СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГОРЯЧЕКАТАНОГО ПРОКАТА ПОД ХОЛОДНУЮ ОБЪЕМНУЮ ШТАМПОВКУ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ
PROCEDURE FOR TREATMENT OF HOT ROLLED METAL FOR COLD DIE FORGING OF FASTENERS

Изобретение относится к области механико-термической обработки деталей из хромистых марок сталей и может быть использовано при изготовлении калиброванного проката с техническими требованиями согласно ГОСТ 10702-78 «Сталь качественная конструкционная и легированная для холодного выдавливания и высадки» для болтов, высаживаемых методом холодной штамповки.
Калиброванный прокат под холодную объемную штамповку ответственных болтов моторной группы автомобиля, изготовленных из хромистых и легированных марок сталей, как правило, изготавливают из горячекатаного проката с последующей термообработкой в печах с защитной атмосферой, калиброванием и дорогостоящей обточкой поверхностных дефектов, что повышает трудоемкость, металлоемкость и энергоемкость процесса.
В качестве прототипа принят режим изготовления калиброванного проката из сталей марок 10, 20, 20Г2Р и 38ХГНМ (см. журнал «Сталь» №11, 1996 год. стр.54-58, М.В.Бобылев, В.Е.Гринберг, Д.М.Закиров и Ю.А.Лавриненко «Подготовка структуры при электротермообработке сталей, применяемых для высадки высокопрочных крепежных изделий». Этот способ включает отжиг проката индукционным нагревом ТВЧ (токи высокой частоты) и дробную деформацию калиброванием с различными степенями обжатия.
Прутки диаметром 8,0 мм различных марок сталей исследовали при различных степенях предварительной деформации. Зависимости механических и пластических свойств анализировали по калиброванному прокату вышеуказанного размера исследуемых марок сталей, прошедших калибровку по схеме дробной деформации (8,0→7,6→6,88→6,23→5,10→4,39) со степенями деформации 10,0→26,0→39,9→59,9→69,9%. Опробовали режимы сфероидизирующего и рекристаллизационного отжига углеродистых и легированных сталей (10, 20, 20Г2Р, 30Г1Р, 38ХГНМ) с применением нагрева ТВЧ для ускоренного сфероидизирующего отжига (723-750°C). Определили интервалы температур при отжиге на установке ТВЧ. Применение нагрева ТВЧ при отжиге стали наряду с системой контроля и регулирования обеспечивали высокую (±3°C) точность поддержания температурного режима. В результате металлографического анализа структуры исследуемых сталей выявлено, что после отжига с применением ТВЧ по сравнению с традиционным отжигом в колпаковых печах повышается дисперсность структуры и отсутствует обезуглероженный слой. Прочностные и пластические свойства исследуемых марок сталей, отожженных в колпаковой печи и на установке ТВЧ, различаются незначительно. Применение деформации перед отжигом на установке ТВЧ обеспечивает полную сфероидизацию микроструктуры. Нагрев ТВЧ осуществляется в размотанном состоянии, это видно из патента РФ №2037537, С21D 9/60, С21D 1/32. опубл. 19.06.1995 г., авторы М.В.Бобылев, В.Е.Гринберг, являющиеся авторами статьи, принятой за прототип. Размотка проволоки перед нагревом ТВЧ и последующая намотка трудоемка и требует специального оборудования. А нагрев в бунтах не обеспечивает равномерность свойств проката. Поэтому проводился кратковременный сфероидизирующий и рекристаллизационный отжиг в печах после смотки в бунт, что еще более удлиняет процесс и при этом не всегда достигается равномерность свойств по длине и сечению проката.
Предлагаемым изобретением решается задача создания способа изготовления калиброванного проката с техническими требованиями согласно ГОСТ 10702-78 без сфероидизирующего отжига в печах с защитной атмосферой и без обточки поверхности проката, следовательно, менее энерго- и металлоемкого.
Технический результат - получение равномерных и оптимальных механических характеристик калиброванного проката за счет получения равномерной микроструктуры с мелкозернистым перлитом по сечению и длине калиброванного проката с сохранением его пластических свойств перед высадкой, а также получение поверхности проката без дефектов и допустимой величиной обезуглероженного слоя.
Этот технический результат достигается тем, что в способе обработки горячекатаного проката под холодную объемную штамповку крепежных изделий, включающем отжиг индукционным нагревом ТВЧ и калибрование с различными степенями обжатия, осуществляют четырехкратный отжиг при температуре 760-780°C, после первого отжига ведут первичное калибрование со степенью обжатия 18-20%, после второго и третьего - второе и третье калибрование со степенями обжатия 20-23%, а после четвертого отжига - четвертое калибрование со степенью обжатия 5-6%.
Отжиг индукционным нагревом способом ТВЧ позволяет микроструктуру горячекатаного проката перевести из пластинчатого перлита в менее мелкодисперсную и более равномерную по сравнению с микроструктурой исходного горячекатаного проката. Это приводит к снижению прочностных характеристик, твердости и повышению пластичности.
С увеличением количества отжигов с применением ТВЧ при температуре 760-780°C после холодной пластической деформации калиброванием наблюдается значительное изменение микроструктурного состояния. Сорбитообразный перлит становится менее дисперсным. А после отжига способом ТВЧ на промежуточном размере калиброванного проката в микроструктуре появляется мелкозернистый перлит.
После четвертого отжига индукционным нагревом ТВЧ на окончательном размере калиброванного проката достигается формирование равномерной микроструктуры, состоящей из мелкозернистого и точечного перлита и равномерно распределенного феррита. Твердость калиброванного проката с такой микроструктурой, прочностные и пластические свойства равномерны и соответствуют требованиям ГОСТ 10702-78.
Четырехэтапное калибрование и отсутствие окалины на поверхности калиброванного проката после отжига индукционным нагревом ТВЧ обеспечивает получение высокого качества калиброванного проката и не требует обточки поверхностных дефектов. У данного металлопроката отсутствует эллипсность на окончательном размере.
Перед окончательным калиброванием не требуется обточка поверхностных дефектов калиброванного проката, а величина обезуглероженного слоя не превышает допустимые значения.
Окончательное калибрование позволяет получить необходимый окончательный размер калиброванного проката под последующую холодную высадку болтов при необходимой прочности и пластичности с учетом степени обжатия.
Режимы обоснованы экспериментально.
Способ осуществляют следующим образом.
Проводят отжиг индукционным нагревом ТВЧ исходного горячекатаного проката при температуре 760-780°C в бунтах. Затем проводят первичное калибрование на волочильном стане со степенью обжатия 18-20%, а после первичного калибрования проводят второй отжиг индукционным нагревом ТВЧ калиброванного проката при температуре 760-780°C. Далее проводят вторичное калибрование со степенью обжатия 20-22%. Затем калиброванный прокат в третий раз подвергают отжигу индукционным нагревом ТВЧ при температуре 760-780°C, после чего проводят третье калибрование со степенью обжатия 21-23%. Четвертый отжиг индукционным нагревом ТВЧ проводят при температуре 760-780°C после третьего калибрования, четвертое калибрование со степенью обжатия 5-6%. Затем калиброванный прокат готов под высадку болтов, используемых в силовых узлах и агрегатах, например, моторной группы автомобилей.
Пример осуществления способа.
Обрабатывали горячекатаный прокат в бунтах хромистой марки стали 40Х диаметром 12,0 мм для изготовления калиброванного проката под холодную объемную штамповку ответственных болтов моторной группы автомобиля с техническими требованиями согласно ГОСТ 1072-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки». Химический состав стали соответствовал ГОСТ 1072-78. Первый отжиг горячекатаного проката проводили нагревом способом ТВЧ (токи высокой частоты) при температуре 770°C на индукционной установке. Затем осуществляли первичное калибрование на волочильном стане со степенью обжатия 18%. После первичного калибрования проводили второй отжиг калиброванного проката индукционным нагревом способом ТВЧ при температуре 770°C аналогично первому отжигу. Второе калибрование проводили на волочильном стане со степенью обжатия 22%. Третий отжиг калиброванного проката проводили индукционным нагревом способом ТВЧ при температуре 770°C аналогично первому и второму отжигу. Третье калибрование проката проводили на волочильном стане со степенью обжатия 21%. Четвертый отжиг индукционным нагревом ТВЧ проводили при температуре 770°С аналогично первому, второму и третьему отжигу. Последнее четвертое калибрование проводили на волочильном стане со степенью обжатия 6%.
В других примерах меняли температуру отжига индукционным нагревом ТВЧ (740°C, 760°C, 780°C, 800°C). Оптимальной была выявлена температура отжига 760-780°C.
При уменьшении температуры отжига (740°C) не весь пластинчатый перлит переходит в мелкозернистый перлит.
При увеличении температуры отжига (свыше 800°C) происходит увеличение размеров зерна, а это приводит к снижению пластических свойств проката.
Меняли степень обжатия при первичном калибровании (16%; 18%; 20%; 22%). При первичном калибровании оптимальной была принята степень обжатия проката от 18 до 20%.
При уменьшении степени обжатия (ниже 18%) появляется неравномерность механических свойств по сечению и длине проката.
При увеличении степени обжатия (более 20%) наблюдается вытянутость зерен, повышение прочности и снижение пластичности калиброванного проката.
Меняли степень обжатия при втором и третьем калибровании (18%, 20%, 23%, 24%). При средних значениях температуры отжига индукционным нагревом способом ТВЧ для второго и третьего калибрования оптимальной была принята степень обжатия проката от 20 до 23%.
При уменьшении степени обжатия (ниже 20%) появляется неравномерность механических свойств по сечению и длине проката.
При увеличении степени обжатия (более 23%) наблюдается вытянутость зерен, а это способствует повышению прочности и снижение пластичности калиброванного проката.
Меняли степень обжатия при окончательном калибровании 3%, 5%, 6%, 8%. При средних значениях температуры отжига индукционным нагревом способом ТВЧ. Оптимальной степенью обжатия калиброванного проката при окончательном калибровании являлась 5-6%.
При уменьшении степени обжатия (ниже 5%) резко повышается износ отверстия калибровочного инструмента.
При увеличении степени обжатия (свыше 6%) снижаются показатели пластичности и растут прочностные свойства.
Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате сталей марок 38ХА с химическим составом по ГОСТ 10702-78. Сталь марки 38ХА позволяет получать аналогичные результаты с маркой стали 40Х.
Твердость определяли на приборе Роквелла по шкале С на параллельно шлифованных лысках, микроструктуру - на поперечных микрошлифах с использованием микроскопа «Неофот-21» при увеличении x500, травление образцов производили в 4% растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Механические свойства образцов определяли на разрывной машине ЦДМ-100, шкала 20 кг.
Результаты испытаний приведены в таблице.
Таблица
Сравнение прочностных и пластических свойств, твердости и глубины безуглероженного слоя на отобранных образцах по длине и сечению калиброванного проката стали марки 40X
Контролируемый параметр
Предложенная технология
Требования ГОСТ 10702-78
Твердость
193 НВ
Не более 207 НВ
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>
700 МПа
Не менее 600 МПа
Относительное сужение, ψ
64%
Не менее 40%
Общая глубина обезуглероженного слоя
Местное частичное 0,02 мм
Не более 0,05 мм
Осадка образцов на исходном размере
66
66
Величина глубины поверхностных дефектов
Отсутствуют
Допускаются отдельные риски глубиной не более половины предельного отклонения по диаметру