Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

INFLUENCE OF TEMPERATURE ISOTHERMAL TREATMENT WITH DRAWING ON MECHANICAL PROPERTIES OF HOT-ROLLED 40X

Pachurin G.V. 1 Filippov A.A. 1 Pachurin V.G. 1
1 Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev
2139 KB
In engineering and in particular, widely used as automotive products in the form of fastening screws, pins, ladders, etc. During the manufacturing process, they are generally subjected to quenching and tempering. Under current conditions, along with the strength and operational reliability, the development of production of such hardened fasteners involves reducing costs throughout the production chain, from receipt of rental, and ending with finished parts required quality. This is especially true in conditions of mass production. In this case, in terms of minimizing the cost of steel grade selection Wizard is most preferably steel 40X, which has traditionally been the most widely used for hardened fasteners of any mass. We have studied the dependence of mechanical properties on the temperature of the isothermal treatment followed by drawing with different degrees of deformation. The possibility of applying hardening treatment with the maximum use of isothermal hardening treatment followed by drawing and rolling before planting high-bolt products.
hot-rolled steel
isothermal processing
drawing
reduction ratio
mechanical properties
structure
1. Ivanov V.N. Slovar-spravochnik po litejnomu proizvodstvu. – M.: Mashinostroenie, 1990. – 384 p.
2. Pachurin G.V., Filippov A.A. Ekonomichnaya texnologiya podgotovki stali 40X k xolodnoj vysadke krepezhnyx izdelij // Vestnik mashinostroeniya. – 2008. – № 7. – pp. 53-56.
3. Pachurin G.V., Filippov A.A. Vybor racionalnyx znachenij stepeni obzhatiya goryachekatanoj stali 40X pered xolodnoj vysadkoj metizov // Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya. – 2008. – № 7. – pp. 23- 25.
4. Pachurin G.V., Filippov A.A., Kuzmin N.A. Vliyanie ximicheskogo sostava i struktury stali na kachestvo prokata dlya izgotovleniya boltov // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyx i fundamentalnyx issledovanij. – 2014. – № 8 (Chast 2). – pp. 87-92.
5. Pachurin G.V., Filippov A.A. Effekt plasticheskoj defor­macii pri volochenii i termicheskoj obrabotki na strukturu i svojstva stalnogo prokata // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyx i fundamentalnyx issledovanij. – 2014. – № 8 (Chast 2). – pp. 93-98.
6. Pachurin G.V., Filippov A.A., Kuzmin N.A. Analiz kachestva prokata dlya xolodnoj vysadki krepezhnyx izdelij // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyx i fundamentalnyx issledovanij. – 2014. – № 8 (Chast 2). – pp. 111-115.
7. Filippov A.A., Pachurin G.V., Kuzmin N.A. Upro­ch­nyayushhaya obrabotka prokata dlya krepezha s celyu snizheniya ego stoimosti // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyx i fundamentalnyx issledovanij. – 2014. – № 8 (Chast 2). – pp. 107-110.
8. Filippov A.A., Pachurin G.V. Resursosberegayushhaya podgotovka stalnogo prokata k xolodnoj vysadke krepezhnyx izdelij // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyx i fundamentalnyx issledovanij. – 2014. – № 8. (Ch. 4). – pp. 23-29.
9. Filippov A.A., Pachurin G.V. Osnovnye napravleniya razvitiya proizvodstva vysokoprochnogo krepezha // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyx i fundamentalnyx issledovanij. – 2014. – № 8. (Ch. 4). – pp. 30-36.
10. Pachurin G.V., Filippov A.A. Economical preparation of 40X steel for cold upsetting of bolts // Russian Engineering Research. – 2008. – T. 28, № 7. – pp. 670-673.

В современном машиностроении и, в частности, автомобилестроении широкое применение нашли крепёжные изделия в виде болтов, шпилек, стремянок и т.п. Значительную их часть получают из сортового проката применением различных технологических операций холодного деформирования [5] − волочения, высадки, накатки резьбы. В процессе изготовления такие изделия обычно подвергаются закалке с отпуском [7–10]. Наряду с повышением конструкционной прочности и эксплуатационной надёжности, развитие современного производства упрочнённого крепежа предполагает снижение затрат по всей производственной цепочке, начиная от получения проката [6], и заканчивая изготовлением готовых деталей требуемого качества [9, 10]. Это особенно актуально в условиях массового производства, как, например, в автостроении и целом ряде других отраслей промышленности. При этом в плане минимизации стоимости выбора марки стали под крепеж наиболее предпочтительной представляется сталь 40Х [2], имеющая традиционно наибольшее распространение для упрочняемых крепёжных изделий любой степени массовости. 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].

Материалы и методы исследования

Химический состав стали 40Х соответствует ГОСТ 10702-78. По геометрическим параметрам горячекатаный прокат (г/к) диаметром 11,0 и 13,0 мм соответствует 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 изотермической обработке. Ее температура и степень обжатия при волочении варьировались в зависимости от задачи исследования. Важным фактором, формирующим окончательную микроструктуру, является гомогенность аустенита. Поэтому температура нагрева перед изотермической обработкой принималась 880 ºС. Образцы проката подвергались нагреву в соляной ванне (78 % ВаСL + 22 % NaСL) в течение пяти 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 ±5ºС. 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 и С, на параллельных шлифованных лысках. Твердость HRC по переводной шкале переводили в твердость НВ.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследования показали, что временное сопротивление разрыву и предел текучести г/к проката составляют соответственно, 780 и 440 МПа. Относительные удлинения и сужения равны 61 % и 20 % соответственно.

Выявлено, что с увеличением температуры патентирования от 370 до 500 °С прочностные и пластические характеристики и твердость г/к проката меняются. При этом, временное сопротивление разрыву г/к проката снижается с 1100 до 950 МПа в интервале температур от 370 до 400 °С, а затем монотонно растет с 950 до 1120 МПа в интервале температур патентирования от 400 до 500 °С. Оно снижается с 1120 до 880 МПа при температуре патентирования от 500 до 550 °С.

Предел текучести г/к проката изменяется при температуре патентирования от 370 до 550 °С. Он остается постоянным при температуре патентирования от 370 до 425 °С и равен 700 МПа. При дальнейшем увеличении температуры от 425 до 450 °С его величина снижается с 700 до 600 МПа. В интервале температур патентирования от 450 до 500 °С предел текучести увеличивается с 600 до 710 МПа. При увеличении температуры патентирования от 500 до 550 °С он снижается с 710 до 595 МПа.

Относительное сужение г/к проката при повышении температуры патентирования от 370 до 550 °С существенно меняется. С увеличением температуры патентирования от 370 до 400 °С относительное сужение возрастает от 35 до 59 %. Затем, с ростом температуры от 400 до 500 °С, идет монотонное его снижение с 59 до 29 %. Повышение температуры патентирования от 500 до 550 °С увеличивает относительное сужение с 29 до 57 %. Относительное удлинение в диапазоне температур патентирования от 370 до 450 °С возрастает с 12 до 16 %. При увеличении температуры от 450 до 500 °С оно снижается с 16 до 12 %. Относительное удлинение возрастает с 12 до 19 % при увеличении температуры с 500 до 550 °С.

Ниже представлены результаты исследования влияния изотермической обработки (патентирования) в интервале температур 370, 400, 425, 450, 500 и 550 °С и последующего волочения на механические характеристики.

При 370 °С. Графики влияния температуры патентирования 370 °С и последующего обжатия при волочении на прочностные и пластические характеристики проката стали марки 40Х показаны на рис. 1 и 2.

pach1.tiff

Рис. 1. Зависимость σв и σт от степени обжатия при волочении для температуры 370 °С

Экспериментальные данные показывают, что при температуре патентирования от 370 °С и последующих обжатиях от 5 до 60 % прочность проката увеличивается. Установлено, что предел текучести при обжатиях от 5 до 60 % монотонно возрастает с 1000 до 1200 МПа. Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 до 60 % монотонно увеличивается с 1097 до 1360 МПа,

pach2.tiff

Рис. 2. Зависимость δ и ψ от степени обжатия при волочении для температуры 370 °С

Выявлено, что при температуре патентирования 370 °С с увеличением обжатия от 5 до 60 % пластичность проката изменяется. Относительное удлинение при степенях обжатия от 5 до 60 % монотонно снижается с 11 до 6 %. Относительное сужение при степенях обжатия от 5 до 20 % остается постоянным на уровне 40–45 %, а затем при обжатии от 20 до 60 % снижается с 45 до 15 %.

При 400 °С. Результаты влияния температуры патентирования 400 °С и последующего волочения с обжатиями от 5 до 60 % на прочностные и пластические характеристики проката показаны на рис. 3 и 4. Экспериментальные данные показывают, что при температуре патентирования 400 °С и волочении с обжатиями от 5 до 60 % увеличиваются прочностные характеристики проката. Так, предел текучести при обжатиях от 5 до 30 % постоянно растет с 840 до 1100 МПа. При степенях деформации от 30 до 40 % он снижается с 1100 до 1080 МПа. При обжатиях от 40 до 60 % предел текучести увеличивается с 1080 до 1220 МПа.

pach3.tiff

Рис. 3. Зависимость σв и σт от степени обжатия при волочении для температуры 400 °С

Временное сопротивление разрыву монотонно растет при обжатиях от 5 до 30 % и увеличивается с 940 до 1270 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % оно снижается с 1270 до 1240 МПа. При обжатиях от 40 до 60 % σв увеличивается с 1240 до 1280 МПа.

Результаты влияния температуры патентирования 400 °С и обжатия при волочении на пластические характеристики проката показаны на рис. 4.

pach4.tiff

Рис. 4. Зависимость δ и ψ от степени обжатия при волочении для температуры 400 °С

Экспериментальные данные показывают, что при температуре патентирования 400 °С и последующем волочении с обжатиями от 5 до 60 %, пластичность проката меняется не однозначно. Установлено, что относительное удлинение при обжатиях с 5 до 20 % остается практически постоянным и равно 12–13 %, а при изменении обжатия проката от 20 до 60 % оно монотонно убывает с 12 до 8 %. Относительное сужение при обжатиях от 5 до 30 % резко убывает с 62 до 44 %. При дальнейших обжатиях с 30 до 40 % его величина остается постоянной на уровне 42 %. Относительное сужение при изменении обжатия от 40 до 60 % продолжает постоянно убывать с 42 до 23 %.

При 425 °С. Результаты изучения влияния температуры патентирования при 425 °С и волочения с обжатиями от 5 до 60 % на прочностные и пластические характеристики проката стали 40Х показаны на рис. 5 и 6.

pach5.tiff

Рис. 5. Зависимость σв и σт от степени обжатия при волочении для температуры 425 °С

Результаты данных, представленных на рис. 5, показывают, что при температуре патентирования 425 °С и увеличении обжатия от 5 до 60 % увеличиваются прочностные характеристики проката.

Выявлено, что предел текучести при обжатиях от 5 до 30 % постоянно растет с 875 до 1128 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % происходит его снижение с 1128 до 1090 МПа. При последующих обжатиях от 40 до 60 % σт увеличивается с 1090 до 1247 МПа.

Временное сопротивление разрыву монотонно растет при обжатиях от 5 до 30 %, увеличиваясь с 980 до 1300 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % происходило его снижение с 1280 до 1260 МПа. При обжатиях от 40 до 60 % временное сопротивление разрыву увеличивается с 1260 до 1300 МПа.

Результаты влияния патентирования при температуре ванны 425 °С и последующего волочения на пластические характеристики проката показаны на рис. 6.

pach6.tiff

Рис. 6. Зависимость δ и ψ от степени обжатия при волочении для температуры 425 °С

Данные экспериментальных исследований показывают, что при температуре патентирования 425 °С и последующем волочении с обжатиями от 5 до 60 % его пластические характеристики также изменяются не монотонно.

Установлено, что относительное удлинение при обжатиях с 5 до 20 % остается постоянным и равно 11 %, а с ростом обжатия от 20 до 30 % оно убывает с 11 до 7 %. При обжатиях от 30 до 60 % относительное удлинение остается постоянным на уровне, равном 6,5 %.

Относительное сужение постоянно при обжатиях от 5 до 20 % и равно 54 %. При обжатиях от 20 до 30 % оно резко снижается с 54 до 39 %. При дальнейших обжатиях от 30 до 40 % относительное сужение остается постоянным на уровне 39 %. Исследуемый показатель пластичности при изменении обжатия от 40 до 60 % убывает с 35 до 33 %.

При 450 °С. Результаты исследования влияния температуры патентирования 450 °С и последующего волочения со степенями обжатия от 5 до 60 % на прочность и пластичность проката стали 40Х показаны на рис. 7 и 8.

pach7.tiff

Рис. 7. Зависимость σв и σт от степени обжатия при волочении для температуры 450 °С

Установлено, что при температуре патентирования 450 °С и увеличении обжатия от 5 до 60 % прочностные характеристики проката возрастают.

При этом предел текучести при обжатиях от 5 до 10 % возрастает с 905 до 930 МПа. При обжатиях от 10 до 20 % он остается постоянным на уровне 930 МПа. При последующих обжатиях от 20 до 30 % σт увеличивается с 930 до 1200 МПа. Предел текучести начинает снижаться с 1200 до 1120 МПа при обжатиях от 30 до 40 %. При увеличении степени обжатия, равной 60 %, при волочении происходит обрыв проката. Поэтому при обжатии 60 % данные предела текучести отсутствуют.

Временное сопротивление разрыву при обжатиях от 5 до 30 % монотонно возрастает с 980 до 1305 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % оно снижается с 1305 до 1280 МПа. При обжатии 60 % при волочении происходит обрыв проката в инструменте стана. Поэтому данные временного сопротивления разрыву при степени обжатия 60 % отсутствуют.

Влияние температуры патентирования 450 °С и степени обжатия при волочении на пластические характеристики стали 40Х показаны на рис. 8.

pach8.tiff

Рис. 8. Зависимость δ и ψ от степени обжатия при волочении для температуры 450 °С

Экспериментальные данные показывают, что при температуре 450 °С и при волочении с обжатиями от 5 до 40 % пластичность проката меняется следующим образом: относительное удлинение монотонно снижается с 12 до 6 % при обжатиях от 5 до 40 %. Данные по величине относительного удлинения при обжатии 60 % отсутствуют, т.к. произошел обрыв проката при волочении. Относительное сужение при обжатиях от 5 до 10 % возрастает с 50 до 52 %. При обжатиях проката с 10 до 30 % Ψ резко снижается с 50 до 30 %. Данные относительного сужения при обжатии 60 % отсутствуют.

При 500 °С. Влияние патентирования при температуре 500 °С и последующего волочения с обжатиями от 5 до 20 % на прочностные характеристики проката показано на рис. 9 и 10.

pach9.tiff

Рис. 9. Зависимость σв и σт от степени обжатия при волочении для температуры 500 °С

Согласно данным, представленным на рис. 9, выявлено, что при температуре 500 °С и обжатиях от 5 до 20 % меняются прочностные характеристики проката.

Предел текучести при обжатиях от 5 до 20 % увеличивается с 1000 до 1050 МПа. Данные при обжатиях 30, 40 и 60 % отсутствуют, т.к. происходил обрыв проката при волочении. Временное сопротивление разрыву при обжатиях проката от 5 до 10 % снижается с 1100 до 1060 МПа. При обжатиях от 10 до 20 % оно увеличивается с 1060 до 1160 МПа. При попытке дальнейшего волочения с обжатиями от 30 до 60 % происходил обрыв проката в инструменте волочильного стана. Поэтому при обжатиях со степенями деформации от 30 до 60 %, данные отсутствуют. Влияние температуры 500 °С и последующего волочения с различными степенями обжатия на пластические характеристики проката стали 40Х показано на рис. 10.

pach10.tiff

Рис. 10. Зависимость δ и ψ от степени обжатия при волочении для температуры 500 °С

Экспериментальные данные показывают, что температура патентирования 500 °С и последующее волочение с обжатиями от 5 до 20 %, изменяют пластические характеристики проката. Установлено, что относительное удлинение монотонно снижается с 11 до 8 % при обжатиях проката от 5 до 20 %. Данные при обжатиях 30, 40 и 60 % отсутствуют, т.к. произошел обрыв проката при волочении.

Относительное сужение при обжатиях от 5 до 10 % остается постоянным на уровне 40 %, затем резко снижается с 40 до 29 % при обжатиях от 10 до 20 %. При обжатиях от 30 до 60 % происходит обрыв проката. По этой же причине при обжатиях со степенями деформации от 30 до 60 % данных нет.

При 550 °С. Результаты исследования влияния патентирования при температуре ванны 550 °С и последующего волочения со степенями обжатия от 5 до 60 % на прочностные и пластические характеристики проката показаны на рис. 11 и 12.

Экспериментальные данные, представленные на рис. 11, показывают, что при температуре патентирования 550 °С и волочении с обжатиями от 5 до 60 % увеличиваются прочностные характеристики проката.

pach11.tiff

Рис. 11. Зависимость σв и σт от степени обжатия при волочении для температуры 550 °С

Установлено, что предел текучести при обжатиях от 5 до 30 % увеличивается с 810 до 980 МПа. При обжатиях от 30 до 40 % он снижается с 980 до 940 МПа. При обжатиях от 40 до 60 % σт снова увеличивается с 940 до 1110 МПа.

Временное сопротивление разрыву монотонно увеличивается с 910 до 1180 МПа при обжатиях от 5 до 60 %. Результаты изучения влияния патентирования при температуре 550 °С и последующего волочения с различными степенями обжатия на пластические характеристики проката показаны на рис. 12.

pach12.tiff

Рис. 12. Зависимость δ и ψ от степени обжатия при волочении для температуры 500 °С

Выявлено, что при температуре патентирования 550 °С и увеличении обжатия от 5 до 60 % при волочении, пластические характеристики проката изменяются не однозначно.

Относительное удлинение остается постоянным при обжатиях от 5 до 20 % и равно 18–19 %. При обжатиях от 20 до 30 % оно убывает с 20 до 10 %. При изменении обжатия от 30 до 60 % величина относительного удлинения для проката остается постоянной на уровне 10 %. Относительное сужение при обжатиях от 5 до 60 % монотонно убывает с 62 до 35 %.

Выводы

1. Исследовано влияние температуры изотермической обработки при температурах селитровой ванны 370, 400, 425, 450 и 550 ºС с последующим волочением со степенью обжатия 5, 10, 20, 30, 40 и 60 % на прочностные и пластические характеристики горячекатаной стали 40Х.

2. Выявлена зависимость структурно-механических характеристик от температуры изотермической обработки с последующим волочением проката с разными степенями пластической деформации.

3. Выявлена оптимальная микроструктура проката для последующего изготовления из него длинномерных болтов.

4. Показана возможность применения упрочняющей обработки с максимальным использованием упрочнения при патентировании и волочении, которые применются в процессе обработки проката. Предполагается достижение такого же уровня упрочнения, как и при термическом улучшении, что позволит исключить его из производственного цикла изготовления готовых деталей.