автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства заготовок для холодной высадки изделий повышенной прочности и сложности

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Т8 03

О

•> 'Г * ^

На правах рукописи

БОРЗЕНКОВ Михаил Иванович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ВЫСАДКИ ИЗДЕЛИЙ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ и сложности

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

в Московской государственной академии приборостроения и информатики

Осадчий Владимир Яковлевич, академик, д.т.н., профессор. Лауреат Государственной премии СССР, заслуженный деятель науки и техники РФ.

Овчинников Анатолий Георгиевич, академик, д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ; Константинов Валерий Федорович, к.т.н., доцент.

АООТ "Орловский сталепрокатный завод"

Защита состоится «/А аз 1997 года в часов на заседании специализированного Совета К 063.93.01 при Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу: 107846, Москва, Стромынка, д. 20, МГАПИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

Автореферат разослан "_"_ 1997 г.

Ученый секретарь Совета, к.т.н., доцент

Дальская А. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В последние годы, несмотря на сокращение производства метизов в России и за рубежом, растет спрос на крепежные и другие изделия повышенной прочности и сложности, изготавливаемые холодной штамповкой - высадкой. Традиционные методы обеспечения высоких прочностных характеристик требуют значительных затрат. В частности, термообработка отштампованных изделий из среднеуглеродистых марок сталей (закалка с последующим отпуском) увеличивает их стоимость на 10-20 %, приводит к обезуглероживанию поверхностного слоя.

Применение легированных сталей для повышения прочности крепежных изделий затрудняет их изготовление'на" холодновысадбчных автоматах, требуются дополнительные затраты на нагрев заготовок, а в ряде случаев изделия приходится получать механической обработкой.

Аналогичные проблемы связаны с получением холодной штамповкой изделий повышенной сложности, с большим перепадом площади поперечных сечений, таких как толкатель тарелки клапана, поршень дискового тормоза и т. п. Из-за высокой степени деформации при высадке утолщений на обычных калиброванных заготовках образуются трещины. Приходится вводить механическую обработку заготовок для снятия слоя металла с поверхностными дефектами, которые служат концентраторами напряжений при формоизменении. Совершенно очевидно, что для производства конкурентоспособной продукции метизной промышленности необходимо исключить трудоемкие операции механической и термической обработки, обеспечить требуемые показатели прочности и пластичности материала на заготовительных переделах, желательно - на возможно более ранних стадиях получения заготовки. Чем больше она приближается к окончательному виду калиброванного прутка или проволоки, тем дороже обходятся дополнительные операции.

Таким образом, к заготовкам предъявляются противоречивые требования повышенной прочности и пластичности при жестких ограничениях стоимости продукции, исключающих применение дорогих марок легированной стали и трудоемких операций. Следовательно, вопросы совершенствования производства изделий повышенной прочности и сложности являются актуальными.

Целью работы является совершенствование технологии производства заготовок из низко- и среднеуглеродистых сталей, обеспечивающей высокие показатели штампуемости материала и прочности изделий и исключающей применение трудоемких и дорогостоящих операций.

Для достижения сформулированной цели в работе поставлены следующие задачи:

- исследовать факторы, влияющие на предельную степень формоизменения заготовок в процессе холодной высадки и установить допустимые размеры поверхностных дефектов;

- выполнить сравнительный анализ операций высадки и осадки для установления возможности применения последней в качестве испытания материала на пригодность к холодной высадке;

- установить количественные оценки упрочнения в процессе обработки заготовок с сохранением пластических свойств на уровне, приемлемом для холодной высадки изделий повышенной прочности;

- определить механические характеристики проката боросодсржа-щих сталей и возможность его применения для холодной высадки крепежных изделий повышенной прочности;

- разработать методику проектирования сквозных технологических процессов изготовления заготовок, обеспечивающих высокие показатели штампуемости материала и прочности изделий.

Научная новизна. Разработана научнообоенованная методика проектирования сквозной технологии производства проката для холодной высадки изделий повышенной прочности и сложности.

Установлены наиболее характерные видь: поверхностных дефектов калиброванного проката и их допустимые величины влияющие на критическую степень осадки, и количественные соотношения между ними:

- волосовины и трешины с глубиной залегания до 0.5 мм - 44,5% от общего числа дефектов;

- неметаллические включения с выходом ка поверхность - 30.5%;

- плены и закаты с глубиной залегания до 3 мм - 25%.

Определена допустимая глубина поверхностных дефектов при испытании образцов на осалк\ по группе 75 и 66:

- волосовины и трещины 0,04...0,08 мм;

- плены и закаты 0.07...0.17 мм:

- неметаллические включения 0.08...0.16 мм.

Выявлен эффект повышения кртическо;: степени осадки образцов на & - 12 % в результате предварительной нагартоЕКИ проката при холодном ьолочении. который можно объяснить реьер:ивным характером деформации осадки по сравнению с волочением.

Практическая ценность. В результате применения разработанной технолог.:!] изготовления калиброванного проката:

- прочностные и пластические характеристики низко- и среднеугле-родистмх сталей достигают уровня легированных;

- исключаются трудоемкие операции механической и термической обработки;

- резко сокращается брак по трещинам при высадке изделий сложной формы;

- ожидаемый экономический эффект от применения разработанной технологии составил более 3 млн. руб. в ценах 1991 года.

Реализация работы в промышленности. Разработанный технологический процесс производства заготовок реализован на АООТ "Орловский СПЗ" и Белебеевском заводе "Автонормаль", методика его проектирования используется в метизной отрасли, в том числе, в виде ТУ 14-1-4666-89 "Прокат, термомеханически обработанный (подкат) и калиброванный, из стали качественной конструкционной углеродистой для холодного выдавливания и высадки".

Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, обеспечивалась за счет большого объема проведенных испытаний, в частности, были испытаны образцы металла 102 плавок Белорусского метзавода и около 40 комбината "Криворожсталь".

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на научных семинарах кафедры "Автоматизированные процессы и машины пластической обработки материалов" Орловского государственного технического университета, кафедры МТ-6 МГТУ им. Баумана, кафедры МТ-2 МГАПИ, на Российской научно-технической конференции "Металлические материалы, методы их обработки" в Москве, в 1994 г., Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве", в Магнитогорске, в 1990 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, включая 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 119 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 134 наименований и 6 приложений, содержит 36 рисунков, 35 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе систематизированы типы крепежных и других изделий, изготавливаемых на холодно-высадочных автоматах, рассмотрена проблематика применения высадки для получения изделий повышенной прочности и сложности, проанализированы виды разрушения заготовок на различных переходах штамповки. Рассмотрены работы по теории разрушения металлов в процессах пластического деформирования, основы-которой заложены Соколовым Л. Д., Смирновым-Аляевым Г. А., Огородни-ковым В. А., Колмогоровым В. Л., Делем Г. Д., Авицуром Б., Кобаяси Ш., Нойбером Г. и другими отечественными и зарубежными учеными.

При штамповке изделий на холодновысадочных автоматах возможны два вида разрушения заготовок. Первый вид связан с недостаточной пластичностью материала, ему свойственна стабильность б том, что касается места и повторяемости разрушения. Накопленный пра-ггический опыт производства метизов позволяет приблизительно оценивать штампуемость материала с помощью стандартных испытаний образцоз на разрыв. Развиваемая в настоящее время концепция ресурса пластичности создает предпосылки расчетной оценки предельной степени формоизменения заготовок при высадке и других операциях холодной штамповки.

Второй вид разрушения связан с наличием поверхностных дефектов: трешин, плен, закатов, волосовин, неметаллических включений. Они инициируют разрушение заготовок до исчерпания ресурса пластичности континуального объема. Существует прямая связь между количеством и размерами дефектов на поверхности заготовок с одной стороны и процентом брака при штамповке с другой. Относительно неглубокие дефекты могут считаться допустимыми, поскольку они начинают интенсивно развиваться (раскрываться) лишь после значительного растяжения поверхности заготовки в тангенциальном направлении. Количественное соотношение между глубиной поверхностных дефектов и критической степенью осадки образца можно установить экспериментальным путем.

Одно из перспективных направлений в совершенствовании технологических процессов холодной штамповки (работы Герасимова В. Я.. Де-ордиева Н. Т., Дмитриева А. М., ПоповаЕ. А... Навроцкого Г. А., Овчинникова А. Г., Смирнова О. А., Осадчего В. Я., Паршина П. Л.. Ерманка N1. 3.. Семенова И. Е., Толчинского М. С. и др.) заключается в обеспечении заданных механических характеристик изделий с учетом упрочнения, которое получает материал при изготовлении заготовок и их последующе.'.: формоизменении.

В частности. И. Л. Паршин рекомендует варьировать степенью деформации при волочении проката в зависимости от объема и диаметра уто.т.пепий, образуемых высадкой при последующей штамповке изделии. В условиях реального производства подобные рекомендации не всег;:.. выполнимы, поэтому обычно опытным путем подбирают режимы волочения. обеспечивающие необходимые прочностные и пластические характеристики проката для изготовления широком номенклатур!• изделий.

Во птогюп главе изложена методика проведения экспериментальных исследований влияния поверхностных дефектов на критическою степей;, осадим образцов. Процесс осадки образца моделирует высадку утолшеппх на заготовке при штамповке крепежных и других изделии. Экспериментировать непосредственно с процессами высадки достаточно сложно, поскольку длина высаживаемой части заготовки на практике сравнительно

велика, что требует применения переходов предварительного набора утолщения.

Принципиальное отличие осадки от высадки состоит в том, что вторая сопряжена с влиянием недеформируемой части заготовки, тормозящей радиальное перемещение материала в месте перепада диаметров утолщения Б и стержня с!, рис. 1.

Вариационное уравнение, отражающее принцип минимума работы внутренних и внешних сил, для неупрочняемого материала в общем случае имеет вид:

= 0 .

Три интеграла данного уравнения учитывают соответственно работу внутренних сил; сил трения т^ = ц/т3 и среза на поверхности разрыва перемещений. Площадь последней при высадке л<12/4. Силы трения действуют на площади я(02 - <Г)/4 . При осадке поверхность разрыва отсутствует, силы трения действуют по всему торцу.

На рис. 1 в показана 1/4 меридионального сечения обобщенного образца (осадка и высодка) в исходном и деформированном состоянии.

Функцию вертикального перемещения иг задавали с использованием двух варьируемых параметров а, и а2 в виде:

и,

Ег+ а, г

( 2 / зЛ

Г 1- г

+ а,г—^ —

1 ьч - Я ч ь3;

обозначения г, Ь, Я, т. см. на рис. 1 в; е = (Н0 - Н)/Н0 - относительное уменьшение высоты высаживаемой части заготовки или высоты осадки.

Выражения деформаций однозначно определены данной функцией и условием несжимаемости материала.

Дифференцируя интегралы вариационного уравнения по методу Рит-ца, находили значения варьируемых параметров, а по ним - деформации высадки.

Сравнение расчетных деформаций высадки и осадки показало незначительное различие между ними. На рис. 2 в виде графиков представлено соотношение деформаций осадки и высадки в точке с координатами: ъ = 0, г = Я, где обычно начинается разрушение, вызванное исчерпанием ресурса пластичности. В данной точке деформации по высоте, наибольшие в абсолютном выражении, отличаются не более чем на 7%; тангенциальные деформации начальной стадии осадки и высадки различны вследствие

'У///УУУА У//////УУ/УУ У/У/////////,

-- \ 1 ! ,

1 1 \ \

о

а)

Н„

Н

/ >————

У/л..

Р

у.

П

0,5Н,

в)

г

---- \ \ 1 Н=0,5Н

Я г

Рис. 1. Схемы осадки (а), двусторонней высадки (о), у, сечения осажи ваемой заготовки (высаживаемой части заготовки) (в).

Рис. 2. Соотношения между деформациями высадки и осадки: а)Н0 вые- = Но сс., б)Н0 вь;с- = -Но ос

неодинакового развития бочкообразности, а в конечной стадии они становятся практически равными. Все это позволяет считать процессы осадки и высадки идентичными с точки зрения достижения предельной степени формоизменения.

Методика экспериментальных исследований по определению количественных отношений между глубиной поверхностных дефектов и критической степенью осадки заключается в следующем. Глубина дефектов измеряется на торцах образца, подвергаемых шлифовке с целью повышения точности измерений. Все поверхностные дефекты калиброванного проката имеют продольную ориентацию и практически не изменяются в пределах образца, что объясняется технологией получения проката.

Образцы осаживали на 50% по высоте, после чего контролировали их на предмет развития трещин и продолжали осадку в ступенчатом режиме - через 3-5% высоты, повторяя контрольные осмотры.

Осадка образцов принималась также в качестве одного из стандартных видов испытаний калиброванного проката. В этом случае стандарт предусматривает степени осадки: 50%, 66% и 75%. Соответственно испытанный материал аттестуют на принадлежность к одной из трех групп, смотря по тому, какую из указанных степеней осадки выдерживали образцы.

В третьей главе излагаются результаты экспериментальных исследований по оценке влияния поверхностных дефектов, химического состава и структуры калиброванного проката на предельную степень осадки. Исследовали прокат низко- и среднеуглеродистых марок стали: 10, 10КП, 20, 20КП, 35 - диаметром от 7,0 до 30,0 мм. Образцы были отобраны от 102 партий проката после калибровки на Орловском сталепрокатном заводе. На торцах образцов выполняли шлифы, на которых с помощью микроскопа находили дефекты, определяли их тип и глубину.

Установлено, что 44,5% дефектов составляют волосовины и трещины глубиной от 0,04 мм до 0,50 мм; 30,5% - неметаллические включения с выходом на поверхность и 25% - плены и закаты глубиной от 0,07 мм до 3,08 мм. Таким образом, преобладающая часть дефектов ведет свое происхождение от сталеплавильного производства - это волосовины, трещины и неметаллические включения (69,5%); другие дефекты (плены и закаты -30,5%) являются следствием нарушения технологии прокатки, начиная со слитка.

Критическую степень осадки определяли посредством ступенчатого уменьшения высоты образцов. Результаты экспериментов в графическом виде представлены на рис. 3. Области А, Б, В на графиках соответственно показывают допустимую глубину дефектов, опасную и недопустимую.

Эксперименты показали, что критическая степень осадки зависит не только от глубины, но и от вида дефектов. Наибольшее влияние оказывают

Рис. 3. Влияние поьерхкостких дебекюь на критическую степе!!:, о

ки:

а) неметаллические включения;

б) плены и закаты;

в) волосовины и трещины.

волосовины и трешины, особенно для проката с осадкой по группе 66 и 75. Глубина этих дефектов не должна превышать 0,05 мм и 0,04 мм соответственно. Плены и закаты играют менее значительную роль при разрушении образцов, поскольку они залегают, как правило, под острым углом к поверхности, а иногда - параллельно поверхности, и поэтому раскрываются при более высоких степенях осадки. Влияние неметаллических включений на разрушение образцов неоднозначно. Здесь, кроме глубины залегания дефекта, играют роль сама величина неметаллического включения и его природа. Диаметр образцов (масштабный фактор) не оказывает влияния на зависимость критической степени осадки от глубины дефектов.

Проведенные эксперименты позволили установить приоритетные направления совершенствования технологии изготовления проката. Весьма важно свести к минимуму дефекты и неоднородность структуры металла. образующиеся при выплавке и разливке стали. Для проверки данного утверждения в 1985-86 гг. были заказаны партии непрерывнолитых заготовок из стали 35 на Узбекском метзаводе и Оскольском электрометаллургическом комбинате. Переработка этих партий в калиброванный прокат показала резкое уменьшение числа неметаллических включений, а также числа дефектов, образующихся при прокатке, благодаря более плотной стр) ктуре металла. В итоге сократился брак при высадке деталей сложной формы с 7,8 до 0,1%.

В дальнейшем объектом исследования были выбраны непрерывно-литые заготовки Белорусского метзавода с размерами сечения 250-300 мм, которые затем прокатывали на квадрат 125x125 мм. Согласно статистическому анализу за 1988 г. 94,7% прокатанных заготовок не имели поверхностных дефектов, 1,7% прошли ручную зачистку, 29% - машинную. Все они. т. е. 99,3е о от общего числа были допущены к дальнейшей переработке на прокат.

Для сравнения с качеством проката из непрерывнолитого металла были собраны статистические данные по качеств}' проката комбината Крнворожсталь, производимого из слитка с применением сплошной зачистки наждачными кругами после прокатки на квадрат 125x125 мм. Всего было подвергнуто исследованию 44 плавки комбината Криворожсталь и 13 плавок Белорусского метзавода в состоянии проката. Выдержали осадку :-:?. 75е.о соответственно 70' о и 92% плавок. После калибровки проката 100' о заготовок из белорусского металла (сталь 35) выдержало аттестацию по группе 75. тогда как показатели криворожского составили от Б5% до 99." о (стали 08КП, 10КП. 20КП, 35).

Критическая степень осадки и цлампуемость заготовок зависят не только от состояния поверхности, но и, прежде всего, от показателей пластичности, на которые влияют химический состав и структура материапа. В настоящее время любое конкурентоспособное производство должно от-

вечать международным сертификационным требованиям, в том числе требованиям к сквозной технологии, начиная с качества сырья. Исследование химического состава белорусского и криворожского металла показало меньшее в 1,37 раза суммарное содержание серы и фосфора в первом. В белорусском металле сравнительно мало содержание хрома - до 0,18%, никеля - до 0,17%, меди - до 0,21%, что также благоприятно отражается на показателях пластичности.

Исследование влияние микроструктуры на критическую степень осадки проводилось на марках стали: 10КП, 20, 35, 40Х. Фиксировали степень сфероидизации перлита, величину действительного и аустенитного зерна.

Сфероидизацию перлита обеспечивали термообработкой по режиму:

- нагрев до 730-740° С, для стали 40Х - до 740-760° С;

- ускоренное охлаждение до 600 С;

- повторный нагрев до 690-720 С с выдержкой в течение 2-16 часов.

Аустенитное зерно получали путем нагрева заготовок до температуры 1100-1200° С и выдержки в течение 0,5-4 часа. Величина действительного зерна регулировалась за счет изменения скорости охлаждения. Дисперсность зернистого перлита достигалась за счет закалки и последующего отпуска при температуре 690-700 С в течение 1-12 часов. Образцы предварительно обтачивали для исключения влияния поверхностных дефектов при осадке.

Результаты испытаний показали, что степень сфероидизации перлита не оказывает существенного влияния на критическую степень осадки (около 88%) образцов из низкоуглеродистых сталей 10 КП, 20. Иначе ведут себя среднеуглеродистые стали: при 100%-й сфероидизации перлита, критическая степень осадки изменяется соответственно с 82 до 91%.

Величина аустенитного зерна согласно ГОСТ 10702-78 не должна превышать 5 номера, увеличение зерна приводит к снижению прочности, а пластические характеристики и критическая степень осадки изменяются незначительно и неоднозначно. Влияние величины зерна перлита исследовали на образцах из стали 35. Рост размеров зерна приводит к снижению прочности в 1,2-1,3 раза и приблизительно к такому же увеличению показателей пластичности, критическая степень осадки образцов повышается с 84 до 89%.

В четвертой главе приведены результаты по совершенствованию технологии производства калиброванного проката с повышенными прочностными характеристиками и исследованы показатели его пластичности и штампуемости.

В процессе переработки проката на калиброванные заготовки его подвергают волочению в холодном состоянии. Для обеспечения устойчивого процесса волочения необходимо стабильное выпрямление заготовки

при разматывании бунта, очищенная от технологических загрязнений поверхность, оптимальный микрорельеф поверхности для захвата и удерживания технологической смазки, разномерное деформирование по сечению. Разработанные и примененные в данной работе новые технические решения (а.с. 1201030, а.с. 976569, а.с. 1779-424) обеспечили выполнение этих требований. Управление упрочнением проката в процессе калибровки по-нюляег получать из него изделия повышенной прочности, так при штамповке-высадке болтов, зинтоз и т.п. их стержневая часть практически не деформируется, поэтому повысить ее прочность можно тлранее - при волочении заготовок.

Проблема заключается в том, чтобы при нагартов-е проката сохранить на достаточно высоком уровне покаше.ш ;;.!ас:иЧ: )етп и шгампуе-мости. Исследования в данном направлении проводились на сталях 10, 20. 35, 45, испытания образцов охватывают около 50 плав эк Белорусского метзлвода, полученных метолом непрерывной разливки. Наиболее важный научный и практический результат проведенных исследований заключается з том, что удалось получить значительное (в 1,3-1,6 раза) позышение прочности проката при сохранении и даже некотором повышении критической степени осадки. Предел прочности нагартованного металла сталей 10, 20, 35 составил соответственно 610-680, 620-710, 730-385 МПа. Критическая степень осадки образцов из стали 10 достигла 34-53%, из стали 20 -свыше 75%, из стали 35 - частично презосходила 75%, но не менее 66%. Таким образом, калиброванный прокат из непрерывнолитого металла Белорусского метзавода з нагартованном состоянии выдерживает аттестацию по группе осадки 75 (сталь 10, 20) и по группам 66, 75 выборочно (сталь 35). Значительно превзойдены требования, зафиксированные в ГОСТ 10702-73, в частности, данный стандарт вообще не предусматривает испытания на осадку образцов из стали 35 в нагартованном состоянии, без разупрочняюшей термообработки.

Наряду с деформационным упрочнением в отдельных случаях целесообразно прибегать к термомеханическому упрочнению проката с целью получения изделии повышенной прочности из средне;.глеродистых сталей. Для минимизации материальных затрат использовали технологический нагрез проката при обработке на проволочно-сортозом стане. Температура конца прокатки составляла 1020-1050 С. Применяли ускоренное двухстадийное охлаждение: сначала в спреерных секциях, затем на конвейере туннельного типа. Двухстадийное охлаждение позволяет добизать-ся равномерной мелкозернистой структуры металла.

Проведены испытания ускоренноохлажденного проката Белорусского метзавода, изготовленного из непрерывнолитой заготовки. Прокат стали 35 обладает повышенной прочностью (600-700 МПа). тогда как согласно ГОСТ 10702-78 этот показатель не должен превышать 540 МПа. Пла-

стические свойства проката при этом укладываются в рамки указанного стандарта, например, относительное сужение составляет 50-55% (по стандарту - не менее 45%). Таким образом, получение проката из непрерывно-литой заготовки с пониженным содержанием вредных примесей в металле позволяет повысить его прочность приблизительно в 1,2 раза без дополнительных материальных затрат - за счет ускоренного охлаждения по окончании прокатки. При этом пластические характеристики металла достаточно высоки, что подтвердили эксперименты по осадке образцов, изготовленных из проката. Эксперименты проводились на металле трех плавок, из которых две показали 100%-ное соответствие образцов группе осадки 75, а третья - 90%-ное, остальные 10% образцов выдержали осадку 66%.

Для обеспечения повышенной прочности изделий их изготавливают из сталей, легированных никелем, хромом, марганцем, что существенно повышает стоимость исходного металла. Известно, что повышение прочностных характеристик может быть достигнуто с помощью микролегирования сталей, в частности, бором. Однако пригодность к обработке на хо-лодновысадочных автоматах боросодержащих сталей исследовано недостаточно .

В данной работе проведены эксперименты с боросодержащими сталями 20Р, 30Р, 35Р, содержащими микродобавки бора. Для проведения исследований на Криворожском меткомбинате изготовили горячекатаный прокат сталей 20Р и 30Р диаметром 16 мм, а также стали 35Р диаметром 20 мм. Регламентирующим документом на изготовление проката боросодержащих сталей являются ТУ 14-228-35-91, из зарубежных стандартов наиболее близким аналогом считается DIN 1654 (Германия).

Образцы из проката боросодержащих сталей испытывали на осадку и прокаливаемость. В качестве закалочной среды использовали масло и воду в соответствии с указаниями стандарта DIN 1654. Результаты экспериментов показали, что из сталей 20Р, 30Р, 35Р целесообразно изготавливать крепежные изделия повышенной прочности с применением закалки после формоизменяющих операций. Микродобавки бора способствуют увеличению прокаливаемости, показатели прочности и твердости находятся на уровне сталей 22В2, 28В2, 35В2 (Германия). В то же время пластические свойства проката в состоянии поставки достаточно высоки: относительное сужение образцов из сталей 20Р, 30Р, 35Р составляет 64 %, 61,5 %, 45,5 % соответственно.

В пятой главе приведены результаты разработки и внедрения технологических процессов изготовления заготовок с повышенными показателями прочности и пластичности, разработана методика проектирования вышеуказанных процессов. По результатам исследований свойств нагар-тованного и термически упрочненного проката разработаны технические

условия "Прокат, термомеханически обработанный (подкат) и калиброванный из стали качественной конструкционной углеродистой для холодного выдавливания и высадки".

Документ согласован с поставщиками и потребителями и зарегистрирован под номером 14-1-4666-89. ТУ содержат требования к исходной заготовке (прокату) в отношении химического состава, механических свойств, структуры, поверхностных дефектов, обезуглероженного слоя. Устанавливаются виды механических испытаний и методика их проведения. При разработке конкретного технологического процесса калибровки ТУ позволяют обоснованно подойти к выбору исходной заготовки, включая требования к ее получению, начиная с первого металлургического передела. В зависимости от назначения калиброванного проката и от технологи;; получения заготовки технологический процесс калибровки включает операции волочения с определенной степенью обжатия, термообработки. травления и др.

ГОСТ 10702-78 не предусматривает для углеродистых сталей требования по ликвациснному квадрату, подусадочной неоднородности, загрязненности неметаллическими включениями. Проведенные исследования позволили регламентировать эти требования в ТУ. С целью объективной оценки микроструктуры в ТУ предусмотрена шкала эталонов для сталей 35, 35 "селект", 40. 45. По сравнению с ГОСТ 10702-78 повышены показатели прочности при одновременном росте уровня свойств пластичности.

Согласно ГОСТ 10702-78 калиброванный прокат сталей 10 и 20 в на-гартованном состоянии должен выдерживать осадку на 66%, сталей 35 и 35 "селект" - на 50%, для обеспечения осадки на 75% горячекатаный и калиброванный прокат должен подвергаться сплошной обточке и термообработке. В ТУ заложена осадка образцов на 75%, при этом стали 10. 20, 25 испытывают в нагартозанном состоянии, а стали 35, 45 - в термообрабо-танком состоянии, без обточки поверхности.

В результате использования метизным производством калиброванного проката, изготовленного по новым технологическим процессам, получен значительный технико-экономический эффект. На Челябинском автомеханическом заводе при изготовлении толкателя тарелки клапана снижен брак по растрескиванию деталей при высадке с 12% до 3%, повысилась стойкость инструмента в 1.5-2.5 раза. Экономический эффект от производства калиброванного проката по разработанной технологии на Орловском сталепрокатном заводе составил 95 руб./т в ценах 1991 г.

В типовую технологическую инструкцию N 7.2-24-42-84 "Производство калиброванной стали углеродистой и легированной для холодного выдавливания и высадки" внесен ряд изменений, отражающих результаты выполненных исследований. Они касаются испытаний проката, изготовленного из непрерывнолнтой заготовки, без обточки образцов, а также

возможности повышения предельной степени осадки при последующей его переработке проката. В раздел вышеуказанной технологической инструкции "Технологический процесс производства стали под холодную высадку" добавляется схема обработки термоупрочненного проката сталей 10, 20, 25, 30, 35. Данное дополнение позволяет получать крепежные изделия повышенной прочности классов 6.8-8.8 без дополнительной термообработки.

В соответствии с разработанными ТУ и откорректированной типовой технологической инструкцией были спроектированы новые технологические процессы производства калиброванного проката и изготовлены опытно-промышленные партии металла.

Для внедрения в метизное производство боросодержащих марок стали на заводе "Автонормаль" была отобрана группа крепежных изделий: болты M12, M14, Ml8 и др. Подготовка горячекатаного проката для калибровки и волочильные операции выполнялись в соответствии с разработанным типовым технологическим процессом. Механические испытания калиброванного проката сталей 20Р, 30Р, 35Р показали соответствие его характеристик требованиям стандартов Германии, Японии и других стран, производящих боросодержащие стали для холодной высадки. Калиброванные заготовки обрабатывали на холодновысадочных автоматах, изделия закаливали в масле или в растворе каустической соды. Разрывное усилие болтов фактически превысило требования ТУ ФИАТ-ВАЗ 9.52805 в 1,1 - 1,3 раза.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Решена актуальная научно-техническая задача: разработана технология изготовления заготовок для штамповки на холодновысадочных автоматах крепежных и других изделий повышенной прочности и сложности, обеспечивающей конкурентоспособность продукции метизного производства благодаря сокращению операций механической и термической обработки проката, повышению прочности изделий из низко- и среднеуг-леродистых сталей до уровня легированных.

2. Определена предельная допустимая глубина поверхностных дефектов при испытании образцов на группы осадки 75 и 66:

- волосовины и трещины - 0,04...0,08 мм;

- плены и закаты - 0,07...0,17 мм;

- неметаллические включения - 0,08...0,16 мм.

3. Дано обоснование применения осадки образцов для оценки штам-пуемости проката при высадке изделий; сравнительный теоретический анализ операций осадки и высадки показал идентичность на уровне 93% их показателей деформированного состояния при высоких степенях деформации.

4. Определено влияние микроструктуры материала на штампуе-мость:

- сфероидизация перлита повышает критическую степень осадки среднеуглеродистых сталей на 5... 10%;

- рост зерна перлита способствует снижению прочности и повышению критической степей;: осадки.

5. Разработана технология изготовления нагартованного проката с высокими показателями осадки в холодном состоянии: сталь 10 свыше 75%; сталь 35 - свыше 66%. Сочетание хорошей штампуемости с повышением прочности в 1,3...1.6 раза объясняется реверсивным характером деформаций осадки по сравнению с волочением, а также применением ряда новых технических решений, выполненных на уровне изобретений.

6. Разработана технология изготовления заготовок из среднеуглеродистых сталей с термическим упрочнением за счет ускоренного охлаждения после прокатки. Термомеханическая обработка проката повышает его прочность в 1,2...1.3 раза, показатели твердости и пластичности сохраняются в пределах стандартных требований к прокат}'.

7. Усовершенствована технология изготовления калиброванного проката из боросодержащих сталей 20Р, ЗОР, 35Р с механическими свойствами на уровне требований стандарта DIN 1654 (Германия); технология внедрена в производство крепежных изделий классов прочности 10.9-12.9 в автомобильной промышленности взамен легированных сталей 40Х, 38ХГНМ, 40ХН2МА и др.

8. Разработана методика проектирования сквозной технологии производства проката для холодной высадки, включающая требования к исходной заготовке, допустимые размеры поверхностных дефектов, новые схемы обработки и испытаний проката, на основании которых составлены ТУ 14-1-4666-S9.

9. Внедрение результатов работы на АООТ "Орловский сталепрокатный завод" позьо.тил:1 снизить затраты на производство калиброванного проката на 9о р\б./т в ценах 19S9 г.: при штамповке изделий на заводе "Аьтонермаль" ожидаемый экономический эффект составляет свыше 3 млн. руб. в цепах 1991 г.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛ11КАЦ1 II I ПО ТЕМЕ Д11ССЕРТАЦ1 II I:

1. Исследование ьдияння качественных характеристик горячекатаного и калиброванного прската на способность металла к холодном}' выдав-лнвани:о и высадке кре-ежных изделий / М. И. Борзенков. И. М. Шумилин. В. Я. Осадчий. А. А. Мышечкин // Кузнечно-штамповочное производство. - 1996. - .V- 11.-С. 12- 14.

2. Борзенков М. П., Шумилин И. М., Ивашенко В. И. Исследование влияния позерхностных дефектов на осадку металла для холодной высад-

ки // Пути ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве: Тез. докл. всесоюз. науч.-техн. совещ., октябрь 1990 г. - Магнитогорск, 1990.-С. 155-157.

3. Борзенков М. И., Осадчий В. Я. Совершенствование технологии производства калиброванного проката для изготовления крепежных изделий повышенной прочности // Тез. докл. per. науч. -техн. конф., апрель 1994 г.-Орел, 1994.-С. 40.

4. Разработка технологии производства калиброванного проката и крепежа из боросодержащих марок стали, соответствующей требованиям международных стандартов / М. И. Борзенков, И. М. Шумилин, В. Я. Осадчий, А. А. Мышечкин // Металлические материалы, методы их обработки: Тез. докл. респ."науч. -техн. конф., ноябрь i994 т.-М.у 1994." -С. 124.

5. Петин М. М., Терехов В. П., Борзенков М. И. Вакуумно-дуговая очистка сварочной проволоки// Сварочное производство. - 1987. - № 11. -С. 20-21.

6. А. с. 976569 СССР, МКИ4 В 23 К 9/24. Дисковый электрод для ва-куумно-дуговых установок / Терехов В. П., Борзенков М. И. (СССР). - № 3276403/25-27; Заявлено 03.04.82.-д.с.п.

7. А. с. 1201030 СССР, МКИ* В 21 F 1/02. Устройство для обработки проволоки / Терехов В. П., Борзенков М. И., Шмелев В. Д. (СССР). -№3568258/25-12; Заявлено 25.03.83; Опубл. 30.12.85, Бюл. № 48. - 2 е.: ил.

8. А. с. 1779424 СССР, МКИ4 В 21 С 3/08. Роликовая волока / A.A. Мышечкин, И. А. Малов, М. И. Борзенков (СССР). -№4813964/27; Заявлено 12.04.90; Опубл. 07.12.92, Бюл. № 45. - 6 е.: ил.

Отпечатано в ОрслГТУ. Зак. 017 - 103 шт.