Способ подготовки горячекатаного проката для изготовления высокопрочных крепежных стержневых изделий
METHOD FOR PREPARATION OF HOT-ROLLED PRODUCTS FOR PRODUCTION OF HIGH-STRENGTH FASTENING ROD PRODUCTS

Изобретение относится к области изотермомеханической обработки сортового горячекатаного проката из конструкционных сталей перлитного класса и может быть использовано при изготовлении из него высокопрочных крепежных стержневых изделий для автомобилей, тракторной, сельскохозяйственной и специальной техники, удовлетворяющих по механическим характеристикам действующий стандарт ИСО 898-1:1999 «Механические свойства крепежных изделий из углеродистой стали и легированной стали. Часть 1. Болты, винты и шпильки».
Крепежные метизные изделия, соответствующие классу прочности 9.8, которые изготавливаются из легированных, углеродистых и хромистых марок сталей, требуется подвергать термической объемной закалки и отпуску после их окончательного изготовления методом холодной штамповки. Как правило, данная технологическая операция может привести к обезуглероживанию их поверхности, появлению деформационных трещин, короблению окончательно изготовленных стержневых крепежных изделий и, как следствие, к повышению трудо- и энергоемкости технологического процесса изготовления метизов.
В качестве прототипа принят способ обработки горячекатаного проката под высадку болтов (патент на изобретение №2486260, С21D8/06, опубл. 27.06.2013 г.).
Способ обработки горячекатаного проката включает его отжиг при температуре 770-790°С 3-4 ч, охлаждение с печью до 660-680°С, выдержку 3-4 ч, охлаждение с печью до температуры окружающей среды, первичное волочение, изотермическую обработку в течение 5 мин с последующим охлаждением на воздухе, вторичное калибрование. После выдержки в печи 3-4 ч охлаждение проката проводят с печью до температуры окружающей среды, первичное волочение осуществляют со степенью обжатия 12-13%, а вторичное - со степенью обжатия 7-8%, изотермическую обработку проводят путем патентирования при температуре 540-560°С.
Однако, после выдержки в печи 3-4 ч, охлаждение проката проводят с печью до температуры окружающей среды, что затягивает технологический процесс отжига, первичное волочение проводится со степенями обжатия (12-13%), что не способствует формированию требуемых механических характеристик в калиброванном прокате, соответствующих высокопрочному крепежу класса прочности 9.8. Изотермическую обработку калиброванного проката проводят патентированием при высоких значениях температур от 540°С до 560°С. После изотермической обработки проката второе волочение осуществляют со степенями обжатия 7-8%, что недостаточно по прочностным характеристикам для крепежа классом прочности 9.8. Данный способ подготовки горячекатаного проката может быть использован только для изготовления из него крепежных изделий холодной объемной штамповкой класса прочности не выше 8.8.
Данным изобретением предлагается решение задачи для создания способа изготовления высокопрочных стержневых крепежных изделий классом прочности 9.8 без последующей объемной термической закалки и отпуска после окончательного изготовления длинномерных болтов методом холодной объемной штамповки с накаткой резьбы.
Технический результат - получение необходимых прочностных и пластических характеристик проката, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 10702-2016 «Прокат сортовой из конструкционной нелегированной и легированной стали для холодной штамповки. Общие технические условия», за счет подготовки равномерной мелкодисперсной структуры пластинчатого сорбита по всей площади поперечного сечения и длине мотка проката.
Технический результат достигается тем, что в способе подготовки горячекатаного проката для изготовления длинномерных стержневых болтовых крепежных изделий, включающем его отжиг при температуре 770-790°С 3-4 ч, охлаждение с печью до 660-680°С, выдержку 3-4 ч, охлаждение c печью до температуры охлаждающей среды, первичное волочение со степенями обжатия - 12-13%, нагрев в печи и изотермическую обработку патентированием в интервале температур 540-560°С, вторичное волочение со степенями обжатия - 7-8%, отжиг проводят при температуре 760-780°С после выдержки в печи 3-4 ч охлаждение c печью проводят до температуры 170-180°С с выдержкой 1-2 ч и дальнейшее охлаждение на воздухе, первичное обжатие осуществляют со степенью 19-21%, вторичное - со степенью 9-10%, а изотермическую обработку патентированием ведут при температуре 475°С.
В предлагаемом изотермомеханическом способе обработки горячекатаного проката обеспечивается снижением температуры отжига, времени выдержки при охлаждении вместе с печью, используются допустимые температуры изотермической обработки патентированием и применяются необходимые и достаточные степени обжатия при первичном и вторичном волочении горячекатаного и калиброванного проката. Данные технологические операции обеспечивают равномерность микроструктуры по сечению и длине мотка калиброванного проката, отсутствие трещин, снижение обезуглероживания и дефекта «апельсиновая корка» на поверхности изготовленных стержневых метизных изделий. Это позволяет значительно уменьшить отбраковку и сортировку готовых изделий, а также снизить их себестоимость.
Этот технический результат достигается тем, что в способе подготовки горячекатаного проката для изготовления изделий, включающем его отжиг при температуре 760-780°С в течение 4-3 ч, охлаждение с печью до 660-680°С, выдержка в печи 3-4 ч; после выдержки в печи перед охлаждением на воздухе проводят дополнительное охлаждение с печью до температуры 170-180°С, выдерживают с печью 1-2 ч и затем охлаждают на воздухе; первичное волочение осуществляют со степенью 19-21%, вторичное волочение - со степенью 9-10%, при этом изотермическую обработку патентированием ведут при температуре 475°С.
Отжиг преобразует изначальную структуру горячекатаного проката «перлит + феррит» в структуру «зернистый перлит», повышает пластичность металла, снижает неоднородность микроструктуры, влияет на снижение себестоимости отжига и позволяет проводить первичное волочение горячекатаного проката со степенями обжатия от 19 до 21%. Охлаждение с печью до 170-180°С, 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 сокращается продолжительность отжига в печи и исключается образование поверхностных упрочнений на поверхности проката.
Первичное волочение с предлагаемыми степенями обжатия горячекатаного проката позволяет получать необходимые механические характеристики калиброванного проката, снизить неравномерность деформации, исключить вероятность появления дефекта «апельсиновая корка» и снизить эллипсоидность на промежуточном геометрическом размере сечения проката и длине мотка.
Изотермическая обработка патентированием позволяет получить равномерно распределенную по поперечному сечению и по всей длине мотка проката микроструктуру мелкодисперсного пластинчатого сорбита. Предлагаемая технологическая изотермическая процедура позволяет исключить рекристаллизационный отжиг и обеспечивает механические характеристики, которые позволяют провести повторное волочение калиброванного проката.
Вторичное волочение обеспечивает необходимые и достаточные пластические и прочностные характеристики и получение требуемого геометрического размера диаметра по длине проката под холодную объемную штамповку. Режимы обоснованы экспериментально.
Способ осуществляют следующим образом.
Проводят отжиг горячекатаного проката при температуре 760-780°С в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 660-680°С, выдерживают с печью в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 170-180°С, выдерживают с печью 1-2 ч и далее охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды; затем на волочильном стане проводят первичное волочение со степенями обжатия 19-21%, а после первичного волочения проводят изотермическую обработку патентированием при температуре нагрева (аустенитизация) проката 880°С в течение 3,0 мин, выдержке в ванне со свинцом, нагретым до температуры 475°С в течение 5,0 мин, далее охлаждение на открытом воздухе. Затем на волочильном стане проводят вторичное волочение со степенью обжатия 9-10%. После проведения вторичного волочения калиброванный прокат используется для изготовления стержневых метизов способом холодной объемной штамповки.
Пример осуществления способа.
Применяли горячекатаный прокат - конструкционную сталь перлитного класса марки 40Х для изготовления холодной объемной штамповкой стержневых длинномерных ботов класса прочности 9.8 по требованиям ИСО 898-1:1999 с диаметром резьбы М10 и М12 без последующей их объемной закалки и отпуска. Химический состав стали марки 40Х соответствовал ГОСТ 10702-2016.
Отжиг одного мотка горячекатаного проката проводили нагревом при температуре 770°С в течение 3,0 ч, охлаждали с печью до температуры 670°С, выдерживали с печью 3,5 ч, охлаждали с печью до 175°С, выдерживали с печью 1,5 ч и далее охлаждали на открытом воздухе до температуры окружающей среды помещения. Затем осуществляли первичное волочение в волоке на волочильном стане со степенью обжатия 20%. Нагрев калиброванного проката проводили при температуре 880°С в течение 3,0 мин. Изотермическую обработку проката осуществляли патентированием в ванне со свинцом, нагретым до температуры 475°С, в течение 5,0 мин, затем охлаждали на воздухе. После изотермической обработки патентированием проводили повторное волочение на волочильном стане со степенью обжатия 10%.
В других примерах меняли температуру отжига горячекатаного проката (730; 740; 750; 760;770; 780; 790 и 800°С) при средних значениях степеней обжатия, выдержке с печью, времени нагрева в печи перед изотермической обработкой и режима изотермической обработки патентированием. Оптимальной была принята температура отжига в печи 760-780°С.
При уменьшении температуры отжига (от 730 до 750°С) структура проката «перлит + феррит» имеет составляющие: около 78% «зернистый перлит» и 22% «пластинчатый перлит». При увеличении температуры отжига (от 790 до 800°С) увеличивается размер зерен микроструктуры, что может способствовать снижению прочностных и увеличению пластических характеристик горячекатаного проката.
Охлаждение с печью до температуры 660-680°С выбрано с учетом того, что при медленном охлаждении при температуре 660°С и менее окончательно формируется микроструктура «зернистый перлит», а при температуре более 690°С ее 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 170-180°С, 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 (16, 17. 18, 19, 20, 21, 22, 23 и 24%) при средних значениях температуры отжига, выдержке металла в печи, охлаждения с печью, время нагрева в печи, изотермического режима патентирования, степени обжатия при повторном волочении. Оптимальной была выявлена степень обжатия проката от 19 до 21%.
При уменьшении степени обжатия выявляется занижение прочностных и пластических характеристик по поперечному сечению и длине мотка проката, что может не обеспечить механические свойства готовых длинномерных изделиях класса прочности 9.8 и существует вероятность появления дефекта «апельсиновая корка» при последующем волочении проката и на готовых изделиях.
При увеличении степени обжатия повышаются прочностные и снижаются пластические характеристики, что может привести к увеличению нагрузки и преждевременному износу волоки на волочильном стане.
Меняли время нагрева проката в печи с при температуре аустенитизации 880°С (2,0 мин (120 с); 3,0 мин (180 с); 4,0 мин (240 с) и 5,0 мин (300 с) ) при средних значениях степеней обжатия, выдержки с печью, охлаждения с печью и изотермического режима патентирования. Необходимым временем нагрева в печи было принято время нагрева 3,0 мин.
При уменьшении времени нагрева 2,0 мин в структуре проката стали марки 40Х не обеспечивалась полная гомогенизация аустенита.
При увеличении времени нагрева 4,0 мин и 5,0 мин снижались прочностные и повышались пластические характеристики, а на поверхности проката появлялся частично обезуглероженный слой.
Меняли температуру при изотермической обработке патентированием (490°С; 485°С; 480°С; 475°С; 470°С; 465 °С и 460°С) при средних значениях температуры отжига, выдержки и охлаждения с печью, степени обжатия при первичном волочении, времени нагрева в печи, степени обжатия при вторичном волочении. Оптимальной температурой была принята температура изотермической обработки патентированием 475°С.
При увеличении температуры изотермической обработки патентированием (490°С; 485°С; 480°С) в течение 5,0 мин (300 с) образуется дисперсная микроструктура «сорбита патентирования», которая имеет высокие прочностные характеристики и соответствуют требованиям класса прочности выше, чем класса прочности 9.8.
При уменьшении температуры изотермической обработки патентированием (470°С; 465°С и 460°С) получили структуру «сорбит патентирования» различной дисперсности. Полученная микроструктура проката не обеспечивает стабильных механических характеристик и не может быть использована для метизных длинномерных изделий класса прочности 9.8.
Меняли степень обжатия проката при вторичном волочении (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13%) при средних значениях температуры отжига на «зернистый перлит», выдержки и охлаждения с печью, времени нагрева в печи, режима изотермической обработки патентированием, степени обжатия при первичном волочении. Оптимальной была принята степень обжатия проката при вторичном волочении от 9 до 10%.
При уменьшении степени обжатия от 6 до 8% получили недостаточные прочностные характеристики калиброванного проката.
С ростом степени обжатия от 11 до 13% увеличиваются прочностные свойства, а пластические характеристики проката снижаются.
Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате стали марки 38ХА с химическим составом по ГОСТ 10702-2016. После проведения испытаний получили идентичные результаты.
Травление образцов проводили в 4% растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Твердость образцов горячекатаного и калиброванного проката определяли на приборе Роквелла по шкале С на параллельно шлифованных лысках; механические характеристики - на разрывной машине ЦДМ-100, шкала 20 кг; микроструктуру - на поперечных микрошлифах с использованием микроскопа «Неофот-21» при увеличении х500. Результаты приведены в таблице 1.
Проведенный аналогичный анализ для стали 38ХА показал, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», полученный технический результат, достигаемый и совокупность существенных признаков, свидетельствует о соответствии критерию «изобретательский уровень», а проведенные испытания в производственных условиях подтверждают промышленную применимость.
Таблица 1. Механические характеристики проката по предложенной технологии и прототипу
Характеристикии размер проката
σ<sub>в</sub>,МПа
σ<sub>т</sub>,МПа
Ψ,%
δ,%
HRc
Примечание
Предлагаемый
Калиброванный прокат ∅ 11,65
974
906
54
12,3
26-27
Методом изотермомеханической обработки и холодной объемной пластической деформации получили высокопрочные длинномерные стержневые болты класса прочности 9.8 без их последующей объемной закалки и отпуска.
Калиброванный прокат ∅ 9,7
981
907
53,5
11,9
26-27
Прототип
Калиброванный прокат ∅11,65
905
810
58
15,2
24
Получили методом холодной объемной штамповки высокопрочный крепеж класса прочности 8.8 без последующей их объемной закалки и отпуска
Калиброванный прокат ∅9,7
890
780
57,5
14,8
24