Способ подготовки проката для изготовления высокопрочных стержневых крепежных метизных изделий Российский патент 2023 года по МПК C21D8/06 

Изобретение относится к области изотермомеханической обработки сортового горячекатаного проката и может быть использовано при изготовлении из него высокопрочных крепежных стержневых изделий из конструкционных сталей перлитного класса для автомобилей, тракторной, сельскохозяйственной и специальной техники, которые удовлетворяют требованиям действующего межгосударственного стандарта ГОСТ ИСО 898-1:2014 «Механические свойства крепежных изделий из углеродистых и легированных сталей. Часть 1. Болты, винты и шпильки установленных классов прочности с крупным и мелким шагом резьбы».

Крепежные стержневые метизные изделия, соответствующие классу прочности 9.8, которые изготавливаются из углеродистых, легированных и хромистых марок сталей, необходимо подвергать термической объемной закалки и термическому отпуску после их изготовления методом холодной штамповки на окончательном размере шага резьбы. Термическая обработка изготовленных изделий может привести к обезуглероживанию их поверхности, появлению деформационных трещин, короблению окончательно изготовленных стержневых крепежных изделий, и, как следствие, повышению их себестоимости и трудо- и энергоемкости технологического процесса изготовления метизов.

В качестве прототипа принят способ обработки горячекатаного проката под высадку болтов (патент на изобретение № 2486260, С21D8/06, опубл. 27.06.2013 г.).

Способ обработки горячекатаного проката включает его отжиг при температуре 770-790ºС 3-4 ч, охлаждение с печью до 660-680ºС, выдержку 3-4 ч, далее охлаждение с печью до температуры окружающей среды, затем проводят первичное волочение и изотермическую обработку в течение 5 мин с последующим охлаждением на воздухе, после проводят вторичное калибрование. После нагрева и выдержки металлопроката в пространстве рабочей печи 3-4 часа продолжают его охлаждение вместе с печью до температуры окружающей среды, первичное волочение проводят со степенью обжатия 12-13%, а вторичное волочение – со степенью обжатия 7-8%, изотермическую обработку проводят путем патентирования при температуре 540-560ºС. Вышеуказанный способ подготовки проката для изготовления высокопрочных крепежных стержневых изделий имеет ряд недостатков. После выдержки проката в печи отжига 3-4 ч, охлаждение проката проводят вместе с печью до температуры окружающей среды, а это затягивает технологический процесс отжига. Полный отжиг горячекатаного проката в печи для получения в нём структуры зернистого перлита занимает достаточно продолжительное время. Первое волочение проводится на волочильном стане со степенями обжатия (12-13%), что не создает условия для формирования необходимых механических свойств в обрабатываемом прокате, которые требуются для получения высокопрочного крепежа класса прочности 9.8. Изотермическая подготовка калиброванного проката после первого волочения проводится патентированием при достаточно высоких значениях температур от 540ºС до 560ºС. Данный способ подготовки горячекатаного проката рекомендуется использовать только для подготовки из него крепежных изделий методом холодной объемной штамповкой класса прочности не выше 8.8 (σ_в ≥ 800 МПа).

Предлагаемым изобретением решается задача создания способа изготовления стержневых высокопрочных крепежных изделий для класса прочности 9.8 сокращением продолжительности термического отжига металлопроката на структуру зернистый перлит и без термической объемной закалки и термического отпуска после окончательного изготовления их методом холодной объемной штамповки с последующей накаткой резьбы на готовом размере изделий.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение необходимых прочностных и пластических свойств калиброванного проката, удовлетворяющих требования ГОСТ 10702-2016 «Прокат сортовой из конструкционной нелегированной и легированной стали для холодной штамповки. Общие технические условия» за счет подготовки равномерной по всей площади поперечного сечения и длине мотка проката мелкодисперсной структуры пластинчатого сорбита.

Технический результат достигается тем, что в способе подготовки горячекатаного проката для изготовления высокопрочных стержневых крепежных метизных изделий, включающем его отжиг в печи в течение 3-4 ч, охлаждение с печью и выдержка 3-4 ч, охлаждение металлопроката на воздухе до температуры охлаждающей среды, первичное волочение, изотермическую обработку патентированием, вторичное волочение, отжиг проводят при температуре 760-780°С, после выдержки в печи проводят охлаждение с печью до температуры 650-670°С, перед охлаждением на воздухе проводят охлаждение с печью до температуры 170-180°С с выдержкой 2,5-3 ч, первичное волочение осуществляют со степенью 18-21%, вторичное – со степенью 5-6%, а изотермическую обработку патентированием ведут при температуре 425°С.

В предлагаемом способе подготовки проката для изготовления высокопрочных стержневых крепежных метизных изделий обеспечивается снижение времени выдержки и изменением температур при нагреве и охлаждении с печью, предлагаются допустимые температуры изотермической обработки патентированием и используются необходимые и достаточные степени обжатия при первичном и вторичном волочении горячекатаного и калиброванного проката на волочильном оборудовании. Предлагаемые технологические операции обеспечивают снижение вероятности образование трещин и обезуглероживания поверхности, а также получение равномерной микроструктуры по всей длине проката. Кроме того, исключается проявление дефекта «апельсиновая корка» на поверхности готовых стержневых метизных изделий. Исключение данных дефектов готовой продукции позволяет снизить их себестоимость и обеспечить уменьшение отбраковки и сортировки готовых изделий.

Данный технический результат изобретения достигается тем, что в способе подготовки горячекатаного проката для изготовления метизных изделий, включающем его отжиг при температуре 760-780°С в течение 4-3 ч, охлаждение с печью до 650-670°С, выдержка в печи 3-4 ч; после выдержки в печи 3-4 ч перед охлаждением на воздухе проводят дополнительное охлаждение с печью до температуры 170-180°С, выдерживают с печью 2,5-3 ч; первичное волочение осуществляют со степенью 18-21%, вторичное волочение - со степенью 5-6%, при этом изотермическую обработку патентированием ведут при температуре 425°С.

Отжиг позволяет структуру горячекатаного проката «перлит + феррит» перевести в структуру «зернистый перлит», при этом повышается пластичность металла, снижается неоднородность микроструктуры и появляется возможность проводить первичное волочение горячекатаного проката со степенью обжатия 18-21%. Охлаждение с печью до 170-180°С, выдержка с печью 2,5-3 ч и далее на открытом воздухе до температуры окружающей среды способствует образованию равномерной по площади поперечного сечения структуры «зернистый перлит». При этом сокращается продолжительность отжига в печи и исключается образование поверхностных упрочнений на поверхности проката.

Первичное волочение с предлагаемыми степенями обжатия горячекатаного проката, позволяет получать необходимые механические характеристики калиброванного проката, снизить неравномерность деформации, исключает вероятность появления дефекта «апельсиновая корка» и обеспечивает исключение эллипсоидности на промежуточном геометрическом размере (диаметре) сечения проката и длине мотка.

Изотермическая обработка патентированием позволяет получить микроструктуру проката, представляющую собой равномерно распределенную по поперечному сечению и по всей длине мотка проката микроструктуру мелкодисперсного пластинчатого сорбита. Предлагаемая технологическая процедура обеспечивает механические свойства, которые позволяют использовать повторное волочение проката.

Вторичное волочение обеспечивает получение требуемого геометрического размера по диаметру проката под холодную объемную штамповку при необходимых и достаточных пластических и прочностных характеристиках. Режимы обоснованы экспериментально.

Способ осуществляют следующим образом.

Проводят отжиг горячекатаного проката при температуре 760-780°С в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 650-670°С, выдерживают с печью в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 170-180°С, выдерживают с печью 2,5-3 ч и далее охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды; затем на волочильном стане проводят первичное волочение со степенями обжатия 18-21%, а после первичного волочения проводят изотермическую обработку патентированием при температуре нагрева (аустенизация) проката 880°С в течение 4,0 мин (240 сек), выдержке в ванне со свинцом, нагретым до температуры 425°С в течение 3,5 мин (210 с), далее охлаждение на открытом воздухе. Затем на волочильном стане проводят вторичное волочение со степенью обжатия 5-6%. После проведения вторичного волочения калиброванный прокат используется для изготовления метизов способом холодной объемной штамповки.

Пример осуществления способа.

Применяли горячекатаный прокат - конструкционную сталь перлитного класса марки 40Х для изготовления холодной объемной штамповкой стержневых длинномерных ботов класса прочности 9.8 по требованиям ГОСТ ИСО 898-1:2014 «Механические свойства крепежных изделий из углеродистых и легированных сталей. Часть 1. Болты, винты и шпильки установленных классов прочности с крупным и мелким шагом резьбы» с диаметром резьбы М8, М10 и М12 без последующей их объемной закалки и отпуска. Химический состав стали марки 40Х соответствовал ГОСТ 10702-2016.

Отжиг одного мотка горячекатаного проката проводили нагревом при температуре 770ºС в течение 3,5 ч, охлаждали с печью до температуры 660ºС, выдерживали с печью 3,5 ч, затем охлаждали с печью до 175ºС, выдерживали с печью 2,7 ч и далее охлаждали на открытом воздухе до температуры окружающей среды помещения. Затем осуществляли первичное волочение в волоке на волочильном стане со степенью обжатия 19%. Нагрев калиброванного проката производили при температуре 880°С в течение 4,0 мин (240 с). Изотермическую обработку проката осуществляли патентированием в ванне со свинцом, нагретым до температуры 425°С, в течение 3,5 мин (210 с), затем охлаждали на воздухе. После изотермической обработки патентированием проводили повторное волочение на волочильном стане со степенью обжатия 6%.

В других примерах меняли температуру отжига горячекатаного проката (740,750, 760;770; 780; 790 и 800°С) при средних значениях степеней обжатия, выдержке с печью, времени нагрева в печи перед изотермической обработкой и режима изотермической обработки патентированием. Оптимальной была принята температура отжига в печи 760-780°С.

При уменьшении температуры отжига (740ºС) структура проката «перлит + феррит» имеет составляющие: менее 70% «зернистый перлит» и более 20% «пластинчатый перлит». При увеличении температуры отжига (790°С и более) увеличивается размер зёрен микроструктуры, что может способствовать снижению прочностных и увеличению пластических характеристик горячекатаного проката.

Охлаждение с печью до температуры 650-670°С выбрано с учетом того, что при медленном охлаждении при температуре 650°С окончательно формируется микроструктура «зернистый перлит», а при температуре более 690°С её положение неустойчиво.

Выдержка при отжиге 3-4 ч достаточна, т.к. при выдержке менее 3 ч мотки металла в печи прогревается неравномерно и структурные превращения в металле не успевают равномерно произойти по всей длине мотка, а это является причиной появления неравномерных механических характеристик. Выдержка в печи 4 ч и более приводит к увеличенным энергетическим затратам, затягивает технологический процесс отжига и способствует появлению обезуглероженного слоя на поверхности горячекатаного проката.

Охлаждение с печью до 170-180°С, выдержка с печью 2,5-3 ч и далее охлаждение на воздухе до температуры окружающей среды помещения способствует образованию равномерной микроструктуры «зернистый перлит» по поперечному сечению мотка, позволяет избежать упрочнений на поверхности металла и ускоряет технологический процесс отжига. При увеличении температуры выдержки охлаждения с печью (220°С и более) увеличивается вероятность получения обезуглероженного слоя на поверхности проката и повышенных прочностных характеристик. При снижении температуры выдержки охлаждения с печью (150°С и менее) увеличивается время отжига горячекатаного проката.

Меняли степень обжатия проката при первичном волочении (16, 17. 18, 19, 20, 21, 22, 23 и 24%) при средних значениях температуры отжига, выдержке металла в печи, охлаждения с печью, время нагрева в печи, изотермического режима патентирования, степени обжатия при повторном волочении. Оптимальной была выявлена степень обжатия проката от 18 до 21%.

При уменьшении степени обжатия проката выявляется занижение прочностных характеристик по поперечному сечению проката, что может не обеспечить механические свойства готовых длинномерных изделиях класса прочности 9.8 и существует вероятность появления дефекта «апельсиновая корка» при последующем волочении проката.

При увеличении степени обжатия повышаются прочностные и снижаются пластические характеристики, что может привести к увеличению нагрузки и преждевременному износу инструмента.

Меняли время нагрева проката в печи с при температуре аустенизации 880°С (2,0 мин (120 с); 4,0 мин (240 с); 6,0 мин (360 с) при средних значениях степеней обжатия, выдержки с печью, охлаждения с печью и изотермического режима патентирования. Необходимым временем нагрева в печи было принято время нагрева 4,0 мин (240 с).

При уменьшении времени нагрева 2,0 мин (120 с) в структуре проката стали марки 40Х не обеспечивалась полная гомогенизация аустенита.

При увеличении времени нагрева 6,0 мин (360 с) снижались прочностные и повышались пластические характеристики.

Меняли температуру при изотермической обработке патентированием (400°С и 460°С) при средних значениях температуры отжига, выдержки и охлаждения с печью, степени обжатия при первичном волочении, времени нагрева в печи, степени обжатия при вторичном волочении. Оптимальной температурой была принята температура изотермической обработки патентированием 425°С.

При увеличении температуры изотермической обработки патентированием (480°С) в течение 4,0 мин (240 с) образуется микроструктура «сорбита патентирования», которая имеет высокие прочностные характеристики и соответствуют требованиям класса прочности 10.9 и выше.

При уменьшении температуры изотермической обработки патентированием (400°С) в течение 4,0 мин (240 с) получили структуру «сорбит патентирования». Полученная микроструктура проката имеет высокие прочностные свойства и соответствует требованиям класса прочности 10.9.

Меняли степень обжатия проката при вторичном волочении (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,%) при средних значениях температуры отжига на «зернистый перлит», выдержки и охлаждения с печью, времени нагрева в печи, режима изотермической обработки патентированием, степени обжатия при первичном волочении. Оптимальной была принята степень обжатия проката при вторичном волочении от 5 до 6%.

При уменьшении степени обжатия проката (4% и менее) получили низкие прочностные характеристики калиброванного проката.

С ростом степени обжатия (более 9%) увеличиваются прочностные свойства, а пластические характеристики проката - снижаются.

Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате стали марки 38ХА с химическим составом по ГОСТ 10702-2016. После проведения испытаний получили идентичные результаты.

Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате стали марки 35Х с химическим составом по ГОСТ 10702-2016 (селект по углероду от 0,36-0,39%). После проведения испытаний получили идентичные результаты.

Травление образцов проката проводили в 4% растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Твердость образцов проката определяли на приборе Роквелла по шкале С на параллельно шлифованных лысках; механические характеристики измеряли на разрывной машине ЦДМ-100, шкала 20 кг; микроструктуру образцов проката определяли на поперечных микрошлифах с использованием микроскопа «Неофот-21» при увеличении х500.

Проведенный анализ аналогичных марок сталей показал, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», полученный технический результат, достигаемый и совокупность существенных признаков, свидетельствует о соответствии критерию «изобретательский уровень», а проведенные испытания в производственных условиях подтверждают промышленную применимость.

Результаты характеристик проката по предложенной технологии и прототипу приведены в таблице 1.

Таблица 1

Механические характеристики проката по предложенной технологии и прототипу

Характеристики
и размер проката σ_в,
МПа σ_т,
МПа Ψ,
% δ,
% HRc Примечание Предлагаемый Калиброванный прокат Ǿ 11,65 974 906 54 12,3 26-27 Методом изотермомеханической обработки и холодной объемной пластической штамповки получили высокопрочные длинномерные стержневые болты класса прочности 9.8 без их последующей объемной закалки и отпуска. Калиброванный прокат Ǿ 9,7 981 907 53,5 12,1 26-27 Прототип Калиброванный прокат Ǿ11,65 905 810 58 15,2 24 Получили методом холодной объемной штамповки высокопрочный крепеж класса прочности 8.8 без последующей их объемной закалки и отпуска Калиброванный прокат Ǿ9,7 890 780 57,5 14,8 24

Изобретение относится к области изотермомеханической обработки сортового горячекатаного проката и может быть использовано при изготовлении из него высокопрочных крепежных стержневых изделий из конструкционных сталей перлитного класса для автомобилей, тракторной, сельскохозяйственной и специальной техники. Cпособ подготовки горячекатаного проката для изготовления высокопрочных стержневых крепежных метизных изделий включает отжиг в печи в течение 3-4 ч, охлаждение с печью и выдержку 3-4 ч, охлаждение металлопроката на воздухе до температуры охлаждающей среды, первичное волочение, изотермическую обработку патентированием, вторичное волочение, отжиг проводят при температуре 760-780°С, после выдержки в печи проводят охлаждение с печью до температуры 650-670°С, перед охлаждением на воздухе проводят охлаждение с печью до температуры 170-180°С с выдержкой 2,5-3 ч, первичное волочение осуществляют со степенью 18-21%, вторичное – со степенью 5-6%, а изотермическую обработку патентированием ведут при температуре 425°С. Технический результат - получение необходимых прочностных и пластических свойств калиброванного проката, удовлетворяющие требования ГОСТ 10702-2016 «Прокат сортовой из конструкционной нелегированной и легированной стали для холодной штамповки. Общие технические условия» за счет подготовки равномерной по всей площади поперечного сечения и длине мотка проката мелкодисперсной структуры пластинчатого сорбита. 1 табл., 1 пр.

Способ подготовки горячекатаного проката для изготовления высокопрочных стержневых крепежных метизных изделий, включающий его отжиг в печи в течение 3-4 ч, охлаждение с печью и выдержку 3-4 ч, охлаждение металлопроката на воздухе до температуры охлаждающей среды, первичное волочение, изотермическую обработку патентированием, вторичное волочение, отличающийся тем, что отжиг проводят при температуре 760-780°С, после выдержки в печи проводят охлаждение с печью до температуры 650-670°С, перед охлаждением на воздухе проводят охлаждение с печью до температуры 170-180°С с выдержкой 2,5-3 ч, первичное волочение осуществляют со степенью 18-21%, вторичное – со степенью 5-6%, а изотермическую обработку патентированием ведут при температуре 425°С.