ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КАК СПОСОБ ПОДГОТОВКИ СТРУКТУРЫ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Технология изготовления крепежных изделий . развивается в направлении повышения уровня автоматизации, увеличения предельной степени деформации заготовок на отдельных переходах, что обусловливает повышенные требования, предъявляемые к однородности механических свойств и ресурсу пластичности материала и, следовательно, подготовке структуры ископаемых при высадке материалов (увеличение дисперсности и однородности) [^.Использование индукционного нагрева при термической обработке заготовки было обусловлено тем, что при этом обеспечивается высокая стабильность поддежания температурного режима, исключается возможность образования обезуглероженного слоя и т п.

Данная работа посвящена оценке эффективности использования специализированных автоматизированных комплексов с индукционным нагревом для ускоренного сфероидизирующего и рекристаллизационного отжига углеродистых и легированных сталей, а также упрочняющей термообработки сортовой заготовки (закалка на двухфазную структуру) из низкоуглеродистых сталей, применяемых при холодной высадке.

Ускоренный сфероидизирующии и рекрисгаллизационный оггжиг

Известно, что стали со структурой сферо идизованного цементита, получаемого, как правило, при сферойдизирующем отжиге [l] . обладают при холодной высадке повышенной технологической пластичностью. Известны два основных вида сфероидизирующего отжига: отжиг при субкритических температурах и отжиг с неполной разовой перекристаллизацией. Отсутствие жестких ограничений по точности поддержания температурного режима в первом случае позволяет использовать печное оборудование (камерные печи) , однако его недостатком является значительная (достигающая десятков часов) продолжительность и соответственно энергоемкость.Использование неполной фазовой перекристаллизации позволяет существенно сократить продолжительность отжига, однако узость "интервала отжигаемос ти", характерная для доэвтектоидных сталей, не позволяет его проведение на существующем печном оборудовании. В этой связи перспективным является использование высокоскоростного индукционного нагрева, который, как показано в работе [2] , с одной стороны позволяет расширить "интервал отжигаемости" стали, а с другой стороны, обеспечивает высокую точность поддержания температурного режима.

На АО ”Автонормальипри участии авторов разработан и освоен автоматизированный комплекс для сфероидизирующего и рекристаллизационного отжига бунтов массой до 500 кг из углеродистых и низколегированных сталей диаметрм 10 — 18 мм с использованием индукционного нагрева и последующего замедленного (термостатического) охлаждения проволоки, перематываемой из бунта в бунт. Автоматизированный комплекс (рис.1, вариант 1) состоит из разматывающего 1, правильного 2 и подающего 3 устройств, тиристорного преобразователя и индуктора 4, устройства формирования витка 5, термостата для замедленного охлаждения 6 и пятипозиционной карусели 7. Производительность комплекса Независимо от диаметра обрабатываемой стали) до 500 кг/ч. Соответственно потребляемая мощность 300 кВт.

Опробованы режимы кратковрвхменного (30 — 90 мин) сфероидизирующего и рекристаллизационного отжига углеродистых (0,1 — 0,2 % С) и легированных сталей, включающие кратковременный (несколько секунд) индукционный нагрев до температуры Асх + 10 — 30 °С, с последующим (в случае сфероидизирующего отжига) замедленным (скоростью не более 5°С/мин) охлаждением в обогреваемой камере. . В результате неполной аустенитизации стали последующий распад образовавшегося аустенита при субкритических температурах происходит по абнормальному механизму на феррит и цементит [2].

Показано, что уровень прочности стали и степень сфероидизации перлита после кратковременного отжига на линии индукционного нагрева и после традиционного отжига в течение десятков часов в колпаковых печах значимо не различаются. Отличительной особенностью отжига с использованием нагрева ТВЧ является точность поддержания температурного режима (3 °С) и высокая стабильность свойств по длине бунта (разброс по временному сопротивлению не превышал 20 Н/мм2), получение более дисперсной структуры, что способствует повышению пластичности стали при той же прочности, а также отсутствие обезуглероженного слоя в результате кратковременности пребывания при температурах интенсивного окалинообразова ния. Следует отметить, что во всех случаях степень сфероидизации и ("отжигаемость") исследуемых сталей была выше при обработке предварительно холоднодеформированной (калиброванной) стали.

На примере стали 20Г2Р (0,20% С — Мп — Ti В) сопоставлены параметры прочности и остаточной пластичности при деформации сталей, отожженных с использованием индукционного нагрева и в колпаковых печах. Показано (рис.2), что темп упрочнения при волочении до деформации е = 1,2 для обоих вариантов отжика практически не различается, в то время как снижение пластичности у стали, отожженной с использованием индукционного нагрева, на 10 — 15 % ниже, чем у стали, отожженной и в колпаковой печи. Аналогичный результат дает сопоставление характеристик предельной пластичности, определенных при испытаниях образцов по схеме трехосного нагружения (растяжение или кручение с наложением гидростатического давления) [3].

Использование индукционного нагрева позволяет (в сравнении с колпаковым. отжигом) сократить в 10 раз продолжительность термообработки, исключить образование обезуглероженного слоя, получить металл с мелкодисперсной структурой и минимальным (не более 2ЙН/мм2) разбросом прочностных характеристик по длине бунта при повышенной остаточной пластичности в процессе деформационного упрочнения.

Закалка низкоуглеродистых сталей из межкритического интервала как способ получения высокопрочных крепежных изделий без завершающего термоупрочнения

Одним из путей решения задачи снижения энергозатрат и сокращения трудоемкости изготовления высокопрочных крепежных изделий является получение требуемого уровня служебных свойств только за счет деформацион ного упрочнения в процессе холодной высадки углеродистых и низколегированных сталей со специально подготовленной структурой (без завершающего термоупрочнения). Таким образом, устраняются операции сфероидизирующего и рекристаллизационого отжига заготовки, а также завершающего термоупрочнения готовых крепежных изделий, исключаются дефекты резьбы, возникающие в процессе термообработки и вынужденная в ряде случаев рихтовка (правка) длинномерных крепежных изделий. Наиболее известными в этом направлении являются данные об использовании исходно упрочненных сталей: низколегированной после улучшения (закалки с высоким отпуском) [4], низкоуглеродистой с бейнитной структурой [5] , низкоуглеродистой и низколегированной стали, закаленной на двухфазную структуру [6, 7, 9], а также стали, упрочненной с прокатного нагрева, в том числе по варианту термомеханической обработки [3]. Авторы в своей работе использовали важные преимущества двухфазной ферритномартенситной или ферритнобейнитной структуры, которые заключаются в повышенной (при данной прочности) пластичности стали и высокой скорости деформационного упрочнения. Для обеспечения гарантированного комплекса свойств готовых крепежных изделий в достаточно узком диапазоне цз исходно термообработанной сортовой заготовки необходимо обеспечить высокую стабильность исходной структуры и свойств по длине бунта, что также определяет преимущества использования линий с индукционным .нагревом.

Общая конструкция линии для закалки, представленная на рис.1, вариант 2, по позициям 1 — 4 аналогична комплексу для отжига, однако дополнительно имеет спрейер 8, сматывающее устройство 9, двухпозиционную карусель 10. Производительность до 800 кг/ч.

Оптимизация технологии проведена на основе изучения влияния степени предваритель? ной деформации (до 36 %), температуры закалки (в диапазоне 750 840 °С), продолжи * тельности воздушного подстуживания (4 —15 с) после нагрева перед закалкой водяным душем на структуру и механические свойства низкоуглеродистой (0,10 —0,20 % С) стали, прежде всего на ее деформационное упрочнение и пластичность.

Повышение температуры закалки в двухфазной области приводит к увеличению объемной доли упрочняющей фаза и изменению ее морфологии. При закалке от 750 °С, упрочняющая фаза представляет собой бейнит с периферийными участками мартенсита. Повышение температуры закалки приводит к измельчению, а при температурах выше 780 °С к полному исчезновению мартенсита в бейните. Увеличение .продолжительности предзакалочного воздушного охлаждения, практически не изменяя характера упрочняющей фазы, приводит к ее измельчению за счет дораспада аустенита.

При той же температуре нагрева в двухфазной области, увеличение степени предварительной деформации с одной стороны способствует увеличению объемной доли упрочняющей фазы за счет ускорения аустенитиза ции, а с другой — меняет тип и морфологию упрочняющей фазы от мартенситнобейнитной к чисто бейнитной. Это связано с соответствующим понижением устойчивости аустенита за счет снижения в нем средней концентрации углерода. В отдельных случаях могут наблюдаться выделения феррита внутри бейнита. В целом увеличение степени предварительной деформации действует в том же направлении, что и повышение температуры закалки.

Изучение механических характеристик (рис.З) позволило рекомендовать для высадки стержневых деталей нелегированную сталь с 0,10 %С, деформированную перед закалкой на 23 % и закаленную от температур межкрити ческого интервала.

Сравнение структуры двухфазных сталей, полученных на линии с индукционным нагревом, и после закалки с печного нагрева показало, что скоростная электротермообработка способствует существенному измельчению образующейся двухфазной структуры, что позволяет обеспечить сочетание более высоких значений прочности и пластичности двухфазной структуры при одновременном повышении коэффициента деформационного упрочнения м.

Использование закалки низкоуглеродистых и низколегированных сталей перед высадкой стержневых крепежных изделий позволяет получить высокопрочный крепеж (Г?>=800 Н/мм2)без проведения длительного подготовительного сфероидизирующего отжига и завершающего термоупрочнения; а также ис бв,мпа пользовать дешевые низкоуглеродистые стали, из которых другими способами производство высокопрочного крепежа практически невозможно.

Показана высокая эффективность использования индукционного нагрева для подготовки структуры материала перед холодной высадкой крепежных изделий. Разработанные автоматизированные комплексы термообработки могут использоваться как при проведении смягчающего отжига, так и для термоупрочнения стали при перемотке проволоки из бунта в бунт, обеспечивая высокую стабильность механических свойств по длину бунта.

Использование линий электроиндукционного нагрева на АО "Автонормаль", позволило в значительной степени отказаться от колпако вых печей.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 4, Москва 1994