Ресурсосберегающая подготовка структуры и механических свойств стали 40Х для холодной объемной штамповки метизов

Серия 2. Технология машиностроения и материалы. Штамп для получения деталей с внутренним фланцем представлен на (рисунок 2, а, б). Штамп работает следующим образом. В исходном состоянии верхняя плита 1, пуансонодер-жатель 4, пуансон 5 и толкатель 6 находятся в верхнем поднятом состоянии. Оправка 13, закрепленная на траверсе 14, с помощью пружины 16 поднята в свое крайнее верхнее положение. После закладки мерной трубчатой заготовки 18 в матрицу 7 ползун пресса осуществляет ход, перемещая вниз верхнюю плиту 1 с закрепленными на ней пуансоном 5 и толкателями 6. Пуансон 5 делает рабочий ход и осуществляется радиальное выдавливание внутреннего фланца из трубчатой заготовки 18 в постоянный по высоте зазор между пуансоном 5 и оправкой 13. В то же время толкатели 6 опускают вниз траверсу 14, опирающуюся на пружины 16, с закрепленной на ней оправкой 13. Усилие пружин 16 должно быть больше усилия раскрытия оправки 13 и пуансона 5, чтобы исключить увеличение высоты зазора между пуансоном и оправкой при выдавливании. После обратного хода ползуна с верхней плитой 1, пуансоном 5 и толкателями 6, полученная деталь с внутренним фланцем удаляется с помощью контрпуансона 12 и толкателей 19.

Выводы

Показаны преимущества и перспективность использования процесса радиального выдавливания деталей с внутренним фланцем из трубчатой заготовки в процессах точной холодной объемной штамповки. Разработана конструкция штампов для выдавливания с рычажным и пружинным зажимами.

Литература

1. Огородников В. А. Оценка деформируемости металлов при обработке металлов давлением / В. А. Огородников - Киев: Вища школа, 1983. - 175 с.

2. Матвшчук В. А. Розробка проце^в штампування порожнистих виробiв методами видав-лювання та обкочування / В. А. Матвшчук, В. М. Михалевич, В. О. Краевський, Л. I. Алieва // Совершенствование процессов и оборудования обработки в металлургии и машиностроении: Тем. сб. научн. тр., Донбасская государственная машиностроительная академия, Крама-торськ, 2003. - С. 359-363.

3. Алиева Л. И. Исследование силового режима процесса выдавливания внутреннего фланца методом верхней оценки / Л. И. Алиева, С. В. Мартынов, А.Д. Комиренко // Обработка материалов давлением: Сб. науч. тр. - Краматорск: ДГМА, 2012. - №3 (32) - С. 80 - 86.

4. Алиева Л. И. Исследование силового режима процесса высадки внутреннего фланца из трубной заготовки методом верхней оценки / Л. И. Алиева, С. В. Мартынов, К. В. Гончарук // Вюник Нащонального техтчного утверситету «ХП1» : Зб. наук. пр. - Харюв НТУ «ХП1», 2012. - №46 (952) - С. 7 - 13.

Ресурсосберегающая подготовка структуры и механических свойств стали 40Х для холодной объемной штамповки метизов

д.т.н. проф. Пачурин Г.В., к.т.н. доц. Филиппов А.А., Чиненков С.В.

НГТУ им. Р.Е. Алексеева 8(831) 436-23-20, pachuringv@mail.ru

Анотация. Предложена технология подготовки уровня упрочнения поверхности, механических характеристик и структуры проката, используемого для холодной объемной штамповки, исключающая дорогостоящие операции отжига в кол-паковых печах и механическую обточку поверхностных дефектов.

Ключевые слова: горячекатаный и калиброванный прокат, волочение, степень деформации, механические характеристики, отжиг, рекристализацион-ный отжиг, механическая обточка.

Введение

На современном этапе наиболее остро встают вопросы разработки ресурсосберегающих технологий получения калиброванного проката при одновременном улучшении его ка-

чества. 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 средне-углеродистых 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

Серия 2. Технология машиностроения и материалы. 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 1 = 760°...780°С ^ травление ^ волочение с диаметра 11,0 мм на диметр 9,65мм (степень обжатия 23%) ^ отжиг (нагрев токами высокой частоты - ТВЧ) при 1 = 760°...780°С ^ травление ^ волочение через фильер диаметром 9,65 мм (в пределах упругой деформации). Суммарное обжатие Qсум. = 38,9%.

Схема 2:

Отжиг горячекатаного проката ТВЧ при 1 = 760°...780°С диаметром 14,0 мм ^ травление ^ волочение с диаметра 14,0 мм на диметр 12,5 мм (степень обжатия 20%) ^ отжиг ТВЧ при 1 = 760°...780°С ^травление ^ волочение с диаметра 12,5 мм на диметр 11,0 мм (степень обжатия 22%) ^ отжиг ТВЧ при 1 = 760°...780°С ^ травление ^ волочение с диаметра 11,0 мм на диметр 9,65мм (степень обжатия 23%)%) ^ отжиг ТВЧ при 1 = 760°...780°С ^ 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: ов и о0,2 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...780°С после холодной пластической деформации волочением наблюдается значительное изменение микроструктурного состояния, а именно сорбитообразный перлит становиться менее дисперсным, а после отжига на размере 0 11,0 мм в структуре появляется мелкозернистый перлит.

После четвертого отжига на окончательном размере 0 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 0 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 (оо,2 = 420 МПа и более высокой пластичностью у = 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.

Разработка и исследование технологических возможностей изготовления двухслойных сферических пробок шаровых кранов из трубных заготовок

способами обжима

к.т.н. проф. Агеев Н.П., Малых Ф.М., Дубицкий К.О.

БГТУ «Военмех» 8(812)2518467, 89533636086, e462@mail.ru

Аннотация. В статье рассмотрены актуальность применения конструкций двухслойных сферических пробок шаровых кранов, а также преимущества технологий их изготовления, основанных на процессах штамповки, над традиционными способами. В ходе проведения экспериментального исследования выявлена технологическая возможность их изготовления способами обработки металла давлением из трубных заготовок, разработаны рекомендации по соотношению наружного и внутреннего слоя сферической оболочки пробки шарового крана.

Ключевые слова: шаровой кран, сферическая пробка, трубные заготовки, соотношение толщин слоев. В настоящее время при возникновении необходимости транспортировки жидких и газообразных сред шаровые краны востребованы практически во всех отраслях производства. Благодаря совокупности качеств, выгодно отличающих этот вид запорной трубопроводной арматуры от других, шаровые краны нашли широкое применение в промышленности общего назначения, при добыче, переработке и транспортировке нефти и газа, в тепловых и атомных электростанциях, в криогенной промышленности и судостроении.

В зависимости от области применения шаровых кранов, транспортируемые среды существенно различаются между собой вязкостью и степенью загрязненности: это среды, нейтральные к материалам затвора (пар, воздух, вода), в отдельных случаях агрессивные кислоты, щелочи, горючие жидкости, а также абразивные, токсичные и ядовитые.

Причиной популярности данного вида запорной трубопроводной арматуры являются такие качества, как простота конструкции, высокая и надежная герметичность запорного узла, а также простая форма проточной части и отсутствие в ней застойных зон.

Широкое разнообразие условий эксплуатации, транспортируемых сред, требований, предъявляемых к шаровому крану, является причиной возникновения различных конструктивных исполнений этого вида запорной трубопроводной арматуры. Так, по типу присоединения стальные шаровые краны подразделяются на резьбовые, фланцевые и под приварку.

Анализируя конструкции отдельных элементов шаровых кранов, следует отметить возможность изготовления и сборки способами холодной штамповки не только сферической пробки, но и корпуса крана [1].

Запорным органом шарового крана является сферическая пробка, к которой предъявляются жесткие требования по отклонению поверхности от сферичности, твердости и шеро-