Патент на изобретение №2380432

(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГОРЯЧЕКАТАНОГО ПРОКАТА ПОД ВЫСАДКУ БОЛТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области механико-термической обработки деталей из хромистой стали и может быть использовано при изготовлении болтов. 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 при температуре 770-790°С в течение 3-4 часов, охлаждают с печью до 660-680°С, выдерживают 3-4 часа, 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%. Способ обеспечивает выравнивание структуры, механических и пластических характеристик по сечению и длине проволоки. 1 табл.

Изобретение относится к области механико-термической обработки деталей из хромистых марок сталей и может быть использован при изготовлении болтов класса прочности 8.8 и 10.9 ГОСТ Р 52627-2006.

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

Известен способ механико-термического упрочнения нержавеющих аустенитных сталей для изготовления крепежных изделий в котлостроении (патент РФ 2287592, С21D 6/00, 6/04/8/00, опубликован 2006 11.20.)

Способ включает: закалку, отпуск, пластическую деформацию при температуре 77 К до 10% с последующим нагревом до температуры обратного превращения мартенсита в аустенит, равной 730-770 К, затем при этой же температуре ведут нагружение до величины н=(0,5÷0,9)_0,2 и отпуск в упруго-напряженном состоянии в течение часа. В результате происходит более полное снятие микронапряжений за счет получения мелкодисперсного структурного состояния с высоким прочностными и релаксационными характеристиками, а следовательно, увеличение процента выхода годных к эксплуатации изделий.

В примере осуществления способа образцы аустенитной стали 08Х18Н10Т (изготовленные в соответствии с ГОСТ – 1497-73) с неустойчивой структурой после термической обработки закаляют от 1323 К на воздухе с последующим отпуском при температуре 1020 К (ГОСТ 5582-75), деформируют методом прокатки или одноосным растяжением при температуре жидкого азота 77 К до =10%, нагревают в электропечи в воздушной среде с оптимальной скоростью, равной 0,175 С/с, до температуры 730-770 К, при которой наиболее интенсивен процесс превращения мартенсита в аустенит с нагружением до _н(0,5-0,9)_0,2 и отпуском при данной температуре в напряженном состоянии в течение 1 часа.

Однако известный способ относится к изготовлению изделий из нержавеющих аустенитных сталей и неприемлем при изготовлении болтов из хромистых марок сталей.

В качестве прототипа принят способ изготовления болтов из хромистой стали марки 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, затем осуществляют изотермическую обработку: нагревают бунты проката (например, в соляной ванне с составом 78% BaCl и 22% NaCl) при температуре 880°С в течение 4 минут и закаливают в селитровой ванне (например, с составом 50% KNO₃ и NaNo₃ 50%) в течение 5 минут при температуре порядка 400°С, 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 (механических характеристик) по сечению и длине проката, т.к. обработка производится в бунтах.

Предлагаемым изобретением решается задача создания способа изготовления болтов без их термической обработки после высадки, а следовательно, менее энергоемкого.

Технический результат – повышение механических характеристик калиброванного проката за счет более равномерной микроструктуры по сечению и длине проката с сохранением пластических свойств.

Этот технический результат достигается тем, что в способе обработки горячекатаного проката под высадку болтов, включающем первичное калибрование проката, изотермическую закалку в селитровой ванне с последующим охлаждением на воздухе и в воде, вторичное калибрование, перед первичным калиброванием горячекатаный прокат отжигают при температуре 770-790°С в течение 3-4 часов, охлаждают с печью до 660-680°С, выдерживают 3-4 часа, охлаждают с печью до комнатной температуры, первичное калибрование осуществляют со степенью обжатия 14,0-24,0%, вторичное калибрование после изотермической закалки осуществляют со степенью обжатия 5-6%.

Обоснование технического результата.

Отжиг позволяет перевести пластинчатый перлит в глобулярный, необходимый для первичного калибрования.

Первичное калибрование обеспечивает получение промежуточного размера и необходимых механических свойств калиброванного проката с учетом степени обжатия.

Вторичное калибрование позволяет получить необходимый окончательный размер калиброванного проката под последующую холодную высадку болтов при необходимой прочности и пластичности с учетом степени обжатия. Режимы обоснованы экспериментально.

Способ осуществляют следующим образом.

Проводят отжиг горячекатаного проката при температуре 770-790°С, выдержка 3-4 часа, охлаждение с печью до 660-680°С, выдержка 3-4 часа, охлаждение с печью. Затем проводят первичное калибрование на волочильном стане со степенью обжатия 14,0-24,0%, а после калибрования проводят изотермическую закалку, как в прототипе, нагрев до 880°С (нагрев в соляной ванне в течение 4 минут, охлаждение в селитровой ванне при температуре 400°С в течение 5 минут, охлаждение на воздухе 1 минуту, охлаждение в воде). Далее проводят вторичное калибрование со степенью обжатия 5-6%. Затем калиброванный прокат подают на высадку болтов методом холодной объемной штамповки.

Пример осуществления способа.

Обрабатывали горячекатаный прокат в бунтах хромистой стали марки 40Х для изготовления болтов класса прочности 8.8 и 10.9 (ГОСТ Р 52627 – 2006) с диаметром резьбы M10 и M12. Химический состав стали соответствовал ГОСТ 1072-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки». Отжиг горячекатаного проката проводили нагревом при температуре 780°С в течение 3,5 часов, охлаждали с печью до температуры 670°С, выдерживали 3,5 часа, охлаждали с печью. Затем осуществляли первичное калибрование со степенью обжатия 20% на волочильном стане. Нагревали бунты в соляной ванне (78% BaCl и 22% NaCl) до 880°С 4 минуты. Изотермическую закалку осуществляли в селитровой ванне (50% KNO₃ + 50% NaNO₃) с температурой 880°С 5 минут, охлаждали на воздухе 1 минуту и окончательное – в воде (как в прототипе). После изотермической закалки проводили вторичное калибрование со степенью обжатия 5,5% в пределах упругой деформации.

В других примерах меняли температуру отжига (760°С, 770°С, 790°С, 800°С) при средних значениях степеней обжатия, выдержки с печью и режима изотермической закалки. Оптимальной была принята температура отжига 770-790°С.

При уменьшении температуры отжига (760°С) не весь пластинчатый перлит переходит в глобулярный. При увеличении температуры отжига (800°С) происходит увеличение размеров зерна, а это приводит к снижению пластических свойств.

Охлаждение с печью до температуры 660-680°С выбрано оптимальным, т.к. при температуре менее 660°С получается более мелкозернистая структура, а при температуре более 680°С растет зерно, что нежелательно.

Выдержка при этом 3-4 часа оптимальна, т.к. при выдержке менее 3 часов не успевают пройти структурные превращения. А выдержка более 4 часов нецелесообразна, т.к. необоснованно затягивается технологический процесс.

Меняли степень обжатия при первичном калибровании (10%; 14,%; 20%; 24,%, 25%) при средних значениях температуры отжига, выдержки, режима изотермической закалки, степени обжатия при окончательном калибровании.

Оптимальной была принята степень обжатия проката от 14,0% до 24,%

При уменьшении степени обжатия (10%) появляется неравномерность механических свойств по сечению и длине проката.

При увеличении степени обжатия (25%) наблюдается вытянутость зерен, повышение прочности и снижение пластичности.

Меняли степень обжатия при вторичном калибровании (3%, 5%, 6%, 8%) при средних значениях температуры отжига, выдержки, режима изотермической закалки, степени обжатия при первичном калибровании. Оптимальной была принята степень обжатия 5-6%.

При уменьшении степени обжатия (3%) повышается износ отверстия калибровочного инструмента. При увеличении степени обжатия (8%) снижаются показатели пластичности.

Повторяли эксперименты на горячекатаном прокате сталей марок 38ХА, 35Х (химический состав по ГОСТ 10702-78). Сталь марки 38ХА позволяет получать аналогичные результаты. Сталь марки 35Х позволяет получать аналогичные результаты при содержании в химическом составе углерода на верхнем пределе согласно ГОСТ 10702-78.

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.

Таблица
Механические свойства калиброванного проката по предложенной технологии и прототипу.
Способ	в, МПа	0,2 МПа	Y %	HRC	%	Примечание
Предлагаемый
Ст.40Х
Калиброванный прокат 11,65	1000	920	56-57	26	13,6
Калиброванный прокат 9,7 мм	905	805	56-57	27	14	Показатели в и 0,2 ниже, т.к. меньше диаметр калиброванного проката
Прототип
Ст.40Х
Калиброванный прокат 11,65 мм (исследован авторами заявки)	900-920	700-730	56-57	24-25	13,8

Формула изобретения

Способ обработки горячекатаного проката под высадку болтов, включающий его первичное калибрование, изотермическую закалку в селитровой ванне с последующим охлаждением на воздухе и в воде, вторичное калибрование, отличающийся тем, что перед первичным калиброванием горячекатаный прокат отжигают при температуре 770-790°С в течение 3-4 ч, охлаждают с печью до 660-680°С, выдерживают 3-4 ч, охлаждают с печью до комнатной температуры, при этом первичное калибрование осуществляют со степенью обжатия 14-24%, а вторичное калибрование после изотермической закалки осуществляют со степенью обжатия 5-6%.