Одной из наиболее экономных схем производства метизных крепежных изделий из низкоуглеродистых сталей является изготовление продукции из термоупрочненного подката с использованием тепла прокатного нагрева. Это обусловлено тем, что при такой технологии упрочнения проката при малых экономических затратах достигается значительное повышение механических характеристик проката, а, в ряде случаев, становится возможным улучшение и других его характеристик - долговечности, циклической прочности, ударной вязкости и др. Были проведены исследования возможности изготовления метизов класса прочности 8.8 из низкоуглеродистой конструкционной стали 20 путем разработки модели термического упрочнения подката с использованием тепла у прокатного нагрева.

Упрочнение проката производится по окончании прокатки, то есть при выходе металла из последней клети прокатного стана, методом интенсивного охлаждения. В результате этого образуются низкотемпературные продукты распада аустенита. Термоупрочнение проката может осуществляться при полном и при прерванном охлаждении в воде.Прерванное охлаждение заключается в ускоренном охлаждении проката в течение некоторого времени, в результате чего температура поверхности проката увеличивается за счёт тепла внутренних слоёв. Поэтому, при достижении равных температур поверхности и внутренних слоёв происходит самоотпуск стали. Таким образом, не требуется дополнительный отпуск стали, а проведённая по такой технологии термическая обработка считается завершённой. Так как, низкоуглеродистая нелегированная сталь 20 имеет низкую устойчивость переохлаждённого аустенита и большую критическую скорость охлаждения при закалке (500-1000?С/с), то при термическом упрочнении стали закалка практически не происходит. В некоторых случаях закалка происходит в тонких поверхностных слоях с образованием мартенсита. Но так как температура Мн высока (для стали 20 она составляет 400-500?С), будет протекать самоотпуск мартенсита. Таким образом, при охлаждении проката из низкоуглеродистой стали практически невозможно обеспечить закалку с образованием мартенситной структуры.

При разработке модели термического упрочнения подката с использованием тепла прокатного нагрева исследованию подвергался прокат круглого профиля диаметром 20 мм из низкоуглеродистой конструкционной стали 20 текущего производства стана 350 - 2 Макеевского металлургического комбината им. С. М. Кирова.

Термическое упрочнение производилось в лабораторных условиях (с отдельного нагрева). Для исследования в лабораторных условиях были отобраны образцы длиной 30 мм, которые нагревали в лабораторной электропечи типа С-1В до температуры 880?С. Образцы выдерживались в печи, а затем охлаждались в воде с выдержкой 15 сек. Исходная структура стали 20 состоит из смеси феррита и перлита.

Длительность охлаждения образцов из стали 20 была выбрана в соответствии с графиками изменения механических свойств проката диаметром 20 мм в зависимости от длительности охлаждения в воде при термическом упрочнении с прокатного нагрева [1], и с учетом требований к болтам класса прочности 8.8 типа М18.

В результате термического упрочнения была получена структура реечного (пакетного) мартенсита, который состоит из тонких реек, сплоченных в пакеты с частично выявляемой тонкой структурой (рисунок 2, б). При этом прочностные свойства возросли примерно в 3 раза, а пластические свойства снизились примерно в 3 раза .

При изготовлении крепежных изделий класса прочности 8.8 технологическим процессом предусматривается ряд операций холодной деформации. Поэтому прокат, предназначенный для этих целей, должен обладать определенной пластичностью и повышенными прочностными характеристиками. Наиболее благоприятное сочетание прочностных и пластических характеристик проката достигается термическим упрочнением и последующим отпуском. Поэтому с целью установления режимов отпуска для получения более благоприятной структуры, которая должна обеспечивать комплекс свойств необходимых для последующей пластической деформации, образцы подвергались нагреву до 300, 400, 450, 500?С с выдержкой равной 45 мин для каждой температуры.

В результате отпуска при 300?С происходит релаксация внутренних напряжений, которая обуславливает повышение характеристик пластичности (примерно в 1,4 раза) и некоторое снижение прочностных свойств (примерно в 1,1 раза). Структура, полученная в результате отпуска при 300?С, представляет собой троостит отпуска . В результате отпуска при 400?С заметных изменений в структуре не происходит, однако наблюдается снижение прочности и рост пластичности. В результате отпуска при 450?С наблюдается выделение структуры более дисперсного строения - сорбита. Структура представляет собой тростосорбит отпуска . В результате отпуска при 500?С наблюдается явное выделение феррита по границам бывших аустенитных зерен . При этом продолжается снижение прочностных свойств и рост пластических свойств .

Таким образом, можно сделать вывод, что интервал температур 450-500?С является температурным интервалом самоотпуска, т.к. при этих температурах достигается комплекс свойств, необходимых для последующей пластической деформации - калибровки и редуцирования.

Модель окончательного упрочнения за счет наклепа при калибровке была выполнена по методу "двойной твердости". Стальным шариком диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс (на приборе измерения твердости по методу Бринелля) на образце был сделан отпечаток глубиной 0,375 мм.

В результате наклепа твердость образца увеличилась в 1,06 раза (по сравнению с механическими свойствами после отпуска), а временное сопротивление составило 887,7 Н/мм2.

Таким образом, при калибровке проката диаметром 20 мм до круга диаметром 18 мм за счет наклепа произойдет увеличение прочностных свойств. Твердость поверхности калиброванного проката предположительно возрастет с 255НВ до 293НВ (с 25HRC до 30HRC), то есть в 1,15 раза. При этом наблюдается снижение пластических свойств металла .

Таким образом, при калибровке проката с обжатием 19% (с 20 мм до 18 мм) прочностные свойства проката увеличатся в 1,05 раза, а пластические уменьшатся примерно в 1,4 раза. При дальнейшей осадке и редуцировании до круга диаметром 17,67 мм по ГОСТ 1759.1 - 82 со степенью деформации 3,6% произойдет некоторое увеличение твердости поверхности, а именно с 293НВ до 302НВ. При этом временное сопротивление составит 997Н/мм2.

По результатам эксперимента и рассчитанным данным был построен график зависимости механических свойств от параметров термической обработки и пластической деформации.

На основании результатов, полученных в процессе экспериментальной и расчетной работы, можно прогнозировать то, что есть возможность реализации заданных свойств, требуемых для производства крепежных изделий класса прочности 8.8, при упрочнении проката в процессе прокатки с использованием тепла прокатного нагрева, так как за счет высокой степени гомогенизации аустенита при нагреве под прокатку является возможным получить при дальнейшей калибровке и редуцировании более высокий комплекс механических свойств металла.

Отработка и внедрение режимов термического упрочнения проката из стали 20 для последующей его калибровки позволит получить калиброванную сталь для изготовления метизов класса прочности 8.8, повысить их служебные характеристики, исключить необходимость проведения трудоемких операций закалки и отпуска готовых изделий, которые применяются при традиционной схеме получения крепежных изделий, и связанных с этим мер по сохранению качества поверхности и геометрических параметров резьбы, а также снизить себестоимость за счет экономии дорогостоящих легирующих элементов.