Разработка технологии производства нержавеющей пружинной проволоки с повышенными потребительскими свойствами

Высокопрочная нержавеющая проволока является широко распространенным материалом для изготовления пружин, армирования композиционных материалов (армирования листов из сплавов алюминия и магния), изготовления торсионов вертолета, применяется в производстве медицинского инструмента (атравматические иглы, эндоскопы). Для повышения качества подобных изделий необходимо, чтобы прочностные показатели нержавеющей проволоки были реализованы с максимальной эффективностью. Несоответствие между конструкционной прочностью и прочностью материала, определенного на образце проволоки, зависит от формы, размеров и технологии изготовления проволоки и изделия. Конструкционная прочность — комплексное понятие, являющееся сочетанием прочности, надежности и долговечности [1].

Высокая конструкционная прочность проволоки достигается, если обеспечен нужный комплекс ее физико-механических свойств. Для пружинной проволоки это высокие значения временного сопротивления разрыву, предела упругости и усталостной прочности, релаксационной стойкости в сочетании с достаточным уровнем пластических свойств.

Анализ технологии производства высокопрочной нержавеющей проволоки показывает, что в этой области имеются еще значительные резервы повышения ее конструкционной прочности, а, следовательно, и качества пружин.

В качестве материала для изготовления пружинной проволоки в последние годы используются новые нержавеющие пружинные хромо-марганцевые и хромо-марганцево-никелевые стали с улучшенными свойствами за счет комплексного легирования азотом, кремнием, углеродом, ванадием и молибденом. Это аустенитные стали с нестабильным аустенитом (кроме 1ЭХ18Н10ГЗС2М2), так как в процессе пластической деформации наблюдаются фазовые превращения [2]. Свойства проволоки из этих сталей зависят не только от состава стали, но в значительной степени от технологии волочения и режимов обработки проволоки на готовом размере. Формирование конструкционной прочности при изготовлении пружинной проволоки происходит на всех стадиях технологии ее производства на базе свойств самой стали, а сочетание необходимых свойств достигается обоснованным выбором режимов операций на каждом переделе. В связи с этим представляется актуальной разработка технологии производства проволоки из сложнолегированных нержавеющих сталей Х18АГ12С2Б, 12Х17Н8Г2С2МФ, 18Х15Н6АМЗ, 1ЭХ18Н10ГЗС2М2 с целью создания проволоки для изготовления пружин и других изделий, обладающей сочетанием свойств, обеспечивающих высокие нагрузочные характеристики, надежность и долговечность изделий. Для этого необходимо изучить основные закономерности изменения свойств проволоки от технологических факторов и на основе этого определить необходимые методы расчета параметров технологии производства проволоки применительно к каждой марке сталиэкспериментально и в производственных условиях проверить эффективность разработанной технологии, оценить ее влияние на конечные свойства и эксплуатационные показатели пружинной проволоки повышенной прочности.

Теоретическую новизну и практическую значимость работы характеризуют следующие положения:

— Исследовано влияние степени деформации при волочении и температуры отпуска на свойства проволоки из сталей Х18АГ12С2Б, 12Х17Н8Г2С2МФ, 18Х15Н6АМЗ, 13Х18Н10ГЗС2М2- предложены методы расчета упрочнения.

— Разработаны методы расчета параметров волочения проволоки из нержавеющих сталей и выбора режимов обжатий по маршруту.

— Разработана технология производства высокопрочной нержавеющей пружинной проволоки из выбранных марок сталей. 7.

— Технология производства проволоки из сталей Х18АГ12С2Б, 12X17Н8Г2С2МФ, 18Х15Н6АМЗ, ВХ18Н10ГЗС2М2 внедрена на ОАО «Белметкомбинат».

Выводы.

На основании исследований, результаты которых изложены в настоящей главе, можно сделать выводы.

— Нагрев холоднодеформированной проволоки в процессе волочения достигает значительных температур, которые можно рассчитать по предложенной методике. Ввиду неопределенности процесса охлаждения проволоки при волочении, целесообразно производить максимальную степень охлаждения волок и барабанов, а особенно, самой проволоки, т.к. кратковременный нао грев до температуры 500 С оказывает положительное влияние, а дальнейшее повышение температуры и времени выдержки ухудшает ее свойства. Предпочтительным является волочение на жидкой смазке и прямое охлаждение проволоки на чистовом барабане.

— Дополнительное регулирование свойств проволоки возможно производить за счет отпуска проволоки на готовом размере. Максимальный прирост прочности и лучшее сочетание прочностных и пластических свойств наблюо дается при температуре 400−500 С.

— Степень деформации перед отпуском рекомендуется Ц = 2,5−5,0.

— Пластическая деформация ускоряет процесс старения, способствует равномерному распределению выделений избыточной фазы при старении. Хотя выделения избыточной фазы отрицательно влияют на пластические свойства и коррозионную стойкость проволоки, но при равномерном их распределении эффект отрицательного влияния снижается.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ НА УСТАЛОСТНЫЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА.

ПРОВОЛОКИ.

Нагрузочные характеристики пружин существенно зависят от упругих свойств материала. Сопротивление материала микропластической деформации (усталости и релаксации напряжений) после различных режимов пластической деформации и термической обработки, а также совместного воздействия температуры и деформации оценивается пределом упругости, который прямо указывает на величину напряжения, соответствующего определенной остаточной деформации [2,71].

На рис. 2.2−2.5 проведены кривые изменения временного сопротивления разрыву и предела упругости проволоки из исследуемых сталей в зависимости от степени деформации. Как и временное сопротивление разрыву, предел упругости растет с увеличением степени деформации. По временному сопротивлению разрыву и пределу упругости проволоки стали 04Х18АГ12С2Б, 18Х16Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МФ и 13Х18Н10ГЭС2М2 после обжатия на 6080% существенно превосходят проволоку из стали Х18Н9Т. Преимущество исследуемых сталей по указанным характеристикам связано с особенностями дислокационной структуры, формирующейся при пластической деформации. Особенности дислокационной структуры обусловлены более низким уровнем энергии дефектов упаковки аустенита, благодаря легированию этих сталей Мп,.

81. Кроме того, в сталях 12Х17Н8Г2С2МФ, 13Х18Н10ГЗС2М2, 18Х16Н6АМЗ ванадий и молибден повышают сопротивление большим и малым пластическим деформациям при испытаниях на усталость и релаксацию [2]. Последеформационный нагрев приводит к возрастанию временного сопротивления разрыву и предела упругости (см. рис. 4.3−4.7). Интенсивность прироста предела упругости в процессе нагрева выше, чем временного сопротивления разрыву. Повышение температуры нагрева проволоки выше 800 °C приводит к снижению предела упругости. Максимальное значение предела упругости достигается при 400−500 °С, и его значение выше, чем у проволоки из стали.

47 (э.

12Х18Н9Т. Усталостная прочность и релаксационная стойкость определяют надежность и долговечность службы пружин. Оценку усталостной прочности проволоки проводили по известной методике на основании данных сравнительных испытаний при определенных напряжениях на пробежной машине ПТ-2 (ГОСТ 2387) и путем знакопеременного кручения с изгибом [72,73]. Испытания на машине ПТ-2 проводили на роликах диаметром 120 мм при нагрузке, равной 10% разрывного усилия проволоки [72,74]. Проволоку для испытаний протягивали с обжатием 30, 60 и 90%. Испытания проволоки проводились в двух состояниях: после волочения и отпуска и в накопленном состоянии после волочения. Результаты испытаний (средние из пяти испытаний) приведены в табл. 5.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В настоящей работе разработка технологии производства нержавеющей пружинной проволоки рассматривалась как создание комплекса взаимосвязанных операций, суммарное воздействие которых обеспечивает получение повышенной конструкционной прочности. Исследованные марки стали, хотя и создавались с целью получения нержавеющих высокопрочных материалов, однако режимы исполнения технологических операций производства высокопрочной пружинной проволоки из сталей 04Х18АГ2С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МР, 13Х18Н10ГЭС2М2 были отработаны впервые. Это позволило получить проволоку высокой конструкционной прочности, намного превосходящей по свойствам проволоку из традиционно применяемой стали Х18Н10Т. Испытания пружин и изделий из этой проволоки, проведенные в условиях приближенных к условиям эксплуатации, показали преимущества нержавеющей проволоки из исследуемых сталей по всему комплексу свойств. Конкретные данные по технологии производства и свойствам проволоки приведены в табл. 6.5.

2. Изучение характера и механизмов упрочнения проволоки из исследуемых сталей позволили установить общие закономерности изменения свойств проволоки при волочении, высказать общую гипотезу упрочнения и получить необходимые математические зависимости повышения прочностных свойств от степени деформации.

Введение

показателя упрочнения ш = 1п — / 1п // о-. позволило получить эту зависимость в очень простом виде, а = (70}Лт и в дальнейшем эффективно использовать для анализа процесса волочения и расчетов технологического процесса. Обработка экспериментальных данных показывает, что характер зависимости ш — 1п |И для разных сталей имеет различие, что объясняется, главным образом, особенностями процессов, протекающих при деформации указанных сталей. В дальнейшем, по мере накопления данных, эти кривые позволят проводить прочностные расчеты при выборе маршрутов волочения. Полученные в настоящем исследовании кривые упрочнения для сложно легированных сталей показывают, что коэффициент упрочнения ш имеет максимальное значение в первой протяжке, а затем, по мере увеличения вытяжки, уменьшается. Подобный характер изменения упрочнения высказывался многими исследователями. Нам удалось показать, что это напрямую зависит от степени поглощения энергии металлом при деформации, в соответствии с физической природой пластической деформации при холодном волочении.

3. Проведен анализ процесса волочения с учетом предложенного закона упрочнения исследуемых сталей. Теоретический анализ позволил определить влияние упрочнения на все параметры волочения и получить расчетные формулы. Полученная формула для определения напряжения волочения.

Ьа вол = ша отражает влияние угла волоки, коэффициента трения, коэффициента упрочнения, прочности заготовки и позволяет анализировать реальный процесс. При различных допущениях эта формула превращается в формулы для определения напряжения известных авторов [59,60,64].

Анализ формулы позволил определить максимально допустимые вытяжки без учета трения, но с упрочнением и&trade- = — г^гпах.

— mj.

Определена максимальная вытяжка с учетом угла волоки, коэффициента трения и упрочнения тах 1 Л1/т.

V 1-т у наименьшее напряжение волочения достигается при Ш = -а или СС = агсс^.

Оптимальный угол волоки при волочении, обеспечивающий ш 7 где, а — оптимальный угол волокиГ — коэффициент трения при волоченииШкоэффициент упрочнения.

Напряжение волочения в идеальных условиях без внешнего трения, но с упрочнением: а виол = — (//т — !)• т.

Из этого следует, что.

Я = а" т + { с вол м ш.

1 ^.

Кмм) вол Ьш есть доля напряжения волочения, затраченная полезно, а 1- X — доля напряжения волочения, направленная на преодоление сил трения. На этом основании можно считать, что в зависимости от условий трения, на преодоление сил трения расходуется от 0,5 до 0,7 авол (табл. 3.3). Из формулы по определению показателя Ш следует, что только часть напряжения волочения (чистой работы деформации) расходуется на упрочнение, а остальная часть рассеивается в виде тепла нагрева. Изменение доли напряжения волочения или энергии, идущей на упрочнение при волочении без трения, определяется коэффициентами из табл. 4.3. На этом основании уточнены расчеты Р. Б. Красилыцикова [67,68] о распределении мощности волочения на упрочнение, внешнее трение, а также нагрев при волочении. Эти данные вносят значительные корректировки при расчетах нагрева проволоки.

Зависимость отношения напряжения волочения к прочности переднего конца проволоки Кв от т,? а и |Д приведена в табл. 3.4. Из рис. 3.5 следует, что для принятых в промышленности условий волочения Кв «0,5.

Для приближенных расчетов усилия волочения предложена формула т.

Показатель упрочнения Ш можно принимать по экспериментальным данным (например, см. рис. 2.15).

4. Исследовано влияние нагрева проволоки при волочении. Показано, что оптимальными условиями являются те, при которых прирост прочности при волочении соответствует величине прироста напряжения волочения от сил трения. Это соотношение в процессе волочения редко соблюдается при анализе ш, а процесса волочения.

Введение

понятия оптимальной вытяжки при позволяет однозначно определить долю работы, идущей на нагрев проволоки, преодоление сил внешнего трения и упрочнения. Мощность волочения, идущая на нагрев проволоки, составляет нагрев = ^" вол ^ ' где X — доля напряжения волочения без трения;

Г| - доля напряжения волочения, идущая на упрочнениеРк — конечное сечение проволокиV — скорость волочения.

Результаты расчета нагрева проволоки при волочении существенно отличаются от данных, рассчитанных по методике Красилыцикова Р. Б. [67,68]. Сравнение расчетных температур нагрева проволоки с данными экспериментов показывают их достаточно хорошее совпадение. Эта методика может быть принята для расчета температуры проволоки по маршруту волочения. Учитывая, что процесс нагрева близок к адиабатическому, и разницу в условиях нагрева в первых и последних протяжках, а также количество энергии волочения, превращающейся в тепло по различным протяжкам маршрута, показано, что на свойства проволоки главное влияние оказывает скорость охлаждения проволоки на конечных протяжках.

5. В целях обоснования параметров технологии производства проволоки из указанных марок сталей проведены следующие исследования, которые определили особенности технологии и свойства проволоки из сталей 04X18А12С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н10ГЗС2М2.

Исследовано влияние закалки и закалки с отпуском на структуру и свойства заготовки. Установлено, что отпуск закаленной заготовки положительно влияет на пластичность при волочении заготовки и свойства готовой проволоки.

Исследованы закономерности фазовых превращений и свойств проволоки при волочении с разными степенями деформации. Установлены закономерности изменения прочностных и пластических характеристик проволоки в широком диапазоне обжатий (вытяжек).

Исследовано влияние отпуска на готовом размере и влияние его на характеристики, определяющие конструкционную прочность проволоки, полученной по различным технологическим вариантам.

Исследовано влияние сочетания технологических факторов на такие свойства проволоки, как предел упругости (ао, 05)> предел выносливости и релаксационную стойкость, которые определяют характеристики, надежность и долговечность пружин.

6. Технология производства проволоки повышенной конструкционной прочности из сталей 04Х18А12С2Б, 18Х15Н6АМЗ, 12Х17Н8Г2С2МФ, и 13Х18М10ГЗС2М2 внедрена на ОАО «Белметкомбинат». В процессе освоения технологии доказана возможность получения нержавеющей высокопрочной пружинной проволоки с рациональным сочетанием свойств. На производство проволоки из этих сталей разработана нормативно-техническая документация. Освоение технологии производства проволоки повышенной конструкционной прочности позволило: создать конструкционный материал для высоконагруженных теплостойких пружин тормозной аппаратуры большегрузных автомобилей, пружин клапана двигателя, пружин водяного насоса, пружин плунжеров, имеющих высокую релаксационную стойкость и надежность до 450 °C. Эти.