Resource-saving preparation of the structure and mechanical properties of steel 40X for cold die forging of hardware

Full Text

Введение На современном этапе наиболее остро встают вопросы разработки ресурсосберегающих технологий получения калиброванного проката при одновременном улучшении его качества. Одно из направлений развития волочильного производства – это повышение эффективности технологических процессов путем снижения металло- и энергозатрат. Калиброванный прокат с высоким уровнем физико-механических характеристик можно получать или за счет использования новых материалов, или за счет разработки новых технологических процессов. В связи с этим к конструкционным материалам предъявляются все более высокие требования в отношении прочностных и пластических характеристик, упрочняемости и эксплуатационной долговечности, а также специальных функциональных характеристик. Одновременно усиливается потребность в снижении трудозатрат, экономии решения все более острых экологических проблем. Главное при изготовлении крепежа - комплекс свойств, какими обладает прокат в различных условиях. Эти качества зависят от структуры и механических свойств, которые формируются во время волочения, фазовых и структурных превращений. В рамках современных требований повышения качества калиброванного проката необходимо изыскать дополнительные резервы на всех этапах технологического передела: оптимизации структуры металла, технологии его упрочнения и способов подготовки поверхности проката перед высадкой крепежа холодной объёмной штамповкой, что помимо чисто экономического эффекта позволит снизить нагрузки на формообразующий инструмент, а это даст возможность усложнить геометрию крепежа. К технологическим свойствам калиброванного проката, подвергаемого холодной высадке, относятся его способность выдерживать без разрушения (без появления трещин и надрывов поверхности) испытание на осадку под воздействием деформируемого инструмента, имеющего плоскую поверхность. Наилучшая способность сталей к холодной высадке практически обеспечивается в том случае, если образец выдерживает испытание на осадку до 1/З Н и менее. Недостатком испытания на осадку является то, что полученные результаты будут не полностью характеризовать всю партию и даже отдельный бунт контролируемого проката. Эффективность волочильного производства ограничена рассогласованием скоростей процессов на различных его этапах. Производство проката включает в себя операции подготовки к волочению, первичной холодной деформации, промежуточной термообработки, повторной холодной деформации и заключительной термообработки. При термообработке в колпаковых печах процесс длится от 10 до 36 часов, при нагреве способом ТВЧ не более 6 мин (при медленном охлаждении в термоёмкостях до 4 часов), при патентировании скорость проволоки в агрегатах составляет от 5 до 20 м/мин. Скорость движения проката при волочении в волоке однократного волочильного стана – до 2 м/мин, а при многократном волочении - до 7 м/мин. В процессе разработки ресурсосберегающих технологий получения калиброванного проката достаточно важным звеном является структурный подход при подготовке сортового металлопроката, обеспечивающий функциональное управление его свойствами за счет изменения дисперсности зерна, количества и морфологии фазовых составляющих. На сегодняшний день наиболее распространенной термической операцией подготовки проката из среднеуглеродистых и легированных сталей перед холодной объемной штамповкой является отжиг на зернистый перлит в колпаковых печах. Продолжительность отжига в данных печах составляет до 36 часов. Но даже после такой длительной термической выдержки в структуре металлопроката встречаются участки со следами пластинчатого перлита и не всегда обеспечивается равномерность свойств по всей длине мотка. К ряду метизных изделий, например для болтов моторной группы автомобилей, предъявляются повышенные требования к наличию поверхностных дефектов: глубина поверхностных дефектов, наличие обезуглероженного слоя и чистота поверхностного слоя. В действующих технологиях подготовки горячекатаный прокат подвергают пластическому упрочнению и снятию недопустимых дефектов поверхности путем дорогостоящей операцией обточки. Данные технологические операции приводят к значительному удорожанию метизных изделий. Высокая стоимость упрочнённого крепежа представляется негативным технико-экономическим показателем как для метизного производства этой продукции, так и для всех сфер производства конструкции, которые используют высокопрочные метизы. Для метизного производства – это повышенное использование металла при производстве деталей. Для остальных – нерациональное завышение веса конструкций и, соответственно, ухудшение их эксплуатационных качеств. В итоге все это негативно отражается на конкурентоспособности выпускаемых метизов и металлических изделий. Решение существующей проблемы производства калиброванного проката без отжига на структуру зернистого перлита и рекристаллизационного отжига в колпаковых печах, а также обточки поверхности проката представляет собой актуальную задачу для волочильного производства. Одним из приоритетных направлений в решении этой задачи авторы настоящей работы видят в снижении стоимости производимого калиброванного проката за счёт рационализации структурного подхода при подготовке сортового металлопроката, обеспечивающего функциональное управление его свойствами. Постановка задачи Рационализацию подготовки структурно-механических свойств авторы связывают с использованием фактора степени упрочнения, положительного влияния механо-электротермической подготовки структурно-механических свойств калиброванного проката на изменение механических характеристик, микроструктуры и величины обезуглероженного слоя. Причём предполагается достижение такого же уровня механических характеристик и качество поверхности, которые регламентирует ГОСТ 10702-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки». Данное решение подкреплено накопленным опытом метизного производства, свидетельствующим о возможности при подготовке горячекатаного проката отказаться в ряде случаев от традиционного термического отжига проката в печах. Негативные проявления традиционного термического отжига в полной мере относятся к калиброванному прокату для изготовления ответственного крепежа для автомобильной промышленности. Предлагаемое техническое решение не исключает термического отжига, но он осуществляется способом индукционного нагрева, так как обеспечивает высокую стабильность поддержания температурного режима и исключает образования обезуглероженного слоя. Выявлены рациональные степени обжатия при волочении проката. В плане исследования предлагаемого технического решения предпочтительной представляется сталь 40Х. Она имеет наибольшее распространение и зарекомендовала себя при любой степени массовости изготовления упрочняемых крепёжных изделий. В метизных предприятиях, изготавливающих крепеж для двигателей автомобилей, применяют сталь марки 40Х. Ниже представлена действующая схема переработки из горячекатаного проката диаметром 12,0 мм на готовый размер калиброванного проката 9,65 мм. - исходное состояние - горячекатаный прокат диаметром 12,0 мм; - сфероидизирующий отжиг в колпаковых печах с защитной атмосферой при температуре 750°С (общее время отжига – 24 часа); - травление металлопроката до полного удаления окалины; - волочение проката с диаметра 12,0 мм на диаметр 11,0 мм (степень обжатия -16,0%); - рекристаллизационный отжиг в колпаковых печах с защитной атмосферой при температуре 670°С (общее время отжига 12 часов); - травление металлопроката до полного удаления окалины; - волочение проката с диаметра 11,0 мм до 10,2 мм (степень обжатия 14,0 %); - обточка калиброванного проката с диаметра 10,2 мм на диаметр 9,97 мм; - волочение проката с диаметра 9,97 мм на диаметр 9,65 мм (степень обжатия - 6,0%); - покрытие смазочным материалом на готовом размере калиброванного проката (9,65 мм). Обточка калиброванного проката производится с целью удаления поверхностных дефектов и устранения обезуглероженного слоя. При обточке поверхности металлопроката, кроме наклепа, возникают и другие недопустимые дефекты поверхности. Кроме вышеназванных недостатков, при данной технологии переработки проката в стружку отправляется более 5,5% металла или с одной тонны металла в стружку уходит более 55 кг. Кроме того, дополнительно возникают проблемы с появлением обезуглероженного слоя и последующим удалением окалины с поверхности проката. Для исключения вышеназванных недостатков авторами исследованы следующие схемы подготовки проката для изготовления ответственных болтов автомобилей. Варьировались технологические схемы подготовки проката: Схема 1: Травление г/к проката диаметром 12,0 мм → волочение с диаметра 12,0 мм на диметр 11,0 мм (степень обжатия 15,9%) → отжиг ТВЧ при t = 760º...780ºС → травление → волочение с диаметра 11,0 мм на диметр 9,65мм (степень обжатия 23%) → отжиг (нагрев токами высокой частоты - ТВЧ) при t = 760º...780ºС → травление → волочение через фильер диаметром 9,65 мм (в пределах упругой деформации). Суммарное обжатие Qсум. = 38,9%. Схема 2: Отжиг горячекатаного проката ТВЧ при t = 760º...780ºС диаметром 14,0 мм → травление → волочение с диаметра 14,0 мм на диметр 12,5 мм (степень обжатия 20%) → отжиг ТВЧ при t = 760º...780ºС →травление → волочение с диаметра 12,5 мм на диметр 11,0 мм (степень обжатия 22%) → отжиг ТВЧ при t = 760º...780ºС → травление → волочение с диаметра 11,0 мм на диметр 9,65мм (степень обжатия 23%)%) → отжиг ТВЧ при t = 760º...780ºС → травление → волочение через фильер диаметром 9,65 мм (в пределах упругой деформации). Суммарное обжатие Qсум. = 65%. Результаты Установлено, что горячекатаный прокат имеет по длине неравномерные механические характеристики. Прочностные характеристики у образцов, взятых от внутренних и внешних концов различны: σв и σ0,2 выше у внешних концов и ниже у внутренних концов мотка. Это связано с более высокой скоростью охлаждения внешней стороны мотка. Микроструктура у внешних концов более мелкодисперсная, хотя составляющая её одинаковая. Пластические характеристики и твердость у внешних и внутренних концов практически одинаковые. После отжига ТВЧ горячекатаного проката микроструктура становится менее мелкодисперсной и более равномерной по сравнению микроструктурой горячекатаного проката. Такое изменение структурного состояния приводит к снижению прочностных характеристик и твердости и повышению пластичности. Анализ изменения структурного состояния, механических характеристик и твердости на переходах при изготовлении калиброванного проката стали 40Х по вышеприведенным технологическим схемам выявил, что с увеличением количества отжигов ТВЧ при температуре 760...780ºС после холодной пластической деформации волочением наблюдается значительное изменение микроструктурного состояния, а именно сорбитообразный перлит становиться менее дисперсным, а после отжига на размере Ø 11,0 мм в структуре появляется мелкозернистый перлит. После четвертого отжига на окончательном размере Ø 9,65 мм достигается формирование равномерной микроструктуры, состоящей из мелкозернистого и точечного перлита и равномерно распределенного феррита. Твердость проката с такой микроструктурой не превышает НВ 194. 3-х разовое волочение способствует постоянному упрочнению калиброванного проката, при этом его эллипсность на окончательном размере Ø 9,65 мм отсутствует. Выводы Благодаря 3-х разовому волочению с оптимальными степенями обжатия и отсутствию окалины после отжигов ТВЧ, достигается высокое качество поверхности калиброванного проката стали марки 40Х, его упрочнение, а также отсутствие эллипсности на окончательном размере. По сравнению с прокатом, изготовленным по действующей технологии и по схеме 2, калиброванный прокат по технологической схеме 2 обладает значительно меньшим сопротивлением пластической деформации (σ0,2 = 420 МПа и более высокой пластичностью ψ = 75%), а также более низкой твердостью – НВ 194). Калиброванный прокат, изготовленный по технологической схеме 2, имеет более равномерную и мелкодисперсную микроструктуру, обезуглероженный слой отсутствует. После отжига ТВЧ на поверхности калиброванного проката возникал незначительный налет окислов, который удалялся при травлении в течение нескольких секунд. Калиброванный прокат, изготовленный по технологической схеме 2, обладает высокой способностью к холодному пластическому деформированию. Кроме того, предлагаемый технологический процесс экологически более чистый.

About the authors

G. V Pachurin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: pachuringv@mail.ru
Dr.Eng., Prof.; 8(831) 436-23-20

A. A Filippov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Ph.D.; 8(831) 436-23-20

S. V Chinenkov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

8(831) 436-23-20

References

Supplementary files