Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Пачурин Г.В. 1 Филиппов А.А. 1 Пачурин В.Г. 1

---

1 ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

В машиностроительной промышленности широко используются различные болтовые крепёжные изделия, получаемые из сортового проката операциями холодной объемной штамповки, например, волочения и последующей холодной высадки. После процесса формирования изделия обычно подвергаются закалке с отпуском. Развитие производства упрочнённого крепежа, наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, в условиях рыночных отношений предполагает снижение затрат по всей производственной цепочке – от получения проката до изготовления метизов требуемого качества. Это становится особенно актуальным в условиях массового производства. С точки зрения выбора марки стали под крепеж наиболее предпочтительной представляется сталь 40Х, обладающая относительно низкой стоимостью и имеющая традиционно наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий любой степени массовости. В работе представлены результаты исследования влияние температуры изотермической обработки для разных степеней обжатия при волочении на механические характеристики горячекатаного проката их стали 40Х.

Статья в формате PDF

507 KB

горячекатаный прокат

изотермическая обработка

волочение

степень обжатия

прочностные свойства

пластические свойства

структура.

1. Пачурин Г.В. Коррозионная долговечность изделий из деформационно-упрочненных металлов и сплавов: учебное пособие. – 2-е изд., доп. – СПб.: Издательство «Лань», 2014. – 160 с.: ил.

2. Пачурин Г.В., Филиппов А.А. Экономичная технология подготовки стали 40Х к холодной высадке крепежных изделий // Вестник машиностроения. – 2008. – № 7. – С. 53-56.

3. Пачурин Г.В., Филиппов А.А. Выбор рациональных значений степени обжатия горячекатаной стали 40Х перед холодной высадкой метизов // Известия ВУЗов. Черная металлургия. – 2008. – № 7. – С. 23-25.

4. Пачурин Г.В., Филиппов А.А., Кузьмин Н.А. Влияние химического состава и структуры стали на качество проката для изготовления болтов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8 (Часть 2). – С. 87-92.

5. Пачурин Г.В., Филиппов А.А. Эффект пластической деформации при волочении и термической обработки на структуру и свойства стального проката // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8 (Часть 2). – С. 93-98.

6. Пачурин Г.В., Филиппов А.А., Кузьмин Н.А. Анализ качества проката для холодной высадки крепежных изделий // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8 (Часть 2). – С. 111-115.

7. Филиппов А.А., Пачурин Г.В., Кузьмин Н.А. Упрочняющая обработка проката для крепежа с целью снижения его стоимости // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8 (Часть 2). – С. 107-110.

8. Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Ресурсосберегающая подготовка стального проката к холодной высадке крепежных изделий // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8. (Ч. 4). – С. 23-29.

9. Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Основные направления развития производства высокопрочного крепежа // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 8. (Ч. 4). – С. 30-36.

10. Pachurin G.V., Filippov A.A. Economical preparation of 40X steel for cold upsetting of bolts // Russian Engineering Research. – 2008. – Т. 28, № 7. – С. 670-673.

Введение

Безопасность конструкции во многом определяется эксплуатационной надежностью составляющих ее элементов [1]. К числу ответственных и широко распространенных в машиностроении деталей относятся метизные изделия из углеродистой, высокоуглеродистой и легированной стальной проволоки [4].

В машиностроительной промышленности широко используются различные болтовые крепёжные изделия, получаемые из сортового проката операциями холодной объемной штамповки (ХОШ), например, волочения и последующей холодной высадки [3]. После процесса формирования изделия обычно подвергаются закалке с отпуском [7-10]. Развитие производства упрочнённого крепежа, наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, в условиях рыночных отношений предполагает снижение затрат по всей производственной цепочке – от получения проката [1,6] до изготовления метизов требуемого качества [9,10]. Это становится особенно актуальным в условиях массового производства. С точки зрения выбора марки стали под крепеж наиболее предпочтительной представляется сталь 40Х [2], обладающая относительно низкой стоимостью и имеющая традиционно наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий любой степени массовости. Данная марка стали зарекомендовала себя легко осваиваемой метизным производством любой степени массовости. А соответствующее содержание углерода, и достаточно экономное легирование хромом упрощает реализацию предлагаемого технического решения во всех его технологических компонентах [4,5].

Методика исследования

Горячекатаный прокат (г/к) стали 40Х диаметром 11,0 и 13,0 мм по химсоставу соответствовал ГОСТ 10702-78, а по геометрическим параметрам ГОСТ 2590-88 «Прокат стальной горячекатаный круглый» обычной точности прокатки «В».

Отжиг горячекатаного проката стали 40Х на микроструктуру – зернистый перлит производился в камерной печи с выдвижным подом. Очистка поверхности термически обработанного проката от окалины производилась в маточном растворе серной кислоты в соотношении: H₂SO₄ – 25%, остальное железный купорос (Fe₂SO₄ +H₂). Затем прокат промывали в проточной воде и подвергали изотермической обработке. С целью формирования окончательной микроструктуры гомогенного аустенита прокат перед изотермической обработкой нагревался в соляной ванне (78% ВаСL + 22% NaСL) до 880ºС и выдерживался в течение 5-ти минут. Затем образцы переносились в селитровую ванну (50% NaNO₃ + 50% KNO₃) и осуществлялась операция патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550 ºС с выдержкой пять минут. Далее охлаждение образцов проводилось на воздухе в течение двух минут, затем они охлаждались в воде. Снятие окисного слоя изотермически обработанного проката производили в маточном растворе серной кислоты (H₂SO₄ – 25%, остальное железный купорос – Fe₂SO₄). Затем прокат промывался в проточной воде. Волочение проката производилось на однократном волочильном стане ВС/1-750, соответственно со степенями обжатия 5, 10, 20, 30, 40 и 60%. В качестве технологической смазки использовалась мыльная стружка.

Прочностные и пластические характеристики горячекатаного проката в исходном состоянии и калиброванного проката после всех видов технологической переработки определялись при испытании на растяжении на разрывной машине типа ЦДМ–100. Микроструктура исследовалась под микроскопом МИМ–8 при увеличении х200…600 и на микроскопе «Неофот-21» при увеличении ×100…600.

Результаты исследования и их обсуждение

Ниже приведены результаты, показывающие влияние температуры патентирования на механические характеристики проката при разных степенях обжатия (5, 10, 20, 30, 40 и 60%).

Степень обжатия 5%

Результаты исследования влияния изотермической операции изотермической обработки в интервале температур 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и последующего волочения с 5% степенью обжатия на прочностные и пластические характеристики проката стали 40Х показаны на рис. 1 и 2.

Экспериментальные данные показывает, что после изотермической обработки в интервале температур 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и последующего волочения со степенью обжатия 5%, меняются прочностные характеристики проката стали 40Х.

Рис. 1. Зависимость σв и σт от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 5%

Установлено, что предел текучести при температуре от 370 до 400°С убывает от 1000 до 840 МПа. Дальнейшее увеличение температуры изотермической обработки от 400 до 500°С приводит с увеличению σт с 840 до 1000 МПа. Рост температуры от 500 до 550°С способствует его снижению с 1000 до 810 МПа.

Временное сопротивление разрыву при температуре изотермической обработки от 370 до 400°С убывает от 1105 до 950 МПа. Температурный интервал от 400 до 500°С способствует росту σв с 950 до 1100 МПа. Увеличении температуры изотермической обработки с 500 до 550°С позволяет снизить временное сопротивление разрыву с 1100 до 900 МПа.

Влияние изотермической обработки при температуре 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и волочение с обжатием 5% на пластические характеристики проката представлено на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость δ и ψ от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 5%

Данные, представленные на рис. 2, показывают, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и последующего волочения с обжатием 5%, меняются пластические характеристики проката.

Выявлено, что относительное удлинение при температурах от 370 до 450°С и последующем волочении с обжатием 5%, монотонно растет с 10 до 12%. В температурном интервале от 450 до 500°С δ снижается с 12 до 9%. Дальнейшее увеличение температуры изотермической обработки от 500 до 550°С приводит к его увеличению с 10 до 17%.

Относительное сужение при температурах от 370 до 400°С увеличивается с 26 до 61%. Границы температур изотермической обработки от 400 до 500°С приводят к его снижению с 61% до 36%. Последующее увеличение температуры от 500 до 550°С позволяет увеличить относительное сужение с 36 до 62%.

Степень обжатия 10%

Влияние патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и волочения с обжатием 10% на прочностные и пластические характеристики проката показано на рис. 3 и 4.

Рис 3. Зависимость σв и σт от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 10%

Результаты исследования показали, что после изотермической обработки температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и последующего волочения со степенью обжатия 10%, меняются прочностные характеристики проката (рис. 3).

Выявлено, что предел текучести при температуре от 370 до 400°С убывает от 980 до 930 МПа. Дальнейшем увеличении температуры от 400 до 425°С приводит с увеличению σт с 930 до 975 МПа. Предел текучести уменьшается с 975 до 945 МПа при изменении температуры от 425 до 450°С. При температуре от 450 до 500°С он увеличивается с 945 до 980 МПа. Дальнейшее увеличение температуры от 500 до 550°С приводит к снижению предела текучести с 980 до 840 МПа.

Временное сопротивление разрыву при температуре изотермической обработки от 370 до 400°С убывает с 1060 до 970 МПа. В температурном интервале от 400 до 425°С происходит увеличение σв с 970 до 1060 МПа. При увеличении температуры изотермической обработки от 425 до 450°С временное сопротивление разрыву снижается с 1060 до 1030 МПа. В интервале температур от 450 до 500° оно увеличивается с 1030 до 1050 МПа Рост температуры от 500 до 550°С снижает временное сопротивление разрыву с 1050 до 845 МПа.

Результаты влияния изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и волочения с обжатием 10% на пластические характеристики проката показаны на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость δ и ψ от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 10%

Экспериментальные данные показывают, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и последующего волочения с обжатием 10%, меняются пластические характеристики проката.

Установлено, что относительное удлинение при температурах изотермической обработки от 370 до 450°С и волочении с обжатием 10%, монотонно растет с 8 до 13%. Изотермическая обработка в диапазоне температур от 450 до 500°С снижает δ с 13 до 9%. Последующее увеличение температуры от 500 до 550°С приводит к его увеличению с 9 до 17%.

Относительное сужение при температурах изотермической обработки от 370 до 400°С увеличивается с 27 до 62%. Дальнейшее увеличение температуры от 400 до 500°С снижает его с 63% до 37%. Последующее увеличение температуры от 500 до 550°С позволяет увеличить относительное сужение с 37 до 62%.

Степень обжатия 20%

Влияние изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и волочения с обжатием 20% на прочностные и пластические характеристики стали 40Х показано на рис. 5и 6.

Результаты экспериментальных данных показывают, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и последующего волочения с обжатием 10%, меняются прочностные характеристики проката.

Установлено, что предел текучести при температуре изотермической обработки от 370 до 400°С убывает от 1050 до 970 МПа. Дальнейшее увеличение температуры от 400 до 425°С приводит к его увеличению с 970 до 985 МПа. Предел текучести уменьшается с 985 до 950 МПа при увеличении температуры от 425 до 450°С. В интервале температур с 450 до 500°С происходит увеличение предела текучести с 985 до 1050 МПа. Последующий рост температуры от 500 до 550°С позволяет снизить предел текучести с 1050 до 855 МПа.

Временное сопротивление разрыву при температуре от 370 до 450°С снижается от 1155 до 1070 МПа. Последующее изотермической обработки в диапазоне температур от 450 до 500°С позволяет увеличить σв с 1070 до 1160 МПа. Временного сопротивления разрыву в интервале температур от 500 до 550°С находится в пределах от 1160 до 900 МПа. Влияние температуры изотермической обработки 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и волочения с обжатием 20% на пластические характеристики проката показано на рис. 6.

Рис 5. Зависимость σв и σт от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 20%

Рис. 6. Зависимость δ и ψ от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 20%

Результаты данных (рис. 6) показали, что при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и волочения с обжатием 20%, меняются пластические характеристики стали 40Х.

Установлено, что относительное удлинение проката при температурах изотермической обработки от 370 до 450°С и волочении с обжатием 20%, монотонно растет с 8 до 13%. В температурном интервале от 450 до 500°С оно снижается с 13 до 10%. При увеличение температуры от 500 до 550°С происходит увеличение δ с 10 до 16%.

Относительное сужение при температуре от 370 до 400°С увеличивается с 26 до 56%. При увеличении температуры изотермической обработки от 400 до 500°С относительное сужение снижается с 56% до 28%. Последующее увеличение температуры от 500 до 550°С позволяет увеличить относительное сужение с 28 до 58%.

Степень обжатия 30%

Результаты эксперимента (рис. 7 и 8) показали влияние изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450, 500 и 550°С и волочения с обжатием 30% на прочность стали 40Х.

Результаты экспериментальных данных, представленные на рис. 7, показывают, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425,450 и 550°С и последующего волочения с обжатием 30%, меняются прочностные характеристики проката.

Рис. 7. Зависимость σв и σт от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 30%

Выявлено, что предел текучести при температурах от 370 до 400°С снижается с 1180 до 1115 МПа. Предел текучести при температурах от 400 до 450°С возрастает от 1115 до 1200 МПа. После изотермической обработки при температуре 500°С и волочения с обжатием 30% происходил обрыв проката в фильере волочильного стана. При температуре изотермической обработки 500°С и волочении с обжатием 30% данных результатов исследования нет. При температуре 550°С прокат имеет предел текучести, равным 980 МПа.

Временное сопротивление разрыву при температурах от 370 до 400°С убывает от 1310 до 1270 МПа. При температурах от 400 до 450°С оно возрастает с 1270 до 1310 МПа. При температуре 500°С и при волочении с обжатием 30% происходит его обрыв в фильере. Поэтому, при этой температуре изотермической обработки данные временного сопротивления разрыву отсутствуют. При температуре 550°С σв имеет низкий показатель и равен 1070 МПа.

Влияние изотермической обработки при температурах 370, 400, 425,450 и 550°С и волочения с обжатием 30% на пластические характеристики стали 40Х показано на рис.8.

Рис. 8. Зависимость δ и ψ от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 30%

Исследование данных (рис. 8) показало, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425 и 450°С и последующего волочения со степенью обжатия 30%, меняются пластические характеристики проката.

Установлено, что относительное удлинение при температурах от 370 до 400°С возрастает с 7 до 10%. При увеличении температуры от 400 до 450°С и последующем волочении с обжатием 30% оно монотонно снижается с 10 до 5%. При температуре изотермической обработки 500°С данных результатов исследования нет. При температуре 550°С относительное удлинение равно 12%.

Относительное сужение при температуре от 370 до 400°С увеличивается с 20 до 43%. Затем при температуре от 400 до 450°С монотонно снижается с 43 до 30%. При дальнейшем увеличении температуры изотермической обработки до 500°С происходит потеря пластических свойств и разрыв проката в фильере волочильного стана. Поэтому, при температуре изотермической обработки 500°С данных результатов исследования нет. При температуре 550°С показатель относительного сужения равен 49%.

Степень обжатия 40%

Влияние изотермической обработки при температурах 370, 400, 425,450 и 550°С и волочения с обжатием 40% на прочность стали 40Х показано на рис. 9 и 10.

Рис 9. Зависимость σв и σт от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 40%

Рис. 10. Зависимость δ и ψ от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 40%

Изучение графических данных рис. 9 выявило, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450 и 550°С и последующего волочения со степенью обжатия 40%, меняются прочностные характеристики проката.

Установлено, что предел текучести при температурах от 370 до 400°С уменьшается с 1170 до 1070 МПа. При температуре от 400 до 450°С он увеличивается с 1070 до 1130 МПа. При температуре 500°С прокат обрывается в фильере волочильного стана. При данной температуре изотермической обработки данных результатов исследования нет. При температуре 550°С предел текучести равен 940 МПа.

Временное сопротивление разрыву при температурах от 370 до 400°С снижается от 1320 до 1250 МПа; при дальнейшем увеличении температуры от 400 до 450°С оно увеличивается с 1250 до 1265 МПа. При температуре 500°С данных временному сопротивлению разрыва нет. При температуре патентирования изотермической обработки 550°С исследуемый показатель равен 1130 МПа.

На рис. 10 показаны результаты исследования влияния изотермической обработки при температурах 370, 400, 425, 450 и 550°С и последующего волочения с обжатием 40% на пластические характеристики проката стали 40Х.

Изучение экспериментальных данных показало, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425 и 450°С и последующего волочения со степенью обжатия 40% меняются пластические характеристики проката (рис. 10).

Установлено, что относительное удлинение при температуре от 370 до 450°С остается на уровне 8%. При температуре 500°С данных результатов исследования нет. При температуре изотермической обработки 550°С относительное удлинение равно 11%.

Относительное сужение при температуре от 370 до 400°С увеличивается с 19 до 40%. При увеличении температуры от 400 до 450°С оно снижается с 40 до 30%; при температуре изотермической обработки 500°С происходит обрыв проката в фильере однократного волочильного стана. Поэтому, при температуре 500°С. данных результатов исследования нет. При температуре патентирования 550°С относительное сужение равно 45%.

Степень обжатия 60%

Влияние изотермической обработки при температурах 370, 400, 425 и 550°С и волочения с обжатием 60% на прочность и пластичность стали 40Х показано на рис. 11 и 12.

Результаты исследования, показанных на рис. 11, выявили, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425 и 550°С и последующего волочении с обжатием 60%, меняются прочностные характеристики.

Рис 11. Зависимость σв и σт от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 60%

Рис. 12. Зависимость δ и ψ от температуры изотермической обработки и волочения с обжатием 60%

Установлено, что предел текучести при температуре от 370 до 425°С увеличивается от 1200 до 1252 МПа. При температуре 450 и 500°С данных результатов исследования нет. При температуре 550°С он равен 1120 МПа.

Временное сопротивление разрыву при температуре изотермической обработки от 370 до 425°С возрастает от 1190 до 1250 МПа. При увеличении температуры от 450 до 500°С происходит обрыв проката в фильере однократного волочильного стана. При температуре 450 и 500°С данных результатов исследования нет. При температуре 550°С временное сопротивление разрыву равно 1120 МПа.

Влияние изотермической обработки при температурах 370, 400, 425 и 550°С и волочения с обжатием 60% на пластические характеристики проката показано на рис.12.

Исследование экспериментальных данных (рис. 12) показало, что после изотермической обработки при температурах 370, 400, 425 и 550°С и последующего волочения с обжатием 60%, меняется пластичность стали 40Х.

Выявлено, что относительное удлинение при температуре от 370 до 425°С и последующем волочении с обжатием 60%, остается без изменений низком уровне и равно 9%. При температуре 450 и 500°С данных результатов исследования нет. При температуре 550°С относительное удлинение равно 9%.

Относительное сужение в интервале температур изотермической обработки от 370 до 425°С растет с 18 до 22%. При увеличении температуры от 450 до 500ºС происходит обрыв проката в фильере волочильного стана. При температуре 450 и 500°С данных результатов исследования нет. При температуре 550°С относительное сужение равно 33,5%.

Выводы

1. Исследовано влияние температуры изотермической обработки в диапазоне 370, 400, 425, 450 и 550 ºС для разных степеней обжатия при последующем волочением на прочностные и пластические характеристики горячекатаной стали 40Х.

2. Выявлена зависимость структурно-механических характеристик от температуры изотермической обработки для разных степеней обжатия (5, 10, 20, 30, 40 и 60%) при последующем волочении проката и его оптимальная микроструктура для последующего изготовления длинномерных упрочненных болтов.

Библиографическая ссылка