Структурная подготовка проката из перлитных сталей для высадки автомобильных болтовых изделий

Надежная работа металлоизделий существенно зависит от природы материала, условий эксплуатации и режимов его технологической обработки, формирующих структуру и свойства применяемых материалов, и которые обеспечиваются оптимизацией режимов технологических процессов.

К стержневым болтовым изделиям, изготавливаемым холодной штамповкой из сталей перлитного класса, предъявляются особые требования по структурно- механическим характеристикам. Весьма распространенным и производительным способом получения готовых с высокими показателями структурно-механических свойств металлоизделий является [1] их высадка из металлического проката, который должен обладать определенным качеством - однородными по всей длине пластичностью, структурой, технологичностью и отсутствием дефектов.

Разнообразная номенклатура метизных изделий (болтов, шпилек и винтов), для которых не регламентируются специфические требования к прочностным свойствам, изготавливаются, в основном, из сталей согласно ГОСТ 1050-2013, ГОСТ 4543-2016, а также ГОСТ 380-2005. Вышеуказанные стандарты не регламентируют параметры структуры и поверхности металлопроката, которые формируются в процессе прохождения через фильеры и в процессе высадки. Это создает определенные риски появления признаков брака, типа деформационных трещин и короблений [2] в высаженных стержневых изделиях.

Химический состав сталей и механические свойства металлопроката под высадку стержневых метизов различного класса прочности для автомобилей, тракторов и другой спецтехники регламентируются ГОСТ 10702-2016. Для высокопрочной метизной продукции регламентируются механические характеристики по действующему стандарту ИСО 898-1:1999. Требуемый класс прочности определяется маркой стали и режимом термообработки металлопроката и высаженных готовых изделий [3].

Метизные предприятия получают заготовку для изготовления различного крепежа в виде горячекатаного проката, который невозможно использовать для высадки высокопрочных метизов из-за некачественной структуры и поверхностного слоя. Горячекатаный металлопрокат из конструкционных сталей перлитного класса, который закупается в не термообработанном состоянии у поставщиков металлургической продукции, имеет структуру «перлит+феррит». Перед высадкой стержневых изделий термическая обработка и волочение должны формировать необходимые микроструктуру и состояние поверхности проката [4], которые гарантируют качество изделия на всех переходах холодной высадки [5].

Согласно ГОСТ 1759.4-87, высаженные таким способом крепежные стержневые изделия класса прочности 8.8 и выше из легированных сталей, должны подвергаться закалке и отпуску. К сожалению, вышеназванная термическая операция провоцирует появление на готовых изделиях обезуглероживания, трещинообразования и коробления, что повышает трудоемкость, энергоёмкость и, следовательно, конечную себестоимость продукции.

В работе предложен альтернативный способ подготовки структуры проката, включающий в себя изотермомеханическую обработку перлитных сталей 38Х и 38ХА с целью исключения из технологического процесса рекристаллизационного отжига, а также аннулирования закалки с отпуском готовых болтовых изделий, что приведет к нивелированию или снижению рисков возникновения коробления и обезуглероживания на прокате и на изделиях. При этом данный способ позволяет получать механические характеристики проката и качество поверхности, полностью соответствующие ГОСТ 10702-2016.

В работе изучались образцы проката из сталей перлитного класса 38Х и 38ХА, широко применяемых при изготовлении ответственных крепёжных изделий моторной, кузовной и других групп автотракторной и спецтехники.

На основе анализа экспериментальных данных предложена схема изотермомеханической обработки проката из исследованных сталей для изготовления упрочненных длинномерных стержневых изделий с низкой формованной головой и различных шпилечных изделий, соответствующих классу прочности 8.8 и более без их закалки и отпуска.

Схема изотермомеханической подготовки проката для сталей 38Х и 38ХА включает: термообработку исходного проката; травление в растворе кислот после отжига; волочение; изотермическую обработку (температура 470°С); травление в растворе кислот после изотермической обработки; волочение; высадку высокопрочных болтов и шпилек.

Для формирования микроструктуры проката для высадки болтов диаметром 7,8 мм использовали процесс изотермической обработки – отжиг 2-го рода. Превращение аустенита данных сталей в селитровой ванне с температурой 470°С происходит в температурном интервале сорбитного превращения 650-470°С. Получаемый при данной температуре термической ванны аустенит относится к эвтектоидному типу. Исследуемый способ изотермического термоохлаждения при температуре 470°С предложен для получения калиброванного проката после пластической операции волочения для высадки коротких, средних и длинномерных болтов с объемноформованной головой и шпилек различной длины.

С учетом определенного ограничения длины селитровых ванн для изотермической обработки проволоки выдержка обрабатываемого калиброванного проката осуществляется не более, чем до пятишести минут. Для завершения аустенитного превращения в металлопрокате время охлаждения проволоки диаметром 8,28,6 мм при температуре селитровой ванны 470°С составляет 3,9 мин. (234 с).

Образцы металлопроката готовились волочением на диаметры 8,1 мм; 8,2 мм; 8,3 мм; 8,4 мм; 8,5 мм и 8,6 мм с последующей изотермической обработкой в селитровой ванне при 470°С. Окончательное волочение осуществлялось на диаметр 7,8 мм с различными степенями обжатия в фильере волочильного стана. Полученные болты и шпильки М8 подвергались испытаниям на разрыв по ГОСТ 1759.4-87. Химический состав и механические свойства сталей 35Х и 38ХА соответствовали ГОСТ 10702-16. Микроструктурой исходного проката сталей является «перлит + феррит».

После изотермической обработки образцы металлопроката стали 35Х и 38ХА диаметров 8,1 мм; 8,2 мм; 8,3 мм; 8,4 мм; 8,5 мм и 8,6 мм при температуре соляной ванны 470ºС имеют структуру «перлит сорбитообразный». Образцы стали 35Х после вышеуказанной обработки имееют твердость НВ 249, а образцы стали 38ХА – соответственно твердость НВ 254.

Микроструктура калиброванного проката обеих сталей представляет собой

«перлит сорбитообразный». Установлено, что прочностные характеристики изотермически обработанного при 470ºС проката с ростом степени обжатия при волочении от 4,9 до 17,7% постоянно возрастают. Так, предел прочности при растяжении калиброванного проката стали 35Х при степени обжатия от 4,9 до 17,7% возрастает с 860 до 940 МПа, проката 38ХА – с 930 до 1060 МПа.

Механические испытания калиброванного проката сталей 35Х и 38ХА показывают, что условный предел текучести после изотермомеханической технологической подготовки также возрастает. Выявлено, что условный предел текучести проката перед холодной высадкой стали 35Х при степени обжатия от 4,9 до 17,7% возрастает с 770 до 880 МПа, а стали 38ХА – с 800 до 950 МПа.

Изотермомеханическая подготовки проката сталей при температуре 470ºС с последующим волочением со степенями обжатия от 4,9 до 17,7% обеспечивает постоянное снижение относительного удлинения для стали 35Х от 16 до 12,2% и стали 38ХА от 15,7 до 12,2%.

Относительное поперечное сужение после изотермомеханической технологической подготовки проката перед холодной высадкой стали 35Х при степени обжатия от 4,9 до 17,7% убывает от 54 до 52%, а у стали 38ХА – с 53,1 до 50,4%.

Из калиброванного проката сталей 35Х и 38ХА после изотермомеханической подготовки при температуре 470ºС изготовили короткие и длинномерные болты М8 с невысокой обрезной головой и шпильки М8 высадкой на холодновысадочном автомате. После холодной высадки болтов проведены их испытания на разрыв и выявлены прочностные и пластические характеристики. Результаты испытаний болтов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты испытаний болтов из сталей 35Х и 38ХА на разрыв

Болт, М8	Кол-во болтов, шт.	σ в, МПа	Ψ, %	δ, %	НВ
38Х	21	820	44,5	10,7	254
38ХА	17	950	44,5	10,7	286

После холодной штамповки с редуцированием шпилек также были проведены их испытания на разрыв и выявлены проч- ностные и пластические характеристики. Результаты испытаний шпилек представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты испытаний шпилек из стали 38Х и 38ХА на разрыв

Шпилька, М8	Кол-во шпилек, шт.	σ в, МПа	Ψ, %	δ, %	НВ
38Х	18	912	44,5	10,7	248
38ХА	25	938	44,5	10,7	277

Выводы:

Исследована возможность изотермомеханической подготовки проката диаметром 7,8 мм конструкционных сталей перлитного класса 35Х и 38ХА для штамповки холодным способом болтов с обрезной головой и шпилек класса прочности 8.8 и выше без их закалки и отпуска.

Доказано, что болты и шпильки М8, изготовленные из калиброванного проката этих сталей и упрочненные последующей поверхностной пластической деформацией в процессе редуцирования и накатки резьбы, обладают комплексом прочностных и пластических характеристик, соответствующих классу прочности 9.8 согласно требований ГОСТ 52643-2006.