RU2322517C1 - Local strengthening method of axially symmetrical blanks by means of shift deformations - Google Patents

Abstract

FIELD: plastic working of metals, possibly local strengthening of hollow and solid blanks of axially symmetrical parts of iron-base mean- and high-alloy steels and alloys.

SUBSTANCE: method comprises steps of plastically deforming blank rigidly fastened between clamps and heated till temperature no less than phase conversion ending temperature and no more than recrystallization starting temperature due to rotating at least of one clamp. Deformation is realized at rate and deformation degree sufficient for providing dynamic recrystallization processes but not causing stability loss at plastic deformation related to energy dislocation. Deformation is performed near peripheral layer of blank. Due to dynamic crystallization maximally possible grain size disintegration in near-surface region is achieved and gradient structure is created along cross section and length of blank.

EFFECT: improved physical and mechanical properties in near-surface of blank, lowered cost of strengthening process.

7 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к способам получения заготовок осесимметричной формы с изменением размеров поперечного сечения по длине не более 10-12% из средне- и высоколегированных сталей и сплавов на основе железа с мелкозернистой структурой, в том числе с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой в поверхностном слое. УМЗ структура с размером зерен менее 10 мкм в заготовках и деталях обеспечивает высокий уровень физических и механических свойств и представляет большой интерес для достижения требуемого, например градиентного, распределения физико-механических свойств, в частности прочности и пластичности, в определенных зонах по объему изделия. С применением данного способа возможно получать осесимметричные заготовки деталей с высокими прочностными характеристиками вблизи боковой поверхности.The invention relates to the field of metal forming, in particular, to methods for producing blanks of an axisymmetric shape with a change in cross-sectional size along the length of not more than 10-12% from medium and high alloy steels and alloys based on iron with a fine-grained structure, including with ultrafine-grained ( UFG) structure in the surface layer. The UFG structure with a grain size of less than 10 μm in the workpieces and parts provides a high level of physical and mechanical properties and is of great interest to achieve the required, for example, gradient, distribution of physical and mechanical properties, in particular strength and ductility, in certain zones over the volume of the product. Using this method, it is possible to obtain axisymmetric blanks of parts with high strength characteristics near the side surface.

Известны способы обработки осесимметричных заготовок по схеме кручения [RU 219162, В21J 5/00, Бюл. №30, 27.10.2002, «Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», Д.Е.Глухов, В.Н.Голубев; RU 2021064, В21J 5/00, Бюл. №19, 15.10.94, «Способ обработки осесимметричных заготовок кручением», Мазурский М.И., Еникеев Ф.У., Коршунов А.А.]. В основе этих способов лежит интенсивная пластическая деформация, которая при заданных термомеханических режимах процесса позволяет за счет динамической рекристаллизации измельчить размер зерна до нескольких микрон, что в свою очередь обеспечивает получение высоких физико-механических и служебных свойств. Наиболее близким техническим решением является способ [RU 94010931, В21J 5/00, Бюл. №31, 10.11.95, «Способ получения заготовок с мелкозернистой структурой», Ф.З.Утяшев, О.А.Кайбышев, Ф.У.Еникеев, Р.З.Валиев]. В соответствии с ним нагретую заготовку до температуры собирательной рекристаллизации устанавливают в контейнер для прессования и производят прессование, которое совмещают с пластическим кручением заготовки, со степенью деформации 2...5. Каждый из этих способов имеет свои преимущества, но при этом их недостатки не дают возможности их промышленного применения при производстве крупногабаритных поковок. Данные решения направлены на проработку структуры во всем объеме заготовки с достижением однородных свойств по сечению. Это не позволяет применять их для получения поковок из материалов с особыми свойствами, имеющих строгие ограничения по размерам структурного параметра в определенных участках в объеме деформируемой заготовки, но с высокими требованиям к статическим и усталостным прочностным характеристикам в приповерхностных слоях из-за специфики условий работы изготавливаемой детали. В условиях мелкосерийного и среднесерийного производства использование представленных способов из-за высокой стоимости изготовления громоздкой оснастки и дополнительных затрат на материалы для инструмента приведет к неоправданно высоким финансовым потерям.Known methods for processing axisymmetric billets according to the torsion scheme [RU 219162, B21J 5/00, Bull. No. 30, 10.27.2002, “A method for producing preforms with a fine-grained structure”, D.E. Glukhov, V.N. Golubev; RU 2021064, B21J 5/00, Bull. No. 19, 10/15/94, “Method for processing axisymmetric billets by torsion”, Mazursky MI, Enikeev F.U., Korshunov A.A.]. The basis of these methods is intense plastic deformation, which, given the thermomechanical conditions of the process, allows the grain size to be reduced to a few microns due to dynamic recrystallization, which in turn provides high physical, mechanical and service properties. The closest technical solution is the method [RU 94010931, B21J 5/00, Bull. No. 31, 10.11.95, “A method for producing preforms with a fine-grained structure”, F.Z. Utyashev, O.A. Kaibyshev, F.U. Enikeev, R.Z. Valiev]. In accordance with it, the heated preform to a temperature of collective recrystallization is installed in a pressing container and pressing is performed, which is combined with the plastic torsion of the preform, with a degree of deformation of 2 ... 5. Each of these methods has its own advantages, but at the same time their disadvantages do not give the possibility of their industrial application in the production of bulky forgings. These decisions are aimed at the study of the structure in the entire volume of the workpiece with the achievement of homogeneous properties over the cross section. This does not allow them to be used to obtain forgings from materials with special properties that have strict limitations on the size of the structural parameter in certain areas in the volume of the deformable workpiece, but with high requirements for static and fatigue strength characteristics in the surface layers due to the specific conditions of the workpiece . In the conditions of small-scale and medium-series production, the use of the presented methods due to the high cost of manufacturing bulky equipment and the additional cost of materials for the tool will lead to unreasonably high financial losses.

Задачей данного изобретения является создание универсального способа термомеханической обработки осесимметричных заготовок, в том числе и крупногабаритных, для получения высоких физических и механических свойств в поверхностном слое за счет измельчения структуры до размеров менее 10 мкм, а также достичь минимально возможный уровень затрат в условиях мелкосерийного и среднесерийного производства при обработке заготовки по сравнению со способом-прототипом и способами-аналогами.The objective of the invention is to provide a universal method for thermomechanical processing of axisymmetric workpieces, including large ones, to obtain high physical and mechanical properties in the surface layer by grinding the structure to a size of less than 10 microns, and also to achieve the lowest possible cost level in small and medium series production in the processing of the workpiece in comparison with the prototype method and methods-analogues.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в способе локального упрочнения полых и сплошных заготовок деталей осесимметричной формы из средне- и высоколегированных сталей и сплавов на основе железа с изменением размеров поперечного сечения по длине заготовки на величину, не превышающую 10...12%, методом интенсивной сдвиговой пластической деформации при кручении, включающем горячее пластическое деформирование жестко закрепленной между двумя захватами заготовки в заданных термомеханических условиях, осуществляют пластическое деформирование заготовки, нагретой до температуры из интервала не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации, путем вращения одного или двух захватов со скоростью и степенью деформации, достаточными для накопления при пластической деформации, связанной с дислокациями энергии, обеспечивающей протекание процессов динамической рекристаллизации без потери устойчивости заготовки и ее разрушения, и с обеспечением сосредоточения деформации вблизи периферийного слоя заготовки с достижением за счет динамической рекристаллизации максимально возможного измельчения размера зерна в приповерхностной области и градиентной структуры по сечению и длине заготовки.The stated technical problem is achieved due to the fact that in the method of local hardening of hollow and continuous workpieces of axisymmetric parts from medium and high alloy steels and alloys based on iron with a change in cross-sectional dimensions along the workpiece length by an amount not exceeding 10 ... 12% , by the method of intense shear plastic deformation during torsion, including hot plastic deformation of a rigidly fixed between two grippers of the workpiece in the given thermomechanical conditions, carry out the plaz deformation of the preform heated to a temperature not lower than the temperature of the end of the phase transformation and not higher than the temperature of the onset of collective recrystallization by rotating one or two grips with a strain rate and degree of deformation sufficient to accumulate during plastic deformation associated with energy dislocations that ensure the occurrence of processes dynamic recrystallization without loss of stability of the workpiece and its destruction, and with ensuring the concentration of deformation near the peripheral oya workpiece achievement due to dynamic recrystallization maximum possible size of the grinding grains in the surface area and structure gradient across the section and the length of the preform.

Вращение захватов можно осуществлять с опережением одного из них на величину угловой скорости или в разных направлениях относительно друг друга.The rotation of the grippers can be carried out ahead of one of them by the value of the angular velocity or in different directions relative to each other.

Для достижения направленного формирования распределения УМЗ структуры заготовку вблизи захватов нагревают до более высокой в пределах заданного интервала температуры, не более чем на 20...30°С превышающей среднее значение температуры по длине заготовки.To achieve directional formation of the distribution of the UFG structure, the workpiece near the grips is heated to a higher temperature within a given temperature range, not more than 20 ... 30 ° C higher than the average temperature over the length of the workpiece.

Заготовка может быть помещена в контейнер с образующей внутренней полости, повторяющей профиль заготовки по длине, который вращают синхронно с вращающимся захватом.The workpiece can be placed in a container with a generatrix of the internal cavity, repeating the profile of the workpiece along the length, which rotate synchronously with the rotating capture.

Заготовки из сильно окисляющегося сплава упрочняют в защитной среде или вакууме.Highly oxidizable alloy billets are strengthened in a protective environment or in a vacuum.

Заготовка может быть нагрета неравномерно по сечению с заданным градиентом температур от оси к периферии из условия обеспечения температуры у поверхности, позволяющей получить наиболее благоприятные условия для сдвиговой деформации и динамической рекристаллизации, температура в осевой зоне не превышает температуру начала собирательной рекристаллизации.The workpiece can be heated unevenly over the cross section with a given temperature gradient from the axis to the periphery from the condition of ensuring the temperature at the surface, which allows to obtain the most favorable conditions for shear deformation and dynamic recrystallization, the temperature in the axial zone does not exceed the temperature of the onset of collective recrystallization.

Экономичность процесса обеспечивается за счет использования серийно выпускаемого оборудования и упрощения инструментальной оснастки благодаря простой схеме нагружения.Cost-effectiveness of the process is ensured through the use of commercially available equipment and the simplification of tooling due to a simple loading scheme.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично показан предлагаемый способ локального упрочнения заготовок осесимметричной формы сдвиговыми деформациями. Между верхним 1 и нижним 2 захватами устанавливается заготовка 3. Изотермические условия обеспечиваются за счет нагревательных элементов 4 и стенок камеры печи 5. Передача крутящего момента к заготовке осуществляется от верхнего 1 и нижнего 2 захвата с угловой скоростью ω₁ и ω₂. Скорости вращательного движения захватов независимы и могут регулироваться так, чтобы обеспечить набор требуемой деформации.The invention is illustrated by the drawing, which schematically shows the proposed method for local hardening of workpieces of an axisymmetric shape by shear deformations. Billet 3 is installed between the upper 1 and lower 2 grippers. The isothermal conditions are ensured by the heating elements 4 and the walls of the furnace chamber 5. Torque is transmitted to the workpiece from the upper 1 and lower 2 grippers with an angular velocity of ω ₁ and ω ₂ . The rotational speeds of the grippers are independent and can be adjusted so as to provide a set of the required deformation.

ПримерExample

Образцы в виде цилиндрической осесимметричной заготовки из магнитотвердого сплава Fe-30%Cr-8%Co с выступами, сделанными в концевых частях, повторяющими геометрию пазов инструмента, обеспечивающих жесткое крепление заготовки при нагружении, подвергали кручению в изотермических условиях при температуре 750°С со скоростью 0,02 рад/сек с углами закручивания 360°, 1080°, 1800°. Деформирующий крутящий момент передается заготовке через верхний инструмент. В результате изучения микроструктуры деформированных заготовок было получено, что с увеличением угла закручивания размер зерна в периферийной части от центра заготовки у боковой поверхности уменьшается и при 1800° достигает величины, соответствующей УМЗ структуре ~1 мкм. Однако при этом происходит некоторое измельчение структуры и в центральной части ~10 мкм. Причем чем больше угол закручивания, тем меньше разброс значений величины размера зерна в центральной и периферийной части по толщине заготовки после деформации.Samples in the form of a cylindrical axisymmetric preform from a magnetically hard alloy Fe-30% Cr-8% Co with protrusions made in the end parts, repeating the geometry of the grooves of the tool, providing rigid fastening of the workpiece under loading, were subjected to torsion under isothermal conditions at a temperature of 750 ° C at a speed 0.02 rad / s with swirl angles of 360 °, 1080 °, 1800 °. The deforming torque is transmitted to the workpiece through the upper tool. As a result of studying the microstructure of deformed billets, it was found that with an increase in the twist angle, the grain size in the peripheral part from the center of the billet at the side surface decreases and at 1800 ° reaches a value corresponding to the UFG structure of ~ 1 μm. However, in this case, some refinement of the structure occurs in the central part of ~ 10 μm. Moreover, the larger the twist angle, the smaller the variation in the grain size in the central and peripheral parts over the thickness of the workpiece after deformation.

Предлагаемый способ позволит расширить технологические возможности обработки металлов давлением с применением крутящего момента.The proposed method will expand the technological capabilities of metal forming using torque.

Предлагаемый способ позволит обеспечить возможность обрабатывать боковую поверхность тел вращения с целью локального упрочнения вблизи боковой поверхности поковки, в частности из хрупких материалов с высокими требованиями по специальным свойствам, а также чувствительных к дополнительной обработке, связанной с изменением размера структурного параметра.The proposed method will provide the ability to process the lateral surface of the bodies of revolution with the aim of local hardening near the lateral surface of the forgings, in particular of brittle materials with high requirements for special properties, as well as sensitive to additional processing associated with a change in the size of the structural parameter.

Claims (7)

1. Способ локального упрочнения полых и сплошных заготовок деталей осесимметричной формы из средне- и высоколегированных сталей и сплавов на основе железа с изменением размеров поперечного сечения по длине заготовки на величину, не превышающую 10...12%, методом интенсивной сдвиговой пластической деформации при кручении, включающий горячее пластическое деформирование жестко закрепленной между двумя захватами заготовки в заданных термомеханических условиях, отличающийся тем, что осуществляют пластическое деформирование заготовки, нагретой до температуры из интервала не ниже температуры окончания фазового превращения и не выше температуры начала собирательной рекристаллизации, путем вращения одного или двух захватов со скоростью и степенью деформации, достаточными для накопления при пластической деформации связанной с дислокациями энергии, обеспечивающей протекание процессов динамической рекристаллизации без потери устойчивости заготовки и ее разрушения, и с обеспечением сосредоточения деформации вблизи периферийного слоя заготовки с достижением за счет динамической рекристаллизации максимально возможного измельчения размера зерна в приповерхностной области и градиентной структуры по сечению и длине заготовки.1. A method for local hardening of hollow and solid workpieces of axisymmetric parts from medium and high alloy steels and alloys based on iron with a change in cross-sectional dimensions along the length of the workpiece by an amount not exceeding 10 ... 12%, by the method of intensive shear plastic deformation during torsion including hot plastic deformation of a workpiece rigidly fixed between two grippers in predetermined thermomechanical conditions, characterized in that the plastic deformation of the workpiece is carried out, heating which is at a temperature in the range not lower than the temperature of the end of the phase transformation and not higher than the temperature of the onset of collective recrystallization, by rotating one or two grips with a strain rate and degree of deformation sufficient to accumulate energy associated with dislocations during plastic deformation, which ensures dynamic recrystallization processes without loss of stability the workpiece and its destruction, and ensuring concentration of deformation near the peripheral layer of the workpiece with achievement due to the dynamics eskoy recrystallization maximum possible size of the grinding grains in the surface area and structure gradient across the section and the length of the preform. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют вращение захватов с опережением одного из них на величину угловой скорости.2. The method according to claim 1, characterized in that the rotation of the grippers is carried out ahead of one of them by the value of the angular velocity. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют вращение захватов в разных направлениях относительно друг друга.3. The method according to claim 1, characterized in that the rotation of the grippers in different directions relative to each other. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку вблизи захватов нагревают до более высокой в пределах заданного интервала температуры, не более чем на 20...30°С превышающей среднее значение температуры по длине заготовки.4. The method according to claim 1, characterized in that the preform near the grippers is heated to a higher temperature within a given temperature range, not more than 20 ... 30 ° C higher than the average temperature along the length of the preform. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку помещают в контейнер с образующей внутренней полости, повторяющей профиль заготовки по длине, который вращают синхронно с вращающимся захватом.5. The method according to claim 1, characterized in that the preform is placed in a container with a generatrix of the internal cavity, repeating the profile of the preform along the length, which is rotated synchronously with the rotating capture. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовки из сильно окисляющегося сплава упрочняют в защитной среде или вакууме.6. The method according to claim 1, characterized in that the workpiece from a highly oxidizable alloy is hardened in a protective environment or in a vacuum. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку перед пластическим деформированием нагревают неравномерно по сечению с заданным градиентом температур от оси к периферии заготовки из условия обеспечения температуры у поверхности, позволяющей получить наиболее благоприятные условия для сдвиговой деформации и динамической рекристаллизации, а температуры в осевой зоне - не выше температуры начала собирательной рекристаллизации.7. The method according to claim 1, characterized in that the preform is heated unevenly over the cross section with a predetermined temperature gradient from the axis to the periphery of the preform, prior to plastic deformation, from the condition of ensuring the temperature at the surface, which allows to obtain the most favorable conditions for shear deformation and dynamic recrystallization, and temperature in the axial zone, not higher than the temperature of the onset of collective recrystallization.