ПРОКАТ ПЕРЕДЕЛЬНЫЙ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГАЕК КЛАССА ПРОЧНОСТИ 8 И 9

Предложенное решение относится к металлургии и обработке металлов давлением, более конкретно - к изготовлению проката круглого гладкого профиля повышенной прочности (катанки) из низкоуглеродистой стали для производства крепежных изделий, например, гаек, преимущественно шестигранных класса прочности 8 и 9.
7
Известна катанка из углеродистой стали для последующей переработки в метизную продукцию по патенту №2292247, МПК В21В 1/16, «Способ прокатки катанки» (опубликован в 2007 г.), которая получена путем нагрева стальной заготовки до температуры аустенитизации, последующее многопроходное обжатие в вертикальных и горизонтальных валках с калибрами с регламентированной температурой конца прокатки равной 970÷1050°С и охлаждения водой с температуры конца прокатки до температуры 730÷790°С. Параметры технологии обеспечивают повышение качества и выхода годной катанки, а также требуемую степень проработки микроструктуры углеродистой стали, исключение образования дефектов на полосе. Последнее благоприятно сказывается на технологичности производства канатной проволоки.
Однако использование такой катанки для производства крепежной продукции методом холодной объемной штамповки невозможно из-за неблагоприятного сочетания ее прочностных и пластических свойств, а также повышенного содержания в ней углерода.
7
2
2
Также известен прокат по патенту №2336316, МПК C21D 8/06, С21С 38/60, С21С 38/54 «СОРТОВОЙ ПРОКАТ КРУГЛЫЙ ИЗ БОРСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ» (опубликован в 2006 г.), который для обеспечения рациональных условий холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей получают из стали, содержащей, мас.%: С - 0,06-0,35; Mn - 0,60-1,40; Si - 0,001-0,37; Cr - 0,001-0,35; V - 0,001-0,05; Nb - 0,005-0,02; Ti - 0,01-0,04; В - 0,0005-0,0050; Al - 0,02-0,06; N - 0,005-0,015; As - 0,0001-0,03; Sn - 0,0001-0,02; Pb - 0,0001-0,01; Zn - 0,0001-0,005. Прокат имеет регламентированные параметры по металлические включениями (сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам), структуре, размеру действительного зерна и обезуглероженному слою. Изготавливается в стержнях диаметр от 10 до 25 мм и характеризуется следующими показателями механических свойств - величина холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм, предел текучести не более 540 Н/мм, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%. Из данного проката в процессе холодной штамповки и последующей термической обработки получают высокопрочные крепежные изделия класса прочности 900 МПа и выше, однако, в виду сложного легирования стали стоимость такой продукции высока. Применение такого проката для изготовления продукции массового применения, которой является гайка класса прочности 8 и 9, недопустимо по причине неконкурентоспособности.
7
2
в
5
Прототипом предлагаемой полезной модели, как наиболее близкой по своей технической сущности и достигаемому результату, является прокат по патенту №2330891, МПК C21D 8/06, С21С 38/60, С21С 38/14 «СОРТОВОЙ ПРОКАТ КРУГЛЫЙ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ ВЫСОКОПЛАСТИЧНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ» (опубликован в 2008 г.), который изготавливается диаметром от 12 до 36 мм в виде стержней мерной длины. Техническим результатом изобретения является получение повышенных характеристик технологической пластичности и вязкости проката для обеспечения рациональных условий холодной объемной штамповки сложно-профильных крепежных деталей. Технический результат достигается тем, что сортовой прокат получают из стали, содержащей компоненты в мас.%: С - 0,04-0,11; Mn - 0,25-0,60; Si - 0,01-0,055; Al - 0,03-0,05; S - 0,005-0,015; Р - 0,005-0,02;, N - 0,005-0,015; O - 0,001-0,015; As - 0,0001-0,03; Sn - 0,0001-0,02; Pb - 0,0001-0,01; Zn - 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное. Прокат имеет макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат - не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация - не более 3 баллов; ликвационные полоски - не более 1 балла, неметаллические включения по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам размером, не превышающим 3 баллов по каждому виду включений, однородную сфероидизированную структуру по длине, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, величину холодной осадки - не менее 1/3 высоты и механические свойства: σ - не более 460 МПа, δ - не менее 28%, ψ - не менее 65%.
Недостатком известного проката является его низкие прочностные свойства, которые не обеспечивают получения крепежной продукции прочности класса 800 МПа и без финишной термической обработки (закалки с отпуском) из-за низкого содержания в стали углерода, марганца и кремния - основных упрочняющих компонентов. Также неблагоприятным является формат поставки проката, который изготавливается диаметром от 12 до 36 мм в виде стержней мерной длины. Данное обстоятельство затрудняет его применение в современных высокотехнологичных производствах гайки, основанных на применении проката в мотках, что минимизирует потерю металла. Стоимость проката (стали) и энергозатраты на последующую термическую обработку крепежа (гайки прочности класса 8 и 9) приводят к значительному удорожанию готовой продукции и невозможности конкурировать с аналогичной продукцией, поставляемой из стран Юго-Восточной Азии.
Предлагаемая полезная модель решает задачу получения проката передельного (катанки) повышенной прочности из рядовых низкоуглеродистых марок стали для производства гайки класса 8 и 9, что исключает термическую обработку готовой продукции и обеспечивает снижение ее себестоимости.
т
в
5
экв
экв
2
2
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый прокат передельный повышенной прочности гладкого круглого профиля для производства гаек класса прочности 8 и 9, выполнен в виде стержня, сформированного в моток, имеет предел текучести (σ) не менее 360 Н/мм, временное сопротивление разрыву (σ) не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (δ) не менее 28%, относительное сужение (ψ) не менее 60% и изготовлен из низкоуглеродистой стали, содержащей 0,15…0,35% углерода, 0,5…1,6% марганца, остальное железо и неизбежные примеси, при величине углеродного эквивалента (С) не менее 0,23%, определяемого по формуле: С=С+Мn/20, где: С, Mn - массовая доля углерода, марганца в %. Процесс его получения включает выплавку стали, горячую прокатку и термическую обработку, при этом температуру окончания горячей прокатки ограничивают в интервале от 950 до 1050°С, термическую обработку осуществляют с прокатного нагрева посредством прерванной закалки до среднемассовой температуры 660…760°С; а сам прокат изготовлен в виде стержня диаметром от 6 до 22 мм сформированного в моток массой до 5,0 тонн.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является получение проката передельного (катанки) повышенной прочности диаметром 6,0…22,0 мм сформированного в моток массой до 5 т для производства гайки класса 8 и 9. Наличие такого проката обеспечивает снижение себестоимости производства гайки за счет применения рядовых низкоуглеродистых марок стали и сокращения затрат на термическую обработку путем исключения операций закалки и отпуска. Последнее значительно повышает конкурентоспособность продукции баз ущерба для обеспечения качества и механических свойств.
2
2
Для достижения технического результата прокат передельный повышенной прочности из низкоуглеродистой стали для производства гаек класса прочности 8 и 9 выполнен в виде сформированного в моток стержня с гладким круглым профилем из низкоуглеродистой стали с содержанием, мас.%: углерода 0,15-0,35, марганца 0,5-1,6, имеющим предел текучести не менее 360 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (65) не менее 28% и относительное сужение не менее 60%. Стержень получен из стали горячей прокаткой с окончанием в интервале от 950 до 1050°С и термической обработкой с прокатного нагрева посредством прерванной закалки до среднемассовой температуры 660÷760°С. Стержень выполнен диаметром от 6,0 до 22,0 мм и сформирован в моток с массой до 5,0 тонн.
Все отличительные признаки заявляемой полезной модели взаимосвязаны и способствуют достижению поставленной задачи.
2
2
2
2
5
5
экв
Так, если прокат имеет предел текучести не менее 360 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (85) не менее 28%, относительное сужение не менее 60%, то уже в самом исходном сырье заложены более высокие механические свойства, которые наследуются готовой продукцией, которая из него будет изготовлена. Получаемая метизная продукция, например гайка, будет иметь более высокий класс прочности и отпадает необходимость в самой закалке гайки. Применение проката с пределом текучести менее 360 Н/мм и временным сопротивлением разрыву менее 480 Н/мм не обеспечивает требуемых свойств получаемой гайки. Прокат с указанными свойствами, несмотря на повышенную прочность по сравнению с отожженным или горячекатаным прокатом, остается достаточно пластичным (δ≥28%, ψ≥60%) и при холодной штамповке гайки, на готовой продукции не образуется трещин. Если характеристики пластичности проката - относительное удлинение (δ) будет менее 28%, а относительное сужение (ψ) будет менее 60%, то при штамповке гайки образуются трещины, что является браковочным признаком. Изготовление проката из стали с содержанием углерода менее 0,15% и марганца менее 0,5% не обеспечить прочностных свойств проката на заявляемом уровне из-за недостаточного количества перлитной составляющей в структуре металла. Изготовление проката из стали с содержанием углерода более 0,35% и марганца более 1,6%, приведет к необходимости перед холодной объемной штамповкой подвергать его сфероидизирующему отжигу для перевода повышенного количества перлита из пластинчатой в глобулярную форму и последующему травлению, что увеличивает себестоимость производства и энергозатраты. Суммарное воздействие углерода и марганца, как основных легирующих элементов в рядовых пизкоуглеродистых сталях, повышающих прочность и твердость изделий, косвенно оценивается через показатель углеродного эквивалента (С), определяемого по приведенной формуле. При этом технический результат достигается в том случае, когда величина углеродного эквивалента составляет не менее 0,23%. При величине менее 0,23% конечные свойства проката не будут соответствовать заявляемому уровню свойств. В стали в качестве неизбежных примесей могут присутствовать один или несколько легирующих элементов из группы кремний, хром, медь, молибден, ванадий, никель в незначительных количествах, которые специально в сталь не вводятся, а попадающих из лома во время выплавки. Эти элементы также способствует повышению класса прочности и твердости проката за счет упрочнения твердого раствора и увеличения доли карбидов.
5
т
в
Процесс получения проката повышенной прочности включает несколько поэтапных технологических операций, которые также способствуют достижению поставленной задачи. Выплавка стали и получение заготовки может осуществляться по любой из ныне применяемых технологий. Горячая прокатка осуществляется в потоке непрерывного стана на готовый размер проката с окончанием в интервале температур от 950 до 1050°С. При окончании прокатки при температуре ниже 950°С затрудняется работа оборудования из-за снижения пластичности металла и повышения нагрузок на прокатные клети. Завершение прокатки при температуре выше 1050°С приводит к формированию неблагоприятной крупнозернистой структуры металла и затруднению процесса последующего охлаждения движущегося проката перед смоткой. Термическая обработка с прокатного нагрева осуществляется посредством прерванной закалки движущегося проката потоками воды в специальных проводковых устройствах до среднемассовой температуры 660…760°С. Среднемассовая температура (температура самоотпуска) зависит от продолжительности охлаждения (прерванной закалки) и существенно влияет на формирование механических свойств проката. При обеспечении среднемассовой температуры проката ниже 660°С формируются механические свойства с неудовлетворительным уровнем пластичности (δ менее 28% и ψ менее 60%), что затрудняет применение такого проката для последующей переработки. При обеспечении среднемассовой температуры проката выше 760°С формируются прочностные свойства (σ, σ) ниже заявляемых, что не обеспечивает получение качественной метизной продукции. Изготовление проката в виде стержня диаметром от 6,0 до 22,0 мм сформированного в моток, масса которого может достигать 5,0 тонн, дает ряд преимуществ при последующей его переработке в крепежную продукцию. Так на металлургическом переделе производство проката в мотках ведется на высокопроизводительном оборудовании при минимальных потерях металла на обрезь при формировании однородного уровня механических свойств. На метизном переделе применение проката такого сортамента и формата (моток массой до 5,0 тонн) позволяет производить гайку класса прочности (8 и 9) широкого ассортимента от М4 до M18 при минимальных потерях металла без закалки готовой продукции.
Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволяет выявить отличия, заключающиеся в том, что заявляемый прокат обладает более высоким уровнем прочностных свойств, получение которых достигается путем использования рядовой низкоуглеродистой стали определенного состава, а также конкретным набором операций изготовления. Пример изготовления проката
т
в
5
В условиях металлургического производства на проволочном стане изготавливали круглый прокат (катанку) диаметром 6,0…22,0 мм из стали марок 16Г2, 20Г2, 20 и 35, который подвергали термической обработке с температуры конца прокатки путем прерванной закалки потоками воды до среднемассовой температуры 650…770°С, охлаждению на воздухе и последующему сбору витков в моток. При изготовлении проката меняли параметры процесса (температуру прокатки, продолжительность охлаждения проката водой), что позволило поддерживать среднемассовую температуру в заданном интервале и получить готовый прокат с различным уровнем механических свойств. От мотков проката отбирались образцы, которые испытывались на растяжение по ГОСТ 1497 с определением характеристик σ, σ, δ и ψ. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Пример изготовления гайки.
В условиях метизного производства прокат (катанку) по №№2, 3, 5 и 6 из таблицы 1 перерабатывали на гайку размером M10 мм. Перед переработкой с поверхности катанки удаляли окалину и проводили технологическую операцию нанесения смазочного слоя на поверхность катанки (фосфатирование).
При перетяжке катанки на волочильном стане АЗТМ 1/750 на заготовку диаметром, необходимым для изготовления гайки, использовали однократное калибрование на диаметр 13,3 мм. Изготовление шестигранной гайки М10 по ГОСТ 5927 проводили на холодновысадочном шестипозиционном автоматическом прессе. Испытание гаек пробной нагрузкой проводили согласно п.8.1 ГОСТ Р 52628 путем осевого растяжения при помощи испытательной машины FP-100/1. Отдельно определяли нагрузку, при которой происходит срыв резьбы гайки (испытание до разрушения гайки). Результаты опробования производства гаек приведены в таблице 2.
Таблица 2
Свойства проката, механические свойства и класс прочности гайки
№ п/п из табл.1
Марка стали
Механические свойства проката
Свойства гайки
Примечание
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
Нагрузка срыва резьбы, КН
Напряж. срыва резьбы, Н/мм<sup>2</sup>
Класс прочности
2
16Г2
350
34,0
70,2
832
6
-
3
16Г2
360
34,0
74,8
887
8
-
5
20Г2
450
27,0
89,5
1062
10
Брак по трещине
6
20Г2
415
29,5
82,8
982
9
-
Результаты свидетельствуют о том, что предложенное техническое решение обеспечивает получение проката (катанки) из рядовых низкоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности для последующего производства крепежных изделий, например, гаек класса прочности 8 и 9. При этом, получаемый прокат по своим прочностным характеристикам превышает свойства аналогичной продукции поставляемой для метизной отрасли по ГОСТ 30136 (Катанка из углеродистой стали обыкновенного качества. Технически условия) и ГОСТ 10702 (Прокат из качественной конструкционной углеродистой и легированной стали для холодного выдавливания и высадки. Технические условия). Изделия, произведенные из проката передельного повышенной прочности характеризуется более высокими потребительскими свойствами, а также имеют более низкую себестоимость за счет применения дешевых марок стали и сокращения затрат на исходный прокат и термическую обработку (исключены операции отжига сырья и/или нагрева гайки под закалку).
Прокат передельный повышенной прочности гладкого круглого профиля может широко применяться для изготовления гайки класса 8 и 9 для машиностроения, автомобилестроения и других отраслей.
Таблица 1
Марка и состав стали, диаметр проката, параметры производства, механические свойства
№ п/п
Марка стали
Диаметр проката, мм
С, %
Mn, %
С<sub>экв</sub>, %
Тем-ра окончания прокатки, °С
Тем-ра проката после Т/О (среднемассовая), °С
Механические свойств проката
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
ψ, %
1
10
14,0
0,11
0,60
0,14
1000
-
205
380
35,0
69,0
2∗)
16Г2
14,0
0,14
1,42
0,21
950
650
350
470
34,0
68,0
3
16Г2
14,0
0,15
1,60
0,23
950
660
360
480
34,0
67,0
4
16Г2
6,0
0,15
1,60
0,23
950
680
380
505
33,0
64,5
5∗∗)
20Г2
14,0
0,21
1,39
0,28
980
650
450
560
27,0
58,0
6
20Г2
14,0
0,21
1,39
0,28
980
690
415
535
29,5
61,5
7∗)
20Г2
14,0
0,21
1,39
0,28
980
770
350
460
34,0
65,0
8
20Г2
22,0
0,21
1,39
0.28
980
760
385
515
32,0
62,0
9
20
18,0
0,20
0,66
0,23
1000
760
365
490
30,0
62,0
10
35
22,0
0,35
0,68
0,38
1050
760
370
525
29,5
61,5
1 - По прототипу, ∗∗) - пониженные прочностные свойства, ∗∗∗) - пониженные пластические свойства