WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин, С.В. Чиненков ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ УПРОЧНЕННЫХ БОЛТОВ МОНОГРАФИЯ Нижний Новгород 2012 УДК 621.77:669.14.018.27 Ф ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА»

А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин, С.В. Чиненков

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК

ДЛЯ УПРОЧНЕННЫХ БОЛТОВ

МОНОГРАФИЯ

Нижний Новгород 2012 УДК 621.77:669.14.018.27 Ф 533 Рецензент доктор технических наук, профессор Г.Н. Гаврилов Филиппов А.А., Пачурин Г.В., Чиненков С.В.

Ф 533 Формирование структурно-механических свойств стальных заготовок для упрочненных болтов: монография / А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин, С.В. Чиненков; под общей ред. Г.В. Пачурина; Нижегород.

гос. техн ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2012. – 151 с.

ISBN-978-5-502-00055- Монография посвящена решению актуальной научно-технической задачи разработки ресурсосберегающей, экологичной технологии термомеханической подготовки стальных заготовок на основе изучения совместного влияния термической (патентирования) и пластической (волочения) обработки на структурное состояние и механические характеристики для дальнейшего получения длинномерных болтов.

Предназначено для магистров очной и заочной форм обучения по направлению подготовки 280700.62 «Техносферная безопасность» (профиль подготовки «Безопасность технологических процессов и производств»), а также студентов специальностей 120900 «Проектирование технических и технологических комплексов» и 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением», 151001 «Технология машиностроения», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Представленный материал может быть полезен при подготовке специалистов по производственной безопасности, материаловедению и металловедению, а также для инженерно-технических и научных работников предприятий автомобильной, авиационной, судостроительной и других металлообрабатывающих областей машиностроения.

Рис. 96. Табл. 17. Библиогр.: 145 назв.

УДК 621.77:669.14.018. © НГТУ им. Р.Е. Алексеева, ISBN-978-5-502-00055- © Филиппов А.А., Пачурин Г.В., Чиненков С.В.,

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………...……………………………………………….......... 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Основные отклонения и дефекты горячекатаного проката, используемого для изготовления болтов методом ХПД......………… 1.1.1. Анализ качества проката для волочильного производства..……… 1.1.2. Влияние дефектов исходного горячекатаного проката на качество переработки проката и готовых изделий................. 1.2. Химический состав, структура и свойства проката для ХОШ...….… 1.2.1. Влияние химического состава стали на качество проката…… 1.2.2. Влияние макро- и микроструктуры стали на прочностные и пластические характеристики проката………………...……… 1.2.3. Влияние степени деформирования при волочении на структуру, твердость, прочностные и пластические характеристики ….… 1.2.4. Влияние термической обработки на свойства проката..........… 1.3. Назначение и методы получения высокопрочного крепежа класса прочности 8.8 и выше...….…………………………………………… 1.3.1. Назначение крепежа классом прочности 8.8 и выше.………… 1.3.2. Технологические схемы подготовки проката для изготовления болтов. Методы получения высокопрочного крепежа………… 1.4. Прогнозирование качества калиброванного проката ……………….

2. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОБРАЗЦОВ.

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ

(ПАТЕНТИРОВАНИЯ) И ПЛАСТИЧЕСКОЙ (ВОЛОЧЕНИЯ)

ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПРОКАТА СТАЛИ 40Х……………………………

3.1. Обоснование устойчивости аустенита стали 40Х в условиях выдержки в селитровой ванне в диапазоне температур от 370 до 550С...…… 3.2. Механические характеристики исходного горячекатаного проката.... 3.3. Зависимость механических характеристик от степеней обжатия при волочении и последующего патентирования проката..……..…..….… 3.4. Влияние волочения и последующего патентирования на механические характеристики калиброванного проката..…..……..……………........... 3.5. Зависимость твердости проката от обжатия при волочении и патентировании при разных температурах…………………....…………………. 3.6. Влияние температуры патентирования на прочностные и пластические характеристики проката, предварительно продеформированного на 3.7. Зависимость твердости от температуры патентирования для разных 3.8. Результаты исследования влияния температуры патентирования и последующего волочения на механические характеристики горячекатаного проката... 3.9. Влияние температуры патентирования и последующего волочения на механические характеристики проката……….…………………..…........ 3.10. Зависимость твердости от степени обжатия при волочении для разных температур патентирования…………………………….………… 3.11. Влияние патентирования и волочения с обжатиями от 5 до 60% 3.12. Зависимость твердости от температуры патентирования для разных 3.13. Определение параметров работоспособности проката.……………..… 4.1. Оценка состояния горячекатаного проката для изготовления болтов… 4.2. Влияние холодной пластической деформации методом волочения на структурное изменение проката….………………..……….………… 4.3. Патентирование проката. Структурообразование в прокате стали 40Х в условиях патентирования (при изотермической выдержке) в селитровой ванне………………………………………………………………. 4.4. Совместное влияние холодной пластической деформации и последующего патентирования на структуру и свойства проката...………. 4.5. Структура и свойства проката после операций патентирования и волочения………………………………....….…………………





4.6. Комплексная оценка структурно-энергетического состояния..………..

5. РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ

ПРОКАТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПРОЧНЕННЫХ ДЛИННОМЕР

НЫХ БОЛТОВ………

5.1 Технологическая переработка горячекатаного проката стали 40Х.......... 5.2. Сравнение механических характеристик действующей на производстве и предлагаемой подготовки проката…………....………………………. 5.3. Результаты исследования длинномерных болтов, изготовленных

ВВЕДЕНИЕ

Обработка металлов методом пластической деформации имеет многовековой путь развития. В средние века начинает развиваться технология получения проволоки методом волочения, что объясняется появлением в то время потребности в сравнительно больших количествах проволоки для развивающегося производства оружия, кольчуг, а также часов, украшений и т.д. Волочение толстой железной проволоки производилось посредством водяного колеса, клещей и металлической доски (волоки). В конце ХVIII века началось изготовление стержневых метизных изделий из калиброванного проката, полученного методом пластической деформации.

В современных технических конструкциях широко применяются резьбовые детали крепёжного назначения, которые подвергаются закалке с отпуском, упрочнённый стальной крепёж. Значительная часть из них выполняется в виде длинномерных деталей типа болтов, шпилек, стремянок и т.п. Детали получают из сортового проката применением различных технологических операций холодного деформирования: волочения, высадки, накатки резьбы.

Развитие производства упрочнённого крепежа в условиях рыночной экономики, требующего обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции, наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, предполагает снижение затрат по всей производственной цепочке, начиная от получения проката и заканчивая изготовлением готовых деталей требуемого качества. Особенное значение приобретает этот фактор в производстве крепежа, предназначенного для массового потребления, в частности, в автостроении.

Производство отечественного автомобильного крепежа сформировалось ещё в период плановой экономики СССР, и основной его объём приходился вначале на завод «Красная Этна» (г. Нижний Новгород), а впоследствии (с появлением «АвтоВАЗа») – завод «Автонормаль» (г. Белебей). Эти же предприятия были основными поставщиками крепежа классом прочности 8.8 (в=800 МПа и выше).

Определенный вклад в развитие высокопрочного крепежа внесли сотрудники данных предприятий и ученые отечественные: А.Т.Быкадоров, Г.В. Бунатян, Ю.А. Лавриненко, В.А. Скуднов, И.Л. Хейфец и другие.

Для изготовления крепежа данного класса прочности с применением холодной высадки традиционно используют среднеуглеродистые стали марок 35, 35Х, 38ХА, 40Х. В качестве альтернативы этим маркам получили значительное распространение борсодержащие стали 20Г2Р и 30Г1Р. Преимуществом данных сталей является более высокая технологичность в холодной объёмной штамповке, благодаря пониженному содержанию углерода.

Микролегирование стали бором предполагает повышение восприимчивости её к закалке (прокаливаемость), и тем самым компенсируется уменьшение прокаливаемости от снижения содержания углерода. Однако реализация этого влияния бора на практике вызывает проблемы, связанные с трудно контролируемым поведением этого элемента в стали из-за его высокой склонности к образованию оксидов и нитридов бора. Фактически повышению прокаливаемости способствует только та часть присутствующего в стали бора, которая находится в твёрдом растворе с железом, при этом образование заметного количества оксидов и нитридов бора ведет к снижению прокаливаемости.

Данная особенность борсодержащей стали приводит к нестабильности упрочнения закалкой деталей, а предпринимаемые в производстве технологические меры, направленные на стабилизацию прокаливаемости, – к его удорожанию.

Фактически стоимость горячекатаного (г/к) проката борсодержащей стали, как правило, на 12–15% выше стоимости заменяемой стали марки 40Х, а необходимость у отечественных производителей использовать импортные поставки 20Г2Р и 30Г1Р приводит к ещё большему удорожанию производимого крепежа.

Характерно, что в зарубежной промышленности производство высокопрочных крепежных изделий (класс прочности 8.8 и выше) составляет 90–95% от общего объема изготавливаемого крепежа, тогда как в РФ этот показатель не превышает 18%. С конца 90-х годов прошлого столетия наблюдается тенденция к его сокращению из-за увеличения объемов поступлений готового крепежа из ускоренно развивающихся стран (Китай, Тайвань и др.). Низкая доля применения упрочнённого крепежа представляется негативным технико-экономическим показателем как промышленности, производящей эту продукцию, так и промышленности, производящей конструкции, которая применяет данный крепёж. Для первой – это неоправданное повышение материалоёмкости производства деталей.

Для второй – нерациональное завышение веса конструкций и, соответственно, ухудшение их эксплуатационных качеств. В обоих случаях применение неупрочненного крепежа негативно отражается на конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Решение существующей проблемы расширения производства упрочнённого крепежа представляет собой актуальную задачу для отечественной промышленности, охватывающей различные отрасли.

Одним из приоритетных направлений в решении этой задачи авторы настоящей работы видят в снижении стоимости производимого крепежа:

• во-первых, за счёт рационализации технологии упрочняющей обработки крепежа;

• во-вторых, минимизации стоимости стали (относительно борсодержащих сталей).

Рационализацию упрочняющей обработки автор связывает с максимальным использованием упрочнения, возникающим при холодном пластическом деформировании металла, применяемом в процессе изготовления готовых длинномерных деталей крепёжного назначения. Причём предполагается достижение такого же уровня упрочнения, который достигается закалкой и отпуском готовых деталей, что позволит исключить их из производственного цикла изготовления крепежа.

Данное решение подкреплено накопленным опытом современной технической промышленности, свидетельствующим о возможности при рациональном использовании пластического упрочнения отказаться в ряде случаев от традиционного термического упрочнения готовых деталей. Наиболее характерный пример изготовление высоко нагруженных стальных деталей пружинного назначения. Тем самым не только существенно снижаются трудовые, материальные и энергетические затраты в производстве, но и достигается улучшение качества производимых деталей по определённым показателям. Последнее вызвано рядом негативных явлений, сопутствующим традиционному термическому упрочнению. Прежде всего, это проявляется в короблении длинномерных болтов при закалке, а также в повреждениях поверхности, связанных с воздействием рабочей среды (газовая атмосфера или закалочные ванны) при нагреве под закалку.

Негативные проявления термического упрочнения в полной мере относятся к рассматриваемым в настоящей работе длинномерным болтам.

Следует заметить, что предлагаемое техническое решение не исключает полностью термического упрочнения, которое остаётся как предварительная термическая обработка – патентирование, упрочняющий эффект которого усиливается в результате последующего окончательного волочения В плане минимизации стоимости стали предпочтительной представляется сталь 40Х. Данная марка стали стандартизована (ГОСТ 10702-78), она традиционно имеет наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий и зарекомендовала себя легко осваиваемой метизным производством любой степени массовости. И, наконец, соответствующее содержание углерода и легирование хромом (достаточно экономное) упрощают реализацию предлагаемого технического решения во всех его технологических компонентах.

Представляя на обсуждение свою работу, авторы полагают, что предлагаемое в ней новое техническое решение будет способствовать развитию производства высокопрочного крепежа не только для автостроения, но и для других промышленных отраслей: транспортной, сельскохозяйственной, судостроительной, химической, нефтяной, а также отраслей строительной индустрии.

Целью настоящей монографии являлось решение актуальной научнотехнической задачи разработки ресурсосберегающей термомеханической подготовки стальных заготовок на основе изучения совместного влияния термической (патентирования) и пластической (волочения) обработки на структурное состояние и механические характеристики для дальнейшего получения длинномерных болтов. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние различных режимов термомеханической подготовки на структуру и механические характеристики г/к проката.

2. Исследовать влияние степени обжатия на структуру и механические характеристики проката.

3. Исследовать влияние температуры патентирования на структуру и механические характеристики проката.

4. Исследовать совместное влияние термической (патентирования) и пластической обработок на структуру, пластические и прочностные характеристики, твердость проката и выбрать их рациональные режимы.

5. Разработать ресурсосберегающую технологическую схему термомеханической подготовки проката стали 40Х для дальнейшего изготовления из него упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, соответствующих классу прочности 9.8.

При обобщении материалов в монографии использованы результаты личной работы авторов. Особую благодарность и глубокую признательность авторы выражают доценту, к.т.н. В.Н. Дубинскому и доценту, к.т.н. Ю.В. Бугрову за поддержку, советы и обстоятельные консультации. Авторы также признательны профессору, доктору технических наук В.А. Скуднову, профессору, доктору технических наук Р.Е. Глинеру и профессору, доктору технических наук Г.Н. Гаврилову за ценные советы и замечания, сделанные при просмотре материалов рукописи.

1.1. Основные отклонения и дефекты горячекатаного проката, используемого для изготовления болтов методом ХПД 1.1.1. Анализ качества проката для волочильного производства Представлены результаты анализа качества проката, поставленного с металлургических заводов. Статистический анализ проверок контроля проката в бунтах для производства метизных изделий методом холодного пластического деформирования, поставляемого ОАО «Северсталь» (г.Череповец), ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» (ОАО «ОЭМК», г. Старый Оскол,), ОАО «Мечел» (г. Челябинск), ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод» (г. Череповец), фирма «Овако»

(Финляндия) на ОАО «Завод Красная Этна» (г. Нижний Новгород), показал следующее. Основные поставщики и объемы поставок проката приведены в табл. 1.1.

Количество проката с отклонениями составляет 33694 кг или 0,89% от объма поставок. Результаты контроля по поставщикам представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Количество проката с отклонениями по поставщикам В результате анализа установлено, что основными отклонениями на входном контроле являются дефекты, указанные в табл. 1.2.

Основные дефекты проката, установленные на входном контроле Закаливаемость (касается стали 20Г2Р) 1650 кг или 4,9% Отклонение по геометрическим параметрам не выявлено Отклонения на входном контроле по каждому поставщику показаны на рис.1.2.

Рис.1.2 Основные отклонения проката по каждому поставщику Выводы по результатам входного контроля металлопроката:

1. В волочильном производстве используется 850 т в год проката конструкционно-легированных сталей (38ХА и 40Х) для изготовления крепежа методом холодного пластического деформирования диаметром от 11,0 до 14,0 мм.

2. При холодной штамповке крепежных изделий возникают значительные степени деформации, поэтому горячекатаный прокат, поступающий с металлургических предприятий с поверхностными дефектами, может способствовать экономическим потерям. Переработка проката с металлургическими дефектами увеличивает количество бракованных крепежных изделий, следовательно, приводит к повышенному расходу металла.

3. После поставки проката на склады переработчика необходим тщательный входной контроль с целью выявления браковочных признаков и соответствия требованиям нормативно-технологической документации.

4. Прокат исследованных марок сталей, используемый для изготовления болтов, который поступал с ОАО «ОЭМК», фирмы «Овако» (Финляндия) и ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод», имел меньший процент отклонений на входном контроле, в отличие от проката, поступившего с ОАО «Северсталь» и ОАО «Челябинский металлургический завод».

1.1.2. Влияние дефектов исходного горячекатаного проката на качество переработки проката и готовых изделий К метизам относят в первую очередь проволоку, проволочные и крепежные изделия. Болтовые стержневые изделия – один из видов продукции массового назначения [1]. До 90% болтов изготавливают методом холодной штамповки [2, 3]. Широкий сортамент и большое разнообразие свойств метизов продиктованы спецификой их использования в различных областях. Эксплуатационные показатели проката, предназначенного для изготовления стержневых изделий, формируются на всех стадиях металлургического передела, начиная с выбора шихтовых материалов для выплавки металла и заканчивая обработкой готовой проволокой [4, 5]. Наряду с применением высокопрочных метизных изделий традиционной формы, внедрением новых прогрессивных конструкций, актуальной задачей остается производство болтовых изделий без внутренних дефектов и дефектов поверхности [6–8]. Для изготовления длинномерных болтов требуется качественный горячекатаный прокат с осадкой не менее 1/2 первоначальной высоты образца [9, 10], а калиброванный прокат должен выдерживать осадку до 1/3 первоначальной высоты образца [11].

Известно [12–16], что выпуск качественной продукции зависит:

• от качества исходного проката;

• технологии изготовления изделий:

• характера нагрузки;

• степени деформации;

• состояния оборудования:

• квалификации обслуживающего персонала.

Материал, применяемый для изготовления длинномерных высокопрочных болтов, должен обладать достаточной прочностью и пластичностью, равномерными механическими характеристиками и химическим составом, а также не должен иметь поверхностных и внутренних дефектов [17]. Если эти условия выполняются, то применение калиброванного проката при производстве болтовых изделий позволяет достичь коэффициента использования металла 95–98% [1, 18].

При уменьшении расхода металла основной фактор – качество исходного проката. Установлено, что на ОАО «Магнитогорский калибровочный завод»

(г. Магнитогорск) причиной повышенного расхода металла являлась отбраковка по дефектам «трещины» и «надрывы» горячекатаного проката, поставляемого с металлургических заводов [19]. К поверхностным дефектам относят раскатные газовые пузыри, волосовины, рванины, закаты и др. Также дефектом поверхности металлопроката является образование обезуглероженного слоя, существенно ухудшающего механические свойства в поверхностных слоях проката. Поверхность становится восприимчивой к образованию рисок, задиров, царапин при волочении и холодной высадке [5, 16, 20]. По своему характеру дефекты на поверхности горячекатаного проката, поступающего с металлургических комбинатов, могут быть металлургического (при выплавке и разливке стали, охлаждении слитков), прокатного (при деформации и охлаждении проката) и волочильного (при волочении проката) происхождения [4, 5, 7, 10, 18, 21].

Высокотемпературный нагрев металла в металлургических печах перед прокаткой вызывает интенсивное развитие газовой коррозии на его поверхности, следствием которой является окалинообразование, обеднение поверхностных слоев углеродом, перераспределение легирующих элементов в этих слоях (угар легкоокисляемых элементов и повышение концентрации относительно инертных к кислороду элементов) [22].

Если на слитке пороки полностью не удалены, то при прокатке они переходят на блюмы (слябы), заготовки, горячекатаный прокат, готовый калиброванный прокат и далее на крепежные изделия [21, 23].

Основной технический дефект при производстве крепежа связан с высокой степенью деформации (до 88%) в процессе холодной объемной штамповки, так как трещины исходного горячекатаного и калиброванного проката, не лежащие на поверхности, распространяются на штампуемом изделии в результате максимальных касательных напряжений. Чаще всего трещины, возникающие при холодной штамповке, параллельны оси подката, а трещины, возникающие при отделочных операциях, перпендикулярны его оси.

Согласно справочной литературе [21, 23] и опыту работы метизных заводов, известно, что даже соблюдение всех технологических требований и рекомендаций по структуре и механическим характеристикам исходного горячекатаного и калиброванного проката еще не гарантирует отсутствие брака болтовых изделий при обработке холодным деформированием. Распространенным видом дефектов металлургического происхождения являются неметаллические включения – частицы шлака и огнеупоров. При выпуске расплавленного металла из печи в ковш и из ковша в изложницу шлак механически извлекается струей металла из футеровки печи или изложницы. Таким образом, частицы огнеупорного материала попадают в сталь.

При дальнейшей обработке круглого проката холодным пластическим деформированием трещины образуются в местах наибольших скоплений неметаллических включений даже при самых благоприятных механических свойствах и микроструктуре. Поэтому одна из проблем изготовления качественного калиброванного проката – максимально исключить содержание в нем неметаллических включений. При этом осуществляя входной контроль металлопроката для последующего волочения, необходимо проводить исследование на их наличие [24].

Причиной образования трещин при волочении и холодной штамповке со степенью деформации от 40% и более могут также являться дефекты сталеплавильного (при разливке и охлаждении слитков) и прокатного (при деформации и охлаждении проката) происхождения. Большое влияние на деформируемость сталей оказывает вид раскислителя. Раскисление алюминием резко сокращает брак по трещинам [25]. Группа авторов [24] утверждает, что одна из причин разрушения образцов горячекатаного и калиброванного проката при испытании методом холодной осадки – наличие трещин, раскатных загрязнений и пузырей.

При промышленном производстве болтовых изделий, факторы, определяющие качество продукции, условно можно разделить на две группы:

• внешние факторы – качество поступающего сортового металлопроката;

• внутренние – технология подготовки калиброванного проката, технология изготовления стержневых изделий, состояние технологического оборудования и инструмента, и квалификация обслуживающего персонала.

1.2. Химический состав, структура и свойства проката для ХОШ 1.2.1. Влияние химического состава стали на качество проката Обширная номенклатура разнообразных деталей, к которым не предъявляются повышенные требования по прочности и износостойкости, изготавливаются, как правило, из сталей с химическим составом и механическими свойствами по ГОСТ 1050-88 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали.

Общие технические условия», ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия» и ГОСТ 380-94 «Сталь углеродистая обыкновенного качества». Указанные нормативные документы не регламентируют ряд требований к поверхности и осадке проката, необходимым для волочения и дальнейшей холодной объемной штамповки. Это может привести к браку по деформационным трещинам.

Марка стали, химический состав и другие свойства калиброванного проката, предназначенного для изготовления длинномерных болтов методом ХОШ, регламентируются, в основном, согласно ГОСТ 10702-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки». Оптимальный химический состав и другие свойства сталей в этом стандарте установлены на основе обобщения опыта по их выплавке и применению в производстве крепежных изделий и анализа влияния отдельных элементов (углерода, кремния, серы, фосфора, никеля, алюминия, бора и других) на способность металла к холодной объемной штамповке. При этом учтено также влияние газов: кислорода, азота, водорода и других элементов – на деформируемость стали в холодном состоянии. Это подробно освещено в специальной литературе [12, 21, 26, 27]. ГОСТ Р 52627-2006 (ИСО 898-1:1999) регламентирует основные показатели механических свойств для болтов, винтов и шпилек, что влияет на выбор марки стали. Согласно указанному стандарту, в калиброванном прокате, предназначенном для высадки болтов методом ХОШ, контролируется содержание углерода, фосфора, серы и бора для всех классов прочности.

Основным химическим элементом, определяющим поведение стали при волочении проката, является углерод. Увеличение содержания углерода на 0,1% приводит к повышению временного сопротивления разрыву стали на 60–80 МПа [27, 28]. Связь между содержанием углерода и изменением механических свойств горячекатаной углеродистой стали показана на рис. 1.3 [29].

В калиброванном прокате, предназначенном для изготовления высокопрочных длинномерных болтов методом холодной объемной штамповки, из-за высокого сопротивления деформации не рекомендуется принимать содержание углерода свыше 0,45–0,5% [27].

Рис. 1.3. Влияние содержания углерода на механические свойства углеродистой стали в зависимости от содержания углерода Значительное влияние на деформируемость проката оказывают легирующие элементы (кремний, марганец, алюминий, молибден, никель, ванадий, вольфрам, хром), а также примеси (азот, сера, фосфор, медь, кислород, водород).

Кремний является раскислителем стали. Растворяясь в феррите, он способствует повышению прочности, твердости и упругости стали. При содержании его более 0,17–0,20% в среднеуглеродистых сталях снижается пластичность проката в условиях осадки, поэтому калиброванный прокат с содержанием кремния 0,17–0,37%, во избежание образования трещин, можно использовать для изготовления болтов с небольшой степенью деформации (не более 30–40%).

В прокате, который используется для холодной высадки, согласно ГОСТ 10702-78, содержание кремния должно быть не более 0,17–0,20%, иначе могут происходить образование трещин, разогрев зоны деформации, увеличение удельного усилия на 12–18%. Содержание кремния в прокате низкоуглеродистых сталей, используемых для ХОШ, не должно превышать 0,003–0,07% [25].

Марганец в конструкционных сталях содержится в пределах 02–0,7%. Растворяясь в феррите и цементите, марганец упрочняет конструкционную сталь и устраняет вредное действие серы, образуя сульфид марганца. Кроме того, он раскисляет сталь, повышает её упругие свойства и прокаливаемость, Пластичность стали незначительно, но уменьшается.

Хром – элемент, эффективно влияющий на изменение механических характеристик стали. Растворяясь в феррите и образуя прочные карбиды, а также оказывая заметное влияние на дисперсность получаемой структуры и коагуляцию структурных составляющих, он повышает твердость стали, пределы прочности и текучести, не снижая пластических характеристик. Однако увеличение количества присутствующих карбидов хрома, хотя и повышает твердость, но сравнительно мало. Хром как примесь уменьшает эффект старения, но повышает сопротивление деформации. Повышение содержания хрома на 0,1% в прокате стали 40Х увеличивает ее предел прочности на 20 МПа.

Влияние хрома на снижение деформируемости при содержании углерода меньше 0,3% незначительно. Вследствие увеличения дисперсности структуры легирование стали хромом способствует некоторому повышению пластических характеристик (относительного сужения и относительного удлинения). При добавке хрома возникает дополнительная зона большой устойчивости аустенита при 470–570С. При этом сравнительно низка устойчивость аустенита в области высоких температур (600–700С). Хром, увеличивая время до начала распада аустенита, облегчает изотермическую обработку, а уменьшая время полного распада аустенита при тех же температурах, сокращает её время. Увеличивая способность аустенита к переохлаждению, хром повышает прокаливаемость стали тем больше, чем выше его содержание [30].

Сера не растворима в железе, улучшает обрабатываемость резанием после штамповки. Рекомендуемое содержание серы в прокате не более 0,03–0,04% [31].

Повышение содержания серы существенно снижает механические свойства стали, в частности, пластичность, коррозионную стойкость и т.д.

Особенностью борсодержащих сталей является их достаточная технологическая пластичность, оптимальное соотношение прочностных и пластических характеристик в отожженном и термически упрочненном состоянии [32, 33], удовлетворительная прокаливаемость при значительно меньшем, чем в легированных сталях, содержании легирующих элементов [34] и меньшая, чем в среднеуглеродистых среднелегированных сталях, закаливаемость [35]. Но их использование в массовом производстве сопровождается рядом технологических трудностей [36]. К их числу следует отнести необходимость предотвращения связывания бора в нитриды при выплавке стали, так как на характеристики прокаливаемости проката из борсодержащей стали оказывает не весь, а только не связанный в нитриды, бор [37].

1.2.2. Влияние макро- и микроструктуры стали на прочностные и пластические характеристики проката Важным условием повышения технологичности производства калиброванного проката для дальнейшего изготовления из него упрочненных болтов является наличие однородной структуры и требуемого уровня механических характеристик по сечению мотков металла [1].

Структура – основное звено, связывающее технологию материала и его поведение в эксплуатации [38, 39]. Горячекатаный и калиброванный прокат должен иметь оптимальную макро- и микроструктуру с целью успешного осуществления дальнейших технологических операций по изготовлению из него болтовых изделий. Макроструктура стали должна быть однородной, без усадочных рыхлостей, расслоений, неметаллических включений, не иметь пор, пузырей, трещин, ликвационной зоны, флокенов и других дефектов, видимых невооруженным глазом на поперечных темплетах после травления [14]. Площадь ликвационной зоны не должна превышать 40% поперечного сечения заготовки, в противном случае на головках болтов могут образовываться трещины, а при накатывании резьбы – расслоения.

Макроструктура легированной стали должна соответствовать ГОСТ 4543-71, а углеродистой – ГОСТ 1050-88. Величина аустенитного зерна в легированной стали должна быть не крупнее номера 5 [40]. Характер микроструктуры проката после волочения и термической обработки, применяющейся для ХОШ, влияет на протекание технологического процесса и качество болтовых изделий. Для обеспечения стойкости рабочих деталей штампов, исключения появления трещин, разрывов горячекатаный прокат в состоянии поставки должен иметь однородную микроструктуру, в которой не допускаются полосчатость, структурно-свободный цементит, расположенный по границам зерен в виде скоплений или сетки. Микроструктура калиброванного проката стали марок 30, 35, 40, 45, 35Х, 38ХА и 40Х не должна иметь грубопластинчатого перлита, игольчатости и видманштеттовой структуры, поскольку они резко снижают пластичность и ударную вязкость стали [18, 41]. К прокату, используемому для холодной высадки, предъявляются дополнительные требования: к поперечному относительному сужению (от 50% и выше), макро и микроструктуре, размеру зерна, глубине обезуглероженного слоя, ограничению содержания кремния в спокойных сталях 35, 40, 45, 35Х, 38ХА и 40Х.

При волочении проката в холодном состоянии сталей с содержанием углерода свыше 0,2% (стали 35, 40, 45), а также легированных конструкционных сталей (35Х, 38ХА, 40Х.), большое влияние оказывают размер и ориентировка зерен и структура стали. При значительном размере зерен структуры калиброванного проката, используемого для ХОШ, возможны скалывание и расслоение головки болтов. При очень мелком зерне возрастает усилие деформации. Для этих сталей при высадке болтовых изделий наиболее благоприятной является структура, определяемая числом зернистого перлита 70–80 [42]. Получение необходимого номера зерна феррита и твердости является наиболее важной характеристикой поведения калиброванного проката при изготовлении болтовых изделий. Для этого необходимо поддерживать химический состав стали в более узких пределах (особенно по углероду). Следует отметить, что как у малоуглеродистых, так и у высокоуглеродистых сталей, недопустима полосчатость структуры [29]. Обычно в структуре малоуглеродистой стали встречается структурно-свободный цементит, который образуется в горячекатаном прокате при изготовлении на металлургическом комбинате с последующим замедленным охлаждением или при длительном отжиге стали. Расположение структурно-свободного цементита по границам зерен в виде вкраплений или в виде сетки способствует резкому ухудшению пластичности калиброванного проката и появлению трещин на изделиях, а также поперечному расслаиванию головок болтов.

Некоторые авторы [43, 44] предполагают, что для холодной высадки необходимо применять только калиброванный прокат с микроструктурой 100% зернистого перлита, так как данная структура способна воспринимать большие пластически сдвиги. Ряд авторов [45] утверждает, что с увеличением в структуре проката пластинчатого и сорбитообразного перлита наблюдаются рост сопротивления пластической деформации и снижение пластичности. В то же время авторы [46] убеждены, что уже наличие зернистого перлита 60% обеспечивает требуемую технологическую пластичность.

По мнению авторов [47–49], оптимальной деформируемостью в холодном состоянии обладает калиброванный прокат со структурой зернистого перлита (не менее 80%) балла зерна 5–7 и относительным сужением не менее 50–60%.

Есть мнение, что если прокат изготовлен из средне- и высокоуглеродистой и легированной (38ХА, 40Х, 40ХН2МА) стали с микроструктурой менее 80% зернистого перлита, то он не выдерживает осадки даже 1/3 первоначальной высоты. При производстве болтов указанные стали и идентичные им по содержанию С, Cr, Ni, при высадке испытывают деформацию до 75–80% [18]. Известно [50], что ускорение сфероидизации достигается предварительным волочение проката с последующей рекристаллизацией в определенном для каждой стали температурном интервале.

По некоторым данным [51, 52], структура, состоящая из 100% зернистого перлита, получается после непродолжительного отжига горячекатаного проката в течение 7–9 ч. Авторы [50, 53, 54] рассматривают несколько способов получения зернистого перлита в доэвтоктоидных сталях:

• нагрев выше критической точки Ас1 (надкритический отжиг);

• нагрев ниже критической точки Ас1 (субкритический отжиг);

• отжиг после холодной пластической деформации (рекристализационный);

• изотермический отжиг;

• маятниковый отжиг;

• термоциклический отжиг.

Есть мнение авторов [55], что для полной сфероидизации перлита в доэвтектоидных сталях требуется выдержка в течение 100 ч, что экономически нецелесообразно.

Вопрос получения болтовых изделий из проката с микроструктурой сорбита патентирования практически не исследован.

Стоит отметить, что в волочильном производстве широко используется получение высоконагартованной проволоки после операции патентирования и волочения. Патентирование позволяет получать в проволоке сорбитообразную перлитную структуру, после операции волочения можно добиться её высоких прочностных и пластических характеристик.

1.2.3. Влияние степени деформирования при волочении на структуру, твердость, прочностные и пластические характеристики В ряде исследований процесса волочения [42, 56–58] уточнялись условия пластического течения металла при деформации в различных условиях. Показано, что пластическая деформация при волочении в холодном состоянии вызывает повышение сопротивления деформации, причем повышение тем значительнее, чем больше степень обжатия при волочении [59]. Известно [60], что высокая температура проката при волочении в инструменте волочильного стана приводит к развитию процессов старения, вызывающих снижение пластических характеристик, возникновению температурных напряжений в нем, образованию участков мартенсита на поверхности проволоки, снижению стойкости инструмента, окислению смазки и повышению коэффициента трения при волочении и, как следствие, возникновению неблагоприятных условий для процесса деформации и качества конечного продукта – калиброванного проката.

Калиброванный прокат, используемый для холодной высадки болтов, после всех технологических переработок не должен относиться к категории материалов, которые трудно деформируются. К трудно деформируемому металлу относятся стали, обладающие повышенным сопротивлением деформации, что определяет повышенные грузки на обрабатывающий и давящий инструмент [61, 62]. В процессе деформирования горячекатаного и калиброванного проката происходят изменения структуры разных уровней, сопровождаемые, в частности, формированием дефектности, которая на макроуровне проявляется в снижении плотности, а на субмикроуровне – в увеличении искажений кристаллической решетки [63, 64].

Волочение является основным видом деформации при подготовке проката к объемной штамповке [65]. Калиброванный прокат получает неоднородное деформационное упрочнение и наклеп при его течении в конической матрице в процессе волочения [13]. В результате холодной деформации прочностные характеристики калиброванного проката с ростом степени обжатия повышаются (упрочнение и наклеп), а пластические характеристики уменьшаются [66]. При степенях обжатия более 30% прокат упрочняется в процессе волочения практически одинаково (или равномерно) по всему поперечному сечению протянутого прутка, что показано в работе [66] путем определения твердости в меридиональной плоскости шлифов.

При назначении небольших обжатий (от 5 до 15%) проката уменьшаются работа и мощность пластической деформации, однако заготовки болтов имеют низкую изгибную жесткость. Поэтому целесообразно назначать степени обжатия проката вблизи предельного значения, когда обеспечиваются повышенные механические характеристики калиброванного проката и получаемых из него стержневых деформируемых заготовок при их высокой изгибной жесткости [67]. Возможная степень обжатия проката зависит от пластических характеристик, которые во многом определяются его микроструктурой. Наилучшие свойства достигаются при однородной мелкоглобулярной микроструктуре с равномерным распределением цементита в феррите [17]. В стали с зернистым перлитом размеры глобулярных частиц цементита не изменяются даже после больших степеней обжатия, и пластическая деформация в происходит в основном за счет феррита [68]. Это, по мнению авторов [69], не вызывает распада цементита и, следовательно, проявление дефектности в виде охрупчивания и упрочнения, связанной с холодной пластической деформацией и переходом части атомов углерода в атмосферы на дислокациях [70].

По мнению авторов [53], относительное обжатие при волочении должно быть не менее 28–30%, а по некоторым данным – не менее 35% [71]. Авторы [72] определяли степень обжатия при волочении q (%) как отношении 100(d 02 d k2 ) / d 02, где d 02, d k2 – начальный и конечный диаметр образца. Данные авторы [35] изучили и построили экспериментальные кривые зависимости механических свойств от степени предварительной деформации при волочении, которые представлены на рис. 1.4.

По мнению авторов [45, 73], наилучшее сочетание механических характеристик (высокая пластичность и незначительное сопротивление пластической деформации) достигается при обжатии 5%. С увеличением обжатия до 10% наблюдаются интенсивный рост предела текучести и резкое снижение относительного удлинения. При обжатии 15% значительно возрастает предел прочности, а относительное удлинение продолжает уменьшаться. Дальнейшее увеличение обжатия до 60% вызывает непрерывный рост предела текучести и предела прочности, относительное удлинение медленно снижается, а относительное сужение находится на высоком уровне (60–58%) до обжатия 25%, а после чего падает двумя ступенями в интервалах обжатия 25–35% и 40–60%.

По данным авторов [74], пластические характеристики проволоки со структурой зернистого перлита в процессе волочения непрерывно снижаются и при 40% становятся ниже пластических характеристик проволоки, которая подвергалась термической операции патентирования.

Рис. 1.4. Механические свойства сталей при растяжении в зависимости При этом нужно учитывать, что величина суммарной деформации (волочение + все переходы) при ХОШ на автоматах достигает 85% [13, 75, 76].

Авторы [27, 75] считают, что для холодной высадки крепежных изделий одинаково нежелательно применение твердого (более НВ 290) и мягкого (менее НВ 160) калиброванного проката. При изготовлении болтов из проката высокой твёрдости резко возрастают удельные усилия на инструмент, снижается его стойкость, появляются трещины на металле, ухудшается заполнение полости матрицы при ХОШ на прессах. При высадке болтовых изделий из «мягкого»

проката ухудшается стойкость заготовки длинномерного болта, деформирование происходит неравномерно и металл быстро «налипает» на инструмент.

Анализ литературных данных [27, 75, 77, 78,] позволяет рекомендовать следующие основные показатели калиброванного проката для дальнейшего изготовления из него метизов методом холодной штамповки:

2. 0,2 /в = 0,6 – 0,72 – данное соотношение зависит от химического состава.

3. 60% – прокат весьма пластичен; 50% 60% – прокат достаточно пластичен, 50% – прокат непригоден для изготовления болтов методом ХОШ [79].

Отношение 0,2/в в значительной мере зависит от химического состава, режимов термообработки и волочения. Есть мнение авторов [80], что при отношении предела текучести к пределу прочности в прокате, равное числу 0,9, наблюдается наилучшая величина такой важной эксплуатационной характеристики болтового изделия, как высокая релаксационная стойкость.

Величина относительного сужения проката считается [10, 73] основным показателем при дальнейшем деформировании. Наилучшей пластичностью при холодной объемной штамповке обладает калиброванный прокат с относительным сужением 50–60%.

1.2.4. Влияние термической обработки на свойства проката Для получения требуемой структуры, оптимальных прочностных показателей, повышения пластичности проката до величин, при которых обеспечиваются стабильная работа без перегрузок, высокая стойкость инструмента, применяют термическую обработку. Выбор режима термообработки определяются химическим составом и структурой обрабатываемого проката, требованиями холодной штамповки и эксплуатационными требованиями к болтовым изделиям. Функциональным назначением термической обработки является достижение требуемых потребительских свойств калиброванного проката:

служебных (проявляющихся в эксплуатации готовых болтовых изделий) и технологических, необходимых для получения изделия с минимальными затратами [81]. Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов [38, 82].

Температуру нагрева и время выдержки проката следует принимать наименьшими при условии стабильного получения заданных структур и свойств. С возрастанием этих параметров различные физико-химические явления на поверхности раздела проката и атмосферы, в том числе окисление, обезуглероживание, насыщение водородом, отрицательно отражающиеся на процессе последующей пластической деформации и снижающие качество болтовых изделий, проходят интенсивнее. Атмосфера или среда, в которой происходит термообработка, не должны взаимодействовать с прокатом, а в случае взаимодействия (например, окисления) его характер должен сочетаться с принятым циклом обработки, требованиям к болтам. Термообработка делится на предварительную, промежуточную (между операциями волочения для снятия наклепа) и окончательную (для получения заданных механических характеристик и структуры проката).

Горячекатаный прокат без дополнительной термообработки имеет неоднородную структуру, прочностные и пластические характеристики его нестабильны. Прокат после горячей прокатки (на металлургическом заводе) имеет заметные следы упрочнения. Применение проката без дополнительной термической обработки при волочении и высадке болтов приводит к повышению удельных нагрузок на 15-20%, а это значительно ограничивает возможности изготовления из него длинномерных болтов. Обычно для сложных по форме болтов практикуется проводить термообработку калиброванного проката с целью получения необходимой пластичности и снижения удельных усилий.

Предварительная термообработка горячекатаного проката может проводиться на металлургических заводах или метизных предприятиях, занимающихся изготовлением крепежа методом холодной высадки. Наибольшее снижение удельных усилий при высадке достигается при получении крупнозернистой структуры. Однако пластичность с увеличением размера зерна уменьшается. При отжиге после волочения в области критических степеней деформации у низкоуглеродистых сталей происходит интенсивный рост зерна в поверхностном слое.

Применение индукционного нагрева калиброванного проката из низкоуглеродистых и микролегированных бором сталей позволяет получать комплекс свойств, соответствующих термоупрочненным легированным сталям, что невозможно при печном нагреве, и обеспечивать высокую точность поддержания температурного режима, а, следовательно, однородную микроструктуру и оптимальные механические свойства [83].

Термическая обработка, осуществляемая после холодной деформации, не всегда приводит к полному устранению дефектов структуры. При значительных степенях деформации возможно возникновение энергетически устойчивых дефектов структуры стали, не залечивающихся при восстановительном отжиге [9, 31].

Обезуглероживание при нагреве происходит в результате взаимодействия окисляющих газов с углеродом, который находится в виде твердого раствора или карбида железа Fe3C. Скорость обезуглероживания определяется главным образом процессом двусторонней диффузии, происходящей под воздействием разности концентраций сред. С одной стороны, обезуглероживающие газы диффундируют к поверхностному слою стали, а с другой, – образующиеся газообразные продукты движутся в обратном направлении. Помимо этого, углерод из внутренних слоев металла перемещается в поверхностный слой [22]. Обезуглероживание и окалинообразование существенно снижают механические свойства в поверхностных слоях проката, а это приводит к срыву резьбы при механических испытаниях болтовых изделий. Остаточная окалина из-за недостаточно качественного ее удаления приводит к быстрому износу инструмента, снижению блеска и увеличению шероховатости поверхности проволоки [84].

В качестве термической обработки при изготовлении холоднотянутой проволоки применяют изотермическую обработку, которая получила название патентирование. Основы патентирования были разработаны С.С. Штейнбергом и его сотрудниками. Данный вид термической обработки заключается в нагреве стали выше Аs на 100–250С, переохлаждении аустенита до температуры 400–600С в селитровой ванне и последующем охлаждении на воздухе. Эти операции могут осуществляться при непрерывном прохождении калиброванного проката через нагревательную печь и ванну с расплавом соли.

В результате проведения операция патентирования структура проката представляет собой однородную смесь высокодисперсного цементита в форме пластинок (стали). После патентирования и последующего волочения калиброванный прокат имеет высокую прочность при достаточном уровне пластичности [85]. На метизных предприятиях находит распространение способ обработки проката в псевдосжиженном слое, который целесообразно применять для стали с содержанием углерода 0,4–0,85%, когда необходимо получить равномерную структуру тонкопластинчатого перлита (сорбита).

1.3. Назначение и методы получения высокопрочного крепежа 1.3.1. Назначение крепежа класса прочности 8.8 и выше Преимущества использования высокопрочного крепежа:

• выдерживает разрушающее воздействие нагрузки в два-три раза выше, по сравнению с классом прочности 4.8;

• удобно применять крепеж меньшего размера при тех же нагрузках;

• сокращается металлоемкость крепежа и, соответственно, цена снижается Основные требования к применению данного вида крепежа: наличие высоких разрывных усилий, повышенные статистические и динамические нагрузки. Высокопрочный крепеж – наиболее массовый вид деталей машин.

По действующей международной классификации к высокопрочному крепежу относятся изделия, у которых временное сопротивление разрыву больше или равно 800 МПа. Исходя из этого параметра, классы прочности для высокопрочного крепежа начинаются для болтов с класса 8.8 и заканчиваются классом прочности 12.9. [87]. Прочностные характеристики болтовых изделий определяются выбором соответствующей марки стали и технологией изготовления.

Высокопрочный крепеж изготавливают методом ХОШ из сталей марок 35,35Х, 20Г2Р, 30Г1Р, 38ХА, 40Х и других [88, 89, 90]. С конца 80-х годов XX столетия для изготовления высокопрочного крепежа используют низкоуглеродистую борсодержащую доэвтектоидную сталь 20Г2Р [47, 52].

Данная марка стали имеет видимые преимущества перед другими - высокая пластичность и достаточная прокаливаемость. Использование в массовом производстве борсодержащих сталей отечественного металлургического производства (ОАО «Северсталь, ОАО «Ижсталь», ОАО «Волгоградский металлургический завод») показало, что прокат имеет нестабильную прокаливаемость по длине и сечению мотка. Состояние горячекатаного проката не гарантирует получения качественных высокопрочных болтов. Это связано с тем, что на прокаливаемость проката стали 20Г2Р оказывает влияние не весь присутствующий в стали, а только эффективный (твердорастворимый, не связанный в нитриды) бор [12, 76]. Нарушение этого условия приводит к нестабильности свойств борсодержащих сталей. Как правило, сталь 20Г2Р используется для изготовления болтов класса прочности 8.8 и не более. Для изготовления болтовых изделий классов прочности 9.8 и 10.9 предлагается использовать борсодержащую сталь 30Г1Р. Этим, по-видимому, объясняется факт невысокой доли потребления проката из борсодержащей стали изготовителями нормалей [47. 83], к тому же качество проката при этом оставляет желать лучшего [41].

Российские производители высокопрочного крепежа вынуждены закупать горячекатаный прокат из борсодержащих сталей за рубежом (например, в фирме «Овако» Финляндия), что приводит к удорожанию продукции. Опыт ряда отечественных заводов позволил сформулировать общие рекомендации по применению унифицированного ряда борсодержащих сталей 12Г1Р, 20Г2Р, 30Г1Р для изделий классов прочности 6.8, 8.8, 9.8 и 10.9 диаметром до 24 мм [91]. Для изготовления болтов больших диаметров на заводах нашей страны применяют конструкционную легированную сталь 40Х [75]. Цена одной тонны горячекатаного проката стали марки 40Х, как правило, ниже, чем у стали 20Г2Р и 30Г1Р. Разница в стоимости одной тонны проката борсодержащей стали импортного производства и одной тонны проката стали 40Х отечественного производства составляет 15–20%.

Ранее было показано [5, 47, 48, 49, 51], что удовлетворительной микроструктурой проката, предназначенного для дальнейшей изготовления болтов методом холодной высадки, является зернистый перлит. Однако болтовые изделия с такой микроструктурой не соответствуют требованиям ГОСТ Р 52627ИСО 898-1:1999) и должны быть подвержены объемной закалке и отпуску, чтобы обеспечить необходимые механические характеристики, которые соответствуют классу прочности 8.8 и более [17]. В этом случае крепеж приобретает необходимые твердость и прочность. Однако в результате закалки могут возникнуть [48] обезуглероживание поверхности, коробление, деформации и трещины, что снижает качество и повышает отбраковку длинномерных болтов.

Особенно это касается длинномерных болтов длиной более 70 мм. Для термообработки высокопрочных болтов в соляных ваннах и проходных печах требуется дорогостоящая оснастка и, как правило, последующие сортировка и рихтовка длинномерных болтов.

1.3.2. Технологические схемы подготовки проката для изготовления болтов. Методы получения высокопрочного крепежа Горячекатаный прокат, поступающий на метизные заводы с металлургических комбинатов, нельзя без предварительной технологической обработки запускать под изготовление болтов методом холодной высадки. Поскольку такой прокат по точности размера профиля и качеству поверхности не отвечает требованиям калиброванного проката, то его подвергают волочению [18, 92].

Все отечественные металлургические заводы изготавливают горячекатаный прокат в основном по геометрическим параметрам согласно ГОСТ 2590- «Прокат стальной горячекатаный круглый. Сортамент» обычной точности прокатки «В». Данный стандарт регламентирует отклонение по обычной точности прокатки «В» в пределах +0,3…-0,5 мм от номинального диаметра, овальность проката не должна превышать 50% предельных отклонений по диаметру. Это одна из причин невозможности использования данного проката без предварительной технологической переработки под изготовление болтов.

Другой причиной невозможности использования горячекатаного проката без переработки под ХОШ являются структурное состояние и качество его поверхности.

Длительная выдержка металла при горячей прокатке на прокатном стане способствует интенсивному образованию окалины, которая не только снижает выход годного, но и усложняет процесс переработки проката. Максимальное значение на структуру оказывает скорость охлаждения горячекатаного проката перед его смоткой в компактный бунт. Практически при смотке в бунт условия охлаждения отдельных витков резко различаются. Это различие заключается прежде всего в разной скорости охлаждения витков, а это, в свою очередь, определяет структуру стали.

В настоящее время на ряде металлургических комбинатов, таких как ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» и ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат», прокатные станы оснащены линией двухстадийного охлаждения горячекатаного проката, что исключает закаливание его поверхности. Применение данного вида проката позволяет исключить термообработку при дальнейшем технологическом переделе проката, улучшить его механические свойства [36, 91, 92]. При этом, по мнению авторов [32-36], получается горячекатаный прокат с мелкодисперсной псевдосфероидизированной структурой. По прочностным и пластическим характеристикам он не отличается от металлопроката, повергнутого традиционному печному сфероидизирующему отжигу [36].

Криворожский металлургический комбинат «Криворожсталь» производит горячекатаный прокат диаметром от 5,5 до 12,0 мм в бунтах массой 2000 кг со смягчающей сфероидизирующей обработкой. Технология изготовления проката включает ускоренное охлаждение металла перед намоткой в бунт и сфероидизирующий отжиг в проходных роликовых печах с фазовой перекристаллизацией. Разработанные режимы термической обработки горячекатаного проката обеспечивают получение однородной структуры по всей длине бунта. По мнению металлургов «Криворожсталь», для стали 40Х температура окончания ускоренного охлаждения находится в пределах 700–750С [1].

В развитых индустриальных странах также постоянно идут поиски получения в горячекатаном прокате структуры, оптимальной для волочения, непосредственно после металлургического передела [53]. Основные направления развития производства горячекатаного проката связаны с повышением точности размеров, получением необходимой структуры и свойств в линии прокатных станов без последующей термообработки проката, уменьшением градиента прокатываемых размеров до 1 мм, а перспективе до 0,1 мм, и реализацией свободных программ прокатки для ускорения выполнения заказов [93, 94].

Волочение является основным видом деформации при подготовке проката для изготовления крепежа методом холодной объемной штамповки [95]. При подготовке проката к ХОШ крепежных болтовых изделий применяют различные технологические схемы [27, 72, 96, 97, 98]. Достаточно разнообразные схемы пластической и термической обработки проката под холодную высадку метизов показаны в работе [99]. Например, технология подготовки калиброванного проката стали марки 20Г2Р включает операции волочения проката со степенями обжатия ~ 11–13%, сфероидизирующего отжига и последующего волочения [47]. Выбор технологии подготовки поверхности проката является одним из решающих факторов, определяющих условия работы инструмента и его износ, качество и трудоемкость производства болтов.

Одним из недостатков традиционных способов подготовки калиброванного проката при отжиге в колпаковых печах и термоупрочнение болтов в проходных печах с защитной атмосферой или закалочных ваннах является необходимость выполнения правки и рихтовки данных болтов [88]. Упрочненное состояние может быть создано путем холодной пластической деформации, легирования, термической обработкой и др. Сократить производственные затраты при изготовлении высокопрочных длинномерных стержневых болтовых изделий можно путем применения технологических решений, обеспечивающих получение указанных болтов из предварительно упрочненного калиброванного проката за счет деформационного упрочнения. Термоупрочнение проката позволяет максимально снизить производственные расходы за счет обеспечения заданной микроструктуры уже в процессе подготовки горячекатаного проката, однако в этом случае возникает необходимость расширения марочного и размерного сортамента металлопроката с учетом конкретных требований заводовпотребителей [100]. Все перечисленное делает оценку энергозатрат, особенно в производственных условиях, достаточно сложной. Этим, вероятнее всего, объясняется относительно небольшое количество публикаций по вопросам ресурсосбережения при производстве калиброванного проката.

Наиболее перспективными в данном направлении являются:

• термоулучшение калиброванного проката перед высадкой [101];

• патентирование проволоки [102];

• объемная закалка на двухфазную ферритно-мартенситную и ферритнобейнитную структуру [103–105].

Однако применение печного нагрева и термоулучшение горячекатаного проката не позволяет обеспечить высокую однородность и равномерность механических свойств калиброванного проката для изготовления болтовых изделий [40].

Высокопрочные крепежные изделия, изготовленные из проката, должны быть одновременно высокого качества, прочными, надежными и долговечными [59, 106]. Основными показателями механических характеристик для болтов, винтов и шпилек по ГОСТ Р 52627-2006 (ИСО 898-1:1999), влияющими на выбор стали, являются требования по твердости, пределу прочности, относительному сужению и относительному удлинению при разрыве, прочности соединения головки со стержнем. Данный стандарт не содержит так называемых рекомендованных технологических процессов изготовления крепежных изделий из нелегированных и легированных сталей и марки сталей как противоречащих ИСО 898-1, а также препятствующих применению прогрессивных марок сталей и их унификации.

Как правило, необходимые прочностные характеристики достигаются уже после деформирования за счет термической обработки – улучшения [75].

Достижение твердости крепежного болтового изделия имеет важное значение для того или иного класса прочности в зависимости от диаметра изделия.

Во многих фирмах, в том числе на АвтоВАЗе, в ЦНИИЧермете, ОАО «Автонормаль» (г.Белебей), проводились научные исследования по разработке новых материалов и способов достижения механических свойств высокопрочных изделий за счет деформационного упрочнения проката, позволяющего исключить заключительную термическую обработку высаженных болтовых изделий. Был разработан ряд микролегированных сталей, стали ДФМС [107 - 109].

Кафедрой термической обработки металлов НМетАУ разработан способ получения высокопрочных болтов из нелегированных низкоуглеродистых сталей [110], основанный на принципе термомеханической обработки – ТМО [80].

По мнению автора [80], такие болты имеют, по сравнению с болтами, изготовленными по заводской технологии, более высокие прочностные характеристики и ударную вязкость. Микроструктура таких болтов характеризуется большой дисперсностью. Получение калиброванным прокатом высоких значений характеристик сопротивления пластической деформации и хрупкому разрушению объясняется созданием при ТМО благоприятной дислокационной субструктуры с низким уровнем микронапряжений и сравнительно равномерным распределением цементита в виде глобулей по объему матрицы.

Способ, изложенный работе [79], имеет ряд преимуществ перед традиционными видами обработки, одно из важных при производстве упрочненного крепежа – сохранение геометрии, так как готовое изделие подвергают только отпуску и исключается закалка. Но авторы [100] утверждают, что при использовании нелегированных низкоуглеродистых сталей для изготовления упрочненного крепежа обеспечивается лишь нижний предел прочности. Это не гарантирует постоянного получения прочностных и пластических характеристик готовых крепежных изделий в рамках существующих стандартов.

На ОАО «Автонормаль» применен метод индукционного нагрева калиброванного проката [111, 112]. Это, с одной стороны, позволяет получать прокат из низкоуглеродистых или микролегированных бором сталей, обеспечивающих комплекс свойств, соответствующих термоупрочненным легированным сталям, что невозможно при печном нагреве, а с другой стороны, обеспечивает высокую однородность структуры и свойств изделия. Испытан процесс закалки из межкритического интервала температур проката сталей марок 10, 20 и 38ХА с целью получения из него шпилек высокопрочных (в 800 МПа).

Испытания показали, что шпильки стали марок 10 и 20, полученные из калиброванного проката данным способом, имеют недостаточный запас пластичности. Только при температуре отпуска 200С шпильки, полученные из калиброванного проката, деформированного и закаленного в межкритическом интервале температур, получили повышенные пластические свойства без существенного снижения прочностных характеристик [83, 97. 103]. Шпильки стали марки 38ХА, полученные данным способом, также имеют недостаточный запас пластичности. Низкотемпературный отпуск шпилек, полученных из калиброванного проката стали 38ХА, деформированного и закаленного в межкритическом интервале температур, привел к снижению предельной разрушающей нагрузки [100].

ЦНИИчермет совместно с заводом «Автонормаль» предложил использовать для изготовления высокопрочных изделий двухфазную ферритомартенситную сталь 06ХГР [113, 114], применение которой обеспечивает требуемый уровень прочности только за счет деформационного упрочнения в процессе изготовления деталей (ХОШ) [115]. Калиброванную проволоку данной марки стали нагревали в проходной патентировочной печи до 760-790С [116].

После выхода из печи и подстуживания проволоки до 660-720С в ней уменьшалась концентрация растворенных в феррите примесей внедрения, а последующая закалка в воду обеспечивала получение ферритно-мартенситной структуры. В процессе холодной деформации на 17–24% при волочении проката под технологический размер заготовки значения в повышались на 120–200 МПа, что существенно выше упрочнения, присущего углеродистым сталям [117].

Высаженные шпильки подвергались низкотемпературному отпуску при 170–200С. Это привело к небольшому разупрочнению (на 20–40 МПа) при существенном повышении вязкости. Калиброванный прокат, изготовленный из двухфазных феррито-мартенситных сталей, обеспечивает необходимую надежность при изготовлении болтов классом прочности 8.8 после поверхностного пластического упрочнения.

1.4. Прогнозирование качества калиброванного проката Качество проката в разных структурных состояниях оценивается с помощью стандартных характеристик прочности и пластичности: предела прочности в и предела текучести т, относительного сужения и относительного удлинения, степени деформации при осадке, характера и глубины поверхностных дефектов. Однако значения этих характеристик в ГОСТах и ТУ приводятся только для одного состояния материала, что не всегда достаточно для оценки его возможностей при других комбинациях структур, схемах деформации и напряжений, которые вместе взятые влияют на его напряженное состояние, определяющее ресурс пластичности калиброванного проката.

Таким образом, стандартных механических характеристик проката недостаточно для оценки возможностей стали к холодному деформированию [118].

По мнению проф. И.А. Воробъева [119], повышение выхода бездефектных крепежных изделий, получаемых из калиброванного проката, и обеспечение заданной долговечности работы крепежа зависят от наличия поверхностных дефектов, роль которых в разрушении материалов, находящихся в различном структурном состоянии, еще не получила должной оценки. В своих работах он проанализировал все существующие поверхностные дефекты, исследовал их проявления, выявил безопасные размеры поверхностных дефектов при их производстве без снижения требований к эксплуатационным характеристикам.

Риски, закаты, волосовины, царапины на поверхности проката являются наиболее опасными, так как в технологических процессах схема главных деформаций и напряжений способствует раскрытию поверхностных дефектов.

Поперечные дефекты (следы проточки, кольцевые риски и т.п.) поверхности проката для объемного пластического деформирования менее опасны. Однако, по мнению авторов [120], при снятии недопустимых дефектов на поверхности проката путем операции обточки возникают и другие нежелательные дефекты поверхности. Так, при проточке поверхности возникают высокие температуры и упрочнение в тонком поверхностном слое с образованием трещин в прокате.

Наличие поверхностного дефекта на прокате приводит к значительной концентрации напряжений. Расчет величины технического коэффициента концентрации напряжений в реальных твердых телах предложен в работе [121]. В работе [119] рассчитаны значения технического коэффициента концентрации напряжений К* от поверхностных дефектов для различного проката многих марок сталей. Методика оценки пригодности материалов для холодного пластического деформирования, предложенная И.А. Воробъевым, дает возможность объективно оценить их уровень для изготовления бездефектной продукции с учетом схемы деформированного и напряженного состояния, оценить ресурс пластичности материала.

Авторы работы [122] считают, что определять значение предельной пластичности необходимо с помощью диаграмм предельной пластичности. При этом каждый материал, независимо от состояния, имеет свою зависимость предельной пластичности от показателя напряженного состояния.

В последние годы среди исследователей, занимающихся вопросами разрушения металлов, усилился интерес к энергетическим критериям разрушения [123, 124, 125]. В статьях [123, 125, 126] анализируется развитая Л. Жильмо [124] концепция предельной удельной энергии деформации (энергоемкости), величина которой, наряду с критическим коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины, является фундаментальной характеристикой сопротивления металла разрушению. Профессор В.А.Скуднов рассчитал и представил зависимости предельной удельной энергии деформации (Wc) от пропорционального твердости показателя структурно-энергетического состояния (Пcэc) для сталей десяти структурных классов [127, 128].

Критерии синергетики более объективны, а поэтому необходимы для практики при оценке работоспособности и надежности калиброванного проката для изготовления болтовых изделий. Они дополняют в оценках работоспособности и трещиностойкости стандартные механические характеристики проката, кроме того, они нетрудоемки в расчетах.

1. Поверхностные дефекты проката способствуют экономическим потерям на предприятии. Риски, закаты, волосовины, царапины являются опасными при производстве болтовых изделий. Переработка проката с металлургическими дефектами увеличивает отбраковку изделий и приводит к повышенному расходу металла.

2. Считается, что основной причиной образования дефектов на стержневых изделиях является переработка проката по всей технологической цепочке.

Необходимо использовать для производства крепежа прокат, который способен выдерживать деформации до 75% без разрушения его поверхности и тела.

3. Практически 60% крепежа класса прочности 9.8, 10.9 и выше изготавливают из проката стали 40Х. Основным способом получения высокопрочных болтов является высадка из проката, имеющего микроструктуру зернистый перлит. Болты подвергают закалке и отпуску. Закалка может способствовать образованию микротрещин и обезуглероженного слоя. Если вопрос подготовки проката для ХОШ с микроструктурой 80–100% зернистого перлита изучен достаточно глубоко, то использованию проката, имеющего в структуре стали сорбит патентирования, из-за роста сопротивления пластической деформации уделяется недостаточное внимание.

4. Общим недостатком термически обработанного проката в действующих технологиях является локальная неоднородность механических свойств, наблюдающаяся на соседних участках небольшой протяженности и по всей длине мотка. Требует исследования вопрос получения длинномерных болтов, упрочненных до класса прочности 9.8, из проката с прочностными и пластическими характеристиками, отвечающими требованиям ГОСТ 1759.04-87 «Болты, винты и гайки. Технические условия», без последующей их закалки и отпуска.

5. Вопрос о комплексном влиянии обжатия на механические характеристики до и после патентирования проката научной литературе освещен недостаточно, поэтому требует более детального изучения.

6. В условиях производства недостаточно используются критерии разрушения стали, которые позволяют реально количественно оценить обратное влияние процесса разрушения на процесс упрочнения проката. Требуется произвести сравнение работоспособности проката стали 40Х, используемого для производства длинномерных болтов, изготовленного по действующей технологии подготовки и предлагаемой.

2. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОБРАЗЦОВ

Выбор марки стали проката для производства крепежных изделий производился в соответствии с техническими требованиями стандарта ГОСТ 10702- «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки». В случае отсутствия технических требований предварительный вывод о возможности использования стали для холодной объемной штамповки можно сделать, анализируя химический состав, механические свойства и состояние поверхности, изложенные в стандартах на горячекатаный или калиброванный прокат.

Марки сталей крепежных изделий определены как рекомендуемые стандартами ГОСТ 1759.4-87, ГОСТ 1759.5-87, DIN267.4, ISO 898 часть 2, ГОСТ Р 52627-2006 (ИСО 898-1:1999) и другие. Технические требования, химический состав и механические свойства горячекатаного и калиброванного проката определялись по ГОСТ 10702-78, ГОСТ 1050-88, ГОСТ 4543-71 и техническими условиями. Калиброванный прокат, предназначенный для изготовления длинномерных болтов методом холодной объемной штамповки, должен:

1. Обеспечить получение изделия требуемой формы и размеров с минимально допустимым количеством поверхностных дефектов.

2. Обеспечить получение требуемых прочностных и пластических характеристик.

3. Иметь высокую общую энергоемкость, чем обеспечить исключение зарождения и распространению в нем трещин.

4. Быть технологичным по переделам при производстве длинномерных болтовых изделий.

Основными факторами, влияющими на соблюдение требований к горячекатаному и калиброванному прокату, используемого для производства болтов, являются способ производства и химический состав, которые во многом определяют способность проката подвергаться холодной деформации.

Для исследования в работе была выбрана широко применяемая в метизном производстве сталь 40Х. Её химический состав соответствовал ГОСТ 10702-78. Горячекатаный прокат диаметром 11,0 и 13,0 мм по геометрическим параметрам соответствовал ГОСТ 2590-88 «Прокат стальной горячекатаный круглый» обычной точности прокатки «В».

Металлопрокат из мотка выпрямлялся на станке «Шустер» и нарезались образцы длиной 300 мм, по 8 образцов на указанные далее размеры исследуемой конструкционной легированной стали 40Х.

Образцы готовились по методике, предложенной авторами И.Л. Хейфецом, М.П Рахмановой и В.А. Скудновым [72]. Для исключения масштабного фактора, поверхностных дефектов и обезуглероженного слоя образцы каждой марки сталей для механических испытаний предварительно протачивались:

• с диаметра 13,0 на диаметры 8,25; 8,50; 9,00; 9,60; 10,40; 11,40, 12,70 мм, после чего их волочили на диаметр 8,00 мм со степенями обжатия 5, 10, 20, 30, 40, 60% соответственно, затем проводилось патентирование при температуре 370, 400, 425, 450, 500, 550°С;

• с диаметра 13,0 на диаметры 8,25; 8,50; 9,00; 9,60; 10,40; 11,40, 12,70 мм, затем проводилось патентирование при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550°С, после чего образцы подвергали волочению, каждый на диаметр 8,00 мм со степенями обжатия 5, 10, 20, 30, 40, 60% соответственно.

Отжиг горячекатаного проката стали 40Х на микроструктуру – зернистый перлит производился в камерной печи с выдвижным подом.

Очистка поверхности термически обработанного проката от окалины производилась в маточном растворе серной кислоты в соотношении H2SO4 остальное железный купорос (Fe2SO4 +H2). Затем прокат промывали в проточной воде.

Волочение проката с диаметров 8,25; 8,50; 9,00; 9,60; 10,40; 11,40, 12, на диаметр 8,00 мм производилось на однократном волочильном стане ВС/1со степенями обжатия 5, 10, 20, 30, 40, 60% соответственно. В качестве технологической смазки использовалась мыльная стружка.

Степень обжатия при волочении проката q (%) определялась:

где d0 – диаметр образца проката до волочения, мм;

d1 – диаметр образца проката после волочения, мм.

Половина образцов проката после волочения подвергалась патентированию, другая половина образцов после патентирования подвергалась волочению. Температура при патентировании и степень обжатия при волочении варьировались в зависимости от задачи исследования. Важным фактором, формирующим окончательную микроструктуру, является гомогенность аустенита. Исходя из этого, температура нагрева перед патентированием принималась 880С. Образцы проката подвергались нагреву в соляной ванне (78% ВаСL + 22% NaСL) в течение 3 мин. Затем образцы переносились в селитровую ванну (50% NaNO3 + 50% KNO3) и осуществлялась операция патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550С с выдержкой 5 мин Далее охлаждение образцов проводилось на воздухе в течение мин, затем они охлаждались в воде. Точность регулирования температуры в ванне при патентировании составляла ±5С. Последующую подготовку поверхности (снятие окисного слоя) изотермически обработанного проката производили в маточном растворе серной кислоты (H2SO4 – 25%, остальное железный купорос – Fe2SO4). Затем прокат промывался в проточной воде.

Исследование горячекатаных и калиброванных образцов из стали 40Х производилось по следующим направлениям:

• определение химического состава на соответствие ГОСТ 10702-78;

• исследование механических свойств г/к и калиброванных образцов;

• исследование микроструктуры г/к и калиброванных образцов;

• испытание на твердость г/к и калиброванных образцов;

• испытание на осадку до 1/2Н и 1/3Н от первоначальной высоты образцов;

• испытание длинномерных болтов на соответствие ГОСТ 1759.4-87.

Идентификация химического состава стали 40Х осуществлялась на спектроанализаторе Belec-kompakt Lab.

Прочностные и пластические характеристики горячекатаного проката в исходном состоянии и калиброванного проката после всех видов технологической переработки определялись при испытании на растяжение на разрывной машине типа ЦДМ – 100 со шкалой 20 кг. Испытывались образцы длиной 300 мм. Испытания проводились на восьми образцах.

Микроструктура горячекатаного проката в исходном состоянии и калиброванного проката после всех видов технологической переработки исследовалась методом просмотра поверхности специально приготовленных образцов (поперечные микрошлифы) под микроскопом МИМ – 8 при увеличении х 200- 600 и на горизонтальном микроскопе «Неофот-21» при увеличении 100 и 600. Металлографические микрошлифы готовились по традиционным для данной марки стали технологиям. Травление микрошлифов производилось в 4% - ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Твердость измеряли на приборе Роквелл, шкала В и С, на параллельных шлифованных лысках. Испытания проводили на 8 образцах.

Твердость HRC по переводной шкале переводили в твердость НВ.

Натурные испытания длинномерных болтов с определением величины разрывной нагрузки и относительного удлинения производили на разрывной машине МУП-50. Изучался вид излома болтов с помощью оптического компаратора МИР-12 и фотографирования (х7).

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ

ТЕРМИЧЕСКОЙ (ПАТЕНТИРОВАНИЯ) И ПЛАСТИЧЕСКОЙ

(ВОЛОЧЕНИЯ) ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОКАТА СТАЛИ 40Х

3.1. Обоснование устойчивости аустенита стали 40Х в условиях выдержки в селитровой ванне в диапазоне температур от 370 до 550С Схема-диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема-диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали с обозначением получаемых структур в зависимости от скорости охлаждения:

П – перлит; С – сорбит; Т – троостит; М – мартенсит 4; Аост. – аустенит остаточный;

Б – бейнит; Vвкз – верхняя критическая скорость закалки Калиброванный прокат (диаметр 8,0 мм) получали из горячекатаного проката, который подвергали холодному волочению на однократном волочильном стане. При волочении происходил наклёп, прочностные характеристики проволоки увеличивались, а пластические снижались (рис. 3.4 и рис. 3.5). Для получения достаточной пластичности ( = 50–57%) и требуемой прочности (в = 920 – 1050 МПа) прокат подвергали патентированию.

Патентирование – это специфический процесс термообработки. По главному классификационному признаку – типу фазовых превращений – он относится к отжигу 2-го рода, являясь одной из разновидностей изотермических обработок. Температуру в селитровой ванне при патентировании (выдержке при заданной температуре) меняли от 370 до 550С. При патентировании аустенит в данном интервале температур должен распадаться на квазиэвтектоидную смесь тонкопластинчатого строения, которую называют сорбитом патентирования. Дисперсность частиц сорбита патентирования определяется прежде всего температурой изотермической среды. Температура нагрева проката стали 40Х (880С) должна обеспечить гомонизацию аустенита [129].

Известно [30], что устойчивость аустенита, характеризуемая длительностью периода до начала распада, называемого инкубационным, а также временем полного превращения аустенита, меняется с изменением температуры изотермического превращения, и в координатах «температура – время» кривые изотермического превращения имеют S-образную форму. Реальное превращение аустенита (при выдержке проката стали 40Х в селитровой ванне с температурой 400–550оС) происходило в температурном интервале сорбитного превращения 480–630С.

Время пребывания проката в селитровой ванне должно быть несколько большим времени окончания сорбитного превращения. Низкая температура ванны (ниже 370С) может способствовать образованию твердой и хрупкой структуры верхнего бейнита; высокая температура селитровой ванны (выше 630С) может привести к снижению прочностных характеристик проката (образуется перлит).

Ввиду того, что в условиях действующего производства ванны патентирования имеют ограниченную длину, то выдержку прутка, при заданных температурах селитровой ванны, происходила в течение пяти минут. Верхнюю температуру нагрева прутка (перед началом выдержки в селитровой ванне) оценивали так, что за 3 с переноса она составит 800С. Рассчитали и построили кривые охлаждения прутка в селитровой ванне с заданной температурой. На рис. 3.2 даны кривые изотермического превращения аустенита для стали марки 40Х и кривые охлаждения при температурах селитровой ванны 370, 400, 425, 450, 500, 550С.

С понижением температуры селитровой ванны от 550 до 3700С устойчивость аустенита меняется (рис. 3.1). Для завершения превращения аустенита при 5500С (рис. 3.2.) требуется около 10–12 мин, но в наших исследованиях превращение аустенита при температуре селитровой ванны 550С заканчивалось при более высокой температуре ~ за 85 с.

Температура, С Для завершения превращения аустенита при 5000С требуется около 5,5 мин; для завершения превращения аустенита при 4500С требуется около 100 с, для завершения процесса при 400–4500С требуется около 2 мин. Ниже 4000С устойчивость аустенита снова возрастает. Длительность инкубационного периода устойчивости аустенита при температурах ниже 4000С, как и время, требующееся для полного превращения аустенита, больше, чем при температурах около 4500С.

Продукты превращения аустенита, получающиеся в результате изотермического превращения при различных температурах в селитровой ванне, показывают, что в районе температур 6300С 4200С получаются структуры эвтектоидного типа, тем более дисперсионные, чем ниже температура превращения.

Этот способ изотермического охлаждения, при разных температурах селитровой ванны, исследовали для получения в прокате различных по дисперсности структур сорбита патентирования. После операция патентирования методом волочения изготовили прокат и выявили оптимальные прочностные и пластические характеристики и твердость, которые должны соответствовать определенному классу прочности болтовых изделий.

Так как исходной заготовкой для производства калиброванного проката является горячекатаный прокат, то его пластичность во многом определяет дальнейшую способность к волочению [130, 131]. Качество горячекатаного проката оценивается соответствием нормативным требованиям его геометрических параметров (овальность и установленные величины допуска на диаметр), химического состава и механических характеристик. Оно также определяется структурой проката, которая, в свою очередь, зависит от способа изготовления, включая разливку стали, нагрев заготовок и горячую прокатку на прокатном стане, способа охлаждения и последующей термообработки [5].

Горячекатаный прокат должен иметь высокую степень чистоты поверхности и бездефектное поперечное сечение. Если получаемый с металлургических комбинатов горячекатаный прокат, согласно ГОСТ 10702-78, предназначен для последующего холодного волочения, то особое значение имеют технологические процессы, обеспечивающие получение пригодного для ХОШ проката, со значительными обжатиями без промежуточной термической обработки.

Структурное состояние и качество поверхности горячекатаного проката во многом определяют дальнейшее качество калиброванного проката и изготовленных из него длинномерных болтовых изделий. Механические характеристики, являющиеся наиболее используемыми показателями качества сталей, в значительной степени определяются пластической и термической обработкой, которые изменяют структуру на макро и микроскопическом уровне [38].

В табл.3.1 и табл. 3.2 приведены химический состав, прочностные и пластические характеристики, твердость исследуемого горячекатаного проката диаметром 13,0 мм стали 40Х.

Прочностные и пластические характеристики и твердость Результаты исследования микроструктуры горячекатаного проката показали, что она представляет собой «перлит + феррит» (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Структура горячекатаного проката стали 40Х, х Образцы выдержали испытания осадкой до 1/2 высоты первоначального образца, как этого требует ГОСТ 10702-78.

Таким образом, исследованный исходный горячекатаный прокат стали 40Х по химическому составу и механическим характеристикам соответствует ГОСТ 10702-78.

3.3. Зависимость механических характеристик от степеней обжатия при волочении и последующего патентирования проката Образцы проката с диаметров 8,45; 8,95; 9,50; 10,45; 11,40; 12,70 мм деформировали методом волочения на диаметр 8,00 мм со степенями обжатия 5;

10; 20; 30; 40, 60%. Затем образцы нагревались в соляной ванне при температуре 880С в течение 3 мин, после нагрева из ванны в течение 3 с переносились в селитровую ванну, где выдерживались 5 мин при температурах 370; 400; 425;

450; 500, 550°С. Затем образцы охлаждали на воздухе 3 мин. Изучалось влияние степени обжатия (5, 10, 20, 30, 40, 60%) при волочении и последующего патентирования в интервале температур 370; 400; 425; 450; 500, 550°С на механические характеристики проката.

Характер влияния холодной пластической деформации на прочностные и пластические характеристики исходного горячекатаного проката представлен на рис. 3.4 и рис. 3.5.

Рис. 3.4. Зависимость в и т от обжатия при волочении г/к проката Из данных, показанных на рис. 3.4, следует, что с увеличением обжатия горячекатаного проката от 5 до 60%, увеличиваются его прочностные характеристики. Предел текучести возрастает с 780 до 990 МПа, а временное сопротивление разрыву – с 880 до 1130 МПа. Это совпадает с литературными источниками [12, 13, 42, 46, 51, 56, 58] аналогичных данных по другим маркам сталей.

Влияние деформации при волочении на пластические характеристики горячекатаного проката показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Зависимость,% и,% от обжатия при волочении г/к проката Установлено, что с увеличением обжатия проката от 5 до 60% его пластические характеристики снижаются.

Относительное удлинение при обжатиях волочением от 5 до 30% снижается с 15 до 10%, а при обжатиях от 30 до 60% остается постоянным и равным 10%.

Относительное сужение при обжатиях от 5 до 60% монотонно снижается от 60 до 38%.

Эти данные также совпадают с данными для других марок сталей, опубликованными в работах [12, 13, 42, 46, 51, 56, 58] 3.4. Влияние волочения и последующего патентирования на механические характеристики калиброванного проката Получены экспериментальные данные о влиянии степени деформации волочением на прочность и пластичность проката при последующем патентировании при разных температурах.



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) В.А. Сальников ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЗРАСТНОГО РАЗВИТИЯ Монография Омск СибАДИ 2012 УДК 796 ББК 75 С 16 Рецензенты: д-р пед. наук, профессор Г.Д. Бабушкин (СибГУФКиС); д-р пед. наук, профессор Ж.Б. Сафонова (ОмГТУ) Монография одобрена редакционно-издательским советом академии Сальников...»

«В.Н. Егорова, И.В. Бабаченко, М.В. Дегтярёва, А.М. Попович Интерлейкин-2: опыт клинического применения в педиатрической практике Санкт-Петербург 2008 2 УДК 615.37 612.017 ББК 52.54 Егорова В.Н., Бабаченко И.В., Дегтярева М.В., Попович А.М. Интерлейкин-2: опыт клинического применения в педиатрической практике. – СПб.: Издательство Новая альтернативная полиграфия, 2008.- стр.: ил. Монография содержит краткий обзор 12-летнего клинического опыта применения препарата рекомбинантного интерлейкина-2...»

«Т.В. Матвейчик, А.П. Романова, Л.В. Шваб Сестринский руководитель в системе первичной медицинской помощи (для обучающихся на курсах Организация здравоохранения, Организация сестринского дела медицинских вузов и колледжей, педагогов и социальных работников) Минск 2012 УДК 614.253.5-057.177 ББК 51.1 (2) Авторы: канд.мед. наук, доц. Матвейчик Т.В. канд. мед. наук Романова А.П. Шваб Л.В. Рецензенты: д-р мед. наук, проф. В.С. Глушанко канд. мед. наук С.С. Корытько M 33 Матвейчик Т.В. Сестринский...»

«Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана М.Б. Каменарович ПРОБЛЕМЫ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ Монография Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2004 УДК 1Ф ББК 15.11 К18 Рецензенты: зам. зав. кафедрой ТОРЭ Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета), д-р техн. наук, профессор Н.П. Есаулов, Президент КРО НТО РАПЭ, д-р техн. наук Б.П. Садковский К18 Каменарович М.Б. Проблемы пространства и времени: Монография....»

«С.П. Спиридонов МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ СИСТЕМНЫХ ИНДИКАТОРОВ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ С.П. СПИРИДОНОВ МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ СИСТЕМНЫХ ИНДИКАТОРОВ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ ИЗДАТЕЛЬСТВО ФГБОУ ВПО ТГТУ Научное издание СПИРИДОНОВ Сергей Павлович МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ СИСТЕМНЫХ ИНДИКАТОРОВ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ Монография Редактор Е.С. Мо...»

«БОГОНЕНКО В.А. КОДИФИКАЦИЯ ГРАЖДАНСКОГО ПРАВА В СТРАНАХ ПРАВОВОГО КЛАССИЦИЗМА БОГОНЕНКО В.А. КОДИФИКАЦИЯ ГРАЖДАНСКОГО ПРАВА В СТРАНАХ ПРАВОВОГО КЛАССИЦИЗМА Минск 2008 УДК ББК Б Рецензенты: Годунов В.Н. – зав. кафедрой гражданского права Белорусского государственного университета, доктор юридических наук, профессор Егоров А.В. – кандидат юридических наук, доцент Богоненко В.А. Кодификация гражданского права в странах правового классицизма.: Монография / В.А. Богоненко – Минск, 2008. –...»

«КОНЦЕПЦИЯ обеспечения надежности в электроэнергетике Ответственные редакторы член-корреспондент РАН Н. И. Воропай доктор технических наук Г. Ф. Ковалёв 1 УДК 620.90-19 ББК-31 Концепция обеспечения надёжности в электроэнергетике. /Воропай Н. И., Ковалёв Г. Ф., Кучеров Ю. Н. и др. – М.: ООО ИД ЭНЕРГИЯ, 2013. 212 с. ISBN 978-5-98420-012-7 Монография посвящена основным положениям обеспечения и повышения надёжности в электроэнергетической отрасли Российской Федерации в современных условиях её...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина Ю.В. Гераськин Русская православная церковь, верующие, власть (конец 30-х — 70-е годы ХХ века) Монография Рязань 2007 ББК 86.372 Г37 Печатается по решению редакционно-издательского совета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Рязанский государственный университет имени С.А....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАФИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ ЭКОНОМИКИ, СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ (МЭСИ) КАФЕДРА НАЛОГОВ И НАЛОГООБЛОЖЕНИЯ КОЛЛЕКТИВНАЯ МОНОГРАФИЯ ПРОБЛЕМЫ НАЛОГОВОГО АДМИНИСТРИРОВАНИЯ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Монография Москва, 2012 1 УДК 336.22 ББК 65.261 П 781 Бутенко Л.А., Курочкина И.П., Минашкин В.Г., Солярик М.А., Шувалов А.Е., Шувалова Е.Б. Проблемы налогового администрирования в Российской Федерации: монография / под ред. д.э.н., проф....»

«m.o. oe)mhjnb de“ek|mnq| op`bnnup`mhek|m{u npc`mnb on p`qqkednb`mh~, p`qjp{h~ h opedropefdemh~ opeqrokemhi • hgd`ek|qbn cr • Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет Н.П. ПЕЧНИКОВ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПРАВООХРАНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПО РАССЛЕДОВАНИЮ, РАСКРЫТИЮ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ПРЕСТУПЛЕНИЙ Утверждено к изданию секцией по юридическим наукам Научно-технического совета ТГТУ Тамбов Издательство ТГТУ 2006 УДК 343 ББК Х4 П317 Р е це н зе н...»

«Федеральное агентство по образованию Архангельский государственный технический университет Ольга Борисовна Бессерт Обучение индивидуальному чтению Монография Архангельск 2008 УДК 81.24 ББК 81.2-92П Б 53 Рецензенты: Л.Б. Кузнецова, канд. филос. наук М.И. Ковалева, канд. пед. наук Бессерт О.Б. Б 53 Обучение индивидуальному чтению: монография / О.Б. Бессерт. - Ар­ хангельск: Арханг. гос. техн. ун-т, 2008. - 276 с. ISBN 978-5-261-00410-3 Рассмотрен один из новых подходов к решению проблемы обучения...»

«Арнольд Павлов Arnold Pavlov Стратегии терморегулирования при различных видах стресса Монография Популярность шумна и изменчива, По натуре она такова. Только слава – надёжная женщина, Но она не жена, а вдова. (Н.К.Доризо) Донецк 2011 1 УДК: 612.55:616.45-001.1/.3 ББК: 52.5 П 12 Павлов А.С. Стратегии терморегулирования при различных видах стресса. - Донецк: Издательство Донбасс, 2011. – 112 стр. Рецензенты: Доктор биологических наук, профессор А.В.Колганов Доктор биологических наук, профессор...»

«Е.К. РУМЯНЦЕВ, А.В. ТЕН, Б.И. ГЕРАСИМОВ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА ПРЕДПРИЯТИЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (НА ПРИМЕРЕ ОАО КОНДИТЕРСКАЯ ФИРМА ТАКФ) ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ УДК 664.6 ББК У305.73-823.2 Р865 Рецензенты: Доктор экономических наук, профессор, директор академии экономики и предпринимательства ГОУ ВПО Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина В.И. Абдукаримов Доктор экономических наук, профессор, заведующий кафедрой Менеджмент организации ГОУ ВПО Тамбовский...»

«КОЛОМЕНСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) МГОУ ИМЕНИ В.С. ЧЕРНОМЫРДИНА Вестник библиотеки’2012 Новые поступления Библиографический указатель · Гуманитарные науки · Технические науки · Экономика и управление · Юриспруденция Коломна 2012 УДК 013 ББК 91 В 38 Вестник библиотеки’2012. Новые поступления: библиографический указатель / В 38 сост. Т. Ю. Крикунова. – Коломна: КИ (ф) МГОУ, 2012. – 46 с. В библиографическом указателе собраны записи об учебниках, монографиях и других документах, поступивших в фонд...»

«Федеральное агентство по образованию Владивостокский государственный университет экономики и сервиса Н.В. ХИСАМУТДИНОВА ДАЛЬНЕВОСТОЧНАЯ ШКОЛА ИНЖЕНЕРОВ: К ИСТОРИИ ВЫСШЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ (1899–1990 гг.) Монография Владивосток Издательство ВГУЭС 2009 ББК 74.58 Х 73 Рецензенты: Г.П. Турмов, д-р техн. наук, президент ДВГТУ; Ю.В. Аргудяева, д-р ист. наук, зав. отделом Института истории, археологии и этнографии народов Дальнего Востока ДВО РАН Хисамутдинова, Н.В. Х 73 ДАЛЬНЕВОСТОЧНАЯ ШКОЛА...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНФОРМАЦИОННО-БИБЛИОТЕЧНЫЙ СОВЕТ БИБЛИОТЕКА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК Елена Дмитриевна ДЬЯЧЕНКО ИНФОРМАЦИОННО-БИБЛИОТЕЧНЫЙ СОВЕТ РАН: 100 ЛЕТ СЛУЖЕНИЯ АКАДЕМИИ НАУК 1911–2011 Санкт-Петербург 2011 ББК 78.3 Д 93 Научный руководитель д.п.н. В. П. Леонов Редколлегия: Н. М. Баженова, А. А. Балакина, Н. Н. Елкина (отв. сост.), Н. В. Колпакова (отв. ред.), С.А. Новик, И. И. Новицкая, О. Г. Юдахина Дьяченко, Елена Дмитриевна. Информационно-библиотечный совет РАН: сто лет...»

«Н. Л. ЗУЕВА СОЦИАЛЬНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ НАСЕЛЕНИЯ: АДМИНИСТРАТИВНО-ПРАВОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ Монография Издательство Воронежского государственного университета 2013 УДК 342.951:364(470) ББК 67.401 З93 Научный редактор– доктор юридических наук, профессор Ю. Н. Старилов Р е ц е н з е н т ы: доктор юридических наук, профессор А. С. Дугенец, кандидат юридических наук, доцент Д. В. Уткин Зуева, Н. Л. З93 Социальное обслуживание населения : административно-правовое регулирование : монография / Н. Л. Зуева ;...»

«Ф. А. УРУСБИЕВА К А Р А Ч А Е В О - Б А Л К А Р С К А Я СКАЗКА ВОПРОСЫ ЖАНРОВОЙ т и п о л о г и и Владикавказ 2 0 1 0 ББК 63.5 У 15 У 15 Урусбиева Ф. А. Карачаево-балкарская сказка. Вопросы жанровой типологии: Монография. УРАН Сев.-осет ин-т гум. и соц. исслед. Владикавказ: НПО СОИГСИ, 2010. 128 с. ISBN 978-5-91480-070-0 Рецензенты: докт. филол. наук З.Ж. Кудоева канд. ист. наук Э.Ф. Кисриев В оформлении обложки использована работа художника Б. Дзиуаты. ISBN 978-5-91480-070-0 © Урусбиева Ф.А.,...»

«Институт монголоведения, буддологии и тибетологии СО РАН Институт истории, археологии и этнографии ДВО РАН МОНГОЛЬСКАЯ ИМПЕРИЯ И КОЧЕВОЙ МИР Книга 3 Ответственные редакторы Б. В. Базаров, Н. Н. Крадин, Т. Д. Скрынникова Улан-Удэ Издательство БНЦ СО РАН 2008 УДК 93/99(4/5) ББК63.4 М77 Рецензенты: д-р и.н. М. Н. Балдано д-р и.н. С. В. Березницкий д-р и.н. Д. И. Бураев Монгольская империя и кочевой мир (Мат-лы междунар. М науч. конф-ии). Кн. 3. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2008. -498 с. ISBN...»

«Е.А. Урецкий Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий 1 г. Брест ББК 38.761.2 В 62 УДК.628.3(075.5). Р е ц е н з е н т ы:. Директор ЦИИКИВР д.т.н. М.Ю. Калинин., Директор РУП Брестский центр научно-технической информации и инноваций Государственного комитета по науке и технологиям РБ Мартынюк В.Н Под редакцией Зам. директора по научной работе Полесского аграрно-экологического института НАН Беларуси д.г.н. Волчека А.А Ресурсосберегающие технологии в водном...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.