Способ изготовления стальных компрессионных и маслосъемных поршневых колец

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении стальных поршневых колец из проволоки.

Известен способ изготовления стальных компрессионных поршневых колец, включающий предварительный рекристаллизационный отжиг проволоки при температуре на 10-20°С ниже точки Ac₁ в течение 1 ч, деформационное упрочнение проволоки протягиванием с обжатием 70-75% через профильные волочильные ролики, отпуск полученного профиля при температуре 500°С в течение 1 ч и навивку полученного профиля на оправку с натяжением. После этого профиль стального компрессионного поршневого кольца подвергают термостабилизационному отпуску при температуре 550°С в течение 1 ч для динамического старения под нагрузкой и полигонизации, а затем осуществляют разрезку на оправке профиля на отдельные стальные компрессионные поршневые кольца (патент RU 2341362, МПК⁸ В23Р 15/06, B21F 37/02, С21D 8/06).

Однако эксплуатационная стойкость получаемых компрессионных поршневых колец является недостаточно высокой, что обусловлено наличием возможности разрушения структуры стали и появления поверхностных трещин профиля вследствие высокой степени холодной деформации проволоки, составляющей 70-75%.

Известен способ изготовления стальных маслосъемных поршневых колец, заключающийся в том, что осуществляют пять деформационных упрочнений проволоки путем ее протягивания через профильные волочильные ролики с соответствующими обжатиями 35-40%, 20-25%, 10-15%, 15-20%, 6-8%, рекристаллизационный отпуск проволоки после первого и третьего деформационных упрочнений при температуре 660-680°С в течение 1 ч. При этом перед первым деформационным упрочнением проволоки производят ее очистку в электролитной плазме с одновременным подогревом до 80-100°С при движении проволоки к профильным волочильным роликам, а после пятого деформационного упрочнения выполняют пробивку перфорированных пазов на проволоке и производят навивку на оправку, которую осуществляют с натяжением с образованием профиля маслосъемного поршневого кольца. Затем производят термофиксацию профиля маслосъемного поршневого кольца на оправке при температуре 500°С в течение 1 ч и его разрезку на оправке на отдельные кольца, которые устанавливают в гильзу, в которой осуществляют термостабилизацию при температуре 500°С в течение 1 ч (патент RU 2318645, МПК⁸ В23Р 15/06).

Основным недостатком вышеописанного способа является исчерпаемость пластичности получаемых стальных маслосъемных поршневых колец, обусловленная высокими деформационными упрочнениями при пятикратном протягивании проволоки через профильные волочильные ролики, что сопровождается появлением микротрещин в сложнолегированных карбидообразующих сталях Х12МФ, Х12Ф1, Х6 ВФ, 40Х13, применяемых для изготовления поршневых колец, а также преждевременным выходом из строя профильных волочильных роликов с образованием сколов и выкрашиваний.

Задачей изобретения является повышение пластичности получаемых стальных компрессионных и маслосъемных поршневых колец без нарушения сплошности при сохранении высоких эксплуатационных свойств.

Для решения поставленной задачи способ изготовления стальных компрессионных и маслосъемных поршневых колец включает предварительный нагрев стальной проволоки до температуры, на 250-300°С превышающей Ас₃, деформационное упрочнение проволоки путем ее протягивания через профильные волочильные ролики в интервале температур мартенситного превращения М_н-М_к с обжатием, навивку полученного профиля на оправку, термофиксацию навитого профиля на оправке при температуре 350-400°С в течение 1 часа, разрезку навитого профиля на оправке на отдельные кольца, которые устанавливают в гильзу и подвергают термостабилизации при температуре 560-580°С в течение 30 мин.

При изготовлении стальных маслосъемных поршневых колец после деформационного упрочнения проволоки пробивкой выполняют перфорированные пазы и осуществляют калибровку.

Деформационное упрочнение в интервале температур мартенситного превращения М_н-М_к сопровождается повышенной деформируемостью вследствие эффекта сверхпластичности (Куйбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов / О.А.Куйбышев. - М.: Металлургия, 1975. - С.211-236). Однако если аномальная пластичность обусловлена мартенситным превращением, оно само по себе не является механизмом пластического течения. Максимальное удлинение наблюдается лишь в том случае, когда образованию мартенсита предшествует значительная пластическая деформация исходной фазы.

При исследовании процессов, происходящих при термомеханической обработке сталей, было обнаружено, что в углеродсодержащих легированных сталях в процессе теплой прокатки ниже температуры рекристаллизации могут выделяться карбиды. Выделение легированных карбидов приводит к обеднению твердого раствора легирующими элементами и соответственно к сдвигу точек М_н и М_д в область более высоких температур. Высокая прочность сталей, подвергнутых термомеханической обработке, обеспечивается двумя основными причинами: высокой плотностью дислокаций, закрепленных карбидными выделениями, и последующим мартенситным превращением в ходе нагружения. Таким образом, сверхпластичность является результатом совместного действия различных механизмов пластической деформации - скольжения, двойникования и мартенситного превращения (Zackay V.F., Parker E.R., Fahr D.D., Busch. - «Trans. ASM», 1967, v.60, № 1, р.252-258).

Повышение пластичности нагруженных стальных поршневых колец под действием фазовых превращений как диффузионных, так и сдвиговых исключает возникновение трещин при деформации (Пресняков А.А. Сверхпластичность металлов и сплавов / А.А.Пресняков. - Алма-Ата, Наука, 1969. - С.140-145). Во избежание образования трещин деформационное упрочнение и навивку на оправку полученного профиля выполняют последовательно, так как «свежий» мартенсит деформации отличается весьма низким сопротивлением малым пластическим деформациям. Эта особенность свойств свежезакаленной стали связана с тем, что системы дислокации, возникшие при мартенситном превращении и создающие сильные поля макро- и микронапряжений, слабо закреплены, а потому неустойчивы и могут перестраиваться самопроизвольно еще до распада мартенсита в результате релаксации внутренних напряжений под воздействием даже весьма небольших внешних усилий (McEvely A.J., Cu R.C., Johnston T.L. Trang. AJNE, 1966, v.236, №1, p.108).

Предварительный нагрев проволоки выше Ас₃ на 250-300°С необходим для растворения легирующих элементов при получении однородной аустенитной структуры стали. Нагрев проволоки до температуры менее 250°С недостаточен для растворения легирующих элементов в стали, а нагрев проволоки при температуре выше Ас₃ на 300°С нецелесообразен.

Термофиксация профиля кольца на оправке при температуре 350-400°С сопровождается равномерным распределением карбидной фазы Fe₃C в объеме зерна, что благоприятно сказывается на распределение специальных карбидов Cr₂₃C₆ и Cr₇C₃ при температурах термостабилизации 560-580°С в течение 30 мин (Геллер Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А.Геллер. - М.: Металлургия, 1975. - С.158, 294-298, 435-436), так как выделение дисперсных карбидов хрома упрочняет аустенитную матрицу и блокирует движение дислокации. Термофиксация профиля кольца на оправке при температуре менее 350°С недостаточна для интенсивного выделения мелкодисперсных карбидов цементитного типа (Fe,Cr)₃С. Термофиксация профиля кольца на оправке при температуре более 400°С сопровождается коагуляцией, то есть укрупнением карбидной фазы.

При температуре термостабилизации ниже 560°С происходит коагуляция цементитного карбида (FeC)₃С, тогда как в интервале температур термостабилизации 560-580°С образуются карбиды хрома по реакции (Fe₁C₂)₃С→Cr₂₃C₆→Cr₇C₃. Повышение температуры термостабилизации более 580°С сопровождается коагуляцией карбидов хрома, понижающей пластичность стальных поршневых колец.

Время термостабилизации стальных поршневых колец в гильзе, составляющее 30 мин, является оптимальным для образования карбидов хрома Cr₂₃C₆, Cr₇C₃. Время термостабилизации стальных поршневых колец в гильзе, составляющее менее 30 мин, недостаточно для формирования карбидной фазы, а время термостабилизации стальных поршневых колец в гильзе, составляющее более 30 мин, приводит к коагуляции карбидов хрома.

Таким образом, в результате пластической деформации легированного аустенита в интервале мартенситного превращения достигается структура стали, состоящая из пластичной аустенитной фазы, в которой равномерно распределены карбиды хрома с высокой твердостью и мартенсит деформации, что определяет повышение пластичности получаемых стальных поршневых колец при сохранении высоких эксплуатационных свойств.

Способ изготовления стальных компрессионных и маслосъемных поршневых колец осуществляют следующим образом.

Предварительно проволоку из стали Х12ВМ нагревают при температуре выше Ас₃ на 275°С. Затем выполняют деформационное упрочнение проволоки при температуре мартенситного превращения М_н-М_к (от +20°С до -100°С) путем ее протягивания через профильные волочильные ролики с обжатием и навивку полученного профиля на оправку. При этом при изготовлении стальных маслосъемных поршневых колец после деформационного упрочнения проволоки выполняют пробивку перфорированных пазов и калибровку.

При изготовлении стальных компрессионных и маслосъемных поршневых колец термофиксацию профиля кольца на оправке ведут при температуре 375°С в течение 1 ч. После термофиксации выполняют разрезку профиля на оправке на отдельные кольца, устанавливают кольца в гильзу и осуществляют термостабилизацию при температуре 570°С в течение 30 мин.

Таким образом, получение профиля компрессионного или маслосъемного поршневого кольца выполняют за один проход с навивкой на оправку и термофиксацией.

Пример конкретного выполнения способа

Предварительно бухту проволоки, изготовленной из стали Х12М, помещают на разматывающее устройство, производят ее нагрев в индукторе при температуре выше Ас₃ на 275°С при движении проволоки. Проволоку охлаждают сжатым воздухом до комнатной температуры и производят деформационное упрочнение проволоки путем протягивания через профильные волочильные ролики в интервале температур мартенситного превращения М_н-М_к, с обжатием и навивки на барабан.

При изготовлении стальных маслосъемных поршневых колец после деформационного упрочнения выполняют пробивку перфорированных пазов и калибровку профиля.

Затем полученный профиль стального поршневого кольца наматывают на оправку, которую помещают в электропечь, и выполняют термофиксацию профиля кольца на оправке при температуре 375±25°С в течение одного часа, а затем осуществляют разрезку на оправке профиля стального поршневого кольца на отдельные кольца.

После термофиксации на оправке и разрезки стальные поршневые кольца помещают в гильзу, загружают гильзу в электропечь и в ней осуществляют термостабилизацию при температуре 570±10°С в течение 30 мин.

Проволоку можно изготавливать и из стали 20Х13 или 40Х13, или Х6ВФ, Х12ВМ, Х12Ф1, а нагревать ее можно также контактным электронагревом.

Предлагаемое изобретение позволяет изготовить стальные компрессионные и маслосъемные поршневые кольца из высоколегированных хромистых сталей после нагрева до аустенитного состояния для растворения в нем легирующих элементов и пластической деформации при протягивании проволоки через профильные волочильные ролики в интервале температур мартенситного превращения М_н-М_к, когда проявляется эффект сверхпластичности стали, что позволяет получить сложный профиль стальных поршневых колец без нарушения сплошности при сохранении высоких эксплуатационных свойств вследствие выделения карбидов хрома Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ в пластичной аустенитной матрице.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить пластичность получаемых стальных поршневых колец при высоких эксплуатационных свойствах.

1. Способ изготовления стальных компрессионных и маслосъемных поршневых колец, включающий предварительный нагрев стальной проволоки до температуры, на 250-300°С, превышающей Ас₃, деформационное упрочнение проволоки в интервале температур мартенситного превращения М_н-М_к путем ее протягивания через профильные волочильные ролики с обжатием, навивку полученного профиля на оправку, термофиксацию навитого профиля на оправке при температуре 350-400°С в течение 1 ч, разрезку навитого профиля на оправке на отдельные кольца, которые устанавливают в гильзу и подвергают термостабилизации при температуре 560-580°С в течение 30 мин.

2. Способ по п.1, в котором при изготовлении стальных маслосъемных поршневых колец после деформационного упрочнения проволоки пробивкой выполняют перфорированные пазы и осуществляют калибровку.