Способ подготовки горячекатаного проката при изготовлении автомобильных крепежных изделий методом холодной объемной штамповки
METHOD FOR PREPARING HOT-ROLLED STEEL IN THE MANUFACTURE OF AUTOMOTIVE FASTENERS BY COLD DIE FORGING

Изобретение относится к области термомеханической обработки горячекатаного и калиброванного проката из конструкционной легированной стали перлитного класса и может быть использовано для изготовления из него крепежных (болты, гайки) и метизных изделий (стремянки, тяги и т.д.) для автомобилей, тракторов и различной спецтехники. Калиброванный прокат, изготовленный из конструкционной легированной стали перлитного класса, может использоваться в автомобильной промышленности для холодной объемной штамповки (ХОШ) изделий. Прокат подготавливают с применением термообработки в отжигных печах, отжига индукционным нагревом токами высокой частоты и волочением с различными степенями обжатия. Применяют первичный отжиг в печах при температуре 760-780ºС, второй отжиг индукционным нагревом ТВЧ при температуре 660-680ºС и двукратное волочение проката с различными степенями обжатия, что снижает время обработки, энергоемкость и трудоемкость процесса.
8/06
В качестве прототипа принят способ изготовления горячекатаного проката под холодную объемную штамповку крепежных изделий (патент на изобретение № RU 25306603C1, С21D , (2006/01) опубл. 10.10.2014 Бюл. №28).
Данный способ обработки горячекатаного проката под холодную высадку крепежа включает двукратный отжиг индукционным нагревом ТВЧ при температуре 760-780ºС и трехкратное волочение с различными степенями обжатия; после первого волочения со степенью обжатия 15,9% осуществляют отжиг при температуре 760-780ºС, после второго волочения со степенью обжатия 20,6% осуществляют второй отжиг при температуре 760-780ºС, затем осуществляют окончательное волочение через фильер со степенью обжатия 3,0%. Однако применение трехкратного волочения удлиняет процесс подготовки проката. Недостатком данного способа подготовки проката является длительность и трудоемкость процесса при отжиге мотков металла на установке ТВЧ и дополнительное волочение через фильеру.
Предлагаемым изобретением решается задача создания способа изготовления калиброванного проката, соответствующего требованиям ГОСТ 10702-2016 «Прокат сортовой из конструкционной нелегированной и легированной стали для холодной объемной штамповки. Общие технические условия (с Поправкой)», без одной дополнительной операции термообработки на установке ТВЧ на структуру зернистый перлит, применением меньшего количества операций волочения проката, следовательно, менее энерго- трудоёмкого.
Технический результат – получение требуемых механических характеристик готового калиброванного проката за счет требуемой структуры с мелкозернистым перлитом по сечению и длине проката с сохранением требуемой прочности и пластичности перед холодной объемной штамповкой крепежных и метизных изделий.
Этот технический результат достигается тем, что в способе обработки горячекатаного проката для изготовления автомобильного крепежа и метизов включается первый отжиг в печи при температуре 760-780ºС, второй отжиг индукционным нагревом ТВЧ при температуре 660-680ºС и двукратное волочение с различными степенями обжатия; после первого отжига прокат подвергают первому волочению со степенью обжатия 22-23%, далее осуществляют отжиг индукционным нагревом ТВЧ при температуре 660-680ºС, после второго отжига осуществляют второе окончательное волочение через фильеру со степенью обжатия 12-13%.
Первичный отжиг преобразует изначальную структуру горячекатаного проката «перлит + феррит» в структуру «зернистый перлит», что значительно повышает пластичность металла, снижает неоднородность микроструктуры и позволяет проводить первичное волочение горячекатаного проката с высокими степенями обжатия. Охлаждение металлопроката до 660-680ºС и выдержка с печью в течение 3-4 ч, затем охлаждение с печью до 170-180ºС, выдержка с печью 1-2 ч и далее на открытом воздухе до температуры окружающей среды способствует образованию равномерной по площади поперечного сечения и длине проката структуры «зернистый перлит». При этом исключается образование поверхностных упрочнений на поверхности проката.
Второй отжиг индукционным нагревом ТВЧ при температуре 660–680ºС позволяет перевести волокнистую структуру пластически деформированных зерен в мелкодисперсную и более равномерную по сравнению с исходной микроструктурой предварительно калиброванного проката. Это обусловливает снижение прочностных свойств и твердости и повышение пластических свойства, т.е. их улучшение.
С применением двух отжигов: в печи при температуре 760-780ºС и индукционным нагревом ТВЧ при температуре 660-680ºС и после двукратного волочения наблюдается изменение микроструктурного состояния. После второго отжига в калиброванном прокате достигается равномерная структура, составляющая от 90 до 95% мелкозернистого перлита.
Двукратное волочение и отсутствие окалины на поверхности калиброванного проката после отжига индукционным нагревом ТВЧ при температуре 660-680ºС обеспечивает получение необходимого качества поверхности калиброванного проката. Кроме того, у дважды прокалиброванного проката практически отсутствует эллипсность на конечном готовом размере.
Окончательное волочение позволяет получать требуемый по геометрическим размерам калиброванный прокат под последующую холодную объемную штамповку автомобильного крепежа и метизных изделий при достаточных прочностных и пластических характеристиках с учетом степени обжатия.
Режимы обоснованы экспериментально.
Способ осуществляют следующим образом.
Проводят в печи отжиг горячекатаного проката при температуре 760-780ºС в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 660-680ºС, выдерживают с печью в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 170-180ºС, выдерживают с печью 1-2 ч и далее охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. После первичного отжига в печи прокат подвергают первичному волочению на волочильном стане со степенями обжатия 22,5%. После отжига индукционным нагревом ТВЧ при температуре 660-680ºС прокат подвергают вторичному волочению на волочильном стане со степенями обжатия 12,6%. В результате применения вышеуказанных технологических операций калиброванный прокат может быть использован под холодную высадку крепежных и метизных изделий для автомобильной, тракторной и другой спецтехники.
Пример осуществления способа.
Обрабатывали горячекатаный прокат в мотках конструкционной легированной стали 40Х диаметром 12,0 мм для дальнейшего изготовления из него калиброванного проката под холодную высадку крепежа силовых оснований для агрегатов автомобильной и тракторной техники с техническими требованиями согласно ГОСТ 10702-2016 «Прокат сортовой из конструкционной нелегированной и легированной стали для холодной объемной штамповки. Общие технические условия (с Поправкой)». Химический состав стали 40Х соответствовал ГОСТ 10702-2016.
Отжиг одного мотка горячекатаного проката проводили нагревом при температуре 770ºС в течение 3,0 ч, охлаждали с печью до температуры 670ºС, выдерживали с печью 3,5 ч, охлаждали с печью до 175ºС, выдерживали с печью 1,5 ч и далее охлаждали на открытом воздухе до температуры окружающей среды помещения. Затем осуществляли первичное волочение исходного горячекатаного проката в волоке на волочильном стане со степенью обжатия 22,5%. Затем проводили термообработку калиброванного проката индукционным нагревом ТВЧ при температуре 670ºС в мотках. После отжига индукционным нагревом ТВЧ проводили вторичное волочение проката на волочильном стане со степенью обжатия 12,6%.
В других случаях меняли температуру отжига горячекатаного проката (730; 740; 750; 760;770; 780; 790 и 800ºС) при средних значениях степеней обжатия, выдержке с печью и средней температурой отжига режима на установке ТВЧ. Оптимальной была принята температура отжига в печи 760-780ºС.
При уменьшении температуры отжига (от 730 до 750ºС) структура проката «перлит + феррит» имеет составляющие: около 70% «зернистый перлит» и 30% «пластинчатый перлит». При увеличении температуры отжига (от 790 до 800ºС) увеличивается размера зёрен микроструктуры, что может способствовать снижению прочностных и увеличению пластических характеристик горячекатаного проката.
Охлаждение с печью до температуры 660-680ºС выбрано с учетом того, что при медленном охлаждении при температуре 660ºС и менее окончательно формируется микроструктура «зернистый перлит», а при температуре более 690ºС её положение неустойчиво.
Выдержка 3-4 ч при отжиге достаточна, т.к. при выдержке менее 3 ч моток проката в печи прогревается и охлаждается неравномерно, а структурные превращения в металле не успевают произойти равномерно по всей длине мотка, в результате чего возможно появление неравномерных механических характеристик. Выдержка в печи более 4 ч приводит к увеличенным энергетическим затратам, затягивает технологический процесс отжига и способствует обезуглероживанию поверхности горячекатаного проката.
Охлаждение с печью до 170-180ºС, выдержка с печью 1-2 ч и далее охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды помещения способствует образованию равномерной микроструктуры «зернистый перлит» по поперечному сечению и длине мотка горячекатаного проката, позволяет избежать упрочнений на поверхности проката и ускоряет технологический процесс отжига.
Меняли степень обжатия проката при первичном волочении (19%; 20%; 21%; 22%; 22,5%; 23%; 24% и 25%) при средних значениях температуры отжига, выдержке металла в печи, охлаждения с печью, время нагрева в печи, режима термообработки на установке ТВЧ, степени обжатия при повторном волочении. Оптимальной была выявлена степень обжатия проката от 22 до 23%.
При уменьшении степени обжатия ниже 22% выявляется занижение прочностных характеристик по поперечному сечению и длине мотка проката, что может не обеспечить механические свойства для обеспечения требований ГОСТ 10702-2016 перед отжигом индукционным нагревом ТВЧ.
При увеличении степени обжатия (выше 23%) получали завышенные механические характеристики проката перед вторичным отжигом индукционным нагревом на установке ТВЧ.
Меняли температуру отжига индукционным нагревом ТВЧ (620ºС; 630ºС; 640ºС; 650ºС; 660ºС; 670ºС; 680ºС; 690ºС; 700ºС). Оптимальной была выявлена температура отжига 660-680ºС.
При уменьшении температуры (650ºС и ниже) увеличивается время отжига и получали завышенные механические свойства калиброванного проката.
При увеличении температуры отжига (690ºС и выше) происходит увеличение размера зерна и снижение механических характеристик проката перед вторичным волочением.
Меняли степень обжатия при вторичном волочении для получения готового размера проката (9%; 10%; 11%; 12%; 12,6%; 13%; 14% и 15%). Оптимальной была принята степень обжатия при волочении 12-13%.
При уменьшении степени обжатия (ниже 12%) при вторичном волочении получали заниженные и неравномерные по сечению и длине проката механические характеристики.
При увеличении степени обжатия (выше 13%) наблюдалась вытянутость зерен, обусловливающая завышенные прочностные и заниженные пластические характеристики проката перед высадкой крепежных и метизных изделий.
Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате стали марки 38ХА с химическим составом по ГОСТ 10702-2016. Сталь марки 38ХА позволяет получать аналогичные результаты с маркой стали 40Х.
Твердость определяли на приборе Роквелла по шкале С на параллельно шлифовальных лысках – на поперечных микрошлифах с использованием микроскопа «Неофот-21» при увеличении х500, травление образцов производили в 4% растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
Механические характеристики калиброванного проката по предложенной технологии и ГОСТ 10702-2016.
№п/п
Контролируемые параметры
Предложеннаятехнология
ТребованияГОСТ 10702-2016
1
Твердость, НВ
195
Не более 207
2
Временное сопротивление разрыву, σв (МПа)
720
Не менее 600
3
Относительное сужение, Ψ %
64
Не менее 40
4
Общая глубина обезуглероженного слоя, мм
Местное частичное 0,03
Не более 0,05
5
Осадка образцов в исходном состоянии (группа осадки)
66
66
6
Величина глубины поверхностных дефектов
Отсутствуют
Допускаются отдельные мелкие риски не более половины предельного отклонения по диаметру