Концепция ресурсосбережения с использованием машин и технологий обработки давлением

вие склонности к межкристаллитной коррозии. Поскольку в данных ТУ заложена марка 08Х18Н10Т, то в ней углерода не должно быть более 0,08 %, и обычно он держался на верхнем пределе, но чем он ниже, тем как бы для указанных испытаний лучше, но при содержании углерода, равном 0,04 % и ниже, высокотемпературные испытания по пределу текучести давали отрицательный результат. Забракованные трубы вылечили холодной прокаткой, перекатав их на другой размер, но для горячекатаных труб появилось негласное требование, чтобы содержание углерода было в пределах 0,05…0,08 %.

Также проводилась большая работа по лечению ранее упоминавшихся труб, так как трубы, сделанные по ТУ 14-3-197–89, и не прошедшие горячих механических испытаний, возможно было сдать как трубную заготовку, а после переработки ее в другие размеры посредством холодной деформации все испытания обычно проходили успешно.

II.2.3. ПЕРЕРАБОТКА ТРУБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Один российский трубный завод попытался освоить выпуск горячепрессованных труб из стали 304L. Ему были даны около десяти тонн заготовки, и примерно через полгода, когда поставка этой трубы потеряла актуальность, от него полу- чена труба 219×10 в количестве 5,275 тонн. При поставке на

химический завод (только в следующую ремонтную компанию) в ней были обнаружены рванины и вся партия забракована. Производитель отказался принять претензии по этому поводу, мотивируя сроком давности.

После проведения работ, поскольку все рванины и другие поверхностные дефекты удаляются при подготовке поверхности заготовки к деформации, данная партия труб была переработана с помощью холодной прокатки на другие типоразмеры с успешным прохождением теста на отсутствие склонности к межкристаллитной коррозии по методу ДУ ГОСТ 6032–89 и, естественно, отсутствия каких-либо поверхностных дефектов.

II.2.4. ОБРАБОТКА ВЫСОКИМ И СВЕРХВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Для улучшения потребительских качеств многих деталей химического машиностроения используется автоскрепление (автофретирование). Оно может выполняться без учета условий эксплуатации, а может с учетом, что более рационально [см. также Комаишко С. Г., Кулик Г. Н., Моисей М. В. и др. Освое-

51

ние производства колен реактора установок для изготовления полиэтилена высокого давления // Заготовительные производства в машиностроении. № 4. 2008 ã. Ñ. 20–27].

II.3. РЕМОНТНЫЕ ОПЕРАЦИИ

II.3.1. РЕМОНТ БРАКОВАННЫХ КОРПУСОВ

Ремонт бракованных корпусов включал неразрушающий контроль, деформацию, механическую обработку, термиче- скую обработку, контроль механических свойств, неразрушающий контроль и прочностные расчеты (см. также Комаишко С. Г., Кулик Г. Н., Моисей М. В. Волочение в машиностроении. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2012. – 56 с., ил. и Комаишко С. Г., Кулик Г. Н., Моисей М. В. и др. Восстановительный ремонт. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2012. – 104 с., ил.).

II.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

II.4.1. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ГРЕБНОГО ВАЛА ИЗ СТАЛИ НН3Б

Сталь НН3Б относится к классу аустенитных высокопроч- ных сталей с низким содержанием никеля и высоким – марганца и азота. Сталь склонна к ликвациям, поэтому ее разливают в удлиненные типы слитков. Ковка слитков массой 2800 и 5700 кг обычно не вызывала трудностей. Гребные валы имели массу большую, и поэтому их пытались ковать из слитков массой 7800 кг. Металловыход при этом не поднимался выше 20 %. При анализе ситуации экспертами (см. постулат 6) было предложено заменить данную марку стали на какую-нибудь родственную, но данные попытки не привели к улучшению техпроцесса. Решили вернуться к исходной марке стали и попробовать изготовить данный вал в сварном варианте. Для этого была отработана технология его изготовления, анализ металла при этом показал, что свойства металла сварного шва, околошовной зоны и основного металла находятся в пределах требований нормативной документации, а экономические показатели значительно улучшены [см. также Назарьян В. А., Кулик Г. Н. Совершенствование технологии производства заготовок гребных валов из стали 0Х18Н5Г12АБ (НН3Б) // Заготовительные производства в машиностроении. № 2. 2011.

Ñ. 24–29].

52

Таким образом, решена задача получения гребного вала с помощью комплексной технологии – ковка и сварка.

II.4.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЩИТА ПОДШИПНИКА ИЗ СТАЛИ НН3Б

Деталь «щит подшипника» имеет вид цилиндра с утолщением. Она изготавливается из стали НН3Б. Из предыдущего известно, что данная сталь разливается в слитки удлиненной формы и технология их ковки освоена только до массы 5700 кг.

Существует еще одна проблема: данная сталь плохо подвергается ультразвуковому контролю (УЗК). Известно, что чем больше металл продеформирован, тем мельче получается зерно и тем с большей вероятностью будет возможно провести УЗК. Но в данном случае большей деформации подвергнуть металл нет возможности т. к. для этого необходимы слитки большей массы, технология производства которых не отработана. После экспертной оценки (см. постулат 6) было принято решение попробовать произвести штамповку путем осадки кованой заготовки на прессе силой 40 МН, находящимся в составе кольцераскатного стана, у которого имелись свободные мощности (см. ОТиО 8). Исследовав проблему, обнаружили, что сведений о виде диаграммы рекристаллизации данной стали не существует, и о поведении металла при двухсторонней прошивке, которая обычно организуется на данном прессе, сведения также отсутствуют.

Было проведено исследование по построению диаграммы рекристаллизации. При этом из металла, предназначенного для производства данной детали, был отрезан диск, который разделили на клиновые образцы, на них нанесли риски и продеформировали на прокатном стане ДУО 600, затем провели аустенизацию, разделили полученные полосы на отдельные образцы, из которых изготовили шлифы, протравили электролитическим травлением в течение 1,2 минуты в растворе хромного ангидрида и, рассмотрев в микроскопе NEOTOM со стандартным увеличением ×100, сфотографировали выявленные структуры [см. также Военмех, № 2, 2012. Ñ. 80–83].

Анализ полученных структур и диаграммы рекристаллизации показывает, что наиболее благоприятная структура получается при деформациях от 35 до 60 %. Кроме этого видно, что при увеличении времени подхолаживания (выдержки на воздухе) область равнозернистой структуры сужается. Данные результаты не противоречат тому, что обычно для получения необходимого уровня механических свойств на заготовках из

53

стали НН3Б рекомендуется производить наклеп со степенью деформации 8…10 % при температуре 800…950 ºС, а саму ковку,

для лучшей проработки металла, выполнять за большее коли- чество проходов в счет уменьшения частных обжатий, которые за вынос должны составлять 10…12 % от обжимаемого диаметра или диагонали заготовки.

Произведено исследование процесса двухсторонней прошивки. Для этого был выбран рототабельный план полного факторного эксперимента.

При обработке полученных результатов выявлены следующие зависимости:

Dmax/d = 2,51 + 0,12X1 + 0,07X2 – 0,01X1X2

Díèç/d = 2,14 + 0,17X1 + 0,07X2 – 0,14X3 – 0,04X1X2 + 0,04X2X3 +

+ 0,05X1X3 – 0,02X1X2X3

Dâåðõ/d = 1,51 + 0,11X1 – 0,06X2 + 0,1X3 + 0,19X1X2 – 0,06X2X3 –

– 0,09X1X3 + 0,05X1X2X3

Hâåðõ/d = 1,36 + 0,26X1 + 0,19X2 + 0,07X1X2 + 0,01X1X3

товки; d – диаметр прошивня; H0 – высота заготовки; h1 – высота прошивня предварительной прошивки; Dmax – максимальный диаметр прошитой поковки; Díèç – нижний диаметр прошитой поковки; Dâåðõ – верхний диаметр прошитой поковки; Hâåðõ – высота прошитой поковки.

Кроме этого получены зависимости работы и усилия при двухсторонней прошивке.

В ходе обработки экспериментальных данных родилась гипотеза механизма двухсторонней прошивки.

Прошивка – кузнечная операция, оформляющая отверстие в поковке. Чаще всего она не является самостоятельной, а используется как подготовительная для получения заготовки под раскатку или протяжку на дорне. Однако ее элементы встречаются во многих технологических процессах ковки и штамповки, поэтому понимание механизма данной операции важно еще и тем, что существующее представление о нем не однозначно.

Взять хотя бы формулу [см. Семенов Е. И. Ковка и объемная штамповка. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1972, на стр. 103]. Видно, что она служит для определения максимального усилия, т. е. усилия в конце операции, когда перемычка мини-

54

мальна. Также видно, что формула состоит из двух частей: формулы Зибеля (определение усилия при осадке цилиндри- ческого тела умеренной высоты) и формулы определения давления в трубе (решение задачи Лямэ). На первый взгляд все кажется логичным: давление в конечной стадии осадки перемычки и давление на обойму вокруг нее. Но дело в том, что удельное давление от осадки перемычки необходимо умножать на площадь прошивня, а удельное давление на обойму вокруг перемычки необходимо умножать на длину контакта между перемычкой и обоймой. Разница от применения не тех сомножителей не такая большая, а формула представлена как приблизительная, поэтому приблизительно и получается. Кроме этого действующие силы от давления на перемычку и на обойму должны друг друга компенсировать, а здесь они суммируется. Таким образом, механизм процесса искажен очень сильно. В других источниках существуют подобные нестыковки, на которых не будем останавливаться.

Для предложения гипотезы механизма прошивки рассмотрим диаграммы двухсторонней прошивки свинцовых заготовок 45×75 мм (рис. 2.1). Видно, что усилие в начальный момент

поднимается и, достигнув некоей величины, в дальнейшем остается почти одинаковым до достижения расстояния между прошивнями, равном примерно 0,35d (где d – диаметр прошивня), и затем оно увеличивается, достигая своего максимума.

Тогда механизм прошивки возможно представить следующим образом. Вначале прошивень надавливает на заготовку, и в соответствии с теорией упругости и пластичности,

Рис. 2.1. Кривые зависимости усилие (вертикаль) – перемещение (горизонталь), полученные из оригинала диаграммы нагружения

55

âчастности решение задачи Фламана (см., например, В. Г. Рекач. Руководство к решению задач по теории упругости. М.: Высшая школа, 1966. 228 с.), в ней развивается тороидное силовое поле, что подтверждается и другими источниками (см., например, Кузнецов Д. П. и др. Технология формообразования выдавливанием полостей деталей пресс-форм и штампов //

Д. П. Кузнецов, А. В. Лясников, В. А. Кудрявцев. – СПб.: Политехника, 1995. 184 с.). Когда граница этого поля доходит до границы заготовки, происходит внедрение прошивня, а края заготовки, которые не попали под влияние этого силового поля, остаются не деформированными. Это подтверждается проведенными исследованиями и многими данными, взятыми из техни- ческой литературы. Кривая на диаграмме усилие–перемеще- ние достигает своего первого максимума.

Далее, поскольку образовалась какая-то пластическая область (см. ОТиО 10), заготовка прошивается практически при одинаковом усилии до момента, когда расстояние между прошивнями не достигнет 0,35d, что подтверждается исследованиями и литературными данными.

После этого начинается взаимодействие между силовыми полями, наведенными обоими прошивнями и обоймой вокруг перемычки. Силовое поле, создаваемое обоймой, соответствует решению задачи Лямэ, и оно должно быть уравновешено.

Таким образом, формула для расчета усилия прошивки могла бы состоять из двух членов. Первый – это результат решения задачи Фламана, а второй – задачи Лямэ. И тот и другой – умноженные на длину окружности контакта прошивня и заготовки.

Проведенные расчеты качественно подтверждают высказанные предположения.

При подготовке промышленного эксперимента по полу- чению заготовки щита подшипника разработано несколько схем технологического процесса, из которых после экспертной оценки (см. постулат 6) была выбрана осадка в подкладном кольце.

Промышленный эксперимент произвели со следующими

условиями:

Были изготовлены штамповки двух размеров 335×265 ìì

âколичестве 6 штук и 230×195 мм – 4 штуки. Деформирова-

ние проводилось по самому простому варианту, когда в полость подкладного штампа закладывалась заготовка и производилась осадка. До деформирования металла были выполнены следующие работы:

56

–обдирка штанг и разрезка их на мерные длины размерами 240×380 ìì è 180×320 мм соответственно;

–ультразвуковой контроль заготовок.

Настройка чувствительности дефектоскопа осуществлялась по АРД-диаграммам. Из-за шумов аппаратуры и невозможности настройки временной регулировки чувствительности дефектоскопа безэталонным способом, рабочая зона контроля выбиралась от середины заготовки до донной поверхности. Контроль проводился на чувствительности фиксации (без повышения чувствительности на поиск дефектов). При оценке максимальной чувствительности фиксации исходили из того, чтобы в рабочей зоне амплитуда максимального шума была ниже уровня донного сигнала не менее чем на 4 дБ. Контроль выполнялся только со стороны цилиндрической поверхности заготовок. Контроль с торцевых поверхностей не мог быть выполнен из-за отсутствия соответствующей подготовки этих поверхностей под контроль.

Далее штамповка производилась по следующей технологии:

–нагрев в пламенной печи до температуры ковки по режиму: посадка в печь при температуре 650 ºС, выдержка 2 часа, нагрев до 1000 ºС, выдержка 3 часа, нагрев до температуры 1180 ºС с выдержкой 3 часа;

–штамповка заготовки за один ход гидравлического пресса силой 40МН;

–термообработка штамповок (аустенизация) по режиму: посадка в печь при температуре 650 ºС, выдержка 2 часа, на-

ãðåâ äî 860 ºС, выдержка 7 часов, нагрев до температуры 1080 ºС со скоростью 100 ºС/час с выдержкой 3 часа, охлажде-

íèå â âîäå;

–обдирка штамповок;

–ультразвуковой контроль.

По данной технологии расход металла на один типоразмер составил 143 кг, на другой 63 кг.

Осмотр поверхностей и обмер штамповок показали, что их размеры удовлетворяют требованиям чертежа. Трещины при штамповке не образуются.

Ультразвуковой контроль на отдельных заготовках под штамповку выявил затухание донного сигнала до уровня шумов, после штамповки на отдельных заготовках наблюдалось пропадание донного сигнала в зоне нижнего конца штамповки, где деформация была минимальной.

57

Анализ макроструктуры продольного темплета штамповки показал разнозернистость. В верхней и боковой ее частях выявляется мелкое зерно, а в центральной и нижней – значи- тельно более крупное.

Учитывая явное различие структуры в разных частях штамповки, из них были вырезаны образцы для определения механических характеристик, изучения микроструктуры и характера разрушения.

Механические свойства образцов, изготовленных из различных частей штамповки, показали, что при приблизительно одинаковых прочностных характеристиках пластические свойства (δ5) в средней и нижней части макротемплета ниже,

чем в верхней части, а склонность к хрупкому разрушению (КСU+20) – âûøå.

Исследование микрошлифов показало, что микроструктура верхней части темплета отличается от микроструктуры его средней и нижней части как размером зерен аустенита, так и распределением частиц второй фазы, которая присутствует на всей поверхности макротемплета и, вероятно, представляет из себя нитриды(или карбонитриды) ванадия и ниобия.

Размер зерен аустенита соответствует в верхней части макротемплета 7…6 баллам, в средней – 5…4, и возрастает в нижней его части до 4…3 баллов, а отдельные зерна – 2. Если в верхней части темплета выделения частиц второй фазы распределяются как в теле зерен, так и на их границах, то в средней и нижней частях частицы второй фазы находятся в основном на границах зерен.

Анализ изломов ударных образцов типа Менаже с помощью оптического бинокулярного стереоскопического микроскопа МБС-6 показал, что макрорельеф излома состоит из узких трещин типа расслоя и перпендикулярных им трещин незначительной протяженности, расположенных в шахматном порядке по всему сечению образца. Наличие узких трещин большой протяженности свидетельствует о наличии полосовой текстуры, а весь макрорельеф представлен ячеистой структурой, вытянутой вдоль этой полосовой текстуры.

Наиболее мощное раскрытие трещин наблюдается по взаимноперпендикулярным границам ячеек и характерно для всей поверхности макротемплета, однако, размер этих ячеек, глубина и протяженность раскрытия трещин по границам ячеек зависят от конкретного места разрушения.

58

Фрактографическое исследование показало, что в верхней части макротемплета наблюдается наиболее мелкодисперсная ячеистая микроструктура с непротяженными мелкими границами. Для этого состояния характерно наличие множества однонаправленных небольших трещин даже в пределах дисперсных ячеек. В середине темплета ячейки заметно укрупняются, а трещины становятся более глубокими и протяженность их увеличивается. В нижней части темплета структура укрупняется и ячейки приобретают округленную равноосную форму, по границам которых наблюдается глубокое раскрытие трещин.

В целом разрушение образцов носит смешанный характер – как по границам зерен (интеркристаллитное разрушение), так и по телу зерна (транскристаллитное разрушение). Оба вида разрушения происходят за счет образования микропор и последующего их слияния. Размер и глубина микропор определяются размерами, морфологией и типом частиц второй фазы. В верхней части темплета наблюдается преобладание транскристаллитного разрушения, в то время как максимальная доля зернограничного разрушения наблюдается в образцах, вырезанных из нижней части темплета.

Поскольку изготовление деталей подшипниковых узлов предполагает проведение ультразвукового контроля заготовок с отверстием, равным диаметру готовой детали, то на одной из заготовок было просверлено отверстие для последующего его проведения.

Оценка прозвучиваемости штампованной заготовки после рассверловки внутреннего отверстия 100 мм показала, что

при контроле верхней ее части обеспечивается заданная технической документацией чувствительность S0 = 10 ìì2 ïðè

всех направлениях прозвучивания, чего не скажешь о ее нижней части, где требуемая чувствительность S0 = 10 ìì2 обеспе-

чивается только при контроле прямым преобразователем с боковой цилиндрической поверхности.

Реализуемая чувствительность контроля штампованных заготовок после рассверловки центрального отверстия не хуже, чем при контроле аналогичных заготовок, полученных из кованого металла.

Анализ результатов штамповки опытных партий заготовок подшипниковых узлов подтвердил правильность выбранной схемы технологического процесса и необходимость его корректировки, а соответственно и конструкции штампа в на-

59

правлении повышения степени деформации металла в нижней части штамповки, а также целесообразность снижения температуры нагрева металла под штамповку.

С учетом опыта, наколенного при изготовлении и исследовании опытных партий штамповок, в технологический процесс их изготовления внесены следующие изменения:

1.Температура нагрева металла под штамповку уменьшена

ñ1180 äî 1130 ºÑ;

2.В нижней части штамповки предусмотрено углубление диаметром 100 мм и глубиной 37 мм с соответственным изменением конструкции штампа.

Выполненное опробование показало преемственность такого изменения и позволило разработать и согласовать нормативную документацию, необходимую для производства данных изделий, тем самым выполнена также вторая часть задачи о дозагрузке пресса кольцераскатного стана.

II.4.3. ПОЛУЧЕНИЕ ПАТРУБКА УКРЕПЛЕНИЯ

Требовалось изготовить гнутые отводы из трубы 299 мм

и толщиной стенки 30 мм из стали 20 радиусом 1300 мм, которые были необходимы для производства колен реактора установки получения полиэтилена высокого давления.

Данная работа могла быть выполнена двумя путями: на специализированном предприятии или собственными силами. Специализированные предприятия выставили такую цену, что данная работа лишалась всякого смысла.

Изготовление собственными силами могло быть осуществлено только путем штамповки, поскольку имелся гидравли- ческий пресс силой 6,3 МН и шахтная нагревательная индукционная печь.

Изготовление штампа по классической схеме, т. е. из термообработанной штамповой стали изначально не рассматривалось, поскольку цена на него могла быть не менее 2 млн. рублей. Даже если взять менее дорогую сталь, то это ненамного уменьшит стоимость требуемого штампа, т. к. большую долю его стоимости составляет трудоемкость механической обработки.

Для штампа необходимо было найти такой материал, трудоемкость работы с которым была бы сравнительно невысокой, и он выдерживал бы значительные давления при высокой температуре. Материалом выбрали жаростойкий высокопроч- ный бетон, предназначенный для футеровки промышленных печей, имеющий предел прочности при 800 ºС, равный

60