СОРТОВОЙ ПРОКАТ КРУГЛЫЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ШАРОВЫХ ПАЛЬЦЕВ
ROLLED SECTION FOR MANUFACTURING OF BALL PINS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого из среднеуглеродистой хромосодержащей стали для изготовления шаровых пальцев, применяемых в шаровых шарнирах подвесок автомобилей, получаемых методом холодной объемной штамповки с последующей термической обработкой и чистовой обкаткой предварительно обработанных резанием рабочих поверхностей.
По конструкции палец шаровой представляет из себя стержневое изделие достаточно сложной фасонной формы - сферическая головка диаметром до 30 мм и более (на заготовке до 34 мм и более), сопряженная через галтель со стержнем, имеющим в месте сопряжения с головкой шейку, переходящую через галтель в цилиндрическую часть и далее в коническую часть стержня. Коническая часть стержня сопряжена меньшим диаметром с фаской, переходящей по меньшему диаметру в стержень с накатанной резьбой. При этом отношение диаметров сферической головки и стержня "под накатку резьбы" заготовок пальцев, полученных холодной объемной штамповкой, достигает 2,5 и более.
Производство пальцев шаровых для шаровых шарниров подвесок автомобилей включает:
- подготовку отожженного проката (как правило, в мотках) к холодной объемной штамповке путем удаления поверхностных дефектов обточкой, нанесения подсмазочного слоя (травление, фосфатирование, нейтрализация), калибрование на диаметр под высадку;
- объемную штамповку заготовок пальцев на многопозиционных холодно-высадочных автоматах;
- термическую обработку заготовок пальцев;
- механическую обработку шейки, сферической головки и накатку резьбы;
- чистовую обкатку шейки и сферической поверхности головки пальца обкатными роликами.
Известен круглый сортовой прокат из среднеуглеродистой хромосодержащей стали, содержащий (мас.%): углерод 0,37-0,44, кремний 0,17-0,37, марганец 0,50-0,80, хром 0,60-1,10, сера не более 0,035, медь не более 0,30, никель не более 0,30 и остальное железо. Допускается наличие вольфрама не более 0,20, титана не более 0,03, ванадия не более 0,05 (ГОСТ 4543-71, сталь марки 40Х).
Однако известный круглый сортовой прокат, выплавленный из среднеуглеродистой хромосодержащей стали, при своем использовании для изготовления шаровых пальцев имеет следующие недостатки:
- недостаточно стабильная прокаливаемость стержня и шаровой головки заготовки пальца;
- не обеспечивается стабильная чистота поверхности отожженного (сфероидизирующий отжиг) передельного проката после обточки и термообработанной заготовки пальца после механической обработки;
- не обеспечивается требуемая чистота поверхности шейки пальца и сферической головки после их чистовой обкатки роликами.
Известен также сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0,42-0,50, кремний 0,17-0,37, марганец 0,50-0,80, сера не более 0,035, остальное железо. Примеси: хром не более 0,25, никель не более 0,30, мышьяк не более 0,08, азот не более 0,008, медь не более 0,30 (Марочник сталей и сплавов./ Под редакцией А.С.Зубченко. М.: Машиностроение, 2003, с.102).
Однако известный сортовой прокат круглый при своем использовании для изготовления шаровых пальцев имеет следующие недостатки:
- сталь плохо поддается холодной объемной штамповке из-за высоких прочностных и низких пластических характеристик;
B
2
- низкий ресурс пластичности и высокая исходная прочность отожженного калиброванного проката (Ψ=25-35%, σ>690 Н/мм) приводит к появлению штамповочных трещин, особенно в области сферической головки, недостаточному оформлению элементов заготовки изделия (конической части стержня, стержня под накатку резьбы и т.д.) и низкой стойкости высадочного инструмента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0,35-0,42, марганец 0,50-0,80, кремний 0,17-0,37, хром 0,80-1,10, серу 0,020-0,040, никель до 0,25, железо и неизбежные примеси остальное, имеющий заданные параметры качества стали по структуре, механическим свойствам, прокаливаемости и обрабатываемости резанием. При этом прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 балла, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, величина холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 600 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 60% (см. патент РФ №2285054, МПК С21D 8/06, 2004 г.).
Однако известный сортовой прокат круглый, выплавленный из среднеуглеродистой хромосодержащей стали, при своем использовании для изготовления шаровых пальцев имеет следующие недостатки:
- совокупное сочетание приведенных элементов, таких как углерод, марганец, хром, кремний, в известных пределах не позволяет за счет имеющейся прокаливаемости стабильно обеспечить требуемую твердость шаровых пальцев, особенно если все эти элементы находятся на своих нижних пределах;
- для шаровых пальцев, имеющих большие перепады сечений, недостаточная прокаливаемость при попытке обеспечения требуемой твердости может привести к появлению неснимаемых при отпуске остаточных термических напряжений;
- совокупное сочетание приведенных элементов, таких как углерод, марганец, хром, кремний, сера, кислород, в известных пределах не обеспечивает достижение заданной чистоты поверхности при обточке термообработанного проката, особенно если все эти элементы находятся на своих нижних пределах;
- почти все составляющие элементы стали в указанных диапазонах, за исключением никеля, способствуют снижению ударной вязкости металла, которая важна для эксплуатационных характеристик шаровых шарниров, т.к. при недостаточной ударной вязкости шаровой палец не сможет деформироваться на требуемую величину при приложении заданной эксплуатационной ударной нагрузки, как того требует его конструкторская и нормативная документация;
- используется длительный цикл сфероидизирующего отжига сортового проката для обеспечения получения структуры зернистого перлита не менее 80%;
- мелкозернистая структура 10 баллов сортового проката приводит к повышению сопротивления деформации и росту усилия высадки, т.е. приводит к ухудшению оформления конструктивных элементов пальцев при одновременном снижении стойкости высадочного инструмента.
Задачей изобретения является создание сортового проката круглого для производства шаровых пальцев.
Техническим результатом при использовании предложенного сортового проката круглого для производства шаровых пальцев является улучшение обрабатываемости резанием для получения требуемой точности и чистоты поверхности проката и термообработанной заготовки после обработки резанием, достижение высокой пластичности и низкого уровня деформационного упрочнения для рациональных режимов калибрования и холодной объемной штамповки, а также для получения высаженных заготовок заданной формы и точности, достижение стабильной прокаливаемости, позволяющей после термического улучшения получить заданную твердость и ударную вязкость, получение заданных прочностных и пластических характеристик, обеспечивающих получение точной резьбы, достижение заданной точности и чистоты поверхности шейки и сферической головки пальцев после их чистовой обкатки.
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен сортовой прокат круглый для производства шаровых пальцев, выплавленный из среднеуглеродистой хромосодержащей стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, серу, никель, железо и неизбежные примеси остальное, имеющий заданные параметры качества стали по структуре, механическим свойствам, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, при этом среднеуглеродистая хромосодержащая сталь дополнительно содержит фосфор при следующем содержании компонентов (мас.%):
углерод
0,38-0,47
марганец
0,58-0,94
кремний
до 0,40
хром
0,87-1,25
сера
0,02-0,045
никель
до 0,30
фосфор
до 0,035
железо
и неизбежные примеси
остальное,
B
5
при выполнении соотношения углерод плюс марганец ≥ 1,00%, а также кремний плюс фосфор минус никель ≥ минус 0,25%, при этом содержание зернистого перлита в микроструктуре стали составляет не менее 65%, временное сопротивление разрыву σ не более 590 МПа, относительное удлинение δ не менее 18%, относительное сужение Ψ не менее 55%, размер действительного зерна выбран в пределах 6-9 баллов, а диаметр проката выбран от 15 до 30 мм.
Экспериментальные исследования предложенного сортового проката для производства шаровых пальцев в производственных условиях показали его высокую эффективность. С использованием всех существенных признаков предложенного технического решения достигнуто обеспечение комплексного сочетания требуемых характеристик, обеспечивающих стабильное и качественное получение шаровых пальцев нужной формы, точности с необходимым заданным сочетанием эксплуатационных свойств. При этом улучшена обрабатываемость резанием с получением требуемой точности и чистоты поверхности проката и термообработанной заготовки после обработки резанием, достигнута высокая пластичность и низкий уровень деформационного упрочнения для рациональных режимов калибрования и холодной объемной штамповки, а также для получения высаженных заготовок заданной формы и точности, достигнута стабильная прокаливаемость, позволяющая после термического улучшения получить заданную твердость и ударную вязкость, получены заданные прочностные и пластические характеристики, обеспечивающие получение точной резьбы, заданной точности и чистоты поверхности шейки и сферической головки пальцев после их чистовой обкатки.
В предложенном сортовом прокате углерод обеспечивает заданный уровень прочности, прокаливаемости и обрабатываемости резанием. Нижняя граница содержания углерода (0,38%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости и получения заданной твердости пальца шарового, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката. Верхняя граница содержания углерода (0,47%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности и прочности стали для калибрования и холодной объемной штамповки, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки и (или) готового изделия.
Марганец - раскислитель, обеспечивает заданный уровень прочности и прокаливаемости, увеличивает твердость, несколько увеличивает величину зерна, упрочняет отожженный феррит, что предупреждает налипание высаживаемого материала на инструмент. Нижняя граница содержания марганца (0,58%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости и получения заданной твердости пальца шарового, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката. Верхняя граница содержания марганца (0,94%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности и прочности стали для калибрования и холодной объемной штамповки, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки и (или) готового изделия.
Кремний - раскислитель, растворяясь в феррите, упрочняет сталь, повышает упругость, твердость, уменьшает величину ферритного зерна. Влияние кремния на сталь объясняется его способностью интенсивно сжимать решетку железа, снижать содержание углерода, а следовательно, охрупчивать карбидные фазы на границах зерен. Нижний предел не лимитирован и зависит только от технологии раскисления стали. Верхняя граница содержания кремния (0,40%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости, пластичности и прочности стали для калибрования, холодной объемной штамповки и чистовой обкатки, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки и (или) готового изделия. При содержании кремния более 0,40% существенно снижается пластичность металла, что неблагоприятно сказывается при холодной штамповке заготовок пальцев.
Хром упрочняет феррит, но не так существенно, как кремний и марганец, улучшает износостойкость изделий, при содержании более 0,87% хром несколько снижает вязкость стали, обеспечивает заданный уровень обрабатываемости резанием, особенно отожженного проката, прокаливаемости и прочности. Нижняя граница содержания хрома (0,87%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости и получения заданной твердости шарового пальца, а также обеспечения заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката. Верхняя граница содержания хрома (1,25%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости, пластичности и прочности стали для калибрования обточенного проката, для холодной объемной штамповки и чистовой обкатки заготовок, а также пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки пальца и (или) готового изделия.
Сера придает стали хрупкость, повышает сопротивление деформации, улучшает обрабатываемость резанием, не растворяется в железе, образует пирротит FeS. Нижняя граница содержания серы (0,020%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня обрабатываемости резанием, особенно отожженного проката. Верхняя граница содержания серы (0,045%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости и пластичности стали для калибрования отожженного проката, для холодной объемной штамповки и чистовой обкатки заготовок пальцев, а также ограничения влияния серы как стимулятора наводороживания стали.
Никель упрочняет феррит стали, повышает пластичность и вязкость стали, влияет на прокаливаемость и твердость. Верхняя граница содержания никеля (0,30%) обусловлена необходимостью достижения требуемого уровня вязкости, пластичности и прочности стали для обеспечения заданного уровня обрабатываемости резанием отожженного проката, для калибрования обточенного проката, для холодной объемной штамповки и чистовой обкатки заготовок пальцев, а также для обеспечения заданного уровня пластичности и ударной прочности термообработанной заготовки пальца и (или) готового изделия.
Фосфор, растворяясь в феррите, придает стали хрупкость, повышает сопротивление деформации, улучшает обрабатываемость резанием. Верхняя граница содержания фосфора (0,035%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости и пластичности стали для калибрования отожженного проката, для холодной объемной штамповки заготовок пальцев, а также для предотвращения отпускной хрупкости.
Соотношение углерод + марганец ≥ 1,00% обеспечивает стабильную прокаливаемость проката заявляемой композиции диаметром до 35 мм и получение требуемой твердости готового изделия.
Соотношение кремний плюс фосфор минус никель ≥ минус 0,25% обеспечивает нижний уровень баланса между вязкостью металла и его способностью подвергаться обработке резанием с заданной точностью и чистотой поверхности. При соотношении кремний плюс фосфор минус никель менее минус 0,25% вязкость металла доминирует, ухудшается обрабатываемость резанием, особенно отожженного проката, увеличивается вероятность залипания металла на инструмент при холодной объемной штамповке заготовок шаровых пальцев.
Для обеспечения требуемой пластичности сталь предложенного сортового проката имеет мелкозернистую структуру, в которой содержание зернистого перлита не менее 65%. Данное содержание обусловлено необходимостью получения достаточного ресурса пластичности, обеспечивающего возможность без разрушений обрабатывать давлением прокат и заготовку при изготовлении шаровых пальцев. При этом размер действительного зерна составляет 6-9 баллов. Нижняя граница (6 баллов) обусловлена необходимостью обеспечения заданной пластичности. Увеличение размера зерна (до 5 баллов и ниже) хоть и способствует снижению технологического усилия при обработке металлов давлением, но при этом повышает вероятность появления и развития деформационных трещин при холодной объемной штамповке заготовок пальцев. Верхняя граница (9 баллов) обусловлена необходимостью стабильного получения качественного оформления всех конструктивных элементов заготовок пальцев шаровых при холодной объемной штамповке и обеспечения достаточной стойкости работы прессового инструмента и оснастки. С уменьшением размера зерна (до 10 баллов и выше) увеличивается сопротивление деформации деформируемого металла, соответственно, ухудшается процесс формообразования и возрастает нагрузка на инструмент.
Границы заявляемых механических свойств обусловлены заданными требованиями к отожженному прокату в части прочностных и пластических характеристик, обеспечивающих заданную технологичность переработки проката при обработке металла давлением (калибрование отожженного проката + холодная объемная штамповка заготовок пальцев).
Сопоставительный анализ предложенного сортового проката для производства шаровых пальцев с аналогами и прототипом позволяет сделать вывод о том, что предложенный состав, структура и свойства его стали по совокупности заявляемых признаков отличаются от известных диапазонами содержания компонентов, а именно углерода, кремния, марганца, хрома, соотношением содержания углерода и марганца, показателями структуры и механических свойств.
Таким образом, заявляемое техническое решение по совокупности признаков соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".
Пример осуществления предлагаемого изобретения
Учитывая наработанный ранее опыт производства шаровых пальцев из сталей марок 40Х, 40Х "Селект", 38ХГНМ (см. табл.1 и 2), на металлургическом комбинате выплавлено и подготовлено несколько партий предложенного сортового проката для производства шаровых пальцев из стали марки 41Х1 с химическим составом, приведенным в таблице 1.
Подготовка проката к высадке включала обточку поверхности (удаление поверхностных дефектов), травление, фосфатирование и нейтрализацию. Высадка заготовок пальцев производилась на четырехпозиционном холодновысадочном автомате.
Таблица 1
Марка стали
№
Содержание элементов, мас.%
С
Mn
Si
Cr
S
Ni
P
C+Mn
C+Cr
40Х*
1
0,38
0,60
0,20
0,90
0,030
0,20
0,010
0,98
1,28
40Х "Селект"*
2
0,37
0,60
0,25
0,90
0,010
0,03
0,005
0,97
1,27
38ХГНМ*
3
0,37
0,70
0,02
0,60
0,020
0,60
0,020
1,07
0,97
41Х1
4
0,47
0,58
0,28
0,87
0,045
0,08
0,010
1,05
1,60
5
0,44
0,77
0,26
0,97
0,032
0,06
0,007
1,21
1,41
6
0,38
0,94
0,10
1,25
0,020
0,26
0,010
1,32
1,63
* отражены партии с низким содержанием С, Mn, Сr
Таблица 2
№
Качественные показатели технологичности
Твер-дость
Испытание на ударную прочность
Качество поверхности после обточки проката
Точность формообразования и отсутствие дефектов при холодной высадке
Чистота поверхности после мех. обработки
Качество поверхности после обкатки
1
+
+
-
-
-
-
2
-
+
+
+
-
+
3
-
+
+
+
-
+
4
+
+
+
+
+
+
5
+
+
+
+
+
+
6
+
+
+
+
+
+
Примечание"+" соответствует требованиям,"-" не соответствует требованиям
Термическую обработку заготовок пальцев проводили на закалочно-отпускном агрегате конвейерного типа. Механическая обработка и обкатка роликами сферической головки и шейки произведена на специализированном оборудовании. Накатка резьбы производилась на роликовом резьбонакатном станке.
Из таблицы 2 видно, что прокат №№1-3 с содержанием С, Мn, Сr в области нижнего предела имеет недостаточную прокаливаемость заготовок пальцев шаровых, что отражается в выходе значений твердости за нижний допускаемый предел. При этом палец шаровой, изготовленный из проката №1, не выдерживает испытание на ударную прочность. Высокое содержание никеля (прокат №3) затрудняет формирование требуемой чистоты поверхности отожженного проката после обточки (на поверхности остаются мелкие риски) и сферической головки и шейки пальца после откатки (поверхность в виде раскатанных мелких чешуек).
Наиболее технологичной, удовлетворяющей стабильному получению требований по качеству формообразования, по качеству поверхности и механическим свойствам является предложенный сортовой прокат из среднеуглеродистой хромосодержащей стали по примерам 4, 5 и 6 по таблице 1.
Структура предложенного сортового проката из стали марки 41Х1 содержит 70-80% зернистого перлита, при этом временное сопротивление разрыву составляет не более 550-580 МПа, относительное удлинение 25-30%, относительное сужение 60-64%. Полученная структура и механические свойства позволили обеспечить достаточно точное формирование холодной объемной штамповкой заготовки без появления штамповочных трещин и других дефектов.
Внедрение предложенного сортового проката из среднеуглеродистой стали 41Х1 для производства шаровых пальцев с заявляемыми композицией, соотношением химических элементов, структурой, механическими свойствами обеспечивает стабильное качественное изготовление пальцев шаровых подвесок автомобилей.