УДК 669.35:006.354
ПОВЫШЕНИЕ СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ МЕДНОХРОМОВЫХ ПРУТКОВ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕЖИМА ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ
© Железняк Лев Моисеевич, канд. техн. наук, e-mail: e.a.anderiukova@urfu.ru; Солдатов Станислав Александрович, e-mail: chip_undead@list.ru ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет». Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 10.12.2013 г.
Стабильные значения твердости на торцевой и цилиндрической поверхностях прутков, удовлетворяющие требованиям нормативных документов, достигнуты путем совмещения операции прессования прутковых заготовок и закалки их в воду непосредственно после выхода из канала матрицы. Это исключило отрицательное влияние нагрева прутков в печи перед закалкой на снижение твердости их цилиндрической поверхности.
Ключевые слова: хромовая бронза; пруток для электродов контактной сварки; твердость на торцевой и боковой поверхностях прутка; усовершенствованный режим термодеформационной обработки.
К группе хромовых бронз, как известно, относятся двойные Си-Сг или более сложные медные сплавы с содержанием хрома до 1,2% [1]. Доля полуфабрикатов из хромовых бронз в общем объеме продукции из низколегированных медных сплавов весьма высока; наиболее распространены двойные Си-Сг и тройные Си-Сг-2г сплавы, выпуск изделий из которых достигает порядка 80% объема всей продукции из хромовых бронз. Упрочняющая термообработка хромовых бронз состоит из закалки, фиксирующей пересыщенный твердый раствор легирующего в зерне меди, и старения, в процессе которого происходит распад твердого раствора с выделением дисперсных фаз-упрочнителей [2]. Важная особенность этих бронз - уникальное сочетание эксплуатационных характеристик, способствующее эффективному использованию изделий из них в различных отраслях машиностроения, электротехнике, приборостроении и др. Следует также отметить, что наиболее продуктивное их применение основано на оптимальном соотношении механических и электротехнических свойств, достигаемом термодеформационной обработкой (ТДО) полуфабрикатов, без которой свойства изделий из этих бронз значительно снижены [3, 4].
Доминирующей механической характеристикой меднохромовых прутков, предназначенных, в частности, для изготовления электродов машин электроконтактной сварки, является твердость. Согласно Европейскому стандарту ББ БЫ 12163:1998 [5] регламентирована твердость по Бринеллю и Виккерсу; российскими ТУ [6] установлено Я временное сопротивление разрыву. В соответствии с требованиями ^ Американского стандарта АБТМ Б249 [7] прутки должны быть ис-а пытаны на твердость по Роквеллу (шкала Б), т.е. путем вдавливания
^ индентора в форме стального шарика диам. 1,588 мм под действием
>.
с; <
^ * Здесь и далее в кавычки взяты термины из стандарта [5].
нормированной нагрузки, при этом число твердости должно быть не менее 75 ИЯВ [7].
Многие потребители прутков из хромовых бронз (как зарубежные, так и российские) устанавливают согласованные с изготовителями повышенные требования по твердости и качеству поверхности полуфабрикатов этого вида. Так, согласно одному из способов ТДО прутков из меднохромового сплава С^05 (его российский аналог - БрХ0,9), относящемуся к изготовлению прутков диам. 4-80 мм [5], заготовку подвергают «термообработке на твердый раствор»* (т.е. закаливают), «деформируют в холодном состоянии» (проводят волочение), «подвергают дисперсионному твердению» (состаривают) и, в конечном итоге, получают «состояние материала Н1355)» [5, табл. 10]. После такой обработки прутки должны иметь твердость по Бринеллю 135-180 НВ; твердость по Виккерсу 140185 ИУ, причем при определении твердости «отпечаток получают на поперечном сечении изделия (т.е. на его торцевой поверхности) на середине между центральной осью и наружной поверхностью прутка». Эти числа твердости по Бринеллю и по Виккерсу соответствуют значениям твердости по Роквеллу (шкала Б) 76,5-90 ИЯВ [8].
В соответствии с другим, ранее описанным [9] способом ТДО изделий из хромовой бронзы [10], предусмотрены: закалка горячедеформированной заготовки, не менее чем двукратное волочение закаленной заготовки до предчистовых размеров, старение предчистовой заготовки и чистовое волочение состаренной заготовки с коэффициентом вытяжки 1,10-1,25. Способ [9] отличается от дру-
гих, во-первых, порядком следования операций, а именно: старение проводят перед волочением на готовый диаметр прутка и, во-вторых, весьма умеренным коэффициентом вытяжки при чистовом волочении, принятым таковым вследствие деформации в отделочном проходе уже упрочненной старением заготовки.
Общим серьезным недостатком рассмотренных способов является то, что при получении достаточной твердости на торце образца не достигаются требуемые значения твердости его боковой (цилиндрической) поверхности, что подтверждается производственными данными, которые будут приведены ниже. Вместе с тем, необходимость достижения требуемого уровня твердости именно на боковой поверхности прутка диктуется условиями последующей эксплуатации изготовленного из него электрода для электроконтактной сварки: при сварке электродом в виде ролика предпочтительно иметь повышенную твердость на его цилиндрической поверхности, а при использовании электрода в виде стержня требуется соблюдение твердости на его торце. Дополнительно к этому условию ряд российских и зарубежных потребителей формулируют требование контроля твердости как на торцевой, так и на боковой поверхностях, обосновывая это требование тем, что оно важно не только для электродов электроконтактной сварки в виде роликов, но и в особенности для деталей машин, работающих в условиях, когда основные нагрузки приходятся на их цилиндрические или шестигранные поверхности. Здесь следует обратить внимание на следующие весьма значимые обстоятельства.
1. Ни в российских, ни в зарубежных нормативных документах не приведены требования, касающиеся измерения твердости на боковой поверхности прутков.
2. Знание твердости именно на боковой поверхности необходимо из-за практически невыполнимого требования ее контроля на торце прутков самых малых диаметров (менее 10 мм), например, «на середине между центральной осью и наружной поверхностью прутка» [5]. Еще более жесткое требование по расположению отпечатков предусматривает ГОСТ 9013-59 [11]: при контроле твердости по Роквеллу (шкала В) необходимо наличие трех отпечатков с последующим усреднением полученных числовых данных; при этом расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее их четырех диаметров, а расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка. Простой расчет показывает, что при
диаметре отпечатка порядка 1 мм (он соответствует нижнему пределу твердости 75 ИЯВ) минимальный диаметр цилиндрического образца, с учетом требований измерения твердости на его торце, согласно [11], составляет около 9,6 мм. Из этого следует вывод о непреодолимых трудностях, возникающих при необходимости измерения твердости на торце прутков диаметром менее 10 мм, требования к которым предъявляются как российским [12] (^т.п = 8 мм), так и европейским [5] = 4 мм) нормативными документами.
3. Дополнительная проблема заключается в различии величин твердости на торцевой и боковой поверхностях. Это различие возникает при нагреве горячепрессованной заготовки перед закалкой до температуры около 950 °С в печи с окислительной атмосферой. При этом твердость на боковой поверхности готовых прутков снижается вследствие процесса диффузии присутствующего в рабочем пространстве печи кислорода в поверхностные слои заготовки, и, как результат, происходит частичное окисление хрома. По статистическим производственным данным это снижение может достигать 3-5 ИЯВ, и минимальное значение твердости на боковой поверхности в принципе может понизиться до 70 ед., т.е. выйдет за нижний нормативный уровень (75 ИЯВ).
С целью повышения твердости не менее чем на 3-5 ИЯВ закаленных, состаренных и протянутых до готовых диаметров меднохромовых прутков, закалку горячепрессованных заготовок в воду осуществили непосредственно после их выхода из канала матрицы с использованием теплоты, полученной металлом при нагреве под прессование и в процессе прессования [13]. Путем применения такого технологического приема - совмещения операций прессования и закалки в воду - было исключено отрицательное влияние нагрева прутков в печи до закалочных температур на твердость их боковой поверхности, и ее величину удалось повысить на недостающие 3-5 ед. В итоге на боковой поверхности прутка получены значения твердости не менее 75 + (3-5) = 78-80 ед. Таким образом, повышение твердости на боковой поверхности прутков косвенным образом, но надежно гарантировало получение требуемых значений твердости также и на торцевой поверхности, так как ее определение на торце образцов самых малых диаметров в соответствии со стандартной методикой крайней сложно. При нагреве прутков до температуры около 450 °С для проведения операции старения их поверхностная твердость может незначительно снизиться, но поскольку процесс диффузии кислорода при этой
температуре малоинтенсивен, этим снижением на практике можно пренебречь.
В качестве примера конкретной реализации в производственных условиях применяемого ранее [9] и разработанного вновь [13] регламента ТДО, далее кратко представлен технологический цикл изготовления прутков диам. 12,7 мм из хромовой бронзы марки БрХ0,9.
Слитки полунепрерывного литья диам. 163 мм резали на заготовки длиной 290 мм, обрезали литниковую и донную части, удаляли поверхностные дефекты и нагревали заготовки в газовой методической печи. Затем их прессовали на горизонтальном гидравлическом прессе (ГГП) усилием 35 МН с последующим охлаждением прессованной заготовки на стеллаже пресса без закалки, т.е. прежним способом [9]. После удаления пресс-утяжины, закалки, травления, промывки и сушки осуществляли волочение заготовки до готового диаметра на автоматизированной линии «Шумаг 6-20». Заготовки перед закалкой в воду нагревали до 950±30 °С в электропечи без защитной атмосферы, старение проводили согласно действую
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.