Влияние дефектов исходного металлопроката на качество крепежных изделий
В.П. Рудаков, А.П. Пестряков, А.И. Кузнецова
По своему характеру дефекты на поверхности металла могут быть металлургического (при выплавке и разливке стали, охлаждении слитков), прокатного (при деформации и охлаждении проката) и волочильного (при волочении проката или проволоки) производства. Если на слитке пороки полностью не удалены, то при прокатке они переходят на блюмы ( слябы), заготовки, готовый холоднокатаный прокат и далее на крепежные изделия в процессе штамповки (1,2,4). Основной технический дефект при производстве крепежа связан с высокой степенью деформации (до 87%) в процессе штамповки, т.к. трещины исходного проката, не лежащие на поверхности, распространяются в штампуемом изделии в результате максимальных полных касательных напряжений. Чаще всего трещины, возникающие при штамповке, параллельны оси подката, а трещины, возникающие при отделочных операциях, перпендикулярны его оси. Основной причиной образования дефектов на крепежных изделиях однозначно является технология производства исходного металла, начиная с выплавки стали, а также его обработка. Согласно справочной литературе (1,2) и опыта работы метизных заводов известно, что даже соблюдение всех технологических требований и рекомендаций по структуре и механическим свойствам исходного металлопроката еще не гарантирует отсутствие брака в металлоизделиях при обработке давлением. По характеру трещин, образующихся на изделиях в результате пластической деформации можно оценить качество и пригодность используемого подката. Наиболее распространенным видом дефектов металлургического происхождения являются неметаллического включения – частицы шлака и огнеупоров. При выпуске металла из печи в ковш и из ковша в изложницу шлак механически извлекается струей металла. частицы огнеупорного материала попадают в сталь из футеровки ковша и сифонного кирпича. При дальнейшей обработке металла холодным пластическим деформированием трещины образуются в местах наибольших скоплений неметаллических включений даже при самых благоприятных для холодной штамповки механических свойствах и структуре.
Причиной образования трещин при штамповке со степенью деформации 40-80% могут также являться дефекты сталеплавильного (при разливке и охлаждении слитков) и прокатного (при деформации и охлаждении проката) происхождения. Большое влияние на деформируемость сталей оказывает вид раскислителя. Раскисление кремнием гораздо хуже, чем раскисление алюминием, т.к. раскисление алюминием резко сокращает брак по трещинам.
Марки, химический состав и другие свойства сталей, предназначенных для холодной штамповки, регламентирует в основном ГОСТ 10702-78. Оптимальный химический состав сталей в этом стандарте установлен на основе обобщения имеющегося передового опыта по их выплавке и применению в производстве крепежных изделий и тщательного изучения влияния отдельных элементов в них (углерода, кремния, серы, фосфора, марганца, хрома, никеля, алюминия, меди, бора и др.) на способность металла к холодной штавке и горячей штамповке. При этом учтено также влияние газов: кислорода, азота, водорода. Влияние различных элементов на деформируемость стали в холоднном и горячем состоянии подробно освещено в литературе (1,2,3,4,5).
Для изготовления мелкого крепежа (до диаметра 4 мм) широко используют также низкоуглеродистые стали группы В ГОСТ 380-94. Конкретные марки сталей для изготовления крепежных изделий определяются соответствующими ГОСТами на них, в частности, для болтов гаек, винтов с диаметром резьбы от 1 до 48 мм – ГОСТ 1759.0-87.
В последние годы для изготовления крепежных изделий холодной штамповкой начали применять низкоуглеродистые стали, раскисленные только алюминием ( вместо кремния). Как уже было отмечено выше, такие стали практически не склонны к трещинообразованию, обладает большой пластичностью, высоким сопротивлением напряжению изгиба, малой склонностью к растрескиванию при нагреве и резком охлаждении, низкой способностью к обезуглероживанию, повышенной деформируемостью в холодном состоянии, а также высоким сопротивлением релаксации.
Раскисление алюминием является одним из самых прогрессивных способов при выплавке стали,т.к. алюминий полностью выгорает при t=2500°C, создает бурное кипение (бурление) во всем объеме расплавленного металла, выравнивая микроструктуру. При этом вместе с пузырьками воздуха и газовыми пузырями выходят наружу все неметаллические включения, которые при последующей переработке металла удаляется зачисткой с поверхности слитков, блюмов (слябов) и горячекатанного проката.
Металл, раскисленный алюминием, практически не содержит неметаллических включений, кремния и газовых пузырей и является самым подходящим для штамповки крепежных изделий. Для удаления неметаллических включений также производят продувку кислородом. К повехностным дефектам слитков кроме неметаллических включений также относятся: плены, пояса, трещины, газовые пузыри, флокены. К дефектам возникающих при прокатке – раскатанные газовые пузыри, волосовые трещины, рванины, закаты. К дефектам возникающим при волочении - трещины, поры, рванины. Эти дефекты образуются в результате обжатия металла при прохождении через волоки и регулируются правильным подбором степеней обжатия, скоростей и режимов волочения.
Все перечисленные виды дефектов (если не приняты меры по своевременной ликвидации при каждом конкретном переделе) могут раскрываться при штамповке в виде трещин, приводя к браку готовых изделий. Особое внимание следует уделить производству холоднокатаного проката в виде прутков и бунтов, который является исходной заготовкой для производства крепежных изделий. Для производства крепежных изделий холодной и горячей штамповкой сталь поставляется потребителю в различных видах:
по способу изготовления – горячекатанной, калиброванной в виде сортовой тянутой со специальной отделкой поверхности или без специальной отделки поверхности, проволоки или подката;
по состоянию материала – без термической обработки ( нагартованный) и с термической обработкой ( с обычным или сфероидизирующим отжигом, отпуском и др.).
Важным признаком, по которому поставляется металл, являются также его механические и технологические свойства.
Неизменным дефектов поверхности металла и металлоизделий, сопутствующим термической обработке, является образование обезуглероженного слоя вследствии выгорания части углерода при нагреве металла под следующую закалку. Обезуглероживание поверхности металла может иметь место как на стадиях прокатки, подготовки металла к штамповке, так и при термической обработке на соответствующий класс прочности готовых деталей. Обезуглерожение и окалинообразование существенно снижает механические свойства в поверхностных слоях металла. Поверхность становится восприимчивой к образованию рисок, задиров, царапин при прокатке, калибровке, высадке. Возможен срыв резьбы при испытаниях. Применение защитных атмосфер при нагреве существенно снижает вероятность образования обезуглероженного слоя.
Закалочные трещины в деформируемом металле могут появиться в процессе закалки в результате возникновения высоких напряжений, структурных превращений и температурных напряжений. Закалочные трещины обычно имеют неровную блуждающую траекторию на поверхности крепежной детали. Основными причинами появления температурных напряжений являются: быстрый нагрев под закалку, быстрое охлаждение в области мартенситного превращения, сложная конфигурация изделий с резкими переходами, значительный временный разрыв между операциями закалки и отпуска. (6)
Наряду с дефектами, связанными с некачественным металлопрокатом, технологическим инструментом и режимами деформационной и термической обработки, возникают дефекты на металле и заготовках металлоизделий, причиной которых являются ошибки, допущенные при проектировании инструментальной оснастки, установке, износе и неправильной наладки оборудования.
Таким образом, возникновение дефектов при массовом производстве крепежных изделий зависит от нескольких факторов:
1. от качества применяемого материала;
2. величины и характера нагрузки степени деформирования при штампоке;
3. от принципа действия и состояния применяемого инструмента и оборудования (1,2,3).
Подготовка металла к производству крепежных изделий заключается главным образом в получении пригодного для этой цели калиброванного профиля из исходного горячекатаного подката. Калиброванный металл должен иметь заданные механические и технологические свойства и поверхность, обеспечивающую успешное проведение высадки и других последующих операций деформирования. После таких операций полученное изделие должно обладать всеми требуемыми свойствами. В соответствии с этим подготовка металла состоит из трех основных стадий: подготовки поверхности исходного горячекатаного проката к волочению (калибровке), волочения и подготовки поверхности протянутого металла к штамповке (часто последняя операция является одновременно и подготовкой к высадке и другим последующим операциям).
Как было отмечено выше, причины дефектов могут быть различны: при выплавке стали, разливке, прокатке. Установлено практикой, что риски глубиной даже 0,05 мм вскрываются при холодной штамповке в виде трещин на готовых изделиях. Трещины и разрывы на готовых крепежных изделиях образуются при штамповке, гибке и накатке резьбы в местах скопления неметаллических включений, газовых пузырей, флокенов. Для сокращения дефектов разливки и прокатки необходима защитка поверхности слитка и заготовки. На металлургических заводах тардиционно применяют огневую зачистку, что не обеспечивает качества поверхности, поэтому необходима только механическая зачистка.
Если металл имеет пониженную пластичность и повышенную прочность или видманштеттову структуру, то для обеспечения возможности его холодного пластичного деформирования подкат перед подготовкой поверхности к волочению подвергают смягчающей термической обработке: отжигу, нормализации, отпуску или закалке (для высоколегированных сталей) (2). При изготовлении горячекатаного проката в случае перегрева (выше точки А3 ) при повышенной температуре аустенизации образуется так называемая видманштеттовая структура, характеризующая тем, что избыточный феррит (цементит) выделяется в виде длинных пластин (игл), прорезывающих зерна перлита, образование такой структуры происходит сдвиговым механизмом типа мартенситного, в результате формируется крупное действительное зерно аустенита. Видманштеттовая структура в исходном прокате для изготовления крепежа недопустима, так как при деформации в процессе гибки или штамповки происходит крупнокристаллический излом по границам зерен и появляются браковочные трещины и рванины.
Для устранения указанной структуры в исходном горячекатаном прокате необходимо проведение дополнительно отжига или нормализации с температурой нагрева 860-900°С и равномерным охлаждением до 400-500°С. Предварительная термическая обработка подката необходима также для получения протянутого металла с заданными механическими, технологическими и другими свойствами, что должно обеспечить соответствующие свойства высаженным из него изделиям. Нередко такая термическая обработка необходима и перед холодной штамповкой.
Большое влияние на деформируемость оказывает структура металла. Микроструктура должна быть однородной, ликвационная зона не должна превышать 25% сечения металла и не должна выходить на поверхностный слой. Для холодной штамповки необходимо иметь микроструктуру исходного металла после отжига 80-100% зернистого перлита.
К технологическим свойствам металла, подвергаемого высадке, относятся , в частности, его способность выдерживать без разрушения (без появления трещин и надрывов поверхности) испытание на осадку под действием деформируемого инструмента имеющего плоскую рабочую поверхность. При этом усилие осадки и скорость деформирования должны быть постоянными. Такими испытаниями определяют как деформируемость металла, так и наличие поверхностных и внутренних дефектов.
Испытание на осадку можно проводить как в холодном , так и в горячем состоянии металла (2). Обычно углеродистые стали для холодной высадки, содержащие примерно до 0,3% С, подвергают осадке только в холодном состоянии. Испытание металла на осадку производят в соответствии с ГОСТ 8817-82. При этом цилиндрический образец диаметром d должен иметь первоначальную высоту h=2d и выдерживать осадку до высоты h1=(1/2-1/4)h.
При испытании на холодную осадку требующая деформация определяется видом, свойствами и назначениеми изготавливаемого изделия и зависит от марки, способа изготовления, состояния (горячекатанное, нагартованное, термически обработанное) и микроструктуры (наилучшей является зернистый перлит) испытуемого материала. Согласно ГОСТ 10702-78 стали для холодной высадки пол величине деформации при холодной осадке подразделяются на труппы , которые обозначают следующим образом: до 1/2h-50, до 1/3h-66 и до 1/4h-75, а при контроле на образцах, подвегнутых сфероидизирующему отжигу и оболочке поверхности: до 1/3h-66 И и до 1/4h-75И. Наилучшая способность сталей к холодной высадке обеспечивается практически в том случае, если образец выдерживает испытание на осадку до 1/3h или менее. Однако практически даже этого недостаточно, так как фактически, например, нормальная головка болта может быть получена только при высадке со степенью деформации до 80 %, что соответствует h1=1.5h (2).
Кроме того недостатком испытания на осадку является то, что полученные результаты будут не полностью характеризировать всю партию и даже отдельный бунт контролируемого металла. Это объясняется невозможностью контроля всего объема металла и неравномерным распределением дефектов по длине бунта (или прутка) при установленных стандартами нормах отбора образцов.
На рис. 1-5 показаны наиболее часто встречающиеся дефекты на получаемых методами объемной штамповки крепежных изделиях, причинами которых являются дефекты исходного металлопроката. К таким дефектам относятся: трещины, рванины, разрывы по граням шестигранных головок болтов и гаек, повреждения резьбы. Как было отмечено выше, основными причинами возникновения трещин (рис.1) и рванин (рис.2) при штамповке являются дефекты металлургического и прокатного производства.
Рис.1
Дефекты, возникающие при штамповке гаек, из-за наличия в исходном металлопрокате неметаллических включений, раскатанных пузырей, рисок, волосовин:
1 - трещины на опорной поверхности гайки и резьбе;
2 - трещины на наружной и торцевой поверхности.
Рис.2
Рванины на наружной и торцевой поверхности гаек из-за дефектов металлургического происхождения.
При изготовлении болтов с шестигранной или другими формами головок (клеммные, закладные, стыковые болты) на гранях и углах головок могут появляться разрывы (рис.3), причиной которых также являются дефекты металлургического происхождения в исходном металлопрокате ( газовые пузыри, неметаллические включения, видманштеттова структура).
Рис.3
1 - разрывы на гранях и углах головки болта из-за дефектов в исходном металлопрокате (газовые пузыри, риски неметаллические включения).
При накатке резьбы образуются поверхностные дефекты, связанные как с механикой этого процесса, так и с дефектами исходного металлопроката. Профиль резьбы образуется, как правило, путем многократного и последовательного копирования профиля двух инструментов ( подвижной и неподвижной плашек, ролика и сегмента), а также метчиков при образовании внутренних резьб. Формирование профиля резьбы происходит за счет перераспределения элементарных объемов металла заготовки, вытесняемого рабочими витками резьбооразующего инструмента. Задиры резьбы, вмятины, царапины могут образоваться в процессе накатки резьбы из-за повреждения накатного инструмента или во время различных манипуляций пари транспортировании (6).
Наличие зон ликвации, выходящих на поверхность, волосовин, рисок, неметаллических включений или других внутренних дефектов металлургического происхождения приводит к разрушению детали при накатывании резьбы или при эксплуатации (рис.4).
1
2
Рис.4
Повреждения резьбы из-за дефектов в исходном металлопрокате:
1 - рванины или выкрашивания по профилю;
2 - разрушения при накатке и эксплуатации.
При изготовления клеммных болтов по ОСТ 32.161-2000 в условиях ОАО «МКЗ» из металлопроката группы осадки 50 холодной штамповкой наблюдалось повышенное количество бракованных изделий с трещинами на головках и стержни болтов (рис.5)
Рис.5
1 - трещины на головке клеммного болта из-за дефектов в исходном металлопрокате (раскатанные газовые пузыри, неметаллические включения);
2 - трещины на стержне болта, образовавшиеся в исходном металлопрокате из-за несоблюдения технологии горячей прокатки.
В результате проведенных исследований было выявлено, что причиной образования трещин являются дефекты металлургического производства ( раскатанные газовые пузыри, неметаллические включения, мелкие трещины горячей прокатки). В связи с тем, что при штамповке головки клеммного болта степень деформации равна 80%, испытания на осадку исходного металла на ? высоты не позволило выявить в нем указанные металлургические дефекты, которые раскрылись в виде трещин только при штамповке.
При исследовании зависимости качества прутковых пружинных клемм от качества исходного металлопроката было выявлено, что трещины в зонах наибольших деформаций заготовки «Омега», получаемой холодной гибкой, образуются только при использовании исходного металлопроката с металлургическими дефектами (газовые пузыри, неметаллические включения).
В результате периодических проверок в условиях кузнечно-прессового цеха ОАО «МКЗ» фактического расхода металлопроката с дефектами металлургического и прокатного производства установлено повышенное количество брака крепежных изделий в каждом конкретном случае (от 1 до 20%), что является причиной повышения расходного коэффициента и, соответственно, себестоимости продукции.
Анализ вышеизложенного позволяет сделать следующие вывод:
1. В связи со значительными степенями деформации (до 87%), возникающими при штамповке крепежных изделий, в исходном металлопрокате не должно быть дефектов металлургического и прокатного производства - неметаллических включений, рисок, газовых пузырей, флокенов, плен, закатов, видманштеттовой структуры и т.д., которые раскрываются при пластической деформации в виде трещин, рванин, разрывов, выкрашивания резьбы.
2. Горячекатаный прокат для производства крепежных изделий должен изготавливаться только с механической зачисткой. Огневая зачистка, приводящая к повышенному браку изделий по трещинам, не допускается. Группа осадки исходного металлопроката должна быть не менее 66.
3. Переработка металлопроката с металлургическими дефектами приводит к увеличению брака изделий и повышенному расходному коэффициенту.
4. При поступлении металлопроката необходим качественный входной контроль макро и микроструктуры, технических характеристик с целью выявления браковочных признаков и соответствия требованиям нормативно-технологической документации.
5. Устранение при изготовлении исходного металлопроката всех приведенных выше дефектов будет способствовать повышения качества и рентабельности крепежных изделий, сокращению расходного металла.
Список литературы
1. И.Биллигман «Высадка и штамповка», М., Машиностроение, 1960г.
2. Ю.В. Владимиров, В.Я Герасимов «Технологические оснеовы высадки стержневых изделий», М., «Машиностроение», 1984г.120с.
3. С.П.Васильев «Проризводство крепежных изделий», М., «Металлургия», 1981г., 104с.
4. Справочник по редакцией Г.А Навороцкого «Холодная объемная штамповка», том 3, М., «Машиностроение», 1987г.384с.
5. А.М.Мансуров «Технология горячей штамповки, М., «Машгиз»,1960, 324с.
6. О.Г Лукша, А.В Напалков «О причинах дефектов при производстве крепежа», ШиГ №5, 2001г, с 12-14.
Источник - Специализированный журнал "Метизы" № 12 2002 год Ассоциация "РосМетиз"
|
