В современных технических конструкциях широко применяются резьбовые детали крепёжного назначения, которые подвергаются закалке с отпуском - упрочнённый стальной крепёж [7]. Значительная часть из них выполняется в виде длинномерных деталей типа болтов, шпилек, стремянок и т.п. Детали получают из сортового проката применением различных технологических операций холодного деформирования [5] - волочения, высадки, накатки резьбы.
Развитие производства упрочнённого крепежа в условиях рыночной экономики, требующего обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции, наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, предполагает снижение затрат по всей производственной цепочке, начиная от получения проката [6], и заканчивая изготовлением готовых деталей требуемого качества [9,10]. Особенное значение приобретает этот фактор в производстве крепежа [8], предназначенного для массового потребления, как, например, в автостроении и целом ряде других отраслей промышленности.
Материалы и методы исследований
В плане минимизации стоимости стали наиболее предпочтительной представляется сталь 40Х [2]. Данная марка стали стандартизована (ГОСТ 4543), она традиционно имеет наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий и зарекомендовала себя легко осваиваемой метизным производством любой степени массовости. При этом соответствующее содержание углерода, и легирование хромом (достаточно экономное) упрощает реализацию предлагаемого технического решения во всех его технологических компонентах [4]. Поэтому для исследования в работе была выбрана широко применяемая в метизном производстве сталь 40Х. Её химический состав соответствовал ГОСТ 10702-78. Горячекатаный прокат диаметром 11,0 и 13,0 мм по геометрическим параметрам соответствовал ГОСТ 2590-88 «Прокат стальной горячекатаный круглый» обычной точности прокатки «В».
Металлопрокат из мотка выпрямлялся на станке «Шустер» и нарезались образцы длиной 300 мм, по 8 образцов на указанные ниже размеры исследуемой конструкционной легированной стали 40Х.
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.
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.
После волочения образцы подвергались патентированию. Температура при патентировании и степень обжатия при волочении варьировались в зависимости от задачи исследования. Важным фактором, формирующим окончательную микроструктуру, является гомогенность аустенита. Исходя из этого, температура нагрева перед патентированием принималась 880 ºС. Образцы проката подвергались нагреву в соляной ванне (78 % ВаСL + 22 % NaСL) 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. Точность регулирования температуры в ванне при патентировании составляла ± 5 ºС. Последующую подготовку поверхности (снятие окисного слоя) изотермически обработанного проката производили в маточном растворе серной кислоты (H2SO4 – 25 %, остальное железный купорос – Fe2SO4). Затем прокат промывался в проточной воде.
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 со шкалой 20 кг. Испытывались образцы длиной 300 мм.
Микроструктура горячекатаного проката в исходном состоянии и калиброванного проката после всех видов технологической переработки исследовалась методом просмотра поверхности специально приготовленных образцов (поперечные микрошлифы) под микроскопом МИМ–8 при увеличении х200…600 и на горизонтальном микроскопе «Неофот-21» при увеличении ×100 и ×600. Металлографические микрошлифы готовились по традиционным для данной марки стали технологиям. Травление микрошлифов производилось в 4 % растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Твердость измеряли на приборе Роквелл, шкала В С, на параллельных шлифованных лысках. Твердость HRC по переводной шкале переводили в твердость НВ.
Результаты исследования и их обсуждение
Микроструктура исходного горячекатаного проката представляет собой «перлит + феррит» (рис. 1).
Рис. 1. Структура горячекатаного проката стали марки 40Х – перлит + феррит, х500
Образцы выдержали испытания осадкой до 1/2 высоты первоначального образца, как этого требует ГОСТ 10702-78.
Получены экспериментальные данные о влиянии степени деформации волочением на прочность и пластичность проката с последующим патентированием при разных температурах.
Температура селитровой ванны 370 ºС
После волочения и последующей выдержки проката в селитровой ванне при температуре 370 ºС, образцы имеют структуру «троостит». Твердость образца со структурой «троостит» составила НВ 306.
Влияние волочении с обжатиями и последующей выдержки в селитровой ванны при температуре 370 ºС на прочностные и пластические характеристики проката показано на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Зависимость σв и σт от обжатия волочением и патентирования при 370°С
Результаты, показанные рис. 2, свидетельствуют, что прочностные характеристики стали, патентированной при температуре 370 ºС, с увеличением степени обжатия от 5 до 60 % меняются немонотонно.
Выявлено, что предел текучести при обжатиях от 5 до 20 % постоянен и равен ~615 МПа. При обжатиях от 20 до 30 % он увеличивается с 615 до 700 МПа; при обжатиях от 30 до 40 % уменьшается с 700 до 670 МПа при обжатиях от 40 до 60 % предел текучести вновь увеличивается с 670 до 720 МПа.
Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 до 20 % уменьшается с 1000 до 960 МПа. При обжатиях от 20 до 30 % увеличивается с 960 до 1270 МПа; при обжатиях от 30 до 60 % снова уменьшается с 1270 МПа до 1150 МПа.
Представленные на рис. 3 данные показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % и последующем патентировании проката при температуре 370°С, его пластичность изменяется немонотонно.
Рис. 3. Зависимость δ, % и ψ, % от обжатия волочением и патентирования при 370 °С
Выявлено, что величина относительного удлинения снижается с 18 до 16 % при обжатиях от 5 до 10 %, но растет с 16 до 18 % при обжатиях от 10 до 20 %. При обжатиях от 20 до 40 % относительное удлинение убывает с 18 до 13 %; при обжатиях от 40 до 60 % относительное удлинение снова возрастает с 13 до 16 %.
Относительное сужение при обжатиях от 5 до 20 % возрастает с 37 до 46 %. При увеличении степени пластической деформации волочением от 20 до 30 % относительное сужение резко снижается с 46 до 24 %. При обжатиях от 30 до 40 % возрастает с 24 до 28 %; при обжатиях с 40 до 60 % относительное сужение убывает с 28 до 25 %. Образцы выдержали испытания осадкой до 1/2 высоты первоначального образца.
Температура селитровой ванны 400 °С
После волочения и последующего патентирования при температуре 400 °С образцы имеют структуру «сорбит патентирования». По замеру твердости (НВ 262) установлено, что получена структурная составляющая калиброванного проката стали 40Х – «сорбит патентирования». Результаты совпадают с результатами, опубликованными в работах [1,3]. Такая микроструктура хорошо видна при увеличении х600.
Влияние обжатия при волочении проката на его прочностные и пластические характеристики и последующей выдержки в селитровой ванны при температуре 400 °С показано на рис. 4 и 5.
Полученные результаты показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % при температуре 400 °С прочностные характеристики проката изменяются немонотонно. Предел текучести при обжатиях от 5 до 10 % уменьшается с 705 до 690 МПа, при обжатиях от 10 до 30 % увеличивается с 690 до 800 МПа; при обжатиях от 30 до 40 % снова уменьшается с 800 до 750 МПа; при дальнейших обжатиях от 40 до 60 % предел текучести увеличивается с 750 МПа до 780 МПа.
Рис. 4. Зависимость σв и σт от обжатия волочением и патентирования при 400 °С
Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 % до 30 % увеличивается с 960 до 1100 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % σв уменьшается с 1100 до 1010 МПа. При дальнейших обжатиях от 40 до 60 % вновь увеличивается с 1010 до 1030 МПа.
Рис. 5. Зависимость δ, % и ψ, % от обжатия волочением и патентирования при 400 °С
С увеличением обжатия от 5 до 60 %, при температуре патентирования 400 °С, пластические характеристики проката изменяются незначительно. Так относительное удлинение практически не изменяется и составляет ~ 17 %. Относительное сужение вначале, при обжатиях от 5 до 20 %, остается постоянным на уровне ~ 62 %., но при обжатиях от 20 до 30 % снижается с 62 до 57 %,; при 30…60 % снова остается постоянным (~ 57 %). Образцы выдержали испытания осадкой до 1/3 высоты первоначального образца.
Температура селитровой ванны 425 °С
После волочения проката и последующего патентирования, при температуре 425 °С, образцы имеют структуру «сорбит патентирования». Это установлено по замеру твердости (НВ 255).
Влияние степени обжатия при волочении и последующего патентирования при температуре 425 °С на прочностные и пластические характеристики проката показано на рис. 6 и рис. 7.
Согласно данных рис. 6 установлено, что с увеличением степени обжатия от 5 до 60 % и последующего патентирования при температуре 425 °С, меняется прочность проката.
Выявлено, что предел текучести при обжатиях от 5 до 10 % уменьшается с 760 до 680 МПа. При обжатия от 10 до 30 % он увеличивается с 680 до 800 МПа; при последующих обжатиях от 30 до 40 % снова уменьшается с 800 до 700 МПа. Дальнейшее увеличение обжатия от 40 до 60 % приводит к увеличению предела текучести с 700 до 720 МПа.
Рис. 6. Зависимость σв и σт от обжатия волочением и патентирования при 425 °С
Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 до 20 % снижается с 980 до 960 МПа. При обжатии от 20 до 30 % оно увеличивается с 960 до 1100 МПа. При дальнейших обжатиях от 30 до 40 % оно уменьшается с 1100 до 1000 МПа; при обжатиях от 40 до 60 % временное сопротивление разрыву увеличивается с 1000 до 1070 МПа.
Результаты исследования показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % и патентировании при температуре 425 °С, пластичность проката меняется.
Установлено, что относительное удлинение остается практически постоянным и находится на уровне 17…20 %.
Относительное сужение при обжатиях от 5 до 10 % снизилось с 61 до 60 %; при обжатиях от 10 до 20 % осталось постоянным на уровне 60 %. При обжатиях от 20 до 30 % относительное сужение снизилось с 60 до 52 %. При дальнейших обжатиях от 30 до 60 % относительное сужение осталось на уровне 52 %. Образцы выдержали испытания осадкой до 1/3 высоты первоначального образца.
Температура селитровой ванны 450 °С
После волочения проката стали 40Х и при последующем патентировании, при температуре 450 ?С, образцы имеют структуру «сорбит патентирования» с твердостью НВ 255.
Рис. 7. Зависимость σ, % и σ, % от обжатия волочением и патентирования при 425 °С
Эффект влияния степени обжатия при волочении и патентирования при температуре 450 ?С на прочностные и пластические характеристики проката показан на рис. 8 и 9.
Рис. 8. Зависимость σв и σт от обжатия волочением и патентирования при 450 °С
Полученные результаты (рис. 8) показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % и последующего патентирования при температуре 450 °С, увеличиваются прочностные характеристики проката.
Выявлено, что предел текучести при обжатии от 5 до 30 % увеличивается с 650 до 715 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % он снижается с 715 до 650 МПа; при дальнейших обжатиях от 40 до 60 % снова увеличивается с 650 до 715 МПа.
Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 до 30 % увеличивается с 900 до 1080 МПа. При последующих обжатиях от 30 до 60 % оно снова уменьшается с 1080 до 1000 МПа.
Рис. 9. Зависимость δ, % и ψ, % от обжатия волочением и патентирования при 450 °С
Экспериментальные данные (рис. 9) показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % и последующего патентирования при 450°С, пластические характеристики проката меняются.
Установлено, что относительное удлинение остается практически постоянным на уровне ~ 17…20 %. Относительное сужение при обжатиях от 5 до 10 % увеличивается с 55 до 58 %; при обжатиях от 10 до 20 % остается постоянным на уровне ~ 58 %. Дальнейшее увеличение обжатия от 20 до 30 % снижает его с 58 до 47 %; при обжатиях от 40 до 60 % оно монотонно увеличивается с 47 до 50 %. Образцы выдержали испытания осадкой до 1/3 высоты первоначального образца.
Температура селитровой ванны 500°С
После волочения и при последующем патентировании при температуре 500 ?С образцы проката имеют структуру «сорбит с участками мартенсита».
Установлено, что мартенсит в структуре «сорбита патентирования» образовался из аустенита при изотермической выдержке при температуре 500°С и хорошо виден при увеличении х500. Выявлено, что за 5 минут в селитровой ванне при температуре 500°С не заканчивается полностью превращение аустенита и при последующем охлаждении на воздухе оставшейся аустенит переходит в мартенсит. Микроструктура «сорбит с включениями мартенсита» является структурой неоднородной, т.к. твердость (сорбита) колеблется от 260 до 311 НВ.
Влияние обжатия и патентирования при температуре 500 °С на прочностные и пластические характеристики проката показано на рис. 10 и 11.
Рис. 10. Зависимость σв и σт от обжатия и патентирования при 500 °С
Экспериментальные данные, представленные на рис. 10, показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % и последующем патентировании при температуре 500?С, прочность проката увеличивается.
Выявлено, что предел текучести при обжатиях от 5 до 20 % снижается с 720 до 710 МПа; при обжатия от 20 до 30 % увеличивается с 710 до 820 МПа. Обжатия от 30 до 40 % приводит к снижению предела текучести с 820 до 780 МПа. Дальнейший рост предела текучести наблюдается при обжатиях от 40 до 60 % и возрастает с 780 до 910 МПа.
Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 до 20 % снижается с 1000 до 980 МПа. При обжатиях от 20 до 30 % значительно возрастает от 980 до 1250 МПа. При дальнейшем увеличении обжатия от 30 до 60 % происходит монотонное снижение временного сопротивления разрыву с 1250 до 1150 МПа.
Рис. 11. Зависимость δ, % и ψ, % от обжатия и патентирования при 500 °С
Полученные результаты показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % и последующем патентировании при температуре 500 °С, пластические характеристики проката изменяются немонотонно.
Установлено, что относительное удлинение при обжатиях от 5 до 20 % увеличивается с 15 до 17 %, а при обжатиях с 20 до 30 % резко снижается с 17 до 10 %. При дальнейших обжатиях от 30 до 60 % оно остается постоянным на уровне 10 %.
Относительное сужение при обжатиях от 5 до 20 % монотонно увеличивается с 37 до 46 %. При обжатиях от 20 до 30 % резко снижается с 46 до 23 %. При увеличении обжатия от 30 до 40 % относительное сужение увеличивается с 23 до 27 %; при обжатиях от 40 до 60 % величина относительного сужения снижается с 27 до 25 %.
Образцы выдержали испытания осадкой до 1/2 высоты первоначального образца, но не выдержали испытания до 1/3 высоты первоначального образца.
Температура селитровой ванны 550°С
После волочения и при последующем патентировании при температуре 550 ºС, образцы проката имели структуру «сорбит патентирования» с твердостью НВ 235.
Эффект влияния обжатия при волочении и последующего патентирования при температуре 550 °С на прочностные и пластические характеристики проката представлены на рис. 12 и рис. 13.
Согласно данным, представленным на рис. 3.22, увеличение обжатия от 5 до 60 % и температура патентирования 550 °С, существенно меняют прочностные характеристики проката.
Рис. 12. Зависимость σв и σт от обжатия и патентирования при 550 °С
Рис. 13. Зависимость δ, % и ψ, % от обжатия и патентирования при 550 °С
Установлено, что предел текучести в диапазоне обжатий от 5 до 30 % увеличивается с 600 до 710 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % его величина снижается с 710 до 660 МПа. При дальнейшем увеличении обжатия от 40 до 60 % предел текучести увеличивается с 660 до 680 МПа.
Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 до 10 % увеличивается с 900 до 960 МПа. При обжатиях от 10 до 30 % оно снижается с 960 до 880 МПа. При обжатиях от 30 до 60 % временное сопротивление разрыву снова монотонно увеличивается с 880 до 980 МПа.
Результаты данных (рис. 13) показывают, что с увеличением обжатия от 5 до 60 % и последующего патентирования при температуре 550°С, пластические характеристики проката практически не изменяются.
Установлено, что относительное удлинение во всем диапазоне обжатия остается постоянным на уровне ~ 18…20 %.
Относительное сужение при обжатиях от 5 до 20 % увеличивается с 58 до 60 %. При обжатиях от 20 до 30 % снижается с 60 до 57 %. При дальнейших увеличении обжатия от 30 до 60 % относительное сужение остается практически постоянным на уровне ~ 57 %.
Образцы выдержали испытания осадкой до 1/3 высоты первоначального образца.
Выводы
1. Получены зависимости прочностных и пластических характеристик подвергнутой волочению со степенями обжатия 5, 10, 20, 30, 40 и 60 % горячекатаной стали 40Х с последующим патентированием при температурах селитровой ванны 370, 400, 425, 450 и 550 ºС.
2. Микроструктура исходного горячекатаного проката представляет собой «перлит + феррит». Образцы выдерживают испытания осадкой до 1/2 высоты первоначального образца
3. Применение термической операции патентирования при температуре селитровой ванны (400, 425, 450 и 550 ºС) приводит к появлению в стали 40Х микроструктуры «сорбит патентирования». При этом образцы выдержали испытания осадкой до 1/3 высоты первоначального образца, в то время как при температуре селитровой ванны 370 ºС, лишь 1/2 от первоначальной высоты образца.