Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления пружин с контролируемой мелкодисперсной наноструктурой

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении пружин из стали горячей навивкой.

Из описания к изобретению "Способ изготовления пружин горячей навивкой" (к авторскому свидетельству SU 210821, МПК B21f, опубликовано 08.11.1968) известен способ изготовления пружин, включающий нагрев заготовки, навивку спирали на оправку, термическую обработку.

Из описания к изобретению "Способ изготовления крупногабаритных пружин из стали" (к патенту RU 2377091, МПК B21F 35/00, C21D 9/02, опубликовано 27.12.2009) известен способ изготовления пружин, включающий нагрев заготовки до температуры, обеспечивающей гомогенизацию высокотемпературной фазы стали, навивку спирали при температуре нагрева заготовки, закалку спирали, отпуск спирали.

Из описания к изобретению "Способ изготовления пружин из стали (варианты)" (к патенту RU 2411101, МПК B21F 35/00, опубликовано 10.02.2011) известен способ изготовления пружин, выбранный в качестве прототипа, включающий нагрев заготовки до температуры выше точки АС₃, выдержку заготовки, обеспечивающую гомогенизацию высокотемпературной фазы стали, навивку спирали при температуре выше точки АС₃, охлаждение спирали.

Известные способы не позволяют обеспечить стабильно высокие показатели релаксационной стойкости и циклической долговечности пружин в условиях колебания фактического химического состава заготовки в пределах регламентированных ГОСТом границ, поскольку не учитывают взаимовлияние и допустимые значения временных интервалов фазовых превращений, температурных режимов нагрева и охлаждения, момента начала деформации заготовки.

Задачей заявленного изобретения является обеспечение стабильно высоких показателей релаксационной стойкости и циклической долговечности пружин. Поставленная задача решается способом изготовления пружин, включающим нагрев заготовки до температуры выше точки АС₃, выдержку заготовки при температуре выше точки АС₃, навивку заготовки в спираль при температуре выше точки АС₃, охлаждение спирали до температуры мартенситного превращения, отпуск, отличающимся от прототипа тем, что совокупность действий, включающая нагрев, выдержку и навивку заготовки, осуществляется в заданном интервале времени Δt, который определяется функцией Δt=F[(ΔT,Δt₂)], а охлаждение спирали осуществляется со скоростью ≥ Vкр, при условии, что

ΔT=Т_н-Т,

где Т_н - температура нагрева заготовки выше точки АС₃, а T - температура 750±50°С;

Δt₂ -интервал времени между нагревом заготовки до Т_н и началом навивки заготовки в спираль;

Vкр - критическая скорость охлаждения.

При этом целесообразно обеспечить такой временной режим осуществления нагрева, выдержки и навивки заготовки, чтобы выполнялось условие Δt≥Δt₁+Δt₂+Δt₃, при этом

Δt₁ - интервал времени между нагревом заготовки от Т до Т_н,

Δt₃ - интервал времени навивки спирали.

Для обеспечения равномерности структуры пружины целесообразно, чтобы в период времени Δt₂, Δt₃, разница температур различных участков заготовки и спирали не превысила 30°С.

Для эффективного выравнивания химического состава стали по содержанию в ней углерода и легирующих элементов целесообразно обеспечить нахождение Т_н в интервале между 900°С и 1150°С.

Для того чтобы обеспечить процесс гомогенизации высокотемпературной фазы стали, но при этом не допустить в стали чрезмерный рост зерна, целесообразно обеспечить нахождение Δt₂ в интервале от 5 до 15 с.

Реализация заявленного способа представлена на графике (Фиг. 1).

Выбранный график изменения температуры, момент начала деформации, скорость и степень деформации заготовки в процессе изготовления пружины наряду с химическим составом заготовки определяют механические свойства пружины, ее свойства релаксационной стойкости и циклической долговечности.

Способ изготовления пружин с заданной дисперсной наноструктурой путем управления температурными и временными характеристиками включает в себя следующие этапы.

Осуществляют высокоскоростной индукционный нагрев заготовки (прутка) до заданной температуры Т_н выше точки АС₃ в течение периода времени, определяемого опытным путем исходя из технических возможностей установки индукционного нагрева и химического состава заготовки. Т_н выбирают с учетом критических точек, положение которых для углеродистых сталей определяют по диаграмме состояния «Железо - цементит» или берут из справочников, например из марочника сталей и сплавов. Экспериментальным путем установлено, что, для того чтобы обеспечить процесс гомогенизации высокотемпературной фазы стали, но при этом не допустить в стали чрезмерный рост зерна, целесообразно обеспечить нахождение Т_н в интервале между 900С° и 1150С°, а нагрев заготовки от температуры Т (750±50°С) до Т_н осуществить в течение 5-20 с.

Для обеспечения гомогенизации высокотемпературной фазы стали после нагрева заготовки до Т_н осуществляют выдержку заготовки при температуре Т_н. Данная выдержка может осуществляться, например, во время непрерывно последовательного перемещения заготовки в термостатирующем устройстве (термостате), размещенном непосредственно за нагревательным оборудованием. Для того чтобы обеспечить процесс гомогенизации высокотемпературной фазы стали, но при этом не допустить в стали чрезмерный рост зерна, выдержку целесообразно осуществить в интервале от 5 до 15 секунд.

Нагрев заготовки до Т_н может быть осуществлен с постоянной скоростью, однако при этом высока вероятность того, что температура заготовки по сечению не будет равномерной, что потребует сравнительно длительное время на выдержку при температуре Т_н. Следствием этого может стать чрезмерный рост зерна в структуре заготовки. С целью обеспечения более высокой степени равномерности прогрева заготовки по сечению и недопущения чрезмерного роста зерна в структуре заготовки целесообразно осуществить ее нагрев в несколько стадий. На первой стадии осуществить нагрев заготовки до температуры Т с последующей выдержкой при температуре Т в течение времени, необходимого для выравнивания температуры по сечению заготовки. Выдержка заготовки при температуре Т может быть осуществлена в термостатирующем устройстве (термостате). Для ускорения процесса производства возможно осуществить выдержку нескольких заготовок одновременно. На второй стадии осуществить нагрев заготовки до температуры Т_н с последующей выдержкой заготовки при температуре нагрева.

После выдержки заготовки при температуре Т_н заготовку навивают на оправке в спираль. В процессе навивки происходит деформация заготовки, обеспечивающая измельчение аустенитного зерна в горячем состоянии и формирование полигонизованной структуры, затрудняющие процессы рекристаллизации.

Для обеспечения равномерности структуры пружины целесообразно, чтобы в период времени осуществления выдержки заготовки при температуре Т_н и ее навивки разница температур различных участков заготовки и спирали не превысила 30°С.

Период времени (Δt), в течение которого осуществляют нагрев заготовки от температуры Т до Т_н, ее выдержку и навивку, определяется функцией Δt=F[(ΔT,Δt₂)], где ΔT=Т_н-Т, а Δt₂ - интервал времени между нагревом заготовки до Т_н и началом навивки заготовки в спираль.

Выбор параметров функции Δt зависит от ограничений, связанных с физическими процессами термообработки стали, техническими возможностями оборудования для изготовления пружин, и определяется исходя из конечных требований потребителя к эксплуатационным характеристикам пружин.

Наилучшие свойства релаксационной стойкости и циклической долговечности пружины могут быть достигнуты при условии выполнения равенства Δt≥Δt₁+Δt₂+Δt₃, при условии, где

Δt₁ - интервал времени между нагревом заготовки от T до Т_н,

Δt₃ - интервал времени навивки спирали.

Выбор интервала времени Δt₁, Δt₂ оказывает влияние на размеры аустенитных зерен, выравнивание химического состава стали по содержанию в ней углерода и легирующих элементов.

Процесс мартенситного превращения структуры стали происходит после перемещения навитой спирали (пружины) в охлаждающую среду. Для реализации структурного наследования мелкодисперсной наноразмерной субзеренной структуры, формируемой за интервал времени Δt, охлаждение спирали осуществляют со скоростью не ниже критической скорости охлаждения, значение которой определяется типом и температурой охлаждающей среды, а также химическим составом заготовки.

Окончательная термообработка спирали (пружины) происходит путем отпуска. Отпуск спирали может быть осуществлен в форме самоотпуска. В дальнейшем спираль (пружина) проходит другие технологические переделы, такие как осадка (заневоливание), дробеструйная обработка, формирование торцов пружин, покраска, контрольно-испытательные операции и др.

Предлагаемый способ был проверен при изготовлении цилиндрических пружин сжатия и растяжения, изготавливаемых из заготовок (прутков) стали марки 60С2ХФА диаметром 20 мм и длиной 2500 мм. Опытным путем установили, что для используемой марки стали Δt₂ составляет 10 с, а ΔТ - 140…150 С°. При этих исходных параметрах функции допустимое значение Δt укладывается в диапазон 25…30 с. В течение 30 с был осуществлен нагрев заготовки до от 700 С° до заданной Т_н, выдержка заготовки в течение 10 с, навивка заготовки в спираль. Охлаждение спирали осуществлено со скоростью не менее критической скорости охлаждения, свойственной для используемой марки стали.

Анализ изготовленных пружин показал, что величина мартенситного зерна находится в пределах 100…300 нм, при этом карбидная составляющая (цементит) находится в пределах 10…50 нм и равномерно расположена в мартенситной структуре. Осадка пружины после технологического обжатия более чем в 10 раз ниже, чем на аналогичных пружинах, изготовленных известным способом. Показатель циклической долговечности составил более 10 млн циклов без разрушения, что более чем в 10 раз превышает установленные значения для пружин, изготовленных известным способом.