автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающей термомеханической подготовки структурно-механических свойств стальных заготовок для получения упрочненных болтов

На правах рукописи

005020669

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

5 ДПР 2012

Нижний Новгород 2012

005020669

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Научный руководитель: доктор технических наук.

профессор Пачурин Герман Васильевич

Официальные оппоненты: Терентьев Владимир Федорович,

доктор технических наук, профессор, ФГБУН «Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова Российской Академии Наук», главный научный сотрудник

Гаврилов Геннадий Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», зам. заведующего кафедры

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный

университет им. Н.ИЛобачевского»

Защита состоится «27» апреля 2012 г. в 13-00 часов в ауд.1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Автореферат разослан « »_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Ульянов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В технических конструкциях широко применяются резьбовые детали крепбжного назначения, подвергнутые закалке с отпуском, - упрочнённый стальной крепёж. Значительная часть из них выполняется в виде длинномерных болтов, шпилек, стремянок и т.п. Развитие производства упрочнённого крепежа в условиях рыночной экономики, требующих обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции, наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, предполагает снижение затрат по всей производственной цепочке, начиная от изготовления проката и заканчивая получением деталей 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.АЛавриненко, 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 альтернативы 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 прокаливаемое™, возникает нестабильность 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 крепежа. В настоящее время упрочнение болтовых изделий достигается путем их закалки и отпуска. Однако термоулучшение длинномерных болтов может привести к их обезуглероживанию, 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 ванны). Такая ресурсо- энергосберегающая технология обеспечит увеличение эффективности 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 превышает 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 актуальную задачу для отечественной промышленности, охватывающей различные отрасли. Одним из приоритетных направлений в решении этой задачи автор настоящей работы видит в снижении стоимости производимого крепежа за счёт, во-первых, рационализации 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 по-

зволит 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 показателям: устранение коробления поверхности длинномерных болтов, возникающего 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 полностью термического упрочнения, которое остаётся как предварительная термическая обработка - патентирование, упрочняющий эффект которого усиливается в результате последующего окончательного волочения

В плане минимизации стоимости стали наиболее предпочтительной представляется сталь 40Х. Данная марка стали стандартизована (ГОСТ 10702-78), она традиционно имеет наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий и зарекомендовала себя легко осваиваемой метизным производством любой степени массовости. И, наконец, соответствующее содержание углерода, и легирование хромом (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); «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ» (утв. Указом Президента 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 научно-технической задачи разработки ресурсосберегающей термомеханической подготовки 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 характеристики проката.

3. Исследовать влияние температуры патентирования на структуру и механические характеристики проката.

4. Исследовать совместное влияние термической (патентирования) и пластической 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 прочности 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, 550°С.

2. Выявлены зависимости структурно-механических характеристик проката от степени обжатия при волочении и патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550°С. Установлено, что наилучшее сочетание механических характеристик достигается при степенях обжатия 5-10%.

3. Получены закономерности влияния температуры патентирования до и после деформирования с разными степенями обжатия на структуру и механические характеристики проката. Установлено, что режим патентирования при температурах 400 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 патентом на изобретение № 2380432.

Практическая значимость работы

• На основе экспериментальных и теоретических исследований влияния структуры на механические характеристики и твердость стали 40Х разработана ресурсосберегающая схема термомеханической подготовки проката для изготовления упрочненных длинномерных болтов с обрезной головой, соответствующих классу прочности 9.8, без закалки и отпуска, позволяющая сократить технологическую цепочку и снизить себестоимость их изготовления.

• Установленные закономерности влияния ресурсосберегающей термомеханической подготовки проката при изготовлении упрочненных длинномерных болтов опробованы в ООО «Промметиз Русь» (г. Орел) и приняты к дальнейшему использованию при изготовлении болтов класса прочности 8.8, 9.8 и 10.9. Ожидаемый экономический 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 Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева.

Объект исследования - г/к прокат конструкционной легированной стали перлитного 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 характеристики, твердость проката стали 40Х до и после операции волочения и патентирования.

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 волочения от температуры патентирования.

3. Полученные зависимости прочностных и пластических характеристик проката от степени обжатия при операции волочения.

4. Разработанные режимы термомеханической обработки, обеспечивающие рациональные структурные и механические характеристики проката для изготовления упрочненных длинномерных болтовых изделий из стали 40Х.

5. Разработанная ресурсосберегающая технологическая схема термомеханической подготовки проката стали марки 40Х для дальнейшего получения упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, соответствующих классу прочности 9.8.

Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов, рекомендаций подтверждается обоснованным использованием механических испытаний и металлографических исследований, математическим планированием экспериментов, значительным объемом экспериментальных данных, статистическим анализом, промышленным опробованием в производстве разработанных технологических режимов термомеханической обработки, натурными испытаниями, апробацией полученных результатов на научно-технических конференциях и семинарах разного уровня.

Личный вклад автора состоит в формировании целей и постановке задач исследования, 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 обсуждены на 25 международных и общероссийских конференциях, конгрессах и симпозиумах: г. Москва (2007, 2011 гг.), п. Славское, Карпаты (2006-2008 гг.), г. Ульяновск (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 (20072009 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 13 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 страницах 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 отечест-' венных и зарубежных металлургических предприятий, используемого для изготовления 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. Проанализированы закономерности влияния термической обработки, степени обжатия проката на микроструктуру, его твердость, прочностные и пластические характеристи-

ки. Рассмотрены основные технологические варианты подготовки проката для получения крепежных изделий класса прочности 8.8 и выше.

Основным способом получения упрочненного крепежа является высадка из проката 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 микроструктурой 80-100% зернистого перлита изучен достаточно глубоко, то из-за роста сопротивления пластической деформации прокату, имеющему структуру «сорбит патенгирования», уделяется недостаточное внимание. Общим недостатком термически обработанного проката в действующих технологиях является локальная неоднородность механических свойств, наблюдающаяся на соседних участках проката небольшой протяженности и по всей длине мотка. Поэтому требует исследования вопрос получения проката с равномерными механическими характеристиками по длине мотка для изготовления упрочненных длинномерных болтов с требованиям 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 обжатиями на структуру, прочностные и пластические характеристики, твердость проката в научной литературе освещен недостаточно, поэтому требует более детального изучения. Требуется рассмотреть работоспособность проката, полученного методом патентирования и пластического упрочнения при волочении, по поведению критериев разрушения синергетики (\Ус, Кзт, Крт).

На основании анализа литературных и производственных данных, была поставлена цель и сформулированы задачи работы.

Во второй главе представлена методика подготовки образцов и проведения испытаний, приведено обоснование и принцип выбора исходного структурного состояния, виды и режимы технологической обработки образцов. Для изготовления образцов был выделен моток г/к проката стали 40Х. Моток делили на части, из которых изготавливались серии образцов с различным структурным и деформированным состоянием. Исследованию подвергались образцы двух типов: I тип - недеформированные образцы г/к проката, находящиеся в разных структурных состояниях, соответствующих технологическому процессу изготовления проката: 1) с формой пластинчатого перлита, характерной для г/к проката, поставляемого с металлургических заводов; 2) с разной формой перлита (зернистого и пластинчатого перлита), характерной для процессов отжига г/к проката в камерных газовых печах отжига (металла). П тип - образцы проката, подвергнутые волочению с деформацией 5-60% до и после патенгирования. Половина образцов проката после волочения подвергалась патентированию, другая половина образцов после патентирования - волочению. Температура при патентировании и степень обжатия при волочении варьировались в зависимости от задачи исследования. Важным фактором, формирующим окончательную микроструктуру, является гомогенность аустенита. Исходя из этого, температура нагрева перед патентированием принималась 880°С. Образцы проката подвергались нагреву в соляной ванне (78% ВаСЬ + 22% ЫаСЬ) в течение 3 мин. Затем образцы переносились в селитровую ванну (50% МаЬГОз + 50% КЖ>3) и осуществлялась операция патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550°С 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 ±5°С. Волочение проката осуществлялось на однократном волочильном стане с обжатиями 5, 10, 20, 30, 40, 60%. Прочностные (а в, а0,2) и пластические 0F, 8) 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, 550°С. Вариант 2: Патентирование при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550°С и последующее волочение с деформацией 5, 10,20, 30, 40, 60%.

Математическое планирование экспериментов и статистический анализ их результатов проводились в соответствии с рекомендациями ГОСТ 23026-78. На каждую экспериментальную точку обрабатывалось одновременно по 8 образцов для металлографических и механических исследований и твердости. Коэффициент вариации параметров экспериментальных данных не превышал 0,021.

Изучение микроструктуры проводили на оптическом микроскопе NEOPHOT при увеличениях х200-600. Наблюдение изменения микроструктуры протравленной поверхности 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 хЮО. Использовались поперечные микрошлифы. Для оценки прочностных и пластических характеристик проводились следующие виды испытаний: 1) на растяжение с определением о„, а0,г V, б в соответствии с ГОСТ 1497-84 на машине ЦДМ-100, шкала 20 кг. Испытывались образцы длиной 300 мм, полученные данные усреднялись. 2) Твердость измерялась на приборе Роквелл, шкала С, на параллельных шлифованных лысках. Полученные данные усреднялись. Твердость HRC по переводной шкале переводилась в твердость НВ. 3) Натурные испытания болтов с определением величины разрывной нагрузки производились на машине МУП-50. Изучался вид излома болтов 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 первоначальной высоты образца. Качество поверхности оценивалось визуально без применения увеличительных приборов, а также с помощью бинокулярного микроскопа (хб 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 (выдержке) 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 обжатия г/к проката при волочении на прочностные, пластические характеристики и твердость. Выявлено, что Рис. 1 - Исходная структура стали 40Х

с увеличением обжатия г/к проката методом волочения от 5 до 60% предел прочности и текучести увеличиваются с 890 до 1138 МПа и с 780 до 985 МПа соответственно, но снижаются относительное сужение (с 60 до 38%) и относительное удлинение (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, 550°С на прочностные и пластические характеристики. Выявлено, что с увеличением степени деформации от 5 до 60% и последующем патентировании при температуре 400°С прочностные характеристики проката изменяются немонотонно. При этом предел текучести увеличивается с 690 до 780 МПа, а предел прочности с 910 до 1040 МПа. Выявлено, что кратковременный нагрев (3 мин) при температуре 880°С не снимает наклёп полностью. Данные результатов показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60% при температуре патентирования 400°С пластические характеристики изменяются незначительно и остаются на достаточно высоком уровне (у=52-58%; 6=15-16%). Твердость образца при температуре патентирования 400°С находится в пределах от 27 до 28 ЖС. 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 оксидная пленка и солевой налет, не позволяющие качественно провести технологическую операцию в высокоточном инструменте высадочного автомата.

3. Изучено влияние патентирования при разных температурах на механические характеристики 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 (ав, а0,2) и снижаются пластические характеристики (Ф, б) проката (рис.2). Анализ прочностных и пластических характеристик произведен в гл.4. _

а, и от при патентировании 400°С 6 и у при патентировании 400°С

Рис. 2-Зависимосгь прочностных и пластических характеристик от патентирования и степени

обжатия стали 40Х

Выявлено влияние температуры патентирования 400°С и волочения на твердость проката. Установлено, что твердость проката 40Х возрастает с увеличением обжатия. Рациональная твердость для изготовления длинномерных болтов получена с обжатием от 5 до 10% и равна 28-29 НЯС .

4. Изучено значение механических характеристик (о„ Со,2, % 8) и критериев разрушения синергетики ^с, Кзт, Крт) стали 40Х после патентирования в интервале различных температур и последующего волочения с различными деформациями. Сравнение показателей энергоемкости О^с) по различным вариантам показано на рис.4.

—няс т нис-ую

——МИС 550

Рис. 3 -Зависимость твердости от степени обжатия при разных температурах патентирования

Рис.4 - Сравнение показателя энергоемкости \Ус 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 скоплений 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 характеристиками (о„=1100 МПа), но недостаточной пластичностью (¥=33%) и высокой твердостью (35 НЯС). Микроструктура «троостит» не рекомендуется для проката при изготовлении длинномерных болтов методом ХОШ. При температуре патентирования 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 370°С (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.

яме тт шт 11111

Яш ШшФ ШЖ Йй»« -'*."* НРР

400°С 425°С 450°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 о„ и от при деформации со степенями обжатия более 30% обусловлено особенностями формирования очага деформации, ведущему к интенсивному 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 показан на рис.9.При обжатиях от 5 до 20% пластические характеристики 5) остаются на достаточно высоком уровне -52-60%. При обжатии 30% прокат достигает минимального значения своих пластических характеристик. При обжатиях свыше 35% пластические характеристики снова начинают увеличиваться ввиду начала интенсивного 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 550°С приводит к существенному возрастанию пластичности (¥=58-62%), но снижению прочности (905 МПа) и твердости (22 НЫС), что связывается с полным превращением еще до достижения температуры 550°С переохлажденного аустенита в ферритно-цементитную смесь (тоже «сорбит патентирования», но меньшей дисперсности).

Вытянутость зерен проката становится заметной после 20% степени обжатия. При степени деформации 40% и 60% зёренная текстура составляет 100% (структуры), то есть практически все составляющие микроструктуры ориентированы вдоль оси деформации (рис. 10).

ЖЙШ,

Щ:.С <

при обжатии 40% при обжатии 60% Рис. 10 -Текстура проката стали 40Х после волочения (хЮО)

Рис.11- Образование внутренних трещин после патентирования при 500°С и волочения

При температуре патеитирования 500°С прокат имеет структуру «сорбит с включениями 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 механических характеристик при патентировании при 500°С 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 благоприятные 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 разнородную твердость (проката).

Сравнение критериев работоспособности ^с, Кзт, Крт) по различным вариантам технологической обработки показало, что прокат, обработанный по режиму патеитирования при температуре 400°С и волочения со степенью обжатия 5%, более предпочтителен, чем прокат, обработанный по другим режимам, включая действующий (табл.1).

Таблица 1-Сравнение механических характеристик и критериев работоспособности проката 40Х, подготовленного по действующей (1) и предлагаемой (2) технологии_

Вариант НВ о.. От, 8, >Ус, Кзт Крт,

МПа МПа % % МДж/м3 (Мдж/м3) 10"6

1 235 860 695 57 13 708 1,02 0,33

2 269 950 840 55 12,7 886 1,05 0,46

Полученные значения показателя энергоемкости (\Ус) проката стали 40Х определяются сочетанием характеристик прочности (предел текучести и предел прочности) и пластичности (равномерной и предельной деформаций). Критерии зарождения трещины исследуемого проката контролируются в основном величиной показателей пластичности. Самые высокие значения Кзт имеет прокат, обработанный по режиму патеитирования при температуре 400°С и последующем волочении со степенью деформации 5%; самые низкие показатели Кзт у проката, обработанному по режиму патеитирования при температуре 370°С и волочения со степенью деформации 40%. Режим патеитирования при температуре 400°С и обжатие со степенью 5% обеспечивают достаточную твердость (НВ 269) и прочность (а,=950МПа) при сохранении достаточного уровня пластичности (¥=55%). Комплекс механических характеристик проката сформировался благодаря термической операции патеитирования и деформационному упрочнению методом окончательного волочения. Образцы выдержали испытание осадкой 66% первоначальной высоты.

В пятой главе на основании анализа представленных в четвертой главе результатов разработана ресурсосберегающая схема термомеханической подготовки проката для изготовления упрочненных длинномерных болтов. По данной технологии получен патент на изобретение №2380432. В работе получены требуемые механиче-

скис 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 770°С, выдержка 3 ч, охлаждение до температуры 700°С, 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 880°С, патентирование при температуре 400°С

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 технологиям изготовления болтовых изделий показаны на рис.12

Сравнительные схемы изготовления проката стали 40Х

_Действующая_ _Предлагаемая_

| Отжиг горячекатаного проката | | Отжиг горячекатаного проката |

-и-

Травление поверхности горячекатаного проката после отжига

I3ZE

Травление поверхности горячекатаного проката после отжига

хс

Волочение проката \ Г Волочение проката

-i ь J L

Рекристаллизационный отжиг проката | | Патентирование проката

4 Г _' j

Травление поверхности проката | | Травление поверхности проката

-LU ,__CL-

Волочение проката | | Волочение проката ^ — J -

Формообразование болтов | | Формообразование болтов

•4 J-

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, подготовленного 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 результате закалки в длинномерных изделиях могут возникать деформации, трещины и обезуглероживание поверхности, что снижает качество болтов и повышает их отбраковку. По предложенной технологии (вариант 2) из проката методом ХОШ изготовлены 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 10702-78

Диаметр проката, мм Вариант подготовки Прочностные и пластические характеристики Твердость ЛЯС

<*0,2 8 ¥

МПа %

0 9,65 1 815 695 13 57 24

0 9,65 2 950 830 13 54 28

0 10,7 1 805 690 14 56 23

010,7 2 940 825 12,5 55 28

0 9,65; 0 10,7 ГОСТ 10702-78 Не ме- Не рег- Неме - Не Факульта-

нее 690 ламенти- нее 5 менее тивная

руется 40

Характер излома болтов со структурой «сорбит патентирования» волокнистый. Анализ микрорельефа излома выявил наличие матовой шероховатой поверхности с признаками пластической деформации (утяжки). Волокнистый излом по классификации 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 % 8, НВ Вид излома

болтов, МПа % %

шт.

М10 х 95 мм 15 1050 44,5 10,7 286 Волокнистый

М12х 110мм 15 1020 45,3 11,3 277 Волокнистый

Упрочненные длинномерные болты М12 х110ммиМ10х95ммс короткой обрезной головой, изготовленные из проката с микроструктурой «сорбита патентирования» 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 ресурсосберегающей, так как исключаются операции закалки и отпуска изделий. Затраты 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, коробления и трещин и, как следствие, повышает качество длинномерных болтов, исключает операцию отбраковки и рихтовки. Предлагаемая технологическая схема термомеханической подготовки проката является также экологичной, так как отсутствие закалки и отпуска позволяет исключить из производственного процесса газовые (электрические) проходные печи или селитровые ванны. Это обеспечит снижение 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 550°С. Показано, что при нагреве (880°С) и охлаждении (выдержке) 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 патентированпя.

2. На основе полученных структурно-механических зависимостей выявлено, что патентирование при температурах 400 и 425°С и окончательное волочение со степенями обжатия от 5 до 10%, обеспечивают рациональные прочностные и пластические 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 температурах 400 и 425°С приводит к повышению предела прочности на 190-230 МПа, при незначительном (1% - 4%) снижении характеристик 8 и у.

4. Разработана и предложена рациональная технологическая схема термомеханической подготовки проката стали 40Х диаметрами 9,65 и 11,7 мм (патент на изобретение № 2380432) для получения упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, соответствующих классу прочности 9.8., которая заменяет рекри-стализационпый 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 сократить технологическую цепочку и снизить себестоимость изготовления болтов.

5. Результаты исследований опробованы на производстве и приняты к дальнейшему 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, A.A. Повышение качества поверхности стального проката под калибровку перед высадкой крепежных изделий /A.A. Филиппов, Г.В. Пачурин, А.Н. Гущин, В.Г. Пачурин // Заготоьителыше производства в машиностроении. 2007. № 3-С. 51-53.

2. Филиппов, А.А Выбор температуры изотермической закалки перед калибровкой проката стали 40Х /A.A. Филиппов, Г.В. Пачурин // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2007. № 10 - С. 33-35.

3. Филиппов, A.A. Температура изотермической закалки калиброванного проката из стали 40Х под холодную высадку/А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. № 10 - С. 44-46.

4. Филиппов, A.A. Оптимизация режимов подготовки хромистых сталей под холодную высадку метизов /A.A. Филиппов, Г.В. Пачурин. // Ремонт, восстановление, модернизация. 2008. № 5 - С. 11-17.

5. Пачурин, Г.В. Экологичная подготовка поверхности проката под высадку крепежных изделий /Г.В. Пачурин, А.А.Фшшппов // EUROPEAN JOURNAL OF ХРЕ-RMENTAL EDUCATION. 2008. № 3 - С. 65-67.

6. Филиппов, A.A. Анализ поверхностных дефектов заготовок горячекатаного проката для холодной высадки метизов /A.A. Филиппов, Г.В. Пачурин // Заготовительные 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 // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2008. № 7. - С. 23- 25.

8. Пачурин, Г.В Экономичная технология подготовки стали 40Х к холодной высадке крепежных изделий /Г.В. Пачурин, А.А.Филиппов // Вестник машиностроения. 2008. № 7. - С. 53-56.

9. Pachurin, G.V., Economical preparation of 40X steei for cold upsetting of bolts /G.V. Pachurin, A.A. Filippov // Russian Engineering Research. 2008. T. 28. № 7. - C. 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. T. 38. № 7. - C. 522-524.

11. Филиппов, A.A. Разработка конкурентоспособных технологий подготовки хромистых сталей под холодную высадку высокопрочных крепежных изделий

/ A.A. Филиппов, Г.В. Пачурин // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 10. - С. 28-32.

12. Филиппов, A.A. К вопросу термической обработки стали 40Х при подготовке калиброванного проката под холодную высадку крепежа/ A.A. Филиппов, К.Г. Пачурин, Г.В. Пачурин // Тяжелое машиностроение. 2008. № 12. - С. 19-21.

13. Филиппов, A.A. Технология подготовки калиброванного проката стали 38ХГНМ под холодную объемную штамповку / A.A. Филиппов, О.В. Власов, Г.В. Пачурин.// Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2010. № 4. - С. 40-43.

Патент на изобретение

14. Филиппов, A.A., Пачурин Г.В. Патент на изобретение «Способ обработки горячекатаного проката под высадку болтов». Патент RU 2380432 CI C21D 8/06. 2008151317/02; Заявл. 23.12.2008; Опубл. 27.01.2010. Бюл. № 3.

Публикации в других изданиях

15. Филиппов, A.A. Сравнение технологических вариантов подготовки хромистых сталей под холодную высадку/ А.А.Фшшппов, Г.В. Пачурин // Метизы. 2010. № 01(22). - С.54-55.

16. Филиппов, A.A. Термическая подготовка калиброванного проката из стали 40Х к холодной высадке высокопрочных крепежных изделий/ A.A. Филиппов, Г.В. Пачурин // Метизы. 2010. № 01(22). - С. 56-57.

17. Пачурин, К.Г. Формирование структуры хромистых сталей под высадку болтов/ К.Г. Пачурин, А.А.Филшшов, Г.В. Пачурин// INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH / Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. Ks 9. - С. S5-59.

Подписано в печать 23.03.2012. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Уч.-иэд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 169.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.