Технология изготовления прутков круглого профиля из жаропрочных сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.669.018.4

Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, А. А. Войтенко

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРУТКОВ КРУГЛОГО ПРОФИЛЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

В работе разработаны основы профилирования (калибровки) валков и технология изготовления прутков круглого профиля из жаропрочных сплавов.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Отраслевыми стандартами предусмотрена прокатка прутков круглого профиля из жаропрочных сплавов диаметром до 20 мм. Однако, металлургическая промышленность прутки меньшего диаметра не выпускает, что связано со спецификой материала и малой их партионностью.

Для изготовления деталей авиадвигателя необходимы прутки с круглым профилем меньшего диаметра, применение которых уменьшает расход дорогостоящего материала и снижает трудоемкость их производства.

Значительный за последнее время рост цен на стали и сплавы, в том числе на жаропрочные, привел к тому, что составляющая затрат на материалы в производстве авиационных двигателей увеличилась в 2 раза, достигнув 60% [1]. Поэтому снижение себестоимости производства авиационных двигателей является актуальной и важной проблемой повышения их конкурентоспособности на мировом рынке.

Цель работы — разработка и исследование технологии изготовления прутков круглого профиля малых диаметров из жаропрочных сплавов.

Содержание и результаты исследований

Работы, связанные с разработкой технологии изготовления прутков круглого профиля малого диаметра методом прокатки из жаропрочных сплавов ХН77ТЮР, ХН73МБТЮ, ХН60ВТ, ХН38ВТ и др., выполнялись на существующем на ОАО «Мотор Сич» непрерывном трехпарном прокатном стане 280 [2]. Экспериментальные исследования разработанной технологии были направлены на определение ее рациональных параметров при изготовлении наиболее распространенных прутков диаметром 16,5; 14,5 и 12,0 мм, применяемых в процессе производства различных деталей авиационных ГТД, в том числе и рабочих лопаток компрессора.

Профилирование валков для указанных профилей проводили по схеме овал-круг (рис. 1, схема I). Несмотря на имеющиеся недостатки принятой схемы, связанные с малыми вытяжками

(отношение длины прутка до прокатки к длине прутка после прокатки), которые составляют 1,3......1,4; неравномерностью деформации по ширине профиля в овальном и круглом калибрах; неустойчивостью овала в круглом калибре; склонностью к образованию поверхностных дефектов в круглом калибре даже при незначительном избытке металла, выбранная схема наиболее приемлема для прокатки жаропрочных сплавов. В профилях, полученных прокаткой по принятой схеме, отсутствуют наведенные напряжения (чему способствуют форма калибров, обеспечивающая плавный переход одного профиля в другой, и равномерное охлаждение профиля после прокатки).

В практике существует несколько вариантов калибровки валков по схеме овал-круг (см. рис. 1) [3]. В случае применения исходного профиля, как наиболее экономичного и выгодного (круглые профили большего диаметра поставляются металлургической промышленностью), рассмотрим два правых ряда рис. 1. В варианте II применяются плоские овалы, облегчающие его удержание при задаче в круглый калибр, но при этом увеличивается неравномерность деформации. В вариантах Ш-1У может образовываться заусенец

1_ПГ_1

ТГ "VV

N

Рис. 1. Разновидности калибровки валков по схеме овал-круг

© Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, А. А. Войтенко, 2009 — 102 —

даже при незначительном переполнении круглого калибра. С учетом этого, профилирование валков проводилось по варианту I (см. рис. 1).

Калибровка валков проводится для каждого диаметра профиля в следующей последовательности: круг 20 мм прокатывали на круг 16,5 мм, круг 16,5 — на круг 14,5 мм и круг 14,5 — на круг 12,0 мм.

Калибровка валков рассчитывалась по средней, горячей величине диаметра с учетом допуска:

o ср г

do +

je , ,н do + do

(1 + a • t), (1)

F =П. A0 o 4 on ■

(2)

Тогда вытяжка в первом (овальном) и втором (круглом) калибрах, соответственно, определяется по формуле:

»1

Fo F

» 2

F.

(5)

где ; »2 — вытяжка, соответственно, в первом

и втором переходах, а их отношение, соответственно:

где do — номинальный диаметр профиля;

deQ , dH — диаметр профиля соответственно по

верхнему и нижнему пределу допуска;

a — коэффициент линейного расширения при температуре прокатки. (При нагреве сплава ХН77ТЮР до температуры 1000 °С a = 16,8-10-6); t — температура прокатываемого металла. Вытяжку между овалом и последующим кругом определяем с помощью метода описанных прямоугольников (рис. 2) [3].

Так как черновые круглые калибры в нашем случае не применяются, то считаем, что круглый калибр заполнен полностью и его площадь составляет

»2

Fo • F2

(6)

F

С учетом выражений (3......5) после преобразования постоянных величин выражение (6) примет вид:

_»_ = 5,55 (Aon ■ don)2 »2 1Ь-к\ 2 +h

(7)

Отношение вытяжек в калибрах сложной формы можно считать равными К• Кф , которое

получилось бы при прокатке не фактического профиля, а описанных прямоугольников:

2

где А0п — диаметр исходной круглой заготовки

с учетом выражения (1).

Тогда площадь предчистового овала будет [3]:

»2

= К АЬ • Кф =

(8)

^ 1 , i , m | 1 , , | , m i

F_ = _ • bon Ц2 + J 1= J •Ь • hl2 + hl, (3)

а площадь второго (круглого) калибра (также при условии его полного заполнения):

F2 =П • d2n.

(4)

где К аь — коэффициент относительных ушире-ний;

Кф — коэффициент форм.

К АЬ =

1 Aon • don ^ Ь • h

2

(9)

1Г

" t 1

_ Ь=Ьоп _

Рис. 2. Схема метода описанных прямоугольников для определения вытяжек в системе овал-круг

2

2

2

С учетом (9) отношение вытяжек (7) примет вид:

= 5 55 ( • аап2

2+т

И

2

(10)

Приняв К дь = 1 (так как переполнение калибра недопустимо) из выражения (8) с учетом (10), получим коэффициент формы калибра:

КФ =

5,55

(11)

т 2 + — И

где

И

степень притупления овала, определяе-

Я

т

2+

И Л 5,55

(12)

Окончательно определяем размеры предчис-тового овала (рис. 3) [3]. Высоту

И = 0,9* - ^ - ^)

(13)

где Б — средний диаметр исходной заготовки в горячем состоянии;

с1 — диаметр окончательного профиля (после овального калибра в горячем состоянии); Як — катающий радиус [4, выражение 12]; / — коэффициент трения.

Коэффициент трения по преобразованной формуле Экелунда для стальных валков выражается зависимостью:

/ = К1К2К3 (1,05 - 0,0005/)« 0,8,

где К1, К2, К3 — коэффициенты, учитывающие состояние поверхности материала валков (для стальных К1 = 0,9);

влияние скорости прокатки (при скорости прокатки до 2,5 м/с К2 = 0,1) [3, рис. 106];

легирующих элементов прокатываемого материала (для карбидообразующих материалов К3 = 1,6 ) [3, табл. 6]);

t — температура прокатываемого металла ^ = 1000 °С).

Определяем по формулам:

ширину овала: Ь = -

3Я

мая по графику [3, рис. 210] в зависимости от диаметра получаемого круга (16,66 и 14,63 мм).

На основании известных зависимостей (2 и 4) по выражению (6) с учетом (11) окончательно определяем площадь овала:

и| 2+т

п Ь2 + (И - т)2

радиус овала: К =--г^—

4(И - т)

(14)

(15)

где т = 0,2А.

После определения параметров овального калибра выполняем проверочный расчет уширения в этом калибре:

дЬое =1,15

ДИ С ,, ДИ '

2Н„ И К 2/J ,

(16)

где ДИ — обжатие в овальном калибре, определенное по методу соответственной полосы:

ДИ = -°-

1

А„

Н Ро Но = ~

оп

1

Я

------ —/-----

Н я,

Рис. 3. Калибровка валков для прокатки круглого профиля

2

т

И

Ь

После определения уширения, в случае переполнения овального калибра, производим уточнение его параметров. Третий (круглый) калибр (см. рис. 3) является калибрующим и его размеры соответствуют размерам второго (круглого) калибра, но только с горизонтальным разъемом валков.

Данные расчета и уточненные значения полученных величин приведены в таблице 1, а на рис. 3 и в таблице 2 — калибровка валков для прокатки прутков диаметрами 16,5; 14,5 и 12 мм.

Важным условием прокатки круглых профилей на непрерывном трехпарном стане 280, обеспечивающем качественное получение сортамента, является установление частоты вращения двигателей (валков), определенной по скоростям движения полосы.

Ввиду наличия опережения, скорости выхода полосы из валков изменяются и не совпадают с частотой вращения валков.

Согласование скоростей производим по выражениям (5......11) [2].

Для получения необходимой геометрии профиля рассчитанный скоростной режим прокатки может изменяться в пределах ±10%, а также в пределах ±0,4 мм производится настройка по высоте калибра (зазор по буртам).

Так как деформируемые жаропрочные сплавы имеют очень узкий температурный интервал деформации (например для сплавов ХН73МБТЮ он составляет 50 °С), то для получения требуемой структуры, механических свойств и геометрических размеров профиля важно строго выдерживать температуру начала и конца прокатки без ее существенной потери. Именно этим условиям наиболее отвечает стан 280 [2], в котором рабочие пары валков располагаются на близком расстоянии друг от друга, которое между осями соседних пар валков составляет 460 мм.

Прокатка каждого размера круга (16,5; 14,5 и 12 мм) выполняется в отдельном комплекте валков и проводок [2, рис. 6] с одного нагрева. Прутки длиной до 3000 мм (ограничения длины вызваны размерами оборудования) нагреваются в электрической печи разработки ОАО «Мотор Сич».

Разработанная калибровка валков и технология используется для изготовления прутков круглых профилей из жаропрочных сплавов ХН38ВТ, ХН77МБТЮ, ХН68ВМТЮК и др.

Металлургические исследования представленного ряда диаметров круглых прутков из жаропрочного сплава ХН77ТЮР, изготовленных прокаткой при температуре 1120 °С на стане 280, показали хорошие результаты, обусловленные благоприятными термомеханическими условиями пластической деформации. Перед металлургическими исследованиями сплав ХН77ТЮР проходил термообработку по двум режимам, связанными с различными требованиями к условиям работы крепежных деталей в составе изделия, например, для двигателя ТВ3-117СБМ по варианту 1, а для двигателей АИ-25ТЛ и Д436 — по варианту 2 (табл. 2).

Механические свойства (длительная и кратковременная прочности при высокой температуре) изготовленных прокаткой круглых прутков свидетельствуют о их преимуществе по сравнению с нормами стандарта поставщика (табл. 3, 4).

Сравнительные исследования длительной прочности прутков двух плавок, термообработан-ных по варианту 1, в состоянии поставки (до прокатки — круг диаметр 20 мм) и после прокатки (круг диаметром 16,5 мм) показали существенное увеличение этого показателя (табл. 5).

Макроструктура всех полученных профилей мелкозернистая, равномерная по всему сечению, что полностью соответствует требованиям, предъявляемым к работоспособности деталей (рис. 4).

Таблица 1 — Параметры калибров валков

Диаметр исходной заготовки, мм « ч к -е Площадь, мм2 Размеры предчистового (рис. 3) овала, мм мм

м с 2 т'Л г ,, й г у Й г р Высота Й1 Ширина ВК1 Радиус Катающий радиус Кк,

:5 Средний с учето! нагрева Диаметр получаемо мм +0 -( &

¡в ^ ч а н к 2 о К Средний кр о г о н ч о х с Овала о г о н ь л « £ ч н онк Ок т н е и я и о й Расчетный Фактический Расчетный Фактический Расчетный Фактический

20+1,0 -0,5 20,5 20,83 16,5 340,6 266,52 211,13 1,05 13,32 13,3 26,15 27,62 18,81 19,7 136,07

1 с+0,3 -0,5 16,4 16,66 14,5 217,88 176,8 162,78 1,10 13,72 12,5 18,86 19,81 11,97 11,97 134,16

14+0,3 -0,5 14,4 14,63 12 168,02 132,7 111,16 1,07 9,7 9,7 18,24 19,6 14,4 14,4 86,66

Таблица 2 — Режимы термообработки (ТО) прутков из сплава ХН77ТЮР

Вариант ТО Вид ТО Режимы ТО

Температура, °С Время, час

1 Закалка 1080 8

Старение 700 16

2 Закалка 1030 8

Старение 750 16

Таблица 3 — Кратковременная прочность прутков из сплава ХН77ТЮР

Варианты ТО Температура испытания, °С Диаметр прутка, мм Механические свойства

Предел прочности а в, МПа Относительное удлинение, 6, % Относительное сужение %

16,5 935... 998 24.27,8 36

700 14,5 875... 890 25,6.28 32.36

1 12,0 960.984 28.32 36,2.36,5

700 Норма ТУ поставщика > 750 > 15 > 20

Таблица 4 — Длительная прочность прутков из сплава ХН77ТЮР

Диаметр прутка, мм Вариант ТО Температура испытания, °С Приложенное напряжение, МПа Время выдержки до разрушения, час

16,5 1 700 460 123.203

2 550 800 233.237*

14,5 1 700 460 200

2 550 800 328*

12 1 700 460 143.198

2 550 800 261.315*

Нормы по ТУ 1 700 460 > 40

поставщика 2 550 800 > 50

* - образцы сняты с испытания

Таблица 5 — Сравнительная жаропрочность сплава ХН77ТЮР до и после прокатки

Состояние образца Температура испытания, °С Приложенное напряжение, МПа Условный номер плавки Время выдержки до разрушения, час

В состоянии поставки (до 700 46 1 23.32

прокатки) 2 42

После прокатки 700 46 1 50.66

2 81.94

Микроструктура прутков из сплава ХН77ТЮР представляет собой твердый раствор с карбидным и интерметаллидным упрочнением (рис. 5).

Результаты работы

Разработаны калибровка валков и технология изготовления прокаткой прутков круглых профилей из жаропрочных сплавов, которые позволили не только формообразовать прутки меньших диаметров, но и обеспечить их высокие механические свойства и качественную структуру, соответствующие высоким требованиям, предъявляемым к работоспособности деталей авиадвигателя (рис.6).

Перспективы дальнейших разработок

В связи с дороговизной используемых материалов, целесообразно исследовать потребности авиадвигателестроительной отрасли в прутках диаметром менее 12 мм и, при необходимости, разработать прогрессивную технологию их изготовления.

Выводы

Разработанные калибровка инструмента и технология изготовления прутков из жаропрочных сплавов диаметром 16,5; 14,5 и 12 мм позволили

в 1,5......2,8 раза снизить расход дорогостоящего

материала и существенно уменьшить трудоемкость изготовления деталей авиадвигателя.

Круг 016,5 мм

Круг 014,5 мм и 12 мм

-g-

■»г jA

-Tilff^'i" || [ ' дЛ*,

ъжтт

■- .- • г :: К

- Ш^-Мш

а б

Рис. 4. Макроструктура прутков из сплава ХН77ТЮР-ВД, термообработанная по варианту 1(а) и варианту 2(б)

а б

Рис. 5. Микроструктура прутков из сплава ХН77ТЮР-ВД, термообработанная по варианту 1(а) и варианту 2(б); х 100

Рис. 6. Прутки из жаропрочных сплавов, изготовленные прокаткой

Перечень ссылок

1. Чуйко В. М. «10-й Международный салон «Двигатели-2008» станет крупным событием» / В. М. Чуйко // Новости десятого меж-

дународного салона «Двигатели-2008». — Изд-во газеты «Аэромедия». — 2008.— № 1.

2. Прогрессивная технология изготовления профильных кольцевых заготовок для авиационных газотурбинных двигателей / [Ю. С. Кре-санов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, А. А. Вой-тенко] // Вестник двигателестроения. — 2007. — № 1. — С. 116—125.

3. Бахтинов Б. П., Штернов М. М. Калибровка прокатных валков / Б. П. Бахтинов, М. М. Штернов. — М. : Металлургиздат, 1953. — 783 с.

4. Кресанов Ю. С. Аналитическое определение катающего радиуса при прокатке в калибрах с заусенцем / Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан // Вестник двигателестроения. — 2006. — № 4. — С. 80—82.

Поступила в редакцию 29.12.2008

У po6omi розроблено основы профыювання (к^брування) валтв i технологiя виготов-лення прутшв круглого профыю з жаромщних сплавiв.

The article sets out the fundamentals of roller contouring/calibration, as well as the technology of manufacturing circular section bars made of heat-resistant alloys.