Подготовка структурно-механических свойств проката под холодную высадку автомобильных метизов

На фоне ухудшения окружающей среды и сокращения ресурсов становятся весьма актуальными вопросы ресурсо- и энергосбережения при одновременном улучшении качества и повышении конкурентоспособности. Важнейшим фактором в этом направлении является уменьшение затрат на потребляемые металл и энергию.

Широко распространенным и наиболее производительным способом получения готовых с высокими структурномеханическими свойствами металлоизделий являются методы их холодной высадки из металлического проката, который должен обладать определенным качеством - требуемой пластичностью, однородными по всей длине структурой и параметрами технологических свойств, отсутствием дефектов. При жесткой конкуренции для улучшения качества высаживаемых металлоизделий предприятия вынуждены изыскивать возможности на всех позициях технологической цепочки преобразования исходного металлопроката.

Требуемый уровень комплекса структурно-механических свойств можно достичь широким внедрением новых материалов и прогрессивных технологий их обработки [1, 2]. Стальной прокат под холодную высадку должен соответствовать высоким требованиям по параметрам прочности, пластичности, осадке и по определению специальных характеристик.

Таким образом, необходимость снижения трудовых затрат, экономии энергоресурсов и обеспечения возрастающих природоохранных проблем [3] обусловливает актуальность решения данной задачи.

Структурно-механические свойства материала, обеспечивающие качественную высадку [4], формируются в процессе волочения металла через фильеру. Технологические возможности проката тестируются отсутствием появления трещин и надрывов на поверхности после испытания на осадку. Оптимальной осадкой является достижение до 1/З высоты. Однако результаты этого эксперимента соответствуют лишь данному конкретному бунту проката, а не всей его партии.

Различие скоростей волочения на различных этапах подготовки стали существенно ограничивает производительность волочения. Технологические переходы включают в себя: подготовку; первичную деформацию; термообработку в печах с защитной атмосферой; повторную деформацию; термообработку.

Нагрев с использованием высокочастотных токов продолжается лишь до 6 мин (с дальнейшим плавным охлаждением в колодцах до 6 часов), в то время как в электрических или газовых печах 10…36 часов. Весьма важно при этом функционально обеспечивать структурномеханические свойства металлопроката за счет регулирования дисперсности зерна и структуры фазовых составляющих. Широко распространенный перед высадкой отжиг проката в колпаковых печах на зернистый перлит не всегда обеспечивает однородность свойств по длине мотка, а в структуре проката часто встречаются следы нежелательного пластинчатого перлита.

Для обеспечения качества ответственных изделий (например, болтов для газотранспортных магистралей) недопустимые поверхностные дефекты горячекатаного проката, как, например, обезуглероженный слой, риски задиры и т.п. [5] удаляются дорогостоящей операцией обточки или вредной операцией травления, что, в свою очередь, приводит к удорожанию готовых изделий.

В данной работе отжиг предлагается проводить с помощью индукторов, которые за счет высокой стабильности температуры и отсутствия обезуглероженного слоя обеспечивают повышение качество проката, позволяют повысить производительность, экономичность и автоматизацию процесса, а также исключить вредные выбросы в атмосферу.

В работе изучалась широко распространенная в различных отраслях народного хозяйства для изготовления упрочняемых крепёжных болтов сталь 38ХА двух диа- метров горячекатаного проката с диаметром 12,0 мм и 14,0 мм.

Исходная микроструктура горячекатаного проката стали 38ХА представляет собой «перлит + феррит». Действующая технология переработки проката с диаметра 12,0 мм на 9,65 мм: отжиг на зернистый перлит (печи с защитной атмосферой – 750°С, выдержка 24 ч); травление; волочение с 12,0 мм на 11,0 мм; отжиг (печи с защитной атмосферой – 670°С, выдержка 12 ч); травление; волочение с 11,0 мм до 10,2 мм; обточка с 10,2 мм на 9,97 мм; волочение с 9,97 мм на 9,65 мм.

В данной технологии удаление дефектов и обезуглероженного слоя с поверхности мотка осуществляется механической обточкой, что переводит в стружку не менее 55 кг с каждой тонны металла. В случае удаления окалины травлением необходимо дополнительное время, появляются экологически вредные остаточные растворы, требующие дорогостоящей утилизации. Выявлено неравномерное распределение свойства по объему мотка. Оказалось, что из-за повышенной скорости охлаждения витков внешней стороны мотка по отношению к внутренним, структура внешних концов бунта более мелкодисперсная, чем внутренних.

В работе предложены 2 режима переработки проката.

• 1.    Режим (прокат диаметром 12,0 мм): травление 12,0 мм; волочение на 11,0 мм; отжиг с нагревом ТВЧ (760º…780ºС); травление; волочение с 11,0 мм на 9,65 мм; отжиг с нагревом ТВЧ (760º…780ºС); травление; калибровка на 9,65 мм.

• 2.    Режим (прокат диаметром 14,0 мм): травление 14,0 мм; волочение на 13,0 мм; отжиг с нагревом ТВЧ (760º..780ºС); травление; волочение на 12,00 мм; отжиг с нагревом ТВЧ (760º..780ºС); травление; волочение на 11,00 мм; отжиг с нагревом ТВЧ (760º…780ºС); травление; волочение на 9,65 мм.

Структура стали 38ХА на окончательном диаметре 9,65 мм для заготовки Ø 12,0 и 14.0 мм представляет собой «перлит сорбитообразный».

В предлагаемой методике отжига проката в индукторе ТВЧ образуется мелкодисперсная равномерно распределенная по всей длине микроструктура, приводящая к падению твердости (НВ на 30-31 единицу) и прочностных (предела прочности на 7090 МПа; относительного предела текучести – на 40-70 МПа), но увеличению величины параметров пластичности (относительного сужение на 11-13%).

Рост числа операций с ТВЧ обусловливает изменение микроструктуры под воздействием последующего калибрования в холодном состоянии сплава. Например, перлит (сорбитообразный) приобретает меньшую дисперсность зерен. Тогда как такой отжиг проката Ø11,0 мм приводит к появлению перлита с мелкими зернами, а Ø9,65 мм уже формирует равномерно распределенную по всему объему проката микроструктуру точечного перлита с равномерно распределенным мелкозернистым ферритом. При этом наблюдается высокое качество поверхностного слоя проката, о чем свидетельствуют не высокая твердость (не более НВ 194), отсутствие обезуглероженного слоя, окислов и эллипсности, возрастает пластичность. Величина фактора пригодности стали к деформации достаточно высокая и составляет σ0,2 / σв = 41/68 = 0,6. Такой калиброванный прокат считается пригодным для холодной объемной штамповки.

Выводы:

Предложена ресурсосберегающая технология изготовления калиброванного проката стали 38ХА для холодной штамповки метизов для двигателей автомобилей. Показано, что волочение с рациональными степенями на каждом из трех этапов обжатия после отжигов с нагревом ТВЧ обеспечивает равномерную мелкодисперсную структуру без обезуглероженного слоя с лучшей способностью к деформированию, отсутствие окалины на прокате и эллипсности, а незначительный слой окислов устранялся в травильных ваннах в течение нескольких секунд. Подготовленный по такой схеме стальной прокат позволяет увеличить долговечность высадочного инструмента за счет уменьшения количества переходов. При этом отсутствуют вредные выбросы от отжиговых печей и реже освежаются травильные снижаются прочностные характеристики и растворы.