Разработка ресурсосберегающей термомеханической подготовки структурно-механических свойств стальных заготовок для получения упрочненных болтов
На правах рукописи
Филиппов Алексей Александрович РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УПРОЧНЕННЫХ БОЛТОВ Специальность 05.16.01. - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Пачурин Герман Васильевич
Официальные оппоненты: Терентьев Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор, ФГБУН «Институт металлургии и материаловеде ния им. А.А. Байкова Российской Академии Наук», главный научный сотрудник Гаврилов Геннадий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева», зам. заведующего кафедры
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского»
Защита состоится «27» апреля 2012 г. в 13-00 часов в ауд.1258 на заседании дис сертационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государ ственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, 24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегород ский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».
Автореферат разослан «»_2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Ульянов
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В технических конструкциях широко применяются резь бовые детали крепёжного назначения, подвергнутые закалке с отпуском, упроч нённый стальной крепёж. Значительная часть из них выполняется в виде длинно мерных болтов, шпилек, стремянок и т.п. Развитие производства упрочнённого кре пежа в условиях рыночной экономики, требующих обеспечения конкурентоспособ ности выпускаемой продукции, наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, предполагает снижение затрат по всей производ ственной цепочке, начиная от изготовления проката и заканчивая получением дета лей требуемого качества. Особое значение этот фактор приобретает в массовом производстве крепежа. Определенный вклад в развитие высокопрочного крепежа внесли отечественные ученые: А.Т. Быкадоров, Г.В. Бунатян, Ю.А.Лавриненко, В.А.
Скуднов, И.Л. Хейфец и другие.
Для изготовления высокопрочного крепежа с применением холодной объемной штамповки (ХОШ) широко используются стали 35, 35Х, 38ХА, 40Х. В качестве аль тернативы этим маркам сталей применяют борсодержащие стали 20Г2Р и 30Г1Р.
Из-за возможного образования заметного количества оксидов и нитридов бора в борсодержащих сталях, приводящих к снижению прокаливаемости, возникает не стабильность упрочнения закалкой метизов. Фактически стоимость горячекатаного (г/к) проката борсодержащей стали, как правило, на 12-16% выше стоимости стали 40Х, а необходимость у отечественных производителей использовать импортные поставки таких сталей приводит к ещё большему удорожанию производимого кре пежа. В настоящее время упрочнение болтовых изделий достигается путем их закалки и отпуска. Однако термоулучшение длинномерных болтов может привести к их обезугле роживанию, появлению трещин, короблению и, как правило, введение дополнительных операций сортировки и рихтовки. Поэтому исключение операции закалки и отпуска болтов позволит снизить трудо- и энергозатраты, вывести из производственного процесса печи с защитной атмосферой и закалочные проходные печи (соляные ван ны). Такая ресурсо- энергосберегающая технология обеспечит увеличение эффек тивности производства, снижение выбросов отработанных газов в атмосферу и уменьшение использования солей. Характерно, что в зарубежной промышленности производство высокопрочных крепежных изделий (класс прочности 8.8 и выше) составляет 90% от общего объема крепежа, тогда как в РФ этот показатель не пре вышает 18%. Низкая доля его применения представляется негативным технико экономическим показателем как промышленности, производящей эту продукцию, так и промышленности, производящей конструкции, применяющей крепёж.
Решение этой проблемы производства упрочнённого крепежа являет собой актуаль ную задачу для отечественной промышленности, охватывающей различные отрасли.
Одним из приоритетных направлений в решении этой задачи автор настоящей рабо ты видит в снижении стоимости производимого крепежа за счёт, во-первых, рацио нализации технологии упрочняющей обработки крепежа, во-вторых, минимизации стоимости стали (относительно борсодержащей стали).
Рационализацию упрочняющей обработки автор связывает с использованием упрочнения, возникающего при термомеханической обработки стали, применяемой с целью получения длинномерных болтов. Предполагается достижение такого же уровня упрочнения, который достигается термическим улучшением болтов, что поз волит исключить закалку и отпуск из производственного цикла их изготовления.
Этим существенно снижаются не только трудовые, материальные и энергетические затраты в производстве, но и достигается улучшение качества по определённым по казателям: устранение коробления поверхности длинномерных болтов, возникаю щего при закалке, а также повреждений поверхности, связанных с воздействием рабочей среды (газовая атмосфера или закалочные ванны) при нагреве под закалку.
Следует заметить, что предлагаемое техническое решение не исключает полно стью термического упрочнения, которое остаётся как предварительная термическая обработка – патентирование, упрочняющий эффект которого усиливается в резуль тате последующего окончательного волочения В плане минимизации стоимости стали наиболее предпочтительной представля ется сталь 40Х. Данная марка стали стандартизована (ГОСТ 10702-78), она традици онно имеет наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий и зарекомендовала себя легко осваиваемой метизным производством любой степени массовости. И, наконец, соответствующее содержание углерода, и легирование хро мом (достаточно экономное) упрощают реализацию предлагаемого технического решения во всех его технологических компонентах.
Работа выполнена в соответствии с «Концепцией долгосрочного социально экономического развития РФ на период до 2020 г.» (Распоряжение Правительства РФ № 1662-р от 17.11.2008 г. - гл. III, п. 11;
гл. V, п.п. 1, 7;
гл. VIII, п. 7);
«Приори тетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ» (утв. Указом Пре зидента РФ от 07.07.2011 г. № 899 – п. 6);
«Перечня критических технологий РФ (утв. Указом Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899 – п. 19).
Цель и задачи работы. Целью диссертации является решение актуальной науч но-технической задачи разработки ресурсосберегающей термомеханической подго товки стальных заготовок на основе изучения совместного влияния термической (патентирования) и пластической (волочения) обработки на структурное состояние и механические характеристики для дальнейшего получения длинномерных болтов.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать влияние различных режимов термомеханической подготовки на структуру и механические характеристики г/к проката.
2. Исследовать влияние степени обжатия на структуру и механические характе ристики проката.
3. Исследовать влияние температуры патентирования на структуру и механиче ские характеристики проката.
4. Исследовать совместное влияние термической (патентирования) и пластиче ской обработок на структуру, пластические и прочностные характеристики проката и выбрать рациональные их режимы.
5. Разработать ресурсосберегающую технологическую схему термомеханической подготовки проката стали 40Х для дальнейшего изготовления из него упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, соответствующих классу прочно сти 9.8.
Научная новизна работы.
1. Установлено влияние различных вариантов термомеханической подготовки г/к проката на структуру и механические характеристики после патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550С.
2. Выявлены зависимости структурно-механических характеристик проката от степени обжатия при волочении и патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550С. Установлено, что наилучшее сочетание механических характери стик достигается при степенях обжатия 5-10%.
3. Получены закономерности влияния температуры патентирования до и после деформирования с разными степенями обжатия на структуру и механические харак теристики проката. Установлено, что режим патентирования при температурах и 425°С обеспечивает повышение прочностных и пластических характеристик и может быть рекомендован для подготовки проката при изготовлении упрочненных длинномерных стальных болтов без закалки и отпуска.
4. Разработана ресурсосберегающая технологическая схема термомеханической подготовки структурно-механических свойств заготовок стали 40Х для получения упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, защищенная патен том на изобретение № 2380432.
Практическая значимость работы На основе экспериментальных и теоретических исследований влияния структуры на механические характеристики и твердость стали 40Х разработана ресурсосбере гающая схема термомеханической подготовки проката для изготовления упрочнен ных длинномерных болтов с обрезной головой, соответствующих классу прочности 9.8, без закалки и отпуска, позволяющая сократить технологическую цепочку и сни зить себестоимость их изготовления.
Установленные закономерности влияния ресурсосберегающей термомеханической подготовки проката при изготовлении упрочненных длинномерных болтов опробо ваны в ООО «Промметиз Русь» (г. Орел) и приняты к дальнейшему использованию при изготовлении болтов класса прочности 8.8, 9.8 и 10.9. Ожидаемый экономиче ский эффект составляет 428 тыс. руб. при производстве 60 т длинномерных болтов в год.
Результаты диссертационной работы используются при чтении курса лекций «Эксплуатационная долговечность штампованных металлоизделий» в Нижегород ском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
Объект исследования - г/к прокат конструкционной легированной стали пер литного класса марки 40Х и подготовленный из него прокат для изготовления упрочненного крепежа. Исследованию подвергался прокат до и после волочения с различными прочностными и пластическими характеристиками, получаемый после сфероидизирующего отжига и патентирования. Прокат изучался в недеформирован ном состоянии, а также после различных степеней обжатия при волочении с целью определения его пригодности по прочностным и пластическим характеристикам, и твердости для ХОШ длинномерных болтовых изделий согласно требованиям ГОСТ 10702-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки».
Предмет исследования - микроструктура, прочностные и пластические характе ристики, твердость проката стали 40Х до и после операции волочения и патентиро вания.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Выявленные зависимости изменения структуры и механических характеристик г/к проката от температуры патентирования и волочения с различными обжатиями.
2. Установленные зависимости микроструктурного состояния проката после во лочения от температуры патентирования.
3. Полученные зависимости прочностных и пластических характеристик проката от степени обжатия при операции волочения.
4. Разработанные режимы термомеханической обработки, обеспечивающие раци ональные структурные и механические характеристики проката для изготовления упрочненных длинномерных болтовых изделий из стали 40Х.
5. Разработанная ресурсосберегающая технологическая схема термомеханиче ской подготовки проката стали марки 40Х для дальнейшего получения упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, соответствующих классу прочно сти 9.8.
Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов, реко мендаций подтверждается обоснованным использованием механических испытаний и металлографических исследований, математическим планированием эксперимен тов, значительным объемом экспериментальных данных, статистическим анализом, промышленным опробованием в производстве разработанных технологических ре жимов термомеханической обработки, натурными испытаниями, апробацией полу ченных результатов на научно-технических конференциях и семинарах разного уровня.
Личный вклад автора состоит в формировании целей и постановке задач иссле дования, проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, разработке ресурсосберегающей технологической схемы подготовки проката стали 40Х для получения упрочненных длинномерных болтов, а также в формировании общих выводов по работе.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуж дены на 25 международных и общероссийских конференциях, конгрессах и симпо зиумах: г. Москва (2007, 2011 гг.), п. Славское, Карпаты (2006-2008 гг.), г. Улья новск (2006, 2007 гг.), г. Ижевск (2006 г.), г. Вологда (2006-2009 гг.), г. Одесса (2006, 2007 гг.), Ростовская область, п. Персиановский (2007, 2011 гг.) г. Ухта (2007 2009 гг.), г. Омск, (2007 г.), г. Санкт-Петербург (2008 г.), г. Зеленоград (2008 г.), г. Вологда (2008 г.), г. Тольятти (2007 г.), г. Н. Новгород (2008, 2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 17 печатных работ, из них в ведущих рецензируемых научных журналах и получен один патент.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 152 наименования (15 с). Она изложена на 139 стра ницах текста, содержит 89 рисунков, 18 таблиц, приложение (21 с).
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы и способы решения поставленной задачи. Сформулированы выносимые на защиту положения.
В первой главе дан анализ состояния поставляемого металлопроката с отече ственных и зарубежных металлургических предприятий, используемого для изго товления различных видов крепежной продукции. Представлены литературные и производственные данные по проблемам качества проката до и после волочения для ХОШ крепежа, выявлены факторы, его определяющие. Установлены значимость влияния химического состава, прочностных и пластических характеристик. Проана лизированы закономерности влияния термической обработки, степени обжатия про ката на микроструктуру, его твердость, прочностные и пластические характеристи ки. Рассмотрены основные технологические варианты подготовки проката для по лучения крепежных изделий класса прочности 8.8 и выше.
Основным способом получения упрочненного крепежа является высадка из про ката после волочения, имеющего микроструктуру зернистый перлит. После ХОШ его подвергают закалке и отпуску. После закалки на крепеже могут образоваться микротрещины и обезуглероженный слой. Если вопрос подготовки проката с мик роструктурой 80-100% зернистого перлита изучен достаточно глубоко, то из-за ро ста сопротивления пластической деформации прокату, имеющему структуру «сор бит патентирования», уделяется недостаточное внимание. Общим недостатком тер мически обработанного проката в действующих технологиях является локальная неоднородность механических свойств, наблюдающаяся на соседних участках про ката небольшой протяженности и по всей длине мотка. Поэтому требует исследова ния вопрос получения проката с равномерными механическими характеристиками по длине мотка для изготовления упрочненных длинномерных болтов с требовани ям ГОСТ Р 52643-2006 «Болты и гайки высокопрочные и шайбы для металлических конструкций» без последующей их закалки и отпуска.
Вопрос о комплексном влиянии патентирования и волочения с различными об жатиями на структуру, прочностные и пластические характеристики, твердость про ката в научной литературе освещен недостаточно, поэтому требует более детального изучения. Требуется рассмотреть работоспособность проката, полученного методом патентирования и пластического упрочнения при волочении, по поведению крите риев разрушения синергетики (Wc, Кзт, Крт).
На основании анализа литературных и производственных данных, была постав лена цель и сформулированы задачи работы.
Во второй главе представлена методика подготовки образцов и проведения ис пытаний, приведено обоснование и принцип выбора исходного структурного состо яния, виды и режимы технологической обработки образцов. Для изготовления об разцов был выделен моток г/к проката стали 40Х. Моток делили на части, из кото рых изготавливались серии образцов с различным структурным и деформирован ным состоянием. Исследованию подвергались образцы двух типов:
тип – недеформированные образцы г/к проката, находящиеся в разных структур ных состояниях, соответствующих технологическому процессу изготовления прока та: 1) с формой пластинчатого перлита, характерной для г/к проката, поставляемого с металлургических заводов;
2) с разной формой перлита (зернистого и пластинча того перлита), характерной для процессов отжига г/к проката в камерных газовых печах отжига (металла). тип – образцы проката, подвергнутые волочению с де формацией 5-60% до и после патентирования. Половина образцов проката после волочения подвергалась патентированию, другая половина образцов после патенти рования - волочению. Температура при патентировании и степень обжатия при во лочении варьировались в зависимости от задачи исследования. Важным фактором, формирующим окончательную микроструктуру, является гомогенность аустенита.
Исходя из этого, температура нагрева перед патентированием принималась 880С.
Образцы проката подвергались нагреву в соляной ванне (78% ВаСL + 22% NaСL) в течение 3 мин. Затем образцы переносились в селитровую ванну (50% NaNO3 + 50% KNO3) и осуществлялась операция патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550С с выдержкой 5 мин. Далее охлаждение образцов проводилось на воздухе в течение двух минут, затем они охлаждались в воде. Точность регулирова ния температуры в ванне при патентировании составляла ±5С. Волочение проката осуществлялось на однократном волочильном стане с обжатиями 5, 10, 20, 30, 40, 60%. Прочностные ( в, 0,2) и пластические (, ) характеристики, твердость стали изучались по двум вариантам. Вариант 1: Волочение с деформацией 5, 10, 20, 30, 40, 60% и последующее патентирование при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550оС. Вариант 2: Патентирование при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550оС и последующее волочение с деформацией 5, 10, 20, 30, 40, 60%.
Математическое планирование экспериментов и статистический анализ их ре зультатов проводились в соответствии с рекомендациями ГОСТ 23026-78. На каж дую экспериментальную точку обрабатывалось одновременно по 8 образцов для металлографических и механических исследований и твердости. Коэффициент ва риации параметров экспериментальных данных не превышал 0,021.
Изучение микроструктуры проводили на оптическом микроскопе NEOPHOT при увеличениях х200-600. Наблюдение изменения микроструктуры протравленной по верхности образца осуществлялось после технологических операций обработки проката. Фотографирование изломов болтов проводилось с помощью оптического компаратора МИР-12 с увеличением х7. Идентификация химического состава стали осуществлялась на спектроанализаторе Belec-kompakt Lab. Величина обезуглеро женного слоя определялась на микроскопе «МИМ-6» при увеличении х100. Исполь зовались поперечные микрошлифы. Для оценки прочностных и пластических харак теристик проводились следующие виды испытаний: 1) на растяжение с определени ем в, 0,2,, в соответствии с ГОСТ 1497-84 на машине ЦДМ-100, шкала 20 кг.
Испытывались образцы длиной 300 мм, полученные данные усреднялись. 2) Твер дость измерялась на приборе Роквелл, шкала С, на параллельных шлифованных лы сках. Полученные данные усреднялись. Твердость HRC по переводной шкале пере водилась в твердость НВ. 3) Натурные испытания болтов с определением величины разрывной нагрузки производились на машине МУП-50. Изучался вид излома бол тов с помощью оптического компаратора МИР-12 и фотографирования (увеличение х7). 4) Осадка проводилась на одном образце из исследуемой партии. Испытания на осадку производили согласно ГОСТ 10702-78 осаживанием на 50 и 66 % от перво начальной высоты образца. Качество поверхности оценивалось визуально без при менения увеличительных приборов, а также с помощью бинокулярного микроскопа (х6 и х8).
Приведены методики расчета кривой охлаждения прутка в селитровой ванне с заданной температурой и методика расчета структурно-энергетических комплексов разрушения синергетики проката в исследованных структурных состояниях.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований.
На основе анализа кривых изотермического превращения аустенита и кривых охлаждения стали 40Х установлено, что при нагреве (880°С) и охлаждении (вы держке) проката стали 40Х в селитровой ванне в интервале температур от 400 до 550°С в течение 5 мин аустенит распадается на смесь тонкопластинчатого строения разной дисперсности - сорбит патентирования.
1. Изучено состояние г/к проката, поступившего с метизных заводов, химический состав, исходная структура (рис.1), механические характеристики. Исследовано влияние обжа тия г/к проката при волочении на прочностные, пластиче ские характеристики и твердость. Выявлено, что Рис.1- Исходная структура стали 40Х х с увеличением обжатия г/к проката методом волочения от 5 до 60% предел прочно сти и текучести увеличиваются с 890 до 1138 МПа и с 780 до 985 МПа соответ ственно, но снижаются относительное сужение (с 60 до 38%) и относительное удли нение (с 15 до 10%), что согласуется с опубликованными в литературе результатами на других марках сталей.
2. Изучено влияние деформации при волочении проката и последующего патенти рования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550оС на прочностные и пласти ческие характеристики. Выявлено, что с увеличением степени деформации от 5 до 60% и последующем патентировании при температуре 400°С прочностные характе ристики проката изменяются немонотонно. При этом предел текучести увеличива ется с 690 до 780 МПа, а предел прочности с 910 до 1040 МПа. Выявлено, что крат ковременный нагрев (3 мин) при температуре 880С не снимает наклёп полностью.
Данные результатов показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60% при тем пературе патентирования 400°С пластические характеристики изменяются незначи тельно и остаются на достаточно высоком уровне (=52-58%;
=15-16%). Твердость образца при температуре патентирования 400°С находится в пределах от 27 до HRC. Если патентирование является окончательной операций, то подготовленный по указанным схемам прокат, не рекомендуется запускать для изготовления болтов методом холодной высадки: в этом случае на поверхности проката образуются ок сидная пленка и солевой налет, не позволяющие качественно провести технологиче скую операцию в высокоточном инструменте высадочного автомата.
3. Изучено влияние патентирования при разных температурах на механические ха рактеристики проката, который подвергается окончательному волочению с разными обжатиями. Установлено, что при температуре патентирования 400°С и волочении с обжатиями от 5 до 60%, увеличиваются прочностные (в, 0,2) и снижаются пласти ческие характеристики (, ) проката (рис.2). Анализ прочностных и пластических характеристик произведен в гл.4.
в и т при патентировании 400°С и при патентировании 400°С Рис. 2-Зависимость прочностных и пластических характеристик от патентирования и степени обжатия стали 40Х Выявлено влияние температуры патентирования 400С и волочения на твердость проката. Установлено, что твердость проката 40Х возрастает с увеличением обжа тия. Рациональная твердость для изготовления длинномерных болтов получена с обжатием от 5 до 10% и равна 28-29 HRC.
4. Изучено значение механических характеристик (в, 0,2,, ) и критериев разрушения синергетики (Wc, Кзт, Крт) стали 40Х после патентирования в ин тервале различных температур и последующего волочения с различными деформациями. Сравнение показателей энергоемкости (Wc) по различным ва Рис. 3 -Зависимость твердости риантам показано на рис.4.
от степени обжатия при разных температурах патентирования Рис.4 - Сравнение показателя энергоемкости Wc от степени обжатия и температуры патентирования стали 40Х В четвертой главе приведен анализ результатов экспериментов.
Микроструктура г/к проката представляет собой перлит сорбитообразный + феррит в виде разорванной сетки по границам перлитных зерен. В структуре отсутствуют полосчатость и структурно-свободный цементит на границах зерен в виде скопле ний или сетки. В микроструктуре не встречается видманштеттовый феррит.
При волочении и последующем патентировании проката при температуре 370°С образуется структура «троостит» (рис.5), обладающая высокими прочностными ха рактеристиками (в=1100 МПа), но недостаточной пластичностью (=33%) и высо кой твердостью (35 HRC). Микроструктура «троостит» не рекомендуется для прока та при изготовлении длинномерных болтов методом ХОШ. При температуре патен тирования 500°С микроструктура стали 40Х - «сорбит с участками мартенсита» (рис.6). Такая микроструктура не рекомендуется для ХОШ из-за наличия в ней включений твердого и хрупкого мартенсита.
Рис.5 Микроструктура - «троостит» после Рис.6 Микроструктура - «сорбит с участками волочения и патентирования мартенсита» после волочения и патентирования при 370С (х200) при 500 С (х500) После патентирования проката при 400, 425, 450, 550°С образуется структура «сорбит патентирования» (рис.7), разной дисперсности и, соответственно, разной твердости. Дисперсность тем выше, чем ниже температура патентирования, то есть температурный интервал превращения аустенита. Твердость (проката) тем выше, чем выше дисперсность структур.
425°С 450°С 400°С 550°С Рис.7- Микроструктура «сорбит патентирования» после волочения и патентирования (х500) На рис.8 показано влияние деформации волочением после патентирования при 400, 450, 550°С на прочностные характеристики проката.
400°С 450°С 550°С Рис.8.-Зависимость прочностных характеристик проката от степени обжатия при волочении стали 40Х для температур патентирования 400, 450, 550°С Снижение значений в и Т при деформации со степенями обжатия более 30% обу словлено особенностями формирования очага деформации, ведущему к интенсив ному пластическому течению, как по перечному сечению проката, так и зернах с разной ориентацией. Характер изменения пластических характеристик проката при волочении и последующем патентировании при температурах 400, 450, 550°С пока зан на рис.9.При обжатиях от 5 до 20% пластические характеристики (, ) остают ся на достаточно высоком уровне ~52-60%. При обжатии 30% прокат достигает ми нимального значения своих пластических характеристик. При обжатиях свыше 35% пластические характеристики снова начинают увеличиваться ввиду начала интен сивного пластического течения, что согласуется с данными других авторов.
400°С 450°С 550°С Рис.9 - Зависимость пластических характеристик проката от степени обжатия при волочении стали 40Х для температур патентирования 400, 450, 550°С Температура патентирования 550С приводит к существенному возрастанию пла стичности (=58-62%), но снижению прочности (905 МПа) и твердости (22 HRС), что связывается с полным превращением еще до достижения температуры 550С переохлажденного аустенита в ферритно-цементитную смесь (тоже «сорбит патен тирования», но меньшей дисперсности).
Вытянутость зерен проката становится заметной после 20% степени обжатия.
При степени деформации 40% и 60% зёренная текстура составляет 100% (структу ры), то есть практически все составляющие микроструктуры ориентированы вдоль оси деформации (рис. 10).
при обжатии 40% при обжатии 60% Рис.11- Образование внутренних трещин после Рис. 10 -Текстура проката стали 40Х патентирования при 500°С и волочения после волочения (х100) При температуре патентирования 500°С прокат имеет структуру «сорбит с вклю чениями мартенсита», который хорошо виден при увеличении х500 (рис.6). Это объясняется тем, что за 5 мин выдержки в селитровой ванне при температуре 500°С не успевает закончиться полностью превращение аустенита и при последующем охлаждении на воздухе оставшейся аустенит переходит в мартенсит. Образцы не выдержали испытания осадкой до 50% первоначальной высоты. Анализ механиче ских характеристик при патентировании при 500С и последующем волочении с обжатиями от 5 до 20% показал, что прокат имеет высокую прочность и низкую пластичность. При волочении проката с обжатиями от 30 до 60% происходит его обрыв в инструменте волочильного стана. В процессе волочения создались благо приятные условия для роста трещин в направлении, перпендикулярном действию растягивающих сил. Неоднородность структуры, наличие включений твердого и хрупкого мартенсита, привело к неоднородности деформации по сечению проката, появлению трещин (рис.11). Структура «сорбит с участками мартенсита» имеет раз нородную твердость (проката).
Сравнение критериев работоспособности (Wc, Кзт, Крт) по различным вариантам технологической обработки показало, что прокат, обработанный по режиму патен тирования при температуре 400С и волочения со степенью обжатия 5%, более предпочтителен, чем прокат, обработанный по другим режимам, включая действу ющий (табл.1).
Таблица 1-Сравнение механических характеристик и критериев работоспособности проката 40Х, подготовленного по действующей (1) и предлагаемой (2) технологии Вариант НВ в, т,,, Кзт Крт, Wc, МДж/м3 (Мдж/м)10- МПа МПа % % 1 235 860 695 57 13 708 1,02 0, 2 269 950 840 55 12,7 886 1,05 0, Полученные значения показателя энергоемкости (Wc) проката стали 40Х опреде ляются сочетанием характеристик прочности (предел текучести и предел прочно сти) и пластичности (равномерной и предельной деформаций). Критерии зарожде ния трещины исследуемого проката контролируются в основном величиной показа телей пластичности. Самые высокие значения Кзт имеет прокат, обработанный по режиму патентирования при температуре 400С и последующем волочении со сте пенью деформации 5%;
самые низкие показатели Кзт у проката, обработанному по режиму патентирования при температуре 370С и волочения со степенью деформа ции 40%. Режим патентирования при температуре 400С и обжатие со степенью 5% обеспечивают достаточную твердость (НВ 269) и прочность (в=950МПа) при со хранении достаточного уровня пластичности (=55%). Комплекс механических ха рактеристик проката сформировался благодаря термической операции патентирова ния и деформационному упрочнению методом окончательного волочения. Образцы выдержали испытание осадкой 66% первоначальной высоты.
В пятой главе на основании анализа представленных в четвертой главе результа тов разработана ресурсосберегающая схема термомеханической подготовки проката для изготовления упрочненных длинномерных болтов. По данной технологии по лучен патент на изобретение №2380432. В работе получены требуемые механиче ские характеристики проката и болтовых изделий из стали 40Х без дальнейшей их закалки и отпуска.
Предлагаемая технологическая схема подготовки проката:
1) отжиг г/к проката: температура нагрева 7700С, выдержка 3 ч, охлаждение до температуры 7000С, выдержка 3 ч, охлаждение с печью;
2) подготовка поверхности проката к волочению;
3) волочение с деформацией 15% (с диаметра 13,0 мм на 11,95 мм);
4) нагрев проката при температуре 8800С, патентирование при температуре 4000С выдержкой 5 мин, охлаждение на воздухе;
5) подготовка поверхности проката с фосфатированием;
6) окончательное волочение с обжатием 5% (с диаметра 11,95 мм на 11,65 мм);
7) формообразование упрочненных длинномерных болтов (М12х110 мм).
Сравнительные схемы подготовки проката по действующей и предлагаемой тех нологиям изготовления болтовых изделий показаны на рис. Сравнительные схемы изготовления проката стали 40Х Действующая Предлагаемая Отжиг горячекатаного проката Отжиг горячекатаного проката Травление поверхности горячекатаного Травление поверхности горячекатаного проката после отжига проката после отжига Волочение проката Волочение проката Рекристаллизационный отжиг проката Патентирование проката Травление поверхности проката Травление поверхности проката Волочение проката Волочение проката Формообразование болтов Формообразование болтов Закалка болтов Отпуск болтов Рис. 12 - Сравнительные схемы предложенного и действующего на производстве технологического процесса подготовки проката и изготовления болтовых изделий В табл. 2 представлены результаты механических испытаний проката, подготов ленного для высадки болтов по действующей (вариант 1) и предложенной (вариант 2) схемами. По действующей технологии (вариант 1) из проката изготавливается крепеж методом ХОШ с последующей его закалкой и отпуском. При этом в резуль тате закалки в длинномерных изделиях могут возникать деформации, трещины и обезуглероживание поверхности, что снижает качество болтов и повышает их от браковку. По предложенной технологии (вариант 2) из проката методом ХОШ изго товлены упрочненные длинномерные болты М12х110 и М10х95 с низкой обрезной головой и проведено их статическое испытание. Испытания болтов М12 х 110 мм и М10 х 95 мм проводились в соответствии ГОСТ 1759.4-87. Результаты испытания болтов представлены в табл. 3.
Таблица 2 - Механические характеристики проката по разным вариантам с требованиями ГОСТ 10702- Диаметр Вариант Прочностные и пластические Твердость проката, мм подготовки характеристики HRC в, 0,2 МПа % 9,65 1 815 695 13 57 9,65 2 950 830 13 54 10,7 1 805 690 14 56 10,7 2 940 825 12,5 55 9,65;
10,7 ГОСТ 10702-78 Не ме- Не ре- Не ме- Не Факульта нее 690 гламен- нее 5 менее тивная тируется Характер излома болтов со структурой «сорбит патентирования» волокнистый.
Анализ микрорельефа излома выявил наличие матовой шероховатой поверхности с признаками пластической деформации (утяжки). Волокнистый излом по классифи кации энергетического разрушения относится по характеру разрушения к вязкому виду разрушения. Это значит, что болты с данной структурой обладают высокой работой разрушения.
Таблица 3 - Результаты испытаний болтов из стали 40Х Вид болта Кол-во в,,, НВ Вид излома болтов, МПа % % шт.
М10 х 95 мм Волокнистый 15 1050 44,5 10,7 М12 х 110 мм Волокнистый 15 1020 45,3 11,3 Упрочненные длинномерные болты М12 х 110 мм и М10 х 95 мм с короткой об резной головой, изготовленные из проката с микроструктурой «сорбита патентиро вания» и упрочненные пластической деформацией в процессе редуцирования и накатки резьбы обладают комплексом прочностных и пластических характеристик, соответствующих классу прочности 9.8 крепежа согласно ГОСТ Р 52643-2006.
Таким образом, предлагаемая технологическая схема подготовки является ре сурсосберегающей, так как исключаются операции закалки и отпуска изделий. За траты по закалке и отпуску готовых метизов составляют более 9,5% себестоимости, т.е. это позволяет снизить трудо- и энергозатраты. Отсутствие закалки и отпуска длинномерных изделий позволяет избежать обезуглероживания поверхности, ко робления и трещин и, как следствие, повышает качество длинномерных болтов, ис ключает операцию отбраковки и рихтовки. Предлагаемая технологическая схема термомеханической подготовки проката является также экологичной, так как отсут ствие закалки и отпуска позволяет исключить из производственного процесса газо вые (электрические) проходные печи или селитровые ванны. Это обеспечит сниже ние выбросов отработанных газов в атмосферу и снизит использование солей в про изводстве.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Получены структурно-механические характеристики при различных вариантах термомеханической подготовки г/к проката после патентирования при температурах от 370 до 550оС. Показано, что при нагреве (880°С) и охлаждении (выдержке) про ката стали 40Х в селитровой ванне в интервале температур от 400 до 550°С в тече ние 5 мин аустенит распадается на смесь тонкопластинчатого строения разной дис персности - сорбит патентирования.
2. На основе полученных структурно-механических зависимостей выявлено, что патентирование при температурах 400 и 425°С и окончательное волочение со степе нями обжатия от 5 до 10%, обеспечивают рациональные прочностные и пластиче ские характеристики и твердость проката. Данный режим может быть рекомендован для термомеханической подготовки проката под ХОШ упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой без последующей их закалки и отпуска.
3. Установлено, что определяющим фактором повышения прочности готового крепежа является использование проката повышенной прочности, механические характеристики которого сформированы на этапах термомеханической подготовки структурно-механических свойств. Патентирование г/к проката стали 40Х при тем пературах 400 и 425°С приводит к повышению предела прочности на 190-230 МПа, при незначительном (1% - 4%) снижении характеристик и.
4. Разработана и предложена рациональная технологическая схема термомехани ческой подготовки проката стали 40Х диаметрами 9,65 и 11,7 мм (патент на изобре тение № 2380432) для получения упрочненных длинномерных болтов с низкой об резной головой, соответствующих классу прочности 9.8., которая заменяет рекри стализационный отжиг на изотермическую операцию патентирование, исключает операции закалки и отпуска изделий, позволяет снизить трудо- и энергозатраты, повысить экологичность производства и эксплуатационную надежность болтовых изделий без опасности обезуглероживания поверхности, возникновения дефектов резьбы и необходимости их сортировки и рихтовки. Это дает возможность сокра тить технологическую цепочку и снизить себестоимость изготовления болтов.
5. Результаты исследований опробованы на производстве и приняты к дальней шему использованию при изготовлении болтов класса прочности 8.8, 9.8 и 10.9 в ООО «Промметиз Русь» (г. Орел). Ожидаемый экономический эффект составляет 428 тыс. руб. при производственной программе 60 т болтов в год.
Основные публикации по теме диссертации Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах 1. Филиппов, А.А. Повышение качества поверхности стального проката под ка либровку перед высадкой крепежных изделий /А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин, А.Н.
Гущин, В.Г. Пачурин // Заготовительные производства в машиностроении. 2007.
№ 3 - С. 51-53.
2. Филиппов, А.А Выбор температуры изотермической закалки перед калибров кой проката стали 40Х /А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин // Ремонт. Восстановление.
Модернизация. 2007. № 10 - С. 33-35.
3. Филиппов, А.А. Температура изотермической закалки калиброванного проката из стали 40Х под холодную высадку/А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин // Заготовитель ные производства в машиностроении. 2007. № 10 - С. 44-46.
4. Филиппов, А.А. Оптимизация режимов подготовки хромистых сталей под хо лодную высадку метизов /А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин. // Ремонт, восстановление, модернизация. 2008. № 5 - С. 11-17.
5. Пачурин, Г.В. Экологичная подготовка поверхности проката под высадку кре пежных изделий /Г.В. Пачурин, А.А.Филиппов // EUROPEAN JOURNAL OF XPER IMENTAL EDUCATION. 2008. № 3 - С. 65-67.
6. Филиппов, А.А. Анализ поверхностных дефектов заготовок горячекатаного проката для холодной высадки метизов /А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин // Заготови тельные производства в машиностроении. 2008. № 5.- С. 35-37.
7. Пачурин, Г.В. Выбор рациональных значений степени обжатия горячекатаной стали 40Х перед холодной высадкой метизов /Г.В. Пачурин, А.А.Филиппов // Изве стия ВУЗов. Черная металлургия. 2008. № 7. - С. 23- 25.
8. Пачурин, Г.В Экономичная технология подготовки стали 40Х к холодной вы садке крепежных изделий /Г.В. Пачурин, А.А.Филиппов // Вестник машинострое ния. 2008. № 7. - С. 53-56.
9. Pachurin, G.V., Economical preparation of 40X steel for cold upsetting of bolts /G.V. Pachurin, A.A. Filippov // Russian Engineering Research. 2008. Т. 28. № 7. - С.
670-673.
10. Pachurin, G.V. Rational reduction of hot-rolled 40X steel before cold upsetting / G.V. Pachurin, A.A. Filippov // Steel in Translation. 2008. Т. 38. № 7. - С. 522-524.
11. Филиппов, А.А. Разработка конкурентоспособных технологий подготовки хромистых сталей под холодную высадку высокопрочных крепежных изделий / А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин // Заготовительные производства в машиностроении.
2008. № 10. - С. 28-32.
12. Филиппов, А.А. К вопросу термической обработки стали 40Х при подготовке калиброванного проката под холодную высадку крепежа/ А.А. Филиппов, К.Г. Па чурин, Г.В. Пачурин // Тяжелое машиностроение. 2008. № 12. - С. 19-21.
13. Филиппов, А.А. Технология подготовки калиброванного проката стали 38ХГНМ под холодную объемную штамповку / А.А. Филиппов, О.В. Власов, Г.В.
Пачурин.// Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2010. № 4. - С. 40-43.
Патент на изобретение 14. Филиппов, А.А., Пачурин Г.В. Патент на изобретение «Способ обработки го рячекатаного проката под высадку болтов». Патент RU 2380432 С1 С21D 8/06.
2008151317/02;
Заявл. 23.12.2008;
Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.
Публикации в других изданиях 15. Филиппов, А.А. Сравнение технологических вариантов подготовки хроми стых сталей под холодную высадку/ А.А.Филиппов, Г.В. Пачурин // Метизы. 2010.
№ 01(22). - С.54-55.
16. Филиппов, А.А. Термическая подготовка калиброванного проката из стали 40Х к холодной высадке высокопрочных крепежных изделий/ А.А. Филиппов, Г.В.
Пачурин // Метизы. 2010. № 01(22). - С. 56-57.
17. Пачурин, К.Г. Формирование структуры хромистых сталей под высадку бол тов/ К.Г. Пачурин, А.А.Филиппов, Г.В. Пачурин// INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH / Международный журнал приклад ных и фундаментальных исследований. 2011. № 9. - С. 55-59.