Использование скоростного электронагрева при термической обработке для повышения служебных характеристик деталей из титанового сплава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование скоростного электронагрева при термической обработке для повышения служебных характеристик деталей из титанового сплава

Гавзе А.Л., Гуляев А.М., Ивашко В.В.

Аннотация

УДК 669.295:621.785.545:620.17

Использование скоростного электронагрева при термической обработке для повышения служебных характеристик деталей из титанового сплава

Гавзе А.Л.¹, к. т. н., Гуляев А.М.¹, Ивашко В.В.², к. т. н.,

Gavze A.L., Gulyaev A.M., Ivashko V.V.,

garkal40@mail.ru

¹ Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт стали", г. Москва, Россия;

² Государственное научное учреждение "Физико-технический Институт Национальной академии наук Беларуси", г. Минск, Беларусь.

Приведены результаты влияния термической обработки с применением объёмного скоростного нагрева непосредственным пропусканием тока и поверхностного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ) на структуру, механические свойства и характеристики выносливости при циклическом изгибе и контактном нагружении образцов из титанового сплава марки ВТ3-1.

Ключевые слова: титановый сплав, термическая обработка, скоростной нагрев, механические свойства, структура, характеристики выносливости.

The paper contains the results of effect on structure by heat treatment using volume direct resistance fast heating and surface high-frequency heating, VT3-1 titanium alloy samples mechanical properties and fatigue data under cycling bending and contact loading.

Keywords: titanium alloy, heat treatment, fast heating, mechanical properties, fatigue data.

Содержание

Повышение надёжности и долговечности деталей ходовой части специальных транспортных машин является одной из актуальных задач отрасли. Важность этого направления разработок возрастает в связи с тем обстоятельством, что в целях снижения массы изделий для изготовления ряда высоконагруженных деталей используются титановые сплавы. При этом возникает необходимость разработки эффективных методов объёмного и поверхностного упрочнения деталей из титановых сплавов, работающих в условиях объёмного сложнонапряжённого состояния и контактного нагружения.

Известны различные методы повышения поверхностной твердости и износостойкости титановых сплавов: химико-термическая обработка, гальванические, химические и газотермические покрытия, легирование поверхностных слоев с применением электрических импульсов, лазерного и электронного облучения и т.п. Указанные методы в различной степени позволяют улучшить износостойкость и антифрикционные свойства титановых деталей, однако их применение вызывает ухудшение усталостных характеристик титановых сплавов при растяжении, изгибе и кручении и понижают их долговечность при циклическом контактном нагружении. Сравнительные лабораторные испытания различных способов поверхностного и объемного упрочнения титановых сплавов показали, что только применение упрочняющей термической обработки - закалки с последующим старением, позволяет повысить контактную усталостную долговечность в практически значимой степени. Однако использование при термическом упрочнении объемного печного нагрева под закалку приводит наряду с повышением прочностных характеристик к потере пластичности и ударной вязкости. Это в наибольшей степени относится к средне и крупногабаритным штамповкам при недостаточной проработке структуры в процессе горячей пластической деформации. В связи с вышеизложенным представляет интерес исследование возможности использования индукционного нагрева токами высокой частоты для поверхностного термического упрочнения деталей, включающих участки, являющиеся составляющими подшипниковых узлов. При этом повышение прочностных характеристик поверхностного слоя при сохранении вязкости и пластичности отожженного материала основного сечения должно обеспечить повышение работоспособности и надежности деталей, работающих в условиях контактно усталостного поверхностного нагружения и сложнонапряженного объемного состояния.

Указанное исследование включало изучение фазового состава, структуры, измерение твёрдости HRC, определение стандартных характеристик механических свойств при растяжении и статическом изгибе, и долговечности при циклическом изгибе и контактном нагружении образцов из титанового сплава ВТ 3-1, полученных из заготовок термически обработанных с применением как обычного, так и скоростного электронагрева. Кроме того, проведены оценки предельной нагрузки при статическом контактном нагружении и износостойкости при трении скольжения термически упрочнённых образцов.

Для оценки влияния скоростного нагрева на структуру и свойства исследуемого сплава был использован нагрев заготовок со скоростями 10°С/с, 25°С/с, 100°С/с и 300°С/с непосредственным пропусканием электрического тока промышленной частоты на установке электроконтактного нагрева мощностью 50квт. Это позволило обеспечить однородное структурное состояние исследуемых образцов по сечению и таким образом в "чистом" виде получить данные о свойствах материала подвергнутого скоростному нагреву. Кроме того, скоростной электроконтактный нагрев может использоваться как самостоятельная операция термической обработки длинномерных деталей или заготовок не большого сечения и в этой связи проводимые исследования являются весьма актуальными. термическая ток выносливость титановый

Для поверхностного индукционного нагрева ТВЧ использовали машинный генератор мощностью 100квт с частотой тока 8000 Гц и закалочный станок. Станок обеспечивал крепление и вращение прутков и образцов со скоростью 15 об/с и вертикальное перемещение относительно индуктора со скоростями 200-1000мм/мин. Нагрев и закалку поверхности прутков и образцов осуществляли непрерывно-последовательным способом с применением индуктора-спреера.

Результаты измерения твёрдости после закалки образцов диаметром 10мм нагретых непосредственным пропусканием тока с различными скоростями приведены на рис. 1.

Рис. 1. Изменение твёрдости сплава ВТ 3-1 в зависимости от температуры и скорости нагрева под закалку

Максимальное значение твёрдости 45-46 единиц НRC достигается при температуре закалки 1200єС.

Характер изменения твёрдости закалённых образцов после старения при температуре 500єС (рис. 2) отличается отсутствием провала твёрдости, связанного с образованием б"-фазы после закалки с температур 900-950єС, наблюдаемого на образцах, не подвергавшихся старению (рис. 1) и практически линейной зависимостью в интервале температур закалки до 800-1000єС. Максимальные значения твёрдости 50-52 единиц НRC.

Рис. 2. Влияние температуры и скорости нагрева под закалку на твёрдость сплава ВТ 3-1 после старения при 500°С, 4 ч

При анализе кинетики роста зерна отмечено, что при нагреве в (б+в)- -области роста зёрен не происходит. После нагрева выше 1030°С (рис. 3) наблюдается непрерывный рост размера в-зерна, зависящий от скорости нагрева. Аналогичное наблюдение было отмечено при скоростном нагреве образцов из сплавов ВТ 9 и ВТ 18 [1]. Таким образом термическая обработка с использованием скоростного нагрева позволяет сформировать в-превращенное зерно с регламентированным размером.

Рис. 3. Влияние температуры и скорости нагрева под закалку на величину зерна сплава ВТ 3-1

Исследовано влияние изменения скорости нагрева под закалку от 25°С/с до 250°С/с на механические свойства при растяжении образцов, предварительно отожженных при 950°С, и закалённых с температур в интервале 800-1100°С. Установлено, что увеличение скорости нагрева во всём интервале температур несколько (~5 %) понижает прочностные характеристики (у_в и у_0.2) и при закалке с температур ?1000°С заметно (до 40 %) повышает характеристики пластичности (д и ш).

Сравнение механических свойств при растяжении образцов, закалённых с температур в интервале 800-1100°С после печного и скоростного (50°С/с) нагрева и последующего старения при температуре 550°С в течении 4 час показало, что образцы после скоростного нагрева имеют более высокие характеристики пластичности, а при температурах закалки выше 900°С и прочностные характеристики выше чем после печного нагрева.

Значения предела пропорциональности при изгибе у_пц^изг, определённые по кривым "нагрузка-деформация" при трёхточечном изгибе цилиндрических образцов ш 22 мм составили для отожженных образцов 1655МПа, для термически упрочнённых с применением печного нагрева под закалку и последующего старения при 550°С, 4час 1975 МПа, для образцов с применением скоростного (50°С) объёмного электронагрева - 2200МПа при том же режиме старения.

Установлено положительное влияние скоростной электротермической обработки на характеристики усталости деталей из сплава ВТ 3-1. Сравнение средних долговечностей деталей диаметром 22 мм, испытанных в соответствии с ГОСТ 25.507-85 при знакопостоянном циклическом изгибе при у_max=1200 МПа и у_min=200 МПа после различных режимов термической обработки приведено в табл.1.

Таблица 1. Влияние режимов термической обработки на циклическую долговечность при знакопостоянном циклическом изгибе

Для оценки влияния упрочняющей термической обработки с применением скоростного нагрева на работоспособность сплава ВТ 3-1 в условиях контактного воздействия определяли предельную контактную нагрузку, соответствующую достижению напряжения текучести (у_S) при статическом нагружении, и долговечность при циклическом контактном нагружении (Nц).

Предельную контактную нагрузку определяли при вдавливании сферического индентора из твёрдого сплава в полированную плоскую поверхность испытуемого образца по перелому на зависимости диаметра отпечатка от удельной нагрузки. Данные о влиянии твёрдости на предельную удельную нагрузку образцов из сплава ВТ 3-1 после контактного нагрева со скоростью 25єC/с, закалки и старения представлены в табл. 2.

Следует отметить, что в связи с тем, что модуль упругости титанового сплава почти в два раза меньше, чем у стали, предельная нагрузка для титанового сплава выше чем у стали при одинаковом напряжении (у_S). Например, в диапазоне твёрдостей 40…50 HRC для пары "титановый сплав-твёрдый сплав" она в ~ 4,2 раза выше, чем для пары "сталь-твёрдый сплав".

Таблица 2. Предельная статическая контактная нагрузка образцов из сплава ВТ 3-1

Результаты определения средней долговечности при контактно-усталостном нагружении, проведённого на машинах МКВ-К при у_{z max} = 300 МПа, в соответствии с [2] приведены в таблице 3.

Сравнительную оценку износостойкости отожженных образцов и образцов, закалённых с использованием нагрева ТВЧ и подвергнутых старению при температуре 550°С проводили на машине трения по схеме ролик (из титанового сплава) - колодка из текстолита с подачей в зону трения масла МС 20. Результаты испытаний показали, что при удельной нагрузке до 6 МПа, интенсивность изнашивания термически упрочнённых образцов до 10 раз меньше, чем у отожженных.

Полученные экспериментальные результаты указывают на возможность повышения надёжности и долговечности подшипниковых узлов подвески, включающих детали из титанового сплава, подвергнутые поверхностной термической обработке с применением нагрева ТВЧ и деталей типа пальцев гусениц, закалённых после скоростного нагрева непосредственным пропусканием электрического тока промышленной частоты с последующим старением.

Таблица 3. Влияние режимов термической обработки на циклическую долговечность при контактном нагружении

Литература

1. Елагина Л.А., Гордиенко А.И., Ивашко В.В., Нейман А.Г. Влияние параметров ускоренного нагрева на величину в-зерна титановых сплавов ВТ 9, ВТ 18. //Технология лёгких сплавов, 1976, №4, с. 35-40.

2. Рекомендации Р 50-54-30-87. Расчёты и испытания на прочность. Методы испытаний на контактную усталость. Государственный комитет СССР по стандартам. Москва, 1988.

Размещено на Allbest.ru