Упрочненный сплав ХН67ВМТЮ для изготовления цилиндрических винтовых пружин.

Упрочненный сплав ХН67ВМТЮ для изготовления цилиндрических винтовых пружин.

Э. А. СИТНИКОВА, М. Л. БЕРНШТЕЙН, А. Г. РАХШТАДТ и А. Л. СЕЛЯВО

 Для работы при температурах выше 500°С за ру­бежом используются пружины, изготовленные из сплавов на железохромоникелевой, никелевой и никель-кобальтовой основах, — дискаллой А286, инконель-Х, рене 41 и др.

 Широкое применение в отечественной промыш­ленности получили пружины из сплава Х12Н22ТЗМР(ЭИ696М). О пружинах сжатия из этого сплава известно, что в условиях релаксации при 600°С за время работы 300 ч при рабочем на­пряжении 37 кГ/мм2 после предварительной стаби­лизации при 650°С в течение 25 ч (Т0 = 60 кГ/мм2) снижение напряжений составляет 1%. При 700°С за то же время при начальном напряжении 22 кГ/мм2 это снижение достигает уже 11 % (стабилизация проводилась при 720°С в течение 9 ч и Т0 = 45 кГ/мм2).

 Представляло интерес исследовать возможность получения более высоких эксплуатационных харак­теристик пружин из высокожаропрочного аустенитного немагнитного сплава ХН67ВМТЮ. В закален­ном состоянии сплав имеет высокую пластичность (d= 35-40%) и поэтому легко деформируется. При его дисперсионном твердении выделяется 9—13% упрочняющей g‘-фазы, которая представляет собой соединение (Ni, Mo, W)3 (Ti, Al).

 Влияние наклепа на структуру и свойства сплава изучали ранее. Было установлено, что прочность на­клепанного и состаренного сплава при комнатной и высоких температурах значительно выше, чем пос­ле обычной обработки (закалки и старения), пре­дел прочности при 20°С после закалки, наклепа и старения достигает 210 кГ/мм2, а длительная проч­ность за 100 ч при 600°С увеличивается с 83,5 до 100 кГ/мм2.

 Описанную ниже работу проводили на металле промышленной плавки. Шлифованную проволоку закаливали на воздухе с различных температур (900—1200°С), затем деформировали волочением с обжатием на 25, 50, 75% (по логарифмической фор­муле) и навивали пружины. Образцы-пружины ста­рили в течение 6 ч при 600, 650, 700, 750, 800 и 850°С.

При механических испытаниях на кручение уста­навливали пределы пропорциональности и текуче­сти, модуль сдвига при кратковременных испытаниях и релаксационную стойкость при длительных испытаниях. Определяли также упругие и прочностные свойства при 20, 500, 600 и 700°С по методу И. Б. Калачева и Н. И. Талакипа на пружинах со следующими параметрами: диаметр проволоки 1,2 мм, шаг пружины 10,0 мм, средний диаметр пружины 12,7 мм, число рабочих витков 6,0 мм.

 Испытания на релаксацию цилиндрических вин­товых пружин сжатия проводили по методике, опи­санной А. Л. Селяво. Структуру сплава изучали на угольных репликах на электронном микроскопе УЭМ-100 при увеличении в 15000 раз.

Изменение пределов текучести Т0.3 и пропорцио­нальности Тпц в зависимости от температуры ста­рения (время старения 6 ч) показано на рис. 1.

 В зависимости от степени предварительной де­формации максимальные значения указанных ха­рактеристик соответствуют различным температу­рам. Установлено, что чем выше степень деформа­ции, тем ниже температура, при которой достигают­ся максимальные значения Тпц и Т0.3. Так, если для недеформированного сплава максимальное значе ние Тпц = 77,5 кГ/мм2 получено при температуре старения 850°С, то для сплава, деформированного на 50%, максимальное значение Тпц =87,5 кГ/мм2 было достигнуто после старения при 750°С, а для деформированного на 75% — значение Тпц = 103 кГ/мм2 после старения при 650°С.

 Фазовый химический анализ показал, что в про­цессе деформации с обжатием на 75% выделяется до 4% упрочняющей g‘-фазы. Старение при 700°С в течение 6 ч после деформации с обжатием на 75% привело к выделению 10% упрочняющей g‘-фазы. Такое же количество ее выделяется после старения недеформированных образцов при 850°С.

 Упругие и прочностные  характеристики сплава определяли на образцах-пружинах, состаренных при температурах, при которых получены макси­мальные значения указанных характеристик при комнатной температуре. На рис. 2 показано изменение пределов пропорциональности сплава в за­висимости от степени деформации при различных температурах испытания. Если при комнатной тем­пературе и 500°С с повышением степени деформа­ции прочностные характеристики увеличиваются, то при более высоких температурах (600—700°С) со­стояние с большим наклепом (75%) начинает усту­пать состоянию с меньшей степенью наклепа. Одна­ко упрочняющее влияние наклепа проявляется при всех температурах испытания.

Результаты определения модуля сдвига (G) при 20, 500, 600, 700°С на пружинах, обработан­ных по различным режимам, приведены на рис. 3. Как видно, при комнатной температуре наклеп ма­ло влияет на величину модуля, но резко увеличива­ет скорость падения этой характеристики при по­вышенных температурах. Например, повышение температуры от 20 до 700°С привело к снижению модуля сдвига на 1900 кГ/мм2 в ненаклепанном сплаве и на 2700 кГ/мм2 после его наклепа на 75%.

 Определяли влияние температуры закалки, сте­пени деформации и режимов старения на потерю упругой осадки пружины. Из рис. 4 видно, что при 600 и 700°С наивысшая релаксационная стойкость сплава получена после его закалки с 1150°С, а при 500°С — после закалки с 1130°С.

Влияние режимов наклепа и старения на релак­сационную стойкость пружин из сплава ХН67ВМТЮ исследовали при 500, 600 и 700°С и начальных напряжениях 80, 70 и 60 кГ/мм2 соответственно. Данные релаксационных испытаний приведены на рис. 4 в виде зависимости относительного падения напряжений от температуры старения. При низких температурах старения пониженная релак­сационная стойкость сплава, деформированного с обжатием на 25%, объясняется недостаточным количеством упрочняющей фазы. Максимальная ре­лаксационная стойкость соответствует температу­рам старения, совпадающим с температурами наи­более полного выделения упрочняющей фазы: 830° для деформированного на 25%, 700° — на 50% и 650°С — на 75%. Повышение температуры старения приводит к коагуляции интерметаллидной фазы и снижению релаксационной стойкости.

 Изучение микроструктуры сплава показало, что наклей на 25 и 50% сильно измельчает частицы упрочняющей фазы по сравнению с ненаклепанным состоянием, но при больших степенях дефор­мации (75%) процесс коагуляции g‘-фазы во время испытаний на релаксацию ускоряется.

 При проведении исследований определяли также условия релаксации за длительный период (около 2000 ч). Первичные кривые релаксации при 600 и 700°С (рис. 5) получены на пружинах, обработан­ных по оптимальным для исследованных темпера­тур режимам. После стабилизации (заневоливания) при 720°С в течение 25 ч (Т0 = 60 кГ/мм2) снижение напряжений при 700°С за 300 ч (То = 22 кГ/мм2) со­ставило 6%, а за 2000 ч — 10%.

 Таким образом, сплав ХН67ВМТЮ (ЭП202) об­ладает более высокой релаксационной стойкостью по сравнению со сплавом Х12Н22ТЗМР и может быть рекомендован для работы при 600-700°С.

 Оптимальные режимы упрочняющей обработки сплава ХН67ВМТЮ для цилиндрических винтовых пружин следующие:

а) закалка с ИЗО—1150°С, охлаждение на возду­хе, холодная пластическая деформация с обжатием на 50% и старение при 700°С в течение 6 ч, охлаж­дение на воздухе — для работы при 600°С;

б) закалка с ИЗО—1150°С, охлаждение на возду­хе, холодная пластическая деформация с обжатием на 25% и старение при 800°С в течение 6 ч, охлаж­дение на воздухе — для работы при 700°С.