способ термодеформационной обработки прутков из хромовой бронзы

Формула изобретения

Способ термодеформационной обработки прутковых заготовок из хромовой бронзы, полученных путем резки слитка полунепрерывного литья на заготовки, их нагрева под прессование и горячего прессования через матрицу с каналом, включающий закалку прутковых заготовок в воде, волочение закаленных заготовок до чистовых размеров готовых прутков и их старение, отличающийся тем, что закалку прутковых заготовок в воде осуществляют непосредственно после выхода их из канала матрицы с использованием теплоты, полученной металлом заготовок при нагреве под прессование и в процессе прессования.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое техническое решение относится к цветной металлургии, конкретно к проведению термодеформационной обработки прутков из хромовой бронзы, применяемых преимущественно в машиностроении в качестве электродов машин контактной сварки.

Известно, что группу хромовых бронз составляют двойные меднохромовые или более сложные хромсодержащие медные сплавы, легированные хромом до 1,2% [1]. Их упрочнение происходит после закалки, в процессе которой фиксируется пересыщенный твердый раствор легирующего компонента в основе сплава, и старения, в результате которого происходит распад твердого раствора с выделением дисперсных фаз-упрочнителей в виде хромсодержащих химических соединений [2]. Доля хромовых бронз в общем объеме производимых полуфабрикатов из низколегированных медных сплавов весьма значительна, причем наиболее широко используются двойные "медь-хром" и тройные "медь-хром-цирконий" сплавы, выпуск которых составляет около 80% объема производства всех хромовых бронз.

Хромовые бронзы двух вышеприведенных систем обладают уникальным сочетанием эксплуатационных свойств, что позволяет широко использовать изделия из них в теплообменных агрегатах, машинах сварки электросопротивлением, приборостроении, электротехнике, электронике и других отраслях. При этом оптимальное сочетание механических и электротехнических характеристик хромовых бронз, способствующее эффективному их применению, достигается посредством соответствующей термодеформационной обработки (далее - ТДО) полуфабрикатов в едином технологическом цикле, так как без применения ТДО свойства изделий из хромовых бронз значительно хуже [3, 4].

Наиболее важной механической характеристикой полуфабрикатов из этих бронз в виде прутков, предназначенных для изготовления из них электродов машин контактной сварки, является твердость. При этом согласно Европейскому стандарту BSEN12163:1998 [5] для этих изделий регламентирована твердость по Бринеллю и Виккерсу; российскими ТУ [7] регламентировано временное сопротивление разрыву. В соответствии с требованиями стандарта США ASTM B249 [6] прутки должны быть испытаны на твердость по Роквеллу, шкала В, т.е. путем вдавливания индентора (в виде шарика диаметром 1,588 мм) под действием стандартной нагрузки и число твердости согласно [6] должно быть не менее 75 HRB.

В последнее время сложилась тенденция ужесточения требований потребителей к характеристикам твердости и качеству поверхности прутков из хромовых бронз, и многие заказчики этого вида полуфабрикатов (как зарубежные, так и российские) устанавливают согласованные с изготовителем повышенные требования, касающиеся уровня твердости прутков по Роквеллу, шкала В, а также состояния их поверхности.

Известен способ ТДО прутков из меднохромового сплава CW105C по Европейскому стандарту BSEN12163:1998 [5]. Согласно способу-прототипу, относящемуся к изготовлению прутков диаметром от 4 до 80 мм, заготовку подвергают «термообработке на твердый раствор» (то есть закаливают), «деформируют в холодном состоянии» (то есть волочат) и подвергают «дисперсионному твердению» (то есть состаривают), таким образом получают «состояние материала Н135⁵⁾» согласно [5, табл.10]; здесь и далее в кавычки взяты термины, приведенные в [5]. После обработки, проведенной в соответствии с известным способом, прутки должны иметь твердость по Бринеллю 135-180 НВ; твердость по Виккерсу 140-185 HV, причем при испытании прутков на твердость «отпечаток получают на поперечном сечении изделия на середине между центральной осью и наружной поверхностью прутка», то есть на его торцевой поверхности. Приведенные числа твердости по Бринеллю и по Виккерсу соответствуют значениям твердости по Роквеллу, шкала В, равным 76,5-90 [9].

В качестве наиболее близкого аналога выбран способ ТДО изделий из хромовой бронзы [11], включающий закалку горячедеформированной заготовки, не менее чем двукратное волочение этой заготовки до предчистовых размеров и старение, причем операцию старения осуществляют после волочения заготовки до предчистовых размеров, после чего проводят чистовое волочение состаренной заготовки до готовых размеров с коэффициентом вытяжки 1,10...1,25.

Недостатком наиболее близкого аналога является то, что при получении твердости на торце образца не достигаются надлежащие значения твердости на его боковой поверхности, что подтверждено результатами статистически значимых опытов, проведенных в действующем производстве; эти результаты приведены далее на с.4 описания. Однако твердость боковой поверхности прутка является важной характеристикой с учетом следующих обстоятельств. Необходимость достижения высокого уровня твердости именно на боковой поверхности прутка порождена условиями последующей эксплуатации изготовленного из него электрода, предназначенного для электроконтактной сварки: при сварке с использованием электрода в виде ролика предпочтительным является надлежащий уровень твердости именно на цилиндрической поверхности прутка, из которого будет изготовлен ролик; при сварке же с использованием электрода в виде стержня требуется твердость на торце.

Кроме того, многие российские и зарубежные потребители этой продукции требуют проводить контроль твердости как на торцевой, так и на боковой (цилиндрической - в случае круглых прутков) поверхностях, обосновывая это требование тем, что оно особенно важно не только для электродов контактной сварки в виде роликов, но также и для других деталей машин, при работе которых основные нагрузки испытывают цилиндрические поверхности (для круглых прутков) или боковые граненые поверхности (для многогранных прутков). Вместе с тем ни в одном российском или зарубежном нормативном документе не приведены требования, касающиеся изменения твердости на боковой поверхности прутков.

Другим недостатком наиболее близкого аналога являются трудности, связанные с необходимостью контроля твердости на торцевой поверхности прутков самых малых размеров (диаметром менее 10 мм) с учетом вышеуказанного требования по BSEN12163, касающегося расположения отпечатка - «на середине между центральной осью и наружной поверхностью прутка». Еще более жесткие требования по расположению отпечатков налагает российский ГОСТ 9013-59 [8]. При контроле твердости по Роквеллу, шкала В, который проводят на торце образца согласно ГОСТ 9013-59 [8] необходимо иметь наличие трех отпечатков с последующим усреднением полученных числовых данных. При этом по [8] расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4-х диаметров отпечатков, и, кроме того, расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка.

Простой расчет показывает, что при диаметре отпечатка, равном ˜1 мм (это значение соответствует регламентированному нижнему пределу твердости, равному 75 HRB), минимальный диаметр цилиндрического образца с учетом условий измерения по [8] твердости на его торце составляет 8,46 мм. При неизбежных погрешностях, возникающих в реальном производстве, это значение следует увеличить как минимум на 15-20%, и тогда минимальный диаметр образца, для которого измерение твердости на торце явится достаточно надежным (а, следовательно, и достоверным), составит около 10 мм. С учетом изложенного можно сделать вывод о непреодолимых трудностях, возникающих при необходимости измерения твердости на торцевой поверхности прутов диаметром менее 10 мм, изготовление которых предусмотрено ТУ48-21-408-86 [10] (минимальный диаметр 8 мм), а также Европейским стандартом BSEN 12163:1998 [5] (минимальный диаметр 4 мм).

Задачей предлагаемого технического решения является повышение твердости по Роквеллу не менее чем на 3-5 единиц на боковой поверхности закаленных, протянутых до чистовых размеров и состаренных прутков из хромовой бронзы.

Указанная задача решается тем, что в отличие от известного способа термодеформационной обработки прутковых заготовок из хромовой бронзы, полученных путем резки слитка полунепрерывного литья на заготовки, их нагрева под прессование и горячего прессования через матрицу с каналом, включающего закалку прутковых заготовок в воде, волочение закаленных заготовок до чистовых размеров готовых прутков и их старение, согласно предлагаемому способу закалку прутковых заготовок в воде осуществляют непосредственно после выхода их из канала матрицы с использованием теплоты, полученной металлом заготовок при нагреве под прессование и в процессе прессования.

С учетом рассмотренных выше проблем с измерением твердости на торцевой поверхности прутков, особенно при малых их диаметрах, а также при необходимости использования прутков для изготовления сварочных электродов в виде роликов важным представляется достижение повышенной твердости именно на боковой поверхности прутков.

Однако в общем случае значения твердости HRB на торцевой и боковой поверхностях прутка различаются, что порождено следующими обстоятельствами. При нагреве горячепрессованной заготовки под закалку до температуры около 950°С в печи с окислительной атмосферой твердость на боковой поверхности готовых прутков в конечном итоге оказывается сниженной вследствие прохождения процесса диффузии кислорода, присутствующего в рабочем пространстве печи, в поверхностные слои заготовки, в результате чего происходит окисление хрома. Конкретно по статистическим производственным данным это снижение может достигать 3-5 единиц HRB, и тем самым минимальное абсолютное значение твердости на боковой поверхности может снизиться до 70 единиц, т.е. выходит за нормативный нижний уровень, равный 75 единицам. Для достижения надлежащих значений твердости (при ее регламентации на боковой поверхности прутка) они были повышены по отношению к числам твердости на торце прутка на указанные 3-5 единиц путем коррекции режимов ТДО, а именно посредством применения технологических приемов согласно предлагаемому способу, в котором предусмотрено совмещение операций прессования и закалки в воду, и тем самым исключено негативное влияние нагрева прутков в печи до закалочных температур на твердость их боковой поверхности. В итоге на боковой поверхности прутка получены значения твердости не менее 75+(3...5)=78-80 единиц, то есть норма стандарта гарантированно соблюдена. При нагревании до температуры около 450°С для проведения старения прутков их поверхностная твердость в принципе также может несколько снижаться, но весьма незначительно, поскольку процесс диффузии кислорода при этой температуре малоинтенсивен, и этим снижением в условиях практической деятельности можно пренебречь.

Таким образом, эффективность применения заявленного технического решения реализуется дважды: для прутков средних и крупных диаметров, предназначенных для изготовления из них сварочных электродов в виде роликов, для которых, с целью повышения их эксплуатационных характеристик, важно соблюдение твердости на боковой поверхности, и для прутков в малых (менее 10 мм) диаметров, для которых измерение твердости на торце является проблематичным, а на боковой поверхности осуществляется достаточно просто.

Примером конкретной реализации в производственных условиях предлагаемого технического решения является кратко изложенный ниже технологический цикл изготовления облагороженных (т.е. закаленных и состаренных) холоднотянутых прутков круглого поперечного сечения диаметром 12,7 мм из хромовой бронзы марки БрХ0,9.

Выплавку сплава производили в индукционной печи, снабженной разливочной коробкой, с использованием катодной меди и лигатуры медь-хром. Литье слитков диам. 163 мм выполняли при регламентированных температуре и скорости литья и давлении охлаждающей воды. После резки слитков на заготовки длиной 290 мм, обрезки литниковой и донной частей и шабровки поверхностных дефектов осуществляли их нагрев в газовой методической печи, прессование на ГГП усилием 35 МН и получение прессованной заготовки с последующим ее охлаждением на стеллаже пресса без закалки в воду, то есть согласно способу-прототипу. Прессование проводили с отделением рубашки толщиной до 3 мм, через матрицу из нимоника или из инструментальной стали.

После удаления прессутяжины, закалки и травления осуществляли волочение заготовки до готового диаметра на автоматизированной линии "Шумаг 6-20" в твердосплавные волоки со смазкой в виде смеси индустриального и растительного масел. Заготовку перед закалкой в воду нагревали до 950±30°С в электропечи с окислительной атмосферой, старение прутков проводили согласно технологическому регламенту.

Твердость по Роквеллу, шкала В, готовых изделий - круглых прутков диаметром 12,7 мм измеряли на их цилиндрической поверхности, для чего образцы указанных изделий длиной 30-40 мм укладывали горизонтально в призматические гнезда стальных подставок и в таком положении на цилиндрической поверхности образцов получали отпечатки индентора твердомера модели ТР5014. Полученные при этом испытании конкретные значения поверхностной твердости прутков, составляющие с учетом отмеченного выше их снижения вследствие частичного окисления хрома 75-78 HRB, можно было бы считать приемлемыми, однако с учетом неизбежных погрешностей, возникающих в условиях реального производства, для стабильного соответствия надлежащему уровню твердости (не менее 75 HRB) их повысили посредством изменения режимов ТДО.

Технологическая схема согласно предлагаемому способу отличалась от известной тем, что прессование с одновременной закалкой заготовки проводили на ГГП усилием 15 МН, снабженном водяной ванной; далее прутковые заготовки подвергали волочению до чистовых размеров и старили согласно регламенту. Образцы, отрезанные от прутков готового диаметра, контролировали на торцевой и цилиндрической поверхностях. Фактически определенные на боковой (цилиндрической) поверхности образцов значения твердости по Роквеллу, шкала В, повышенные путем коррекции технологических режимов ТДО, составили 78-83 HRB, что гарантированно соответствует требованиям нормативного документа. Дополнительно следует отметить, что измерение твердости, если его проводить согласно нормам по ГОСТ 9013-59 на торцах образцов малых диаметров (менее 10 мм), является практически неосуществимым.

Таким образом, указанная в формуле заявленного технического решения задача - повышение твердости на боковой поверхности прутков из хромовой бронзы после их ТДО - достигнута.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. ГОСТ 18175-78. Бронзы безоловянные обрабатываемые давлением. Марки. М.: Изд-во стандартов, 1991. 12 с. УДК 669.35:006.354. Группа В51.

2. Николаев А.К., Новиков А.И., Розенберг В.М. Хромовые бронзы. М.: Металлургия, 1983. 177 с.

3. Николаев А.К., Розенберг В.М. Сплавы для электродов контактной сварки. М.: Металлургия, 1978. 96 с.

4. Розенберг В.М., Николаев А.К. Цветные металлы, №8, 1972. С.65-70.

5. Европейский стандарт BSEN 12163: 1998. Медь и медные сплавы - пруток общего назначения. ICS 77.150.30.

6. ASTM В 249. Общие требования на деформируемые медные сплавы. Прутки, полосы, профили.

7. ТУ 48-21-163-83. Прутки хромовой бронзы. ОКП 18.4470. УДК 665-35: 26-422. Группа В55.

8. ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу. М.: Изд-во стандартов. 6 с. УДК 669.018.001.4:006.354. Группа В09.

9. Металлы. Справочник: Пер. с англ. / Под ред. Ю.П.Солнцева. СПб.: Изд-во ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", 2000. 614 с.

10. ТУ 48-21-408-86. Прутки хромовой бронзы круглого и шестигранного сечения. ОКП 18.5580.0. Группа В55.

11. Патент РФ №2239670 Способ термодеформационной обработки изделий из хромовой бронзы. 10.11.2004. Бюл.№31.