Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГОРЯЧЕКАТАНОГО ПРОКАТА

Изобретение относится к области термомеханической обработки деталей из стали перлитного класса и может быть использовано при изготовлении, например, болтовых метизных изделий.

Высокопрочный крепеж, изготовленный из углеродистых, хромистых и легированных марок сталей, изготавливают с закалкой и отпуском готовых изделий после холодной высадки, что повышает трудоемкость и энергоемкость процесса.

Известен способ изготовления болтов из хромистой стали 40Х (см. журнал «Ремонт, восстановление, модернизация». 10, 2007 г., стр.33-35, А.А.Филиппов, Г.В.Пачурин «Выбор температуры изотермической закалки перед калибровкой проката стали марки 40Х». Горячекатаный прокат (пруток 12,8 мм) предварительно калиброванный, подвергают изотермической обработке: нагревают бунты проката (например, в соляной ванне) в течение 5 минут при температуре порядка 400°C, охлаждают на воздухе 1 минуту, затем в воде. Болты высаживают из калиброванного проката. Однако режимы первичного и вторичного калибрования не указаны, хотя они важны при этом виде обработки. Существенным недостатком известного способа является неравномерность свойств по сечению и длине проката, т.к. обработка производится в бунтах.

В качестве прототипа принят способ обработки горячекатаного проката под высадку болтов (патент на изобретение №2380432, C21D 8/06, опубл. 27.01.2010).

Способ обработки проката включает его первичное калибрование, изотермическую закалку в селитровой ванне с последующим охлаждением на воздухе и в воде, вторичное калибрование, при этом перед первичным калиброванием горячекатаный прокат отжигают в печи при температуре 770-790°C в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до температуры 660-680°C, выдерживают с печью при данной температуре 3-4 ч, охлаждают с печью до комнатной температуры; первичное калибрование осуществляют со степенью обжатия 14-24%, вторичное калибрование после изотермической закалки осуществляют со степенью обжатия 5-6%.

Однако режимы первичного калибрования осуществляют с высокой степенью обжатия (до 24%), что вызывает повышенные нагрузки и преждевременный износ инструмента волочильного стана. Другим недостатком данного способа является то, что закалочные селитровые ванны с составом 50% KNO₃ и 50% NaNO₃ при наличии влаги являются взрывоопасными.

Предлагаемым изобретением решается задача создания способа обработки горячекатаного проката для изготовления болтовых изделий класса прочности 8.8 без их закалки и отпуска после высадки холодным способом, а следовательно, менее трудоемкого и энергоемкого.

Технический результат - получение требуемых механических характеристик проката за счет равномерной структуры сорбита патентирования по сечению и длине проката с сохранением требуемой прочности и пластичности.

Этот технический результат достигается тем, что в способе обработки горячекатаного проката, включающем его отжиг при температуре 770-790°C 3-4 часа, охлаждение с печью до 660-680°C, выдержку 3-4 часа, охлаждение с печью до температуры окружающей среды, первичное волочение, изотермическую обработку в течение 5 минут с последующим охлаждением на воздухе, вторичное волочение, первичное волочение осуществляют со степенями обжатия 12-13%, а вторичное - со степенью обжатия 7-8%, а изотермическую обработку проводят патентированием при температуре 540-560°C.

Отжиг позволяет перевести пластинчатый перлит в зернистый (глобулярный) перлит, который желателен при первичном волочении с высокими обжатиями проката. Первичное волочение позволяет получить промежуточный геометрический размер заготовки и необходимые механические характеристики калиброванного проката с учетом степени обжатия.

Патентирование позволяет получить микроструктуру сорбита патентирования с равномерными по длине проката требуемыми механическими характеристиками.

Вторичное волочение обеспечивает получения окончательного размера проката под дальнейшую холодную высадку деталей при требуемой прочности, пластичности и твердости. Режимы обоснованы экспериментально.

Способ осуществляют следующим образом.

Проводят отжиг горячекатаного проката при температуре 770-790°C в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 660-680°C, выдерживают с печью в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до температуры окружающей среды. Затем проводят первичное волочение на волочильном стане со степенями обжатия 12-13%, а после волочения проводят патентирование: температура аустенизации 880°C (нагрев в соляной ванне в течение 3 минут), выдержка в ванне со свинцом, нагретым до температуры 540-560°C, в течение 5 мин, охлаждение на воздухе. Далее проводят вторичное волочение со степенью обжатия 7-8%. После этого калиброванный прокат готов для холодной высадки изделий.

Пример осуществления способа.

Обрабатывали горячекатаный прокат в мотках стали перлитного класса марки 38ХА для изготовления болтовых изделий класса прочности 8.8 (ГОСТ Р 52627-2006) с диаметром резьбы M10 и M12. Химический состав стали соответствовал ГОСТ 10702-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легирована для холодного выдавливания и высадки». Отжиг горячекатаного проката проводили нагревом при температуре 780°C в течение 3,5 ч, охлаждали с печью до температуры 670°C, выдерживали с печью 3,5 ч, охлаждали с печью до температуры окружающей среды. Затем осуществляли первичное волочение на волочильном стане со степенью обжатия 13%. Нагревали прокат в соляной ванне с составом 78% BaCl и 22% NaCl до температуры 880°C в течение 3 мин. Патентирование (выдержку) проката осуществляли в ванне со свинцом, нагретым до температуры 550°C, 5 мин, охлаждали на воздухе. После патентирования проводили вторичное волочение со степенью обжатия 7%.

В других примерах меняли температуру отжига (760, 770, 790 и 800°C) при средних значениях степеней обжатия, выдержки с печью, времени нагрева в соляной ванне и режима патентирования. Оптимальной была принята температура отжига в печи 770-790°C.

При уменьшении температуры отжига (760°C) пластинчатый перлит не переходит полностью в зернистый перлит. При увеличении температуры отжига (800°C) происходит увеличение размеров зерна, а это приводит к снижению прочностных и пластических характеристик.

Охлаждение с печью до температуры 660-680°C выбрано с учетом того, что при температуре менее 660°C формируется удовлетворительная микроструктура, а при температуре более 680°C растет зерно, что нежелательно.

Выдержка при этом 3-4 ч эффективна, т.к. при выдержке менее 3 часов структурные превращения не успевают пройти, в результате чего получаем неравномерные механические свойства. Выдержка более 4 часов экономически нецелесообразна и затягивает технологический процесс.

Меняли степень обжатия проката при первичном волочении (10, 12, 13, 14,) при средних значениях температуры отжига, выдержки, времени нагрева в соляной ванне, режима патентирования, степени обжатия при окончательном волочении.

Оптимальной была принята степень обжатия проката от 12 до 13%.

При уменьшении степени обжатия остается овальность на прокате, выявляется неравномерность механических свойств по сечению и длине проката.

При увеличении степени обжатия повышается прочность и снижается пластичность, увеличивается нагрузка на волочильный инструмент.

Меняли время нагрева проката в соляной ванне при температуре аустенизации 880°C (2 мин и 5 мин) при средних значениях степеней обжатия, выдержки с печью и режима патентирования. Оптимальной было принято время нагрева в соляной ванне 3 мин.

При уменьшении времени нагрева 2 мин в структуре проката не успевали проходить процессы аустенизации.

При увеличении времени нагрева 5 мин снимался наклеп проката и на поверхности появлялся частично обезуглероженный слой.

Меняли температуру при патентировании (500°C и 600°C) при средних значениях температуры отжига, выдержки, степени обжатия при первичном волочении, времени нагрева в соляной ванне, степени обжатия при вторичном волочении. Оптимальной температурой была принята температура патентирования 550°C.

При уменьшении температуры патентирования (500°C) в течение 5 мин не заканчиваются полностью превращения аустенита и при последующем охлаждении на воздухе оставшийся аустенит переходит в мартенсит. Это недопустимо для проката, используемого для холодной высадки. При увеличении температуры патентирования (600°C) получили низкие прочностные характеристики проката, которые не удовлетворяют требованиям класса прочности 8.8.

Меняли степень обжатия проката при вторичном волочении (5, 7, 8, 9%) при средних значениях температуры отжига, выдержки, времени нагрева в соляной ванне, режима патентирования, степени обжатия при первичном волочении. Оптимальной была принята степень обжатия проката от 6 до 7%.

При уменьшении степени обжатия (5%) получили прочностные характеристики на нижнем необходимом пределе. При увеличении степени обжатия (9%) увеличиваются прочностные показатели, а пластичность проката снижается.

Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате стали марки 40Х с химическим составом по ГОСТ 10702-78. Сталь марки 40Х позволяет получать аналогичные результаты.

Механические свойства образцов определяли на разрывной машине ЦДМ-100, шкала 20 кг, твердость на приборе Роквелла по шкале С на параллельно шлифованных лысках, микроструктуру - на поперечных микрошлифах с использованием микроскопа «Неофот-21» при увеличении ×500, травление образцов производили в 4% растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Результаты приведены в таблице.