Введение к работе
Актуальность работы. В технических конструкциях широко применяются резьбовые детали крепёжного назначения, подвергнутые закалке с отпуском, - упрочнённый стальной крепёж. Значительная часть из них выполняется в виде длинномерных болтов, шпилек, стремянок и т.п. Развитие производства упрочнённого крепежа в условиях рыночной экономики, требующих обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции, наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, предполагает снижение затрат по всей производственной цепочке, начиная от изготовления проката и заканчивая получением деталей требуемого качества. Особое значение этот фактор приобретает в массовом производстве крепежа. Определенный вклад в развитие высокопрочного крепежа внесли отечественные ученые: А.Т. Быкадоров, Г.В. Бунатян, Ю.А.Лавриненко, В.А. Скуднов, И.Л. Хейфец и другие.
Для изготовления высокопрочного крепежа с применением холодной объемной штамповки (ХОШ) широко используются стали 35, 35Х, 38ХА, 40Х. В качестве альтернативы этим маркам сталей применяют борсодержащие стали 20Г2Р и 30Г1Р. Из-за возможного образования заметного количества оксидов и нитридов бора в борсодержащих сталях, приводящих к снижению прокаливаемости, возникает нестабильность упрочнения закалкой метизов. Фактически стоимость горячекатаного (г/к) проката борсодержащей стали, как правило, на 12-16% выше стоимости стали 40Х, а необходимость у отечественных производителей использовать импортные поставки таких сталей приводит к ещё большему удорожанию производимого крепежа. В настоящее время упрочнение болтовых изделий достигается путем их закалки и отпуска. Однако термоулучшение длинномерных болтов может привести к их обезуглероживанию, появлению трещин, короблению и, как правило, введение дополнительных операций сортировки и рихтовки. Поэтому исключение операции закалки и отпуска болтов позволит снизить трудо- и энергозатраты, вывести из производственного процесса печи с защитной атмосферой и закалочные проходные печи (соляные ванны). Такая ресурсо- энергосберегающая технология обеспечит увеличение эффективности производства, снижение выбросов отработанных газов в атмосферу и уменьшение использования солей. Характерно, что в зарубежной промышленности производство высокопрочных крепежных изделий (класс прочности 8.8 и выше) составляет 90% от общего объема крепежа, тогда как в РФ этот показатель не превышает 18%. Низкая доля его применения представляется негативным технико-экономическим показателем как промышленности, производящей эту продукцию, так и промышленности, производящей конструкции, применяющей крепёж.
Решение этой проблемы производства упрочнённого крепежа являет собой актуальную задачу для отечественной промышленности, охватывающей различные отрасли. Одним из приоритетных направлений в решении этой задачи автор настоящей работы видит в снижении стоимости производимого крепежа за счёт, во-первых, рационализации технологии упрочняющей обработки крепежа, во-вторых, минимизации стоимости стали (относительно борсодержащей стали).
Рационализацию упрочняющей обработки автор связывает с использованием упрочнения, возникающего при термомеханической обработки стали, применяемой с целью получения длинномерных болтов. Предполагается достижение такого же уровня упрочнения, который достигается термическим улучшением болтов, что поз-
волит исключить закалку и отпуск из производственного цикла их изготовления. Этим существенно снижаются не только трудовые, материальные и энергетические затраты в производстве, но и достигается улучшение качества по определённым показателям: устранение коробления поверхности длинномерных болтов, возникающего при закалке, а также повреждений поверхности, связанных с воздействием рабочей среды (газовая атмосфера или закалочные ванны) при нагреве под закалку.
Следует заметить, что предлагаемое техническое решение не исключает полностью термического упрочнения, которое остаётся как предварительная термическая обработка - патентирование, упрочняющий эффект которого усиливается в результате последующего окончательного волочения
В плане минимизации стоимости стали наиболее предпочтительной представляется сталь 40Х. Данная марка стали стандартизована (ГОСТ 10702-78), она традиционно имеет наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий и зарекомендовала себя легко осваиваемой метизным производством любой степени массовости. И, наконец, соответствующее содержание углерода, и легирование хромом (достаточно экономное) упрощают реализацию предлагаемого технического решения во всех его технологических компонентах.
Работа выполнена в соответствии с «Концепцией долгосрочного социально-экономического развития РФ на период до 2020 г.» (Распоряжение Правительства РФ № 1662-р от 17.11.2008 г. - гл. III, п. 11; гл. V, п.п. 1, 7; гл. VIII, п. 7); «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ» (утв. Указом Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899 - п. 6); «Перечня критических технологий РФ (утв. Указом Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899 - п. 19).
Цель и задачи работы. Целью диссертации является решение актуальной научно-технической задачи разработки ресурсосберегающей термомеханической подготовки стальных заготовок на основе изучения совместного влияния термической (патентирования) и пластической (волочения) обработки на структурное состояние и механические характеристики для дальнейшего получения длинномерных болтов.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Исследовать влияние различных режимов термомеханической подготовки на структуру и механические характеристики г/к проката.
Исследовать влияние степени обжатия на структуру и механические характеристики проката.
Исследовать влияние температуры патентирования на структуру и механические характеристики проката.
Исследовать совместное влияние термической (патентирования) и пластической обработок на структуру, пластические и прочностные характеристики проката и выбрать рациональные их режимы.
Разработать ресурсосберегающую технологическую схему термомеханической подготовки проката стали 40Х для дальнейшего изготовления из него упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, соответствующих классу прочности 9.8.
Научная новизна работы.
1. Установлено влияние различных вариантов термомеханической подготовки г/к проката на структуру и механические характеристики после патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550С.
Выявлены зависимости структурно-механических характеристик проката от степени обжатия при волочении и патентирования при температурах 370, 400, 425, 450, 500, 550С. Установлено, что наилучшее сочетание механических характеристик достигается при степенях обжатия 5-10%.
Получены закономерности влияния температуры патентирования до и после деформирования с разными степенями обжатия на структуру и механические характеристики проката. Установлено, что режим патентирования при температурах 400 и 425С обеспечивает повышение прочностных и пластических характеристик и может быть рекомендован для подготовки проката при изготовлении упрочненных длинномерных стальных болтов без закалки и отпуска.
Разработана ресурсосберегающая технологическая схема термомеханической подготовки структурно-механических свойств заготовок стали 40Х для получения упрочненных длинномерных болтов с низкой обрезной головой, защищенная патентом на изобретение № 2380432.
Практическая значимость работы
На основе экспериментальных и теоретических исследований влияния структуры на механические характеристики и твердость стали 40Х разработана ресурсосберегающая схема термомеханической подготовки проката для изготовления упрочненных длинномерных болтов с обрезной головой, соответствующих классу прочности 9.8, без закалки и отпуска, позволяющая сократить технологическую цепочку и снизить себестоимость их изготовления.
Установленные закономерности влияния ресурсосберегающей термомеханической подготовки проката при изготовлении упрочненных длинномерных болтов опробованы в ООО «Промметиз Русь» (г. Орел) и приняты к дальнейшему использованию при изготовлении болтов класса прочности 8.8, 9.8 и 10.9. Ожидаемый экономический эффект составляет 428 тыс. руб. при производстве 60 т длинномерных болтов в год.
Результаты диссертационной работы используются при чтении курса лекций «Эксплуатационная долговечность штампованных металлоизделий» в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева.
Объект исследования - г/к прокат конструкционной легированной стали перлитного класса марки 40Х и подготовленный из него прокат для изготовления упрочненного крепежа. Исследованию подвергался прокат до и после волочения с различными прочностными и пластическими характеристиками, получаемый после сфероидизирующего отжига и патентирования. Прокат изучался в недеформирован-ном состоянии, а также после различных степеней обжатия при волочении с целью определения его пригодности по прочностным и пластическим характеристикам, и твердости для ХОШ длинномерных болтовых изделий согласно требованиям ГОСТ 10702-78 «Сталь качественная конструкционная углеродистая и легированная для холодного выдавливания и высадки».
Предмет исследования - микроструктура, прочностные и пластические характеристики, твердость проката стали 40Х до и после операции волочения и патентирования.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Выявленные зависимости изменения структуры и механических характеристик г/к проката от температуры патентирования и волочения с различными обжатиями.
Установленные зависимости микроструктурного состояния проката после волочения от температуры патентирования.
Полученные зависимости прочностных и пластических характеристик проката от степени обжатия при операции волочения.
Разработанные режимы термомеханической обработки, обеспечивающие рациональные структурные и механические характеристики проката для изготовления упрочненных длинномерных болтовых изделий из стали 40Х.
5. Разработанная ресурсосберегающая технологическая схема термомеханиче
ской подготовки проката стали марки 40Х для дальнейшего получения упрочненных
длинномерных болтов с низкой обрезной головой, соответствующих классу прочно
сти 9.8.
Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов, рекомендаций подтверждается обоснованным использованием механических испытаний и металлографических исследований, математическим планированием экспериментов, значительным объемом экспериментальных данных, статистическим анализом, промышленным опробованием в производстве разработанных технологических режимов термомеханической обработки, натурными испытаниями, апробацией полученных результатов на научно-технических конференциях и семинарах разного уровня.
Личный вклад автора состоит в формировании целей и постановке задач исследования, проведении экспериментов, обработке и анализе полученных результатов, разработке ресурсосберегающей технологической схемы подготовки проката стали 40Х для получения упрочненных длинномерных болтов, а также в формировании общих выводов по работе.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на 25 международных и общероссийских конференциях, конгрессах и симпозиумах: г. Москва (2007, 2011 гг.), п. Славское, Карпаты (2006-2008 гг.), г. Ульяновск (2006, 2007 гг.), г. Ижевск (2006 г.), г. Вологда (2006-2009 гг.), г. Одесса (2006, 2007 гг.), Ростовская область, п. Персиановский (2007, 2011 гг.) г. Ухта (2007-2009 гг.), г. Омск, (2007 г.), г. Санкт-Петербург (2008 г.), г. Зеленоград (2008 г.), г. Вологда (2008 г.), г. Тольятти (2007 г.), г. Н. Новгород (2008, 2010 гг.).
Публикации._ По теме диссертации опубликованы 17 печатных работ, из них 13 в ведущих рецензируемых научных журналах и получен один патент.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 152 наименования (15 с). Она изложена на 139 страницах текста, содержит 89 рисунков, 18 таблиц, приложение (21 с).
