащих в своем составе сероводород (Оренбуржье, Средняя Азия).
Проволочные пружины в скважинном оборудовании находятся длительное время в сжатом состоянии при повышенных температурах (до 200 С). Поэтому в сплаве протекают процессы релаксации напряжений и ползучести. В результате пружины изменяют геометрические размеры и нагрузочные характеристики, что приводит к нарушению нормальной работы механизмов и устройств скважинного оборудования.
Потребитель пружин требует обеспечения не только их геометрических параметров (Н0, Н3, Di, Di, d, t и других размеров), но и нагрузочных характеристик (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма винтовой цилиндрической пружины, работающей на сжатие: Но - свободная высота пружины; Нц Н2, Н3 - высота пружины под нагрузками Р3, Р2, Р3; Н3 -высота при полном сжатии пружины; t -шаг пружины; s - зазор между крайними витками; D - наружный диаметр пружины; Di - внутренний диаметр пружины; Fi, F2, F3 - величина осадки пружины при нагрузке Pi, Р2, Р3 [2]
Например, в конструкторской документации Бакинского ОКБ Нефтемаш в комплексе КПГ скважинного оборудова-
ния на винтовую пружину сжатия (чертёж КСП 015) из проволоки диаметром 5,0 мм по ТУ 14-1-3528-83 оговариваются прочностные свойства сплава ЭП-543У, её размеры и значения нагрузок: Р1 = (2200 ± 10) Н; Р2 = (2850 ± 10) Н; Р3 = (3350 ± 10) Н. Такие высокие требования должен обеспечить производитель коррозионностойких пружин для скважинного оборудования -Бакинский машиностроительный завод им. Ф. Дзержинского. Изготовили проволоку из сплава ЭП-543У с различной степенью деформации. Волочению подвергали заго-
о
товку, закаленную в воде с 1050 С. Смазкой служил мыльный порошок с добавлением серы. Средняя степень деформации по сечению проволоки при волочении определяли по формуле [6]
n
Я = 2л/3Ln (d0 / d) + ^ tg(at),
7=1
где аi - полуугол рабочего конуса i - й волоки (для волочения использовали волоки с полууглом рабочего конуса 60).
На рис. 2 приведены зависимости временного сопротивления разрыву ob, предела текучести о0,2, относительного сужения у, числа гибов пг и скручиваний пскр до разрушения проволоки от степени деформации.
Рис. 2. Влияние степени деформации при холодном волочении на механические свойства проволоки из сплава ЭП-543У
№2 2014
Страница 53
Качество в обработке материалов
Прочностные свойства (оь, 00,2) проволоки интенсивно повышаются, а число скручиваний существенно снижается в первых двух проходах маршрута волочения. После 4 - 6 проходов волочения (X > 2) интенсивность упрочнения заметно снижается. Поэтому повышение прочности проволоки за счёт применения высоких степеней её деформации (X > 3, величина технологической степени деформации Q более 80 %) не даёт положительного эффекта по причине малой пластичности сплава и повышенной частоты обрывов проволоки на последних проходах.
При этом снижается технологичность навивки пружин. А высокая степень наклёпа сплава отрицательно влияет на его сопротивление протеканию процессов релаксации напряжений и ползучести.
Для установления характера влияния старения на механические свойства сплава
образцы проволоки подвергали выдержке в течение 0,5 - 8 часов при температурах
о о
200 - 800 С. На рис. 3 представлены результаты исследования относительного сужения у и временного сопротивления разрыву оь от режимов старения.
где
Рис. 3. Влияние степени деформации, температуры и продолжительности старения на относительное сужение (а - в) и временное сопротивление
о о
разрыву (г - е) проволоки из сплава ЭП - 543У: а, г - 450 С; б, д - 650 С;
о
в, е - 800 С; 1 - X = 1,27; 2 - X = 1,50; 3 - X = 1,50
Как видно, степень деформации существенно влияет на характер изменения механических свойств в процессе термической обработки. Увеличение степени деформации способствует усилению эффекта
старения. При старении холоднодеформированного сплава происходит упрочнение из-за выпадения в у - твердом растворе у' -фазы типа Ni3(Ti, Al) [1, 4]. Прирост прочностных свойств незначительный при тем-
№2 2014
Страница 54
Качество в обработке материалов
о ^___
пературе старения 450 С. При температуре
о
старения 650 С наблюдается более существенное повышение прочности с определённой потерей пластических свойств.
При высокой температуре 800°С наблюдается перестаривание сплава, которое приводит к одновременной потере прочностных и пластических свойств проволоки.
В работе [4] было установлено, что разупрочнение сплава начинается пример-
о
но с 700 С и с увеличением степени холод-
ной деформации проволоки температура максимального упрочнения сдвигается в область меньших температур.
При перестаривании сплава наблюдается существенное изменение структуры: выделения упрочняющей у' - фазы в у -твердом растворе объединяются в виде частиц неправильной формы (рис. 4, в), вследствие чего ухудшаются прочностные и пластические свойства сплава.
а
в
Рис. 4. Микроструктура холоднодеформированной проволоки из сплава ЭП - 543У: метод тонких фольг, х 15000; а - до старения;
е о
б - после старения при 600 С, 6 ч; в - после старения при 800 С, 6 ч
При более низких температурах отпуска (рис. 4, б), когда сплав находится в недостаренном состоянии, упрочняющая фаза мелкодисперсная и его структура существенно не отличается от структуры холоднодеформированной проволоки.
Для изготовления пружин использовали холоднотянутую проволоку диамет-
ром 1,01мм; 1,35мм; 1,50мм, протянутую из заготовки диаметром 2,0 мм. Средние величины (из пяти испытаний) показателей механических свойств проволоки приведены в табл. 1, где также дана величина технологической степени деформации Q.
Таблица 1
Механические свойства проволоки из сплава ЭП - 543У с различной степенью деформации
Диаметр, мм Величина деформации X (Q, % ) Временное сопротивление разрыву Сь (Н/мм2) Число гибов до разрушения Число скручиваний до разрушения
1,01 2,65 (75) 1550 7 3
1,35 1,50 (55) 1400 17 4
1,50 1,27 (45) 1320 13 5
Пружины навивали на токарном станке. При этом обеспечивали их геометрическое подобие. Они имели следующее соотношение размеров: Di = 15d; t = 6d (см. рис. 1). Средняя величина угла подъема ав витков составила 9 °. Высоту пружин Но выбирали из расчета получения 10-
ти полных витков. Крайние витки пружин перед испытанием подгибали так, чтобы концевые витки были перпендикулярны оси пружин.
Средняя величина усилия Р, необходимая для полного сжатия пружин из проволоки диаметром 1,01 мм составила 11,8
№2 2014
Страница 55
Качество в обработке материалов
H (n = 22; S2 = 0,01 - дисперсия), для пружин из проволоки 1,35 мм - 25,0 Н (n = 10; S2 = 0,04), а для пружин из проволоки 1,5 мм - 26,2 H (n = 13; S2 = 0,03).
Под действием приложенной осевой силы сжатия Р в сечении проволоки пружины возникает суммарное касательное напряжение [2]:
P • D 4 P
----- К ---
0,4d 3 7id 2
(1)
где d - диаметр проволоки, D0 - средний диаметр пружины.
Определили напряжение в сечении проволоки при полном сжатии пружин по формуле (1). Для пружин из проволоки диаметром 1,01 мм величина т = 485 Н/мм2, для пружин из проволоки 1,35 мм -т = 495 Н/мм , а из проволоки диаметром 1,5 мм - т = 480 Н/мм . Таким образом, геометрическое подобие пружин обеспечило приблизительное равенство касательных напряжений в материале проволоки.
Пружины обрабатывали по трем вариантам: а) после навивки из холоднотянутой проволоки пружины не подвергались термической обработке; б) после навивки проводили старение пружин в свободном состоянии (статическое старение) и в) проводили старение в сжатом состоянии (динамическое старение). Оба режима старения осуществляли при температуре
о
450 С в течение 30 минут. Величина осадки пружин при динамическом старении составила 20 %.
После изготовления пружин замеряли их исходную высоту h0 штангенциркулем с точностью 0,1 мм и оценивали стабильность их геометрических параметров. Для этого пружины осаживали до соприкосновения витков и выдерживали при темпера-
о
туре 200 С. Для испытания были взяты по пять пружин каждого режима обработки.
После определенной продолжительности заневоливания пружины разгружали и замеряли высоту в свободном состоянии h1. Величину остаточной осадки пружин, полученной в результате проведения операции заневоливания, рассчитывали по формуле:
АН
ho - hi
Н
o
•100%,
где h1 - высота пружины после заневоли-
о
вания при температуре 200 С.
На рис. 5 приведены зависимости остаточной осадки пружин от продолжительности заневоливания. Пружины из холоднотянутой проволоки без дальнейшей термической обработки получили значительную остаточную осадку. Старение в свободном и напряженном состоянии сплава снижает отрицательное влияние степени деформации на стабильность геометрических параметров пружин. Причем после динамического старения наблюдается более высокая стабильность размеров пружин, что можно объяснить повышением упругих свойств сплава за счет дисперсионного твердения в условиях воздействия внутренних напряжений.
Следует отметить, что динамическое старение оказывает положительное влияние на качество пружин при их изготовлении из закаленного сплава, когда отсутствует деформационный наклеп [7]. Серийное производство пружинной проволоки из сплава ЭП-543У (ХН40МДТЮ) освоено на Белорецком металлургическом комбинате с привлечением специалистов ВНИИметиз (г. Магнитогорск) и ЦНИИЧМ (г. Москва). Оренбургскому газоперерабатывающему заводу была поставлена партия термообработанных пружин в количестве 5 тысяч штук. Замечаний по качеству пружин не было.
№2 2014
Страница 56
Качество в обработке материалов
Рис. 5. Зависимость остаточной осадки пружин Ah при температуре
о
200 С от продолжительности заневоливания: 1 - пружины из холоднотянутой проволоки;
2 - пружины после статического старения; 3 - после динамического старения при осадке на 20%; а - X = 2,65; б - X = 1,50; в - X = 1,27
Выводы. Результаты исследования показали необходимость проведения термической обработки (старения) пружин из холоднотянутой проволоки. При старении повышается прочность и снижаются пластические свойства сплава. Температура
о
обработки должна быть ниже 700 С, так как сплав заметно разупрочняется и имеет низкие пластические свойства при высоких температурах старения. Качество пружин выше после динамического старения. Такую обработку целесообразно проводить при производстве пружин с высокой стабильностью геометрических параметров и нагрузочных характеристик.
Список литературы
1. Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1982. 400 с.
2. Батанов М.В., Петров Н.В. Пружины. - М.: Машиностроение, 1968. 216с.
3. Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г., Каплун Ю.А. Динамическое старение сплавов. - М: Металлургия, 1985. 223 с.
4. Разработка высококоррозионно-стойкого сплава повышенной прочности / А.П. Гуляев, Е. В.Зотова, М.Ю. Устименко и др. // Изв. АН СССР. Металлы. 1966 - № 5,- С.102 - 106.
5. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Ульянин Е.А. Справочник. - М.: Металлургия, 1980. 280 с.
6. Механика обработки металлов давлением. Учебник для вузов. Колмогоров В. Л. М.: Металлургия, 1986. 688 с.
7. А.С. 1494995 СССР, МКИ B21F 35/00. Способ изготовления пружин из дисперсионнотвердеющих сплавов / Г.Н. Гурьянов, М.С. Ахадов, Х.Ю. Ахмедов и др. - Опубл. 1989.- Бюл. № 27.
References
1. Rahshtadt A.G. Pruzhinnye stali i splavy. - M.: Metallurgija, 1982. 400 p.
2. Batanov M.V., Petrov N.V. Pruzhiny. - M.: Mashinostroenie, 1968. 216р.
3. Pastuhova Zh.P., Rahshtadt A.G., Kaplun
Ju.A. Dinamicheskoe starenie splavov. - M:
Metallurgija, 1985. 223 с.
4. Razrabotka vysokokorrozionno-stojkogo splava povyshennoj prochnosti / A.P. Guljaev, E. V.Zotova, M.Ju. Ustimenko i dr. // Izv. AN SSSR. Metally. 1966 - no. 5,- pp. 102 - 106.
5. Korrozionno-stojkie stali i splavy. Ul'janin E.A. Spravochnik. - M.: Metallurgija, 1980. 280 h.
6. Mehanika obrabotki metallov davleniem. Uchebnik dlja vuzov. Kolmogorov V. L. M.: Metallurgija, 1986. 688 p.
7. A.S. 1494995 SSSR, MKI V21F 35/00. Sposob izgotovlenija pruzhin iz dispersionno-tverdejushhih splavov / G.N. Gurjanov, M.S. Ahadov,
H.Ju. Ahmedov i dr. - Opubl. 1989.- Bjul. no. 27.
№2 2014
Страница 57
