CC BY
114
СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ
УДК 669
Г.С. Гун, И.Г. Шубин, А.А. Соколов, А.А. Соколов
КАЧЕСТВО ДЮБЕЛЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
Стремление каждого предприятия к повыше -нию конкурентоспособности, стабильности ры-ночной политики, контролю и управлению каче -ством продукции находится на первом месте и поэтому одной из самых главных задач на сегодняшний день для Магнитогорского метизнометаллургического завода является повышение качества и увеличение объемов производства метизных изделий. Одно из таких изделий - дюбель -гвоздь обычного качества, предназначенный как для ручной забивки (ТУ 14-4-1844-99, с твердостью не менее 48 НЯСЭ), так и для забивки из поршневых монтажных пистолетов (ТУ 14-41731-92, с твердостью не менее 51,5 НЯСэ) в строительные основания, такие как бетон, кирпич и т.д. Кроме высокой твердости, дюбель должен обладать достаточной пластичностью, сохраняя целостное состояние при ударе свободно падающей массы.
К процессу изготовления высококачественного дюбеля предъявляются более жесткие требования, чем к производству дюбелей обычного качества. Это связано с увеличением единиц твердости дюбеля до 53-56 НЯСэ и введением дополнигель-ного механического испытания на угол изгиба дюбеля. То есть наряду с достаточно высокой твердостью изделия и продольной устойчивостью дюбель должен обладать соответствующей пластичностью и вязкостью и выдерживать изгиб на угол до 60°(согласно ТУ). Для повышения эксплу-тационных свойств обычного дюбеля до уровня механических свойств высококачественного необходимо найти оптимальный вариант технологии производства крепежного изделия, с минимальны -ми затратами на ее внедрение и максимальной результативностью каждой операции в отдельности.
Технологический пропрсс изготовления дюбелей достаточно сложный и одной из важных технологических операций является подготовка металла к холодной высадке, которая включает в себя: волочение исходной заготовки, термическую обработку проволоки и ее калиб-
ровку на необходимый размер готового изделия. Кроме подготовительных операций существует также окончательная термическая обработка дюбелей - изотермическая закалка. В свою очередь , степень влияния каждого этапа производ -ства металлоизделия настолько велика, что при нарушении отдельных технологических опера -ций достижение высокого качества дюбеля не представляется возможным.
Исходная заготовка для производства проволоки под холодную объемную штамповку высококачественных дюбелей должна обладать такими! свойствами, как прочность и одновременно достаточная пластичность, так как во многом определяет дальнейшую способность стали к деформированию. Катанка из стали 70 по ГОСТ 14959 по качественным показателям удовлетворяет этим требованиям. Качество катанки оценивается соответствием ее требуемым геометрическим параметрам (овальностью и установленным допускам на диаметр), соответствием химического состава, получению проволоки с необходимыми механическими свойствами. Кроме того, катанка должна иметь высокую чистоту поверхности и бездефектное поперечное сечение. Качество, бузусловно, определяется структурой катанки, которая, в свою очередь, может быть получена по разным режимам охла-ждения с прокатного нагрева, обеспечивающим различную дисперсность феррито-цементитной смеси В углеродистых сталях в результате диффузионного превращения аустенига образуется структура пластинчатого перлита, состоящая из чередующихся пластин феррита и цементита, а также в зависимости от содержания углерода выделяются избыточные фазы: структурно свободные феррит и цементит [1]. Структура горячекатаной стали марки 70 состоит из пластинчатого (рис. 1) (возможно, сорбитообразного
(рис.2) после проведения ускоренного двухста-дийного охлаждения с прокатного нагрева) перлита и свободного феррита.
Рис. 1. Микроструктураускоренно охлажденной катанки, х 95000
Рис. 2. Микроструктурасорбитизированной катанки, х
95000
Катанка для изготовления из нее проволоки подвергается процессу холодной пластической деформации. Характеристики изменения проч-ностных и пластических свойств проволоки в процессе волочения используются в качестве графических зависимостей этих величин от степени деформации, называемых кривыми упрочнения и диаграммами пластичности В настоящей работе были получены кривые упрочнения и диаграммы пластичности, построенные по результатам испы-таний образцов катанки из стали 70 на одноосное растяжение на разрывных машинах. На рис. 3-4 показаны кривые упрочнения и диаграммы пла-стичности. Различная исходная микроструктура этой стали (различное процентное содержание сорбита и межпластиночное расстояние перлита) дает возможность предположить о ее разном влиянии на достигаемые прочностные свойства (кривая упрочнения) и пластические свойства (диаграмма пластичности).
Технология производства холоднотянутой проволоки, предназначенной для холодной высад-ки, включает волочение катанки до определенного размера, термообработку и окончательную калиб-ровку проволоки на конечный диаметр.
Необходимыми условиями получения каче -ственной продукции на этапе изготовления про -волоки являются: высокое качество исходного материала, как уже было отмечено ранее, и оптимальный выбор технологических параметров процесса волочения. Рассмотрим подробнее влияние этих факторов.
В работах исследователей [2] было установлено, что при деформировании происходят существенные изменения дислокационной структуры феррита и тонкого строения цеменгигных частиц, в сильной степени зависящие от их фор -мы и расстояния между ними. Цементит в виде пластин оказывает существенное влияние на формирование тонкой структуры феррита при деформировании. Г.В. Курдюмов, В.М. Кардон-ский, М.Д. Перкас [2] предполагают, что цемен-тигные пластины служат источниками зарождения большого числа новых дислокаций при наклепе. Упрочнение при деформировании и степень развития субструктуры с повышением дисперсности исходной ферритокарбидной сме -си увеличиваются. Структурные изменения, вызванные в стали холодным наклепом, в полной мере отображаются при формировании структуры после термообработки.
С целью определения оптимальной исходной структуры металла была проведена опытная переработка подката диам. 6,5 мм стали марки 70, сущность которой заключалась в сравнении катанки с сорбигной структурой класса ВК (пл. № 209350) и перлитной класса КК (пл. № 860235) на всех этапах производства крепежного изделия.
Входной контроль показал соответствие под -ката диам. 6,5 мм обеих плавок требованиям ТУ 14-1-5317-95 по химсоставу, макроструктуре, отсутствию дефектов, механическим свойствам (см. таблицу).
В результате применения катанки со структурой сорбита в отличие от катанки с перлитной структурой наблюдалось повышение пластических свойств на этапе производства проволоки.
Результаты механических испытаний катанки ст.70
(ТУ 14-1-5317-95)
Марка стали Класс Номер плавки Ств, Н/мм2, не более 1130 85, %, не менее 9 V, %, не менее 30
70 КК 860235 933-957 10,4-15,4 42-44
70 ВК 209350 933-1065 11,0-13,8 40-50
Так как способность стали к волочению характеризуется величиной деформации до разрушения либо пластичностью проволоки после волоче-ния, то использование сорбитизированной ка -танки для производства дюбелей повышенного качества более предпочтительнее, чем ускоренно охлажденной.
Дальнейшая пластическая деформация изменяет характер распределения и увеличивает плотность несовершенств кристаллического строения - дислокаций, вакансий, дефектов упаковки, мало- и высокоугловых границ Так как дефекты кристаллической решетки сильш влияют на формирование структуры при фазовых превращениях, то пластическую деформацию перед фазовыми превращениями или в период их развития можно использовать для создания оптимальной структуры термически обработанного сплава [1].
Деформация металла сопровождается его пластическим «разрыхлением» и накоплением поврежденности ю, представляющим собой на первой стадии развитие 1300 дислокационной структуры, последующее рассеянное образование отдельных см 1200 зародышевых субмикротрещин и суб-микропор. В дальнейшем наблюдается образование микропор, их рост и слияние , и, наконец, образование магистральной микротрещины, означающее макроразрушение металла.
Для оценки деформируемости ме-талла и прогнозирования разрушения металла при обработке давлением широкое применение получила феноменологическая теория разрушения, основы которой разработаны В.Л.Колмогоро-вым [3, 4] и получили дальнейшее раз -вигие в работах А.А.Богатова [5, 6]. Эта теория базируется на физических представлениях о закономерностях разрушения металла при пластической деформации.
На рис. 5 изображены рассчитанные по программе «Прогноз-С» зависимости поврежденности оз исследуемых сталей от степени деформации при волочении 1пд
После анализа указанных зависимостей можно сделать следующие выводы:
1. Накопление поврежденности ю при деформации зависит от структурного состояния стали С уменьшением межпластиночного расстояния (переход от структуры, полученной ускоренным охлаждением на прокатном
переделе к сорбитизированной структуре) по-врежденность также уменьшается.
2. Для сорбитизированной структуры разница в накоплении поврежденности ю на оси и поверхности проволоки меньше, чем в структуре ускоренно охлажденной на прокатном переделе катанки
Технологическими параметрами, влияющими на деформированное состояние и соответственно свойства металла в процессе волочения проволоки, являются форма рабочего канала волоки, степень деформации, коэффициент трения, скорость деформирования и ряд менее существенных факторов.
Из исследований, выполненных на сталях с пластинчатым перлитом, известно [7], что механические свойства этих сталей можно количественно выразить через такие параметры структуры, как межпластиночное расстояние, толщина пластин цементита и размер зерна. Так, прочност-
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6
Интенсивность напряжений Рис. 4. Диаграммы пластичности стали 70
Деформация Рис. 3. Кривые упрочнения стали 70
ные свойства в основном определяются межпла-стиночным расстоянием, а относигельше сужение
- толщиной цеменгигных пластин и размером зе -рен. При уменьшении значений! этих трех пара -метров структуры наблюдается улучшение свойств. При волочении проволоки среднее меж-пластиночное расстояние в перлите (Д) уменьшается пропорционально диаметру проволоки и, та -ким образом, упрочнение стали при волочении следует рассматривать как результат развивающегося диспергирования цеменгигных пластин и межцеменгигных (ферригных) промежутков.
Для установления зависимости механических свойств и структурного состояния проволоки из стали 70 при волочении от геометрических па -раметров волочильного инструмента, величины деформации и исходной структуры катанки был выполнен полный факторный эксперимент 23 с равномерным дублированием опытов [8].
В качестве независимых переменных были выбраны: угол конусности волоки (Хі), длина калибрующего пояска (Х2) и межпластиночное расстояние перлита в исходной структуре стали (Х3). Зависимыми переменными являлись раз -личные механические свойства готовой проволоки (сгв, Сто,2, 5Ъс}, і//).
Исходным сырьем для волочения служила катанка диам. 6,5 мм из стали марки 70. Волочение катанки осуществлялось на волочильном стане иВ2БЛ 2500/3 по маршруту волочения:
6,5] ^ 5,80 ^ 5,20 ^ 4,70 мм
При обработке результатов экспериментов был произведен расчет дисперсии опытов, проверена однородность ряда построчных дисперсий по величине критерия Кохрена Орасч.
О)
Рис. 5. Зависимость поврежденности стали 70 с различным исходным структурным состоянием металла от степени деформации
Найденные значения коэффициентов ре грее -сии были подвергнуты проверке на статистическую значимость с использованием критерия Стьюдента ?. Статистически незначимые коэффициенты из модели были исключены.
Таким образом, после реализации факторного эксперимента 23 были получены следующие уравнения регрессии:
у1 = 1291,25 + 14,175X1 - 22,325x2 -
- 64,25х3 + 8,375х1х2; (1)
У2 = 922,1625 - 11,2625x1 - 17, 5625x2 -
- 47,7625х3 + 12,8625х1х2 + 5,0375х1х2х3; (2)
у3 = 34,6625 + 0,825x1+0,5 875х2 -
-2,1875х3 - 0,9125х1х2; (3)
у4 = 11,55 + 0,925x1 + 0,85х2 - 2,325х 3 -
-1,275х1х2 + 1,875х2х3. (4)
Гипотезу об адекватности моделей проверили по критерию Фишера Грасч, и она не была отвергнута.
Из анализа регрессионных зависимостей можю сделать следующие выводы:
1. Выявлено, что на механические свойства (ав, ст0 2) высота калибрующей зоны оказывает более сильше влияние по сравнению с углом рабочего конуса волоки, также значительное влияние оказывает межпластиночное расстояние перлита в структуре исходного материала, в меньшей степени отмечается совместное влияние угла рабочей зоны и длины калибрующего пояска.
2. Для пластических характеристик (35с/ и 1//) прослеживается влияние двойного взаимодействия между углом конусности волоки и высотой калиб-рующей зоны, менее выражен эффект от угла конусности волоки, также следует отметить влияние межпластишчного расстояния перлита.
Анализ полученных экспериментальных данных, сопоставление геометрических параметров формы волоки с расчетами поврежденности ю позволили вывести эмпирическую зависимость для оптимального выбора геометрии канала волочильного инструмента.
Использование волок с геометрией канала полученной зависимости позволяет получить проволоку с поврежденностью ю (характеризующую накопление дефектов и склонность к трещинооб-разованию) ниже, чем у волок ставдартного исполнения . Относительная разница в накоплении поврежденности оз на оси проволоки и поверхности также выше у волок ставдартного исполнения, что сввдетельствует о более значительной неравномерности деформации по сечению проволоки.
Известно, что чем совершеннее текстура деформации, тем более четкой получается соответ-
ствующая ей текстура рекристаллизации [1, 9]. Характер и степень совершенства текстуры рекристаллизации зависят от ввда обработки давлением, степени и температуры последней деформации, температуры и времени последнего отжига, содержания легирующих элементов, примесей, размера зерна перед холодной деформацией и других факторов.
Термообработка предназначена не только для снятия наклепа и восстановления пластических свойств стали, а также для образования структуры, которая в сочетании с последующей холодной деформацией и окончательной термообработкой обеспечивает некоторые специальные, чаще всего повышенные прочностные свойства готовых изделий. Режим последующей термообработки следует подбирать таким обра-зом, чтобы изменения, вызванные в структуре стали холодным наклепом, были возможно полнее сохранены и оптимальным образом видоиз -менены (текстура деформационных несовершенств, определяющая конечную субструктуру).
Холодная пластическая деформация стали с перлитной структурой приводит к появлению большого количества дефектов как в ферригной, так и цементитной фазах перлита и существенно ускоряет коагуляцию карбидов, которая проис-ходит полнее и при значительно более низких температурах отжига [10].
После волочения проволочная заготовка подвергается отжигу с целью получения структуры зернистого перлита. Затем следуют операции калибровки, холодной высадки, формирование острия дюбеля и заключительная операция изотермической закалки
Термическая обработка дюбелей производится для првдания механических свойств, соответствующих техническим требованиям (твердость дюбелей не менее 51,5 НЯСЭ, для дюбелей повышенного качества 53-56 НЯСЭ). Закалка дюбелей осуществляется в расплавах солей (NN03 и КК03 или КаК02 и КаК03).
Для исследования структуры стали после изотермической закалки были использованы дюбели из стали марки 70, для производства которых служила катанка с перлитной структурой. В промышленных условиях готовые изделия прошли следующую термообработку: нагрев до темпера -туры 900°С и перенос в соляную ванну (КаК02 и КаК03) с температурой 260-270°С. Выдержка в соляной ванне составляла 10-12 мин. Согласно литературным данным [11], такая термообработка должна была обеспечить частичное бейнигное превращение при температуре 260-270°С и при
последующем охлаждении мартенсигное превращение.
Были отобраны дюбели, которые в результате такой термообработки приобрели различную твердость:
дюбель № 1 - НЯСЭ = 37-40 ед.; дюбель № 2 - НЯСЭ = 51-52 ед.
Из данных дюбелей были изготовлены шлифы для металлографического исследования, а также фольги для электронно-микроскопического ис-следования. Металлографические исследования, проведенные на данных образцах, показали, что структура дюбеля, обладающего удовлетворительной твердостью, состоит из смеси нижнего бейнига и мартенсита. Напротив, структура дюбеля, имеющего низкую твердость, состоит из тонкопластинчатого перлита с небольшой долей верхнего бейнига - продуктов высокотемпературного распада переохлажденного аустенига.
Возможные причины сохранения влияния холодного наклепа на окончательные свойства стали при последующей закалке обсуждались в работе М.А. Штремеля [12]. Важнейшей особенностью строения деформированной стали, определяющей сохранение деформационного упрочнения при фазовых превращениях, является образование при наклепе кристаллографической текстуры, а также «текстуры дислокаций» и «текстуры выделений». Эти изменения в структуре не уничтожаются при перекристаллизации вследствие известных кристаллогеометрических особенностей (а^-у)- и (у^-а)-переходов. Сохранение кристаллографической текстуры обусловлено известным ориентационным соответ -ствием при а^-у-превращении.
В случае (а^у)-превращения введенные наклепом дислокации должны были бы уничтожиться из-за перемещения большеугловых границ, однако сохранение дислокаций [2], особенно при нагреве высокодисперсных структур, когда каждый межкарбвдный промежуток претерпевает самостоятельное превращение, все же возможно.
В то же время необходимо отметить, что структура нижнего бейнига и мартенсита, обеспечивающая необходимые прочностные свойства (твердость), не может быть оптимальной для достижения нужных пластических свойств (угол изгиба) дюбелей повышенного качества.
Таким образом, исследования в области технологии производства высококачественных дюбелей позволяют утверждать, что каждый этап технологического процесса производства дюбеля влияет на конечные свойства готового метизного изделия.
Библиографический список
1. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.
2. Кардонский В.М., Курдюмов Г.В., Перкас М .Д. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1964. № 2. С. 2.
3. Колмогоров В.Л. Напряжения. Деформации. Разрушение. М.: Металлургия, 1970. 230 с.
4. Пластичность и разрушение / Под науч. ред. ВЛ.Колмогорова. М.: Металлургия, 1977. 336 с.
5. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Методика расчета запаса пластичности при производстве проволоки // Обработка металлов давлением: Межвуз. сборник. Свердловск: УПИ, 1978. Вып. 5. С. 33-38.
6. Богатов А.А., Колмогоров В.Л., Матвеев Г.А. Экспериментальная проверка условия разрушения металлаприразличных схемах нагружения // Изв. вузов. Черная металлургия. 1970. № 8. С. 78-80.
7. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали / В.Н.Гриднев, В.Г.Гаврилюк, ЮЯМешков. Киев: Наук. думка, 1974. 230 с.
8. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.
9. КурдюмовГ.В., УтевскийЛ.М., ЭнтинР.И. Превращения вжелезеистали. М.: Наука, 1977. 238 с.
10. Яковлева И.Л., М ирзаев Д.А., Счастливцев В.М. Особенности перлитного превращения в углеродистых сталях // Труды школы-семинара «Фазовые иструктурныепревращения в сталях». Вып. 1. Магнитогорск, 2001. С. 116-134.
11. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита: Справочник термиста. М.: Металлургия, 1965. 262 с.
12. Бернштейн М.Л., ШтремельМ.А. // ФММ. 1963. Т. 15. Вып. 1.
УДК 669.01:621.771.252
А.Н. Савьюк, И.В. Деревянченко, А.Б. Сычков, М.А. Жигарев
ОСВОЕНИЕ КАЧЕСТВЕННОГО СОРТАМЕНТА И СЕРТИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ
Молдавский металлургический завод, один из трех мини-заводов [1-3], построенных в СССР и запущенных в эксплуатацию в 1984-1985 гг., был рассчитан на утилизацию металлолома, накопляемого в Молдавии и близлежащих областях Укра-ины, и производства проката рядового, в основном строительного назначения, к которому относились арматура, уголки, швеллер, катанка для увязочных целей и общего применения из низко -среднеуглеродистых и низколегированных сталей После пуска завода в 1985 г. этот сортамент был, в основном освоен с выходом на проектную производительность (500 тыс. т) в 1989 г. Проектный сортамент металлопроката Молдавского металлургического завода включал следующее:
- арматурный прокат по ГОСТ 5781 и ГОСТ 10884 номинальным диаметром 10... 40 мм;
- фасонный прокат по ГОСТ 380/535, ГОСТ 8509, ГОСТ 8240: уголки равнополочные с шириной полки 25.50 мм и толщиной 4.5 мм; швеллер № 5;
- катанка по ГОСТ 380/535, ОСТ 14-15193-86 диаметром 5.5.12 мм.
В связис развалом СССР с 1991-1992 гг. завод встал на путь рыночного развития экономики со всеми соответствующими ему достоинствами и
недостатками Проблемы, в первую очередь, коснулись конкурентной борьбы на рынке, получе-НИИ прибыли, полного изменения философии по отношению к покупателю - заказчику - потребителю. Если в условиях «планового социалистического» хозяйствования приоритет в партнерских отношениях, как правило, имел производитель, то в новых условиях - уже покупатель.
Требования к качеству продукции, условиям поставки значительно возросли. Так, для длиномерной продукции заказчики требовали! поставки проката только мерной длины, в пакетах малого веса (1.2 т) с гарантированным количеством прутков в пакете; с изготовлением по номиналь-ному весу, но в минусовом поле допусков. Все это потребовало проведения частичной модернизации оборудования, в частности упаковочного, и четкой организации труда как технологов, так и ОТК, ис-пытательшй лаборатории, а также совершенствования системы сбыта металлопродукции. Кроме того, производство арматуры и фасонного проката мерной длины в малотоннажных пакетах и со счетом прутков обусловило потери производительности труда в 1,5.2,0 раз. В этот период (19921997 гг.) были освоены новые арматурные профи-леразмеры с эффективным серповвдным сечением поперечного ребра по зарубежным и международ-
