Способ подготовки горячекатаного проката для изготовления крепежных изделий
METHOD FOR PREPARATION OF HOT-ROLLED PRODUCTS FOR PRODUCTION OF FASTENERS

Изобретение относится к области термомеханической обработки сортового горячекатаного проката из конструкционных сталей перлитного класса и может быть использовано при изготовлении из него высокопрочных длинномерных крепежных изделий, удовлетворяющих требованиям стандарта ИСО 898-1:1999 «Механические свойства крепежных изделий из углеродистой и легированной стали – Часть 1:Болты, винты и шпильки» (ISO 898-1:1999 Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel - Part 1: Bolts, screws and studs) по механическим характеристикам.
Крепежные длинномерные метизные изделия, соответствующие классу прочности 10.9 и 12.9, которые изготавливаются из легированных, углеродистых и хромистых марок сталей, требуется подвергать высокотемпературной термической объемной закалки и последующему отпуску после их окончательного изготовления методом холодного объемного деформирования. Это может способствовать обезуглероживанию их поверхности, появлению закалочных трещин и короблению готовых длинномерных крепежных изделиях, и, как следствие, повышению их себестоимости и трудо- и энергоемкости технологического процесса.
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 770-790ºС 3-4 ч, охлаждение с печью до 660-680ºС, 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 540-560ºС.
в
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 12.9. Изотермическую обработку калиброванного проката проводят патентированием при значениях температур от 540ºС до 560ºС. После изотермической обработки проката второе волочение осуществляют со степенями обжатия 7-8%, что способствует завышенным нагрузкам на волочильный инструмент при повторном волочении проката. Данный способ подготовки горячекатаного проката может быть использован только для изготовления из него крепежных изделий холодной объемной штамповкой класса прочности не выше 8.8 (σ≥ 800 МПа).
Предлагаемым изобретением решается задача создания способа изготовления длинномерных высокопрочных крепежных метизных изделий класса прочности 10.9 и 12.9 без их последующей объемной закалки и термического отпуска после их изготовления методом пластического деформирования и накатки резьбы на готовых изделиях.
Технический результат - получение требуемых прочностных и пластических свойств калиброванного проката согласно требованиям ГОСТ 10702-2016 «Прокат сортовой из конструкционной нелегированной и легированной стали для холодной объемной штамповки. Общие технические условия» за счет формирования равномерной мелкодисперсной структуры пластинчатого сорбита по всей площади поперечного сечения и длине проката. В предлагаемом технологическом процессе обеспечивается снижение времени выдержки при охлаждении с печью, используются допустимые температуры изотермической обработки патентированием и применяются достаточные степени обжатия при первичном и вторичном волочении горячекатаного и калиброванного проката. Данные технологические операции обеспечивают отсутствие трещин и обезуглероживание на поверхности изготовленных длинномерных изделий (шпилек, стремянок, скоб и т.д.), а также снижается их себестоимость.
Технический результат достигается тем, что в способе подготовки горячекатаного проката для изготовления метизных длинномерных изделий, включающем его отжиг при температуре 770-790ºС в течение 4-3 ч, охлаждение с печью до 660-680ºС, выдержка в печи 3-4 ч, охлаждение до температуры окружающей среды, первичное волочение, изотермическую обработку патентированием, вторичное волочение; после выдержки в печи 3-4 ч перед охлаждением на воздухе проводят дополнительное охлаждение с печью до температуры 160-170ºС, выдерживают с печью 2-3 ч; первичное волочение осуществляют со степенью 14-15%, вторичное - со степенью 5-6%, при этом изотермическую обработку патентированием ведут при температуре 490-510ºС.
Отжиг позволяет перевести структуру горячекатаного проката «перлит + феррит» в структуру «зернистый перлит», которая способствует достаточному первичному волочению горячекатаного проката со степенью обжатия 14-15%. Охлаждение с печью до 160-170ºС, выдержка с печью 2 3 ч и далее на воздухе до температуры окружающей среды обеспечивает образование равномерной по площади поперечного сечения и длине проката структуры «зернистый перлит», сокращает время отжига в печи и исключает образование поверхностных упрочнений проката.
Первичное волочение, с учетом степени обжатия горячекатаного проката, позволяет получать необходимые механические свойства калиброванного проката и достаточно для исключения эллипсоидности на промежуточном геометрическом размере (диаметре) сечения проката и длине мотка.
Изотермическая обработка патентированием позволяет получить микроструктуру, представляющую собой равномерно распределенную по поперечному сечению и по всей длине мотка проката структуру мелкодисперсного пластинчатого сорбита. Данная технологическая процедура обеспечивает механические свойства, которые позволяют провести повторное волочение проката.
Вторичное волочение обеспечивает получение требуемого геометрического размера по диаметру проката под последующую накатку резьбы на поверхности длинномерной детали (шпильки, стремянки)при необходимых и достаточных пластических и прочностных характеристиках. Режимы обоснованы экспериментально.
Способ осуществляют следующим образом.
Проводят отжиг горячекатаного проката при температуре 770-790ºС в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 660-680ºС, выдерживают с печью в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 160-170ºС, выдерживают с печью 2-3 ч и далее на воздухе до температуры окружающей среды; затем  на волочильном стане проводят первичное волочение со степенями обжатия 14-15%, а после первичного волочения обеспечивают изотермическую обработку патентированием при температуре нагрева проката (аустенизации) 880ºС в течение 4,0 мин, выдержке в ванне со свинцом, нагретым до температуры 500ºС в течение 3,0 мин (180 с), далее охлаждение на воздухе. Затем на волочильном стане проводят вторичное волочение со степенью обжатия 5-6%. После проведения вторичного волочения калиброванный прокат используется для выпрямления и порезки прутков на требуемые размеры и накатки резьбы.
Пример осуществления способа.
Обрабатывали горячекатаный прокат - конструкционную сталь перлитного класса марки 40Х под последующее изготовление длинномерных шпилек класса прочности 12.9 согласно требований ИСО 898-1:1999 с диаметром резьбы М8, М10 и М12 без последующей объемной закалки и отпуска. Химический состав стали марки 40Х соответствовал ГОСТ 10702-2016.
Отжиг одного мотка горячекатаного проката проводили нагревом при температуре 780ºС в течение 3,0 ч, охлаждали с печью до температуры 670ºС, выдерживали с печью 3,5 ч, охлаждали с печью до 165ºС, выдерживали с печью 1,8 ч и далее охлаждали на воздухе до температуры окружающей среды. Затем осуществляли первичное волочение на волочильном стане со степенью обжатия 14%. Нагрев калиброванного проката производили при температуре 880ºС в течение 4,0 мин (240 с). Изотермическую обработку проката осуществляли патентированием в ванне со свинцом, нагретым до температуры 500ºС, в течение 3,0 мин (180 с), затем охлаждали на воздухе. После изотермической обработки патентированием проводили повторное волочение на волочильном стане со степенью обжатия 5%.
В других примерах меняли температуру отжига горячекатаного проката (760,770, 790 и 800ºС) при средних значениях степеней обжатия, выдержки с печью, времени нагрева в печи перед изотермической обработкой и режима изотермической обработки патентированием. Оптимальной была принята температура отжига в печи 770-790ºС.
При уменьшении температуры отжига (760ºС) структура «перлит + феррит» имеет составляющие: 80% «зернистый перлит» и 20% «пластинчатый перлит». При увеличении температуры отжига (800ºС) увеличивается размер зёрен структуры, что может способствоватьснижению прочностных и увеличению пластических характеристикстального проката.
Охлаждение с печью до температуры 660-680ºС выбрано с учетом того, что при медленном охлаждении при температуре менее 660ºС окончательно формируется микроструктура «зернистый перлит», а при температуре более 690ºС её положение неустойчиво.
Выдержка при отжиге 3-4 ч достаточна, т.к. при выдержке менее 3 ч мотки проката в печи прогревается неравномерно и структурные превращения в металле не успевают произойти равномерно по всему объему садки, в результате чего в прокате обеспечиваются неравномерные механические свойства. Выдержка в печи более 4 ч приводит к энергозатратам, затягивает технологический процесс и способствует обезуглероживанию поверхности горячекатаного проката.
Охлаждение с печью до 160-170ºС, выдержка с печью 2-3 ч и далее охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды гарантирует образование равномерной по поперечному сечению и длине проката структуры «зернистый перлит», позволяет избежать упрочнений на поверхности проката и ускорить технологический процесс отжига.
Меняли степень обжатия проката при первичном волочении (11, 12. 13, 14, 15, 16 и 17%) при средних значениях температуры отжига, выдержки, охлаждения с печью, время нагрева в печи, изотермического режима патентирования, степени обжатия при окончательном волочении. Оптимальной была выявлена степень обжатия проката от 13 до 14%.
При уменьшении степени обжатия выявляется занижение прочностных и пластических свойств по поперечному сечению и длине проката, что может не обеспечить механические характеристики готовых длинномерных изделиях класса прочности 12.9.
При увеличении степени обжатия повышаются прочностные и снижаются пластические характеристики, а это может привести к увеличению нагрузки и преждевременному износу инструмента (волоки) волочильного стана.
Меняли время нагрева проката в печи с при температуре аустенизации 880ºС (2,0 мин (120 с); 4,8 мин (288 с); 6,0 мин (360 с) при средних значениях степеней обжатия, выдержки с печью, охлаждения с печью и изотермического режима патентирования. Достаточным временем нагрева в печи было принято время нагрева 4,8 мин (288 с).
При уменьшении времени нагрева 2,0 мин (120 с) в структуре проката стали 40Х не обеспечивалась гомогенизация аустенита.
При увеличении времени нагрева 6,0 мин (360 с) снижались прочностные и повышались пластические характеристики, а на поверхности проката появлялся частично обезуглероженный слой.
Меняли температуру при изотермической обработке патентированием (560ºС и 440ºС) 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 500ºС.
При увеличении температуры изотермической обработки патентированием (560ºС) в течение 3,0 мин (180 с) образуется микроструктура «сорбита патентирования», которая имеет низкие прочностные характеристики, которые соответствуют требованиям класса прочности 8.8.
При уменьшении температуры изотермической обработки патентированием (440ºС) получили структуру «сорбит патентирования». Полученная микроструктура проката может быть использована для метизных длинномерных изделий класса прочности 9.8 и ниже.
Меняли степень обжатия проката при вторичном волочении (3, 4, 5, 6, 7, 8%) при средних значениях температуры отжига, выдержки и охлаждения с печью, времени нагрева в печи, режима изотермической обработки патентированием, степени обжатия при первичном волочении. Оптимальной была принята степень обжатия проката от 5 до 6%.
При уменьшении степени обжатия проката (3…4%) получили прочностные характеристики на нижнем требуемом пределе.
С ростом степени обжатия (8…9%) увеличиваются прочностные, а пластические характеристики проката при этом снижаются.
Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате стали марки 38ХА с химическим составом по ГОСТ 10702-2016. После проведения испытаний получили аналогичные результаты.
Травление образцов проводили в 4% растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Твердость образцов 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 анализ аналогов 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
Способ
σ<sub>в</sub>,МПа
σ<sub>т</sub>,МПа
Ψ,%
δ,%
НRC
Примечание
Предлагаемый
Калиброванный прокат Ǿ11,65
1098
960
53
11,3
33
Прочностные характеристики (σ<sub>в.</sub>, σ<sub>т</sub>) у исследованного прока-та выше, чем у прототипа. Методом холодной пластичес-кой деформации получили высокопрочные длинномерные шпильки под накатку резьбы класса прочности 12.9 без последующей их объемной закалки и отпуска, при этом исключилиоперацию рихтовки.
Калиброванный прокат Ǿ9,7
1097
957
53,1
11,6
33
Прототип
Калиброванный прокат Ǿ11,65
905
810
58
15,2
24
Получили методом холодной объемной штамповки высокопрочный крепеж класса прочности 8.8 без последующей объемной закалки и отпуска
Калиброванный прокат Ǿ9,7
890
780
57,5
14,8
24