CC BY
11
Евсюков Сергей Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, mt6evs@yandex.ru, МГТУ им. Н.Э. Баумана
INVESTIGATION OF HIGH CROWN TO INITIAL DIAMETER RATIO SINGLE
CORRUGATION FORMING
A.V. Lazutkin, A.I. Alimov, S.A. Evsukov
Technology of high crown to initial diameter ratio single corrugation forming was suggested. Critical forming coefficients were estimated. Verified forming process FEM model was developed.
Key words: corrugation, bellows, rubber assisted forming, axial compression
forming.
Lazutkin Aleksandr Vladimirovich, postgraduate, aleksander. lazutkin@,gmail. com, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University,
Alimov Artem Igorevich, candidate of technical sciences, laboratory chief, alimov_ai@,bmstu. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Evsyukov Sergey Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, mt6evs@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
УДК 621.7.04(7-5); 669.018
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ СОСУДОВ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
В. А. Медведев, Р.М. Шаталов, А. Л. Генкин
В процессе горячего изготовления из прутков стали 50 тонкостенных стальных сосудов на прокатно-прессовой линии завода БФ АО ««НПО ««Прибор» установлено неравномерное распределение температуры деформируемой заготовки и механических свойств по высоте изделия. Изучали микроструктуру по высоте и объему, в результате чего обнаружена разница фазового состава в верхней и донной части сосудов.
Ключевые слова: температура, сосуд, сталь50, прокатно-прессовая линия, охлаждение в масле, механические свойства.
В современной промышленности в последнее время нашли широкое применение тонкостенные стальные сосуды, изготовленных без сварных соединений, обеспечивающие высокие конструкционные характеристики (газовые баллончики малого объёма, цилиндрические контейнеры, колпачки и т.д.) [1-3].
Наиболее производительным оборудованием, позволяющим сокращать расходы на изготовление тонкостенных стальные сосудов различной номенклатуры, принято считать прокатно-прессовые линии (ППЛ). В качестве исходных материалов для изготовления тонкостенных сосудов на ППЛ применяются заготовки прутков из различных материалов, но чаще всего в целях экономии, используют доэвтектоидные углеродистые стали [4, 5].
215
Для повышения пластических свойств заготовок из стали 50 на ППЛ применяют высокотемпературный нагрев с учётом дальнейшего охлаждения в процессе транспортировки, прокатки и штамповки.
В ходе горячей обработки на ППЛ прутки из стали 50 меняют размеры и форму, вместе с этим происходит неравномерное снижение температуры изделия за счёт теплопередачи от охлаждаемого обрабатывающего инструмента и испарения смазки [6].
Температура тонкостенных стальных сосудов на выходе с ППЛ определяет механические свойства при охлаждении в зависимости от среды закалки. Неравномерно нагретые по высоте сосуды из стали 50 могут иметь неоднородный фазовый состав в зависимости от температуры нагрева перед закалкой, что может привести к существенным изменениям механических характеристик вне зависимости от среды охлаждения [7,8].
Для тонкостенных сосудов из стали 50, поступающих с ППЛ предприятия БФ АО «НПО «Прибор» в качестве охлаждающей среды, выбрано индустриальное масло И20, поскольку оно позволяет избежать образования термических напряжений в процессе закалки, и обеспечивает требуемые механические свойства.
Цель работы: изучение влияния горячего деформирования стальных сосудов на структуру и механические свойства.
Исследование влияния неравномерного нагрева на фазовый состав и механические свойства тонкостенных сосудов из стали 50 проводили на ППЛ предприятия БФ АО «НПО «Прибор». В качестве исходного материала использовались горячекатаные прутки из стали 50 ГОСТ1050-88, диаметром 42 мм, длиною 70 мм, поставленные Надеждинским металлургическим заводом плавка №7877, партия 061721363.
Предварительный нагрев прутков-заготовок из стали 50 проводили в индукционной печи «ЭЛСИТ» со скоростью 100 °С/с, до температуры 1160 °С. Выравнивание температуры в объёме заготовок проводили в печи сопротивления в течении 20 минут при температуре 1160 °С.
В процессе начальной обработки в трёхвалковой клети стана поперечно-винтовой прокатки «30-80» с дальнейшей высадкой на вращающуюся оправку произошло изменение размеров: внешний диаметр 36 мм, внутренний диаметр 18 мм, длина 120 мм, глубина полости 105 мм, высота донной части 15 мм, толщина стенки 9 мм. После прокатки с образованием полости относительная деформация дна стального чернового сосуда 8д составила около 26,5 %, а верхней части 8в - около 45 %. Средняя вытяжка после прокатки составила ^ = 1,71.
После прокатки измерили температуру по высоте чернового сосуда оптическим пирометром СЕМ БТ 9862 с погрешностью измерения ±1 %. Полученные данные от измерений позволили установить температуру по высоте черновых сосудов из стали 50 которая составляла: в верхней области около 900 °С, в средней около 950 °С, в донной около 980 °С. Остаточная температура чернового сосуда 900 - 980 °С, за время перемещения к винтовому поперечному прессу 7 с позволила снять деформационные напряжения после винтовой прокатки и обеспечить дальнейшую горячую штамповку.
Неравномерно нагретые черновые сосуды из стали 50 после винтовой прокатки поступали на винтовой поперечный пресс усилием 500 кН. После штамповки через кольцо диаметром 32мм, на охлаждаемой оправке диаметром 20 мм произошло изменение размеров стального сосуда: увеличилась общая высота с 120 до 127мм, увеличилась глубина полости с 105 до 111 мм, уменьшился наружный диаметр с 36 до 32 мм, увеличился внутренний диаметр с 18 до 20 мм. При штамповке средняя вытяжка составила ^ = 1,06 а после прокатки и штамповки средний коэффициент вытяжки составил ^ = 1,85.
Измерения температуры тонкостенных сосудов из стали 50 оптическим пирометром CEM DT 9862 позволило установить разницу нагрева по высоте: I - верхняя область около 740 °С, II - средняя около 780 °С, III - донная около 840 °С. Определяли с помощью зачеканенной в объёме тонкостенного сосуда термопары ХА и контрольного прибора Термодат 19Е6 скорость охлаждения в масле И20 на уровнях с I по III. Результаты измерений скорости охлаждения по зонам от начальной температуры до завершения фазовых превращений линии Мн [9] приведены на рис. 1.
Рис. 1. Результаты измерений температуры и скорости охлаждения
тонкостенных сосудов по зонам
Исходя из диаграммы состояния «железо - углерод» граница перехода из двухфазной области аустенита и феррита в однофазную область аустенита (Ас3), составляет около 760 °С, следовательно, по данным замеров температуры начальный фазовый состав тонкостенных сосудов из стали 50 перед закалкой разный по высоте: зоны III и II находятся в однофазной области аустенита, температура 840 и 780 °С, зона I находится в двухфазной области аустенита и феррита, температура 740 °С [10]. Скорость охлаждения до границы полного превращения структурных составлявших (линия Мн около 560 °С) также была разной: I - верхняя 1 ср 27 °С/с, II - средняя 1 ср 29 °С/с, III - донная 1 ср 32 °С/с; разница скорости охлаждения между верхней и донной частью тонкостенного сосуда составляет около 5 °С/с.
Показатели механических свойств в объёме исследуемого тонкостенного сосуда из стали 50, изготовленного на ППЛ, анализировались на универсальной разрывной машине ШБТЯОК шоё.3382 в соответствии с ГОСТом 1487-84 и на твердомере Роквелла шоё.ТР5014 по ГОСТу 9013217
59. Образцы для испытаний были взяты от трёх зон по высоте ( в соответствии с рис. 1 с I по III) исследуемого сосуда по три образца от каждой из зон. В таблице приведены результаты испытаний механических свойств по высоте тонкостенного сосуда из стали 50.
Механические свойства по высоте тонкостенного сосуда из стали 50
Зона сосуда Образец Предел текучести, (о 0,2), МПа Временное сопротивление разрыву, (о в), МПа Относительное удлинение 5,% Твёрдость, НЯС
1 474 719 22 20
I 2 506 733 23 20
3 506 733 22 21
Среднее 496 728 22 20
1 605 864 20 25
II 2 605 853 19 24
3 612 896 18 23
Среднее 607 871 19 24
1 638 970 17 31
III 2 660 976 19 32
3 656 978 18 32
Среднее 651 975 18 32
Результаты анализа механических свойств по высоте исследуемого сосуда из стали 50 показали, что в донной области сформировались максимальные прочностные характеристики временного сопротивления разрыву ов = 974 МПа, придела текучести о0,2 = 652 МПа и твёрдости 20 НЯС при сравнительно низком относительном удлинении 5 = 18 %; в средней области сформировались умеренные значения временного сопротивления разрыву ов = 871 МПа, предела текучести о0,2 = 607 МПа, твёрдости 24НЯС при большем относительном удлинении 5 = 19 %; в верхней области максимальная пластичность, относительное удлинение 5 = 22 %, однако временное сопротивлении разрыву, предел текучести и твёрдость имели минимальные значения о в = 728 МПа, о0,2 = 495 МПа и 20 НЯС соответственно.
Исследование микроструктуры тонкостенного сосуда из стали 50, изготовленного на ППЛ и закалённого в масле, проводили в соответствии с ГОСТ 5640-68 на оптическом микроскопе «Саг^е^Б при увеличении 100. Образцы для анализа микроструктуры взяты в соответствии с рис. 1: от верхней части на расстоянии 20 мм от кромки - образец I; из середины образец - II; из донной части на расстоянии 20 мм от нижней части образец III На рис. 2 приведены микроструктуры, взятые от трёх исследуемых областей тонкостенного сосуда из стали 50.
Состав микроструктуры тонкостенного сосуда из стали 50 по высоте, приведённый на рис. 2, отличается и обусловлен тремя различными температурами начала закалки и скорости охлаждения.
В верхней части (образец I) скорость охлаждения составляла 27 °С/с: равномерное распределение феррита и сорбита в соотношении 1:1.
В средней части (образец II) скорость охлаждения составляла 29 °С/с: крупные локальные области феррита, зёрна которого имеют выраженные границы.
В донной части (образец III) скорость закалки 32 °С/с: структура состоит из сорбита и локальных равномерно распределённых участков феррита в соотношении 2:1.
Рис.2. Микроструктуры от тонкостенного сосуда из стали 50 в трёх исследуемых областях, увеличение х100
Изменение характера микроструктур в объёме исследуемых чистовых сосудов меняется от преобладающего сорбита на дне сосуда к увеличению участков с ферритной составляющей по краям, что вызвано разницей начальной температуры, скорости и фазового состава деформируемых при прокатке и штамповке изделий. Ферритная составляющая в структуре более мягкая, чем сорбитная и, следовательно, с увеличением её содержания меняются механические свойства в сторону снижения временного сопротивлении разрыву Об от 974 до 728 МПа, предела текучести 00,2 - от 651 до 495 МПа, твёрдости - от 32 до 20 ЫЯС и к увеличению пластичности стального сосуда при удлинении 8 от 18 до 22 %.
Выводы
1. Проведена прокатка сосудов из стали 50 на трёхвалковом стане с высадкой на вращающуюся оправку. Установлена деформация дна £д около 26,5 %, верхней части £в - около 45 %. Вытяжка после прокатки составила 1,71. Деформация при последующей штамповки при средней вытяжки составила 1,06. Суммарный коэффициент вытяжки после прокатки и штамповки составил ^ = 1,85.
2. Определены изменения температуры по высоте стального сосуда в процессе изготовления на ППЛ: после прокатки донная область около 980 °С, средняя около 950 °С, верхняя около 900 °С; после штамповки донная область 840 °С, средняя 780 °С, верхняя область 740 °С
3. Установлено, что закалка в масле неравномерно прогретых по высоте тонкостенных стальных ёмкостей, поступивших с ППЛ, приводит к существенному колебанию механических свойств по сечению изделий. При максимальной скорости охлаждения 32 °С/с с температуры 840 °С из однофазной области аустенита получены значения: временное сопротивление разрыву Ов = 974 МПа, придел текучести 00,2 = 652 МПа, твёрдость 32ЫЯС, относительное удлинение 8 = 18 %; при закалке из двухфазной области аустенита и феррита с температуры 740 °С со скоростью охлаждения
27 °С/с. получаются максимальные значения пластичности, относительное удлинение составляло не менее 5 = 22 %, однако показатели временного сопротивления разрыву о в, предела текучести о 0,2 и твёрдости снижались до 728, 495 МПа и 20НЯС соответственно.
4. Выявленная неравномерность температуры в 100 °С по высоте сосуда требует разработки рациональных температурно-деформационных режимов и методов управления температурой для стабилизации структуры и свойств сосудов.
Список литературы
1. Совершенствование методики расчёта геометрических параметров очага деформации при прокатке бесшовных труб в непрерывных станах / А. А. Терещенко, Н.И. Фартушный, А.В. Гончарук, Е.А. Давыдова, Б. А. Романцев // Производство проката. 2007. № 9. С. 20 - 23.
2. Выдрин А. В. Развитие технологий горячей прокатки бесшовных труб // Черные металлы. 2012. № 9. С. 16 - 20.
3. Клачков А. А. Опыт эксплуатации первого в России непрерывного стана с трехвалковыми клетями PQF 10 3/4" в ОАО «Тагмет» // Сталь. 2011. № 11. С. 85 - 88.
4. Гуляев Ю. Г., Шифрин Е. И., Коряка Н. А. Актуальные проблемы и тенденции развития трубного производства // Черные металлы. 2010. № 3. С. 8 - 13.
5. Медведев В.А., Шаталов Р.Л., Загоскин Е.Е. Контроль и управление температурой в процессе обработки на прокатно-прессовой линии для обеспечения равномерности механических свойств стальных тонкостенных сосудов // Автоматизированное проектирование в машиностроении. 2018. №6. С. 152 - 156
6. Меркулов Д.В., Топоров В.А., Чепурин М.В. Особенности режимов прошивки непрерывнолитых заготовок на станах винтовой прокатки // Черные металлы. 2013. № 1. С. 18 - 24.
7. Теоретические и практические проблемы процесса раскатки гильз на современном непрерывном стане / А.В. Выдрин, Д.О. Струин, И.Н. Черных, Е.А. Шкуратов, М.В. Буняшин // Сб. тр. междунар. науч.-технич. конф. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2015. С. 72 - 82.
8. Ресурсосберегающая технология производства круглого сортового проката из бывших в употреблении осей подвижного железнодорожного состава / С.П. Галкин, Б. А. Романцев, Та Динь Суан, Ю.В. Гамин // Чёрные металлы. 2018. №4. С. 2 - 6.
9. Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов: в 4 ч. Ч. 1 / под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г. Дубенского. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 476 с.
10. Черкес З.А. Машиностроительные материалы на основе железа. Металлургия чугуна и стали: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 220 с.
Медведев Вадим Анатольевич, технолог, 10-bmt@mail.ru, Россия, Ногинск, Богородский филиал АО «НПО «Прибор»,
Шаталов Роман Львович, д-р техн. наук, проф., mmomdamail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Генкин Аркадий Львович, д-р техн. наук, вед. научный сотрудник, algenkin@yandex. ru, Россия, Москва, Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН
INFLUENCE OF THE CONDITIONS OF HOT DEFORMATION OF STEEL VESSELS ON THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES.
V.A. Medvedev, R.L. Shatalov, A.L. Genkin
In the process of hot production from steel 50 thin-walled vessels on the rolling and pressing line of the plant of the "Pribor ", an uneven distribution of mechanical properties along the height of the product was established. We studied the microstructure in height and volume of vessels, as a result of which a difference in the phase composition in the upper and bottom parts was found product.
Key words: temperature, vessel, steel50, rolling-press line, cooling in oil, mechanical properties.
Medvedev Vadim Anatolievich, technologist, 10-bmtamail. ru, Russia, Noginsk, Bogorodsk Branch of Pribor Scientific and Production Association,
Shatalov Roman Lvovich, doctor of technical sciences, professor, mmomda mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Genkin Arkady Lvovich, doctor of technical sciences, leading researcher, algenkinayandex. ru, Russia, Moscow, Institute for Management Problems V.A. Trapeznikova RAS
