Способ получения высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров

 

Изобретение относится к области машиностроения. При получении высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров осуществляют термическую обработку, состоящую из цикла закалок и деформационного старения, изделий из мартенситностареющей стали на оправках. Изделия устанавливают с зазором на стойку, составленную из n-го количества оправок из аустенитной стали. Изделия экранируют от наружного теплового потока нагревателя с помощью стальной трубы-экрана, установленной концентрично оправкам. Нагрев изделий на оправках до температуры закалки и старения, выдержку и последующее охлаждение изделий производят вместе с трубой-экраном в нагревательной камере в безокислительной среде. Изобретение позволяет прогнозировать поведение изделий при термической обработке и получать стабильные геометрические размеры изделий при обеспечении заданного уровня механических свойств.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термической обработки изделий из мартенситностареющих сталей для получения высоких прочностных характеристик в сочетании с точными размерами тонкостенных деталей и емкостей.

Известен, взятый в качестве прототипа, способ правки и получения высокой точности кольцевых изделий с дефектом формы с использованием термообработки, включающий установку кольца на полую оправку из материала, имеющего больший коэффициент линейного расширения, чем материал кольца и нагрев оправки с кольцом нагревателем, расположенным внутри оправки (SU 245825, С 21 D 9/40, 11.06.1969).

Недостатком известного способа, которым осуществляют правку кольцевых изделий, исправляя эллипсность или другой дефект формы, является невозможность получения геометрических размеров на очень тонкостенных изделиях с очень малыми допусками и высокими механическими свойствами.

Предлагаемым изобретением решается задача: снижение себестоимости изделий с одновременным снижением материальных и энергетических затрат на их производство, в результате существенного уменьшения процентного соотношения брака в числе готовых изделий.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, - прогнозируемость поведения изделий при термообработке, стабильное получение геометрических размеров изделий при обеспечении заданного уровня механических свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров, включающем термическую обработку изделий на оправках, осуществляют термическую обработку, состоящую из цикла закалок и деформационного старения изделий из мартенситностареющей стали, при этом изделия устанавливают с зазором на стойку, составленную из n-го количества оправок из аустенитной стали, и экранируют их от наружного теплового потока нагревателя с помощью стальной трубы-экрана, установленной концентрично оправкам, а нагрев изделий на оправках до температуры закалки и старения, выдержку и последующее охлаждение изделий производят вместе с трубой-экраном в нагревательной камере в безокислительной среде.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Предлагаемый способ реализуется с помощью промышленной вакуумной колпаковой электропечи или вакуумной печи элеваторного типа, где в качестве рабочей среду используется вакуум, но возможно использование инертного газа. В этих печах используется схема наружного обогрева оправок с изделиями.

Пример реализации способа получения высокопрочных стальных тонкостенных изделий точных геометрических размеров. Способ осуществляется термообработкой, а более конкретно, путем деформационного старения мартенситностарещей стали марки ЧС-35ВИ закаленных изделий типа "кольцо" и "сильфон" для роторов центрифуг с толщиной стенки 0,12-0,15 мм с целью формирования окончательной величины наружного диаметра 132^+0,04 мм.

На каждом этапе термообработки, состоящей из цикла закалок и старения изделия устанавливают с зазором на стойку, составленную из n-го количества оправок, концентрично со стойкой устанавливают экран, выполненный из стальной трубы. Количество оправок n определяется высотой рабочего пространства нагревательной камеры печи.

Производят нагрев системы "оправки-изделия-окран" до температуры, соответствующей технологической температуре закалки 830С. Процесс ведется в нагревательной камере в безокислительной среде - в вакууме, но возможен и другой вариант: нагрев в инертном газе. Затем производят выдержку при технологической температуре закалки и охлаждение системы "оправки-изделия-экран". Формирование размеров изделий осуществляется при последовательном чередовании: закалка, затем механическая обработка изделий (раскатка), а затем снова закалка и т.д. В рассматриваемом конкретном примере способа производят закалки с толщиной изделий 1,2; 0,35, 0,12 мм, закалку после формовки.

Окончательная термообработка, после которой заканчивается процесс формирования размеров изделий с обеспечением заданного уровня механических свойств заключается в старении закаленных изделий. Производят нагрев системы "оправки-изделия-экран" до технологической температуры старения мартенситностареющей стали ЧС-35ВИ. Процесс ведется в безокислительной среде - в вакууме (возможен другой вариант: нагрев в инертном газе). В процессе нагрева тепловой поток от нагревателя направлен к оси нагреваемой системы "оправки-изделия-экран". Так как оправки с изделиями находятся внутри экрана, то тепловой поток достигает его в первую очередь и, следовательно, нагрев начинается с него. Происходит как бы “затенение” стальной трубой-экраном тонкостенных изделий. Экран создает условия равномерного нагрева и позволяет получать идентичные значения температуры по высоте стойки из оправок с изделиями за счет высокой теплопроводности и симметричного расположения в нем оправок с изделиями. Кроме того, стальной экран, медленно нагреваясь, сам становится идеальным источником тепловой энергии, при этом плотность энергии уменьшается и скорость нагрева изделий и оправок выравнивается.

Процесс протекает при стабильных температурных показателях в любой точке. По мере прогрева, за счет линейного расширения стали, каждая оправка приходит в соприкосновение с изделием и обжимает его равномерно, сглаживая дефекты формы.

Изделие при этом, что очень важно, одинаково пластично по всему диаметру. С этого момента начинается процесс деформационного старения. При дальнейшем нагреве расширение всех звеньев стойки из оправок с изделиями идет одновременно, формируя геометрические размеры и механические свойства изделий.

После этапа нагрева идет этап выдержки стойки из оправок с изделиями при технологической температуре старения. После выдержки осуществляют охлаждение со скоростью, определяемой скоростью охлаждения печи. При выдержке и при охлаждении экран является удерживателем тепла внутри, которое убывает по мере охлаждения, и тем самым обеспечивает одинаковые условия охлаждения изделий на оправках по высоте. Освобождение изделий от плотной посадки будет происходить одновременно, что благотворно влияет на геометрический размер изделия. Все вышеперечисленные факторы имеют важное значение, особенно на заключительном этапе термообработки - на этапе процесса старения.

Использование заявляемого способа, заключающегося в проведении термообработки на аустенитных оправках, расположенных вместе с изделиями внутри стальной трубы-экрана позволяет получить геометрические размере изделий при обеспечении заданного уровня механических свойств в соответствии с требованиями конструкторской документации при закалке и старении тонкостенных изделий “кольцо” и “сильфон” из мартенситностареющей стали ЧС-35ВИ.

Формула изобретения

Способ получения высокопрочных тонкостенных стальных изделий точных геометрических размеров, включающий термическую обработку изделий на оправках, отличающийся тем, что осуществляют термическую обработку, состоящую из цикла закалок и деформационного старения изделий из мартенситностареющей стали, при этом изделия устанавливают с зазором на стойку, составленную из n-го количества оправок из аустенитной стали, и экранируют их от наружного теплового потока нагревателя с помощью стальной трубы-экрана, установленной концентрично оправкам, а нагрев изделий на оправках до температуры закалки и старения, выдержку и последующее охлаждение изделий производят вместе с трубой-экраном в нагревательной камере в безокислительной среде.